（车辆工程专业论文）汽车电控机械式自动变速器设计研究.pdf

上海交通大学硕士论文 摘要 汽车电控机械式自动变速器设计研究 摘要 f 汽车电控机械自动变速器a m t 与液力自动变速器、金属带式无级 自动变速器相比，具有效率高、油耗低、成本低、生产继承性好、安 装方便等优点，是我国未来自 市场对这种变速器的需求会很 如果开发成功， 括两个部分：a m t 系统的控制策略的研究和单片机系统硬件的设计。 在系统控制策略研究部分，本文根据车辆系统动力学模型的复杂 性以及控制的复杂性，将a m t 控制系统被分为两个子系统：一个子系 统用于在车辆起步和换档时，根据驾驶员起步意图和车辆行驶工况， 实时获取离合器的接合规律；另一个则用于具体实现和跟踪该接合规 律的执行。 硬件设计部分的内容则相对比较广泛，包括主要包括四个方面： 1 ) 传感器选择 2 ) 单片机系统整体结构设计 3 ) 单片机接口电路设计 4 ) 直流伺服电机驱动电路设计 本文针对a m t 系统控制的实际需求，选用i n t e l 公司的十六位单 i 、 片机8 x c l 9 6 m x 作为控制系统的核t 3 ，并给出离合器控制系统的理论 上海交通大学硕士论文摘要 框架。然后对单片机和传感器的接口作了具体分析和设计。 考虑的车载电源电压较低，所需输出功率大，在市场上很难找到 合适的产品，因此自行设计了离合器执行电机的驱动电路，并用 p r o t e l 9 9s i m 的所设计的电路进行瞬态仿真试验，仿真结果表明电 路性能良好，符合电机对驱动电路的要求。 在文章的最后，具体讨论了如何实现构建系统所需的输入输出模 块，包括速度信号检测和加速度的计算、多通道数模转换输入、p 删 控制信号的产生及其输出等。 总之本文通过对控制系统的理论分析和硬件设计，为未来a m t 产 、， 品的实现打下了良好的基础。 关键词：a m t 自动变速器，8 x c l 9 6 m x 单片机。波形发生器，双极模式 7 p 删驱动 一 、4 、7 上海交通大学硕士论文摘要 a u t o m a t e dm e c h a nio a lt r a n s mis s10 n d e slg na n dr e s e a r c h a b s t r a c t c o m p a r e d w i t hh y d r a u li ca u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n d c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，a u t o m a t i cn e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ( a m t ) h a sa d v a n t a g e so fh i g h e re f f i c i e n c y ，e a s i e r i n s t a l l a t i o na n dl o w e rc o s ti nm a n u f a c t u r i n g ，s ot h e r ei sa v a s tp o t e n t i a lm a r k e tf o rm ri nt h i sf i e l d i ti ss a i dt h a t 埘tw i l lb et h ee m p h a s i so fa u t o m a t e dt r a n s m i s s i o nd e v e l o p m e n t i nc h i n a t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st w op a r t s ：c o n t r o ls t r a t e g y r e s e a r c ho ft h ea m ts y s t e ma n dt h ea m th a r d w a r ed e s i g n i nt h ec o n t r o ls t r a t e g yr e s e a r c hp a r t ，t h ea m tc o n t r o l s y s t e mu n d e r c o n s i d e r a t i o n isd i v i d e di n t ot w o s u b s y s t e m s b e c a u s eo ft h ev e h i c i es y s t e md y n a m i c sm o d e l i n gc o m p l e x i t i e s a n dc o n t r o lc o m p l e x it i e s o n es u b s y s t e mi st oi d e n t i f yt h e e n g a g e m e n tl a w so ft h ec l u t c hw h i l ev e h i c l es t a r t i n g u p o rg e a r s h i f t i n g ：t h e o t h e ri st or e a