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摘要：针对城市公交车辆机械式自动变速器研制的实际需要,研究分析了基于CAN 总线的分布式全电动型AMT 系统的拓扑布局及其适用性,详细探讨了其关键节点模块的设计方案,并通过实际制作与应用,初步验证了方案的先进可行。
关键词：机械式自动变速器;分布式系统;CAN总线
引言
电控机械式自动变速器(AMT) ,是运用微电子技术改造传统手动变速器的典型机电一体化产品。AMT 是在干式摩擦离合器和固定轴式齿轮变速器的基础上改造的。它结构简单,保留了干式离合器与手动变速器的绝大部分总成部件,改变了其中手动操纵系统的换档部分,去掉离合器踏板,去掉加速踏板和油门之间的拉索,改为电子控制装置自动操纵[1 ] 。通过电子控制单元( ECU) 控制液压、气动或电动执行机构,完成汽车起步、换档的自动操纵。
特别是对于公交车辆,大功率容量的自动变速器主要依靠进口,而且在实际运营中出现了采用自动变速器后整车油耗上升1/ 3 至1/ 2 的现象,以至于有些运营单位买得起也养不起[2 ] 。与传统自动变速器相比,AMT 方案可以在原有的机械变速器上进行改造,生产继承性好、结构简单、制造容易、维护维修成本低适合中国国情。同时AMT 不经过液力耦合器,减少了能耗,对整车节能有重大意义。
1 分布式全电动型AMT 工作原理
按照不同的控制机构来区分,AMT 系统存在电2液的、电2气的和全电动的等3 种控制方式[3 ] 。
电2液控制方式:由电控单元发出指令控制电磁阀,通过液压系统驱动来自动地完成离合器的结合、分离和变速器的选档、换档等动作。
电2气控制方式:与电2液控制方式原理基本相同,也是电控单元发出指令控制电磁阀,不同的是控制机构变为气动系统。
电动控制方式:用电机作为执行电控单元指令的机构,来实现档位和离合器的操纵。
由于启动电磁阀和气动作用缸构成的气动执行器体积大、笨重、反应慢,在AMT 系统的应用中,已不再考虑这种方案。然而,使用电动执行器或是液压执行器的问题一直存在着争论。在实际应用中,取舍的焦点是成本、体积、重量和平均功率消耗等。
液压系统不仅需要执行器件,而且需要液压泵系统和蓄能器硬件。通常,液压控制系统比电动控制系统具有更高的价格和维修保养成本。电2液型AMT 以电子控制单元ECU 为核心,通过液压系统控制来取代原来由人工操作完成的离合器的分离与
结合、变速器的选、换档动作和发动机油门的调节,以实现车辆起步、换档的自动操纵[4 - 5 ] 。ECU 根据驾驶员的意图(加速踏板、选档手柄等) ,按照设定的控制规律(换档规律、离合器接合规律等) ,输出换档电信号,控制电磁阀的通断,借助于液压系统对车辆的动力传动系统(发动机、离合器和变速器) 进行协调操纵,完成车辆的平稳起步和自动换档。
而对于电动系统,它的驱动媒介为电线,因此所需要考虑的布置空间仅为安装电机及其传动器件的空间。而且它节约能量,在不需要换挡时系统给电机断电,只有当需要选换挡时才给电机供电,另外它结构比较简单,并随着新技术的发展成本逐渐下降,所以在汽车工业中,已经存在逐渐增多使用电动系统的趋势[6 ] 。但电动系统仍有一些需要改进的问题,如执行动作没有液压系统精确,特别是因电线布置过长而导致线损增加及传感器信号容易失真等。
按照如图1 所示这种集中控制的结构来设计全电动型AMT 系统实际上是可行的,只要把执行机构与传动机构更换就可以了。但考虑到驱动电机需要较强的电流,存在增加线损和产生电磁干扰等问题,所以控制系统采用分布式的拓扑结构将更加有利。将执行机构的控制电路从ECU 中分离出来,安装在执行机构附近,与ECU 主部分以CAN 总线相连接,如图2 所示。这样将大大缩短了强电流的运行路线和从执行机构到控制系统反馈线长,有利于减少线损、降低成本和防止反馈信息受干扰。 （图片）
图1 集中控制AMT 系统的结构 （图片）
图2 分布式全电动型AMT 系统的结构 CAN 总线,是Bosch 公司在现在汽车技术中最先推出的一种多主机的串行通讯局部网络,能有效地支持具有很高安全等级的分布式控制和实时控制。1993 年CAN 总线成为国际标准ISO11898 (高速应用) 和ISO11519 (低速应用) 。CAN 总线突破了类似于RS232 或者RS485 通信网络的一主机对一从机或者对多从机通讯格式的局限,具有多主机工作方式,可以同时挂110 个智能节点。由于其高性能、高可靠性和实时性好,CAN 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。其最高通讯速率可达1 Mbit/ s (最大总线长度40 m) ,任意2 个节点之间的最大距离可以达到10 km (通讯速率为5kbit/ s) 。正是CAN 总线的上述特点,特别是抗干扰能力强和布线简单的特点,能够适合汽车自动控制系统的要求,因而已在常规汽车中获得了越来越普遍的应用[7 ] 。AMT 控制系统实时性要求比较高,整个系统数据流量比较大, ECU 和各个分控制节点能够在较短时间限度内互相交换数据,以保证整个系统控制不会有明显的滞后。
