CN105972199A - 一种无离合器amt控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无离合器AMT控制系统，包括MCU和TCU，所述MCU与所述TCU相连接。本发明与现有技术相比的有益效果是：本控制系统在进入换挡过程后，由TCU接管驱动电机控制权，实现了优化换挡品质、缩短换挡时间、提高换挡稳定性的技术效果。本发明还涉及一种无离合器AMT控制方法，包括调速阶段，该方法在换挡过程中的电机模式均采用扭矩模式，所述调速阶段包括电子同步调速阶段和机械同步调速阶段。本发明的无离合器AMT控制方法与现有技术相比的有益效果是：本控制方法将换挡过程划分为卸载、摘挡、电子同步、机械同步、挂挡、加载六个阶段，实现了大幅降低整体换挡时间、降低挂挡时的冲击以及延长同步器等机械部件工作寿命的技术效果。

Description

一种无离合器AMT控制系统和方法

技术领域

本发明涉及无离合AMT变速器，尤其涉及一种无离合器AMT控制系统和方法。

背景技术

AMT（Automatic Manual Transmission，电控机械式自动变速箱）是由传统的手动齿轮机械式变速器改进而来。AMT 融合了AT（自动）和MT（手动）两种变速装置的优点，既能实现自动变速功能，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易于制造等长处。AMT已在传统商用车上得到广泛应用。但在现有技术中绝大部分纯电动商用车依然采用原始的直驱系统，其爬坡和高速行驶的性能都被削弱。此外，直驱动力系统由于需要采用大扭矩电机，使得动力总成不仅价格高，而且效率低下，制约了纯电动商用车的发展。因此，如何精确匹配与调控纯电动商用车用AMT装置，优化其换挡品质，缩短换挡时间，提高换挡稳定性，成为当前亟待解决的技术问题。

通常传统的AMT换挡策略是通过控制电机的模式切换进行无离合器AMT换挡过程的动态控制，其核心内容为驱动电机自我调速，从而与目标挡位及当前车速进行匹配，该控制方法的优点是简单且容易实现，但是由于驱动电机模式切换过程不受TCU控制，换挡过程很大程度上取决于驱动电机的内部控制，因此极大地制约了换挡品质的进一步提高。

专利号为ZL201210510466.7的中国发明专利公开了一种电动汽车控制系统，包括：电机；电机控制器，电机控制器与电机相连，用于对电机进行控制；与电机相连的变速箱；变速箱控制器，变速箱控制器用于对变速箱进行控制以及和电机控制器之间进行通讯；整车控制器，整车控制器分别与电机控制器和变速箱控制器相连，用于向电机控制器和变速箱控制器发送控制指令，并接收来自电机控制器和变速箱控制器的反馈信号。该发明的实施例具有结构简单、成本低的优点。另外，该控制系统还具有变速箱调速精度高、响应速度快的优点。该发明还提出了一种控制方法。但由于该发明中MCU与TCU之间并不存在连接关系，因此该技术方案中驱动电机模式的切换过程不受TCU控制，换挡过程很大程度上取决于驱动电机的内部控制，极大地制约了换挡品质的进一步提高。

专利号为ZL200910076778.X的中国发明专利公开了一种电动汽车用驱动电机-变速器一体化系统控制方法及系统，属于纯电动汽车、串联式混合动力汽车以及可外接充电式混合动力汽车的换档控制技术领域。该系统包括电机、电机控制器、变速器及换挡机构、换挡控制器、系统协调控制器及车辆控制器。车辆控制器根据车辆状态信息和踏板信号决定目标挡位，向系统协调控制器发出换挡指令；系统协调控制器向电机控制器和换挡控制器发出控制指令，使电机和变速器协调配合实现换挡，系统协调控制器中集成了扭转振动控制器，实现传动系统的减振功能；电机控制器控制电机的转矩和转速输出；换挡控制器控制换挡机构动作实现变速器的挡位变换。控制方法制定合适的协调控制策略。该发明能够满足动力性好、换挡平顺等要求。但该发明采用的仍是传统AMT换挡策略，即是通过控制电机的模式切换进行无离合器的AMT换挡过程的动态控制，通过驱动电机自我调速以实现与目标挡位及当前车速进行匹配，由于该方案的驱动电机模式切换过程不受TCU控制，换挡过程很大程度上取决于驱动电机的内部控制，因此制约了换挡品质的进一步提高。

