变速器换挡电磁阀驱动模式改进

刘小红，金小飞，徐新河

(1.贵州凯星液力传动机械有限公司，贵州 遵义 563003；2.长庆油田 第六采油厂，陕西 定边 718606)①



变速器换挡电磁阀驱动模式改进

刘小红1，金小飞1，徐新河2

(1.贵州凯星液力传动机械有限公司，贵州 遵义 563003；2.长庆油田 第六采油厂，陕西 定边 718606)①

摘要：为了改进变速器换挡电磁阀的驱动模式，比较了油田设备和乘用车变速器换挡电磁阀的安装差异。介绍了设备安全保护要求、变速器换挡电磁阀常见的驱动模式及其利弊。提出了采用Infineon TLE82453型驱动芯片进行变速器电磁阀驱动的优势，满足高低边可配置的多路比例驱动需求，具有完整的短路、断路、过热等安全保护功能，外围功能电路原理简单，可用于油田设备用变速器换挡电磁阀驱动电路中。

关键词：变速器；换挡电磁阀；驱动模式；诊断保护

液力变速器作为石油钻井、修井、压裂用传动设备，在线或离线故障检测要求逐渐被提上日程[1]。相比较乘用车而言，油田设备用变速器本体与控制器安装距离较远，换挡电磁阀与控制器之间有相当长的线束，容易产生对地短路及停机故障，如不及时排查，将导致停产，不但经济损失巨大，而且还有可能造成重大伤亡事故[2]。为了及时自动排查短路故障，ALLISON公司在A43系列TCM控制器中采用了公用高边供电、分用低边驱动换挡电磁阀的技术方案来监测换挡电磁阀电流[3]，通过判断电流的大小来判断短路特征，这种公用高边的配置电路较复杂，需设计采样电路计算电流，比较浪费系统资源。采用Infeinoin公司发布的TLE82453型驱动芯片进行电磁阀驱动，可以克服以上不足。

1换挡电磁阀驱动模式现状比较

1.1电路原理比较

变速器换挡电磁阀驱动模式分为高边驱动、低边驱动、高低边共同驱动。每种驱动模式最基本组成包括开关IC器件、电源、地、电磁阀4部分，如图1。从图1可以看出，高边驱动开关IC器件位于电源和电磁阀之间，电磁阀一端始终与地连接；低边驱动开关IC器件位于电磁阀和地之间。电磁阀一端始终与电源连接；而高变和低边共同驱动方式，如图2。则是电磁阀在两个开关IC器件之间，同时受两个开关IC器件的控制。从器件数量上看，高低边共同驱动的方式所使用的器件要多于其他两种。

图1　高边驱动和低边驱动电路简图

图2　高边驱动和低边共同驱动电路简图

1.2线制布置比较

由于油田设备车用底盘多为负极搭铁，采用高边驱动模式能节省成本，因为变速器电磁阀与地连接的一端可通过变速器内部的机械零件直接搭接在底盘地上，只需要从变速器电磁阀引出一根导线连接到开关IC器件上；相比较而言，低边驱动模式电磁阀两端的导线都需要在从变速器中引出来，除一端导线连接到开关IC器件上外，另一端导线应与系统电源相连，电磁阀越多，引出的导线就越多。

1.3失效比较

汽车电子的输出接口一般需要具备短路保护功能[4]，变速器作为油田上装传动系统常用的装备应具有电路失效保护能力。在高边驱动模式中，由于变速器电磁阀一端自始至终与地连接，如果电磁阀另一端出现对地搭铁故障，则该驱动回路会出现大的短路电流，高边驱动模式的电流采样电路采集该短路电流后，自动关掉高边驱动模式开关，从而保护电路不被损坏；而低边驱动模式中，由于变速器电磁阀一直与电源连接，一旦变速器电磁阀另一端出现对地搭铁故障，就会使电磁阀处于得电状态。由于低边驱动电路并无电流采样电路，当换挡过程需要使该电磁阀失电而却继续保持得电时，就会引起变速器换挡故障，严重的会引起设备安全事故，因此采用高边驱动模式更安全。

