小型轿车自动换挡控制系统策略与设计

I1.AMT结构与工作原理1.1AMT控制系统的结构组成由于时代的发展，社会的进步，我国的经济发展形势，较之于过往，不管是从宏观的层面上，还是从微观的层面上，都是得到了大力的提升和系统性的发展，交通运输业在这样的一种时代背景之下，也呈现出大力的发展和系统性的盛行的态势，汽车的数量较之于过往，呈现出大幅度的增长和着力的攀升的发展态势。交通拥挤状况较之于从前，形势也是严峻了很多，撞车事件在平时的交通运输的过程中，发生的综合概率相对也是较高的，最终导致了人们，不管是从个人的人身安全的层面上，还是从实际的经济损失的层面上，都是遭受了重大的损失的。汽车的综合数量呈现出较大程度的提升和高效的加强，进而使得汽车的用油量也呈现出较大程度的增加的态势，2009年，我国以6200万辆的汽车保有量共消耗了1.3亿吨成品油，占全国汽柴油总产量的63.2%，相比2008年净增加了1600万吨。自从1993年起我国的石油主要的来源是依赖于进口，此后我国的石油对外依存度由当年的6%逐年增加，2009年我国石油对外依存度己高达52%，超过了50%的安全警戒线，这意味着我国的能源正遭受着严重的能源危机，能源每一年的需求量都是呈现出较大程度的提升和高效的加强的态势的完成和实施，2011年甚至超过了美国，达到了56.5%。由于我国的能源，每一年都是以一种高速发展的状态呈现出一种持续增长的态势，我国的石油在于外界的依赖度也是逐年上涨的发展趋势，预计到2015年将达到60%。2020年达到65%，汽车行业预测：到2020年我国汽车用油缺口将达到1.3亿吨。由于我国的汽车的综合数量的不断的增加，并且由于汽车的数量的增加，导致的汽车能源的消耗量呈现出大幅度的提升的态势，汽车的尾气排放问题，也成为了当前需要重点的关注的问题，汽车的尾气排放，对于我国的环境污染问题，是造成了重大的威胁的。2010年，我国机动车排放污染物总共达到了5.2亿吨，这其中，汽车是造成这样的一种严重的污染现象的最为核心的原因。从当前的实际发展形势上来看的话，我们不难发现，汽车尾气排放也是当前各个大中型城市，需要重点的关注和系统性的予以解决的重要问题。除此之外，在对于二氧化碳的排放过程中，有25%来自于汽车，我国的二氧化碳排放在整个全球的范围内来看的话，占据的综合比重也是非常大的。汽车尾气对于环境造成的重大的污染问题，也是当前迫切的需要整治和重点的完善的问题，也是当前需要在实际的环境污染等诸多问题实施的过程中，重点的关注和系统性的予以治理的重要问题，因而，其重要性以及其迫切性，是不言而喻的。发展新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（PEV）以及燃料电池汽车（FCEV）是实现我国的环境可持续化以及能源可持续化发展的一个尤为核心的发展趋势。纯电动汽车以车载二次电源作为储能方式，将电力作为汽车运行的动力，较之于过往的那种较为传统的汽车能源模式来讲的话，具有零排放、低噪声并且综合的结构相对是较为简单等诸多的优势特点，而相比燃料电池，在具体的实施过程中，是能够更好的实现其自身的产业化的运行以及产业化的大力的发展态势的完成，在当前这样的一种实施环境之下，不管是从宏观的层面上，还是从微观的层面上，都是受到了世界范围内的高度的关注和广泛性的重视。从当前的实际发展形势上来看的话，我们不难发现，纯电动汽车的产业化已经成为了汽车产业在具体的运行和实际的发展过程中的尤为核心的控制方向和具体的控制目标了，与此同时，这也对提升当前这样的一种汽车的综合性能，提出了更为迫切的实际需求和客观的发展需求的完成和建立。从电动系统的综合发展层面上来看的话，我们不难发现，在制动和滑行工况时将电动车行驶的惯性能量（包括动能和势能）通过这样的一种电机的较大程度的实施和系统性的转换态势的完成，为电能储存在蓄电池中是降低电池电量消耗和提高续航里程的重要技术手段。