发明内容

为了解决上述现有无离合器AMT控制系统存在的技术缺陷，本发明采用的技术方案如下：

一种无离合器AMT控制系统，包括MCU和TCU，所述MCU与所述TCU相连接。

优选的是，包括VCU和BMS，所述VCU分别与所述MCU和所述BMS相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括动力电池系统，所述动力电池系统与所述BMS相连接，在所述MCU与所述动力电池系统之间设有高压配电柜。

在上述任一方案中优选的是，包括电机和AMT，所述电机分别与所述MCU和所述AMT相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括左后轮和右后轮，所述左后轮和右后轮之间通过后桥相连接，所述后桥还与所述AMT相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括换挡执行机构。

在上述任一方案中优选的是，所述TCU包括MCU最小系统模块，所述MCU最小系统模块设有转速采集模块接口，所述转速采集模块接口处连接有转速采集模块。

在上述任一方案中优选的是，所述转速采集模块包括频率采集子模块和输出轴转速传感器，所述频率采集子模块与所述输出轴转速传感器相连接。

在上述任一方案中优选的是，所述TCU包括位置传感器采集模块接口，所述位置传感器采集模块接口处连接有位置传感器采集模块。

在上述任一方案中优选的是，所述位置传感器采集模块包括AD采集子模块、选档位置传感器和换挡位置传感器，所述AD采集子模块分别与所述选档位置传感器和所述换挡位置传感器相连接。

在上述任一方案中优选的是，所述TCU包括直流电机驱动模块接口，所述直流电机驱动模块接口处连接有直流电机驱动模块。

在上述任一方案中优选的是，所述直流电机驱动模块包括第一PWM驱动H桥电路和第二PWM驱动H桥电路、选档电机和换挡电机，所述第一PWM驱动H桥电路一端与所述直流电机驱动模块接口相连接，其另一端与所述选档电机相连接，所述第二PWM驱动H桥电路一端与所述直流电机驱动模块接口相连接，其另一端与所述换档电机相连接。

在上述任一方案中优选的是，包括电源，所述电源分别与MCU最小系统模块、第一PWM驱动H桥电路和第二PWM驱动H桥电路相连接。

在上述任一方案中优选的是，所述电源采用24V直流电源。

在上述任一方案中优选的是，所述TCU包括CAN通信模块接口，所述CAN通信模块接口处装有第一CAN通信模块。

在上述任一方案中优选的是，包括驱动电机，所述驱动电机与所述第一CAN通信模块相连接。

在上述任一方案中优选的是，所述CAN通信模块接口处装有第二CAN通信模块。

在上述任一方案中优选的是，所述第二CAN通信模块与所述VCU相连接。

本发明的无离合器AMT控制系统与现有技术相比的有益效果是：本发明的无离合器AMT控制系统通过将MCU与TCU之间建立连接关系，解决了现有技术中因驱动电机模式的切换过程不受TCU控制而制约换挡品质进一步提高的技术缺陷，使所述无离合器AMT控制系统在进入换挡过程后，由TCU接管驱动电机控制权，使得驱动电机始终处于扭矩控制模式，TCU将根据换挡过程各阶段的逻辑综合控制驱动电机、选挡电机和换挡电机，实现了优化换挡品质、缩短换挡时间、提高换挡稳定性的技术效果。

为了解决上述现有无离合器AMT控制方法存在的技术缺陷，本发明采用的技术方案如下：

一种无离合器AMT控制方法，实施该方法的系统包括上述任一项的无离合器AMT控制系统，由于该方法在换挡过程中的电机模式均采用扭矩模式，因此也称为全扭矩换挡控制方法，所述全扭矩换挡控制方法包括调速阶段，所述调速阶段包括电子同步调速阶段和机械同步调速阶段。

优选的是，所述电子同步调速阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，所述机械同步调速阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，在所述电子同步调速阶段之前设置有摘挡阶段，所述摘挡阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，在所述摘挡阶段之前设置有卸载阶段，所述卸载阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，在所述机械同步调速阶段之后设置有挂挡阶段，所述挂挡阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，所述挂挡阶段之后设置有加载阶段，所述加载阶段通过所述TCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，所述加载阶段之后设置有新档位阶段，所述新档位阶段通过VCU进行控制。

