电控机械式自动变速器AMT电控系统硬件设计Word文档下载推荐.docx
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图1电控自动变速器的发展历程
3.自动变速器的分类
汽车自动变速器基本可以分为三类：
机械无级式变速器CVT（ContinuouslyVariableTransmission、液力自动变速器AT（AutomaticTransmission）、电控机械式自动变速器AMT（AutomatedMechanicalTransmission）。
电控机械式自动变速器AMT的工作原理是在机械变速箱（手动档）原有基础上进行改造，主要改变手动换挡操纵部分。
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取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与结合摘挡与挂档等操作。
AMT实际上是一个由电脑来控制一个机器人系统来完成换挡过程的操作。
因此，AMT的核心技术是微机控制。
二、AMT控制系统分析
1.AMT控制的基本思想
AMT是在传统的手动齿轮式变速器基础上，运用汽车理论、微电子技术、计算机控制技术、传感器技术和自动控制理论的典型机电一体化产品。
AMT系统以电控单元（ElectronicControlUnit，简称ECU）为核心，通过液压执行系统控制离合器的分离与结合、选换挡操作以及发动机的供断油，来实现起步、换挡的自动操纵。
系统根据驾驶员的意图（操纵杆、制动踏板、加速踏板）和车辆的状态（发动机转速、输入轴转速、车速、档位），根据适当的控制规律（换挡规律、离合器结合规律等），借助于相应的执行机构（供油控制执行机构、离合器执行机构、选换挡执行机构）对车辆的动力传动系统（发动机、离合器、变速器）进行联合操纵。
图2AMT控制系统的基本思想
2.AMT控制系统分析：
驾驶员在驾驶车辆的过程中，不断感知车辆的外界环境（如上坡、下坡、粗糙路面、湿滑路面、弯道等）和车辆本身的工作状态，通过对操纵加速踏板、制动踏板和操纵杆等，将起步、停车、倒车、强制档等意图以电信号的方式传递给电控单元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后，发出控制命令驱动执行机构完成相应的控制动作。
汽车正在行驶过程中，驾驶员对加速踏板的控制通过加速踏板位移传感器传给ECU，ECU通过所测加速踏板位移以及当前车辆行驶的速度等车辆参数，再根据自动换挡规律判断车辆应处的最佳档位。
决定升档、降档或者保持原档位不变，从而达到增速或减速的目的。
AMT系统组成和各部分之间的信息流及控制关系：
图3AMT系统组成和各部分之间的信息流及控制关系
3.AMT系统的功能设计
AMT系统的主要功能是车辆起步过程和换档过程的自动控制。
驾驶员通过操纵手柄和选择开关，将起步、停车、倒车等意图以电信号的方式传递给ECU，ECU发出控制指令给执行机构完成相应的动作。
车辆行驶过程中，驾驶员的意图通过加速踏板和制动踏传递给ECU，ECU根据驾驶员意图、当前车辆的行驶状态和行驶环境，以及ECU中存储好的换档规律，决定升档、降档或者保持原来档位不变。
如果升档或者降档，则由ECU控制执行机构完成离合器的分离与结合、选档、换档、发动机供油控制等操作。
AMT系统的主要功能如下：
1）离合器的控制
离合器的工作模式有四种：
分离、保持分离、结合、保持结合。
在离合器的结合过程中，不仅要控制离合器的行程，还要控制离合器的结合速度。
离合器结合速度根据离合器主从动盘未接触、滑动摩擦传递扭矩和主从动盘已同步三个阶段，以快一慢一快的控制规律进行控制。
