本发明涉及的是一种汽车传动控制领域的技术，具体涉及一种电驱动两挡机械式自动变速器控制系统及控制方法。
背景技术：
：电驱动变速装置e2amt是针对电动车的动力性与经济性难以同时兼顾的情况下发展而来的一种新型变速系统部件。根据电动车的驱动电机特性，把传统内燃机汽车上用的amt技术经全新开发，形成全电动式双速机械式自动变速器e2amt。e2amt不仅能够改善电动车的动力性，同时能够提高其经济性。在相同的工况条件下，应用e2amt可以大幅度降低电动车对驱动电机的性能要求，降低电驱动系统和电动车的制造成本。目前，使用变速器的电动车极少，而传统内燃机汽车较普遍采用手动或自动变速器。自动变速器的换挡执行机构为液压和电动式两种。电控液压式执行机构具有控制精度高、驱动力大优点，但同时具有系统结构复杂，成本较高缺点；电动执行机构采用无刷直流电机作为换挡电机，具有响应快，成本低、易维护优点。目前，绝大多数电动车采用驱动电机+单级减速器的动力传动方式，导致驱动电机的运行无法同时兼顾整车的动力性与经济性。为了达到规定的加速性能和续驶里程，整车不得不配置大功率的驱动电机及大容量的动力电池，这无疑增加了电动车重量及生产成本。技术实现要素：本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种电驱动两挡机械式自动变速器控制系统及控制方法，该系统具有低成本、高可靠、通用性强、实时性好等优点。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种电驱动两挡机械式自动变速器控制系统，包括：变速器控制单元(tcu)以及分别与之相连的整车控制器(vcu)、电机控制单器(mcu)、换挡执行机构、换挡电机驱动器以及两挡自动变速器(2amt)，其中：tcu和vcu分别采集来自驾驶室的电子加速踏板信号、操纵杆挡位信号和2amt输出轴的转速信号；tcu还需采集来自换挡执行机构的换挡拨叉空挡位置信号、光电编码器差动接收信号和换挡电机内置霍尔元件信号；vcu、tcu和mcu之间通过can通讯线相连并进行实时数据交换，即正常行驶时mcu根据vcu的指令控制电机输出转矩，换挡时与tcu进行指令交互，在适当时刻完成e2amt系统的自动换挡过程。所述的变速器控制单元包括：数字信号处理器(dsp)以及分别与之相连的最小系统模块、脉冲信号调理模块、开关信号调理模块、模拟信号调理模块、编码器调理模块、霍尔信号调理模块、串行d/a转换模块、电机方向控制模块、单路sci通讯模块和双路can通讯模块，其中：最小系统模块用于数字信号处理器的供电、复位及时钟信号；用于对车速信号整形滤波的脉冲信号调理模块与外部的车速传感器输入模块相连并传输经过滤波和电平转换后的车速信息；用于对车辆的一些开关状态量比如挡杆位置、钥匙开关进行采集和电平转换的开关信号调理模块与外部的挡杆位置以及钥匙开关信号相连并传输经过电平转换后的状态信息；用于对车辆的加速踏板信号进行低通滤波和电平转换的模拟信号调理模块与外部的加速踏板的输入信号相连并向数字信号处理器传输经过滤波和钳位后的加速踏板信号；编码器调理模块用于将编码器的六路输入信号转化为三路并进行差动接收；霍尔信号调理模块用于对换挡电机输入的三相霍尔信号进行一阶滤波、整形和电平转换然后输出至数字信号处理器，编码器调理模块和霍尔信号调理模块分别与换挡电机的光电编码器以及电机内置的三路霍尔相连并传输经过滤波和电平转换后的电机转速和位置信息；串行d/a转换模块用于将数字信号处理器输出的数字信号转化成相应的模拟信号来控制换挡电机的转速；电机方向控制模块用于把数字信号处理器输出的开关信号进行隔离和电平转换后输出到换挡电机的控制器端；用于数字信号处理器与上位机之间的串口通信的单路sci通讯模块中设有光耦隔离器并与上位机进行通讯以进行调试；用于车载的can通信模块之间信号的隔离以及电平转换的双路can通讯模块中一路与vcu通讯以实时检测tcu的工作，另一路具有光电隔离并与mcu通讯以实现集成控制。