CN110219975B - 一种双电机调节的cvt电子控制系统及方法 - Google Patents

一种双电机调节的cvt电子控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电机调节的CVT电子控制系统及方法，控制系统包括单片机，通过外部输入的节气门开度信号及档位信号输入到单片机的模拟量，单片机内部带有AD转换模块；输入车辆制动信号至单片机，此信号为开关量；发动机转速信号输入为脉冲信号，通过脉冲测量电路进行转换，通过周期法与频率法进行计算转速输入至单片机；单片机内根据上述输入信号与目标速比之间的函数关系，计算出目标速比值，目标速比值改变两个电机执行模块的PWM占空比值，不断协调控制两个速比电机的转速，实现实际速比值不断趋近于目标速比值，最终达到目标速比值；通过锁止模块在两个速比电机未工作时锁止电机，发挥出车辆的最佳性能。

Description

一种双电机调节的CVT电子控制系统及方法
技术领域
本发明涉及汽车内CVT变速箱，尤其涉及到双电机CVT变速箱内电子控制。
背景技术
汽车工业在欧洲与北美率先发展，经过100多年的发展以后，汽车工业发展趋于成熟，但是随着汽车的快速发展，人们对汽车的标准要求越来越高，主要体现在舒适性、安全性、驾驶性能、经济性上。汽车给社会带来极大的便捷，但是随着汽车数量的不断增加，能源危机与环境污染随之而来。
因此，技术还在不断革新中，汽车未来将会朝着降低能源消耗与减少污染排放的方向发展。无级变速器(Continuously Vailable Transmission，CVT)是一种能够连续变化速比的变速器，CVT在一定的范围内，具有无穷多的速比值，能够在换挡时减少换挡冲击，能够使发动机一直保持在理想区域工作，因此发动机与变速箱的性能与寿命有着极大的提高。
在现在市场上的金属带式CVT一般会使用电子液压控制系统与机械液压控制系统，其中电子液压控制系统需要油泵进行提供持续稳定的压力，因此系统能量损耗过大。而机械液压控制系统也有着很大的缺点，速比控制不够精确，同时也具有系统能量损耗过大的问题，总的来说液压控制系统具有成本高，可靠性不高，能耗高的确定。此系统为一种新的双电机调节CVT电子控制系统，即通过去掉高能耗的油泵、液压阀能耗过高的器件，使用低能耗的直流电机、螺旋弹簧、螺旋丝杠和齿轮蜗杆机构等代替的机械电子控制系统。
现有技术由于主从动轮之间的转速产生干扰，灵活性较差，导致能耗较高。
发明内容
1、发明目的。
本发明针对上述缺陷，提供了一种低能耗，控制更加精准灵活、成本低以及集成度高的机械电子的双电机调节的CVT电子控制系统及方法。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提供了一种双电机调节的CVT电子控制系统，所述的电子控制系统包括控制电路，双电机双锁止装置、电源模块、两个速比执行模块、两个速比电机和CAN网络通讯；
控制系统包括单片机，通过外部输入的节气门开度信号及档位信号输入到单片机的模拟量，单片机内部带有AD转换模块；
输入车辆制动信号至单片机，此信号为开关量；
发动机转速信号输入为脉冲信号，通过脉冲测量电路进行转换，通过周期法与频率法进行计算转速输入至单片机；
单片机内根据上述输入信号与目标速比之间的函数关系，计算出目标速比值，目标速比值改变两个电机执行模块的PWM占空比值，不断协调控制两个速比电机的转速；两个速比电机两个速比电机工作转速相等，相位相反，即两个速比电机在工作时的方向相反转速相等，分别调节主动带轮动盘和从动带轮动盘的轴向移动，改变V带与带轮的接触半径，实现CVT的速比控制需要将实际速比值不断反馈到单片机，将实际速比值与目标速比值进行对比，实现实际速比值不断趋近于目标速比值，最终达到目标速比值；通过锁止模块在两个速比电机未工作时锁止电机。
更进一步，还包括两个采样电阻，分别采样第一电机、第二电机的电流值，同时使用具有两路功能运算放大器放大电流，送入单片机进行AD转换，在其内部设定好阈值，当两个电机之中有一个电机采样电流大于其阈值，则其中的一个电机运转受阻。
