（机械制造及其自动化专业论文）电动式机械自动变速器控制系统研究.pdf

c l a s s i f i e di d e x ： y 1 删7 9 1 9 2 6 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c - d r i v e na u t o m a t e d m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n c a n d i d a t e ：l u oy i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e a u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gc h e n g r u i s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 0 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：师签名：勉 日 期：2 1 ! ：笙：。 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 i i l 1 1 汽车自动变速器的发展现状与分类一1 1 2 电控机械式自动变速器的发展5 1 3 本课题研究的主要内容及意义6 1 3 1 本课题的来源6 1 3 2 本课题研究的主要内容7 1 3 3 本课题研究的意义7 第2 章a n t 电控单元设计 8 2 1 总体方案设计一8 2 2 传感器的选择l o 2 3 电控单元硬件设计ll 2 3 1 电源电路1 1 2 3 2 传感器电源电路1 2 2 3 3 模拟信号处理1 2 2 3 4 速度信号处理1 4 2 3 5 开关信号转换电路1 8 2 3 6 驱动电路1 8 2 3 7 主控j 卷片电路2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章机械执行机构设计 2 2 3 1 执行机构分类2 2 3 2 选换挡执行机构设计2 5 3 2 1 选换挡执行机构分析2 5 3 2 2 选挡执行机构设计方案2 6 3 2 3 换挡执行机构设计方案2 8 3 3 离合器执行机构2 9 3 4 本章小结3l 第4 章控制策略研究。 4 1 系统的控制流程3 2 4 2 换挡品质控制3 5 4 2 1 换挡品质的评价指标3 5 4 2 2 换挡时l h j 的控制3 6 4 3 自动换挡规律研究3 7 4 3 1 动力型换挡规律研究4 1 4 3 2 经济型换挡规律研究4 6 山东人学硕士学位论文 4 4 本章小结5 3 第5 章a m t 试验研究 5 1 试验台的功能5 4 5 2 试验台的设计5 4 5 3 式弓佥5 6 5 4 本章小结一6 0 第6 章结论与展望 参考文献 致谢 目录 t a b l eo f c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) 一i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n 1 1 1d e v e l o p m e n to f a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n dc l a s s i f i c a t i o n 1 1 2d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da m t 5 1 3m a i nc o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 6 1 3 1s o u r c eo f t h er e s e a r c h 6 1 3 2m a i nc o n t e n t so f t h er e s e a r c h 7 1 3 3s i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 7 c h a p t e r 2 ：a m tc o n t r o lu n i td e s i g n 8 2 1o v e r a l ld e s i g n 8 2 2s e n s o rs e l e c t i o n 10 2 3h a r d w a r ed e s i g nf o rc o n t r o lu n i t 11 2 3 1p o w e rc i r c u i t 11 2 3 2s e n s o rp o w e rs u p p l yc i r c u i t 1 2 2 3 3a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 1 2 2 3 4s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 1 4 2 3 5s w i t c hs i g n a lc o n v e r s i o nc i r c u i