直流无刷电机

1、1 AMT1 AMT的发展趋势及存在技术的发展趋势及存在技术问题问题 1.1 AMT的发展趋势 1.2存在技术问题 2 2 不分离不分离离合器离合器换挡实现的工作原理换挡实现的工作原理 3 3 为什么为什么用无用无刷刷直流电机作为直流电机作为选换挡电机？选换挡电机？ 3.1 AMT电动换挡系统对选换挡电机的要求 3.2 直流电动机与步进电动机、直流无刷电机的比较分析 3.2.1直流电动机的特点 3.2.2步进电动机的特点 3.2.3直流无刷电机的特点 3.3无刷直流电机的驱动方式 4 4 选选换挡电机的控制换挡电机的控制方法方法 4.1控制系统目标 4.2控制策略 . 针对各种自动变速器使用中

2、出现的问题和人们对车辆性能要求的提高， 人们在在不断探索采用新的检测和控制技术来改善AMT的性能，致 力于开发具有智能的自动变速器。主要发展趋势有： （1）综合实施对发动机扭矩、转速和离合器接合速度的控制，完成 车辆的起步控制，而换挡过程中不分离离合器，通过对发动机转速、 转矩精确控制来实现。而在选换挡过程中不分离离合器，通过对发 动机的精确控制来完成换挡成为一种趋势。 （2）采用模糊-神经网络控制技术进行车辆挡位决策。 采用模糊控制技术来增强对驾驶员意图和路况、车况的适应性，神经 网络用于学习优秀驾驶员的换挡数据，获得更智能的换挡规律。 （3）先进的电子元器件被越来越多的应用到AMT系统中，

3、执行机构趋 向于采用电动执行器。 （4）增强和完善电控系统中软件的功能来降低硬件的成本，提高系 统的可靠性和安全性。 （5）电控系统中的软件除了完成对各种输入传感器数据的处理、逻 辑关系的判断之外，还要完成复杂的模糊逻辑推理、神经网络的训练 与控制、系统各部分故障检测与诊断。利用总线技术减少系统连线数 目，从而提高系统可靠性并降低成本。 （6）TCU中采用先进的电子元器件完成对信号的检测和处理，特别是 采用高速数字信号处理器来完成软件中复杂的控制算法。 1.2 AMT存在的主要技术问题 (1) 可靠性问题 可靠性问题是车辆自动化装置最重要问题之一，包括电子控制系统 的可靠性、执行机构的可靠性和

4、软件系统的可靠性。可靠性问题的解决 是AMT走向产业化最重要的前提条件。 (2) 车辆挡位决策与控制 挡位决策是AMT技术的核心之一，它应该使汽车在最佳性能(动力 性和经济性)换挡点执行换挡动作，使车辆运行在最佳挡位，并能依据 汽车运行工况和驾驶者的意图能够实现自适应换挡。 (3) 离合器与发动机（电机）协调控制 在AMT控制系统中，无论是换挡过程中，还是车辆起步过程，都涉 及到到离合器与发动机的协调控制问题。AMT换挡过程控制复杂，要 通过协调控制发动机、离合器操作来实现平稳换挡，同时还要考虑离合 器的滑磨、车辆的所受的冲击、换挡时间以及发动机转速的波动等问题。 这些问题对控制方法及其可靠性

5、等方面，都提出很高的要求。 (4) 执行机构 离合器分离与接合执行机构和选换挡执行机构的优化设计、高精度 控制和零部件的加工精度是个重要问题，它们动态特性的好坏直接影响 起步、换挡控制品质和工作的可靠性，因而必须保证响应速度快、工作 稳定可靠、成本低。电控电动执行机构由于控制的方便性及布置的灵活 性，现在已越来越多的被采用。 (5)驾驶员意图的体现 车辆应满足可驾驶性的要求，即应能充分体现驾驶员的驾驶意图。 AMT车辆按照固化在电控单元(TCU)中的控制规律对离合器和换挡时机 进行控制。车辆行驶过程中，这一控制规律是不变的。然而，车辆行驶 环境复杂多变，驾驶员驾驶意图各不相同(包括驾驶员驾驶个

