基于CAN总线的分布式电动型AMT系统

引言

电控机械式自动变速器(AMT) ,是运用微电子技术改造传统手动变速器的典型机电一体化产品。AMT 是在干式摩擦离合器和固定轴式齿轮变速器的基础上改造的。它结构简单,保留了干式离合器与手动变速器的绝大部分总成部件,改变了其中手动操纵系统的换档部分,去掉离合器踏板,去掉加速踏板和油门之间的拉索,改为电子控制装置自动操纵[1 ] 。通过电子控制单元( ECU) 控制液压、气动或电动执行机构,完成汽车起步、换档的自动操纵。

特别是对于公交车辆,大功率容量的自动变速器主要依靠进口,而且在实际运营中出现了采用自动变速器后整车油耗上升1/ 3 至1/ 2 的现象,以至于有些运营单位买得起也养不起[2 ] 。与传统自动变速器相比,AMT 方案可以在原有的机械变速器上进行改造,生产继承性好、结构简单、制造容易、维护维修成本低适合中国国情。同时AMT 不经过液力耦合器,减少了能耗,对整车节能有重大意义。

1 分布式全电动型AMT 工作原理

按照不同的控制机构来区分,AMT 系统存在电2液的、电2气的和全电动的等3 种控制方式[3 ] 。

电2液控制方式:由电控单元发出指令控制电磁阀,通过液压系统驱动来自动地完成离合器的结合、分离和变速器的选档、换档等动作。

电2气控制方式:与电2液控制方式原理基本相同,也是电控单元发出指令控制电磁阀,不同的是控制机构变为气动系统。

电动控制方式:用电机作为执行电控单元指令的机构,来实现档位和离合器的操纵。

由于启动电磁阀和气动作用缸构成的气动执行器体积大、笨重、反应慢,在AMT 系统的应用中,已不再考虑这种方案。然而,使用电动执行器或是液压执行器的问题一直存在着争论。在实际应用中,取舍的焦点是成本、体积、重量和平均功率消耗等。

液压系统不仅需要执行器件,而且需要液压泵系统和蓄能器硬件。通常,液压控制系统比电动控制系统具有更高的价格和维修保养成本。电2液型AMT 以电子控制单元ECU 为核心,通过液压系统控制来取代原来由人工操作完成的离合器的分离与
结合、变速器的选、换档动作和发动机油门的调节,以实现车辆起步、换档的自动操纵[4 - 5 ] 。ECU 根据驾驶员的意图(加速踏板、选档手柄等) ,按照设定的控制规律(换档规律、离合器接合规律等) ,输出换档电信号,控制电磁阀的通断,借助于液压系统对车辆的动力传动系统(发动机、离合器和变速器) 进行协调操纵,完成车辆的平稳起步和自动换档。

而对于电动系统,它的驱动媒介为电线,因此所需要考虑的布置空间仅为安装电机及其传动器件的空间。而且它节约能量,在不需要换挡时系统给电机断电,只有当需要选换挡时才给电机供电,另外它结构比较简单,并随着新技术的发展成本逐渐下降,所以在汽车工业中,已经存在逐渐增多使用电动系统的趋势[6 ] 。但电动系统仍有一些需要改进的问题,如执行动作没有液压系统精确,特别是因电线布置过长而导致线损增加及传感器信号容易失真等。

按照如图1 所示这种集中控制的结构来设计全电动型AMT 系统实际上是可行的,只要把执行机构与传动机构更换就可以了。但考虑到驱动电机需要较强的电流,存在增加线损和产生电磁干扰等问题,所以控制系统采用分布式的拓扑结构将更加有利。将执行机构的控制电路从ECU 中分离出来,安装在执行机构附近,与ECU 主部分以CAN 总线相连接,如图2 所示。这样将大大缩短了强电流的运行路线和从执行机构到控制系统反馈线长,有利于减少线损、降低成本和防止反馈信息受干扰。