所述的变速器控制单元中进一步设有防止输入信号超过引脚耐压值的钳位模块，以保护dsp引脚不被损坏。所述的脉冲信号调理模块对输出轴转速信号(霍尔传感器产生的0v、12v的高低电平信号)首先进行电阻分压，经过低通滤波(rc滤波)输出至高速电压比较器，获得规则的0/5v的方波信号。然后通过数字隔离器隔离进一步得到0和3.3v的规则方波信号，输出至数字信号处理器。所述的开关信号调理模块包括：光耦隔离器、反相处理器和电平转换单元，其中：开关信号首先由光耦隔离器进行隔离，获得0v/5v高低电平信号，然后经反相处理器整形反相，保证信号同相，最后由电平转换单元输出至数字信号处理器的i/o口，实现将操纵杆的挡位信号及换挡电机转向信号通过led显示以方便调试。根据控制精度的要求，所述的编码器调理模块中设有两路换挡电机转速信号采集单元，其中：一路是采用数字隔离芯片实现电平转换和隔离，获得规则的0/3.3v的电平信号；另一路是采用光电编码器采集换挡电机转速信号，差动收发器接收，增强传输距离，提高抗干扰性。所述的串行d/a转换模块对换挡电机输出模拟电压信号进行调速，该电压信号通过spi主动输出，经数字隔离器隔离后，输出至12位的串行da转换芯片，经精密放大芯片放大后得到0-5v的模拟电压，实现换挡电机调速。所述的电机方向控制模块对换挡电机输出电平信号实现转向控制，即首先通过电平转换模块提高驱动能力，通过光耦隔离器件将转向控制信号输出至换挡电机驱动器，实现换挡电机转向控制。所述的电子控制单元中进一步优选设有电源模块，该电源模块包括：数字电源模块和模拟电源模块，其中：模拟电源模块向传感器提供5v电源；数字电源模块包括：3.3v供电模块、1.9v供电模块以及5v供电模块，其中：5v供电模块由开关电源实现，3.3v供电模块和1.9v供电模块分别由电源模块芯片实现。所述的供电模块均通过隔离器件加以隔离以防止不同信号之间的串扰。本发明涉及上述电驱动两挡机械式自动变速器电子控制单元的控制方法，包括：位于上层的车辆状态监测操作、位于中层的目标决策操作以及位于下层的电机伺服控制操作，其中：车辆状态监测操作对车辆行驶中各个工作状态进行实时监测，为电动车换挡提供决策数据，目标决策操作协同tcu与mcu根据指定的换挡策略及集成控制策略进行换挡，电机伺服控制操作驱动电机控制器(mcu)，根据集成控制策略，对驱动电机进行调速。所述的车辆状态检测操作包括：上电自检、静止等待、倒车、前进行驶、换挡及断电复位，其中：上电自检是指：在通电后根据tcu中保存的挡位状态信息以及传感器的输入信号信息进行判断车辆是否处于正常的状态；静止等待是指：车辆是否处于停车怠速状态；倒车是指：车辆在倒挡状态下行驶；前进行驶是指：车辆在前进挡状态下正常行驶；换挡是指：车辆在进行换挡操作，升挡或者降挡；断电复位是指：车辆出现故障后，电源切断，恢复到初始状态。所述的目标决策操作包括：指定的换挡策略及集成控制策略，其中的换挡策略是指：tcu根据车辆的车速、加速踏板开度状态信息来判断车辆何时能执行换挡操作；集成控制策略是指：车辆在换挡过程中，tcu与mcu实时进行通讯，来控制驱动电机和换挡电机进而完成升挡或者降挡操作，是指驱动电机和换挡电机的集成控制。所述的电机伺服控制操作包括：转矩模式、转速模式和自由模式下的电机驱动，其中，转矩模式是指：mcu根据电门开度来解析成相应的扭矩指令，在通过控制电机的电流输出进而实现电机按照目标扭矩输出；转速模式是指：mcu控制电机在指定的转速下进行工作；自由模式是指：驱动电机不对外输出扭矩，mcu也不对电机发出转速指令，电机在当前的运行状态下，靠自身的惯性运行。