li z et h ee n g a g e m e n t1 a wb yd r i v i n g c e r t a i nm e c h a n ic a lm o t io n s 上海交通大学硕士论文摘要 t h ec o n t e n to fh a r d w a r ed e s i g ni sr e l a t i v e l ye x t e n s i v e ， i n c l u d i n g s e n s o rs e e c t i o n ，m i c r o c o n t r o l l e ri n t e r f a c e c i r c u i t sd e s i g na n dd c s e r v om o t o rd r i v e rc i r c u i t sd e s i g n t h ed r i v e rc i r c u itisb a s e do nt h eb i p o l a rp w mm e t h o d ，m u c h e f f o r th a sb e e nm a d et ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec i r c u i t ， a n das i m u l a t i o ne x m m n a t i o ni sp e r f o r m e dt ot e s tt h er e s u l t c l r c u l t t h ec o n t r o l s y s t e m s t h e t h e o r y f r a m ei s d e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n to ft h ea m ts y s t e m o nt h i s b a s i s ，t h ei n t e la d v a n c e d1 6 一b it8 x c l 9 6 m cm i c r o c o n t r o l l e ri s s e l e c t e da st h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu i q i t ，t h e nt h ef u n c t i o n sa n d c h a r a c t e r i s t i co f8 x c l 9 6 m xa r ea n a l y z e da n dh o wt ou s et h e mt o r e a l i z ev e l o c i t ym e a s u r e ，a dc o n v e r s i o n ，p v mc o n t r o ls i g n a l p r o d u c t i o na n do u t p u t is p r o p o s e d i naw o r d ，t h et h e o r e ti c a lr e s e a r c ho fc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dh a r d w a r ed e sig nh a sm a d eaf o u n d a ti o nf o rt h ef u t u r ep r o d u c t d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：a m t 。8 x c l 9 6 m c ，w a v eg e n e r a t o r ，b i p o l a rp w mm o d e 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 主t ) 翘、琏 1 日期：? ，。湃弓月1 日 上海交通大学上海父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 “ 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学僦文作者签名：引舄、式 指导教师签名韵纵 日期：砂0 2 年多月z f 曰日期：砂o a 年了月弘日 上海交通大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，汽车电子化的程度越 来越高，应用装备的种类越来越多。目前主要有电子控制自动变速器、汽油发动 机管理系统、柴油机电子控制喷射系统、无触点高能点火系统、防抱制动系统、 牵引控制系统、安全气囊、安全带收卷装置等。 其中电子控制自动变速器是我国汽车电子工业发展的一个重要方向。就使用 传统机械式手动变速箱的汽车而言，轿车离合器踏板力的范围是轿车8 0 1 8 0 n ， 货车是1 5 0 2 0 0 n ，在交通负荷大的市区内，汽车每行驶1 0 0 公里，驾驶员须换 档4 0 0 6 0 0 次，踏离合器6 0 0 7 0 0 次，平均每分钟要连续完成2 0 3 0 次手脚协 调动作，因此人工操纵离台器踏板的工作强度是相当大的。