AMT直流电动机选档换挡系统设计

AMT直流电动机选档换挡系统设计

摘要：AMT是我国自动变速器的发展重点。本文对AMT直流电动机选换挡系统进行设计，通过建立直流电动机的数学模型和传递函数，对以直流电动机作为执行机构动力源的选换挡系统进行了减速机构、操纵机构、电路、调速控制的设计，为从事AMT车辆直流电动机选换挡系统设计的相关人员提供参考。

关键字：AMT，直流电动机，换选挡，设计

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引言

随着汽车的普及和技术发展，动力性较好的自动变速技术得到广泛应用。电控机械自动变速器（AMT）既有普通变速器的高传动效率和结构简单的特点，又有液力自动变速器自动变速的优点，顺应了追求功能完善和价格低廉的市场需求，因此在各大厂商中受到越来越多的重视。AMT经过了半自动AMT阶段、全自动AMT阶段和智能化AMT阶段，在现代控制和微电子技术的快速发展下，AMT智能控制有了坚实基础，通过使用模糊控制技术等智能控制方法，对驾驶员操作进行模仿，改善了离合器接合控制特性，使选换挡有了人性化适应，促进了AMT传动系统向智能化发展。

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AMT选换挡系统的原理

AMT是利用自动变速理论和电子技术，在原有固定轴式齿轮变速器和干式离合器基础上，利用电子控制单元（ECU），使用控制机构完成发动机节气门调节、选换挡以及离合器的分离与结合，从而实现汽车起步和选换挡的自动操纵。

AMT的控制原理是，驾驶员在驾驶车辆时，ECU会根据车辆行驶状态，如车速、档位、发动机转速、加速度等，以及驾驶员的操作意图，借助于执行机构按照特定规律实现对动力传动系的自动控制，实现车辆的平稳起步和换挡。其中执行机构包括油门控制执行机构、变速器选换挡执行机构、离合器分离与结合执行机构等，动力传动系有变速器、离合器、发动机等。目前常用的AMT结构中加速踏板相当于一个控制系统传感器，将驾驶员意图转变为电信号，并传递给ECU，然后根据特定的控制规律操纵油门执行机构对发动机进行控制。

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AMT直流电动机选换挡系统设计

3.1AMT直流电动机优势分析

在AMT选换挡系统执行机构的动力源中，可以选择步进电动机或直流电动机，二者各有优缺点。对直流电动机来说，具有良好的调速和启动性能，可以有效减小换挡冲击，有利于精确控制档位；直流电动机体积小，在功率相同的情况下，直流电动机的体积仅是步进电动机的一半。对于在原有手动变速器系统基础上加装控制系统的AMT，由于空间的有限而选择直流电动机具有较大优势；此外直流电动机使用寿命比步进电动机要长。因此在选换挡空间有限的情况下，选择直流电动机作为执行机构动力源是合适的选择。本文以他励直流电动机为例进行选换挡设计。

3.2直流电动机数学模型及传递函数

他励直流电动机模型如下，

图3.1他励直流电动机模型

直流电动机的电压平衡方程式为：

， 其中 为当K合上时电枢两端的加压， 为电枢电路产生电流， 为反电动势， 为电枢电路电阻， 为电感。小写字母均为瞬时值。根据传动系运动方程，将上式进行拉普拉斯变换后得到：

其中大写字母为拉普拉斯变量， 为电磁转矩， 为负载转矩， 为转速， 为拉普拉斯转换 的变量， 为电磁时间常数。从上面的表达式可以看出，电压、负载转矩和转速的关系，并从中推导出传递函数如下：

其中 当有补偿然组时取0.1，无补偿绕组时取0.4；有了上式的关系，就可以分析直流电动机的响应过程，并根据直流电动机电压、转矩对角速度的响应来选择合适的电动机。

3.3直流电动机选换挡系统减速机构设计

直流电动机输出的转速高，而转矩低。要完成选换挡操作，就需要设计减速机构，既不能使转速过高以引起较大的换挡冲击，又要提高转矩以驱动选换挡系统的执行机构。在减速机构的选择上，如果使用齿轮副减速机构，需要两级传动，这将增加减速机构体积，降低安装精度，因此为了实现最大减速比，而自身体积重量都不大，可以选择一齿差减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。 一齿差减速机构可以实现较大减速比，并保持较高效率，但是为了平衡齿轮运转中的偏心力，其采用了对称的两个齿轮和齿圈配合，因此重量较大，且精密零件较多，增加了加工难度，成本较高，不适合在AMT选换挡系统中应用。

