基于虚拟仪器的电动汽车AMT换档性能测试系统

基于虚拟仪器的电动汽车AMT换档性能测试系统
徐艳民;许文奎;陈建良
【摘要】电控机械式自动变速器(简称AMT)用于电动汽车动力传动系统可实现优
异的经济性和动力性,而两档AMT以其低成本优势,在小型纯电动汽车上得到更多
的青睐.为此搭建AMT换档性能测试测试系统,基于LabVIEW和多线程技术设计了测试系统软件,对AMT控制器的换档控制策略及换档性能进行验证和评价,以加快
产品研发进程,推动AMT在纯电动汽车上的推广应用.
【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】4页(P3-5,22)
【关键词】电动汽车;AMT;换档性能;测试系统
【作者】徐艳民;许文奎;陈建良
【作者单位】广东机电职业技术学院,广东广州510515;华南理工大学,广东广州510641;广州孔辉汽车科技有限公司,广东广州511458;广州孔辉汽车科技有限公司,广东广州511458
【正文语种】中文
【中图分类】U467.4;TP391.9
由于内燃机不能带载起动，低速下无法输出转矩，高速下最大输出转矩又急剧下降，因此其可用转速范围较窄，必须使用离合器和多档变速器解决上述问题才能使传统燃油汽车兼顾低速和高速行驶时对转矩的需求。

电动汽车的驱动电机与内燃机相比，
可带负载起动，在低速甚至起步瞬间都可以输出很大扭矩，转速范围也较大，更符合汽车理想的驱动特性要求，可将驱动电机与变速器直接相连，无需离合器，其倒档则完全由电动机反转实现，且因驱动电机本身具有调速作用，所以不需要设置过多前进挡位。

对于目前的纯电动车来说，采用两档式变速器完全能满足电动车在城市运行情况的需要，而且结构简单，控制方便[1]。

如果增加挡位数量，则变速器结构将变得复杂，成本增加的同时，换挡机构设计、选档机构设计、可靠性设计以及总布置设计等的设计难度大大增加。

电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，以下简称AMT)在齿轮是机械变速器的基础上加装电控系统，实现自动换挡，搭配合理的换档控制策略，可获得优异的经济性和动力性，而且AMT具有效率高、成本低、易于制造等优点[2]，无论是在传统汽车还是电动汽车，均有广泛应用。

换挡过程控制是自动变速器的关键技术，它要求换挡迅速、平稳、无冲击[3]。

变速器换挡试验是检测变速器性能必不可少的流程[4]。

搭建两档AMT换档性能测试系统，不仅可以验证AMT控制器的控制策略，而且还可对AMT换档性能进行评价，继而为实车应用提供第一手的测试数据，加快产品研发进程，对推动两档AMT在纯电动汽车上的应用起到重要作用。

所开发的两档AMT换档性能测试系统利用加载装置模拟变速器使用环境，通过转速转矩传感器测量变速器的输入转速和转矩、输出转速和转矩，计算换档时间，分析换档冲击、传动效率，同时还可对变速器进行疲劳寿命测试。

测试系统将被测两档AMT输入轴经由转速转矩传感器连接到与之匹配的驱动电机的输出端，输出轴通过转速转矩传感器连接到加载装置，将驱动电机控制器、AMT控制器和加载装置控制器连接到工控机，构成一个可模拟AMT实际运行环境的完整系统。

测试系统总体架构组成框图如图1所示。

图中驱动电机经由转速转矩传感器连接到AMT的输入轴，AMT的两个输出轴分
别通过转速转矩传感器连接到两边的加载装置。

AMT控制器、电源管理系统和电机控制器通过CAN总线连接到工控机的CAN通讯接口板卡，用于获取各控制器的输出参数和实现对驱动电机、动力电源及加载装置进行控制。

通过安装在工控机内部的多功能数据采集板卡采集各传感器的信号和控制加载装置。

加速踏板、制动踏板、AMT档位等信号均由工控机输出的模拟信号代替，以便实现测试系统的自动化运行。

2.1 虚拟仪器及LabVIEW图形化编程环境
自从虚拟仪器问世以来，工程师们利用软件不断的设计
出各种试验及控制用仪器，提高了产品质量，减少了产品开发周期，大大降低了生产成本[5]。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW[6]。

