具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

电动汽车的电驱动系统，包括：驱动电机、驱动电机控制器(MCU)、2AMT自动变速器本体和变速器控制器(TCU)，在进行实车试验之前，需要对各个组成模块进行调试和标定，以便更好地匹配车辆。台架试验前期需要准备试验需要的连接部件，匹配电器连接的端子，布置测试需要的传感器，调试测控系统等。无离合器换挡试验实现的是驱动电机和变速器协同控制，这一过程需要驱动电机在转速和扭矩模式之间快速切换，换挡执行电机精确的位置控制等。为了验证换挡试验的平顺性，需要把整个过程拆解为驱动电机模式切换试验、换挡执行机构试验、TCU调试试验以及最后的协同控制负载试验。

试验原理：当电动车正常行驶时，驱动电机处于扭矩模式。在换挡过程中需要对驱动电机进行调速，因此，MCU需要将驱动电机的工作状态切换到转速模式。摘除当前挡位之前，驱动电机的工作模式将从扭矩驱动模式切换到自由运行模式，变速器输入端的扭矩为零，这就相当于手动变速器的离合器分离过程，从而换挡电机能够顺利的带动同步器完成摘空挡操作。当同步器处于空挡位置时，变速器的输入轴和输出轴处于分离状态，输入端与驱动电机相连，输出端通过传动轴、主减速器和半轴与车轮相连。由于整车的惯量较大，在换挡过程中变速器输出轴的转速基本保持不变，由于变速器从一个挡位切换到另外一个挡位时，输入轴和输出轴之间的传动比发生了变化，为了减少换挡过程中的冲击，需要对变速器输入轴转速进行主动控制，使其能够匹配新的挡位。因此，驱动电机的工作模式将从自由运行模式切换到转速模式。通过驱动电机自动调节转速，同步器主、从动部分的转速差缩小；完成电机调速之后，为了顺利挂挡，驱动电机工作模式要从转速模式换到自由运行模式，以便于自动变速器顺利切入目标挡位；完成挂挡后，驱动电机工作模式要由自由运行模式切换回扭矩驱动模式，MCU将驱动电机重新恢复至扭矩模式，并按照驾驶意图输出驱动扭矩，换挡过程完成。

本发明对电动车的电驱动2AMT变速器动力总成换挡协同控制进行试验测试，可以拆解为：驱动电机模式切换试验、换挡执行机构和TCU调试试验以及最后的MCU和TCU协同控制负载试验等几个子模块，最后进行试验数据处理，搭建一个电驱动2AMT变速器动力总成换挡协同控制的综合测试系统。

1.驱动电机模式切换试验。

在驱动电机+2AMT的新型动力系统中，由于存在换挡过程，驱动电机需要根据换挡需求采用不同的模式控制。在整个换挡过程中，驱动电机主要工作在三种模式下：扭矩模式、自由模式和转速模式。

(a)扭矩模式。此时，MCU接收加速踏板的开度值来确定驱动电机的输出扭矩。此时，加速踏板开度反映驾驶员对驱动电机的扭矩需求，驱动电机不进行速度闭环控制。

(b)自由模式。此时，MCU控制驱动电机的定子电流，使原有电流逐步下降直至变为0。此时驱动电机处于自由模式，在此模式下，驱动电机靠自身的惯性自由转动，对外不输出扭矩。

(c)转速模式。此时，MCU对驱动电机进行转速闭环控制，即根据期望的转速指令，将驱动电机转速调至一定误差范围之内。

在本发明中，选用的驱动电机为交流异步电机(IM)，并采用矢量控制方法进行控制，采用转子磁场定向方式来实现。其基本思路是：在磁势和功率不变的原则下，采用正交变换将静止ABC坐标系下的驱动电机数学模型，经过Clarke变换和Park变换，转换成两相旋转坐标系下的数学模型。

在两相旋转坐标系d-q下，异步电机的定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两直流分量i_d和i_q，其中控制i_d相当于控制磁通，控制i_q相当于控制扭矩。在旋转坐标系d-q下，基于转子磁场定向控制的异步电机转子磁链方程为：