t 18 2 3 6d r i v ec i r c u i t 18 2 3 7m a i nc h i pc i r c u i t 2 0 2 4s u m m a r y 2 1 c h a p t e r 3 ：m e c h a n i c a ld e s i g no fa c t u a t o r s 2 2 3 1t y p eo f a c t u a t o r s 2 2 3 2a c t u a t o r sd e s i g no fs e l e c t i n ga n dm e s h i n gg e a r s 2 5 3 2 1a n a l y z ea c t i o no fs e l e c t i n ga n dm e s h i n gg e a r s 2 5 3 2 2s e l e c t i n gg e a r sa c t u a t o r sd e s i g n 2 6 山东大学硕士学位论文 3 2 3m e s h i n gg e a r sa c t u a t o r sd e s i g n 2 8 3 3c l u t c ha c t u a t o r sd e s i g n 2 9 ：；4s u m m a r y 3 1 c h a p t e i 己4 ：r e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g y 3 2 4 1s y s t e mc o n t r o lf l o w 3 2 4 2q u a l i t yc o n t r o l 3 5 4 2 1q u a l i t ye v a l u a t i o nc r i t e r i a 3 5 4 2 2t i m ec o n t r o l 3 6 4 3r e s e a r c ha u t o m a t i cs h i f ts c h e d u l e 3 7 4 3 1p o w e rt y p es h i f ts c h e d u l e 4 1 4 3 2e c o n o m ys h i f ts c h e d u l e 4 6 4 4s u m m a r y 5 3 c h a p t e r 5 ：a m te x p e r i m e n t 5 4 5 1t e s t b e df u n c t i o n 5 4 5 2t e s t - b e dd e s i g n 5 4 5 3e x p e r i m e n t 5 6 5 4s u m m a r y 5 9 c h a p t e r 6 ：c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 6 0 r e f e r e n c e s 6 2 a c k n o w i ，e d g e m e n t s 6 5 摘要 摘要 电控机械式自动变速器( a m t ) 是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础 上，采用电子技术和自动控制理论，以电子控制单元为核心，通过执行机构控制 离合器和选换挡的自动操纵系统。本文在对液压式机械式自动变速器、气压式机 械式自动变速器和电动式机械式自动变速器进行比较分析的基础上，设计了电控 电动式机械式自动变速器的控制系统。 a m t 控制系统包括传感器、控制器和执行器三个部分。传感器包括速度传感器 传感器和位置传感器。其中发动机速度传感器、车速传感器采用电磁式速度传感 器，变速器输入轴速度传感器采用霍尔式速度传感器；离合器接合位置传感器采 用直线位移传感器：选挡行程、换挡行程传感器采用角度传感器。控制器采用高 性能的3 2 位a r m 芯片矛f l c p l d 联合控制，a r m 芯片主要对位置信号进行采集并实现复 杂的控制策略，c p l d 对发动机速度、车速和变速器输入轴转速进行精确的采集计 算，并传输给a m r 芯片。执行机构采用全电动执行机构，其中离合器和换挡采用直 流电动机进行驱动，选挡采用电磁铁进行驱动。 车辆的起步与换挡过程的控制是电控机械式自动变速器系统的两项关键技 术，因此离合器控制策略和换挡策略优劣直接影响到自动变速器的性能，本文对 离合器控制策略和换挡策略进行了分析研究，重点对汽车动力性和经济性进行了 计算。 试验表明：传感器信号精度、控制单元运行速度和执行器动作速度满足设计 要求，控制策略基本合理。 