更进一步，所述的双锁止模块，利用直流有刷电机两端短接电机将会锁止的特性，在控制板上安装有一个两路5V继电器，单片机的两个IO口接入两路5V继电器中，当需要锁止速比电机时，单片机IO口输入高电平，控制继电器吸合后将短路速比电机，进行锁止速比电机。
更进一步，CAN网络通讯部分通过汽车专用的CAN通信芯片TJA1050，由于CAN信号为差分信号，因此在进行PCB布线时CANH与CANL之间的距离尽可能的小，同时在CANH与CANL两端使用共模电感进行滤波。
更进一步，还包括电源模块，分为系统供电与电机供电两个部分，其供电模块采用汽车级LDO线性稳压器TLE6368，其工作范围在5.5V到60V；输出为5V/800mA或3.3V/500MA/350mA。
本发明提出了一种双电机调节的CVT电子控制方法，单片机的两个PWM输出口分别输出相同的PWM值，通过两个驱动芯片A3941配合MOS组成的电机驱动H桥进行驱动速比电机，单片机两个IO口分别连接至两个驱动芯片A3941的相位角，从而调整一个速比电机调节主动带轮动盘的轴向移动，另一个速比电机调节从动带轮动盘的轴向移动，改变V带与带轮的接触半径，实现CVT的速比控制。
更进一步，减速停车时，速比电机的速比将从最小达到最大，两边的螺旋丝杠将回到初始点，防止两侧的螺旋丝杠没有完全回到初始点，单片机将发出结束指令，两个PWM通道输出占空比，即转速调至最大，将在最短时间内将两侧的螺旋丝杠回到初始点。
更进一步，故障提醒：一路的速比电机受阻后，单片机的一只IO口输出高电平到蜂鸣器，提醒出现故障，并且单片机输出那一路电机故障信息至LED屏，最后将具体故障信息通过CAN网络通讯输出到上位机。
更进一步，低转速使用周期法，高转速使用频率法计算转速，周期法和频率法由设定转速阈值判断使用。
更进一步，开关信号通过光电耦合器，脉冲信号通过电压比较器进行滤波或整形，其脉冲信号进行一阶滞后滤波进行系统信号滤波；AD转换后使用中位值平均滤波法和防脉冲干扰平均滤波法将采用的AD值进行滤波后得到有效值，利用此有效值进行算法计算。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明使用在机械电子控制的CVT中，相较于机械液压与电子液压控制系统，具有速比精确控制，低成本、低能耗，集成度高等优点。
(2)本发明过螺旋丝杠的自锁实现动盘定位，并提供CVT转矩传递所需的夹紧力。无需单独考虑夹紧力控制。
(3)本发明相较于单电机调节CVT电子控制系统，能够简化机械电子控制CVT的结构，并使得速比控制更加灵活。
(4)本发明具有速比电机锁止安全装置，能够有效防止因外部干扰原因造成速比电机的运转。
(5)本发明具有报警装置，当两个速比电机其中一个电机运转受阻或出现故障，将及时显示在LED屏并有报警声提醒驾驶员，同时将故障信息通过CAN通信传输到上位机，方便维修人员检修。
(6)通过调节两个速比电机对变速器的速比进行调节。两个速比电机皆有锁止装置，防止被误操作。此控制系统具有故障报警功能，根据报警等级实时发送报警信号至LED显示屏与蜂鸣器。
附图说明
图1为本发明的原理框架图；
图2为本发明的系统算法流程图；
图3为本发明单片机最小系统示意电路图；
图4为双电机控制执行模块示意电路图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，将节气门开度与档位信号输入的模拟量信号输入到单片机MC9S12G128内，单片机内部有AD转换功能，经过系统配置后即可实现AD转换；制动信号为开关信号，通过光电耦合器进行滤除干扰；发动机转速信号通过电压比较器进行脉冲信号整形成方波信号。由于输入的变量值与目标速比之间具有一定的函数关系，因此根据各个传感器输入的值得出目标速比，再根据目标速比值，改变单片机两个PWM口输出PWM信号值的占空比，实现转速调整。在速比电机调整过程中两个速比电机独立工作，互不干扰，工作时两个速比电机协调工作，转速相同，转向相反。最终使得实际速比不断趋近于目标速比，并且不断反馈实际速比值与目标速比值进行对比，形成闭环控制，使得发动机能够一直保持在最理想的工作区域内，提高发动机的性能与寿命。
