电控液力自动变速器控制单元的设计

陈 杰, 张崇巍, 孔慧芳

(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥 230009)

相对于配备手动变速器的汽车,配备自动变速器的汽车可以大大降低驾驶操作的复杂性和劳动强度,减轻驾驶员的疲劳并减少事故的发生,因此在将汽车作为普通代步工具的发达国家,配置自动变速器的汽车已占绝对多数。我国目前生产的汽车大多为手动挡,自动变速器的研发和生产还处于起步阶段,体现为我国与发达国家在汽车技术水平上的重大差距之一。

自动变速器可分为AT、AMT和CVT等类型,其主要功能都是根据汽车运行的实时相关参数,按照优化汽车燃油经济性和操控性的目标,正确地改变变速机构的传动速比,因此进行这种控制决策的智能化传动控制单元(Transmission Control Unit,简称TCU)必然是自动变速器总成中的关键组成部分,也是自动变速器研发和生产的关键。

本文基于微控制器MC9S12XET256设计了一个电控液力自动变速器(AT)的TCU。AT为一个有级自动变速机构,其TCU的工作原理为：TCU对换挡操作的决策取决于某些特定的控制参数,有关这些控制参数的信息可由AT本身的传感器采集,也可以由汽车中的其它电子控制单元(ECU)采集,并通过如CAN总线那样的汽车控制网络传输接收。TCU在获取这些信息后,与预先存储在TCU中的换挡规律进行比较计算,确定目标挡位,向相应的电磁阀发出指令,控制执行机构的离合器和制动器的动作;换挡过程中,需要调用油压控制规律和液力变矩器控制规律,分别对油压以及液力变矩器的分离、滑摩和锁止[1]进行控制,完成自动换挡功能;在执行换挡的同时,还需要通过CAN总线向ECU发送减扭信号以减少换挡冲击,从而提高换挡品质。

对于配备了CAN总线测控网络的汽车,故障诊断仪可以通过CAN总线读取故障代码,进行故障诊断[2]。

1 两参数换挡规律的制定

汽车发动机输出的转矩经传动系传递到驱动轮上,作用于驱动轮上的转矩Tt,使车轮对地面产生一圆周力F0,路面对驱动轮产生反作用力Ft,此外力称为驱动汽车的外力[3,4],单位为N,驱动力数值为：

滚动半径r由(2)式近似估算：

汽车行驶速度与变速器挡位及发动机转速的关系为：

其中,Tt为作用于驱动轮上的转矩;Ttq为发动机扭矩;d为轮胎的自由直径;F为计算常数,子午线轮胎取3.05;ne为发动机转速;ih为液力变矩器变矩比;ig为变速器的传动比;i0为主减速器的传动比;ηT为传动系的机械效率;r为车轮半径。

换挡规律的研究是以车辆的稳定行驶为前提,以最佳动力性能或最佳燃料经济性能为目标,从而求解车辆行驶的最佳换挡点。换挡规律的控制参数可以有不同的选择,取车速为控制参数是一种人们熟知的单参数换挡规律,即单纯地根据车速改变挡位。显然,单参数换挡并不能满足最佳动力性能或最佳燃料经济性的目标,因此需要增添新的控制参数。一种换挡规律选择车速和油门开度作为控制参数,这是目前采用最多的两参数换挡规律。

不同油门开度(TPS为10%～100%)下不同挡位的驱动力与车速的关系曲线如图1所示。在图1中,取同一油门下相邻两挡驱动力曲线的交点为两参数动力型换挡规律的换挡点[5,6],可以减少或避免换挡时的冲击。

图1 不同油门开度下的换挡特性

以图1为依据,即可以得到基于油门开度和车速这2个控制参数的换挡规律,如图2所示。针对4挡自动变速器,图中分别给出了3条升挡曲线和3条降挡曲线,这6条曲线可以很容易地存储在TCU的参数存储区。在车辆运行时,TCU软件中的换挡模块可以很容易地根据实时的油门开度和车速进行判断和换挡决策。