如此繁重的操纵， 会造成驾驶疲劳、影响驾驶员的注意力，引发大量的城市交通事故。车辆手动操 纵需要较高的驾驶技术和经验初学者驾驶者由于缺乏相应的驾驶经验与技术， 使得车辆的动力性与燃油经济性难以提高，据统计在城市运行工况行驶时，熟练 驾驶员与非熟练驾驶员的油耗可相差1 0 9 6 以上，离台器摩擦片的更换频率相差 2 0 以上。因此，自动变速器对于提高车辆的动力性与经济性，降低排放污染， 延长零部件的使用寿命具有举足轻重的意义。 随着我国汽车工业的飞速发展，私人拥有汽车的数量也会迅速增加，非职业 驾驶员迅速增加，因此对汽车驾驶的简单化、舒适性和安全性提出了十分迫切的 要求。安装自动变速器的汽车，能根据路面状况自动变速变矩，驾驶者可以全神 贯地注视路面交通而不会被换档搞得手忙脚乱。同时提高了车辆的动力性与经济 性，降低了排放污染，延长了零部件寿命。 1 1 自动变速器种类和发展现状 目前世界上使用最多的汽车自动变速器有三种类型“1 ：液力自动变速器 a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o l l ，简称a t ；金属带式无级自动变速器c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o f i ，简称c v t ：电控机械式自动变速器a 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 ，简称a h t 。 i ) 液力自动变速器a t ：与手动变速器相比，液力自动变速器在结构和使用 上有很大的不同。手动变速器主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变 速变矩；而a t 是由液力变扭器、行星齿轮、液压操纵系统组成，通过液力传递 上海交通大学硕士论文第一章绪论 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 最具特点的部件，它 由泵轮、涡轮和导轮等构件组成。泵轮和涡轮是一对工作组合，用液体作为传递 动能的媒介，泵轮通过液体带动涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮，通过 反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差就可以实现变速变矩。由于液力变矩器自 动变速变矩范围不够大，因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮提高效率，液压操 纵系统会随发动机工作变化自行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩，连接平 稳，免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作使开车变得简 单、省力、舒适。由于a t 将其变速区域分成若干个变速比区段，只有在规定的 变速区段内才是无级的，因此a t 实际上是一种介于有级和无级之间的自动变速 器。液力自动变速器已有6 0 多年的历史，技术成熟、性能可靠，目前国外轿车 上普遍使用的是a t ，a 丁几乎成为自动变速器的代名词。但a t 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车； 二是费油不经济，传动效率低变矩范围有限；三是结构和制造工艺复杂，且增加 了重量，修理困难；另外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，如果汽车因蓄电池缺电不能启动，也不能用推车或 拖车的方法启动。 2 ) 金属带无级自动变速器c v t ：金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速 器，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来进行变速，传动带一般用橡胶带、金属 带和金属链等。c v t 是真正无级化了，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，一般只能用于一升排量左右的低功率和低 扭矩汽车。安装有c v t 的汽车在平坦的公路上行驶时，若驾驶员需要超车时，加 大油门，电液控制系统就会根据信号变化迅速转换速比，使车速提高，而且运行 平稳，使驾驶员的操作大大简化。不过金属带无级自动变速器商品化的时间还不 长，目前在汽车变速器中的占有率尚不高，在自动变速器占有率约4 以下。但 从目前的产品性能看，其发展前景可能不错。 3 ) 电控机械式自动变速器a g i ：电控机械式自动变速器是在原有齿轮式机械 变速器的基础上加装电脑控制系统，对油门、离台器、变速杆的控制均采用了电 动机驱动或液压驱动的执行机构，从而实现选档、换档的自动化控制，使汽车成 为自动变速的汽车。它保持了原有的机械传动结构基本不变，所以齿转传动固有 的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来。虽然世界上许多 国家投入了对电控机械式自动变速器的研究与开发，但但少有批量生产自g 报道， 足见其进展的艰难。