1 题目来源
教师提供选题
2 主要研究内容
对汽车自动变速器的控制原理进行详细分析。确定汽车自动变速系统的控制方案，采用AMT的控制方案，进而研究AMT的控制策略与算法。选择主控单片机并进行外围电路设计，包括各种传感器信号采集电路、控制换挡电机驱动电路、CAN总线通信电路等，另外设计开发AMT控制算法，最终实现AMT的系统设计。
3 开题依据
（1）研究现状
随着我国汽车行业的迅猛发展，人们对汽车的需求也越来越高。人们在购车时大多只注重的是发动机的性能，而且这似乎已成为了衡量汽车品质优劣的一个标准，因为它是动力的缔造者。采用计算机和电力电子驱动技术实现车辆自动变速，能消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性，提高车辆的动力性和经济性。但是，却不能忽略掌控速度快慢的变速器。变速器作为汽车传动系统的重要组成部分,其技术的发展,是衡量汽车技术水平的一项重要依据。
（2）研究的意义和价值
目前的自动变速器市场上，最具有的竞争力的是AT、CVT、DCT和AMT。液力机械式自动变速器（AT）最大的优势是换挡十分柔和，并且种类齐全、功能完善、适用于各种功率和扭矩级别的车辆。但是它的生产投资成本也相当高。AT结构复杂、工艺麻烦、维修困难、传动效率低，因此仅仅从节省能源来看，目前的AT可能不具备长久的技术生命力。
金属带式无级自动变速器（CVT）采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传动，真正实现传动无级化，其主要优点是重量轻、体积小、零件少，相对于AT具有较高的传动效率，燃油消耗率较小。但是CVT能够承受的最大扭矩偏小，稳定性略差。因为CVT变速箱采用金属带传动，所以在承受大扭矩动力时，对金属带的要求比较苛刻不能断裂、打滑等，所以早期的CVT变速箱都不能搭载在动力较大的车型上。随着技术的升级，现在的CVT已经可以承受400N·m的扭矩了，但是物理极限不少车型依旧会出现CVT变速箱打滑等故障和稳定性还是要较AT变速箱差一些。
双离合器自动变速器（DCT）的奇、偶数档位的输入轴与相应的离合器连接，在换挡时这两个离合器进行分离、接合过程中有重叠，实现动力换挡。
电控机械式自动变速器（AMT）是在原有的齿轮式机械变速器的基础上加装微机控制系统，对油门、离合器、变速杆的控制均采用了电动机驱动或液压驱动的执行机构，从而实现选档、换挡的自动化控制，使汽车成为自动变速的汽车。它保持了原有的机械传动结构基本不变，所以齿轮转动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来。
首先这是市场的需要。大扭矩、多档位是重型商用车变速箱的发展趋势，这使得司机的驾驶强度越来越大。AMT能够降低驾驶员的劳动强度，提高了驾驶舒适性和安全性，而且能够显著提升车辆的动力性和燃油经济性。由于变速器在汽车结构中具有着重要的作用，因此变速器结构的改进对汽车行业的发展与进步具有着深远的意义。
汽车动力传动系是指汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置，为汽车在各种行驶条件下提供所必需的牵引力、车速，并协调牵引力与车速使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。汽车传动系统的组成包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及半轴等部分。
通过传动系统改变传动比，调节发动机性能，将动力传至车轮，以适应外界负载和道路条件的需要。因此它对车辆行驶性能的好坏有很大的影响。传动系统的性能，突出表现在经济性和方便性。经济性是指传动系统本身的功率损失要小，即传动效率高。方便性是指档位的变化容易实现。
学术价值：当今社会汽车已经成为人类生活中不可缺少的部分，从某种意义上讲，它的普及程度已经成为衡量一个国家工业化程度。
（3）应用前景
汽车工业100多年的历史，主要是动力传动系的技术史。如果说过去内燃机的发展推动着汽车工业前进，那么现在是电子控制变速器带领整个汽车行业迈向新的高度[2]。首先，自动变速消除了驾驶员换挡技术的差异性，自动变速就是让系统自动完成变速要求，以使整车获得最佳动力性与燃油经济性，而与驾驶员的技术水平无关。
