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(biāo)，從機械A(chǔ)MT變速箱的角度，對機械A(chǔ)MT變速箱應(yīng)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(gòu)、軟硬件設(shè)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(shè)計要求，驗證了智能控制系統(tǒng)對提升機械A(chǔ)MT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(guān)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(dāng)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(jié)構(gòu)，對于調(diào)節(jié)和驅(qū)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(shè)計和建設(shè)目標(biāo)，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對于機械A(chǔ)MT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(gòu)

智能控制系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在對信號進行合理轉(zhuǎn)換之后，再通過收集到的數(shù)據(jù)信息來下達和傳遞相應(yīng)的控制指令。

對新能源汽車機械A(chǔ)MT變速箱智能控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)明確信息收集與處理的基本流程?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)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(guān)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(yīng)包括傳感器單元、TCU系統(tǒng)以及換擋執(zhí)行機構(gòu)三個部分。其中，負責(zé)收集信息數(shù)據(jù)的傳感器以車速傳感器、動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(qū)動齒輪，并保持系統(tǒng)信息的SCI通信過程；換擋執(zhí)行機構(gòu)則能夠基于TCU系統(tǒng)下達的指令來驅(qū)動執(zhí)行換擋操作。

基于這一系統(tǒng)架構(gòu)，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(zhuǎn)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(shè)定應(yīng)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(shè)計分析

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 硬件結(jié)構(gòu)

對變速控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，首先應(yīng)掌握明確的硬件結(jié)構(gòu)。基于智能控制系統(tǒng)的運行原理，硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)具體包括傳感器信號處理、TCU主控、電源、電磁閥驅(qū)動以及CAN總線通信模塊。結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計規(guī)劃，電源模塊主要應(yīng)用車載12V的電源供應(yīng)驅(qū)動新能源汽車，傳感器信號處理模塊具體包括收集轉(zhuǎn)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(qū)動模塊主要包括離合電磁閥、檔位電磁閥以及速度感應(yīng)電磁閥。此設(shè)計不僅能夠為駕駛員感應(yīng)和控制油門提供便利，也能夠?qū)崿F(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(shè)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(yīng)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(yīng)[2]。

3.1.2 主控模塊

在智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，主控模塊是驅(qū)動和執(zhí)行變速箱的重要結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段新能源汽車控制系統(tǒng)中應(yīng)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(chǔ)上，還應(yīng)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(shè)計還應(yīng)確保指令檢索與尋址模式應(yīng)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(shè)計，應(yīng)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(yīng)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(shè)計，應(yīng)考慮收集不同信號信息的傳感器在設(shè)計方式以及操作執(zhí)行等方面的差異[4]。例如，轉(zhuǎn)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(gòu)的位置改變的情況下，傳感器的電感應(yīng)量也會發(fā)生變化（如圖1）。

在明確傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)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(qū)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(shè)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(shè)計的發(fā)展趨勢，選擇應(yīng)用模塊化的編程設(shè)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(shè)計，應(yīng)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?qū)δK控制和驅(qū)動變速箱變速調(diào)節(jié)的作用，主控程序部分應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(shè)計，應(yīng)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(shè)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(yīng)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(shè)計，應(yīng)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(zhuǎn)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩常數(shù)。

應(yīng)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(zhuǎn)速與觀測器計算得到的轉(zhuǎn)速估計值應(yīng)大致相等。如果傳感器在系統(tǒng)運行中發(fā)生故障，導(dǎo)致電機實際的轉(zhuǎn)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?；诖耍诳紤]系統(tǒng)運行本身容易受到外部噪聲干擾的情況下，在應(yīng)用故障檢測模型的同時，可以引入大于0的閾值。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的基本參數(shù)，將閾值設(shè)定為電機最小轉(zhuǎn)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(shè)計

對智能控制系統(tǒng)中觀測器的設(shè)計，應(yīng)在明確電機實時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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(shè)計中，主要基于STA-HOSM模型的設(shè)計思想，以構(gòu)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(yīng)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(shè)計

在檢驗發(fā)現(xiàn)變速箱應(yīng)用的傳感器失效的情況下，基于分支系統(tǒng)的容錯設(shè)計要求，應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(zé)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(yīng)。

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(shè)定驅(qū)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(shè)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(shè)計值為6.25。

5.2 變速智控測試

在構(gòu)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(yīng)對新能源汽車變速情況下的驅(qū)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(yīng)用相關(guān)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?；谶@一結(jié)果，進一步應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)和判斷情況進行分別測試。

結(jié)合相應(yīng)的實驗結(jié)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(yīng)用智能控制系統(tǒng)的控制響應(yīng)效果與設(shè)計值相差不大。而對于需要被動降檔的情況，應(yīng)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(zhuǎn)速條件下離合器的實際換擋時機與理論設(shè)計時機之間的偏差。為提升離合器控制的精準(zhǔn)性，可以在智能控制系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)速作為控制變量，對不同執(zhí)行電機轉(zhuǎn)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(jié)果如下：

當(dāng)執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速為500r/min時，應(yīng)用ECU單元控制系統(tǒng)的離合器控制時間為-0.0948s，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)的離合器控制時間為-0.0147s；當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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A(chǔ)MT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(jié)構(gòu)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(shè)計，應(yīng)強調(diào)讓控制系統(tǒng)為提供新能源汽車動力服務(wù)，基于縝密的邏輯進行系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件的設(shè)計，同時也需要結(jié)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(zhǔn)性和實際效果。

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