新能源汽車機械AMT變速箱智能控制系統(tǒng)設計研究

吉超

摘 要：文章以新能源汽車為主要研究對象，基于推動新能源汽車智能化發(fā)展的目標，從機械AMT變速箱的角度，對機械AMT變速箱應用的智能控制系統(tǒng)進行了研究和分析，著重從系統(tǒng)架構、軟硬件設計以及速度傳感器的運檢分支系統(tǒng)和運行測試方面，明確智能控制系統(tǒng)的設計要求，驗證了智能控制系統(tǒng)對提升機械AMT變速箱控制效果的作用，旨在為新能源汽車行業(yè)的發(fā)展提供經(jīng)驗借鑒。

關鍵詞：新能源汽車 變速箱 智能控制系統(tǒng)

1 引言

新能源汽車在當前的汽車行業(yè)發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車減少對環(huán)境的污染，也能夠達到節(jié)約資源的目的。變速箱是新能源汽車的基本結構，對于調(diào)節(jié)和驅動新能源汽車的行駛，確保車輛動力輸出平順具有重要的作用。本文基于智能化的設計和建設目標，應用智能控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對于機械AMT變速箱的控制，能夠有效改善和提升新能源汽車的駕駛性能效果。

2 系統(tǒng)架構

智能控制系統(tǒng)設計的基本原理是通過車載傳感器來獲取和收集外界的信息轉化為相應的數(shù)據(jù)，在對信號進行合理轉換之后，再通過收集到的數(shù)據(jù)信息來下達和傳遞相應的控制指令。

對新能源汽車機械AMT變速箱智能控制系統(tǒng)架構的設計，應明確信息收集與處理的基本流程。控制系統(tǒng)應能夠利用傳感器來采集外界環(huán)境以及系統(tǒng)自身的信號，在相關人員綜合新能源汽車行駛實際要求制定好程序的換擋邏輯之后，實現(xiàn)對于變速箱的智能控制[1]。智能控制系統(tǒng)應包括傳感器單元、TCU系統(tǒng)以及換擋執(zhí)行機構三個部分。其中，負責收集信息數(shù)據(jù)的傳感器以車速傳感器、動力系統(tǒng)轉速傳感器等最為常見；在傳感器獲取信息之后，主要由TCU系統(tǒng)來下達和處理指令，驅動齒輪，并保持系統(tǒng)信息的SCI通信過程；換擋執(zhí)行機構則能夠基于TCU系統(tǒng)下達的指令來驅動執(zhí)行換擋操作。

基于這一系統(tǒng)架構，在實際行駛新能源汽車時，TCU系統(tǒng)接收到駕駛員傳遞的信號指令之后，通過對電機轉速信號、車速信號等信息的綜合分析，模擬調(diào)整換檔的操作。為體現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化特點，對于控制系統(tǒng)邏輯程序的設定應考慮新能源汽車的基本要求，以減少換擋時間為目的，在必要的情況下可以增加電動執(zhí)行裝置來滿足駕駛員對新能源汽車行駛的需求。

3 變速智控系統(tǒng)設計分析

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件結構

對變速控制系統(tǒng)硬件部分的設計，首先應掌握明確的硬件結構。基于智能控制系統(tǒng)的運行原理，硬件結構應具體包括傳感器信號處理、TCU主控、電源、電磁閥驅動以及CAN總線通信模塊。結合系統(tǒng)架構的設計規(guī)劃，電源模塊主要應用車載12V的電源供應驅動新能源汽車，傳感器信號處理模塊具體包括收集轉速、速度、位移以及檔位信息的傳感器類型，在將收集到的信息匯總傳遞給TCU主控模塊之后，由通信模塊實現(xiàn)無線傳感裝置與CPU模塊的有效連接，電磁閥驅動模塊主要包括離合電磁閥、檔位電磁閥以及速度感應電磁閥。此設計不僅能夠為駕駛員感應和控制油門提供便利，也能夠實現(xiàn)對離合器的有效控制。為保障整個智能控制系統(tǒng)的運行安全，本文在對智能控制系統(tǒng)進行設計時，充分考慮智能控制系統(tǒng)中不同模塊的工作電壓，以應用變形和穩(wěn)壓裝置的方式來為系統(tǒng)運行提供電能供應[2]。