4 起止时间和进度安排
2018.03.05-2018.03.11  搜集相关资料，准备进行设计
2018.03.12-2018.03.18  系统总体方案设计
2018.03.19-2018.03.25  设计电源电路并进行仿真调试
2018.03.26-2018.04.01  设计单片机控制模块，包括资源配置和硬件电路
2018.04.02-2018.04.08  轴速传感器电路设计和调试
2018.04.09-2018.04.15  离合器位移传感器电路设计和调试
2018.04.16-2018.04.22  系统整体硬件电路的设计和硬件调试
2018.04.23-2018.04.29  设计CAN总线接口电路和程序设计
2018.04.30-2018.05.06  完善各分系统的程序设计
2018.05.07-2018.05.13  系统调试
2018.05.14-2018.05.20  撰写毕业设计报告
2018.05.21-2018.05.27  撰写毕业设计报告
2018.05.28-2018.06.10  审查毕业设计（论文）
2018.06.11-2018.06.17  审查毕业设计（论文）
2018.06.18-2018.06.24  毕业设计（论文）答辩
5 预期成果及其形式
（1）开题报告；
（2）设计说明书，字数不少于1.5万字，要有中、英文摘要；
（3）系统的系统方框图、电路原理图、电路板图、硬件模拟实物；
（4）调试通过的程序清单；
（5）系统调试通过（实物或仿真）画面；
（6） 英文翻译一份。
以上毕业设计资料纸质版（A4）和电子版（刻录在光盘上）各一份。
（7）定稿毕业论文。
6 可行性分析
6.1具备的条件
（1）通过在学校图书馆、网上查阅相关资料文献。
（2）在老师的指导下对本设计和软件作出全面了解。
（3）在校期间对单片机、汽车变速器有了相应的了解。
（4）通过实地考察，了解目前市场需求。
（5）学校有相关设备，可以进行试验及仿真。
6.2待解决的问题
（1）对课题理解不深，需要更全面的解读。
（2）跟踪的方式。
6.3 研究方法
研究方法有收集资料、通过网络查阅、实地研究。
6.4技术方案
AMT变速器有三种类型，分别为：电控气动AMT，电控液动AMT，电控电动AMT。在这三种控制方式中电控液动选换挡系统具有能容量大，操作简便，易于实现安全保护，具有一定的吸震和吸收冲击的能力以及便于空间布置等优点。本课题的研究方向为电控液动AMT自动变速。
AMT的基本控制原理：由电子控制单元ECU，根据驾驶员的操纵（油门踏板，制动踏板，转向盘，选档器的操纵）和车辆的运行情况（车速，发动机转速，变送器输入轴转速），确定驾驶员的意图及路面情况，采用相应的控制规律，发出控制指令，控制液压，气动或电动执行机构模拟驾驶员的操纵动作，自动完成离合器的分离与接合，选档换挡操作以及发动机油门的调节等动作，以实现车辆起步和换挡过程的自动操纵。主要功能靠软件实现，通过控制软件的优化，保证起步迅速而平稳，换挡快捷且换挡冲击小（涉及算法）而目前应用最多的换挡规律是双参数换挡规律。根据车速v和油门开度α判断换挡的时机，故节点选取了油门开度和车速传感器。
1.AMT电控系统由三部分组成部分：
（1）执行机构是电动机（步进电动机和直流电动机）、电磁阀、液压缸。
（2）传感器包括速度传感器（发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感器）、油门开度传感器、档位传感器等。
（3）电控单元（ECU）包括CPU、ROM、RAM、I/O接口等。
2.主控单片机的选择
在考虑到成本、功耗、处理能力、丰富的软件支持、产品间的兼容性、应用的软件编程环境、处理器的上市时间等原则后，最终选择了Silicon的汽车级MCU——C8051F500[16]。