在上述任一方案中优选的是，所述卸载阶段之前设置有原挡位阶段，所述原挡位阶段通过VCU进行控制。

本发明的无离合器AMT控制方法与现有技术相比的有益效果是：本发明的无离合器AMT控制方法针对现有的纯电动客车无离合器AMT换挡控制方法存在极大地制约换挡品质进一步提升的技术缺陷，提出了一种全扭矩换挡控制方法，并将换挡过程重新划分为卸载、摘挡、电子同步、机械同步、挂挡、加载六个阶段，该控制方法突破了现有技术中存在的换挡品质难以进一步提高的技术瓶颈，通过将现有换挡过程中的调速阶段由MCU进行控制改进为统一由TCU进行控制，并分为粗调控制阶段和精调控制阶段，即：首先控制驱动电机进行电子调速作为同步粗调，由于其调速响应快，可大幅降低整体换挡时间；其次再通过机械调速作为精调，可克服传感器误差、CAN通讯延迟的技术缺陷，通过对机械同步过程的控制，可以减少电子同步过程的时间，降低挂挡时的冲击，延长同步器等机械部件的工作寿命。在所述加载过程开始时刻驱动电机输出扭矩为零，在加载过程中，TCU持续刷新接收VCU的目标扭矩，当驱动电机输出扭矩满足预设条件后，加载过程结束，再由VCU发送目标扭矩，通过所述加载过程的平稳过渡，大幅降低了换挡冲击，同时也大幅延长了机械部件的工作寿命。

附图说明

图1为本发明的无离合器AMT控制系统的优选实施例的结构框架示意图；

图2为本发明的无离合器AMT控制方法的全扭矩换挡控制过程中的驱动电机扭矩、换挡电机位移和选档电机位移参数变化曲线示意图；

图3为现有的无离合器AMT控制方法的换挡控制过程中的驱动电机扭矩、换挡电机位移和选档电机位移参数变化曲线示意图；

图4为本发明的无离合器AMT控制系统中的TCU硬件接口布置示意图；

图5通过本发明的无离合器AMT控制系统将本发明的无离合器AMT控制方法写入TCU中的具体控制流程示意图；

图6为本发明的无离合器AMT控制系统中的VCU控制流程示意图；

图7为本发明的无离合器AMT控制系统中的TCU控制流程示意图。

附图标记说明：

AMT电控机械式自动变速箱；MCU电机控制器；TCU自动变速箱换挡控制器；VCU整车控制器；BMS电池管理系统；PWM脉冲宽度调制；CAN控制器局域网络。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明，但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例是具有示例性的而没有限制的含义。

本发明的无离合器AMT控制系统采用的是无离合器有同步器的AMT构型，变速箱与传统的MT基本相同，取消了倒挡齿轮，增加了换挡执行机构和TCU，下面结合图1、4详细描述所述控制系统的技术方案：

一种无离合器AMT控制系统，包括MCU和TCU，所述MCU与所述TCU相连接。包括VCU和BMS，所述VCU分别与所述MCU和所述BMS相连接。包括动力电池系统，所述动力电池系统与所述BMS相连接，在所述MCU与所述动力电池系统之间设有高压配电柜。包括电机和AMT，所述电机分别与所述MCU和所述AMT相连接。包括左后轮和右后轮，所述左后轮和右后轮之间通过后桥相连接，所述后桥还与所述AMT相连接。包括换挡执行机构。所述TCU包括MCU最小系统模块，所述MCU最小系统模块设有转速采集模块接口，所述转速采集模块接口处连接有转速采集模块。所述转速采集模块包括频率采集子模块和输出轴转速传感器，所述频率采集子模块与所述输出轴转速传感器相连接。所述TCU包括位置传感器采集模块接口，所述位置传感器采集模块接口处连接有位置传感器采集模块。所述位置传感器采集模块包括AD采集子模块、选档位置传感器和换挡位置传感器，所述AD采集子模块分别与所述选档位置传感器和所述换挡位置传感器相连接。所述TCU包括直流电机驱动模块接口，所述直流电机驱动模块接口处连接有直流电机驱动模块。所述直流电机驱动模块包括第一PWM驱动H桥电路和第二PWM驱动H桥电路、选档电机和换挡电机，所述第一PWM驱动H桥电路一端与所述直流电机驱动模块接口相连接，其另一端与所述选档电机相连接，所述第二PWM驱动H桥电路一端与所述直流电机驱动模块接口相连接，其另一端与所述换档电机相连接。包括电源，所述电源分别与MCU最小系统模块、第一PWM驱动H桥电路和第二PWM驱动H桥电路相连接，所述电源采用24V直流电源。所述TCU包括CAN通信模块接口，所述CAN通信模块接口处装有第一CAN通信模块。包括驱动电机，所述驱动电机与所述第一CAN通信模块相连接。所述CAN通信模块接口处装有第二CAN通信模块，所述第二CAN通信模块与所述VCU相连接。