针对我国公交车辆的特点, 分布式全电动型AMT 系统较电2液控制型和集中控制式全电动型更加合理有效。公交车辆作为市场运营车辆,降低制造成本与运营成本需要作为新技术推广的首要问题来考虑。同时公交车辆的动力总成功率容量较大,所需驱动换档机构和离合器操纵机构的电机功率较大,线路传递的电流也较大,同时蓄电池、ECU 和各执行电机的相对安装距离较远,需要特别注意线路的铜损问题。从实车试验的结果可以看出采用分布式结构设计能有效地降低AMT 系统的线损,提高驱动电机两端的端电压。以AMT 系统中驱动功率需求最大的是离合器控制电机为例,当电池端电压为24 V ,驱动电流为25 A 时,采用集中控制的电机端电压为18 V ,而采用分布式控制的电机端电压可提高为21 V 。
分布式全电动型AMT 系统的工作原理:
a. 核心部分。ECU 根据驾驶员操纵加速踏板、制动踏板和换档杆等的意图,如起步、停车、倒车和强制档等以及车辆的工作状态(发动机转速、车速、档位和离合器行程等) ,依据适当的控制规律作出判断,将结果通过CAN 总线传递到各个控制电路,并协调各控制电路工作。
b. 节点部分。接收到由核心部分传来的工作指令后,控制电路对相应的执行电机(油门操纵电机、离合器操纵电机、选换档操纵电机) 进行操作,并通过相应位置传感器构成反馈控制,来实现车辆动力传动系统(发动机、离合器和变速器) 的准确的自动操纵。
驾驶员在驾驶车辆过程中,不断感知车辆行驶的外界环境(如上坡、下坡、粗糙路面、湿滑路面、弯道和红灯等) 和车辆本身的工作状态,通过操纵加速踏板、制动踏板和选档手柄等,将起步、停车、倒车和强制档等意图以电信号的方式传递给电子控制单元ECU ,ECU 采集输入信号后,经过运算、判断和决策等信息加工处理,发出工作命令给控制电路,再由控制电路控制执行电机完成相应的操纵动作。汽车在行驶过程中,驾驶员对加速踏板的控制通过加速踏板位移传感器传递给ECU , ECU 通过所测加速踏板位移值以及当前车辆行驶的速度等车辆参数,再根据自动换档规律判断车辆应处的最佳档位,决定升档、降档或保持原档位不变,从而达到加速或减速的目的。在车辆运行时,如果驾驶员想降速或者停车,则可通过踩制动踏板将意图传给ECU , ECU 再进行相应的处理[ 1 ] 。
2 控制节点设计
AMT 离合器控制机构、发动机节气门(油门)控制机构、选档和换档控制机构采用自带位置传感器与车辆低压电器相同电压等级的直流电机(文中采用24 V 直流永磁有刷电机) 驱动,控制方式是目前已非常成熟的PWM 斩波控制。功率MOSFET组成H 桥驱动方式,按照AMT 的控制规律实现对电机速度和位置的准确控制。
控制节点采用M68HC908GZ16 微控制器作为控制芯片。其微控制器采用了MC68HC908 增强型中央处理器CPU08 ,是一种高性能的8 位单片机系列, 具有速度快、功能强、价格低等特点。M68HC908GZ16 微控制器片内集成了CAN 总线2. 0 控制模块。片内有16 kB Flash ,1 kB RAM 和8 路10 位A/ D ,SPI ,SCI ,4 路16 位定时器等,适合在基于CAN 总线的控制系统应用。
利用M68HC908GZ16 具有的丰富接口资源,执行电机转子转角模拟输入信号由滤波电路处理后,再用MCU 的A/ D 转换模块进行采集,再通过CAN 总线反馈到主控模块中,对系统动作进行监控。其PTE , T2CH 引脚实现对驱动电路的控制。其硬件原理如图3 所示。（图片）
图3 AMT 控制节点结构原理 采用直流电机是由于其具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,较高的效率,优异的动态特性,而且用在汽车上有独特的优势:可以直接利用汽车低压蓄电池组供电。该系统综合ECU 下达的命令和自身采样的相关信息后,采取相应的措施控制油门电机、离合器电机和换档电机工作,完成换档,操纵离合与油门的功能。由于受到换档操纵结构的限制,AMT 的ECU 通过上位机根据工况给出的调控指令,只能按Ⅰ\Ⅱ\Ⅲ\Ⅳ⋯的档位顺序,依次、不间断地实施从低到高、从高到低的往复变化,无法实现跳档工作。