附图说明图1为本发明控制系统示意图；图2为变速器控制单元示意图；图3为电源模块示意图；图中：a和b为两路12v转5v模块示意图；c为5v转3.3v、1.9v模块示意图；图4为模拟信号调理模块示意图；图5为脉冲信号调理模块示意图；图6为编码器模块和霍尔信号调理模块示意图；图中：a和b为光电编码器信号调理模块示意图，c、d和e为bldc内置霍尔元件信号输入及调理模块示意图；图7为开关信号调理模块示意图；图中：a为换挡拨叉信号隔离输入模块示意图；c和d为操纵杆挡位信号隔离输入模块示意图；b为操纵杆挡位信号及换挡拨叉信号反相模块；e为电平转换模块；图8为换挡电机串行d/a转换输出调速模块示意图；图9为换挡电机方向控制输出模块示意图；图中：a为电平转换模块示意图，b为信号隔离模块示意图；图10为双路can通讯模块示意图；图中：a和b为带隔离的can通讯模块示意图，c和d为不带隔离的can通讯模块示意图；图11为单路sci通讯模块示意图；图中：a为信号隔离模块；b为rs-232串行sci电平转换模块；c为sci电源滤波模块；图12为pwm输出模块示意图；图中：a为电平转换模块示意图；b和c为信号隔离模块示意图；图13为实施例上层状态监测示意图；图14为本发明控制流程示意图；图15为本发明换挡过程tcu与mcu交互与协同控制逻辑示意图。具体实施方式如图1所示，根据整车换挡过程控制逻辑，tcu和vcu需要采集电子加速踏板信号(模拟信号)、操纵杆挡位信号(开关信号)及2amt输出轴转速信号(脉冲信号)，根据tcu中制定的换挡规律和车辆的运行状态判断是否执行换挡操作。在换挡过程中，tcu还需要采集换挡拨叉空挡位置信号、光电编码器差动接收信号和换挡电机内置霍尔元件信号来实时监测换档执行机构的位置信息。vcu、tcu和mcu之间通过can通讯线连接，实时进行数据交换。正常行驶时，vcu采集到制动踏板信号、加速踏板信号及操纵杆挡位信号后，按照控制指令向mcu输出需求扭矩指令，mcu则向驱动电机输出电流，控制电机的扭矩输出。换挡时mcu与tcu进行指令交互，在适当时刻按照控制指令对驱动电机进行调速，以完成e2amt系统的自动换挡过程。如图2所示，本实施例涉及的电驱动两挡机械式自动变速器电子控制单元(tcu)包括：最小系统模块、输入信号调理模块、输出信号调理模块及通讯模块，其中：最小系统模块为保证数字信号处理器(dsp)能够正常工作的模块；输入信号调理模块包括：模拟信号调理模块、脉冲信号调理模块、开关信号调理模块、bldc编码器信号和霍尔信号调理模块；输出信号调理模块包括：串行d/a转换输出调速模块和电机方向控制输出模块；为了防止主控制器与换挡电机驱动器之间的信号串扰，输出信号模块采用隔离的方式进行设计，保证主控制器tcu不受驱动器的干扰。设立双路can通讯模块，其中一路采用数字隔离芯片进行隔离，可以长时间长距离通讯。为增加该款控制器的通用性，所述的tcu中进一步设有6路带隔离的pwm输出模块。如图3所示，为包含电源转化芯片的电源模块，其中的电源模块输出正常稳定的电压供主控制器及外围模块使用。图3(a)和(b)为12v到5v的转换模块，该模块采用lm2596-5.0芯片作为转换芯片，将来自车载蓄电池的12v电压转换为5v的数字电压+5vd和模拟电压+5va。为防止电源反接，在输入端串联了一个自恢复保险丝，并在输入端并联了二极管1n5817，当电源反接时，电流过大，保险丝熔断，保证芯片不被烧坏。图3(c)为5v到3.3v和1.9v的转换模块，该模块采用双路电源转换稳压芯片tps767d301同时产生3.3v和1.9v电压。为保证数字信号处理器正常上电顺序，采用三极管2n222来保证1.9v电压先于3.3v电压获得，从而保证数字信号处理器内核电压先于i/o接口电压得到。如图4所示，为所述的模拟信号调理模块，该模拟信号调理模块接收来自电子加速踏板的信号为两路模拟电压信号，两路电压满足电压值2倍关系，因此采用硬件冗余设计。