新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统设计

高 辉

(1.福建工业学校，福建 福州 350002)(2.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013)

受燃油成本、环保政策及部分城市对于传统燃油机动车上牌、限行管制等因素的影响，新能源汽车越来越受到消费者的青睐[1-2]，2019年我国新能源汽车的销量接近160万辆，环比增长12.3%。随着新能源汽车电池续航等核心技术的持续改良及城市充电桩等基础设施的不断完善，新能源汽车在未来将拥有更广阔的市场发展前景[3-4]。新能源汽车在动力总成结构上以纯电动汽车和插电式混合动力汽车最为常见，在底盘设计和车辆传动系统设计上基本与传统燃油车辆保持一致。变速箱是车辆传动系统的核心部件之一，按照机械结构设计的不同，汽车变速箱又分为MT、AT、CVT、DCT、AMT等多种类别[5-8]，其中AMT变速箱是基于传统MT变速箱演化而来[9-10]，集MT燃油经济性和AT、CVT换挡便捷性的优点于一身，且在制造成本上也具有一定优势，因此被广泛应用在小型车辆传动系统中。新能源汽车动力输出更为线性[11]，变速箱不会瞬时承受过高的扭矩，因此更适合使用AMT变速箱的传动系统。AMT变速箱控制系统设计的智能化程度以及换挡程序调校是车辆动力输出平顺与否的重要保证。为此，本文针对新能源汽车的结构特点，设计了一种针对电机动能线性输出与优化的AMT变速箱智能控制系统，以改善新能源汽车的驾驶感受。

1 新能源汽车机械AMT结构与工作原理

新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统，通过采集外界环境和系统自身的信号，按照预先设计好的换挡程序和换挡逻辑，传递电机动力并实现换挡控制，机械AMT系统总体结构包括传感器单元、TCU智能控制系统(简称TCU系统)及换挡执行机构。其中传感器单元包括动力系统转数传感器、车速传感器、挡位传感器等；传感器单元负责采集信号，并通过CAN总线将传感器信息传递到TCU系统；TCU系统是AMT变速箱的核心模块，负责指令处理、齿轮驱动、SCI通信等；换挡执行机构执行TCU系统的指令，实现最终的换挡操作。新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统工作原理如图1所示。

图1 新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统工作原理

机械AMT变速箱的TCU系统在接收到驾驶者油门信号指令后，结合当前电机的转数信号、车速信号、挡位信号，适时模拟调整换挡。为提升驾驶者和乘坐人员的舒适度，减少换挡冲击，控制系统会预设一些事先调整好的指令程序，以减少换挡时间。在系统原有执行机构的基础上，还加入了电动执行装置，满足新能源汽车驾驶者的个性化需求。

2 智能控制系统的硬件设计

新能源汽车AMT智能控制系统的硬件部分，通过采集各种传感器信息，基于TCU单元的逻辑控制功能控制终端执行机构实现智能换挡。从结构上来看，硬件部分包括传感器信号处理模块、TCU主控模块、电源模块、电磁阀驱动模块以及CAN总线(通信模块)等几个部分。其中通信模块通过无线传感装置与ECU模块连接，感知驾驶者对油门的控制与响应。智能控制系统硬件结构，如图2所示。

图2 智能控制系统的硬件结构

TCU主控模块采用了XC2785型汽车专用芯片，该芯片拥有32位的MAC单元和32位的逻辑运算单元，可以完成较为复杂的DSP运算。主控模块配备16 KB的高速RAM，用于存储信号的传递和堆栈。在Flash存储设计方面，采用768 KB的超大存储空间存储程序代码，同时固态存储也保证了RAM在抓取数据时的运行速度。TCU主控模块支持高效指令集检索与高效寻址模式，并支持增强的布尔位操作，当时间触发后自动将源数据与CPU的指令周期做匹配，完成在整个地址空间内的数据传达。

在传感器模块的设计中，转数传感器、挡位传感器为电磁传感器，而位移传感器的设计方式与电感传感器相一致，当终端执行机构的位置发生变化时，传感器的电感应量也会发生变化。以位移传感器为例，其内部电路结构如图3所示。

图3 位移电感传感器的内部电路结构

电磁传感器使用NVC1125型芯片连续处理电磁信号，传感器两端连接2.4 V的霍尔传感器，当有磁性体通过时传感器的最大电流能够达到10 mA。电磁阀驱动模块的电磁阀选择助力缸快速分离电磁阀，控制AMT变速箱挡位的正向移动和负向移动，电磁阀的工作电流最大为5 A、最大电流为0.5 A。电磁阀驱动模块内部主要由CMOS逻辑控制晶体管组成，具有电路系统短路保护功能。本文使用BTS6155型变压和稳压装置，根据不同模块的工作电压要求，为系统提供不同峰值的电能供应。在模块之间的通信方面，本文选用CAN局域通信模式，CAN通信协议兼具了可靠性与灵活性的双重优点，减少了系统内部配电线束的过度使用。

3 系统软件设计与多挡位过程控制

新能源汽车机械AMT变速器的软件控制系统采用模块化的编程设计方式，由主控程序与各模块的子程序构成，子程序的编制与硬件模块的功能需求保持一致，具体包括信号采集程序、CAN总线与串口通信程序、变速箱执行程序、故障诊断程序等。新能源汽车的驾驶者发动汽车后，机械AMT变速器控制系统启动主控程序，各子模块、通信系统同时进入待工作状态，TCU控制单元读取挡位、转数等相关信息，系统软件的主控程序如图4所示。