3.1.2 主控模塊

在智能控制系統(tǒng)的硬件結構中，主控模塊是驅動和執(zhí)行變速箱的重要結構?，F(xiàn)階段新能源汽車控制系統(tǒng)中應用的芯片為汽車專用芯片，考慮新能源汽車的駕駛要求，XC2785型的芯片能夠以32位的MAC單元以及32位的邏輯運算單元來實現(xiàn)DSP運算。為滿足信號儲存與傳遞的基本要求，在智能控制系統(tǒng)的TCU控制模塊基礎上，還應配備高速RAM[3]。為滿足變速箱智能控制的要求，對于TCU主控模塊的設計還應確保指令檢索與尋址模式應用的高效性，并考慮能夠支持增強布爾位操作的方式，以便能夠在時間觸發(fā)后，自動匹配源數(shù)據(jù)與CPU的指令周期，從而在系統(tǒng)程序內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的及時傳達。

對于Flash存儲部分的設計，應以為新能源汽車的行駛和控制操作提供更大的儲存空間為主要目的，一方面確保儲存程序代碼能夠提供更寬泛的儲存空間，另一方面也應注重提高RAM抓取數(shù)據(jù)的運行速度。

3.1.3 傳感器

傳感器是智能控制系統(tǒng)能夠獲取信息的重要裝置。對于傳感器模塊的設計，應考慮收集不同信號信息的傳感器在設計方式以及操作執(zhí)行等方面的差異[4]。例如，轉速與檔位傳感器屬于電磁傳感器，而位移傳感器主要基于電感的原理，在系統(tǒng)終端執(zhí)行機構的位置改變的情況下，傳感器的電感應量也會發(fā)生變化（如圖1）。

在明確傳感器內(nèi)部電路結構之后，以某電磁傳感器為例，開啟傳感器，基于電磁傳感器的特點，在有磁性體通過的情況下，傳感器的電流最大能夠達到10mA。在這一前提下，在電磁閥驅動模塊選擇助力缸來達到快速分離電磁閥的目的，然后可以實現(xiàn)對AMT變速箱檔位移動方向的控制。通常情況下，電磁閥本身的工作電流在0.5A-5A之間[5]。為保障傳感器電路的運行安全，在充分考慮流經(jīng)傳感器模塊電流大小的前提下，主要由CMOS邏輯控制晶體管來發(fā)揮對整個電路系統(tǒng)的短路保護作用。

3.2 軟件設計

3.2.1 控制程序

為讓變速箱在新能源汽車的行駛中發(fā)揮更大的作用，充分考慮智能控制系統(tǒng)設計的發(fā)展趨勢，選擇應用模塊化的編程設計方式，通過主控程序以及各個模塊內(nèi)部的子程序來實現(xiàn)對于整個變速箱功能和運行效果的有效控制。為保證變速箱的控制效果，對于系統(tǒng)軟件控制程序的設計，應強調(diào)讓主程序與子程序在運行功能需求的方面保持一致。其中，基于主控程序對模塊控制和驅動變速箱變速調(diào)節(jié)的作用，主控程序部分應能夠體現(xiàn)信號采集、CAN總線與串口通信、操作執(zhí)行、故障診斷等具體的程序邏輯。

在新能源汽車進入行駛狀態(tài)之后，變速箱的智能控制系統(tǒng)主控程序啟動，各個模塊進入待工作的狀態(tài)。首先由TCU主控模塊進行檔位和轉速讀取，通過這一自檢的方式來及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)程序運行中可能存在的故障問題。在TCU主控模塊完成自檢之后，會啟動各個模塊的子程序。子程序在讀取檔位、轉速以及車速信息之后，能夠自動執(zhí)行換擋程序，然后再由CAN總線模塊來實現(xiàn)相關執(zhí)行操作以及信息的傳遞，發(fā)揮報文通信的功能。在主控程序接收到子程序提供的相關信息之后，會再次啟動TCU系統(tǒng)，進行第二次自檢。