在刹车、起步及换档工况开始阶段，需要以一定速度快速分离离合器，达到及时切断动力传递的目的，在上述工况结束后要平稳地结合离合器，均匀增加离合器传递动力的摩擦力矩，既提高了车辆的平稳性，又减少了对离合器的滑
摩。
2）变速器的控制
能够根据发动机负荷和车速等情况自动变换传动比，使车辆获得良好的动力性和燃料经济性。
选档和换档控制有严格的时序要求，只有换档到位后才可以进行选档操作。
要快速平稳地实现换档，变速器的选换档控制需要与发动机控制和离合器控制进行协调配合。
3）发动机的控制
车辆正常行驶时（非换档过程中），系统对节气门开度的控制跟踪驾驶员踩下的加速踏板位移，实现节气门随动控制。
当系统正在分离离合器时，驱动节气门到收油位置；
换档过程中通过节气门控制发动机的输出转速，升档时降低发动机转速，而降档时调高发动机转速使其与离合器从动盘转速一致，防止离合器控制和节气门控制的不协调和，同时保证离合嚣主从动片转速差很小，减少离合器结合磨损和换档冲击。
起步过程中通过节气门控制发动机的输出扭矩和转速，保证车辆按驾驶员的要求平稳起步。
三、系统所使用的传感器
AMT系统所使用的传感器相当于AMT系统的感觉器官，车辆行驶中的很多信息都是通过传感器来传递给ECU的。
1.转速传感器
控制系统一共使用了3个转速传感器，分别用来采集车速、发动机转速和输入轴转速。
其中车速传感器安装在变速器的输出轴处，主要用于确定自动换档时刻；
发动机转速传感器一般为装在发动机飞轮齿圈旁，它被用作离合器的控制参数，或用于计算行驶阻力；
输入轴转速传感器是一个装在变速器输入轴上，它被用作离合器的控制参数，或在车速传感器失效时作为备用传感器。
系统使用5V霍尔式转速传感器S-HC，其工作电压5～24V，测量范围0～20Hz，工作温度-30～+130°
C，工作原理如下图。
它的感应对象为磁钢，被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到测速的目的。
齿轮线速度与脉冲输出频率成正比，通过检测单位时间的脉冲数，即可确定齿轮的转速。
该传感器采用钢铁材质导磁体触发，传感器内置电路对信号进行放大、整形，输出稳定的方波信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，安装简单，防水防油，能实现远距离传输。
图4霍尔传感器原理图
车速传感器、发动机转速传感器、输入轴转速传感器的信号均为脉冲量。
2.加速踏板位移传感器
该AMT系统里，加速踏板与发动机没有直接的机械连接而是通过拉索与一位移传感器转轴联接的索轮连接。
加速踏板位移传感器使用双电位器传感器，工作电压5V。
有两路反应加速踏板位置的电压信号，其中一路是另外一路的两倍。
加速踏板位移传感器通过电位器将踏板位置转换成与位移成正比电压信号输入ECU的A/D接口，用来测量加速踏板的行程。
加速踏板位移传感器信号为模拟量。
3.离合器行程传感器
用于测量离合器的行程信号，本系统采用直滑式导电塑料电位器WDL-50-2，它将离合器行程（非电量位移）转换为其具有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。
该导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠的工作。
它的工作电压为5V分辨率较高，线性度为1%，阻值范围为9千欧，能承受较大的功率。
如下图为一离合器行程传感器：
图5离合器行程传感器
离合器行程传感器信号为模拟量。
4.油门位置传感器（节气门传感器）
节气门传感器实际上是一个可变的电阻器，其值随发动机节气门开启角度变化而变化。