式中T_r为转子时间常数，T_r＝L_r/R_r，i_sd为定子电流在d轴上的分量。可以看出，转子磁链ψ_r与定子电流分量i_sd之间为一阶惯性环节。因此，控制好励磁电流i_sd就可以控制转子磁链ψ_r。此时，驱动电机的扭矩方程为：

可以看出，驱动电机的扭矩是与定子电流q轴分量i_sq和转子磁链ψ_r成正比的。因此，可通过控制i_sd和i_sq来控制驱动电机的电磁扭矩。在传统交流电机的控制中，通常按电机的扭矩与转速不同阶段的输出特性加以控制。当驱动电机的转速在基速以下时，保持励磁电流i_sd为额定值，通过调节i_sq来改变扭矩输出，实现恒扭矩控制；当驱动电机的转速在基速以上时，通过调整励磁电流i_sd保持i_sd·ω_r≈常数，同时调节扭矩电流i_sq并保证T_e·ω_r≈常数，实现弱磁控制。

在扭矩控制模式下，MCU根据驾驶员指令和预设的控制策略，通过加速踏板开度来设定驱动电机扭矩目标值，直接调节驱动电机的d轴和q轴电流分量，实现控制驱动电机的输出扭矩。此时，扭矩采用开环控制，直接用于牵引车辆行驶。

在转速控制模式下，MCU根据TCU给定的调速指令，调节转速控制器的目标转速，使驱动电机的输出转速快速到达指定转速。为尽可能地缩短换挡时间，驱动电机的调速响应越快越好。在转速控制中，MCU采用转速闭环控制快速完成调速过程。

驱动电机模式切换的台架试验主要包括三部分：验证驱动电机扭矩控制性能、验证驱动电机转速控制性能和分析驱动电机扭矩/转速模式切换性能。

驱动电机模式切换试验过程如下：

1.1、试验前工作：检查台架各组成部分的机械连接是否完整；检查电气设备是否存在漏电，线路连接是否存在短路；检查各传感器是否能够正常工作等；

1.2、动力电池唤醒：试验开始先闭合继电器，调节动力电池直流电源电压上升至330-350V；

1.3、MCU唤醒起动：将2AMT自动变速器挡位分别固定于Ⅰ挡和Ⅱ挡，调节加速踏板开度，运行驱动电机；

1.4、负载电机施加转速负载，调节负载电机的转速和扭矩，控制加速踏板调节驱动电机转速维持在特定工况；

1.5、控制平台监控系统：数据采集通过CAN总线采集驱动电机的踏板开度转速及扭矩信号，通过台架扭矩仪及编码器采集负载电机的转速及扭矩信号；

1.6、试验结束有序断电卸载：先将驱动电机卸载，传动系统停转后，关闭直流电源，等待母线电压下降到12V以内即可停机；

1.7、试验数据分析，为保证试验的可靠性重复试验，每项试验重复30次。

2.换挡执行机构试验和TCU调试试验。

电动换挡执行系统由换挡执行机构和执行电机两部分组成，换挡执行机构包括无刷直流换挡电机、蜗轮蜗杆减速机构、凸轮转鼓、换挡拨叉、同步器和空挡位置传感器等，换挡执行电机采用的是高性能稀土永磁无刷直流电机。电动换挡执行机构的设计目标是实现准确、可靠与快速换挡。换挡技术性能指标如下：换挡行程s＝21mm，换挡力F>300N，换挡时间t<1s或t最小。电驱动2AMT的变速器控制单元(TCU)包括外壳、卡板、印刷电路板和接插件，其中最主要的部件是印刷电路板PCB，该集成电路板主要包括：电源模块、转速信号采集模块、位置信号采集模块、开关信号采集模块、控制模块、串口通讯模块、CAN通讯模块和驱动模块等。TCU的软件部分主要包括I/O，TIM计数，A/D采样模块，CAN通讯和PWM驱动等功能。如图1所示，是本发明实施例的TCU控制完成换档操作的流程图。换挡执行机构首先接受TCU的换挡指令进行摘空挡操作，通过换挡电机的霍尔信号和空挡位置传感器进行同步器位置反馈，确定何时到达空挡位置，进而TCU向MCU发出调速指令。调速完成之后，TCU控制换挡电机进行挂挡操作，此时通过换挡电机霍尔信号来确定是否到达目标挡位，同时把同步器位置信息反馈给TCU，进而控制驱动电机恢复扭矩模式。换挡执行机构的控制决定着换挡时间和换挡的可靠性，需要对换挡执行的一些控制参数进行标定和优化，因此需要设计换挡执行相关的台架试验。