关键词：电动式机械自动变速器；执行机构；控制系统；控制策略 山东大学硕：i ：学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c d r i v e na u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nw i t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g y a n da u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r yi sa na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nat r a d i t i o n a l f i x e d a x i st r a n s m i s s i o na n dad r yc l u t c h e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ti st h ec o r e i tc o n t r o l s t h ec l u t c ha c t i o n sa n dt h es h i f t o p e r a t i o n s t h ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c d r i v e n a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) d e s i g n e db a s e do nt h ec o m p a r i s o no f h y d r a u l i ca m t ，p n e u m a t i ca m t a n de l e c t r i c d r i v e na m t a m tc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e ss e n s o r s ，c o n t r o l l e r sa n da c t u a t o r s s e n s o r si n c l u d e s p e e ds e n s o r sa n dp o s i t i o ns e n s o r s t h ee n g i n ea n dv e h i c l es p e e dm e a s u r e m e n tu s e e l e c t r o m a g n e t i cs p e e ds e n s o r s t h et r a n s m i s s i o ni n p u ts h a f ts p e e dm e a s u r e m e n tu s ea h a l l - t y p es p e e ds e n s o r t h ec l u t c hp o s i t i o ns e n s o ru s eal i n e a rm o t i o ns e n s o r , a n dt o m e a s u r es h i f tg e a r sp o s i t i o nu s et w oa n g l es e n s o r s t h ec o n t r o lu n i tw i t ha3 2 一b i ta r m c h i pa n d ac p l d ，t h ea r mi sm a i n l yu s e dt oc o l l e c tt h ep o s i t i o ns i g n a l sa n dr e a l i z et h e c o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g y t h ec p l dc o l l e c t st h es p e e dd a t af r o mt h ee n g i n e ，t h e v e h i c l ea n dt h et r a n s m i s s i o ni n p u ts h a f t ，a n dt h e nt r a n s f e r st h e mt ot h ea m r - c h i p a l l a c t u a t o r sa r ee l e c t r i cd r i v e n o p e r a t i n gc l u t c ha n dm e s h i n gg e a r su s ed cm o t o r sa n d s e l e c t i n gg e a r su s et w oe l e c t r o m a g n e t s t h es t a r t i n go fv e h i c l ea n ds h i f tg e a r si st h et w ok e yt e c h n o l o g i e so fe l e c t r i c d r i v e na m t ，s ot h ep e r f o r m a n c eo fa t m d e p e n d so nt h ec l u t c hc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d s h i f ts t r a t e g i e s c o n t r o ls t r a t e g yo nt h ec l u t c ha c t i o na n ds h i f tg e a r sw e r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r p a r t i c u l