该单片机是一款汽车专用单片机，接口资源丰富，而且以兼容8051的核心，使开发及后期调试都难度相对减小。虽然是8位单片机，但其特殊的内核设计，具有宽工作电压、宽工作温度范围、抗干扰能力强并内置CAN总线控制器，低功耗且高性能，处理速度高达50MIPS，程序存储器和数据存储器足够大，其他外设均可方便操作，为AMT自动换挡控制提供了强有力的支持。
3.电源电路设计
电源模块采用一片LT8612[17]，该芯片属于凌特公司生产的高稳定性电源芯片，能够进行电源稳定输出，将汽车内的24V电源转化为5V。其工作环境温度为-40。C～125。C的工业级器件，能够提供高达4A的负载电流这一点是非常强大的一点，整个控制系统，由于传感器的数量需要恒流源来支持，这时候我们就需要功率大一点的供电来维持恒流源，从而来保证数据的稳定采集。
4.信号汇总      
驾驶员控制油门踏板和换挡控制器，信号传给ECU，ECU通过信号处理，输出指令给油门控制执行机构、离合器控制执行机构、换挡控制执行机构。
模拟信号种类有离合器位移传感器、选位位移传感器、换挡位移传感器、油源油压传感器。
频率信号是变速箱输入轴和输出轴转速传感器的输出信号。
低电压开关信号是多功能手柄式选档器输出的信号，该信号为5V开关信号；
高电压开关信号有制动信号、手刹信号、高低档信号、诊断信号。
AMT系统的所有操纵机构的执行器都是电磁阀，控制指令由CPU给出，电磁阀的驱动电压是24V，因此需要将CPU输出的控制信号经过隔离后变换为电磁阀的驱动信号。发动机EMS和变速器AMT之间通过CAN总线实现通讯，发动机的转速和差速器输出轴之间速度不统一，通过变速器一定的转速比来协调车身。在各个控制结构和部件之间通过电缆进行连接。
ECU中的CPU电路部分包括程序储存器、系统时钟、复位电路、串行口接口电路、参数储存器。上位机给下位机一个控制信号通过CAN总线实现控制信号的传递。
5.CAN总线介绍
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)的简称，由全球第一大汽车技术供应商德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，总线接口可以在及其恶劣的环境下工作。根据ISO 11898的标准建议，即使双绞线中有一根断路，或有一根接地甚至两根线短接，总线都必须能继续工作。
CAN总线是一种串行数据通讯总线，其通讯速率最高可达1Mb/s。CAN总线具有较强的错误检测能力，通过监视、循环冗余校验、位填充和报文格式检查，使得未检测出的出错概率小于4.7e-11。
CAN总线有如下基本特点：
（1）总线访问采用基于优先权的多主方式。
（2）非破坏性的基于线路竞争的仲裁机制。
（3）利用接收滤波对帧实现了多点传送。
（4）支持远程数据请求。
（5）配置灵活。
（6）数据在整个系统范围内具有一致性。
（7）有检错和出错通报功能。
（8）仲裁失败、或传输期间被故障损坏了的帧能自动重发。
（9）能区分节点的临时故障和永久性故障并能自动断开故障节点。
图3 CAN总线标准
CAN遵循ISO/OSI标准模型，定义了OSI模型的数据链路层（包括逻辑链路层控制子层（LLC）和媒体访问子层（MAC）和物理层。物理层是实现ECU与总线相连的电路。ECU的总数取决于总线的电力负载。CAN能够使用多种物理介质，最常用的是双绞线，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN_H和CAN_L。
6.4.2 软件部分
1. 换挡规律
（1）单参数换挡规律
单参数换挡规律较为简单，但它以车速作为控制参数，无论油门怎么变化，都必须达到换挡车速才能进行换挡，驾驶员无法自主操纵换挡；为了保证车辆有良好的动力性，单参数换挡规律的换挡点基本上都设计在发动机最大转速处，导致车辆换挡噪声大，乘坐舒适性低；同时也无法满足燃油经济性的要求。只有少数军用越野车为减少换挡次数，使用单参数换挡规律。
（2）双参数换挡规律