如图4所示，双电机调节CVT电子控制系统主要通过汽车蓄电池12V或24V供电，控制系统分为两个供电部分，一种为给单片机等5V器件供电部分，一种为电机供电部分。系统供电部分主要采用TLE6368线性IDO稳压器将12V或24V电压线性稳压至5V。在其中加入二极管防反接，电感与TVS管进行滤波与防止瞬态高能量冲击，提高电磁兼容性。电机供电部分需要为两个电机进行供电，供电电流最高能达到2A，因此，在电机供电部分需要使用贴片扁铜线大电感电流进行滤波。供电分为两部分，地也分为两部分，一种为电机地，一种为系统地，两者之间利用磁珠相接，增加电磁兼容性。
所述的双电机调节CVT电子控制系统的双速比电机具有双锁止功能，利用电机短接就会锁止的特性，在控制板上具有两路5V继电器，两路分别接入电机两端，通过单片机MC9S12G128的两只IO口分别对继电器进行控制。即输入高电平为吸合继电器锁止速比电机。
所述的双电机调节CVT电子控制系统具有主带轮动盘与从带轮动盘，在系统工作之前要保证两个速比电机所控制的两个螺旋丝杠处于初始位置。当汽车刹车到停车，变速箱速比会从最小到最大，主带轮所移动的螺旋丝杠将会从左端往右端移动，而从带轮所移动的螺旋丝杠会从右端往左端移动，为防止两个螺旋丝杠未回到初始位置，在车辆停下后，两路PWM占空比依旧输出。所述的双电机调节CVT电子控制系统内具有两个采样电阻分别采样两个电机的工作电流，当电机运转受阻两路工作电流通过一个两路运算放大器中，分别输出两个电压值至单片机，通过AD转换将两个电压值转换为数字量，当此任一数字量超过所设定的阈值，将会出现两种情况，一种即是两个螺旋丝杠到达初始点，结束速比电机旋转。当结束速比电机旋转，或速比电机应当正常工作时，任一数字值始终超过阈值，说明此速比电机运转受阻。报警系统由LED屏与蜂鸣器组成，当任一速比电机运转受阻，将此受阻电机的故障信息通过CAN通信传输到上位机，并将此故障显示在LED屏上，当电机1故障，LED屏显示1，电机2故障，LED屏显示2。同时单片机IO连接的蜂鸣器报警，示意驾驶人员需要停车检查，通过外部按钮，或者发送CAN报文即可关闭蜂鸣器。方便维修人员进行检修。
如图3所示，信号输入部分分为三个部分：模拟量输入部分，开光量输入部分，脉冲信号输入部分。由于单片机管脚最高承压5V，因此当传感器的模拟信号输入高于5V，需要制作相应的分压电路，保证传感器的输入电压至单片机范围在0～5V。开关量输入部分主要通过光电耦合器进行滤除干扰。脉冲信号输入通过电压比较器，即接入目标电压，当脉冲信号高于目标电压，电压比较器输出高电平5V，低于目标电压，输出低电平0V。这就整形成方波信号，利用周期法与频率法进行计算转速，低转速时使用周期法，高转速使用频率法计算转速，周期法和频率法由程序设定转速阈值判断使用。
如图4所示，电机执行部分，通过两个A3941配合MOS管组成的两个H桥进行电机控制。两个电机执行模块均为单片机独立控制，单片机的两个IO口分别接到A3941的PHASE的相位控制角，改变此IO口的高低电平，即可控制速比电机的转向。其中控制两个电机，要通过两个PWM口输入PWM值到A3941，PWM在设计中将两个PWM口联结成一个PWM输出口，形成16为PWM输出，提高速比电机转速控制的精确度。两个A3941皆使用高边驱动模式，在实际控制过程中，要保证两个速比电机的转速相等，相位相反。
如图2所示，单片机MC9S12G128分为底层部分与应用层部分，底层部分通过数据手册进行配置完成整个系统初始化，保证各个模块的基本功能正常。在主函数中主要调用10ms函数任务进行执行算法及应用程序。其中在控制电机转向，需要写入外部中断函数，实现两个速比电机的转向。通过各个变量与速比之间的函数关系，将得出的目标速比值，通过目标速比值，打开一定占空比，两个速比电机在一定的转速下实现两个方向的转角移动，实际速比值不断趋近于目标速比，最终达到目标速比后，通过螺旋丝杠的自锁实现动盘定位，并提供CVT转矩传递所需的夹紧力。
软件滤波部分，主要分为AD数值滤波与脉冲信号滤波，AD数值滤波主要在AD转换后使用中位值平均滤波法和防脉冲干扰平均滤波法将采用的AD值进行软件滤波后得到有效值。脉冲信号滤波要通过一阶滞后滤波进行系统信号滤波，去除其偏移过大的信号值。
实施例2