它是通过导电塑料电位器和固定在转轴上的电刷将角位移的机械参量转换成与角度成正比例的电压信号输出。
本系统采用的节气门传感器为CSTPBT-GF30角位移传感器，其机械转角为0~180度，工作阻值约为5千欧，工作温度范围-40~+70°
，线性度0.2%。
油门位置传感器信号为模拟量。
5.温度传感器
系统使用的两个温度传感器：
冷却水温度传感器和变速器油温传感器。
冷却水温传感器是一个阻值随发动机冷却水温的变化而变化的热敏电阻，该传感器的外壳以螺纹旋入发动机冷却系统，且其感温端浸泡在冷却水中。
AMT系统的电控单元根据传感器电阻值的变化，经过标定后可以得到冷却水温与传感器输出电压之间的关系，将此电压传至电子控制单元，控制单元便可得知发动机工作状态下的冷却水温度。
图6油温传感器
变速器油温传感器一般装在阀体内，并浸在油中。
该温度传感器也是一个热敏电阻，其工作原理与水温传感器相同。
传感器连续检测出变速器油温，ECU根据采集液压油油温可估计液压油的粘度，从而调节电磁阀的开关时间，保持离合器的结合速度。
系统采用NTC热敏电阻PSB-S5，其工作温度范围-50~+300°
C，线性度1%，热敏电阻特性可靠。
温度传感器信号为模拟量。
6.档位信号传感器
档位信号传感器用于确认换挡动作是否完成和故障检测，包括选档位置传感器和换挡位置传感器，使用的是霍尔开关英飞凌TLE4906，它是专为汽车应用设计的单级开关，可承受很大的阻力、电干扰和机械压力。
它还用有源错误补偿来抑制偏移元件的负面效果。
1）选档位置传感器
选档位置传感器采用了两个霍尔开关，工作电压为5V。
霍尔传感器固定架a和b焊接在传动轴支撑座上。
选档杆上贴有磁片1和2，当磁铁到达对应霍尔开关位置时，开关输出高电平。
即当小磁片与固定架在径向对齐时，霍尔传感器信号就发生改变，相应CPU管脚上电。
当选档杆在2-3档位置时，小磁片1与2分别与固定架a和b径向对齐则其相应管脚均上电。
当选档杆在R-1档位置时，a点位置和第二个小磁片对齐，a点对应管脚上电，b点对应管脚为0V。
当选档杆在4-5档位置时，b点和第一个小磁片对齐，b点对应管脚上电，a点对应管脚为0V。
a点和b点分别对应单片机管脚P4.0和P4.1，由此可得选档位置逻辑表，如下表所示：
R-1档
2-3档
4-5档
引脚4.0
5V
0V
引脚4.1
2）换挡位置传感器
换挡液压缸推动齿条直线运动，齿条带动转轴上的扇形齿转动，从而带动转轴转动，以使换挡机构进入合适档位。
齿条末端装有小磁片1和2，霍尔传感器固定架c和d焊接在传动轴支撑座上，当小磁片与固定架在径向对齐时，霍尔传感器信号就发生改变，即相应管脚上电。
当换挡杆位于N档时（位置A），小磁片1和2分别与固定架c和d径向对齐，则其相应管脚均上电。
当选档杆位于R-2-4档时（位置B），小磁片2与固定架c径向对齐，故从c对应的管脚上电。
而d对应的管脚依然为0。
当选档轴位于1-3-5档时（位置C），与d对应的管脚上电，而与c对应的管脚为0。
其中c点和d点分别对应单片机管脚4.2和4.3，由此得到换挡逻辑表，如下表所示。
R-2-4
N
1-3-5
P4.2
5V
0V
P4.3
表1换挡逻辑表
以上选档位置传感器和换档位置传感器信号均为开关量。
7.其他信号
此外，还有操作杆信号，模拟量，操作杆不同的选择位置对应杆位信号的电压值不同。
刹车和手制动信号直接取自原车上的相应开关。
四、系统的执行器
离合器和选换挡执行机构根据驱动方式可分为气动式、液动式和电动式三种方式。
由于液压驱动具有结构紧凑和响应快等特点，本AMT系统采用了液动式。
该液压操纵系统主要包括：
液压源、离合器液压控制系统和选换挡液压控制系统几部分组成。