图4 系统软件的主控程序

新能源汽车AMT变速器控制系统的换挡程序包括前进挡、空挡和倒车挡子程序。AMT变速器的设计特点决定了换挡过程中采用自动离合装置，换挡过程中降速指令的电控信号传递到电机，当转速下降时，TCU单元给出换挡指令自动切断离合装置完成一次换挡操作。当实际的电流信号与标准程序电流信号出现偏差时，TCU单元会按照标准执行程序调整指令与纠偏执行机构的控制电流大小。CAN总线通信协议中对各节点的地址进行了重新规范和定义，在某些高通信负载场景使用208～290 bps的速率区间，为系统主控程序的修改和完善提供更大的空间。在多挡机械AMT控制中，关键要完成选换挡位置的控制，即通过对电机转数、速度值的精确计算准确控制选换挡的位置，避免出现选挡错误或跳挡的现象。选换挡控制中引入线性二次型最优控制理论，控制直流电机的电枢回路与转矩，控制过程可以描述如下：

(1)

式中：Ui为输入电压；η为电枢电感；Ii为控制系统的输入电流；R为控制器电阻值；τ为控制系统的反电势常数；ω为电机转角位移；ζ为电机力矩系数；ψ和γ分别为电机的惯量系数与阻尼系数；κ为负载转矩常数。利用控制系统电枢回路方程和电机转矩平衡方程控制电机与AMT变速箱之间的动力衔接，保证动力被平稳地输出到半轴。由式(1)得到机械AMT变速箱智能控制系统最优状态方程：

(2)

(3)

对于智能AMT变速箱控制系统而言，当误差值最小，且输出变量达到最优解时，二次型目标函数的最优电机转动惯量ψb用积分方程表示为：

(4)

式中：ψb为最优电机转动惯量；u为输入电压矩阵；A为状态变量的系数矩阵；B为输入变量的系数矩阵；t为时间。在系统均衡的状态下，AMT变速箱的多挡位控制能够达到最优化状态。

4 实验结果与分析

4.1 实验平台搭建

本文通过仿真实验验证文中设计的机械AMT变速箱控制系统的性能及控制效果，测试设备主要包括直流电源箱、各类机械电机，具体测试项目包括电机及AMT变速箱负荷特性曲线及变速箱响应曲线，AMT变速箱控制系统仿真测试平台如图5所示。

图5 AMT变速箱控制系统仿真测试平台

直流电源箱主要是模拟新能源汽车的电池系统，为电机提供稳定的能源供应。实验仿真系统的电机组包括驱动电机、负载电机和换挡执行电机，驱动电机、负载电机的工作电压为336 V，电流为50 A，换挡执行电机的电压为24 V，电流为5 A。实验选用的AMT变速箱为德国ZF集团出品的AS-tronic第三代变速箱，拥有5个前进挡位和1个倒挡位R，各挡位的传动比设计见表1。

表1 实验用AMT变速箱挡位传动比设计

模拟系统的通信总线执行CAN2.0B协议，拥有最高400 Kbps的数据传输速度。

4.2 智能化控制效果分析

首先分析与测试在变速箱智能系统控制下驱动电机、负载电机和执行电机的电压及电流特征变化，测试结果如图6和图7所示。

图6 控制AMT变速箱各电机的电压负载变化

图7 控制AMT变速箱各电机的电流负载变化

各电机电压的输出负载信号为方波信号，电流信号为正弦波信号，MATLAB软件仿真结果显示，在本文设计的智能控制系统控制下，与AMT变速箱连接的电机电流、电压周期变化平稳，未出现异常波动，表明该控制系统控制效果良好。

4.3 离合器控制精度与降挡精度对比

机械AMT变速箱智能控制系统对离合器的控制精度，将决定最优换挡时机的选择，并会进一步影响车辆换挡过程中的舒适度和总体电能消耗。利用系统软件采集不同转速条件下离合器换挡时机与理论值的偏差，同时引入传统基于ECU单元的控制系统，参与对比，在执行电机转数分别为500,1 000,1 500,2 000和2 500的条件下，检测智能控制系统对离合器的控制偏差，统计结果见表2。

表2 离合器的控制精度对比

从综合控制效果来看，在本文设计的AMT变速箱智能控制系统监控下，无论发动机低转速还是高转速，离合器控制偏差均较小且趋近于理论值；而在基于ECU单元的控制系统下，离合器的最优控制偏差会随着转速的增高而逐渐增大，导致AMT变速箱在高转速升挡中出现顿挫现象，影响车辆乘坐的舒适性。当车速逐渐降低时，AMT变速箱会随着车速的降低而主动降挡，在快速深踩油门需要超车的场景下，AMT变速箱会被动降挡，分别测试在主动降挡和被动降挡的场景下，变速箱对于降挡工况的判断和响应，测试的结果如图8和9所示。

图8 主动降挡条件下挡位控制响应效果

图9 被动降挡条件下挡位控制响应效果

当AMT变速箱随车速降低而降挡时，本文设计控制系统与基于ECU单元的控制系统的控制响应效果差别较小；而当车辆驾驶员意图超车，需要变速箱强制降挡时，本文设计控制系统的控制效果更接近于理论值，降挡迅速且无顿挫感，降挡时滞更短。

5 结束语

近几年，随着新能源汽车电池技术难题逐渐被攻克，新能源汽车的总体市场保有量不断攀升。从结构设计和成本控制等视角来看，新能源汽车更适合匹配AMT变速箱。针对传统AMT变速箱控制系统在执行电机匹配和电流电压均衡负载过程中存在的不足，设计了一种基于动态控制与调整的AMT变速箱控制系统。分别从硬件设计和软件优化层面完善控制系统的功能，实现变速箱多挡位升降挡控制。仿真结果显示，本文设计的控制系统能够获得更好的挡位升降体验，挡位响应更迅速。