尽管电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺，但 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 前景是广阔的。在满足重型车的动力传递要求方面，电控机械式自动变速器更具 发展的优势。 1 2 我国自动变速器市场发展方向 目前的自动变速器市场上，最具有竞争实力的是a t 和a m t 。a t 的最大优势 是换档十分柔和，并且种类齐全、功能完善、适用于各种功率和扭矩级别的车辆。 但是它的生产投资成本也相当高，上海通用仅加工a t 外壳及阀体总成和进行总 装，投资就达6 0 0 0 万美元。另外a t 结构复杂、工艺麻烦，维修困难，传动效率 较低，因此仅仅从节省能源这个角度来看，目前的a t 可能不具备长久的技术生 命力，人们需要寻找其他途径来改善和替代a t 。a m t 保留原有的机械变速器离合 器结构不变，只是加装c p u 控制的自动操纵机构，因此原来的手动变速器生产线 仍然可以使用，容易被生产厂接受。它既具有a t 自动变速的优点，又手动变速 器齿轮传动效率高、生产和投资成本低、结构简单可靠、容易制造的长处，正好 弥补a t 的弱点，更加顺应追求功能完善与价格低廉的产品发展趋势。据悉我国 今后的汽车自动变速器发展的重点是a m t 。 就目前的国际市场而言，由于的驾驶习惯和感觉，a 5 ；盯车辆在欧洲市场很受 欢迎；就价格、制造、维修及效率而言a m t 车辆在亚洲、非洲等一些发展中国 家也有绝对优势；只是在北美地区枷t 车辆则相对较少。如果能解决a 姐自控系 统尚存的技术问题，使其与a t 性能相当，则a m t 可望取代a t ，占据美国、日本 甚至全世界的汽车自动变速市场3 1 。 1 3 棚t 的发展过程和主要形式 a m t 在很早就有人研究，但受限由于当时电子技术和控制理论，进展缓慢， 很少有突破性的研究成果，八十年代以来，电子技术高度发展，为高品质自动离 合器的实现奠定了坚实的基础。 1 9 8 5 年，由a pb o r g & b e c k 公司研制的第一批电控删t 被安装在t w i n g o 、c l i o 和m e g a n e 等车型中，其执行机构是一个由一升容量油箱、电动油泵和容量为0 1 6 升的蓄能器组成的小型液压伺服系统“1 。 1 9 9 7 年，s a a b 公司推出由步进电机驱动液压缸来控制离合器的分离与接合 的电控a 盯。f ic h t e l 和s a c h s ，l u k 和v a l e o 等欧洲离合器厂商也研制摩擦式 离合器的电液伺服装置。 1 9 9 7 年7 月，韩国首先推出全机械的电控离合器，采用机电式执行机构控 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 制离合器的分离与接合、节气门开度等。 在我国，最早由吉林工大、重庆东方欧翔公司、北京理工大学研制的a m t 系统也采用电液方式，2 0 0 1 年深圳欣源晟实业公司推出采用全机械执行机构驱 动的a m t 。可见首先采用电液式驱动方式，是国内外公司开发a m t 技术较普遍的 思路。这是因为电液式驱动具有控制精度高、响应快等优点，电机驱动由于系统 本身存在机械延迟，难以满足高精度快速控制的性能要求。但电液式驱动的问题 也很多，如液压件加工工艺复杂，对油品质、密封性和抗污染等性能要求高等， 这些问题很难解决。而机电式的执行机构由直流电机驱动，有结构简单，控制灵 活，对环境的适应性强，工艺简单，成本低，污染小。特别随着电子技术的发展， 机电式a m t 已成为开发的重点。 从电控离合器的典型结构分为两类“1 ，一类是半自动电控离合器，只自动操 纵离合器；其系统如图卜1 所示。另一类不仅自动操纵离合器，而且对换档和油 门也迸行自动操纵，所以是全自动电控离合器，如j m 施力克3 专利中的机构， 其系统示意图如图1 2 所示”1 。 羞i 变速器! = ：离合器c ! jf 节气门i 发动机 发 动 霉档i 输l 。 荐l 斟舁萎 机 其l位l 入 他状l 轴 信i态1 转1 转 号l信1 速i 速 i号i 氧 莓1j譬 信 号 r l 电子控制单元( e c u ) | 换档操纵杆i加速踏板 jl 。 jl j ，l 、 驾驶员主观慈愿 图1 1 半自动电控离合器组成 f i g ，卜1 c o n s tr u e t i o no fas e m i a u t o m a t i ce c c 上海交通大学硕士论文第一章绪论 圭 l变速器c ! j离台器c ! jl 节气门l 发动机 速 r f t 发 动 等 档 茭 由暮h 南美 f 作动器i ! 机 其 位 他 状 嚣i 旧掣霁i 恒型舁 转 信 态 号 速1i 程l 度 速 1r ， 一 _r j电子控制单元( e c u ) ff 。 匪胡f 葡胡团蕊 信号显示台 下下一 lf ， 。 