AMT系统是通过控制电磁阀操纵执行油缸，进而实现车辆的起步、换挡等操作的自动化。
1.液压动力源
向节气门执行器、离合器执行器和选换挡执行器提供的驱动能量均为液压能，整个驱动系统所需要的压力由液压动力源提供。
AMT的液压动力源一般多采用直流电动机驱动液压泵实现，整个系统主要由直流电动机、油泵、储能器、粗滤油器、精滤油器、单向阀、油压传感器及油箱等组成。
液压动力源系统组成：
图7液压动力源系统
由ECU单元根据液压系统中的油压传感器检测到的信号，通过继电器控制直流电动机的起动和停止，而将压力控制在要求的范围内。
该部分设置一个储能器用于稳定系统油压和储存足够的压力油量。
这样既保证了系统具有足够压力恒定的液压油，又避免了供油量过剩时，油泵持续不停运
转所造成的能量消耗和液压油的温升。
粗滤油器装于油泵入口处，避免油箱内杂质进入油路系统。
而精滤油器装于回油道中，避免系统元件中的磨损杂质进入油箱内；
精滤油器并联一个单向阀，以防止液压控制单元因精滤油器中杂质积存过多造成回油道阻塞而失去正常工作。
2.离合器控制单元
离合器的分离和接合控制采用电磁阀控制的液压驱动执行机构。
其液压系统构造如下图所示：
图8离合器液压系统构造示意图
离合器液压控制系统主要包括离合器动作器（单向作用油缸）、二位二通普通电磁阀V1和二位二通高速电磁阀V2、V3组成。
离合器的控制是通过ECU发出占空比不同的脉宽调制信号（PWM）调节两个放油阀开闭得到不同的离合器的结合速度，实现离合器在不同工况下的多种工作模式。
V1控制进油，使离合器分离；
V2、V3控制卸油，使离合器不同速度接合。
V1选用国产的2WNC普通电磁阀；
高速PWM电磁开关阀选用国产的HSV-3051S1电磁阀，V1流量为8L/min，V2流量为4L/min，V3流量为8L/min，通过V2、V3使流量可以连续控制，这样才能保证得到更好的离合器接合控制效果。
当V1通电而V2、V3断电时，主油道中压力油便通过该阀进入离合器动作器右腔，动作器活塞左移，克服离合器中压簧使离合器分离。
在设计液压压力波动范围内，离合器最慢分离时间是300ms。
当V1断电，而V2、V3尚未接通时，离合器可保持分离状态不变。
当V1断电，而V2、V3中有一个或两个开启时，油缸中的液压油便在离合器压簧的回复力作用下通过V2、V3中的开启阀流回油箱，离合器结合。
由控制器、离合器动作器、离合器和离合器行程传感器构成离合器的闭环控制子系统如下图所示：
表9离合器的闭环控制子系统
3.选换挡控制单元设计
如果变速器采用单轴式拨叉，选档通过拨叉轴的旋转运动来实现，而换挡则依靠拨叉轴的轴向移动来完成。
为了使换挡执行机构能驱动拨叉轴完成两种运动而灵活实现选换挡功能，必须保证执行机构对拨叉轴的两个运动不产生干涉和不引起附加力矩，以避免使作动器中的密封圈单边磨损。
选换挡液压系统结构：
图10选换挡液压系统结构
该控制回路由选挡作动器（双向作用油缸）和换挡作动器（双向作用油缸）以及2个分别控制选档和换档的三位四通电磁阀V6-V9组成，2个电磁阀相同，选用国产的3WNC，流量为8L/min。
对于作动器的控制，国内外设计多采用四个二位二通阀进行控制，本设计中考虑到减小体积和成本，采用了三位四通电磁阀。
三位四通电磁阀的滑阀机能具有如下功能：
当阀处于左或右二位置（即左或右电磁阀均断电）时，能使主油道和油缸两腔接通，以确保变速器在两个电磁阀均断电时处于空挡位置。
选档和换挡作动器具有相同的结构和工作原理。
从它们的机构简图可知其结构特点：
油缸分为左、右两腔，每腔均有一个活塞套，两套的内孔中装有两个制成一体、同轴且有效压力作用面积相等（A2）的柱塞，活塞杆从一端向外伸出，与变速拨杆相连接。