以某五档变速箱参数为例，计算蜗轮蜗杆减速器的选换挡功率、力矩、换挡力以及选换挡时间，计算结果表明，蜗轮蜗杆减速机构在各参数上都能满足要求。由于选换挡速度难免过快，将会带来换挡冲击，因此通过对直流电动机进行调速，以达到换挡时间和换挡品质的平衡。

3.4选换挡执行机构设计

AMT选换挡执行机构的动力传动工作原理是，通过选档齿轮机构将选档电动机的转动转化为选换挡轴上、下移动，并放大选档电机的驱动力达到换挡目的；通过换挡齿轮机构将换挡电机的转动转化为选换挡轴的转动，并放大换挡电机的驱动力达到换挡目的。

图3.2 AMT选换挡执行机构位置

选档过程为选换挡轴带动选换挡指在同步器叉口架内左右移动，分别达到几个选档位置；换挡过程为选换挡轴带动换挡指前后转动，推动同步器叉口架到达两端的在挡位置。

3.5直流电动机驱动电路设计

直流电动机采用H桥电路，电动机位于桥上，当正常工作时，电路是稳定的，但是如果在选换挡过程中，出现电动机运转异常，或者ECU信号受到干扰，就会发生延迟或改变，造成电路中所有的晶体管导通，这时本来应该加在直流电动机两端的工作电压就被直接加在了桥臂上的晶体管上，造成短路，烧毁晶体管。为避免这种现象发生，在直流电动机原电路基础上增加反向器、反向放大器、续流二极管、光电耦合器等元件，改进了驱动电路，光电耦合器的基极是发光二极管，电路图如下，

图3.3改进的直流电动机驱动电路

其中上半部分为选档控制器，下半部分为换挡控制器。通过改进电路，来自ECU的控制信号由原来的直接控制晶体管通断，变为控制光电耦合器的通断，当来自ECU的控制信号经过反向放大器的放大使发光二极管发光时，光电耦合接地导通，这样就导通了与之相连的晶体管。

3.6直流电动机调速控制

直流电动机调速控制可以选择改变励磁电流、改变电枢回路的电阻或者改变电枢电压。改变电枢电压具有调速范围较大的优点，并且可以实现无极调速，控制灵活，适合AMT直流电动机的调速。本设计使用脉宽调制来改变电枢电压，实现对直流电动机的调速控制。

简单的脉宽调制（PWM）是通过直流斩波器实现。电流通过不可调的直流电源 提供，功率开关器VT通过信号控制完成电压变换。二极管VD为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。

图3.4脉宽调制原理

电动机获得的平均电压可以下式表达：

，

其中 为PWM的占空比， 为脉冲信号周期。控制 就可以控制电动机的电枢电压，其变化范围在0,1之间。一般AMT车辆选用的单片机都内置有PWM模块，可以支持大多数电机类型，也包含直流电动机，不再需要另外设计调速电路。

以上通过建立直流电动机的数学模型和传递函数，对以直流电动机作为执行机构动力源的选换挡系统进行了减速机构、操纵机构、电路、调速控制的设计，这就是AMT车辆直流电动机选换挡系统的硬件设计。

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AMT选换挡系统优化设计

在完成AMT硬件系统设计后，对AMT选换挡系统的控制，也随着自动控制技术的发展，向智能控制方向发展，模糊控制已经成为目前实现智能控制的有效手段。

图4.1AMT档位模糊控制原理 由档位传感器测量换挡杆位置给ECU，ECU发出换挡信号并将计算出的偏差量及其变化率作为模糊控制输入变量传递给直流电动机，直流电动机根据已经设定好的模糊规则进行模糊判断，然后ECU再将信号发送给直流电动机，达到档位的精确控制。

在档位决策上的研究方向是综合利用驾驶员操作信息和车辆状态信息，以车速、油门踏板信号的换挡规律为依据，根据坡道、弯道道路条件和制动信号，利用从驾驶经验丰富的驾驶员总结出的换挡规律进行模糊推理，输出换挡指令，使自动变速器的档位选择尽量与人的操作过程相似。

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总结

AMT是我国未来自动变速器的发展重点，直流电动机结构简化、体积小、成本低、控制精度高、易于产业化，以直流电动机作为AMT选换挡系统执行机构的动力源，适合我国国情，全电式AMT将成为AMT车辆研究的发展趋势。

参考文献

[1]陈莉，自动离合器的自适应最优控制研究[J]，上海交通大学学报，2000（10）.

[2]高少华，陈宁，AMT变速箱的设计[J]，无锡商业职业技术学院学报，2010（3）.