外部环境_ 驾驶员主观意愿 f 图卜2 全自动电控离合器组成 f i g 1 2c o n s t r u c t o no ff u l l a u t o m a t i ce c c 无论哪知形式，总的思路都是以电子控制单元e c u 为核心，通过各种车用传 感器采集汽车行驶中的各种信息和数据，包括车速、发动机转速、油门及档位等， 经过分析判断后按最佳工作原则输出控制指令给机电或液压执行机构，通过机械 执行机构自动操作汽车离合器、油门和变速机构，以最佳工况实现汽车的全部行 驶功能。它的最大特点是以全机械方式自动操作汽车离合器、油门和变速机构， 实现完成的自动排档。由此也带来了机械延迟，电机驱动难以满足高精度快j 遽控 制的性能要求等问题。 1 4 开发电控机械式自动变速器难点及其要求 a t c r 的核心技术是微机控制，采用的电子技术及微机性能将直接决定a m t 的 性能与运行质量。但电控离合器的关键技术和难点却在于离合器的控制的实现 上，它包括两个问题：一是控制器如何获取复杂的工况条件和驾驶员意图，在此 基础上选取离合器的最佳接合规律：二是控制器如果控制伺服机构实现离合器最 佳接合规律的实现。在本文中将就此问题进行探讨。 自动变速是按照控制参数的变化实现换档的。以前世界上汽车所用自动变速 器的换档特性都是根据静态二参数( 车速v 和油门开度a ) 为依据。然而汽车的 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 变速换档是一个动态过程，故二参数控制并非最佳，从而也就不能使车辆始终处 于最佳工况，针对这个问题，为了是车辆按最佳动力性和燃料经济性行驶。现在 电控离合器研究又提出了动态三参数控制的自动换档理论”，反映了汽车起步、 换档的动态真实过程。增加了加速度d v d t ，由于其动态的特点是以加速度为前 提寻求规律，不仅可以获得最优的车辆燃料经济性和动力性、而且因换档品质的 提高，进步改善了乘坐舒适性，延长了动力传动系统的寿命。以下是对开发电 动机械式自动变速系统的要求： 1 性能应该绝对可靠 采用a m t 将手动排档转变成自动排档后，要真正做到提高行车安全性、减轻 司机劳动强度。在电子控制单元e c u 的设计中，应该照顾各种安全操作上的问题， 为了加强系统的可靠性，可在内部设置多重检测系统通过声光报警等方式随时监 测工作状态外，还可设计备份工作电路，使其在故障状态下仍能最大限度地保障 车辆驾驶的安全性。 2 尽可能做到经济省油，并延长车辆的使用寿命 这是a m t 设计的一个重要目标。要将每一次的档位变更都控制在最佳工况状 态，避免一切不正常的燃油消耗及机件的不合理磨损。优化汽车排放的状况，降 低行驶噪音。 3 节约能源，保护环境 在本a m t 系统中，对离台器的控制采用的是全机械执行机构，不需要高压液 压油参与工作，因此无论与国际上流行的液力自动变速器a t 相比较，还是与采 用电液伺服装置的a m t 比较，都节约了能源消耗，污染也很小。 4 结构要简单，易于安装和维修保养 在本系统中，电动机械式自动变速器由三个相对独立的执行器共同配合完成 自动变速工作，分别是离合器执行机构、档位作动器、节气门作动器。如果需要 加装此系统，则不必对原车做任何结构上的改动，因而安装、维修极其简单方便。 5 制造成本要低，生产效率高，适合中国国隋 电动机械式自动变速器设计简单，机械零件不多，生产成本也很低，批量生 产全套装置成本估计可控制在人民币3 0 0 0 元左右。市场价值很大，在中国乃至 全世界都有极高的推广价值。 6 系统功能可扩展性强 要求可以在e c u 控制系统中增加许多附加功能，例如加装i c 片后形成操纵 系统的识别与防盗，以及加入控制车速、降低驾驶风险等功能。 6 上海变通大学硕士论文第一章绪论 1 5 本文主要内容 本文主要内容包括电控机械式自动变速器控制策略研究和系统硬件设计两 个方面。 自动变速器控制策略研究主要是提供了一种可行的控制方案，首先对a m t 控 制的过程进行分析，针对车辆实时控制的复杂性，把控制器设计分为两个部分： 主控制器用于解决离合器接合规律的辨识问题，从控制器则跟踪该接合规律的执 行。 系统硬件的设计包括试验用传感器选择、单片机控制系统总体框图、单片机 接口电路设计以及直流电机选择、电机驱动电路设计等，并对部分电路经过了仿 真测试。在文章的最后部分具体分析了如何利用8 x c l 9 6 m c 处理系统中的各种输 入输出信息。 上海交通大学硕士论文 第二章a l i t 控制策略研究 第二章a m t 控制策略研究 a i t 自动变速器就是在原先车辆摩擦离合器基础上，增加一套带有离台器、节气 门、档位驱动机构的电子控制装置。由于电子控制器完全可以通过判断司机的其它驾 驶动作获取他对离合器的控制意图。因此a m t 取消了原离合器踏板。由电子控制器接 管，以便简化汽车操纵，降低司机的劳动强度。但控制器的实现并不是想象的那么简 单，这不仅涉及到汽车操纵自动化的方案。还要研究被控系统自身的特征，并考虑驾 驶的安全性与舒适性，汽车零部件的磨损，节省燃油，以及系统可扩展性等各个方面。 2 1 a m t 控制系统总体结构 图2 - 1 电控离合器原理图 f i g 2 - l s c h c m a t ic d i a g r a mo fc l c c t r o n ic r t l yc o n t r o l l a b l oc u t c h e s 图2 一l 是a m t 电控离合器的基本原理。