图2 动力型换挡规律

在获得上述换挡规律后,设计任务就转移为如何在TCU的运行中实现,并进一步转变为自动变速器的真实动作。

2 TCU的硬件组成

TCU是自动变速器的核心,它需要执行控制参数(车速和油门开度)的获取,换挡判断和决策,将换挡决策通过驱动电路转变为执行机构(开关电磁阀和比例电磁阀)的动作。硬件电路的设计必须满足功能的需求,并为换挡决策提供良好的平台。

TCU硬件的核心是微控制器。AT控制单元输入信号和执行机构较多,实时性要求很高,此外还要考虑汽车运行环境的严酷性,甚至还要考虑汽车统一设计时与其它ECU在硬件设计上的通用性和可扩展性。

本设计在TCU的硬件设计中选用了Freescale公司生产的新款高性能的16位微控制器MC9S12XET256作为主控芯片。该微控制器有丰富的内部资源,例如内部集成了协处理器XGATE,增强了微控制器的中断处理能力,含有256 kB的Flash、16 kB的 RAM 等。此外,该微控制器还配置了一些针对汽车电子的功能模块,能够满足目前流行的CAN通信技术、LIN通讯技术的需要,其性价比相当高,在TCU的设计、开发、调试以及实验过程中表现出明显的优势,微控制器片上资源的使用使得TCU硬件设计简化,同时可大大提高系统的可靠性。

本设计中 TCU硬件由MC9S12XET256、电源及复位电路、传感器接口电路、电磁阀驱动电路、信号显示电路及CAN总线接口等组成[7,8],其结构如图3所示。

图3 T CU硬件结构

在上述电路组成中,微控制器的最小系统、指示灯驱动、电源以及CAN总线接口等的电路设计均较为标准化,故不作详述。在TCU的电路设计中具有特殊性的是传感器接口与电磁阀驱动电路的设计。

3 传感器接口与电磁阀驱动电路

3.1 传感器接口电路

AT的TCU本身需要采集一些与换挡有关的信号,这些信号有的是换挡的控制参数(如油门开度和车速),有的是换挡操作的逻辑控制条件(如油压)。有些信号在完整的汽车总线系统中可由总线通信从其它ECU获取数据,而在总线系统尚未完善时,这些信号则只好由TCU从传感器获取。

传感器接口电路有3种类型：开关量接口电路、模拟量接口电路和频率量接口电路。

开关量信号主要有点火开关、升降挡开关和换挡模式开关等信号。在开关量输入电路的设计中,开关量信号通过箝位二极管和上拉电阻转换成与微控制器兼容的电平,经过低通RC滤波后输入到微控制器开关量输入端口。

模拟量信号有油压信号和变速器油温信号等。模拟量信号由相应传感器采集并经过调理和滤波后,输入到微控制器的AD端口。

频率信号主要有车速信号、泵轮转速信号和涡轮转速信号。频率信号通过转速传感器采集,通过箝位二极管和上拉电阻,转换为整形芯片能够兼容的电平,经过整形和滤波后,输入到定时器模块进行捕捉。

3.2 电磁阀驱动电路

电磁阀是TCU与液压换挡驱动系统之间的接口,电磁阀驱动电路有2种类型：开关电磁阀驱动电路和比例电磁阀驱动电路。本设计中开关电磁阀驱动电路由驱动芯片TLE6220GP及其外围电路组成;比例电磁阀驱动电路由TLE7242G驱动芯片、MOSFET以及外围电路组成。

T LE6220GP是一款低压端开关芯片,该芯片具有一个串行外围接口SPI,微控制器可以通过该接口向芯片送入一个8位的控制字与芯片上的4个开关输入配合控制输出通道的通断。开关输出级具有箝位、防短路和防过载功能,适合于驱动电磁阀一类的感性负载。输出级结构为漏极开路电路,因此驱动电磁阀时需要接在电磁阀线圈和电源地之间。SPI可以通过其三线制串行接口方便地与微控制器交换信息,不仅可以控制开关操作,也可返回故障信息,可见T LE6220GP的应用具有相当的灵活性。

