新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统设计研究

吉超

摘 要：文章以新能源汽车为主要研究对象，基于推动新能源汽车智能化发展的目标，从机械AMT变速箱的角度，对机械AMT变速箱应用的智能控制系统进行了研究和分析，着重从系统架构、软硬件设计以及速度传感器的运检分支系统和运行测试方面，明确智能控制系统的设计要求，验证了智能控制系统对提升机械AMT变速箱控制效果的作用，旨在为新能源汽车行业的发展提供经验借鉴。

关键词：新能源汽车 变速箱 智能控制系统

1 引言

新能源汽车在当前的汽车行业发展中占据着越来越重要的地位，能够代替传统汽车减少对环境的污染，也能够达到节约资源的目的。变速箱是新能源汽车的基本结构，对于调节和驱动新能源汽车的行驶，确保车辆动力输出平顺具有重要的作用。本文基于智能化的设计和建设目标，应用智能控制系统来实现对于机械AMT变速箱的控制，能够有效改善和提升新能源汽车的驾驶性能效果。

2 系统架构

智能控制系统设计的基本原理是通过车载传感器来获取和收集外界的信息转化为相应的数据，在对信号进行合理转换之后，再通过收集到的数据信息来下达和传递相应的控制指令。

对新能源汽车机械AMT变速箱智能控制系统架构的设计，应明确信息收集与处理的基本流程。控制系统应能够利用传感器来采集外界环境以及系统自身的信号，在相关人员综合新能源汽车行驶实际要求制定好程序的换挡逻辑之后，实现对于变速箱的智能控制[1]。智能控制系统应包括传感器单元、TCU系统以及换挡执行机构三个部分。其中，负责收集信息数据的传感器以车速传感器、動力系统转速传感器等最为常见；在传感器获取信息之后，主要由TCU系统来下达和处理指令，驱动齿轮，并保持系统信息的SCI通信过程；换挡执行机构则能够基于TCU系统下达的指令来驱动执行换挡操作。

基于这一系统架构，在实际行驶新能源汽车时，TCU系统接收到驾驶员传递的信号指令之后，通过对电机转速信号、车速信号等信息的综合分析，模拟调整换档的操作。为体现控制系统的智能化特点，对于控制系统逻辑程序的设定应考虑新能源汽车的基本要求，以减少换挡时间为目的，在必要的情况下可以增加电动执行装置来满足驾驶员对新能源汽车行驶的需求。

3 变速智控系统设计分析

3.1 硬件设计

3.1.1 硬件结构

对变速控制系统硬件部分的设计，首先应掌握明确的硬件结构。基于智能控制系统的运行原理，硬件结构应具体包括传感器信号处理、TCU主控、电源、电磁阀驱动以及CAN总线通信模块。结合系统架构的设计规划，电源模块主要应用车载12V的电源供应驱动新能源汽车，传感器信号处理模块具体包括收集转速、速度、位移以及档位信息的传感器类型，在将收集到的信息汇总传递给TCU主控模块之后，由通信模块实现无线传感装置与CPU模块的有效连接，电磁阀驱动模块主要包括离合电磁阀、档位电磁阀以及速度感应电磁阀。此设计不仅能够为驾驶员感应和控制油门提供便利，也能够实现对离合器的有效控制。为保障整个智能控制系统的运行安全，本文在对智能控制系统进行设计时，充分考虑智能控制系统中不同模块的工作电压，以应用变形和稳压装置的方式来为系统运行提供电能供应[2]。

3.1.2 主控模块

在智能控制系统的硬件结构中，主控模块是驱动和执行变速箱的重要结构。现阶段新能源汽车控制系统中应用的芯片为汽车专用芯片，考虑新能源汽车的驾驶要求，XC2785型的芯片能够以32位的MAC单元以及32位的逻辑运算单元来实现DSP运算。为满足信号储存与传递的基本要求，在智能控制系统的TCU控制模块基础上，还应配备高速RAM[3]。为满足变速箱智能控制的要求，对于TCU主控模块的设计还应确保指令检索与寻址模式应用的高效性，并考虑能够支持增强布尔位操作的方式，以便能够在时间触发后，自动匹配源数据与CPU的指令周期，从而在系统程序内部实现数据信息的及时传达。

对于Flash存储部分的设计，应以为新能源汽车的行驶和控制操作提供更大的储存空间为主要目的，一方面确保储存程序代码能够提供更宽泛的储存空间，另一方面也应注重提高RAM抓取数据的运行速度。

3.1.3 传感器

传感器是智能控制系统能够获取信息的重要装置。对于传感器模块的设计，应考虑收集不同信号信息的传感器在设计方式以及操作执行等方面的差异[4]。例如，转速与档位传感器属于电磁传感器，而位移传感器主要基于电感的原理，在系统终端执行机构的位置改变的情况下，传感器的电感应量也会发生变化（如图1）。