电子控制系统包括控制电路，双电机双锁止装置、电源模块、两个速比执行模块、两个速比电机和CAN网络通讯、LED显示屏、蜂鸣器。所述的电子控制系统主要有电路板、壳体、接插件组成。通过外部输入的节气门开度信号及档位信号输入到单片机的模拟量，单片机内部带有AD转换模块，将此模拟量的值转换为数字量，再进行AD软件滤波之后得到有效值。同时输入车辆制动信号，此信号为开关量，为防止干扰需要通过开关信号电路输入到单片机内；发动机转速信号输入为脉冲信号，通过脉冲测量电路进行转换，通过周期法与频率法进行计算转速。将这些值输入到单片机内根据这些值与目标速比之间的函数关系，通过单片机程序内算法计算出目标速比值，目标速比值改变两个电机执行模块的PWM占空比值，不断协调控制两个速比电机的转速，在实际工作过程中，需要将实际速比值不断反馈到单片机，将实际速比值与目标速比值进行对比，实现实际速比值不断趋近于目标速比值，最终达到目标速比值，此工作过程为闭环控制。其工作原理：单片机的两个PWM输出口分别输出相同的PWM值，通过两个驱动芯片A3941配合MOS组成的电机驱动H桥进行驱动速比电机，单片机两个IO口分别连接至两只A3941的相位角。其中一个速比电机调节主动带轮动盘的轴向移动，另一个速比电机调节从动带轮动盘的轴向移动，改变V带与带轮的接触半径，实现CVT的速比控制。由于其两个速比电机不会始终工作，因此在两个速比电机未工作时锁止电机，防止外部干扰导致速比电机运转。
电子控制装置中的电源模块具有系统供电与电机供电两个部分，其供电模块采用汽车级LDO线性稳压器TLE6368，其工作范围在5.5V到60V。输出为5V/800mA或3.3V/500MA/350mA,由于此系统芯片皆为5V器件，因此选择使用5V输出。
电子控制装置中的地分为电机控制部分接地与芯片接地两部分。其中双锁止模块，利用直流有刷电机两端短接电机将会锁止的特性，在控制板上安装有一个两路5V继电器，单片机的两个IO口接入两路5V继电器中，当需要锁止速比电机时，单片机IO口输入高电平，控制继电器吸合后将短路速比电机，进行锁止速比电机。
两个速比电机在工作时，其特点为转速相等，相位相反，即两个速比电机在工作时的方向相反转速相等，当汽车减速停车时，速比将从最小达到最大，两边的螺旋丝杠将回到初始点，防止两侧的螺旋丝杠没有完全回到初始点，单片机将发出结束指令，两个PWM通道输出占空比，即转速调至最大，将在最短时间内将两侧的螺旋丝杠回到初始点。两部分地要通过磁珠进行相接，减少干扰，增强电磁兼容性。
在系统电源部分与电机供电部分分别加装二极管1N4007防止反接的情况，同时加装电感与TVS管进行滤波与防止瞬态高能量冲击。而电机端供电需要大电流电源，因此使用贴片扁铜线大电感电流代替小电感使用。电机电路具有两个采样电阻，分别采样电机1、电机2的电流值，同时使用具有两路功能运算放大器放大电流，送入单片机进行AD转换，在其内部设定好阈值，当两个电机之中有一个电机采样电流大于其阈值，说明其中的一个电机运转受阻。
进行两侧螺旋丝杠复位操作时，两侧螺旋丝杠到达初始位置后，当单片机监测的AD值将会大于阈值，说明两侧螺旋丝杠已达到初始位置，完成复位操作。
两侧的电机运转受阻后，其对应的那一路采样电流通过运算放大器之后输出电压至单片机内转换AD值，如果此值始终大于阈值，说明那一路的速比电机运转受阻。当那一路的速比电机受阻后，单片机的一只IO口输出高电平到蜂鸣器，提醒出现故障，并且单片机输出那一路电机故障信息至LED屏，当电机1故障时，LED显示屏显示数字1，电机2故障时，LED显示屏显示数字2，并通知驾驶员需要检修故障的电机。最后将具体故障信息通过CAN网络通讯输出到上位机，方便维修人员检修工作。
CAN通讯部分通过汽车专用的CAN通信芯片TJA1050，由于CAN信号为差分信号，因此在进行PCB布线时CANH与CANL之间的距离尽可能的小，同时在CANH与CANL两端使用共模电感进行滤波。需要在BDM烧录口与CANH与CANL之间加装防静电二极管PESD1CAN2，增加电磁兼容性。低转速使用周期法，高转速使用频率法计算转速，周期法和频率法由程序设定转速阈值判断使用。：开关信号通过光电耦合器，脉冲信号通过电压比较器进行滤波或整形，其脉冲信号进行一阶滞后滤波进行系统信号滤波。AD转换后使用中位值平均滤波法和防脉冲干扰平均滤波法将采用的AD值进行软件滤波后得到有效值，利用此有效值进行算法计算。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双电机调节的CVT电子控制系统，其特征在于：所述的电子控制系统包括控制电路，双电机双锁止装置、电源模块、两个速比执行模块、两个速比电机和CAN网络通讯；