一些国内外学者研究了混合动力汽车制动工况的再生制动，他们也是创建了一系列的相关研究理论和客观的研究模型，对其实际的发展思想和客观的发展方向做出了重点的说明和系统性的管理，以期能够取得较好的成效，并且在具体的使用过程中，能够得到较大程度的发展。AMT的控制过程基本是对驾驶员的操作的模拟。根据驾驶员意图、车速、油门等参数，确定最佳挡位和换挡时刻;通过对离合器的分离与接合、换挡手柄的摘挡与挂挡以及发动机的油门开度等的同步调节，实现动离合和换挡的自动控制。AMT技术结构比较简单，对厂家来说成本也不是太高，消费者也乐于接受这种低价位自动变速箱车型。尤其是低成本和省油等优点，使其在大中型客车和中型载货汽车上能得到较好应用。AMT控制系统由以下几个主要部分组成：传感器信号采集：传感器主要包括电机转速传感器、车速传感器、油门开度传感器、挡位开关等。（2）主控制器模块：微控制器的最小系统模块、换挡执行机构驱动模块、通信模块和电源模块等。（3）换挡执行机构：换挡执行机构有电控气动、电控液动和电控电动三种。电控气动AMT电控气动AMT是采用加压的空气作为换挡执行机构的动力来源，驱动换挡机构自动换挡。1.2AMT的工作原理AMT的工作原理图1.1所示，AMT控制器根据驾驶员的驾驶意图，在接收到油门信号、电机转速信号、制动踏板信号、车速信号以及挡位信号时，根据换挡控制策略进行相应的换挡操作。图1.1AMT的工作原理2.系统换挡策略速度调节器根据速度设定值与反馈值的差值进行调节，输出量作为电流环的参考电流并与实际值做差，经电流调节器放大与校正后，输出对应的控制量并通过PWM电路变换成相应的脉冲宽度，综合转子位置信号产生各路所需的控制信号，控制三相逆变桥电路，使相应的功率开关器件导通，进而改变电机各相绕组的通电电流，最终满足电动机在电压、负载变化或外界扰动情况下，系统能够自动调整，使其转速能够稳定在参考转速范围。2.1离合器分离阶段的发动机控制离合器分离阶段离合器控制与发动机控制配合策略可细分为三个阶段（见图2.1）：图2.1离合器控制与发动机控制关系匹配图第1阶段：离合器快速分离至当前发动机转矩对应的目标分离位置（此目标位置根据当前发动机转矩和离合器扭矩传递特性计算得出，实际中由台架试验标定得出）。第2阶段：离合器慢速分离至滑磨点。该阶段离合器的分离速度由换挡前发动机传递的转矩和离合器分离阶段的控制时间决定。第3阶段：离合器从滑磨点快速分离至最大分离位置。离合器分离阶段的控制流程图如图2.2所示。分离至离合分离至离合器目标位置开始离合器快速分离和发动机降转矩控制离合器慢速分离和发动机降转矩控制分离至滑摩点结束NONOYESYES离合器快速分离和发动机转速控制分离至最大分离位置NOYES图2.2离合分离阶段的控制流程图2.2变速器选换挡阶段的发动机转速闭环控制离合器分离阶段的控制流程图如图2.3所示。选换挡结束选换挡结束开始变速器选换挡和发动机转速控制NO结束YES图2.3选换挡阶段的控制流程图2.3离合器接合阶段的发动机控制本文控制策略将离合器接合过程细分为快-慢-快三个阶段，而发动机的协调控制只存在于离合器接合的前两个阶段。第1阶段：离合器快速接合至滑磨点。此阶段的作用是消除空行程，同时发动机进行与选换挡阶段相同的转速闭环控制，控制发动机转速向目标转速靠拢。第2阶段：离合器进入滑磨阶段。本阶段离合器的控制策略为：离合器慢速接合至与发动机期望转矩值对应的目标接合位置，接合速度由油门开度、离合器主动盘与从动盘转速差、换挡类型等因素确定；当离合器接合到目标接合位置时不再继续接合，保持这个位置等待发动机协调控制，直到离合器滑磨阶段结束，主、从动盘同步。