双离合自动变速器电子控制系统的硬件设计

2012-09-18杨翔宇

重庆理工大学学报(自然科学) 2012年3期

杨翔宇，胡璞，张君

(重庆理工大学重庆汽车学院，重庆 400054)

电子技术的高速发展不仅为汽车设计和发展创造了有利条件，也大大提高了汽车行驶过程中的可靠性、经济性和安全性。尤其是以单片机为基础的控制单元，在汽车的集中显示系统、动力监测控制系统和自动驾驶系统中的作用十分明显。

1 双离合自动变速器电控系统

通过对双离合自动变速器(DCT)电控系统的研究，国外的博格华纳、LUK、ZF、Getrag等多家变速器公司已推出了自己的产品，其中博格华纳的湿式双离合器自动变速器和LUK的干式双离合自动变速器已被广泛应用于多款轿车。国内的研究仍处于起步阶段，并多为理论研究，主要集中在动力学模型分析和控制策略设计上。杨庆、王骞等［2－3］提出了一种基于V模式的ECU开发方案;李军华［4］设计了一种以DPS为核心的双离合器自动变速器的控制系统;叶明、秦大同和席军强等［5－7］建立了电控电动干式离合器执行机构的动力学模型;金伦、郭晓林等［8－10］在 EASY5 和 PDSL平台上建立了双离合器自动变速器系统的仿真模型，并对其升挡的动态特性进行了分析。本文以干式双离合自动变速器为研究对象，设计开发出干式DCT的电控系统。该系统采用电机驱动离合器的控制方法，很好地实现了换挡控制。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统控制流程

系统主要由最小系统、输入、输出、电源和通讯等模块组成，如图1所示。单片机可以对输入的模拟和数字2类信号进行处理，获取变速器实时工作信息，并结合相应的控制策略，产生电机驱动、参数显示等多种输出信号，在任何行驶工况下控制双离合器的正常工作以稳定汽车动力性能，并能提供即时相关参数，方便驾驶者灵活操纵。

图1 单片机控制流程

2.2 最小系统模块

最小系统是系统的核心模块，由微控制器和相关附加电路共同组成，其性能直接影响系统的控制效果，图2为最小系统模块电路。DCT的控制系统对微控制器的运行速度及计算能力、输入输出通道数量及内部集成资源和接口要求较高。系统所采用的飞思卡尔系列单片机具有成本低、性能强、体积小等特点，同时具备出色的电磁兼容性和高效代码等优势。MC9S12XET256内置XGATE协处理器和256KB闪存，提高了存储空间和读取速度，同时应用锁相环技术和简单的后台开发模式(BDM)，使设计开发工作更简单、高效。因此，本系统选用飞思卡尔的MC9S12XET芯片作为微控制器。它内部有XGATE I/O协处理器模块，其高达100 MHz的总线频率可以保证运行速度，通过8个16位独立通道的TIM模块(定时器模块)以采集转速信号或比较输出信号，同时拥有8通道8位或4通道16位PWM(脉宽调制)模块以驱动电机和其他执行机构，2个独立ADC转换器和具有8、10、12位分辨率的 ATD(模/数转换)模块以保证多路模拟信号转换和精度要求，此外，还拥有1个可以实现与上位机通信的SCI(异步串行通信接口)，以及1个在车辆电控系统中广泛应用的CAN控制器。

2.3 输入信号模块

输入信号模块由数字量信号、模拟量信号和开关量信号3部分组成。

数字量信号主要是变速器内部检测得到的3路输入轴转速的传感器信号。在双离合自动变速器控制过程中，需要对输入轴上的3个转速信号进行监测，以确定换挡时机和离合器主、从动盘的控制方式。

电控单元中的转速信号传感器采用磁电式传感器，随着汽油机转速升高，其信号输出幅值变化范围很大，从几十毫伏到几十伏，这对后续处理电路提出了很高要求［11］。输入轴转速信号处理电路将磁电式传感器输出的差动脉冲信号整形成幅值为5 V、相位不变的方波，送到单片机的输入捕捉口。电路对稳态转速信号和瞬态转速信号的拾取都具有良好的准确性和实时性，其框图［12］见图3。

本系统中磁电式传感器的输出幅值变化范围从1 V(150 r/min)到50 V(10000 r/min)，对其滤波整形的处理电路如图4所示。

模拟量信号是离合器温度传感器和电控单元温度传感器的采集信号和从直流电机中直接读取的反馈电流信号。其中，温度信号用于监测离合器和电控单元是否处于正常工作状态。由于在离合器主、从动摩擦盘上安装压力传感器比较困难，故利用电流信号推算电机输出转矩，从而折算出电机和其执行机构对离合器的加载压力。从电机驱动电路直接检测电流时，电机驱动电流较大，直接接入单片机会损坏系统，故采用并联1个小电阻(约为0.01 Ω)的方法，将电流信号转化成安全的电压信号输入单片机。

