陳 杰, 張崇巍, 孔慧芳

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

相對于配備手動變速器的汽車,配備自動變速器的汽車可以大大降低駕駛操作的復(fù)雜性和勞動強(qiáng)度,減輕駕駛員的疲勞并減少事故的發(fā)生,因此在將汽車作為普通代步工具的發(fā)達(dá)國家,配置自動變速器的汽車已占絕對多數(shù)。我國目前生產(chǎn)的汽車大多為手動擋,自動變速器的研發(fā)和生產(chǎn)還處于起步階段,體現(xiàn)為我國與發(fā)達(dá)國家在汽車技術(shù)水平上的重大差距之一。

自動變速器可分為AT、AMT和CVT等類型,其主要功能都是根據(jù)汽車運(yùn)行的實(shí)時(shí)相關(guān)參數(shù),按照優(yōu)化汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性的目標(biāo),正確地改變變速機(jī)構(gòu)的傳動速比,因此進(jìn)行這種控制決策的智能化傳動控制單元(Transmission Control Unit,簡稱TCU)必然是自動變速器總成中的關(guān)鍵組成部分,也是自動變速器研發(fā)和生產(chǎn)的關(guān)鍵。

本文基于微控制器MC9S12XET256設(shè)計(jì)了一個(gè)電控液力自動變速器(AT)的TCU。AT為一個(gè)有級自動變速機(jī)構(gòu),其TCU的工作原理為：TCU對換擋操作的決策取決于某些特定的控制參數(shù),有關(guān)這些控制參數(shù)的信息可由AT本身的傳感器采集,也可以由汽車中的其它電子控制單元(ECU)采集,并通過如CAN總線那樣的汽車控制網(wǎng)絡(luò)傳輸接收。TCU在獲取這些信息后,與預(yù)先存儲在TCU中的換擋規(guī)律進(jìn)行比較計(jì)算,確定目標(biāo)擋位,向相應(yīng)的電磁閥發(fā)出指令,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的離合器和制動器的動作;換擋過程中,需要調(diào)用油壓控制規(guī)律和液力變矩器控制規(guī)律,分別對油壓以及液力變矩器的分離、滑摩和鎖止[1]進(jìn)行控制,完成自動換擋功能;在執(zhí)行換擋的同時(shí),還需要通過CAN總線向ECU發(fā)送減扭信號以減少換擋沖擊,從而提高換擋品質(zhì)。

對于配備了CAN總線測控網(wǎng)絡(luò)的汽車,故障診斷儀可以通過CAN總線讀取故障代碼,進(jìn)行故障診斷[2]。

1 兩參數(shù)換擋規(guī)律的制定

汽車發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系傳遞到驅(qū)動輪上,作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Tt,使車輪對地面產(chǎn)生一圓周力F0,路面對驅(qū)動輪產(chǎn)生反作用力Ft,此外力稱為驅(qū)動汽車的外力[3,4],單位為N,驅(qū)動力數(shù)值為：

滾動半徑r由(2)式近似估算：

汽車行駛速度與變速器擋位及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

其中,Tt為作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩;Ttq為發(fā)動機(jī)扭矩;d為輪胎的自由直徑;F為計(jì)算常數(shù),子午線輪胎取3.05;ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;ih為液力變矩器變矩比;ig為變速器的傳動比;i0為主減速器的傳動比;ηT為傳動系的機(jī)械效率;r為車輪半徑。

換擋規(guī)律的研究是以車輛的穩(wěn)定行駛為前提,以最佳動力性能或最佳燃料經(jīng)濟(jì)性能為目標(biāo),從而求解車輛行駛的最佳換擋點(diǎn)。換擋規(guī)律的控制參數(shù)可以有不同的選擇,取車速為控制參數(shù)是一種人們熟知的單參數(shù)換擋規(guī)律,即單純地根據(jù)車速改變擋位。顯然,單參數(shù)換擋并不能滿足最佳動力性能或最佳燃料經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo),因此需要增添新的控制參數(shù)。一種換擋規(guī)律選擇車速和油門開度作為控制參數(shù),這是目前采用最多的兩參數(shù)換擋規(guī)律。

不同油門開度(TPS為10%～100%)下不同擋位的驅(qū)動力與車速的關(guān)系曲線如圖1所示。在圖1中,取同一油門下相鄰兩擋驅(qū)動力曲線的交點(diǎn)為兩參數(shù)動力型換擋規(guī)律的換擋點(diǎn)[5,6],可以減少或避免換擋時(shí)的沖擊。