3.2.2 變速控制

為保障新能源汽車的行駛安全，對于變速箱智能控制系統(tǒng)的設計，應確保能夠讓變速箱發(fā)揮變速控制的功能。在系統(tǒng)軟件部分的設計中，考慮AMT變速箱與一般的汽車變速箱之間存在差異，需要應用自動離合裝置來滿足換擋操作的要求。對軟件執(zhí)行操作程序的設計，應強調(diào)能夠在換擋操作中，確保承載降速指令的電控信號能夠及時傳遞給電機。在實際行駛中如果轉速下降，由TCU數(shù)控程序基于對傳感器信號和信息的智能判斷之后，發(fā)出換擋指令，加速指令的電控信號被傳遞給電機，進而由TCU單元以自動切斷離合裝置的方式來完成一次換擋操作。如果在收集和分析數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)電流信號存在偏差，TCU單元也能夠直接按照自身既定的程序，對指令進行及時調(diào)整，并通過糾偏執(zhí)行機構控制電流大小的方式來達到保證變速箱穩(wěn)定運行的目的。

4 搭建速度傳感器運檢分支系統(tǒng)

4.1 建立故障分析模型

故障分析是智能控制系統(tǒng)應具備的基本功能之一，基于對AMT變速箱智能控制的要求，可以通過建立故障分析模型的方式，為變速箱的故障檢測提供依據(jù)。明確新能源汽車車速變化的換擋控制要求，引入線性二次型的最優(yōu)控制理論，對直流電機的控制過程可以應用以下公式來表示：

在以上公式中，代表輸入電壓，代表電樞電感，代表控制系統(tǒng)的輸入電流，R代表控制器的電阻值，代表控制系統(tǒng)的反電勢常數(shù)，代表電機轉角位移，代表電機力矩系數(shù)，代表電機的慣量系數(shù)，代表負載轉矩常數(shù)。

應用這一公式，實現(xiàn)控制系統(tǒng)電樞回路和變速箱之間的動力銜接，確保變速箱部分電流輸出的穩(wěn)定性。

4.2 故障監(jiān)測流程

在傳感器正常的工作狀態(tài)下，由傳感器獲得的電機轉速與觀測器計算得到的轉速估計值應大致相等。如果傳感器在系統(tǒng)運行中發(fā)生故障，導致電機實際的轉速難以傳遞給系統(tǒng)程序，傳感器的輸出信號就會迅速發(fā)生變化?；诖?，在考慮系統(tǒng)運行本身容易受到外部噪聲干擾的情況下，在應用故障檢測模型的同時，可以引入大于0的閾值。根據(jù)驅動系統(tǒng)的基本參數(shù)，將閾值設定為電機最小轉速的誤差，則可以定義檢測因子g。在g=0的情況下，傳感器處于正常的運行狀態(tài)，在g=1的情況下，證實傳感器發(fā)生了故障。

4.3 觀測器設計

對智能控制系統(tǒng)中觀測器的設計，應在明確電機實時轉速和轉子位置角大小的前提下，確定電流觀測器的滑膜面。本文在觀測器的設計中，主要基于STA-HOSM模型的設計思想，以構建PMSM模型的方式，考慮觀測器模型中的參數(shù)變化存在明顯界限應用ISTA算法得到電流觀測器的基本模型。

4.4 分支系統(tǒng)容錯設計

在檢驗發(fā)現(xiàn)變速箱應用的傳感器失效的情況下，基于分支系統(tǒng)的容錯設計要求，應能夠由控制系統(tǒng)來啟動容錯控制模塊，以此來隔離故障。在實際的系統(tǒng)運行中，應盡可能縮短進行故障檢測與隔離的時間。如果傳感器已經(jīng)完全失效，則要求分支系統(tǒng)中的容錯控制模塊能夠啟動設計的虛擬傳感器，代替失效傳感器發(fā)揮作用。

5 變速智控平臺的運行分析

5.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

為驗證控制系統(tǒng)的運行效果，首先需要在充分考慮智能控制系統(tǒng)運行要求的前提下，搭建開發(fā)平臺，為系統(tǒng)運行提供更便利的環(huán)境。本文對于設計的智能控制系統(tǒng)測試，主要通過直流電源箱以及各類機械電機實現(xiàn)。其中，直流電源箱主要負責模擬新能源汽車的電池系統(tǒng)，以便能夠為變速箱的電機運行提供穩(wěn)定的電源供應。