6、性的差异)。 如何制定相应的控制规律以满足不同环境下，不同驾驶员对车辆操纵的 不同要求是AMT车辆的一个难点。 汽车换挡过程中的离合器控制问题，一直是AMT的难点技术。离 合器不分离AMT则合理的避开了这个难点，只是在车辆起步过程中对 离合器进行控制。而在换挡过程中，离合器不分离，而是依靠对发动 机转速、转矩的精确调节实现换挡。其优点包括5个方面： (1)在行车换挡过程中取消了对离合器的控制，消除了离合器滑磨时 间过长或换挡冲击，大大提高其换挡品质。由于换挡过程中不分离离 合器，减少了离合器的滑磨次数，大大增加了离合器的寿命。 (2)变速器换挡采用电机来做执行机构，使变速器的执行机构系统大 大

7、简化，提高了执行机构的可靠性。 (3)取消了离合器的分离与接合控制，电机响应速度快，可大大缩短 AMT系统换挡时间，使整车动力中断时间短，有利于提高动力性和经 济性。 (4)AMT电动换挡系统适用范围更广。 (5)AMT电动换挡系统相对AMT液压控制系统更容易系列化、产品化。 对于变速器挡位数和换挡的改变，AMT电动换挡系统只需更改换挡控 制参数就可移植。 不分离离合器换挡分为三种工作情况： (1)车辆起步 依据驾驶员的意图，由TCU控制离合器执行电机带动离合器执行 机构来完成对离合器起步过程的自动控制。 (2)车辆行驶降挡 AMT控制系统通过CAN总线与发动机ECU进行通讯来调节发动机的 转

8、矩和转速，同时AMT控制系统通过控制电动机的转速、转矩及位置 精确控制来实现白动选挡换挡过程，实现不分离离合器的白动换挡过 程。 (3)车辆行驶升挡 依靠与变速器相连的减速器和发动机联合对发动机降速以使发动 机转速迅速降低到目标转速。由于在换挡过程中依靠对发动机转矩与 转速的精确调节，取消了变速器中的同步器，避免了在换挡过程中同 步器因主从动齿轮转速不同而滑磨，从而增加了换挡电机执行的时间， 取消了同步器，则减少了电机堵转的出现，有效的提高了电机的寿命 和减少了换挡冲击。 离合器不分离换挡AMT的工作原理如下图 为了实现AMT选换挡的自动操纵，以自动完成摘挡、选挡、换挡过 程、换挡时无换挡冲击

9、、适应不同工况下的选换挡、选换挡的快速完 成、选换挡系统的稳定与高寿命，要求电机做到: （1）响应速度快，且应满足选换挡平稳无冲击的要求; （2）电机的最大转矩能克服选换档所需的最大力; （3）选换挡电机良好的加速性能; （4）电机的额定电压应为12V; （5）启动转矩要大，而启动电流要小; （6）体积小、重量轻、效率高、寿命长、可靠性高、噪声低; （7）电机耗电量不应对其它用电设备和蓄电池正常使用造成影响; （8）考虑电机的耐水性和耐振性; （9）电机是电噪声发生源，容易给其它电子设备造成干扰，应注意 电磁兼容性; （10）电机应能适应车辆上的高低温度等环境要求。 3.2.1直流电动机的特点