圖1 不同油門開度下的換擋特性

以圖1為依據(jù),即可以得到基于油門開度和車速這2個(gè)控制參數(shù)的換擋規(guī)律,如圖2所示。針對4擋自動變速器,圖中分別給出了3條升擋曲線和3條降擋曲線,這6條曲線可以很容易地存儲在TCU的參數(shù)存儲區(qū)。在車輛運(yùn)行時(shí),TCU軟件中的換擋模塊可以很容易地根據(jù)實(shí)時(shí)的油門開度和車速進(jìn)行判斷和換擋決策。

圖2 動力型換擋規(guī)律

在獲得上述換擋規(guī)律后,設(shè)計(jì)任務(wù)就轉(zhuǎn)移為如何在TCU的運(yùn)行中實(shí)現(xiàn),并進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣幼兯倨鞯恼鎸?shí)動作。

2 TCU的硬件組成

TCU是自動變速器的核心,它需要執(zhí)行控制參數(shù)(車速和油門開度)的獲取,換擋判斷和決策,將換擋決策通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)(開關(guān)電磁閥和比例電磁閥)的動作。硬件電路的設(shè)計(jì)必須滿足功能的需求,并為換擋決策提供良好的平臺。

TCU硬件的核心是微控制器。AT控制單元輸入信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多,實(shí)時(shí)性要求很高,此外還要考慮汽車運(yùn)行環(huán)境的嚴(yán)酷性,甚至還要考慮汽車統(tǒng)一設(shè)計(jì)時(shí)與其它ECU在硬件設(shè)計(jì)上的通用性和可擴(kuò)展性。

本設(shè)計(jì)在TCU的硬件設(shè)計(jì)中選用了Freescale公司生產(chǎn)的新款高性能的16位微控制器MC9S12XET256作為主控芯片。該微控制器有豐富的內(nèi)部資源,例如內(nèi)部集成了協(xié)處理器XGATE,增強(qiáng)了微控制器的中斷處理能力,含有256 kB的Flash、16 kB的 RAM 等。此外,該微控制器還配置了一些針對汽車電子的功能模塊,能夠滿足目前流行的CAN通信技術(shù)、LIN通訊技術(shù)的需要,其性價(jià)比相當(dāng)高,在TCU的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,微控制器片上資源的使用使得TCU硬件設(shè)計(jì)簡化,同時(shí)可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

本設(shè)計(jì)中 TCU硬件由MC9S12XET256、電源及復(fù)位電路、傳感器接口電路、電磁閥驅(qū)動電路、信號顯示電路及CAN總線接口等組成[7,8],其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 T CU硬件結(jié)構(gòu)

在上述電路組成中,微控制器的最小系統(tǒng)、指示燈驅(qū)動、電源以及CAN總線接口等的電路設(shè)計(jì)均較為標(biāo)準(zhǔn)化,故不作詳述。在TCU的電路設(shè)計(jì)中具有特殊性的是傳感器接口與電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。

3 傳感器接口與電磁閥驅(qū)動電路

3.1 傳感器接口電路

AT的TCU本身需要采集一些與換擋有關(guān)的信號,這些信號有的是換擋的控制參數(shù)(如油門開度和車速),有的是換擋操作的邏輯控制條件(如油壓)。有些信號在完整的汽車總線系統(tǒng)中可由總線通信從其它ECU獲取數(shù)據(jù),而在總線系統(tǒng)尚未完善時(shí),這些信號則只好由TCU從傳感器獲取。

傳感器接口電路有3種類型：開關(guān)量接口電路、模擬量接口電路和頻率量接口電路。

開關(guān)量信號主要有點(diǎn)火開關(guān)、升降擋開關(guān)和換擋模式開關(guān)等信號。在開關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)中,開關(guān)量信號通過箝位二極管和上拉電阻轉(zhuǎn)換成與微控制器兼容的電平,經(jīng)過低通RC濾波后輸入到微控制器開關(guān)量輸入端口。

模擬量信號有油壓信號和變速器油溫信號等。模擬量信號由相應(yīng)傳感器采集并經(jīng)過調(diào)理和濾波后,輸入到微控制器的AD端口。

頻率信號主要有車速信號、泵輪轉(zhuǎn)速信號和渦輪轉(zhuǎn)速信號。頻率信號通過轉(zhuǎn)速傳感器采集,通過箝位二極管和上拉電阻,轉(zhuǎn)換為整形芯片能夠兼容的電平,經(jīng)過整形和濾波后,輸入到定時(shí)器模塊進(jìn)行捕捉。