a r l y ，t h ep o w e ra n de c o n o m ym o d es h i f ts c h e d u l ea r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h es e n s o rs i g n a la c c u r a c y ，t h es p e e do f c o n t r o lu n i ta n dt h ea c t u a t o r sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，c o n t r o ls t r a t e g yi s r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：e l e c t r i c d r i v e na u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ；a c t u a t o r s ；c o n t r o l s y s t e m ；c o n t r o ls t r a t e g y 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车自动变速器的发展现状与分类 与传统的汽车手动变速器相比，汽车自动变速器在节能、可操控性和驾驶舒 适性等方面有显著优势。因此，自动变速器在汽车工业发达的国家和地区的变速 器市场上占有率越来越高。当前，自动变速器在美国汽车变速器市场上的占有率 接近9 0 ，在日本汽车变速器市场上的占有率在8 0 以上，在欧洲乘用车变速器市 场上的占有率在5 0 以上。 汽车手动变速器具有效率高、成本低、生产工艺成熟的特点，目前仍然占有 很大的市场份额。但手动变速器存在着换挡困难、动力中断以及驾驶员水平对车 辆行驶性能有较大影响等缺陷，而且手动换挡频繁的操作，容易造成驾驶员行驶 疲劳，增加了驾车行驶的不安全因素。因此，自动变速器取代手动变速器成为主 流，是汽车变速器市场发展不可逆转的趋势。当前，自动变速器在中国汽车变速 器市场上的占有率仅有2 0 ，因此中国汽车自动变速器市场潜力巨大。 虽然中国自主开发汽车自动变速器已有2 0 多年历史，但是至今大多没有实现 自动变速器产业化。因此，中国汽车自动变速器市场长期被国外企业垄断着。近 年来，中国每年进口上百亿元的汽车自动变速器乜3 。 由文献 3 - 5 ，目前汽车自动变速器运用较广的分为以下几种：液力自动变速 器、无级变速器、双离合器自动变速器和电控机械式自动变速器。 ( 1 ) 液力自动变速器 液力自动变速器( a t ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) ，它是由液力变矩器、齿 轮变速机构和控制系统组成，如图1 - 1 所示。通过液力传递和齿轮组合的方式来达 到变速变矩。其中液力变扭器是a t 最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件 组成，兼有传递扭矩和离合器的作用。a t 不用离合器换挡，连接平稳，因此操作 容易，既给丌车人带来方便，也给坐车人带来舒适。但缺点也多，一是对速度变 化反应较慢，没有手动变速器灵敏，因此许多玩车人士喜欢开手动变速器车；二 山东人学坝。i 二学位论文 是费油不经济，传动效率低变矩范围有限；三是机构复杂，修理困难；四是对油 品要求高，在液力变扭器内高速循环流动的液压油会产生高温，所以要用指定的 耐高温液压油。另外，如果汽车因蓄电池缺电不能启动，不能用推车或拖车的方 法启动。如果拖运故障车，要注意使驱动轮脱离地面，以保护自动变速器齿轮不 受损害。 图1 1a t 传动系原理图 ( 2 ) 无级变速器 无级变速器( c v t ，c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) ，它与有级式 变速器的区别在于变速比不是间断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从 3 4 5 5 一直变化到0 8 5 。c v t 结构比传统变速器简单，体积更小，它既没有手 动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组。c v t 采用传动带 和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽时，相应改变驱动轮与从动 轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等，结 构示意图如图1 - 2 所示。它的优点是重量轻，体积小，零件少，与a t 比较具有较 高的运行效率，油耗较低。但c v t 的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏， 不能承受较大的载荷，只能用于较低功率和低扭矩汽车，因此在自动变速器占有 率约4 。近年来经过各大汽车公司的大力研究，情况有所改善。 