图11选档和换挡作动器
当油缸在电磁换向阀作用下，左腔进油、右腔回油时，左右两腔形成压力差，从而推动柱塞右移，活塞杆外伸。
反之右腔进油、左腔回油则使柱塞左移，活塞杆向内缩。
当左、右两腔均处进油状态时，在缸壁内和柱塞上的定位凸台及两腔油压作用下按差动原来自动定位于中心位置。
变速器选换挡控制子系统由控制器、选换挡作动器、变速器和档位状态传感器一起构成。
变速器闭环控制子系统：
图12变速器闭环控制子系统
其特点是结构简单、加工方便、制造成本低且使用可靠。
4.节气门控制单元设计
汽车发动机转速的控制是通过节气门驱动机构来控制的。
我们采取用已有的液压控制系统对节气门进行控制，设计了电液式节气门执行器。
图13液压执行器
液压执行器为一单向作用液压缸，由推杆、回位弹簧和活塞组成。
利用两个二位二通常闭型高速开关阀，对液压缸的位移进行控制。
当高速开关阀V4通电、V5断电时，液压源的液压力克服液压执行器的弹簧力及节气门的弹簧力，使推杆右移将节气门打开，V4与V5均断电时，活塞的推杆不到，节气门保持原有位置不变；
当高速开关阀V5通电、V4断电时，在液压执行器的回位弹簧及节气门的回位弹簧的作用下，使推杆左移将节气门关闭。
节气门的实际开启大小，用安装在节气门上的位移传感器测量。
节气门位移的检测采用国产的WDL50型直滑式导电塑料电位器。
该电液式节气门执行器结构简单、易于加工、体积小、便于安装、成本较低，其缺点是控制系统是非线性的时变系统，控制难道较大。
以上每个电磁阀对应ECU的一个管脚，来控制电磁阀的开闭。
其中电磁阀V1对应管脚P3.4、电磁阀V2对应管脚P3.6、电磁阀V3对应管脚P3.8、电磁阀V4对应管脚P3.9、电磁阀V5对应管脚P3.10、电磁阀V6对应管脚P3.11、电磁阀V7对应管脚P3.12、电磁阀V8对应管脚P3.13、电磁阀V8对应管脚P3.15。
五、系统的控制器
1.系统所使用的单片机
ECU的微处理器（也称单片机）使用的是英飞凌（Infineon）C164CI（简称C164），它是16位的单片机，高性能的CPU结合功能丰富的外设，每秒可执行1250万条指令，适合于汽车电子控制系统的开发。
C164有80个引脚，其最大CPU时钟频率20MHz，多数指令在80ns内完成，32位除16位仅需800ns。
其工作温度范围在-40～125°
C之间，可使用于广泛的应用领域，适合做为汽车电子芯片。
C164外设资源模块功能丰富，做为本系统的ECU芯片，它有以下特点：
1）中断系统具有16级优先级和颇具特色的外部事件控制器PEC
16级优先级，每一优先级再分为4组优先级响应次序，多个同一优先级的中断源同时申请时按组优先级次序响应。
外部事件控制器PEC工作时，它根据PEC控制寄存器设置自动地将源地址的内容移到目的地址空间中，并进行数据计算。
在这一过程中不用将各种状态寄存器压入堆栈，无需CPU介入（只是暂停了CPU一个指令循环），节省了中断相应时间，加快了程序执行速度，增强了芯片响应高频率的能力。
C164提供了8个PEC通道，各通道可分别设置为和片内的一个外围模块中断源相关联，在本系统实际应用中，如串行通信口、捕捉/比较单元、A/D转换等的中断服务都可以使用PEC控制器，可大大减轻CPU负担。
2）高精度通用定时/计数器GPT1
通用定时器单元GPTI是一个灵活的多功能定时器，可用于定时、事件计数、脉宽测量、脉冲产生等。
GPT1模块含有3个定时/计数器，分辨率最高为400ns，模块内有1个主定时/计数器，2个辅助定时，计数器，每个辅助定时/计数器可以独立工作于门槛、定时、计数等模式，也可以用作主定时/计数器的预置自动重装载寄存器，或与主定时器配合够成32位定时器。