2电磁阀驱动模式改进设计优势

通过以上分析可知，开关IC器件是控制变速器电磁阀工作的重要器件，而且使用普通的高边和低边驱动模式存在成本增加、电路复杂并且不能实现较全面地诊断保护功能的弊端，而Infineon公司发布的TLE82453型驱动芯片能弥补以上不足，它主要用于变速器控制系统，电子稳定控制系统和主动悬架系统的线性比例阀驱动[5]，是一款灵活且单片集成的电磁线圈驱动芯片，它具有以下特点：

1)3个独立、高低边可配置的通道。

2)150 ℃时的最大内阻只有250 mΩ。

3)负载电流范围为0～1 500 mA，电流设置精度为0.73 mA。

4)集成内置TCR补偿的检测电阻。

5)不受负载电瓶电压变化的影响。

6)输出控制、诊断和可配置的串行外设接口(SPI )。

7)每个通道独立的热关断功能。

8)每个通道均具有负载开路，开关被旁路，过流等故障的保护及诊断功能。

9)具有可编程的摆率控制，能降低电磁干扰(EMI)等。

10)AEC认证产品。

根据TLE82453型驱动芯片的特点可知，该器件非常适合应用在变速器电磁阀控制上，3个通道可任意组合成高边驱动或低边驱动，该器件依靠颤振设置和负载特性，具有0.73 mA的电流设置精度，可设置高达1 500 mA负载平均电流。

3电磁阀驱动模式的硬件设计改进

3.1驱动芯片主要引脚介绍

TLE82453型驱动芯片主要引脚功能，如表1。

表1　TLE82453型驱动芯片主要引脚功能

表1(续)

3.2电磁阀高边驱动电路原理

TLE82453型驱动芯片电磁阀高边驱动电路原理如图3 ，从中可以看出，驱动引脚“LOAD0、LOAD1、LOAD2”分别通过3个电磁阀solA、solB、solC连接到地。当CLK 管脚提供了芯片所需要的基准时钟，RESN和EN高电平有效时，利用32位SPI接口就能分别控制TLE82453型芯片中PWM周期寄存器，从而控制3个电磁阀的电流大小。

图3　TLE82453型驱动芯片电磁阀高边驱动电路原理

3.3电磁阀低边驱动电路

TLE82453型驱动芯片电磁阀低边驱动电路原理如图4，应用了TLE82453型驱动芯片低边驱动电磁阀的配置功能，其应用原理与图3类似。

由于TLE82453型驱动芯片内部电路由驱动晶体管，续流晶体管和电流检测电阻组成，所以图3～4不再在外部连接续流二极管保护电路和电流检测电路，其布置非常简单，能最大限度地减少外部元件的数量，节省成本。

图4　TLE82453型驱动芯片电磁阀低边驱动电路原理

4电磁阀驱动的软件设计改进

4.1恒流控制

电磁阀的电流控制方式通常由SPI 总线协议采用32 位数据的全双工模式来实现，每一个TLE82453型驱动芯片可实现3路电磁阀的恒流控制，在恒流控制时，SPI 总线在时钟的上升沿对数据锁存，在时钟的下降沿进行移位，SPI 控制命令主要有以下两种。

1)命令一：主周期设置。

恒流控制模块的PWM 斩波信号频率与模块的基准频率满足表2。

2)命令二：目标电流设置。

目标电流的计算根据式(1)得到：

(1)

4.2故障诊断

在故障诊断方面，TLE82453型驱动芯片依靠自身的电路特点和一个32位的故障诊断寄存器来实现，能实现的主要诊断功能如表3。

表3　故障寄存器主要诊断位定义

4.3数据传输封装

为了更好地实现多通道的电磁阀控制，考虑到寄存器各种配置的差异，对各寄存器进行封装是一种理想的软件设计方法。位运算作为C语言的重要特色，在计算机检测和控制领域中要经常用到[6]。