2 第l 章绪论 l一”l甲 i 一 ， 1矿 从动带轮 l- ，、lo 图1 - 2c v l 工作原理图 压力 车轮 ( 3 ) 双离合器变速器 双离合器自动变速器( d c t ，d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ) 是一种机械式自动 变速器瞳1 ，它保持了手动变速器的各种优点，但其动力传递通过两个离合器联 结两根输入轴，相邻各挡的被动齿轮交错与两输入轴齿轮啮合，配合两离合器 的控制，能够实现在不切断动力的情况下转换传动比，从而缩短换挡时间，有 效提高换挡品质，其结构如图卜3 所示。而且这种换挡方式也可以方便的应用 于混合动力车辆，具有优异的性能和广阔的应用前景，是一种新的技术。 双离合器自动变速器既继承了手动变速箱传动效率高、安装空间紧凑、重 量轻、价格便宜等许多优点，而且实现了换挡过程的动力换挡，即在换挡过程 中不中断动力，保留了a t ，c v t 等换挡品质好的优点，这对电控机械式自动速器 来说，是一个巨大的进步。 2 0 0 3 年初率先在g o lf r 3 2 和a u d i t t 3 2 两款车型上使用。博格华纳生产的 d c t 因其产品创新和加工精细而赢得了2 0 0 5 年度北美供应商超级大奖。双离合 器自动变速技术使得手动变速器具各自动性能，同时大大改善了汽车的燃油经 济性，应用该技术可以保证变速器在换挡时消除汽车动力中断现象。 d c t 工作时，车辆先以某个与一个离合器相连的挡位运行，车辆自动变速 器电控单元可以根据相关传感器的信号判断即将进入工作的与另一个离合器相 连的下一挡位，因该挡位还未传递动力，故电磁阀可方便的控制换挡执行机构， 预先啮合这一挡位，在车辆运行达到换挡点时，只需要将证在工作的离合器分 离，同时将另一个离合器接合，则使汽车以下一个挡位行驶。在换挡过程中， 发动机的动力始终不断的被传递到车轮，所以这样完成的换挡过程为动力换挡。 车辆实现了动力换挡过程，将大大提高换挡舒适性，同时也保证车辆具有良好 3 山东人学硕。 ：学位论文 的燃油经济性，使车辆油耗和排放等方面得到改善。 图卜3d c t i ：作原理图 由于d c t 是基于传统的平行轴式手动变速器发展而来的，因此它可以充分 利用原有手动变速器的生产设备，只需增加少量的生产设备即可，生产继承性 好，很适合现有的手动变速器e 产厂家将产品升级到自动变速器。双离合器式 自动变速器的应用范围很大，它既可以应用在大型车、中型车上，而且由于它 换挡时间很短，也可以应用在赛车上。并且，通常在较大扭矩的车辆中，它的 应用更为有利。这是因为，它的两个传动轴一般情况下是同心的，由于轴的刚 度、强度以及结构尺寸等方面的原因，较大的传动轴轴径有利于双离合器自动 变速器的设计，多适合发动机排量较大的车辆。 d c t 的技术基本被美国的b o r g e r w a r n e r 公司给垄断了，各家汽车公司都是 和它合作研发，像v w 。还有一个德国的l u k 公司做的干式的双离合器。 而国内在自动变速箱领域大多没有自主知识产权，主要依赖进口。去年由 发改委牵头，包括上汽在内地1 0 几家国内汽车公司联合引进b o r g e r w a r n e r 的 双离合器技术，具体效果还有待观察。 ( 4 ) 电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器( a m t ，a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 是在 原有的手动变速器的基础上进行改造，主要改变手动换挡操纵部分m 1 。即在总体传 动结构不变的情况下通过加装电控单元来实现换挡的自动化。因此a m t 实际上是 一个由自动控制系统来完成操作离合器和选挡的两个动作。由于a m t 能在现生产 4 第1 章绪论 的手动变速器的基础上进行改造，生产继承性好，投入的费用也较低，容易被生 产厂家接受。a m t 的核心技术是自动控制，而电子技术和产品质量也将直接决定 a m t 的性能与运行质量。 1 2 电控机械式自动变速器的发展 1 9 8 5 年，日本五十铃公司率先研制成功n a v i - 5 型全自动机械式自动变速器， 并装于飞鸟( a s k a ) 轿车，投放市场取得成功。另外日本的h i n o 公司也开发了e e - 传动系统。a m t 的研究从2 0 世纪7 0 年代中期开始，其发展经历了半自动化阶段、 全自动化阶段，现正在向智能化方向迈进p j 引。 半自动化阶段，瑞典的斯堪尼亚( s c a n i a ) 的电推动系统( e p s ) ，使得换挡 实现了自动化。美国伊顿( e a t o n ) 公司的半自动机械变速器( s a m t ) 系统则更进 一步将换挡和发动机油门的控制纳入系统中，但它们不能取消离合器踏板，起步 和换挡时离合器的自动控制没有得到解决。 全自动化阶段，n a v i - 5 型全自动变速器是世界上第一台全自动a m t 。此后， 美国福特( f o r d ) 公司，法国的雷诺( r e n a u l t ) 公司，意大利的菲亚特( f i a t ) 都相继开发了这种变速器，全自动a m t 已经进入产品化和实用化阶段。 