TCU是2AMT的电子控制单元，当接收到输出轴转速信号和MCU发出的指令，经换挡逻辑控制换挡电机的正反转来完成升挡或降挡操作。要验证TCU的控制性能，首先需要验证在无负载时TCU对换挡电机的控制性能，然后再进行一些不同转速下的换挡试验，以证明换挡过程的可靠性。最后在试验台架上，驱动电机拖动行驶循环工况，模拟整车实际道路情况来检验真实工况下实现自动升挡与降挡过程。

电驱动2AMT系统的变速器设计过程中需要考虑齿轴系统各关键参数，如主减速器的齿数和减速比、由两档的减速比确定1档、2档齿轮的齿数和减速比等。通过设计和优化得到的电驱动2AMT系统的变速器设计的关键参数。当变速器齿轮系、轴承和壳体等各各部件都设计之后，需要考虑将各子部件集成装配。电驱动2AMT系统需要实现整车驱动和换挡控制等功能，为此需要采取合理的传感器配置以采集所需的状态信息，从而稳定实现所设计功能。

换挡策略和换挡规律是电驱动2AMT系统控制的关键内容，通过换挡规律的设计可保证电动乘用车整车兼顾动力性和经济性。换挡控制策略主要由TCU实现。对于TCU控制所需的状态信息，TCU通过转速信号模块来采集变速箱的输出轴转速；通过位置信号模块采集整车的加速踏板位置、变速箱档位位置等；并通过开关信号模块采集整车的钥匙开关、刹车信号等。TCU控制功能是根据所采集的转速信号、位置信号和开关信号等进行综合分析运算，判断车辆状况、路面状况、驾驶员意图、换挡时机，从而发出控制指令给驱动模块，同时与串口通讯模块和CAN通信模块进行数据传输，接收整车其它控制器的有用信息，以及发送命令给其它控制器协助AMT进行控制；串口通讯模块和CAN通讯模块用来保持AMT与整车其他控制器进行数据传输；驱动模块在接收控制模块的控制指令后驱动AMT换挡电机。

换挡规律分为三种，即动力性、经济性和综合性换挡规律。考虑车辆使用一挡起步时，在速度未达到50km/h前不进行升挡。同时，为避免车辆低速行驶情况下动力电机工作转速长时间较高，降挡速度不宜过低。在台架试验中分别进行静止状态换挡试验和负载换挡试验。

静止状态换挡试验。在驱动电机和负载电机都处于静止状态，TCU控制换挡执行电机进行循环升降挡操作。根据霍尔位置信号，来控制同步器是否到位，通过空挡位置传感器来修正霍尔在循环过程造成的累计误差，通过控制换挡电机的正反转来控制升降挡操作。电驱动2AMT系统可在静止条件下顺利实现换挡功能。换挡过程占用时间大约1s，可较快实现换挡，从而保证电驱动2AMT驱动过程中整车平顺行驶。

负载换挡试验。在驱动电机运行于扭矩模式时，负载电机运行于转速模式，此时电驱动2AMT试验台架模拟了电动车整车运行工况。对踏板开度加以控制相当于控制整车车速，进而使驱动电机转速穿过换挡线，进行换挡操作，包括动力性换挡和经济性换挡。

在驱动电机和负载电机都处于静止状态时，TCU控制换挡执行电机进行循环升降挡操作。根据换挡电机的霍尔信号，来控制同步器是否到位，通过空挡位置传感器来修正霍尔信号在循环过程造成的累计误差，通过控制换挡电机的正反转来控制升降挡操作。

