吉超

摘 要：文章以新能源汽車(chē)為主要研究對(duì)象，基于推動(dòng)新能源汽車(chē)智能化發(fā)展的目標(biāo)，從機(jī)械A(chǔ)MT變速箱的角度，對(duì)機(jī)械A(chǔ)MT變速箱應(yīng)用的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，著重從系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)以及速度傳感器的運(yùn)檢分支系統(tǒng)和運(yùn)行測(cè)試方面，明確智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了智能控制系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)械A(chǔ)MT變速箱控制效果的作用，旨在為新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 變速箱 智能控制系統(tǒng)

1 引言

新能源汽車(chē)在當(dāng)前的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車(chē)減少對(duì)環(huán)境的污染，也能夠達(dá)到節(jié)約資源的目的。變速箱是新能源汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)于調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)新能源汽車(chē)的行駛，確保車(chē)輛動(dòng)力輸出平順具有重要的作用。本文基于智能化的設(shè)計(jì)和建設(shè)目標(biāo)，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)械A(chǔ)MT變速箱的控制，能夠有效改善和提升新能源汽車(chē)的駕駛性能效果。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理是通過(guò)車(chē)載傳感器來(lái)獲取和收集外界的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換之后，再通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)信息來(lái)下達(dá)和傳遞相應(yīng)的控制指令。

對(duì)新能源汽車(chē)機(jī)械A(chǔ)MT變速箱智能控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(lái)采集外界環(huán)境以及系統(tǒng)自身的信號(hào)，在相關(guān)人員綜合新能源汽車(chē)行駛實(shí)際要求制定好程序的換擋邏輯之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)構(gòu)三個(gè)部分。其中，負(fù)責(zé)收集信息數(shù)據(jù)的傳感器以車(chē)速傳感器、動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速傳感器等最為常見(jiàn)；在傳感器獲取信息之后，主要由TCU系統(tǒng)來(lái)下達(dá)和處理指令，驅(qū)動(dòng)齒輪，并保持系統(tǒng)信息的SCI通信過(guò)程；換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)則能夠基于TCU系統(tǒng)下達(dá)的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行換擋操作。

基于這一系統(tǒng)架構(gòu)，在實(shí)際行駛新能源汽車(chē)時(shí)，TCU系統(tǒng)接收到駕駛員傳遞的信號(hào)指令之后，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、車(chē)速信號(hào)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(diǎn)，對(duì)于控制系統(tǒng)邏輯程序的設(shè)定應(yīng)考慮新能源汽車(chē)的基本要求，以減少換擋時(shí)間為目的，在必要的情況下可以增加電動(dòng)執(zhí)行裝置來(lái)滿足駕駛員對(duì)新能源汽車(chē)行駛的需求。

3 變速智控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)變速控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)掌握明確的硬件結(jié)構(gòu)?；谥悄芸刂葡到y(tǒng)的運(yùn)行原理，硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)具體包括傳感器信號(hào)處理、TCU主控、電源、電磁閥驅(qū)動(dòng)以及CAN總線通信模塊。結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，電源模塊主要應(yīng)用車(chē)載12V的電源供應(yīng)驅(qū)動(dòng)新能源汽車(chē)，傳感器信號(hào)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(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感裝置與CPU模塊的有效連接，電磁閥驅(qū)動(dòng)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(jì)不僅能夠?yàn)轳{駛員感應(yīng)和控制油門(mén)提供便利，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離合器的有效控制。為保障整個(gè)智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全，本文在對(duì)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(lái)為系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)和執(zhí)行變速箱的重要結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段新能源汽車(chē)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的芯片為汽車(chē)專用芯片，考慮新能源汽車(chē)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(yùn)算單元來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP運(yùn)算。為滿足信號(hào)儲(chǔ)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(duì)于TCU主控模塊的設(shè)計(jì)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(qiáng)布爾位操作的方式，以便能夠在時(shí)間觸發(fā)后，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的及時(shí)傳達(dá)。

對(duì)于Flash存儲(chǔ)部分的設(shè)計(jì)，應(yīng)以為新能源汽車(chē)的行駛和控制操作提供更大的儲(chǔ)存空間為主要目的，一方面確保儲(chǔ)存程序代碼能夠提供更寬泛的儲(chǔ)存空間，另一方面也應(yīng)注重提高RAM抓取數(shù)據(jù)的運(yùn)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(duì)于傳感器模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮收集不同信號(hào)信息的傳感器在設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的位置改變的情況下，傳感器的電感應(yīng)量也會(huì)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(kāi)啟傳感器，基于電磁傳感器的特點(diǎn)，在有磁性體通過(guò)的情況下，傳感器的電流最大能夠達(dá)到10mA。在這一前提下，在電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊選擇助力缸來(lái)達(dá)到快速分離電磁閥的目的，然后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AMT變速箱檔位移動(dòng)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(yùn)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(lái)發(fā)揮對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的短路保護(hù)作用。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制程序