在實際實驗中確定的實驗仿真系統(tǒng)模擬環(huán)境，具體包括以下幾個方面的內(nèi)容：設定驅動電機以及負載電機的工作電壓為336V，電流為50A，換擋執(zhí)行電機的電壓為24V，電流為5A，選擇用于實驗的新能源汽車變速箱，擁有五個前進檔位和一個倒檔位。其中，5個前進檔位的傳動比設計值分別為6.89、4.11、2.59、1.34、1.00，一個倒檔位的傳動比設計值為6.25。

5.2 變速智控測試

在構建系統(tǒng)開發(fā)平臺之后，就可以對變速箱智能控制系統(tǒng)的運行情況進行測試。在模擬現(xiàn)實的新能源汽車行駛狀態(tài)和環(huán)境前提下，應對新能源汽車變速情況下的驅動電機、負載電機等電機組電壓和電流的特征變化情況進行測試。應用相關測試儀器繪制輸出信號波動情況，由電機電壓輸出的信號為方波信號，由電機電流輸出的信號為正弦波信號。基于這一結果，進一步應用MATLAB軟件對輸出信號的變化情況進行分析，發(fā)現(xiàn)變速箱電機電流以及電壓周期變化較為平穩(wěn)，因而能夠驗證該系統(tǒng)具有良好的控制效果。

5.3 控制精確性分析

5.3.1 速度信息的精確性

為保證變速箱智能控制系統(tǒng)應用的精確性，主要可以從速度信息和離合器兩個方面來驗證智能控制系統(tǒng)的運行效果。在速度信息的控制方面，考慮新能源汽車的實際行駛情況，在車速逐漸降低的情況下，應發(fā)揮智能控制系統(tǒng)的作用，讓變速箱能夠基于車速的降低而主動執(zhí)行降檔操作；對于深踩油門需要超車的情況，則要求變速箱能夠及時被動降檔。因而在實驗中應注重對變速箱在主動降檔以及被動降檔兩種情況下的響應和判斷情況進行分別測試。

結合相應的實驗結果發(fā)現(xiàn)，在AMT變速箱隨著車速降低而執(zhí)行降檔操作時，應用智能控制系統(tǒng)的控制響應效果與設計值相差不大。而對于需要被動降檔的情況，應用智能控制系統(tǒng)能夠讓變速箱的控制效果更接近于理論值，在減少降檔時滯的同時，也能夠確保駕駛員的行車舒適性。

5.3.2 離合器控制效果

考慮在實際的系統(tǒng)運行中，容易因為偏差而影響對離合器的控制效果，可以利用智能控制系統(tǒng)來采集處于不同轉速條件下離合器的實際換擋時機與理論設計時機之間的偏差。為提升離合器控制的精準性，可以在智能控制系統(tǒng)的設計中引入ECU單元來進行理論與實際的對比分析?；诖?，將執(zhí)行電機轉速作為控制變量，對不同執(zhí)行電機轉速情況下的離合器控制時間偏差進行實驗統(tǒng)計，得到的結果如下：

當執(zhí)行電機轉速為500r/min時，應用ECU單元控制系統(tǒng)的離合器控制時間為-0.0948s，應用智能控制系統(tǒng)的離合器控制時間為-0.0147s；當轉速為1000r/min時，ECU單元的離合器控制時間為0.1251s，智能控制系統(tǒng)的離合器控制時間為0.0256s；轉速為1500r/min，ECU單元控制時間為-0.1588s，智能控制系統(tǒng)時間為0.0117s。

6 結論

綜上所述，智能控制系統(tǒng)能夠有效滿足對新能源汽車機械AMT變速箱進行控制的要求。在充分考慮新能源汽車行業(yè)發(fā)展對汽車結構自身和控制系統(tǒng)提出要求的前提下，對于變速箱智能控制系統(tǒng)的設計，應強調(diào)讓控制系統(tǒng)為提供新能源汽車動力服務，基于縝密的邏輯進行系統(tǒng)架構和軟硬件的設計，同時也需要結合實際要求來對智能控制系統(tǒng)的運行效果進行測試，注重提升控制的精準性和實際效果。

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