本阶段的发动机控制策略为：TCU将期望的升转矩速率和转矩值等控制参数发送给ECU，发动机按照这些参数完成转矩输出。第3阶段：离合器同步后接合阶段。此阶段离合器主、从动部分已完成同步，离合器应快速接合至最终位置，完成整个换挡过程。离合器接合阶段的控制流程如图2.4所示。接合至滑摩点接合至滑摩点开始离合器快速接合和发动机转速控制发动机升转矩控制和离合器慢速接合接合至离合器目标位置结束NONOYESYES离合器快速接合离合器完全接合NOYES图2.4离合接合阶段的控制流程图3.系统硬件设计3.1系统总体设计根据第二章制定的换挡策略，AMT控制系统的硬件组成，如图2.1所示。图3.1系统硬件组成示意图主控板以飞思卡尔公司的MC9S12XS128为核心，以CAN通信模块实现与电机控制器和整车控制器的通信，接受整车控制器的换挡指令，根据制定的控制算法，输出六路PWM驱动信号，驱动换挡电机运转，保证换挡执行机构精确的换挡。3.2主控模块设计具体要求有以下几点：①稳定性高，抗干扰能力强，芯片的管脚驱动能力强。②电机控制能力强，能满足系统要求的PWM占空比的调制。③实时性好，而且芯片比较通用，易于进行开发。MC9S12XS128是属于汽车级别的16位单片机。特点是：性能稳定可靠、数据处理能力强和抗干扰能力突出。内部有128K的Flash、8KRAM以及8KB数据Flash存储器。主要功能模块包括：①内部存储器；②内部PLL锁相环模块；③2个异步串口通讯；④1个串行外设接口；⑤MSCAN模块；⑥1个8通道定时器模块；⑦周期中断定时器模块；⑧16通道A/D转换模块；⑨可独立控制的8通道PWM调制模块；⑩输入/输出数字I/O口。3.2.1MC9S12XS128单片机最小系统设计最小系统是可以使单片机运行的最简单的外部电路。它包括：晶振电路、电源电路、BDM调试接口电路和复位电路等外部电路。图3.2MC9S12XS128最小系统原理图单片机的指令必须严格的按照时钟周期执行，晶振电路的作用就是提供外部时钟周期。考虑到发挥系统效能，使单片机工作在较高频率下，提高系统的数据处理能力，本文的晶振电路由16MHz的石英晶振，一个10M的电阻，两个22皮法的电容组成。MC9S12XS128单片机内部有标准的BDM模块。该模块有以下几种功能：设置断点、读写内存和寄存器、下载程序、运行和停止程序、单步执行程序等。3.2.2串行总线接口电路设计如图3.3所示，是串口电路的原理图。图3.3串口通信电路原理图3.2.3CAN总线接口电路设计MC9S12XS128单片机自带MSCAN通信控制器，只需要加一个CAN收发器即可，本文选择了TJA1040收发器，通信模块硬件电路制作简便，CAN总线的硬件原理图如图3.4所示。图3.4CAN总线接口电路原理图3.3换挡电机驱动模块电路设计换挡执行机构使用是电控电动模式，无刷直流电机的驱动相对复杂一些，需要设计一个无刷直流电机驱动模块，来保证电机能正常驱动。3.3.1三相全桥驱动电路设计本文直流无刷电机采用的是三相全桥逆变电路驱动。如图3.5所示，为三相全桥逆变电路原理图。图3.5三相桥驱动电路IR2113S是专用的功率MOS管或IGBT驱动器。IR2113S采用先进的CMOS工艺制造，具有独立的高端和低端输入通道，悬浮电源采用自举电路，静态功耗低（116mW），工作频率可达500KHz，开通和关断时间延迟为120ns和94ns。3.3.2电源电路设计如图3.6所示，为电源电路的原理图。图3.6电源电路原理图LM2576的Vin管脚的输入电压应该在7V~40V范围内；2号管脚为5V电压输出管脚，为获得稳定电压使用了电感L1（100uH）和滤波电容。3.3.3电流检测电路设计常用的定子电流的检测方法有：传感器法和分流电阻法。本文采用分流电阻法进行电流检测，原理图如图3.7所示。