其中单片机是控制系统的核心，接受各种 车用传感器传来的信息，包括反映司机意图的档位信号、油门开度信号和制动信号等； 包括反映汽车自身状态的发动机转速信号、车速信号、离合器行程信号等，单片机用 于计算出同步的发动机转速，选择相应的离合器控制规律。然后对节气门作动器发出 指令信号，调节节气门的开度，向离合器执行机构发出控制指令，按照选定的最优规 律操纵离合器。如果是自动驾驶，单片机还根据路况和车况进行自动换档。但是如果 不控制离合器的接合过程，只是简单的使其忽然接合，将会在汽车传动系统中会产生 上海交通大学硕士论文 第二章a 岍控制策略研究 相当大的冲击，使得乘坐不舒适，造成传动系的磨损和汽车寿命的降低。因此必须控 制离合器的整个接合过程，根据车辆系统模型，得出各种工况下的离合器最优接合规 律，按这个规律控制其接合过程。 2 2 a m t 控制器组成 电控离合器系统是一复杂的多变量系统，它有强非线性、时变性特征( 如离合 器摩擦片磨损) ，采用单的控制算法难以完成离合器的最优控制，因此必须对多种 控制算法进行综合。本文采用由申水文博士提出的分级控制的思想。1 ，将整个控制器 分为两个部分。 2 2 1 k i l t 控制初步分析 控制器的设计是应考虑到每一种车况，由于a m t 只是对传统的机械变速器加装电 控系统，控制器控制过程必须遵循手工驾驶的规律。 1 ) 起步过程：当汽车打开“启动”开关时控制系统开始工作，电子控制器首先 以p 删信号的形式发出指令给直流伺服电机的驱动电路，由执行机构分离离合器，由 于是为起步作准备，这个过程应该越快越好；然后发动机点火，控制系统通过各个传 感器不断检测汽车的状态，判断是否满足了条件( 包括发动机转速是否已经大于某设 定值、车速是否为零) ，只有这些条件都满足时，e c u 才会根据存储的指定接合规律， 发指令实时控制离合器的接合，并不断检测这个过程，直到离合器主动轴和从动轴同 步为止。根据电子控制系统运算速度快的特点，还要对这个过程进行优化，从而实现 离合器的最佳接合规律，使起步平稳、乘坐更舒适、离合器磨损小。 2 ) 换档过程：控制系统检测到换档信号后，立即快速分离离合器，等司机挂好 档位后，控制系统根据档位、车速、发动机转速、变速器输入轴转速等信息柔和地接 合离合器，使之同步。同时注意离合器分离时要控制发动机收油，以避免发动机轰响， 而离合器接合时，发动机要及时废复供油，避免发动机熄火。 3 ) 停车过程：要分两种情况考虑，在正常停车过程中，在车速降低到取决于所 挂档位的某个给定值之前，控制系统应该使离合器一直保持着接合的状态，使发动机 发挥其制动效果；而在紧急制动时，控制系统应该立即使离合器分离，切断动力源并 保证发动机继续运转，只有当发动机被关闭时，才使离合器再接合。 此外还有倒车、自动换档等车况，以上是a m t 控制设计时必须考虑的基本情况。 上海交通大学硕士论文第二章删t 控制策略研究 2 2 2 控制器规划 上- - d , 结只是对变速器控制的一个概况分析，设计控制系统时还要考虑到各种情 况，以起步阶段为倒，至少有四个考虑因素： 1 ) 根据传感器收集的信息，起步分为紧急起步和正常起步、坡道起步和平地起 步。 2 ) 不同的起步过程又受到爬坡、负载变化、车辆运行状态的影响， 3 ) 起步过程控制需要与发动机控制配合才能实现良好的性能。 4 ) 起步过程中断。 所有这些情况增加了控制器设计的复杂性，设计控制器就是要使控制器能够根据 外界环境条件及车辆行驶状况正确自动的选择合适的接合规律，并将该接台规律提交 给执行器实现，达到车辆起步平顺性、延长离合器使用寿命的控制目标，所以实现传 动系自动化的核心问题包括两个： 1 ) 离合器的接合规律的选择 2 ) 离合器接合规律的跟踪实现。 信息信息 j l 离台器，节气门等 获取辨识 i _ !扣钜，rj位 1 、1 、o 一= ! + 十= 、，u lf 、p i 11 l 主控制器广从控制器 li i il ；厂i 葫电子控制单元 ：l j j 图2 - 2 电控离合器的控制策略 f i g 2 - 2 c e n tr e ! s t r a t e g yo fe l e c tr o n i c a l l yc o t l t t e l l a b l ec l u t c h e s 根据以上的分析，围绕离合器的控制，本课题将控制的设计分解为两个部分：一 个是离台器的接台规律的选择问题；其二是离合器的接合规律的跟踪实现问题。同时 将控制器在逻辑上分为两个部分：主控制器和从控制器。第一个问题由主控制器解决， 1 0 上海交通大学硕士论文第二章n i t 控制策略研究 第二个问题则由从控制器解决，图2 2 是离台器的控制系统策略示意图。 主控制器通过传感器获取汽车行驶工况、司机意图、外界环境条件后对这些信 息进行综合处理，选择出最适合此条件下的离合器接合规律，同时还包括发动机控制 和档位控制。主控制器得出接合规律以后，提交给伺服电机控制器来跟踪执行，同时 自身仍不断监视外部条件的变化，这就是主控制器的全部功能。 从控制器用于控制多个执行机构，它对于离台器而言就是一个直流电机伺服控制 系统。根据主控制器提交的接合规律参数，发出位置跟随指令，由机电执行机构执行 该指令，使被控制量以尽可能小的误差跟随控制指令。 2 3 主控制器结构 发一错一悟黼卜燃 离台器接舍i |! 