进行换挡执行机构试验和TCU调试试验的具体步骤如下：

2.1、首先使驱动电机和负载电机处于自由状态，手动转动输出半轴，半轴可轻松转动确定整个传动系正常工作；

2.2、试验开始，先检查挡位传感器的安装是否正确，然后给TCU供12V的直流电源，结合传感器信号对空挡、Ⅰ挡和Ⅱ挡的位置进行手工标定；

2.3、标定完成后，开始执行50-100个循环的Ⅰ挡升Ⅱ挡和Ⅱ挡降Ⅰ挡试验；

2.4、如果换挡电机出现堵转，则马上断开12V电源，重新标定各挡位位置的圈数，直到换挡电机不出现卡死为止；

2.5、试验结束后，记录空挡位置至Ⅰ挡和Ⅱ挡的圈数准确数据，用以进一步完善换挡过程电机的加、减速以及换挡平顺性。

3.MCU和TCU协同控制负载试验，即：MCU+TCU协同控制换挡。

TCU是自动变速器的大脑，控制换挡策略决定着自动变速器的换挡品质。TCU首先根据车速传感器和踏板开度信息，确定换挡时机，然后与MCU进行信息交互，协同完成这个换挡过程。为了验证自动变速器的换挡性能，最后需要进行TCU试验。为顺利完成换挡，需要TCU和MCU搭配协同工作。因此，TCU和MCU之间的信息交互十分重要。而控制器局域网(CAN，ontrollerareanetwork)是目前应用在汽车上的最广泛的通信网络，因此本发明采用CAN网络实现TCU与MCU的协同通信。在车辆一般运行状态下，MCU通过CAN网络按时向TCU发送动力电机的转速、扭矩等参数，使得TCU能够对系统的运转状态进行判断；而在车辆进行挡位切换时，需要MCU和TCU之间实时进行数据交互，以便完成换挡过程各个阶段的相应工作，确保系统顺利可靠地完成换挡。

本申请的2AMT系统TCU和MCU之间的数据交互依靠CAN报文完成，如图2所示，是本发明实施例的TCU和MCU之间的数据交互通信逻辑示意图。TCU和MCU之间的数据交互通信内容包括：报文0x1000A1B1，代表TCU发出“换挡开始”指令；报文0x1001A1B1，代表TCU发出“挂档完成”指令；报文0x1002A1B1，代表TCU发出“换挡请求”；报文0x1003A1B1，代表TCU发出“换挡请求”；报文0x1004A1B1，代表TCU发出“变速器挡位信息”(每20ms发送一次)；报文0x1000B1A1，代表MCU发出“扭矩为0”信息；报文0x10001B1A1，代表MCU发出“调速完成”指令；报文0x1002B1A1，代表MCU回复“换挡请求”；报文0x1003B1A1，代表MCU发出驱动电机转速、脚踏板电门开度等数据。

试验过程中，可以通过试算换挡电机圈数准确判断换挡情况。比如，报文1005A1B1接收到信息0101799A，高字节0x01(十六进制)，低字节0x79(十六进制)，计算公式：换挡电机圈数＝(256*HEX2DEC(高字节)+HEX2DEC(低字节))/24＝(256*1+121)/24＝15.7。此时换挡电机圈数为15.7圈，每完成一次摘挡/换挡动作，换挡电机圈数数据清零。

如图3所示，是本发明实施例的换挡过程的具体控制流程示意图。整个过程当中驱动电机从扭矩模式切换到自由模式，其次从自由模式切换到转速模式，再从转速模式切换到自由模式，最后再从自由模式恢复到扭矩模式。要实现换挡过程的快速可靠，首先要对驱动电机的模式切换过程进行系统的调试标定。针对现有的驱动电机和MCU，需要修改MCU当中的一些控制逻辑来完成换挡需要的指令要求，同时需要台架试验对驱动电机的模式切换过程进行调试和标定。

MCU和TCU的协同控制负载试验的步骤如下：

3.1、试验前准备：检查2AMT自动变速器挡位是否在空挡，TCU是否供电正常；

3.2、动力电池上电：给驱动电机提供上350V高压直流电，换挡杆置前进挡，驱动电机扭矩模式，负载电机转速模式。

3.3、控制加速踏板开度信号：增大开度信号，驱动电机提速，直到转速越过升挡线，完成升挡；然后控制踏板开度信号使其减小，使得驱动电机降速，穿越降挡线，进而实现降挡操作。如此进行几个循环的升降挡操作。