对电机的驱动采用场效应功率MOS 管,通过PWM 波对MOSFET 的开关控制,达到控制电动机电枢电压,实现调速目的。选用Infineon 公司生产的一款用于驱动大功率直流电机的智能型H 桥驱动芯片B TS7810 K,简化了设计过程,同时提高了可靠性。该芯片集成了4 个D2MOS 开关管,即可以组成为桥式电路也可以当作4 个独立的开关管使用;具有低的导通电阻RDS(ON) ,在25 ℃的结温度下,高侧2 个开关低至26 mΩ ,低侧2 个开关低至14 mΩ;每个开关管可以承受高达42 A 的峰值电流(在25 ℃的结温度下) ,并且具有非常低的静态漏电流(4μA) ;具有动力电源正负极短路保护功能;能够承受40 V 的直流电压;提供过热状态输出信号和过热保护功能;提供欠压检测功能;具有钳位二极管保护功能;高侧开关负载开路检测功能等。而且该芯片的工作温度范围为- 40～150 ℃,适合汽车运用环境。
由于采用了分布式控制系统,AMT 控制节点对电机速度和转角位置的控制精度直接影响到了AMT 的性能。为了对电机进行精确的控制,必须采用负反馈闭环控制系统。整个闭环控制系统是由被控对象(这里是直流电机驱动的机构负载) 和控制器2 部分组成的。控制器以误差/ 偏差作为控制器输入信号,按照某种控制规律对该信号作出运算,然后向被控对象发出控制信号,使得误差/ 偏差得到消除或者是减小,从而达到预期的控制目的。目前,在广泛使用的控制器中,常常采用比例、微分和积分等基本控制规律,或用这些基本控制规律的适当组合,比如PID 控制器,对被控对象进行有效控制。很多智能控制系统也往往是在这些控制规律的基础上发展起来的。
通过建立一个以PID 控制规律对直流减速电机进行转角位置控制的系统,建立其数学传递函数,进行仿真分析。然后运用单片机搭建数字控制系统,编写数字PID 控制程序,经过调试,整定PID 参数,以获得较好的输出动态性能和稳态精度。
采用M68HC908GZ16 芯片作为数字控制器,利用其内部的10 位A/ D 转换器,编写了直流减速电机的数字PID 控制程序。该数字PID 控制器的控制输出量为电机的电枢电压,反馈信号是蜗轮蜗杆直流减速电机输出轴的角位移的A/ D 采样值。
经过多次的调试、参数整定,得到了较好的PID控制效果。图4 是基于M68HC908GZ16 芯片的控制节点控制换档机构,针对实际阶跃输入的响应图,其中采样周期T = 10 ms。从图中可以看出,整个控制节点构成了一个完整的反馈控制系统,可以准确地将CAN 总线上输入作为给定量,快速准确地调整换档机构到达指定位置。（图片）
图4 AMT 控制节点阶跃响应控制效果 3 结束语
基于CAN 总线的分布式控制系统的开发工作,已被初步证明在技术上较集中控制是更加可行有效的,同时也是很经济的。AMT 控制采用基于CAN 总线的分布式控制系统的优点:
a. 有效减少了电机驱动电流在线路上的铜损,减少了故障发生的概率,提高系统的可靠性。
b. 利用CAN 总线实现信号传输全数字化,缩短了模拟信号传输距离,保证系统控制的准确性。
c. 该系统的控制单元全部分散到现场,控制回路由现场控制器实现,提高了控制的动态性能。
d. 现场总线中允许ECU 根据车况用数字通讯的方式对现场控制节点进行操作和调整,易于实现优化控制策略。
综上所述,基于CAN 总线的分布式全电动型结构非常适合于公交大客车AMT 系统。该系统利用CAN 作为汽车计算机网络总线,使AMT 各控制单元能够共享所有信息和资源,达到简化布线、提高系统可靠性和维护性、降低成本的目的。按照以上思路解决了全电动AMT 系统设计的技术难题,结合微电子技术,在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵系统来实现换挡的自动化。既保留了原齿轮变速器传动效率高、结构简单的长处,又以较小的代价具有了液力自动变速器的自动换档性能。
参考文献:
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[6 ] 任玉平,葛安林. 全电式AMT 选换挡系统模糊控制方法[J ] . 汽车技术,2004 , (8) :11 - 14.
[7 ] 黄向东,汪胜勇,赵克刚,等. 基于CAN 总线的HEV集散控制系统的通信[J ] . 华南理工大学学报(自然科学版) ,2004 ,32 (5) :88 - 91.
作者简介:赵克刚(1977 - ) ,男,上海人,博士,讲师,研究方向为电动汽车及其相关技术;罗玉涛(1972 - ) ,男,山东烟台人,副教授,研究方向为电动汽车及传动技术。
4/6/2011
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