来自传感器的输入信号首先经过一阶低通滤波器滤波后输出至运算放大器lm324的正相输入端，经运算放大器lm324比例放大后，lm324输出的信号值范围为0v-3.3v。为保证输出至dsp引脚的电压值不超过3.3v，采用二极管1n4148设有钳位模块，保证dsp引脚不被烧坏。如图5所示，为所述的脉冲信号调理模块，根据工作原理不同，脉冲信号接收及调理中的车速传感器分为电磁感应式传感器和霍尔式传感器。当采用的输出轴转速信号传感器为霍尔式传感器时，其输出信号为0v/12v的方波信号，该信号可经过跳冒直接输出至数字隔离芯片adum1200的输入端，经隔离后，输出的0v/3.3v的高低电平可直接输入dsp的引脚中。当采用的传感器为电磁感应式传感器时，传感器输出的信号首先经过一阶低通滤波器进行滤波后，输出至高速电压比较器lm319，与负相端的电压1.25v进行比较，输出0v/5v的高低电平。经跳冒输出至数字隔离芯片adum1200的输入端，经隔离后输出0v/3.3v的高低电平输出至dsp引脚中。如图6所示，为所述的光电编码器及bldc霍尔信号接收及调理模块；图6(a)和(a)为编码器信号采集和调理模块。编码器输出的信号a+、a-、b+、b-、i+、i-信号首先输入芯片sn75175进行差动接收，增强了信号的强度，输出的信号a、b、i信号为0v/5v的高低电平，经电平转换芯片sn74lvc4245a得到0v/3.3v的电平信号输出至dsp的eqep模块，实现换挡电机的转速控制和位置闭环控制。图6(c)、(d)和(e)为换挡电机的内置hall信号采集和调理模块。为防止高频信号干扰，首先hall信号经过一阶低通滤波器，滤波后得到信号再经过施密特反相触发器74hc14n经过两次反相，得到与原hall信号同相的信号。该信号经过数字隔离芯片adum1411得到0v/3.3v电平信号，该信号与原信号完全隔离。从而实现通过内置hall信号实现电机的控制。如图7所示，为所述的开关信号调理模块，该开关信号调理模块包括：光耦隔离模块、反相处理模块、电平转换模块，其中：操纵杆挡位信号为0v/12v信号，当在挡位时，输入信号为高电平。该高电平信号光耦隔离器件tlp521-1工作，输出一低电平，同时驱动指示灯led发光。该低电平信号通过74hc14施密特反向触发器进行反相得到高电平信号，再经电平转换芯片sn74lvc4245a获得3.3v高电平信号，使输出至dsp引脚上的信号与输入电平信号同相。由于采用的换挡拨叉空挡位置信号传感器为npn型常开式接近开关。当检测到换挡拨叉时，输出一低电平，因此，在设计驱动模块时，不需要进行信号反相处理。经光耦隔离得到的同相信号经电平转换模块后直接输出至dsp引脚上。如图8所示，为所述的串行d/a转换输出调速模块。由于换挡电机调速采用输入模拟电压0-5v电压进行调速，本发明采用spi模块来获得0v-5v调速电压。该模块包括：数字隔离模块、串行da转换模块、精密放大模块，在调速时，数字信号处理器选中10位da转换芯片tlv5638，spi将要转换的数据按照时钟的上升沿输出至tl5638进行da转换，输出的模拟电压经过精密放大芯片opa2376得到0-5v的调速电压。如图9所示，为所述的电机方向控制输出模块，该模块根据控制策略和换挡指令来控制换挡电机的正、反转及制动，使其按照换挡策略来运动。该模块包括两部分：电平转换模块和隔离模块。dsp引脚的驱动能力较弱，驱动模块无法正常驱动光耦隔离芯片。采用sn74lvc4245a实现0/3.3v到0/5v的电平转换，控制信号的驱动能力。电平转换后的信号为0v/5v电平信号，该电平信号通过光耦隔离芯片tlp521-1隔离，输出低电平控制信号到换挡电机驱动器，实现换挡电机的方向控制。同时通过指示灯来显示换挡电机的转向。