图3.7电流放大电路3.3.4霍尔信号调整电路本文采用74HC14反相施密特触发器来完成霍尔信号的整形。霍尔信号调整的原理图如图3.8所示。图3.8霍尔信号整形电路4.系统软件设计软件是AMT控制系统的一个重要部分。AMT控制系统的软件主要是由一些函数组成：应用层任务调度函数、硬件层驱动函数、定时计数函数、数据处理函数和信息的读取和发送函数等。4.1系统软件总体结构如图4.1所示，为软件系统的结构框图。图4.1软件系统结构框图4.2系统主程序设计AMT的控制主程序流程如图4.2所示，在ON挡开关打开后，控制系统开始启动。图4.2AMT控制系统主程序流程图（1）倒挡子程序倒挡程序是TCU检测到驾驶员将换挡杆拨至倒挡位置时，将挡位挂到一挡的位置，同时，将倒挡信号发送给电机控制器，让电机反转，完成倒车。图4.3倒挡子程序（2）空挡子程序挂空挡的子程序如图4.4所示。图4.4空挡子程序（3）前进挡子程序前进挡的程序需要考虑到的条件比较多，在加减挡的过程中没有使用离合器，需要换成空挡来中断动力以便进行换挡。图4.5前进挡换挡程序4.3CAN接口程序设计图4.6CAN总线系统CAN总线系统的结构图，如图4.6所示。4.3.1CAN报文定义Freescale公司的芯片支持CAN2.0B规范，能够兼容CAN2.0A。CAN总线的报文以特定的类型和帧格式进行接收和发送。报文传输有4种不同的帧类型：①数据帧：携带数据从发送器至接收器。②远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。③错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。④过载帧：过载帧用在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供附加的延时。表4.1报文的扩展帧格式32位仲裁场控制场数据场CRC场SOF11位识别码SRRIDE18位识别码RTRR0R1DLC数据段8字节CRC15位ACKACKEOF111111811140~6315127它负责将CAN扩展帧的29位标识符重新分组定义，使报文的标识符就能够描述报文的全部特征，包括目标地址和源地址等内容，如表4.2所示。表4.229位标识符分配表标识符（11位）SRRIDE扩展标识符（18位）优先级RDPPF格式SRRIDEPFPS格式8位SA格式8位321118~3218~18~128~26252423~18171615~87~0其中，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为0；DP固定为0；8位的PF为报文代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送报文的源地址。4.3.2CAN网络地址分配规则各节点的地址分配如表4.3所示。表4.3各网络节点地址分配CAN网名节点名称目的寻址的报源地址文编号(PF)备注CAN-bus整车控制器AMT控制器电机控制器SA=208（0xD0）SA=212（0xD4）SA=239（0xEF）0~2390~2390~239新定义新定义SAEJ1939已定义电子油门踏板SA=210（0xD2）0~239新定义电子刹车踏板SA=211（0xD3）0~239新定义方向盘SA=214（0xD6）0~239新定义4.3.3CAN网络中的报文数据定义数据格式定义如表4.4所示。