。：! ! i l ”。 。一； 1 速度推理器! 嚼丽习l 黝率一叫r 一f 一黼号 广蕊f l j i ；订一离合器状态 l 厂一一黼愀 节气门控制离合器控制 图2 - 3 离合器主控制器结构 图2 - 3 为离合器主控制器的组成结构图，它由司机意图辨识器，发动机起步转速 吐k 推理器，离合器期接合速度v 。推理器、监控器等模块组成。离合器期接合速度推 理器运用模糊推理，实时输出离合器的接合速度，积分后提交给从控制器控制离合器 的接合。 它的输入信号包括加速踏板位移信号，加速踏板速度信号，发动机转速信号，离 合器从动片转速信号，车速信号，离合器位移信号，档位信号等。以下分别介绍这些 组成部分的用途和实现。 2 3 1 司机意图辨识器 司机意图辨识器非常简单，只需根据加速踏板的输入信号可推测司机意图，在本 上海交通大学硕士论文 第二章a m t 控制策略研究 课题中根据加速踏板位移信号及其速度信号，将司机意图分为缓慢起步、正常起步、 急起步及起步中断四种情况输出，具体是： 1 ) 如 15 0 ，则为缓慢起步 2 ) 如1 5 。 芦 7 5 。，则为急起步 4 ) 如加速踏板速度小于0 ，则为起步中断 2 3 2 发动机起步转速推理器 车辆在起步时，如果发动机还没达到一定的速度就开始接合离合器，就会因为发 动机的扭矩和存储的动能不足，导致发动机转速急剧下降，最终造成熄火和起步失败。 发动机起步转速推理器的工作就是决定发动机速度达到多大值时，离合器才能开始接 合。 童1 占 、 毫 嫂 辑 习 浆 转速n 。p m i n 。) 图2 - 4s s n t s n al x 发动机稳态动力特性 f i g 2 - 4t h ee n g i f i e sr e a d y d y n a m i c sc h a r a c t e r is t i c sf o rs a n t a f i a l x 根据本课题以前对发动机的非线性输出特性的分析”1 ，由图2 4 可知发动机扭矩 是与节气门开度a 、发动机转速国。相关的，因此结合离合器的动力学模型，通过动 力学仿真后，就可根据当前节气门开度及档位确定发动机期望转速。在对离合器进行 数学模型后，利用a d a m s 对发动机期望转速进行优化，具体做法是在特定节气门开度、 档位以及其它条件不变情况下，改变发动机期望转速珊。使以离合器的滑磨功和冲 击度建立起来的某个目标函数为最小。然后再对不同的档位和加速踏板进行优化，得 到如2 一l 表所示的优化后的发动机起步转速数据表。 上海交通大学硕士论文第二章埘t 控制策略研究 表2 - 1 发动机起步转速规则库“1 t a b i e2 - ld a t a b a s ef o rt h ee n g i n es t a r t u pa n g u la rv e l o c i t y 卜笆 o 1 51 5 3 03 0 4 54 5 6 06 0 7 57 5 9 09 0 以上 一档 6 0 07 5 08 5 09 3 01 0 0 01 0 6 01 1 2 0 二档7 0 08 3 09 3 01 0 0 01 0 6 01 1 2 01 1 8 0 直接档 8 0 09 2 01 0 2 01 1 0 01 1 8 01 2 5 01 3 2 0 2 3 3 离合器接台速度推理器 离合器接合速度是离合器的滑磨功和车辆冲击度主要影响因素，因此它是离合器 控制性能好坏的关键。它应在司机意图推理及发动机起步转速推理后，由发动机转速 及其变化率确定，该规则库也是通过动力学仿真以及经验数据建立的。因为发动机转 速在离台器接合过程中是实时变化的，因此在一个起步过程中，规则库中所有参数都 对其接合过程都有影响，计算量相对较大。离合器接合速度应该是司机意图、发动机 转速、发动机转速变化率、离合器从动轴速度的函数，在离合器接合过程中实时获取， 具体方式是按司机意图、发动机转速及其变化率查表获取，再按离合器从动轴遽度修 正该值，从而在每一个控制周期内获得一次离合器的接合速度。 2 3 4 监控器 离合器接台过程中可能发生接合时间过长造成离合器磨损，或着发动机驱动力不 足即造成发动机熄火等问题，可以通过监控器主要监视发动机与离合器的状态，一旦 发现有问题则通知协调器改变离台器和节气门的控制状态。而协调器则根据监控器信 息，协调对发动机与离合器的控制。 2 4 控制程序的设计思想 控制程序的设计采用了模块化设计，整个软件体系由主控程序和多个子程序，中 断程序组成，子程序包括倒车子程序、停车子程序、起步子程序、升档降档子程序组 成，此外还有刹车中断服务程序，测速程序等。在本系统中主控程序实施了大部分主 控制器的功能，它需要完成两个工作： 1 获取汽车行驶工况、司机意图信号，并进行辨识。 2 作出正确决策后，向从控制器提交最优离台器接合规律。 上海交通大学硕士论文 第二章a 耵控制策略研究 不过主控制器的实现有赖于离合器最优接合规律的规则库的建立，本课题以前通 过收集大量的司机经验，接合建模、仿真的方法，根据仿真软件a d a m s 已经分析获取 了离合器在各种工况下的最优接合规律，构造了桑塔纳x l 离台器接台速度的规则库， 对于不同的车型，应该重新建立其规则库。 假设车辆上的选择开关有四个位置，分别为停车、倒车、起步和强制档位。