智能a m t 阶段，由于自动换挡规律和起步时都受到环境、驾驶员的驾驶水平 和车况等因素的影响，同本的五十铃( i s u z o ) 、尼桑( n i s s a n ) 等开始采用模糊推 理的智能化方法进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器接合速度的模糊 控制。智能化使得车辆在复杂多变的工作条件下，仍采用正确的措施使换挡规律、 换挡品质、起步与变速性能进一步提高。 目前a m t 在重型载货汽车上的应用也越来越广泛。i v e c o 的s t r a i l s 牵引车装 用了z f 的1 6 挡e u r ot r o n i c 自动变速器。m a n 的t g a ( 5 1 9 h p ) 牵引车装用了 t i p m a t i c1 2 挡自动变速器；v o l v o 公司在f m 和f h 系列载货车上均装用了自行研 制的”i ”型i s h i f t 自动变速器。s c a n i a 的p 1 1 4 g a 牵引车装用了该公司自行研 制的o p t i c r u i s o1 2 挡自动变速器。m e r c e d e s 的a c t r o s 牵引车和自卸车系列均采 用了e a s1 2 挡或1 6 挡自动变速器。除上述5 家外，d a f 的d a fl f 也已经完成白 5 山东人学硕+ f ：学位论文 动变速器的匹配实验。 我国a m t 研制工作起步较晚，“九五 期间，a m t 的丌发研制和产品化被列 入国家“九五 科技攻关项目1 铂。鉴于a m t 发展的趋势，我国的研究超越了半 自动化变速器的阶段，直接进入到全自动a m t 的研制。国内最早丌展a m t 系统研 究的单位是吉林工业大学，主要研究应用于轿车的a m t 系统，设计了系统的软硬 件结构，针对轿车的特点设计了离合器等执行机构并根据它们的特点研究了相应 的控制算法，研究了换挡规律，起步、换挡过程的综合控制规律，取得了一定的 成果。除了吉林工业大学，开展a m t 系统研究的单位还有上海交通大学、同济大 学、重庆大学等，它们分别都设计了各自的软硬件系统，并进行了相关技术的研 究。智能控制技术在我国a m t 系统研究中的应用也越来越广泛，智能控制技术的 应用使我国a m t 系统的技术水平不断提升，但在下面几个方面还需要进一步进行 研究： ( 1 ) 可靠性问题。可靠性问题是汽车电控系统最重要的问题之一，也是a m t 系统产业化的关键问题。 ( 2 ) 换挡品质问题。即换挡过程中各执行机构的协调控制问题，主要表现在 当传动比变化大时容易产生换挡冲击。 ( 3 ) 执行机构优化设计问题。执行机构动态特性的优良直接影响a m t 系统的 控制性能与可靠性，必须针对车辆系统的特点进行优化设计。 ( 4 ) 起步控制技术问题。虽然各种智能控制技术的引入提高了起步控制的性 能，但要满足起步工况的各种要求还需要进一步研究起步控制技术。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 1 3 1 本课题的来源 本课题是在国家自然科学基金项目“基于量子框架的丌放式汽车电控系统” ( 5 0 5 7 5 1 2 9 ) 和与企业合作项目“电控机械自动变速器的研究的资助下，对电 控机械自动变速器的控制系统的软硬件以及控制算法进行应用研究。 6 1 3 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 电动式机械自动变速器执行机构研究 ( 2 ) 电动式机械自动变速器控制系统软硬件开发 ( 3 ) 电动式机械自动变速器换挡规律及控制策略研究 1 3 3 本课题研究的意义 汽车行业已成为我国国民经济的支柱产业之一。据统计，现在我国汽车年产 量已达1 0 0 0 多万辆，并呈继续迅速增长的态势。汽车自动变速器在我国生产的汽 车中，占的比重少，而所生产的自动变速器中，具有自主知识产权的自动变速器 更是少之又少，开发具有自主知识产权的自动变速器是当务之急，也是大势所趋。 机械式自动变速器尤其是采用电动执行机构的机械式自动变速器，成本低， 加工难度小。 另外机械式自动变速器由于采用了智能换挡规律，降低了汽车的油耗，节约 了能源。 7 山东大学硕卜学位论文 2 1 总体方案设计 第2 章a m t 电控单元设计 a m t 变速器技术结合了手动和自动变速器的特性。a m t 是以手动变速箱为基 础，把自动离合器和自动换挡控制系统相结合的变速系统。a m t 的箱体及内部结 构和传统手动变速器一样，只是增加了自动机械执行机构和换挡程序，操作起来 像传统的自动变速器一样，它没有离合器踏板，只有制动和油f - i n 个踏板。换挡 过程由自动换挡机构来控制，而驾驶人可以在手动和全自动两种换挡模式中任选。 离合器 发动机 e c ut c u 制动开关 图2 一la m t 系统j f j 作示意图 a m t 的关键部件主要由传感器、电子控制单元( t c u ) 和执行器三部分组成n 3 1 引。 传感器包括发动机转速传感器、加速踏板位置传感器、变速器输入轴速度传感器、 车速传感器等。执行器包括离合器执行器、选挡执行器和换挡执行器，如果采用 非电子节气门的汽油发动机或柴油机，还需要油门执行器，本设计采用了带有电 子节气门的汽油发动机，节气门期望值通过控制总线发送给发动机控制单元 ( e c u ) ，由e c u 对节气门开度进行控制，系统结构示意图如图2 一l 所示，整个换挡 过程概括为以下步骤： 第2 苹a m t 控制单兀设计 ( 1 ) 控制模块通过读取传感器信号来确定当前车辆的工作状况。 ( 2 ) 由换挡杆的触点得到驾驶员( 手动模式下) 或计算模块( 自动模式下) 给出换挡命令。 ( 3 ) 模块读取换挡命令后进行安全分析从而对命令进行后期处理。 ( 4 ) 通过执行器控制离合器的接合与分离和变速箱中的齿轮啮合。 系统结构框图如图2 - 2 所示： c a n 总线通讯 介 加速踏板位置传感器 一 发动机控制单元 i ( e c u ) 节气门位置控制 发动机转速传感器 叫 y 图2 2a m t 控制系统结构简图 现代电控机械自动变速器控制系统中较多的控制参数、复杂的控制策略、较 高的实时控制要求和恶劣的工作环境增加了其电子控制单元设计的难度。充分利 用a r m 高效的运算速度以及丰富的内置功能模块单元，采用模块化的软件设计方法 设计a m t 控制单元( t c u ) ，提高了a m t 控制系统的稳定性、实用性以及可升级换代的 能力。 e c u 是a m t 系统的核心，它通过实时采集发动机转速、中间轴转速、车速、油门 踏板位置、油门齿杆位置、制动踏板位置、离合器位置、挡位、变速箱油温等车 9 山东人学硕上学位论文 辆运行参数，并根据内置在电控单元中的控制程序完成柴油发动机供油量实时调 节、起步和换挡时离合器分离和接合的自动控制，以及选换挡的自动操作。此外 电控单元还可以通过c a n 接口和其他控制单元进行数据交换，为实现整车自动化提 供硬件基础。电控系统结构框图，如图4 1 所示。它主要由主控板、采集驱动板和 参数设定及监控模块组成。主控板主要完成数据采集、存贮、运算和通信功能：采 集驱动板主要提供各种信号的输入输出接口和相应的信号调理电路：参数设定及 监控模块是集监控、参数设定为一体的集成化模块。 2 2 传感器的选择 a m t 的传感器包括离合器行程传感器、挡位位置传感器、发动机转速传感器、 加速踏板位置传感器、变速器输入轴速度传感器、车速传感器等。 ( 1 ) 离合器行程传感器 离合器行程传感器安装在离合器执行机构上测量丝杠的行程。离合器行程选 用标称阻值为2 k 的直线位移传感器w d l 2 5 ，其最大行程为2 5 m m 。采用5 v d c 工作电压 供电，输出信号为o - 5 v ，精度0 0 5 。 ( 2 ) 选换挡位置传感器 角度传感器用于挡位位置测量和加速踏板位置测量，将它安装在选换挡执行 机构上，通过转换机构将角度转换成直线位移即可测量。加速踏板的运动是一个 旋转运动，可直接对角度进行测量，该传感器的特点是测量精度较高，寿命长。 ( 3 ) 速度传感器 本设计采用的速度传感器有两种，一种是磁电式速度传感器，另一种是霍尔 式速度传感器。 ( 1 ) 磁电式速度传感器n 5 1 磁电式速度传感器的工作原理是齿圈切割磁场磁力线，改变回路的磁通量， 从而产生感应电动势。 磁电传感器由于是非接触测量，永不磨损，而且抗干扰能力强，可靠性高， 寿命长、价格便宜等优点，多用于发动机速度测量。 ( 2 ) 霍尔式速度传感器 l o 第2 覃a m t 控制单兀设计 霍尔式速度传感器是利用霍尔效应制成的传感器，导体中的电荷在电场作用 下沿电流方向运动，由于存在垂直于电流方向的磁场，电荷受到洛伦兹力， 产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏 转的方向相反，这样就产生了电势差。 霍尔式速度传感器产生的信号是方波信号，因此不需要进行整形处理，直接 可以与数字电路连接，因此应用较广。 2 3 电控单元硬件设计 电控单元硬件是控制系统的基础，同时也是软件的载体，主要由微处理器( m c y ) 供电电源电路、输入输出接口电路以及相应的信号调理电路组成n 6 1 。 2 3 1 电源电路 a m t 控制系统中，控制单元的主芯片，传感器、电机等所用的电源电压是不一 样的，所需要的电源精度和功率也不尽相同，因此需要设计单独的电源模块，来 给各个功能部件提供可靠的电源。对于a d 转换模块，需要提供一个高精度的参考 电源，才能使a d 转换结果有较高的精度，控制单元主芯片臣p a r m 芯片需要提供相对 精准且可靠的电源已保证其稳定的工作，即使外部有教强烈的干扰如异常复位等， 也不会影响其正常工作，如图2 - 3 是a d 转换精准电源和控制芯片电源。 图2 - 3a d 转换精准电源和控制芯片电源 山东人学硕l 学位论文 2 3 2 传感器电源电路 汽车用传感器的工作环境恶劣，对其可靠性、精确度和寿命都提出了苛刻的 要求，要提高控制精度，首先得保证传感器输出的信号是高精度的，当然传感器 的供电电源也必须是稳定可靠的，尤其要求在在环境温度、湿度和气压等外界条 件改变时，依然能提供稳定可靠的电源。如图2 4 为传感器电源电路图。 醴和 一7 9 掣筮漂靴 rv x l 比，4 j 卵j 士” - d 弭_ b翌c o n 卵麟 2 3 3 模拟信号处理 图2 4 传感器电源 在a m t 系统中，都需要使用模拟信号传感器参考指令或实际位置，模拟信号经 过a d 变为数字信号进入t c u 。在a d 转换前，需要对模拟信号进行预处理与滤波。 a d 转换的精度是由