表4.4报文数据定义数据类型比例因子范围（实际量程）偏移量字节数AMT输出轴转速1RPM/bit（-2000~+2000）-20002BYTE电机转速1RPM/bit（-6000~+6000）-60002BYTE给定刹车踏板开度0.250-400（0-100%）02BYTE车速0.1km/h/bit0-15002BYTE给定油门踏板开度0.250-400（0-100%）02BYTE4.3.4MSCAN控制器驱动基于飞思卡尔MC9S12XS128芯片内部集成的MSCAN控制器的驱动是通过配置内部寄存器实现的。MSCAN驱动的驱动流程如图4.7所示。图4.7MSCAN驱动程序MSCAN的初始化分为以下几个步骤：①将控制寄存器CANCTL0_INITRQ位置1，请求开始初始化。②使能MSCAN模块，进入寄存器配置模式。③通过配置CANBTR0和CANBTR1寄存器，设置CAN的通信波特率。④配置标示符掩码寄存器CANIDAC、CANIDAR和CANIDMR，可以按位设置过滤寄存器时能。该寄存器与报文的ID匹配时报文能被接收，不匹配的将被CAN控制器硬件屏蔽掉，减轻单片机的负荷。⑤清楚初始化请求，进入工作模式。⑥开中断，完成初始化。图4.8MSCAN初始化4.3.5MSCAN控制器驱动和报文的发送与接收CAN报文的发送流程，如图4.9所示：①判断是否有可以使用的缓冲区，如果没有终止发送；如果有可用缓冲区域则通过设置CANTBSEL寄存器选择缓冲区域。②设定需要发送的报文的数据长度和帧格式的类型。③向缓冲区域填充报文数据。④启动报文的发送。图4.9发送报文函数流程CAN信息的接收采用中断的方式。进中断后，从CAN的接收缓冲寄存器中读取报文数据，报文接收流程如图4.10所示：①读取标识寄存器。标识符寄存器有4字节，内部有报文的ID、SRR标识、IDE标识。②由IDE判断是标准帧格式还是扩展帧格式。图4.10报文接收流程图

结束语随着全球石油资源日趋紧张，油价不断攀升，另一方面，传统汽车以内燃机为动力排放出大量含有一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NO)尾气，这些物质不断加剧地球温室效应和对大气的污染，对我们的生活和环境造成了很大的危害。主要完成以下工作：（1）设计了AMT控制器的硬件，选取FreescaleMC9S12XS128单片机作为TCU的主控芯片，基于此单片机设计了最小系统、串口接口电路、CANBUS接口电路。（2）对AMT的控制系统的软件程序采用了模块化设计。通过这样的一次毕业设计过程中的亲自动手实践的过程，我能够学到很多平时在书本中学不到的较多的知识，不仅是增长了我的见识，更多的是扩充了我的生活阅历，客观来讲，主要可以总结为以下几个方面：1、在这样的一次毕业设计，动手操作实践的过程中，我能够将平时在书本中学到的理论知识与实践的工作能够予以高效统一的结合起来，进而实现知识与知识之间的融会贯通，最终将书本上学到的知识，充分的应用到具体的实践以及生活之中。除此之外，在具体的实践过程中，我能够更加清晰的认识到自己能力以及知识上的较大程度的欠缺以及许多的亟待完成和大力的改进的问题，对于理论知识的重要性以及动手实践的重要性，不管是从宏观的层面上，还是从微观的层面上，都有了更好的认识和更加深刻的理解，能够掌握到的知识，不管是从广度上，还是从深度上，较之于从前，也是呈现出了较大程度的提升和加强，进而最终实现整个设计过程，更加系统高效的予以实施和大力的发展加强态势的完成。2、对小型轿车自动换挡控制系统的工作机理和具体的运营原理，也能够有一个更加客观的认识和明确的理解。在具体的实践和实际的设计过程中，我对于单片机的认识，不再是像过往那样，停留在较为肤浅的概念认识和概念理解的层面上，更多的是对其具体的运营机制和客观的工作原理，有了更深的体会。并且，通过对单片机的工作原理的认识和客观的了解，自己也能够亲自动手，设计出一个相对较小的系统出来，进而在实际的使用过程中，能够发挥出来的综合作用也是尤为重大的。3、使得我自己动手查找文献资料的能力，实现了较大程度的提升和高效的加强。