如果 是强制档则汽车将保持在一个固定的档位行驶。如果路况不好，则司机可选用自动档， 由汽车自动驾驶。 囤2 - 5 单片机主控程序流程图 f i g u r e2 - 5m a i n c o n t r o lf l o wc h a r t 主控程序为一个无穷循环程序，它控制着系统初始化、调用各子程序以及协调各 中断服务程序等。在汽车运行过程中实时监测车内开关位置，判断汽车是要停车、倒 上海交通大学硕士论文 第二章a m t 控制策略研究 车、起步还是强制档位，然后由相应的子程序控制执行机构完成相应动作。汽车处于 强制档时，其档位在车辆行驶中保持不变，如果是自动档，则根据节气门、车速等状 态参量由档位决策子程序选择最佳档位。 主控程序流程图如图2 5 所示。在设计时，主要考虑的问题包括；在任何状态下， 主控程序都能对每个开关状态作出实时陕速响应；停车子程序应位于流程图最上列， 以作出最快响应；档位抉择程序优先级最低等。 i ：，一 r 一4 i i 离台器快速分离il l ，j f 图2 - 6 离舍器接合过程流程图 f i g 2 - 6 f l o wc h a r to fc l l j t c hc o i l t r o l 本系统子程序包括倒车子程序、停车子程序、起步子程序、升档降档子程序等， 这些子程序中都包括对离合器的控制，包括离合器分离与接合两个方面。离合器分离 会发生在下列条件下：1 车辆起步或换档时：2 发动机转速低于怠速时；3 刹车踏 上海交通大学硕士论文 第二章a m t 控制策略研究 板踏下，且车速低于每小时1 5 公里时。为了提供系统的快捷性和实时性，在任何情 况下使离合器都应该以晟快的速度分离的。 图2 6 是离合器控制程序的流程图在此流程图中可以很清楚的看到主控制器各 组成部分在控制软件中的位置及其作用。注意在该流程图中，离合器一次接合控制过 程完成后，将返回主控程序，以响应其他可能的司机驾车动作与外部情况，如紧急刹 车、停车，起步中断等。离合器接合控制程是a m t 的重点，整个控制器都是围绕着离 合器分离与接合进行的。离合器最优控制的跟踪和实现是a m t 系统的难点，也就是从 控制器的实现，在本课题中它是一个位置伺服电机控制器，由于离合器膜片弹簧有很 强的非线性特征，因此很难建立精确的数学模型，离合器的接合过程一般都采用模糊 控制技术。 2 5 本章小结 本章根据对车辆a m t 变速器控制的需要，主要探讨了控制策略的问题，根据离台 器控制的两大核心问题：l _ 离合器最优接合规律的辨识，2 离合器接合规律的跟踪实 现，将控制器分为主控制器和从控制器；并着重分析了离合器的主控制器及其组成， 主要包括其司机意图推理器，发动机起步转速推理器，离合器期接台速度推理器等模 块的规则库作用和构造方法，最后简要阐述了控制器的软件流程图，为控制器的实现 奠定了基础。 1 6 上海交通大学硕士论文 第三章单片机系统硬件设计 第三章单片机系统硬件设计 3 1 传惑器硬件选择 传感器数量和精度对控制系统的性能有重要作用，传感器性能越好则输入到 控制器中的信息量越大、越准确，那么控制效果也越好。但作为试验产品，本课 题考虑了成本、安装空间和不破坏原系统的整体性等因素。 3 1 1 传感器主要参数及其要求 传感器用于采样辨识外界工况以及驾驶员意图等，其主要性能参数包括”1 ： 1 ) 量程：是指测量上限和下限的代数差。 2 ) 灵敏度：指传感器输出的变化值与被测量的变化值之比为其灵敏度。例 如离合器位移传感器灵敏度为5 v 1l m m 。 3 ) 分辨力：指传感器可能检测出的被测信号的最小增量。例如节气门开度 位置传感器要求分辨度为1 。 4 ) 误差：指测量指示值与真值之间的差，可用绝对值表示，也可用相对于 满量程的比值来表示，例如空气流量传感器的相对误差为1 。 5 ) 线性度：是指它的输入输出关系曲线与其理论拟台直线之间的偏差。偏 差要选择大小一定重复性要好，而且有一定的规律，这样在计算机处理数据 时可以用硬件或软件进行补偿。 此外还有其他参数如可靠度、响应速度等。由车辆工作环境决定，对于车用 传感器还有以下额外的要求： 1 ) 检测精度高、速度快：这是实现良好的实时控制的前提。这样传送到控 制器中的反映状态的信息也就越准确，不过有时考虑到成本等因素，要求在 价格和精度之间作出折中。传感器采集到的数据的形式包括开关量、模拟信 号以及数字信号。 2 ) 有较好的环境适应性：由于汽车的工作环境温度变化范围可能很大 ( 一4 0 8 0 c ) ，道路表面优劣程度相差也很大，甚至要在烈日、暴雨、污泥 等恶劣环境下连续工作，因此与一般传感器相比，其耐恶劣环境的指标要高 得多，要求其具有耐震、耐水、耐温、耐冲击、抗电磁干扰性能。 3 ) 可靠性：汽车传感器的可靠性应是最重要的，并且其稳定性也要好。 上海交通大学硕士论文 第三章单片机系统硬件设计 4 ) 传感器应该尽可能做到重量轻、结果紧凑、便于安装，且符合有关法规 的要求。 3 1 2 传感器的选择和安装 以下是本系统中的所需的传感器选择与安装方案 i 油门踏板位移传感器 油门踏板位移信号用于考察发动机期望转速值和驾驶员起步意图。在 s a n t a n al x 型轿车上，可通过在油门踏板上安装位移传感器来获取。选用 w d d 3 5 d 一4 型精密导电塑