在明确传感器内部电路结构之后，以某电磁传感器为例，开启传感器，基于电磁传感器的特点，在有磁性体通过的情况下，传感器的电流最大能够达到10mA。在这一前提下，在电磁阀驱动模块选择助力缸来达到快速分离电磁阀的目的，然后可以实现对AMT变速箱档位移动方向的控制。通常情况下，电磁阀本身的工作电流在0.5A-5A之间[5]。为保障传感器电路的运行安全，在充分考虑流经传感器模块电流大小的前提下，主要由CMOS逻辑控制晶体管来发挥对整个电路系统的短路保护作用。

3.2 软件设计

3.2.1 控制程序

为让变速箱在新能源汽车的行驶中发挥更大的作用，充分考虑智能控制系统设计的发展趋势，选择应用模块化的编程设计方式，通过主控程序以及各个模块内部的子程序来实现对于整个变速箱功能和运行效果的有效控制。为保证变速箱的控制效果，对于系统软件控制程序的设计，应强调让主程序与子程序在运行功能需求的方面保持一致。其中，基于主控程序对模块控制和驱动变速箱变速调节的作用，主控程序部分应能够体现信号采集、CAN总线与串口通信、操作执行、故障诊断等具体的程序逻辑。

在新能源汽车进入行驶状态之后，变速箱的智能控制系统主控程序启动，各个模块进入待工作的状态。首先由TCU主控模块进行档位和转速读取，通过这一自检的方式来及时发现系统程序运行中可能存在的故障问题。在TCU主控模块完成自检之后，会启动各个模块的子程序。子程序在读取档位、转速以及车速信息之后，能够自动执行换挡程序，然后再由CAN总线模块来实现相关执行操作以及信息的传递，发挥报文通信的功能。在主控程序接收到子程序提供的相关信息之后，会再次启动TCU系统，进行第二次自检。

3.2.2 变速控制

为保障新能源汽车的行驶安全，对于变速箱智能控制系统的设计，应确保能够让变速箱发挥变速控制的功能。在系统软件部分的设计中，考虑AMT变速箱与一般的汽车变速箱之间存在差异，需要应用自动离合装置来满足换挡操作的要求。对软件执行操作程序的设计，应强调能够在换挡操作中，确保承载降速指令的电控信号能够及时传递给电机。在实际行驶中如果转速下降，由TCU数控程序基于对传感器信号和信息的智能判断之后，发出换挡指令，加速指令的电控信号被传递给电机，进而由TCU单元以自动切断离合装置的方式来完成一次换挡操作。如果在收集和分析数据的过程中发现电流信号存在偏差，TCU单元也能够直接按照自身既定的程序，对指令进行及时调整，并通过纠偏执行机构控制电流大小的方式来达到保证变速箱稳定运行的目的。

4 搭建速度传感器运检分支系统

4.1 建立故障分析模型

故障分析是智能控制系统应具备的基本功能之一，基于对AMT变速箱智能控制的要求，可以通过建立故障分析模型的方式，为变速箱的故障检测提供依据。明确新能源汽车车速变化的换挡控制要求，引入线性二次型的最优控制理论，对直流电机的控制过程可以应用以下公式来表示：

在以上公式中，代表输入电压，代表电枢电感，代表控制系统的输入电流，R代表控制器的电阻值，代表控制系统的反电势常数，代表电机转角位移，代表电机力矩系数，代表电机的惯量系数，代表负载转矩常数。

应用这一公式，实现控制系统电枢回路和变速箱之间的动力衔接，确保变速箱部分电流输出的稳定性。

4.2 故障监测流程

在传感器正常的工作状态下，由传感器获得的电机转速与观测器计算得到的转速估计值应大致相等。如果传感器在系统运行中发生故障，导致电机实际的转速难以传递给系统程序，传感器的输出信号就会迅速发生变化。基于此，在考虑系统运行本身容易受到外部噪声干扰的情况下，在应用故障检测模型的同时，可以引入大于0的阈值。根据驱动系统的基本参数，将阈值设定为电机最小转速的误差，则可以定义检测因子g。在g=0的情况下，传感器处于正常的运行状态，在g=1的情况下，证实传感器发生了故障。

4.3 观测器设计

对智能控制系统中观测器的设计，应在明确电机实时转速和转子位置角大小的前提下，确定电流观测器的滑膜面。本文在观测器的设计中，主要基于STA-HOSM模型的设计思想，以构建PMSM模型的方式，考虑观测器模型中的参数变化存在明显界限应用ISTA算法得到电流观测器的基本模型。