3.4、试验结束：先对负载电机先行卸载，然后驱动电机卸载，关闭高压电源，停机。

4.试验数据处理。

4.1、图形化数据后处理与实验报告。

试验过程测量记录的数据包括：台架扭矩仪和转速传感器采集的电机扭矩转速等物理量和功率计采集记录的电流电压等数据。在台架试验过程中，为了比较直观的看到2AMT的升降挡过程，试验中的数据进行图像化处理，得到如图4所示的本发明实施例的测试数据的图像化处理的示意图。从图4中可以直观地看到，升1档时间为187.4秒到188秒用时0.6秒，换档电机转了20圈，而升2档的时间为188.5-190.6用时为1.1秒，说明AMT变速系统换档过程中出现了机械故障，如运转不畅、或堵转甚至机械卡顿等现象，换挡过程当中可能存在的空挡位置误差累计问题；1档升2档的一秒过程中，驱动电机的转矩0-80NM之间波动，转速从2600到1400之间调速，减速增扭的过程，188.6-189秒中间的波动也显示出了1-2升档最初过程中的机械卡滞。通过对台架试验过程的分析和诊断，可以发现2AMT变速器、TCU以及整车控制等存在的问题，以便于解决问题并顺利完成试验。

4.2换挡过程优化。

通过对台架试验结果的分析，可以发现TCU与整车控制存在的问题，然后针对整个换挡结果，从机械结构设计和控制算法优化两个方面分析影响换挡性能的原因，并提出针对性的解决方案。针对换挡过程当中可能存在的空挡位置误差累计问题，可以选用精度更高一个等级的传感器或者进一步改进位置标定的方法；针对动力系统运转过程中可能出现的机械故障如运转不畅甚至机械卡顿等现象，做好相应的准备工作等等。台架试验顺利完成后，通过对试验结果数据的分析，可以从机械结构设计和控制算法优化等几个方面分析影响换挡性能的原因，并提出针对性的优化换挡过程以及提升换挡时间的方案，例如换挡机构的进一步优化以及换挡电机的控制算法优化等方面。

下表是本发明的电驱动两档自动变速器的测试方法的实例化实施方式：

利用上表中的试验设备，可以实现电驱动2AMT变速器动力总成换挡协同控制的全面测试。

如图5所示，是本发明实施例的测试系统的结构原理示意图。一种2AMT变速器动力总成换挡协同控制的测试系统，应用前述的测试方法，包括：待测试的2AMT自动变速器，2AMT自动变速器分别与驱动电机和负载电机连接，驱动电机和2AMT自动变速器输入轴之间通过十字联轴节连接，2AMT自动变速器输出轴一侧通过半轴和过渡法兰与负载电机连接，另一侧通过半轴与固定支架连接进而固定在试验台架上。驱动电机为三相异步驱动电机，驱动电机与电机控制器(MCU)之间通过高压铜线连接，动力电池为MCU提供330V高压直流电源，MCU接线端连接有功率分析仪，可检测三相交流电压和电流信号。电机控制器(MCU)是电源变换的功率模块，负责将动力电池组350V高压直流电转换成三相交流电，并向驱动电机供电。同时，在MCU的控制下，驱动电机可以在某给定的扭矩和转速状态下运行。上位机分别与驱动电机、负载电机和监控仪连接，实时向负载电机和驱动电机发出控制信号，并负责整个负载系统和驱动系统的控制和一些主要数据的采集。负载电机完成用于模拟整车负载，扭矩和转速信息通过自带的扭矩和转速传感器进行采集，并通过Ethercat网络传送到上位机。MCU和TCU之间通过CAN联接，可以实现换挡过程的实时控制。上位机采用计算机，上位机采用LabView测控系统配合NI的数据板卡实时对台架进行控制，根据用户自身的要求，图形化界面更方便；上位机具备数据分析功能，对各CAN点采集的数据进行解析，从而得到不同的数据结果，形成不同的图形化曲线，分析出2AMT变速器动力总成换挡协同控制的整体性能情况。