如图10所示，为双路can通讯模块。其中图10(a)和(b)can模块需要和驱动电机控制器(mcu)和整车控制器(vcu)控制器进行通讯。因此在模块设计时，采用隔离模块，增强抗干扰性能，增加传输距离。该can模块采用数字隔离芯片adum1201来进行电气隔离，can收发器采用tja1050芯片，该收发器在车辆应用中非常广泛。另一路can模块不采用隔离，用于监控和调试，通过采用3.3v供电的can收发器sn65vhd230来进行can数据的收发和分析。如图11所示，为单路sci通讯模块，该单路sci通讯模块包括：数字隔离模块和rs-232收发器max3232收发模块。该部分模块较简单，实现与上位机之间数据传输。如图12所示，为所述的pwm输出模块，该pwm输出模块，可输出带隔离的pwm信号、带隔离的数字量控制信号。该pwm输出模块包括：电平转换模块和光耦隔离模块。首先pwm控制信号经过电平转换，增加驱动能力后得到0v/5v的pwm控制信号，该控制信号采用光耦芯片6n137进行隔离，输出同相的pwm信号。如图13所示，为车辆工作状态和各状态转换逻辑示意，把车辆状态分为：上电自检状态、静止等待状态、前进行驶状态、倒车行驶状态、断电复位状态和换挡状态，各状态切换条件如表1所示。表1状态转换条件名称状态转换条件详解上电自检——>静止等待当前挡位为i挡断电触发信号检测到钥匙断电静止等待——>前进操纵手柄为前进位置，且i挡已挂上，有加速指令前进——>静止等待操纵手柄为前进位置，且i挡已挂上，无加速指令静止等待——>倒车操纵手柄为后退位置，且i挡已挂上，有加速指令倒车——>静止等待操纵手柄为后退位置，且i挡已挂上，有加速指令i挡——>ii挡操纵手柄为前进位置，且i挡已挂上，达到换挡条件ii挡——>i挡操纵手柄为前进位置，且ii挡已挂上，达到换挡条件如图14所示，为本发明控制流程图，整个控制系统分为上层车辆监测状态、中层目标操纵决策及下层电机伺服控制三个层次。在各个状态下，中层目标操纵决策包括：(1)车辆静止状态检测i挡挡位，等待驱动电机指令。(2)前进行驶状态在此状态下，车辆可根据行驶需求在i、ii挡位之间切换；在自动换挡过程中，驱动电机与换挡电机协调工作实现平顺、可靠换挡。(3)倒车行驶状态实现倒车，处于i挡挡位。(4)断电复位状态检测到断电信号后，程序进入断电模块执行状态和数据保存操作直至控制器断电。中层目标决策后，直接调用底层控制子函数执行相关动作。其中，为保证换挡实现，控制器间采用can通讯和协调同步控制方式运行。检测到钥匙断电信号后，tcu延迟一定时间关闭电源。在此延迟时间内，程序进入断电控制子程序，执行相关数据保存工作。待执行完成后关闭主电源。如图15所示，为换挡过程中tcu与mcu交互与协同控制逻辑示意图。该e2amt在自动换挡过程中，当系统满足换挡要求时，tcu首先通过can网络向mcu发出换挡开始指令，待mcu响应换挡指令后，mcu控制驱动电机卸载，使其由转矩模式进入到自由模式；之后tcu根据mcu返回的卸载完成指令，通过换挡电机转向和调速模块发出转动以及调速指令，而后驱动换挡电机带动换挡拨叉移动进行脱挡。当拨叉移动至空挡位置时，tcu根据采集到的空挡位置传感器信号同时通过can网络向mcu发出调速指令和通过换挡电机制动模块向电机发出制动信号；待mcu调速完成恢复至自由模式以及换挡电机制动响应完成后，tcu再次驱动换挡电机转动以及调速进行挂挡。挂挡完成后，tcu控制换挡电机制动，同时向mcu发出换挡完成请求加载指令；待mcu加载完成电机恢复至转矩模式后返回加载完成指令，此时便完成一个换挡周期。整个换挡过程需要tcu和mcu通过can网络实时进行通信，从而协同工作完成自动换挡。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。当前第1页12