4.4 分支系统容错设计

在检验发现变速箱应用的传感器失效的情况下，基于分支系统的容错设计要求，应能够由控制系统来启动容错控制模块，以此来隔离故障。在实际的系统运行中，应尽可能缩短进行故障检测与隔离的时间。如果传感器已经完全失效，则要求分支系统中的容错控制模块能够启动设计的虚拟传感器，代替失效传感器发挥作用。

5 变速智控平台的运行分析

5.1 系统开发平台

为验证控制系统的运行效果，首先需要在充分考虑智能控制系統运行要求的前提下，搭建开发平台，为系统运行提供更便利的环境。本文对于设计的智能控制系统测试，主要通过直流电源箱以及各类机械电机实现。其中，直流电源箱主要负责模拟新能源汽车的电池系统，以便能够为变速箱的电机运行提供稳定的电源供应。

在实际实验中确定的实验仿真系统模拟环境，具体包括以下几个方面的内容：设定驱动电机以及负载电机的工作电压为336V，电流为50A，换挡执行电机的电压为24V，电流为5A，选择用于实验的新能源汽车变速箱，拥有五个前进档位和一个倒档位。其中，5个前进档位的传动比设计值分别为6.89、4.11、2.59、1.34、1.00，一个倒档位的传动比设计值为6.25。

5.2 变速智控测试

在构建系统开发平台之后，就可以对变速箱智能控制系统的运行情况进行测试。在模拟现实的新能源汽车行驶状态和环境前提下，应对新能源汽车变速情况下的驱动电机、负载电机等电机组电压和电流的特征变化情况进行测试。应用相关测试仪器绘制输出信号波动情况，由电机电压输出的信号为方波信号，由电机电流输出的信号为正弦波信号。基于这一结果，进一步应用MATLAB软件对输出信号的变化情况进行分析，发现变速箱电机电流以及电压周期变化较为平稳，因而能够验证该系统具有良好的控制效果。

5.3 控制精确性分析

5.3.1 速度信息的精确性

为保证变速箱智能控制系统应用的精确性，主要可以从速度信息和离合器两个方面来验证智能控制系统的运行效果。在速度信息的控制方面，考虑新能源汽车的实际行驶情况，在车速逐渐降低的情况下，应发挥智能控制系统的作用，让变速箱能够基于车速的降低而主动执行降档操作；对于深踩油门需要超车的情况，则要求变速箱能够及时被动降档。因而在实验中应注重对变速箱在主动降档以及被动降档两种情况下的响应和判断情况进行分别测试。

结合相应的实验结果发现，在AMT变速箱随着车速降低而执行降档操作时，应用智能控制系统的控制响应效果与设计值相差不大。而对于需要被动降档的情况，应用智能控制系统能够让变速箱的控制效果更接近于理论值，在减少降档时滞的同时，也能够确保驾驶员的行车舒适性。

5.3.2 离合器控制效果

考虑在实际的系统运行中，容易因为偏差而影响对离合器的控制效果，可以利用智能控制系统来采集处于不同转速条件下离合器的实际换挡时机与理论设计时机之间的偏差。为提升离合器控制的精准性，可以在智能控制系统的设计中引入ECU单元来进行理论与实际的对比分析。基于此，将执行电机转速作为控制变量，对不同执行电机转速情况下的离合器控制时间偏差进行实验统计，得到的结果如下：

当执行电机转速为500r/min时，应用ECU单元控制系统的离合器控制时间为-0.0948s，应用智能控制系统的离合器控制时间为-0.0147s；当转速为1000r/min时，ECU单元的离合器控制时间为0.1251s，智能控制系统的离合器控制时间为0.0256s；转速为1500r/min，ECU单元控制时间为-0.1588s，智能控制系统时间为0.0117s。

6 结论

综上所述，智能控制系统能够有效满足对新能源汽车机械AMT变速箱进行控制的要求。在充分考虑新能源汽车行业发展对汽车结构自身和控制系统提出要求的前提下，对于变速箱智能控制系统的设计，应强调让控制系统为提供新能源汽车动力服务，基于缜密的逻辑进行系统架构和软硬件的设计，同时也需要结合实际要求来对智能控制系统的运行效果进行测试，注重提升控制的精准性和实际效果。

参考文献：

[1]谭庆妙.新能源汽车电机驱动控制技术研究[J].专用汽车，2023（04）：68-70.

[2]相象文.新能源汽车驱动系统中速度传感器故障检测及控制方法研究[J].九江学院学报（自然科学版），2022，37（01）：19-21+44.

[3]肖丽，高峰，侯淑萍，等.新能源汽车驱动系统速度传感器故障检测与容错控制法[J].电工技术学报，2020，35（24）：5075-5086.

[4]郑浩. 新能源电动汽车动力系统高可靠性无速度传感器控制[D].武汉：华中科技大学，2020：54-64.

[5]侯福深.新能源汽车技术的发展与智能控制[J].集成电路应用，2017，34（02）：76-80.