3）A/D转换器
AMT系统需要采集多路模拟量信号，由于采集的信号多，故对转换时间也有要求。
C164有16通道10位A/D转换器，具有单一通道单次转换及连续转换、多通道自动扫描单次转换及连续转换等多种运行模式。
转换时间可用程序控制，最小为9.7ps。
其在片采样保持电路的采样时间为1.6ps，有转换后自动标定的功能。
可见该A/D转换器完全能满足本AMT系统对模拟量信号采集的要求。
4）异步/同步通信串行口ASC/SSC
方便ECU与其它外围设备通信。
ASC支持全双工的异步串行通信，接受数据时能检测出奇偶校验错、多写错等错误，以提高通信可靠性。
SSC支持半双工和全双工的同步串行通信。
5）I/O接口
共有8个I/O口，59条I/O线。
所有I/O口都可以位寻址，除常规输入输出外，都具有第二功能，如P0、Pl和P4可作为外部数据/地址总线，P2可作为CAPCOM2模块的输入脚，P5呵作为A/D转换器的输入脚，P8的低4位作为PWM模块的输出脚等等。
6）控制器局域网CAN模块
通过CAN总线，AMT系统可与挂在总线上的其它微控制系统及现场控制仪表、设备之间能按CAN通信协议进行高速、高效率的串行通信。
C164片内带有1个CAN接口控制模块，可通过两条I/O引线（数据发送线CAN_TxD和数据接收线CANRxD）与一外部适配接口相连，再经其挂至CAN总线上。
图14C164CI的引脚图
ECU单元的设计除了单片机的选型外，还包括以下主要内容：
1、单片机存储器的扩展，并行接口电路的设计；
2、发动机转速等传感器输入脉冲信号的放大、整形、滤波以及单片机定的接口电路设计；
3、离合器行程等传感器输入模拟信号与单片机接口电路设计；
4、开关量输入信号与单片机的接口电路设计；
5、离合器等驱动机构电磁阀控制电路设计；
6、ECU单元电源和A/D转换基准电源及传感器供电电源设计。
2.以C164为中心的控制方案的实现
系统的硬件结构图如下所示：
电控单元ECU
图15硬件结构图
1）输入信号的采集
a.模拟量的采集
控制系统要采集的模拟量主要有加速踏板位置、离合器行程、节气门位置、温度、压力信号。
C164提供了10位精度的带有采样保持电路的A/D转换器，可以选择8个输入通道，多通道采集可以用软件定义或用自动扫描模式，采样时间和转换时间是可编程的。
模拟信号在进入A/D口之前，先经过π型电路进行滤波。
图16模拟量采集电路
加速踏板位置信号对应管脚P5.0和管脚P5.1、离合器行程信号对应管脚P5.2、节气门位置信号（油门位置信号）对应管脚P5.3、冷却水温度传感器信号对应管脚P5.4、变速器油温传感器信号对应管脚P5.5。
b.脉冲量的采集
控制系统要处理的脉冲信号主要有车速、发动机转速和输入轴转速。
转速传感器选用霍尔效应集成电路传感器。
这种传感器体积小，内部包含了放大、整形、集电极开路输出单元，输出的转速脉冲方波波形好，使用方便。
脉冲信号经过光电隔离抗干扰处理电路后送入单片机的捕捉／比较单元（CAPCOM2）。
其脉冲信号输入电路设计如下图所示：
图17脉冲量的采集电路图
车速信号对应管脚P8.0、发动机转速信号对应管脚P8.1、输入轴转速对应管脚P8.2。
c.开关量的采集
对于档位信号、手刹车信号、脚刹车信号等开关量信号，也要经过光电隔离后再送入C164的I/O口。
图18开关量采集电路图
2）执行机构的驱动
C164对采集来的信号进行分析处理后，按照制定的控制规律，发出控制信号，作用在和ECU相连的电磁阀和步进电机上。
a.电磁阀驱动电路
电磁阀驱动电路主要用于驱动电磁阀
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