所述AMT是电控机械自动变速箱的简称，它是在齿轮变速器基础上加装微机控制的自动变速系统。其工作原理是在机械变速箱（手动档）原有基础上进行改造，主要改变手动换档操纵部分。即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档的自动化。因此AMT实际上是由一个电脑来控制一个机器人系统来完成选档动作。AMT的核心技术是微机控制，电子技术及质量将直接决定AMT的性能与运行质量。

所述MCU电机控制器为微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

所述TCU自动变速箱换挡控制器能够实现车辆自动变速，所述车辆自动变速是汽车电控技术的一个重要组成部分，采用计算机和电力电子驱动技术实现车辆自动变速，能消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性，提高车辆的动力性和经济性。汽车的无级变速系统一般是由无级变速箱CVT(Continuously Variable Transmission)和无级变速箱控制器TCU(Transmission Control Unit)组成。所述TCU的主要功能包括：1）目标档位(速比)决策：基于驾驶环境和驾驶员识别的策略使车辆经济型更加，舒适性也得到提高；2）执行机构控制；3）故障诊断；4）故障处理。

所述VCU整车控制器是实现整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置。所述VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图；通过监测车辆状态(车速、温度等)信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。

所述BMS电池管理系统是电池与用户之间的纽带，主要对象是二次电池，二次电池存在下面的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。所述电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。

所述PWM脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。

下面结合图5详细描述所述控制方法的技术方案：

一种无离合器AMT控制方法，实施该方法的系统包括所述无离合器AMT控制系统，该方法在换挡过程中的电机模式均采用扭矩模式，因此也称为全扭矩换挡控制方法，所述全扭矩换挡控制方法包括调速阶段，所述调速阶段包括电子同步调速阶段和机械同步调速阶段。所述电子同步调速阶段通过所述TCU进行控制，所述机械同步调速阶段通过所述TCU进行控制。在所述电子同步调速阶段之前设置有摘挡阶段，所述摘挡阶段通过所述TCU进行控制。在所述摘挡阶段之前设置有卸载阶段，所述卸载阶段通过所述TCU进行控制。在所述机械同步调速阶段之后设置有挂挡阶段，所述挂挡阶段通过所述TCU进行控制。所述挂挡阶段之后设置有加载阶段，所述加载阶段通过所述TCU进行控制。所述加载阶段之后设置有新档位阶段，所述新档位阶段通过VCU进行控制。所述卸载阶段之前设置有原挡位阶段，所述原挡位阶段通过VCU进行控制。

将所述无离合器AMT控制方法写入TCU的单片机中的具体控制过程按先后顺序依次如下：开始→原挡位→卸载→摘挡→电子同步→机械同步→挂挡→加载→新挡位→结束。所述各个控制阶段的控制要点具体如下：

原挡位控制阶段：整车控制器VCU向电机控制器MCU发送目标扭矩，车辆在原挡位下正常行驶，AMT换挡控制器TCU根据油门开度和车速判断是否切换挡位；

卸载控制阶段：TCU判断需要进行换挡操作，向MCU发送扭矩置零请求，并判断卸载完成后电机反馈扭矩是否在扭矩置零结束时容许的零点偏移量范围内；

摘挡控制阶段：卸载结束后，TCU控制AMT中换挡电机并使结合套齿轮与原挡位脱离，同时对换挡电机位置进行跟踪和控制，确保摘挡后位于空挡范围内；

电子同步控制阶段：TCU维持AMT挡位为空挡，并向MCU发送粗调命令，调节AMT目标挡位侧输入轴转速与输出轴转速之差在一定范围内，该输入轴转速即为电机转速除以目标挡位变速比；

机械同步控制阶段：TCU判断电子同步完成后，控制换挡电机推动结合套并带动同步环与目标齿圈摩擦完成后机械同步，TCU判断目标挡位侧输入轴与输出轴转速之差进一步缩小在一定范围内；