4.3.1频率控制封装函数

uint32_t CombineTLE82453PWMPeriodSub(uint8_t RW，

uint8_t Channel，

uint8_t KI_index，

uint16_t PWM_Period)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData=CombineData | (0x28000000LU)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(RW)) << 31U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(Channel)) << 24U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(KI_index)) << 20U)；

CombineData=CombineData | ((uint32_t)(PWM_Period))；

return (CombineData)；

}

4.3.2故障诊断封装函数

uint32_t CombineTLE82453DianosisSub(uint8_t OVB，

uint8_t RE，

uint8_t UV，

uint8_t OT，

uint8_t OLOFF，

uint8_t OLSB，

uint8_t OVC，)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData = CombineData |(0x02000000LU)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVB)) << 19U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( RE)) << 17U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( UV)) << 14U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OT)) << 11U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLOFF)) << 8U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLSB)) << 5U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVC)) << 2U)；

return (CombineData)；

}

5结论

1)通过比较电磁阀驱动差异，提出了使用TLE82453型驱动芯片的优势。

2)通过配置变速器换挡电磁阀高低端驱动电路，简化了硬件结构设计，增强了电路使用的可靠性和维修性。

3)分析了频率和故障寄存器软件封装方法，提高了函数调用的效率。

4)BY2000型液力变速器的换挡控制系统采用了本文介绍的软硬件方案后，有效地降低了控制器的设计成本。某油田大型压裂机组采用BY2000型液力变速器后，控制器平均故障间隔时间大幅延长，压裂车的使用效率也相应提高。

参考文献：

[1]江恒，王友钊.旋转机械在线状态监测与故障诊断系统开发研究[J].石油矿场机械，2005，34(3)：68-70.

[2]张广坤，宋进，李玲.基于计算机视觉的旋转构件动态参数检测方法[J].机械工程师，2010(2)：27-29.

[3]刘新.艾利逊自动变速箱故障诊断手册TS3989ZH[Z].深圳通达实业有限公司，2005.

[4]朱玉龙.汽车电子硬件设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5]INFINION.TLE82453SA 3 Channel High-Side and Low-Side Linear Driver IC Data Sheet [DB/OL].(2013-03-21)[2016-01-11].http：//www.infineon.com/.

[6]潭浩强.C语言程序设计[M].3版 .北京：北京清华大学出版社，2005.

文章编号：1001-3482(2016)07-0075-06

收稿日期：①2015-01-15

作者简介：刘小红(1975-)，女，湖南祁东人，工程师，主要从事液力变速器电控系统的研究工作，E-mail：13885286211@163.com。

中图分类号：TE924

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.017

Improvement of Driving Method for Shifting Solenoid Valve of Transmission

LIU Xiaohong1，JIN Xiaofei1，XU Xinhe2

(1.GuizhouWinstarHydraulicTransmissionMachineryCo.，Ltd.，Zunyi563003，China；2.No.6OilProductionPlant,ChangqingOilfield,Dingbian718606,China)

Abstract：In order to improve the driving mode of transmission shift solenoid valve，the difference of installation of the oil field device and passenger car transmission shift solenoid valve is compared，and the safety protection requirements，automatic transmission shift solenoid valve common drive mode and its advantages and disadvantages are introduced.The usage of Infineon TLE82453 automatic transmission of electromagnetic valve actuation mode advantage is proposed，which can be used to construct driving circuit for transmission shift solenoid valve，the high and low side configurable multiple proportion drive demand is satisfied with short circuit，open circuit，overheating safety protection function.The peripheral circuit is simple and can be used to drive transmission solenoid for oilfield equipment.

Keywords：transmission；shift solenoid valve；driving mode；diagnosis protection