图1 集中控制AMT 系统的结构

图2 分布式全电动型AMT 系统的结构

CAN 总线,是Bosch 公司在现在汽车技术中最先推出的一种多主机的串行通讯局部网络,能有效地支持具有很高安全等级的分布式控制和实时控制。1993 年CAN 总线成为国际标准ISO11898 (高速应用) 和ISO11519 (低速应用) 。CAN 总线突破了类似于RS232 或者RS485 通信网络的一主机对一从机或者对多从机通讯格式的局限,具有多主机工作方式,可以同时挂110 个智能节点。由于其高性能、高可靠性和实时性好,CAN 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。其最高通讯速率可达1 Mbit/ s (最大总线长度40 m) ,任意2 个节点之间的最大距离可以达到10 km (通讯速率为5kbit/ s) 。正是CAN 总线的上述特点,特别是抗干扰能力强和布线简单的特点,能够适合汽车自动控制系统的要求,因而已在常规汽车中获得了越来越普遍的应用[7 ] 。AMT 控制系统实时性要求比较高,整个系统数据流量比较大, ECU 和各个分控制节点能够在较短时间限度内互相交换数据,以保证整个系统控制不会有明显的滞后。

针对我国公交车辆的特点, 分布式全电动型AMT 系统较电2液控制型和集中控制式全电动型更加合理有效。公交车辆作为市场运营车辆,降低制造成本与运营成本需要作为新技术推广的首要问题来考虑。同时公交车辆的动力总成功率容量较大,所需驱动换档机构和离合器操纵机构的电机功率较大,线路传递的电流也较大,同时蓄电池、ECU 和各执行电机的相对安装距离较远,需要特别注意线路的铜损问题。从实车试验的结果可以看出采用分布式结构设计能有效地降低AMT 系统的线损,提高驱动电机两端的端电压。以AMT 系统中驱动功率需求最大的是离合器控制电机为例,当电池端电压为24 V ,驱动电流为25 A 时,采用集中控制的电机端电压为18 V ,而采用分布式控制的电机端电压可提高为21 V 。

分布式全电动型AMT 系统的工作原理:

a. 核心部分。ECU 根据驾驶员操纵加速踏板、制动踏板和换档杆等的意图,如起步、停车、倒车和强制档等以及车辆的工作状态(发动机转速、车速、档位和离合器行程等) ,依据适当的控制规律作出判断,将结果通过CAN 总线传递到各个控制电路,并协调各控制电路工作。

b. 节点部分。接收到由核心部分传来的工作指令后,控制电路对相应的执行电机(油门操纵电机、离合器操纵电机、选换档操纵电机) 进行操作,并通过相应位置传感器构成反馈控制,来实现车辆动力传动系统(发动机、离合器和变速器) 的准确的自动操纵。

驾驶员在驾驶车辆过程中,不断感知车辆行驶的外界环境(如上坡、下坡、粗糙路面、湿滑路面、弯道和红灯等) 和车辆本身的工作状态,通过操纵加速踏板、制动踏板和选档手柄等,将起步、停车、倒车和强制档等意图以电信号的方式传递给电子控制单元ECU ,ECU 采集输入信号后,经过运算、判断和决策等信息加工处理,发出工作命令给控制电路,再由控制电路控制执行电机完成相应的操纵动作。汽车在行驶过程中,驾驶员对加速踏板的控制通过加速踏板位移传感器传递给ECU , ECU 通过所测加速踏板位移值以及当前车辆行驶的速度等车辆参数,再根据自动换档规律判断车辆应处的最佳档位,决定升档、降档或保持原档位不变,从而达到加速或减速的目的。在车辆运行时,如果驾驶员想降速或者停车,则可通过踩制动踏板将意图传给ECU , ECU 再进行相应的处理[ 1 ] 。

2 控制节点设计

AMT 离合器控制机构、发动机节气门(油门)控制机构、选档和换档控制机构采用自带位置传感器与车辆低压电器相同电压等级的直流电机(文中采用24 V 直流永磁有刷电机) 驱动,控制方式是目前已非常成熟的PWM 斩波控制。功率MOSFET组成H 桥驱动方式,按照AMT 的控制规律实现对电机速度和位置的准确控制。

控制节点采用M68HC908GZ16 微控制器作为控制芯片。其微控制器采用了MC68HC908 增强型中央处理器CPU08 ,是一种高性能的8 位单片机系列, 具有速度快、功能强、价格低等特点。M68HC908GZ16 微控制器片内集成了CAN 总线2. 0 控制模块。片内有16 kB Flash ,1 kB RAM 和8 路10 位A/ D ,SPI ,SCI ,4 路16 位定时器等,适合在基于CAN 总线的控制系统应用。

利用M68HC908GZ16 具有的丰富接口资源,执行电机转子转角模拟输入信号由滤波电路处理后,再用MCU 的A/ D 转换模块进行采集,再通过CAN 总线反馈到主控模块中,对系统动作进行监控。其PTE , T2CH 引脚实现对驱动电路的控制。其硬件原理如图3 所示。