挂挡控制阶段：TCU判断机械同步完成后，控制换挡电机继续推动结合套与目标齿圈啮合，完成挂挡操作；

加载控制阶段：TCU持续接收并刷新VCU发送的扭矩请求，并逐步向MCU发送扭矩增加或者减少的命令，直到电机反馈扭矩与VCU当前扭矩之差控制在一定范围内；

新挡位控制阶段：TCU判断加载过程结束后，向VCU反馈AMT换挡过程完成，此时车辆按照VCU的指令行驶；TCU持续监测车速、踏板等信息，根据换挡规律判断是否进入下一次换挡过程。

通常影响换挡品质的主要因素包括以下两点：一是摘挡前和挂入新挡位后的驱动电机扭矩变化，其主要影响的是换挡时对于车辆的冲击度以及换挡时间的长短；二是挂入挡位前对于同步器两侧的转速差以及同步过程的控制如何，如控制效果良好则可有效避免挂挡时打齿和粗暴挂挡的情况出现；基于驱动电机主动调速的电子调速过程和基于同步器的机械同步过程本质上均为在挂入新档位之前使输出轴转速与目标挡位齿圈转速趋于一致，因此将现有的挂挡阶段分为机械同步和挂挡两个独立的阶段，能够更好地对挂入挡位前的同步过程进行有效控制。

通过图2和图3以及表1可以看出，与现有的无离合器AMT控制方法相比，本发明的无离合器AMT控制方法的控制流程以及电机模式存在实质性不同：

表1：

结合图6描述VCU控制流程：开始→通过CAN总线向MCU发送行驶扭矩请求→TCU发送换挡请求？如不满足换挡条件则返回到开始，如满足换挡条件则向TCU发送目标扭矩→TCU反馈换挡完成？如未完成换挡则返回到向TCU发送目标扭矩，如完成换挡则返回到开始或者结束。

结合图7描述TCU控制流程：开始→车辆满足换挡规律？如满足则向MCU发送扭矩置零请求，如不满足则由VCU向MCU发送正常行驶扭矩请求→电机反馈扭矩在零点偏移范围内？如否则返回到向MCU发送扭矩置零请求，如是则控制换挡电机使结合套与原齿圈脱离并维持在空挡→向MCU发送指令，粗调目标挡位侧输入轴转速与输出轴转速→转速差在一定范围δ₁内？如否则返回到上一步，如是则控制换挡电机使同步环与目标齿圈摩擦完成机械同步→转速差在一定范围δ₂内？如是则控制换挡电机使结合套与目标齿圈结合→接收VCU扭矩请求，并由0逐步递增向MCU发送扭矩指令→电机反馈扭矩与VCU请求扭矩差在一定范围δ₃内？如否则返回上一步，如是则返回到开始或者结束。

Claims (10)

1.一种无离合器AMT控制系统，包括MCU和TCU，其特征在于，所述MCU与所述TCU相连接。

2.如权利要求1所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，包括VCU和BMS，所述VCU分别与所述MCU和所述BMS相连接。

3. 如权利要求2所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，包括动力电池系统，所述动力电池系统与所述BMS相连接，在所述MCU与所述动力电池系统之间设有高压配电柜。

4. 如权利要求3所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，包括电机和AMT，所述电机分别与所述MCU和所述AMT相连接。

5.如权利要求4所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，包括左后轮和右后轮，所述左后轮和右后轮之间通过后桥相连接，所述后桥还与所述AMT相连接。

6.如权利要求5所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，包括换挡执行机构。

7.如权利要求1所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，所述TCU包括MCU最小系统模块，所述MCU最小系统模块设有转速采集模块接口，所述转速采集模块接口处连接有转速采集模块。

8.如权利要求7所述的无离合器AMT控制系统，其特征在于，所述转速采集模块包括频率采集子模块和输出轴转速传感器，所述频率采集子模块与所述输出轴转速传感器相连接。

9.一种无离合器AMT控制方法，实施该方法的系统包括如权利要求1至8中任一项的无离合器AMT控制系统，包括调速阶段，其特征在于，该方法在换挡过程中的电机模式均采用扭矩模式，所述调速阶段包括电子同步调速阶段和机械同步调速阶段。

10.如权利要求9所述的无离合器AMT控制方法，其特征在于，所述电子同步调速阶段通过所述TCU进行控制。