在整个系统性的管理和具体的设计事宜执行的过程中，尽管是遇到了这样或者是那样的诸多的问题，但是通过自己的努力和自己不断的实现对相关的文献资料的查阅，在与老师以及同学的交流过程中，一步步的实现了这样的一种问题的良好的解决和客观的处理。从这样的一个过程中，使得我的眼界不再是简单的停留在书本的层面上，更多的是了解到了很多的书本之外的知识，进而是我的见识以及眼界，实现了更大的开拓，更加的擅长于团队协作了，能够更好的与他人进行良好的交流和及时的互动，对别人的建议，更懂得去粗存精了，在这样的一个过程中，更加的深刻的认识到团队发展和团队管理的重要性了，因而，总的来讲，通过这样的一个过程中，更加的使得自身的综合技能，得到了较大程度的进步和系统性的予以提升。

参考文献[1]郑劲,孙怀君.DSG变速器电子控制系统的结构与工作原理[J].汽车电器,2013,01:35-37.[2]王少辉,师帅兵.拖拉机自动换挡控制系统设计[J].农机化研究,2013,08:221-223.[3]潘庆庆,彭景光,袁伟光.并联混合动力系统自动变速器换挡规律与控制[J].上海电机学院学报,2011,02:104-108.[4]R.Gennari,G.Griguolo,M.V.Dieci,V.Guarneri,B.Tavaniello,A.Sibilio,P.Conte.Fatgraftingforbreastcancerpatients:Frombasicsciencetoclinicalstudies[J].EuropeanJournalofSurgicalOncology,2016,:.[5]VipraGuneta,NguanSoonTan,SoonKiatJeremyChan,VivekTanavde,ThiamChyeLim,ThienChongMarcusWong,CleoChoong.Comparativestudyofadipose-derivedstemcellsandbonemarrow-derivedstemcellsinsimilarmicroenvironmentalconditions[J].ExperimentalCellResearch,2016,:.[6]ClaireYu,AnnaKornmuller,CodyBrown,ToddHoare,LaurenE.Flynn.Decellularizedadiposetissuemicrocarriersasadynamiccultureplatformforhumanadipose-derivedstem/stromalcellexpansion[J].Biomaterials,2016,:.[7]张秀华,宗玉明.装载机自动换挡系统的模糊控制及其仿真研究[J].贵州大学学报(自然科学版),2011,02:43-46.[8]耿丽清,胡山,李宏伟.基于DSP的装载机自动换挡控制系统设计[J].机床与液压,2011,12:104-106.[9]吴海会,柳彦虎,雒瑞丹,孙成传.工矿内燃机车节能自动换挡控制系统设计[J].矿山机械,2014,12:47-49.[10]百合提努尔.自动变速器换挡控制液压系统的研究[J].机床与液压,2015,04:136-138.[11]付建勋,张宝霞.基于PLC的自动换挡控制系统的设计[J].兰州交通大学学报,2010,06:67-69.[12]杨仁枫,陈书宏,王信野,白洪飞.AMT变速器自动换挡试验台控制系统的设计[J].制造业自动化,2015,24:102-104.[13]张亮,安爱琴,丛晓霞.自动变速箱换挡控制系统性能分析[J].机械工程师,2016,05:87-89.[14]张炳力,汤波,周德明,吴鑫平.基于AMT的自动换挡协调控制策略研究[J].合肥