T LE7242G是一款具有4路独立预驱动器的芯片,各路输出PWM波形的频率可通过编程设定,而脉宽则由芯片内部的一个 PI调节器来确定。

在图4所示的比例电磁阀驱动外部电路中,PWM输出经MOSFET进行功率放大和滤波得到直流驱动电流,采样电阻对电磁阀的驱动电流采样并经与该路输出对应的POSX和NEGX引脚反馈至芯片内部的PI调节器,从而实现输出的恒流控制。芯片的编程通过SPI接口进行,编程的内容包括PWM 的频率、PI调节器的KI和KP以及电流设定值等。芯片的电流控制精度可达到2%。

图4 电磁阀驱动电路

3.3 比例电磁阀驱动电路测试实验

比例电磁阀的电流闭环PI控制器的参数KP和KI的计算公式为：

自然频率wn的计算公式为：

其中,Vbat为电磁阀供电电压;LC为电磁阀线圈电感值;RC为电磁阀线圈电阻值;Rsense为电流检测电阻;ζ为阻尼比;FPWM为发出PWM的频率;FCLK为TLE7242G工作频率。

设计中在实验室对驱动比例电磁阀的动态响应进行了实验,设置驱动电流在200～1000 mA之间进行切换,电流由0.2 Ω采样电阻获取并反馈给输出级内的PI调节器。电流动态响应曲线如图5所示。

实验结果表明,设置的PI控制器参数能够使电流的动态响应有很好的响应速度和稳态特性。

图5 电流切换动态响应曲线

4 TCU的软件设计

4.1 主程序设计

TCU主程序如图6所示。

图6 T CU主程序

主程序由初始化模块、中断模块、显示模块和换挡模块组成,其工作流程大致为：

上电自检后首先进入系统的初始化,然后读取车辆的挡位信号以及传感器信号以获取车辆状态并显示挡位信息;然后进行故障诊断,如果不存在故障,调用两参数换挡规律,进行换挡逻辑判断,进入换挡模块不同的控制子程序。

换挡控制子程序结束后,如果不停车熄火,则重复上述过程,执行正常的程序循环;如果存在故障,进入实时中断程序,进行故障处理和停车。

车身状态信号通过实时中断服务程序采集,实时中断周期定为10 ms。开关量信号直接从IO端口读取;模拟量信号采用中值法和平均值法相结合进行数字滤波;频率量信号捕捉连续的2个上升沿。

4.2 换挡模块程序设计

换挡模块程序在图6所示的主程序中调用,其功能是根据车辆的状态,通过换挡规律确定目标挡位,并执行换挡操作。

换挡过程中要对油压和液力变矩器的分离、滑摩、锁止进行控制。在换挡阀打开后,油压瞬间上升,引起换挡冲击和损坏摩擦片,所以先分离液力变矩器,降低油压至200～400 kPa;换挡过程中,调用油压控制程序。从电磁阀通电开启开始,到变速器输出的传动比达到理想传动比的95%结束,作为一次换挡时间。如果传动比没有达到要求,适当地增加挡位油路的油压。换挡失败时,调用故障处理程序,报警提示。然后根据挡位和车身状态,控制液力变矩器的状态,完成一次正常的换挡,换挡程序流程如图7所示。

图7 换挡模块程序

5 结束语

本文以 MC9S12XET256微控制器为控制器,设计了电控液力自动变速器控制单元的硬件和软件。本设计具有外围器件少、电路简单和系统成本低等优点,提供了一个可行的电控液力自动变速器控制单元的设计方案。

进一步的工作主要围绕优化系统的硬件和软件,完善故障诊断功能和故障处理程序开展,使TCU的性能更加完善。

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