控制系统包括单片机，通过外部输入的节气门开度信号及档位信号输入到单片机的模拟量，单片机内部带有AD转换模块；
输入车辆制动信号至单片机，此信号为开关量；
发动机转速信号输入为脉冲信号，通过脉冲测量电路进行转换，通过周期法与频率法进行计算转速输入至单片机；
单片机内根据上述输入信号与目标速比之间的函数关系，计算出目标速比值，目标速比值改变两个电机执行模块的PWM占空比值，不断协调控制两个速比电机的转速；两个速比电机工作转速相等，相位相反，即两个速比电机在工作时的方向相反转速相等，分别调节主动带轮动盘和从动带轮动盘的轴向移动，改变V带与带轮的接触半径，实现CVT的速比控制需要将实际速比值不断反馈到单片机，将实际速比值与目标速比值进行对比，实现实际速比值不断趋近于目标速比值，最终达到目标速比值；通过锁止模块在两个速比电机未工作时锁止电机；
双电机双锁止装置 ，利用直流有刷电机两端短接电机将会锁止的特性，在控制板上安装有一个两路5V继电器，单片机的两个IO口接入两路5V继电器中，当需要锁止速比电机时，单片机IO口输入高电平，控制继电器吸合后将短路速比电机，进行锁止速比电机；
还包括两个采样电阻，分别采样第一电机、第二电机的电流值，同时使用具有两路功能运算放大器放大电流，送入单片机进行AD转换，在其内部设定好阈值，当两个电机之中有一个电机采样电流大于其阈值，则其中的一个电机运转受阻。
2.根据权利要求1所述的双电机调节的CVT电子控制系统，其特征在于：CAN网络通讯部分通过汽车专用的CAN通信芯片TJA1050，由于CAN信号为差分信号，因此在进行PCB布线时CANH与CANL之间的距离尽可能的小，同时在CANH与CANL两端使用共模电感进行滤波。
3.根据权利要求1所述的双电机调节的CVT电子控制系统，其特征在于：还包括电源模块，分为系统供电与电机供电两个部分，其供电模块采用汽车级LDO线性稳压器TLE6368，其工作范围在5.5V到60V；输出为5V/800mA或3.3V/500MA/350mA。
4.一种根据权利要求1或2所述的双电机调节的CVT电子控制方法，其特征在于：单片机的两个PWM输出口分别输出相同的PWM值，通过两个驱动芯片A3941配合MOS组成的电机驱动H桥进行驱动速比电机，单片机两个IO口分别连接至两个驱动芯片A3941的相位角，从而调整一个速比电机调节主动带轮动盘的轴向移动，另一个速比电机调节从动带轮动盘的轴向移动，改变V带与带轮的接触半径，实现CVT的速比控制。
5.根据权利要求4所述的双电机调节的CVT电子控制方法，其特征在于复位过程：减速停车时，速比电机的速比将从最小达到最大，两边的螺旋丝杠将回到初始点，防止两侧的螺旋丝杠没有完全回到初始点，单片机将发出结束指令，两个PWM通道输出占空比，即转速调至最大，将在最短时间内将两侧的螺旋丝杠回到初始点。
6.根据权利要求4所述的双电机调节的CVT电子控制方法，其特征在于故障提醒：一路的速比电机受阻后，单片机的一只IO口输出高电平到蜂鸣器，提醒出现故障，并且单片机输出那一路电机故障信息至LED屏，最后将具体故障信息通过CAN网络通讯输出到上位机。
7.根据权利要求4所述的双电机调节的CVT电子控制方法，其特征在于：低转速使用周期法，高转速使用频率法计算转速，周期法和频率法由设定转速阈值判断使用。
8.根据权利要求4所述的双电机调节的CVT电子控制方法，其特征在于：开关信号通过光电耦合器，脉冲信号通过电压比较器进行滤波或整形，其脉冲信号进行一阶滞后滤波进行系统信号滤波；AD转换后使用中位值平均滤波法和防脉冲干扰平均滤波法将采用的AD值进行滤波后得到有效值，利用此有效值进行算法计算。
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