LabVIEW是一种采用图形化编程语言的开发环境，被认为是数据采集和控制的最佳软件之一[3]，在工业、学术界广泛用做开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件。

LabVIEW语言用图形化编程代替文本编程，其执行程序的顺序由连接的方框图之间的数据流决定，而不像文本程序受到行顺序的约束。

如图2所示为本测试系统变速器输入扭矩和输入转速参数实时采集进程的程序框图，程序结构及功能一目了然，直观易懂。

通过采用图形化编程方法，使用户从复杂枯燥无味的文本编程中解放出来，无论是编程过程，或是使用过程，都更加便捷[7]。

2.2 转速同步与档位判断
有了变速器的输入输出转速，可计算出变速器的传动比，根据传动比变化情况可判断当前变速器的转速同步时间、换档是否平顺以及换档策略是否准确。

如图3为转速同步判断进程，如图4为档位判断进程。

2.3 油门开度的设定和换档扭矩的测量
通过在变速器换档执行机构中设置扭矩传感器，在自定义的油门开度信号下，使系统自动运行，可获取换档扭矩参
数实时变化情况。

如图5为自定义油门开度和换档扭矩测量进程的程序框图。

2.4 CAN通讯协议解析
AMT控制器判断是否需要换档的依据来自于电机控制器，因此需要工控机通过CAN通讯卡连接电机控制器，对CAN通讯协议进行解析，进而从电机控制器获
取电机转速、电机温度、控制器温度、故障码等参数，为电机供电的电池的电压、电流、电量等参数，以及实车运行时对应的车速、里程等信息。

通过这些信息不仅可以判断驱动电机工作状况是否正常，同时也可掌握AMT换档的触发依据，进而判断换档策略是否正确。

如图6为电机控制器CAN通讯协议解析进程的程序框图。

基于LabVIEW开发了本系统的人机交互界面。

该人机交互界面基于选项卡控件，以可切换的面板的形式，实现了直观友好的人机交互功能，主要设置了系统运行主控面板、变速器运行监测面板、电机运行监测面板及车辆运行监控面板等。

系统运行主控面板如图7所示。

主控面板主要包括用于控制驱动电机的控制按钮、状态
指示灯、仪表表头、数字显示与输入控件等。

变速器运行监测面板可直观显示变速器输入输出轴的转速和转矩变化曲线，进而更清晰地了解变速器换档过程中转速转矩变化情况。

电机运行监测面板主要监测AMT换档电机的换档扭矩、驱动电机的油门输入信号及驱动电机控制器输出的整车参数等。

车辆运行监控面板主要用于模拟汽车各种运行工况，并监控各种工况下整车参数的变化情况。

两档AMT有利于提升纯电动汽车整车经济性、动力性和续驶里程，成本较低且不会过多增加传动系统的复杂程度，非常适合在纯电动汽车上推广应用。

基于虚拟仪器开发平台LabVIEW所开发的两档AMT换档性能测试系统实现了对驱动电机控
制器、AMT控制器、加载装置等的有效控制，能够实时测量和直观展示变速器的
输入、输出轴的扭矩、转速，对换档过程中的换档状态进行实时监控，系统人机交互界面友好，简单直观且操作简便，不仅有助于开展AMT产品开发，而且也可用
于产品出厂检验、实验教学等场合。

【相关文献】
[1] 周云山，周晶晶，蔡源春.纯电动汽车两挡自动变速器转矩控制及其换挡动态仿真[J].科技导报,2013(Z2):39-42.
[2] 孙仲立.基于Labview的EMT变速器试验台架的研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.
[3] 孙鲁，吴光强，王雷雷，等.机械式自动变速器换挡过程标定系统设计[J].汽车技术,2012(5):5-9.
[4] 米林，吴俊，谭伟.基于PAC的汽车变速器换挡试验台系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2014(2):11-15.
[5] 倪小波.汽车机械式变速器性能试验台设计与研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.
[6] 孟庆军.汽车自动变速器数据采集及故障诊断系统设计[D].合肥：合肥工业大学,2009.
[7] 黄旭华.汽车自动变速器虚拟测试系统研究[J].黑龙江科技信息,2014(8):70，72.。