10、 1) 直流电动机具有良好的启动与调速性能，作为全电式AMT 选换挡系统执行机构的动力源，有利于挡位的精确控制并减小 换挡冲击; 2) 直流电动机的体积小，与相同功率的步进电动机比较，体 积只是步进电动机的一半，这是直流电动机最主要的优点之一。 由于AMT是在原手动变速器系统上加装控制系统，因此可用来 布置的空间非常有限，而采用直流电动机则有利于选换挡系统 的空间布置; 3)有刷直流电动机的寿命要比步进电动机长，较无刷直流电 机的寿命小; 4)噪声较无刷直流电机的要大; 5)有刷直流电机结构简单，省电，但由于机械电刷和换向器 强迫接触，造成了它可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪音 等一系列问题

11、。 1)步进电动机的速度控制方法简单，只需要通过单片机程序控制脉冲 信号的发生频率，硬件少，可靠性好。其最大的好处在于它的控制是 纯数字式的，位移和输入脉冲信号数相对应，即给一个脉冲信号，就 运行一步，步矩误差不长期积累。理论上可以实现完全的精确控制， 在这一点上它优于直流电动机; 2)步矩角选择范围大，可在几十角分至一百八十度大范围内选择。 在小步距情况下，可以在超低速下，高转矩稳定地运行，通常可以不 经减速器直接驱动负载。 3)步进电机在加载试验中，会出现失步现象，即有脉冲信号，却没 有运行相应的一步或多步，而且随着负载的增加，失步现象会更加严 重。在负载相同的情况下，采用大功率电动机可以

12、减少失步现象。 4)步进电动机需要专门的驱动电路，使控制系统硬件变得复杂，降低 了控制系统的可靠性; 5)步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差，而 AMT选换档需要较大的力，这就需要增大减速器的传动比，则加大了 执行机构的反应时间，不适合AMT的选换档要求。 永磁直流无刷电机是随着电力电子器件以及新型永磁材料发展而迅速 成熟起来的一种新型机电一体化电机，它的特点是: 1)高效率:无刷直流电动机转子上既无铜耗也无铁耗； 2)功率因子高:无刷直流电机无需从电网吸取激磁电流，功率因子接 近1； 3)启动转矩大，启动电流小:无刷直流电动机的机械特性和调节特性 与他激直流电动机相应特性类似

13、，所以它的启动转矩大，启动电流小， 调节范围宽，但没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械 换向； 4)调速精度高，调速范围广，过载能力强，制动特性良好，气隙磁通 密度高，动态性能好； 5)转子转动惯量小，响应速度快，相同功率电机可以显著减小电机的 体积和重量； 6)结构简单、可靠性高、稳定性好、适应性强、维修与保养简单； 7)无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合。结合选换挡 控制系统对选换挡电机的要求和对各电机特点的分析，最后选择直流 无刷电机作为选换挡系统执行机构的动力源。 直流电动机的驱动方式主要分为两种: 线性放大器驱动和脉宽调制(PWM）驱动。 线性放大器驱动直流电动

14、机时，其转矩与电枢电流有着瞬态的正 比关系，电动机的转速与电枢电压也有着稳定的线性关系。因此，从 电动机本身的特性来说，线性驱动是一种理想的驱动方式。然而，从 驱动放大器方面考虑，线性驱动却是一种功耗较大的驱动方式。特别 是在换挡过程中电动机经常处于低速大转矩状态，其反电势小而电流 大，大部分功率将消耗在功率放大器上。另外，功率管发热也会带来 一系列问题。 脉宽调制(PWM)驱动是频率不变的驱动方式，通过改变占空比来 调整电机转速，根据检测到的无刷电机转子位置和电机旋转方向，控 制相应的两个(高端、低端各一个)功率管导通，使得电机产生所需的 力矩。功率管输出为PWM波，PWM波的占空比正比于电机转速。如果使 功率管以开关方式工作，通过改变提供给电机电压的占空比来控制电 机(即脉宽调制驱动方式)，则晶体管不是饱和就是截止，这样晶体管 功耗将显著减小。 电机的选换挡控制应能保证在各种不同选换挡阻力，不同的选换挡力 条件，和不同的发动机状态下均满足下列要求: 1)选换挡控制应能顺应TCU对选换挡控制系