為讓變速箱在新能源汽車(chē)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(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，選擇應(yīng)用模塊化的編程設(shè)計(jì)方式，通過(guò)主控程序以及各個(gè)模塊內(nèi)部的子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)變速箱功能和運(yùn)行效果的有效控制。為保證變速箱的控制效果，對(duì)于系統(tǒng)軟件控制程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)讓主程序與子程序在運(yùn)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(dòng)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(hào)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(chē)進(jìn)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(dòng)，各個(gè)模塊進(jìn)入待工作的狀態(tài)。首先由TCU主控模塊進(jìn)行檔位和轉(zhuǎn)速讀取，通過(guò)這一自檢的方式來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)程序運(yùn)行中可能存在的故障問(wèn)題。在TCU主控模塊完成自檢之后，會(huì)啟動(dòng)各個(gè)模塊的子程序。子程序在讀取檔位、轉(zhuǎn)速以及車(chē)速信息之后，能夠自動(dòng)執(zhí)行換擋程序，然后再由CAN總線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)執(zhí)行操作以及信息的傳遞，發(fā)揮報(bào)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(huì)再次啟動(dòng)TCU系統(tǒng)，進(jìn)行第二次自檢。

3.2.2 變速控制

為保障新能源汽車(chē)的行駛安全，對(duì)于變速箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jì)中，考慮AMT變速箱與一般的汽車(chē)變速箱之間存在差異，需要應(yīng)用自動(dòng)離合裝置來(lái)滿足換擋操作的要求。對(duì)軟件執(zhí)行操作程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)能夠在換擋操作中，確保承載降速指令的電控信號(hào)能夠及時(shí)傳遞給電機(jī)。在實(shí)際行駛中如果轉(zhuǎn)速下降，由TCU數(shù)控程序基于對(duì)傳感器信號(hào)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(hào)被傳遞給電機(jī)，進(jìn)而由TCU單元以自動(dòng)切斷離合裝置的方式來(lái)完成一次換擋操作。如果在收集和分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電流信號(hào)存在偏差，TCU單元也能夠直接按照自身既定的程序，對(duì)指令進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，并通過(guò)糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電流大小的方式來(lái)達(dá)到保證變速箱穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

4 搭建速度傳感器運(yùn)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(duì)AMT變速箱智能控制的要求，可以通過(guò)建立故障分析模型的方式，為變速箱的故障檢測(cè)提供依據(jù)。明確新能源汽車(chē)車(chē)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(duì)直流電機(jī)的控制過(guò)程可以應(yīng)用以下公式來(lái)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(shì)常數(shù)，代表電機(jī)轉(zhuǎn)角位移，代表電機(jī)力矩系數(shù)，代表電機(jī)的慣量系數(shù)，代表負(fù)載轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

應(yīng)用這一公式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)電樞回路和變速箱之間的動(dòng)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(cè)流程

在傳感器正常的工作狀態(tài)下，由傳感器獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速與觀測(cè)器計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速估計(jì)值應(yīng)大致相等。如果傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障，導(dǎo)致電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速難以傳遞給系統(tǒng)程序，傳感器的輸出信號(hào)就會(huì)迅速發(fā)生變化?；诖?，在考慮系統(tǒng)運(yùn)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(cè)模型的同時(shí)，可以引入大于0的閾值。根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)，將閾值設(shè)定為電機(jī)最小轉(zhuǎn)速的誤差，則可以定義檢測(cè)因子g。在g=0的情況下，傳感器處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，在g=1的情況下，證實(shí)傳感器發(fā)生了故障。

4.3 觀測(cè)器設(shè)計(jì)

對(duì)智能控制系統(tǒng)中觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，應(yīng)在明確電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角大小的前提下，確定電流觀測(cè)器的滑膜面。本文在觀測(cè)器的設(shè)計(jì)中，主要基于STA-HOSM模型的設(shè)計(jì)思想，以構(gòu)建PMSM模型的方式，考慮觀測(cè)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(cè)器的基本模型。

4.4 分支系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

在檢驗(yàn)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(cuò)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)能夠由控制系統(tǒng)來(lái)啟動(dòng)容錯(cuò)控制模塊，以此來(lái)隔離故障。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)盡可能縮短進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離的時(shí)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(cuò)控制模塊能夠啟動(dòng)設(shè)計(jì)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(tái)的運(yùn)行分析