开关量信号是位于同步器拨叉上的挡位传感器和位于ECU支架上4个换挡元件传感器共同作用产生的信号(PO0～PO3)，用于检测同步器位置，判断换挡轴上各挡位齿轮组合形式，从而确定其挡位，如表1所示。控制单元依次利用油压推动换挡轴运动，形成挡位［13］。开关信号的信号处理电路［5］如图5所示，其中PO0in～PO3in为从挡位传感器上直接采集到的信号，PO0～PO3为经处理后得到的可以直接输入单片机最小系统信号。电路采用了TLP521光耦合器以隔离输入输出电气联接，其主要优点是该信号为单向传输信号，完全实现了输入端与输出端的电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高［13］。

表1 挡位位置信号端口与对应挡位

图5 换挡位置信号处理电路

此外，系统还需监测节气门开度、车速、发动机转速、制动信号、各挡位信号等多路信号，以实现对双离合自动变速器的全面控制。这些信号都可以通过高速驱动CAN总线直接与发动机ECU、ABSECU和选挡机构ECU进行数据交换得到。

2.4 输出信号模块

输出信号主要包括电机驱动信号和电磁阀驱动信号。

直流电机主要用于对离合器结合过程的控制。在传统的干式双离合自动变速器中，仍然采取液压方式控制离合器加载压力。本文通过对离合器操纵系统进行改造，采用电子控制技术对DCT中2个离合器从动盘进行控制，在符合其控制策略的同时也能满足汽车行驶的安全性和经济性要求。因此，本文利用直流电机实现离合器的加压，电机参数如表2所示［14］。

表2 直流电机参数

从表2可以看出，电机工作需要大电流驱动，所以电机驱动的芯片额定电流要求较高。本电路所采用的BTS7960电机驱动芯片的高、低边的最大驱动电流可达60 A［15］，能够满足需要。驱动电路如图6所示。文献［4］则采用了12 V、100～150 W的直流电机，并采用IR2112S作为驱动芯片。然而，该驱动芯片高、低边的最大输出电流仅为500 μA［17］，无法满足所选用直流电机正常工作电流为8.3～12.5 A的要求。

图6 直流电机驱动电路

电磁阀驱动信号主要用于驱动换挡执行机构阀。这些阀门未通电时电磁阀处于闭合位置，压力油无法到达换挡执行机构［13］。但从单片机输出的驱动信号较小，不足以驱动电磁阀中的线圈，因此先将输出信号通过放大电路进行放大处理后再用于驱动电磁阀动作。有的电磁阀需要使用模拟信号进行驱动，则还应在放大后对其进行数模转换。

2.5 CAN总线驱动电路

CAN(controller area network)即控制器局域网络，最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。本系统为实现其控制策略需要从车内其他ECU模块读取相应的传感器信号，并交换大量数据，故采用CAN总线以解决数据交换问题。

CAN总线又分为高速总线和低速总线，对于实时性要求高的信号(如车速、发动机转速、节气门开度等汽车运行工况参数)进行数据交换时通常采用高速总线，数据传输速度可达500 K/s。本系统DCTECU和发动机ECU、ABSECU及选挡机构ECU的数据交换都通过高速总线来实现。

本系统所采用的CAN总线驱动电路如图7所示，使用光耦集成芯片HCPL2630对信号进行光电隔离;选用TJA1040作为驱动模块芯片，以满足高速总线对传输数据的速度要求［18］。

图7 CAN总线驱动和隔离电路

3 结束语

按照DCT电子控制单元的要求，明确了干式双离合自动变速器控制过程中的输入、输出信号;设计了DCT电控系统的控制流程图，并说明了DCT电控单元与汽车其他电控单元数据通讯的关系;完成了单片机各个端口资源的分配;在此基础上设计了控制系统的电路原理图，实现了对DCT离合器的电机控制。本文设计的系统可用于实现对双离合自动变速器的实物控制，并可进一步用于研究离合器结合过程中的控制策略、滑磨功和冲击度等指标。

［1］张雄华，周雅夫，宋振寰.电机驱动式自动离合器控制与试验［J］.天津汽车，2005(1):29－38.

［2］杨庆.双离合自动变速器电控系统的开发与研究［D］.上海:同济大学，2008.

［3］王骞.双离合自动变速器电子控制系统的开发与设计［D］.上海:同济大学，2009.

［4］李军华.双离合器变速器控制系统的设计与研究［D］.成都:西华大学，2009.

［5］雷雨龙.提高电控机械式自动变速器性能的研究［D］.长春:吉林工业大学，1998.

［6］叶明，秦大同，刘振军.直流伺服电机驱动的自动离合器控制［J］.机械设计与研究，2003，19(2):35－37.

［7］席军强.无刷电机驱动的自动离合器及其控制策略研究［D］.北京:北京理工大学，2001.

［8］金伦，程秀生，孙俐，等.双离合器自动变速器仿真研究［J］.汽车技术，2005(8):4－7.

［9］郭晓林.双离合器自动变速系统动力学建模及仿真研究［J］.装甲兵工程学院学报，2006，20(1):48－51.

［10］The MathWorks Inc.Real-Time Workshop User’s Guide Version 4［Z］.［S.l.］:［s.n.］，2000.

［11］张君.摩托车汽油机电控单元硬件的研制［D］.北京:清华大学，2005.

［12］刘飞龙.汽油发动机电子控制单元硬件的研制［D］.北京:清华大学，2002.