参数换挡规律的控制参数有车速和油门、车速与发动机转矩、泵轮转速与涡轮转速，目前一般使用车速和油门作为控制参数。在油门开度一定时，当车速超过或低于一定值后，AMT就会换入相应的排挡。依据两个控制参数选择换挡时序，提高了车辆对路况的适应性；同时，驾驶员还可以通过自己的操纵对换挡进行干预，从而更好地适应各种路面状况，车辆性能得到充分发挥。根据换挡延迟的不同，两参数换挡规律又分为等延迟型、收敛型、发散型与组合型等四种。实际上，车辆行驶工况复杂多变，不可能只使用以上四种换挡规律的一种。为满足车辆动力性与燃油经济性的要求，实际车辆中使用的全是组合型换挡规律。组合型换挡规律是由多段不同变化规律组成的规律，以使车辆性能随油门开度变化而变化。一般情况下，油门开度较小时，以舒适、稳定、减少排放为主；中油门开度时，以保障最佳燃油经济性为主，且需满足一定的动力性标准；在大油门开度时，以保证最佳动力性为主。
（3）动态三参数换挡规律
上述单参数和双参数换档规律是以发动机的稳态数据为前提的。但是实际上，车辆在行驶过程中，绝大部分时间都处于加速或减速的动态过程。动态三参数（加速度、车速和油门）换挡规律可以更好的反映车辆的实际工作状态，充分发挥发动机的性能。动态三参数换挡规律的优点有：改善车辆的动力性、燃油经济性，提高乘坐舒适性，并且还可以延长零部件寿命。但由于三参数换挡规律须以发动机动态实验数据为基础，目前为止，主要集中在理论研究，并没有大范围应用推广。
2.软件流程
自动变速器软件系统采用模块化程序设计方法，由主程序、信号处理、换挡决策、执行等模块组成。自动变速器电控系统软件主程序流程图如图所示。
图4 自动变速器电控系统软件主程序流程图
3.CAN总线协议
进行CAN通信设置。在CAN总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符（ID）长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位（IDE），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 ，为将来扩展使用。它的最后四个位用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。报文的尾部由帧结束标出。

7 主要参考文献
[1] 王方.电动汽车动力性能参数匹配及仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2011
[2] 赵志翔.中国变速器的使用现状与发展趋势[J].公路与汽运，2015
[3] 张宏坤，范巨薪，牛明奎.单片机在机械式自动变速系统中的应用[J].电子技术.1996
[4] 路泽永，孙维磊，王晓红.汽车自动变速系统的建模与仿真[J].湖南农机.2013
[5] 张文泰，陈万忠，王拥军.基于单片机控制的高速PWM波形生成系统设计与实现[C].中国电子学会第九次青年学会，2003,8:578-581
[6] 曾文火等.电枢控制方式直流电机伪微分反馈速度调节系统设计[J].电机与控制学报，2005
[7] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社，2002
[8] 高佳明. 电控机械式自动变速器换挡规律的研究与仿真[D]. 大连理工大学， 2010
[9] 葛安林.车辆自动变速器理论与设计[M].机械工业出版社，2001
[10] 李永军，陈树星，崔勇，葛安林.机械式自动变速器起车过程综合控制[J].汽车工程，2003,25(2):178-181
[11] 张建浚.AMT车辆变速系统及控制过程的研究.汽车技术，2005，10
[12] 宋海龙，杨明，范宇等.无刷直流电动机的无位置传感器控制[J].电机与控制学报，2002,6（3）：208-212
[13] 胡文华, 胡仁喜. ALTIUM DESIGNER 13从入门到精通[M]. 机械工业出社，2013
[14] 马文明. AMT换档规律与软件系统开发[D].合肥工业大学，2007
[15] 罗峰，孙泽昌. 汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M]. 电子工业出版社，2010
[16] C8051F50X-F51X 数据手册.[Z]
[17] LM 2937IMP-5.0数据手册.[Z]
[18] 姜峰. 重型商用车AMT自适应换挡规律的研究[D]. 吉林大学，2007