5.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果，首先需要在充分考慮智能控制系統(tǒng)運(yùn)行要求的前提下，搭建開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供更便利的環(huán)境。本文對(duì)于設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)測(cè)試，主要通過(guò)直流電源箱以及各類機(jī)械電機(jī)實(shí)現(xiàn)。其中，直流電源箱主要負(fù)責(zé)模擬新能源汽車(chē)的電池系統(tǒng)，以便能夠?yàn)樽兯傧涞碾姍C(jī)運(yùn)行提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中確定的實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)模擬環(huán)境，具體包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：設(shè)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及負(fù)載電機(jī)的工作電壓為336V，電流為50A，換擋執(zhí)行電機(jī)的電壓為24V，電流為5A，選擇用于實(shí)驗(yàn)的新能源汽車(chē)變速箱，擁有五個(gè)前進(jìn)檔位和一個(gè)倒檔位。其中，5個(gè)前進(jìn)檔位的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)值分別為6.89、4.11、2.59、1.34、1.00，一個(gè)倒檔位的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)值為6.25。

5.2 變速智控測(cè)試

在構(gòu)建系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)之后，就可以對(duì)變速箱智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試。在模擬現(xiàn)實(shí)的新能源汽車(chē)行駛狀態(tài)和環(huán)境前提下，應(yīng)對(duì)新能源汽車(chē)變速情況下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、負(fù)載電機(jī)等電機(jī)組電壓和電流的特征變化情況進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)用相關(guān)測(cè)試儀器繪制輸出信號(hào)波動(dòng)情況，由電機(jī)電壓輸出的信號(hào)為方波信號(hào)，由電機(jī)電流輸出的信號(hào)為正弦波信號(hào)?；谶@一結(jié)果，進(jìn)一步應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)輸出信號(hào)的變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)變速箱電機(jī)電流以及電壓周期變化較為平穩(wěn)，因而能夠驗(yàn)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(gè)方面來(lái)驗(yàn)證智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果。在速度信息的控制方面，考慮新能源汽車(chē)的實(shí)際行駛情況，在車(chē)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(chē)速的降低而主動(dòng)執(zhí)行降檔操作；對(duì)于深踩油門(mén)需要超車(chē)的情況，則要求變速箱能夠及時(shí)被動(dòng)降檔。因而在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注重對(duì)變速箱在主動(dòng)降檔以及被動(dòng)降檔兩種情況下的響應(yīng)和判斷情況進(jìn)行分別測(cè)試。

結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在AMT變速箱隨著車(chē)速降低而執(zhí)行降檔操作時(shí)，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)的控制響應(yīng)效果與設(shè)計(jì)值相差不大。而對(duì)于需要被動(dòng)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(shí)滯的同時(shí)，也能夠確保駕駛員的行車(chē)舒適性。

5.3.2 離合器控制效果

考慮在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，容易因?yàn)槠疃绊憣?duì)離合器的控制效果，可以利用智能控制系統(tǒng)來(lái)采集處于不同轉(zhuǎn)速條件下離合器的實(shí)際換擋時(shí)機(jī)與理論設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)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(jì)中引入ECU單元來(lái)進(jìn)行理論與實(shí)際的對(duì)比分析。基于此，將執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制變量，對(duì)不同執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下的離合器控制時(shí)間偏差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果如下：

當(dāng)執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，應(yīng)用ECU單元控制系統(tǒng)的離合器控制時(shí)間為-0.0948s，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)的離合器控制時(shí)間為-0.0147s；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，ECU單元的離合器控制時(shí)間為0.1251s，智能控制系統(tǒng)的離合器控制時(shí)間為0.0256s；轉(zhuǎn)速為1500r/min，ECU單元控制時(shí)間為-0.1588s，智能控制系統(tǒng)時(shí)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(duì)新能源汽車(chē)機(jī)械A(chǔ)MT變速箱進(jìn)行控制的要求。在充分考慮新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)自身和控制系統(tǒng)提出要求的前提下，對(duì)于變速箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)讓控制系統(tǒng)為提供新能源汽車(chē)動(dòng)力服務(wù)，基于縝密的邏輯進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件的設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要結(jié)合實(shí)際要求來(lái)對(duì)智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試，注重提升控制的精準(zhǔn)性和實(shí)際效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚慶妙.新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究[J].專用汽車(chē)，2023（04）：68-70.

[2]相象文.新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中速度傳感器故障檢測(cè)及控制方法研究[J].九江學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，37（01）：19-21+44.

[3]肖麗，高峰，侯淑萍，等.新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)速度傳感器故障檢測(cè)與容錯(cuò)控制法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35（24）：5075-5086.

[4]鄭浩. 新能源電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)高可靠性無(wú)速度傳感器控制[D].武漢：華中科技大學(xué)，2020：54-64.

[5]侯福深.新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展與智能控制[J].集成電路應(yīng)用，2017，34（02）：76-80.