3.2 電磁閥驅(qū)動電路

電磁閥是TCU與液壓換擋驅(qū)動系統(tǒng)之間的接口,電磁閥驅(qū)動電路有2種類型：開關(guān)電磁閥驅(qū)動電路和比例電磁閥驅(qū)動電路。本設(shè)計(jì)中開關(guān)電磁閥驅(qū)動電路由驅(qū)動芯片TLE6220GP及其外圍電路組成;比例電磁閥驅(qū)動電路由TLE7242G驅(qū)動芯片、MOSFET以及外圍電路組成。

T LE6220GP是一款低壓端開關(guān)芯片,該芯片具有一個(gè)串行外圍接口SPI,微控制器可以通過該接口向芯片送入一個(gè)8位的控制字與芯片上的4個(gè)開關(guān)輸入配合控制輸出通道的通斷。開關(guān)輸出級具有箝位、防短路和防過載功能,適合于驅(qū)動電磁閥一類的感性負(fù)載。輸出級結(jié)構(gòu)為漏極開路電路,因此驅(qū)動電磁閥時(shí)需要接在電磁閥線圈和電源地之間。SPI可以通過其三線制串行接口方便地與微控制器交換信息,不僅可以控制開關(guān)操作,也可返回故障信息,可見T LE6220GP的應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

T LE7242G是一款具有4路獨(dú)立預(yù)驅(qū)動器的芯片,各路輸出PWM波形的頻率可通過編程設(shè)定,而脈寬則由芯片內(nèi)部的一個(gè) PI調(diào)節(jié)器來確定。

在圖4所示的比例電磁閥驅(qū)動外部電路中,PWM輸出經(jīng)MOSFET進(jìn)行功率放大和濾波得到直流驅(qū)動電流,采樣電阻對電磁閥的驅(qū)動電流采樣并經(jīng)與該路輸出對應(yīng)的POSX和NEGX引腳反饋至芯片內(nèi)部的PI調(diào)節(jié)器,從而實(shí)現(xiàn)輸出的恒流控制。芯片的編程通過SPI接口進(jìn)行,編程的內(nèi)容包括PWM 的頻率、PI調(diào)節(jié)器的KI和KP以及電流設(shè)定值等。芯片的電流控制精度可達(dá)到2%。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路

3.3 比例電磁閥驅(qū)動電路測試實(shí)驗(yàn)

比例電磁閥的電流閉環(huán)PI控制器的參數(shù)KP和KI的計(jì)算公式為：

自然頻率wn的計(jì)算公式為：

其中,Vbat為電磁閥供電電壓;LC為電磁閥線圈電感值;RC為電磁閥線圈電阻值;Rsense為電流檢測電阻;ζ為阻尼比;FPWM為發(fā)出PWM的頻率;FCLK為TLE7242G工作頻率。

設(shè)計(jì)中在實(shí)驗(yàn)室對驅(qū)動比例電磁閥的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),設(shè)置驅(qū)動電流在200～1000 mA之間進(jìn)行切換,電流由0.2 Ω采樣電阻獲取并反饋給輸出級內(nèi)的PI調(diào)節(jié)器。電流動態(tài)響應(yīng)曲線如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)置的PI控制器參數(shù)能夠使電流的動態(tài)響應(yīng)有很好的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)特性。

圖5 電流切換動態(tài)響應(yīng)曲線

4 TCU的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

TCU主程序如圖6所示。

圖6 T CU主程序

主程序由初始化模塊、中斷模塊、顯示模塊和換擋模塊組成,其工作流程大致為：

上電自檢后首先進(jìn)入系統(tǒng)的初始化,然后讀取車輛的擋位信號以及傳感器信號以獲取車輛狀態(tài)并顯示擋位信息;然后進(jìn)行故障診斷,如果不存在故障,調(diào)用兩參數(shù)換擋規(guī)律,進(jìn)行換擋邏輯判斷,進(jìn)入換擋模塊不同的控制子程序。

換擋控制子程序結(jié)束后,如果不停車熄火,則重復(fù)上述過程,執(zhí)行正常的程序循環(huán);如果存在故障,進(jìn)入實(shí)時(shí)中斷程序,進(jìn)行故障處理和停車。

車身狀態(tài)信號通過實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序采集,實(shí)時(shí)中斷周期定為10 ms。開關(guān)量信號直接從IO端口讀取;模擬量信號采用中值法和平均值法相結(jié)合進(jìn)行數(shù)字濾波;頻率量信號捕捉連續(xù)的2個(gè)上升沿。

4.2 換擋模塊程序設(shè)計(jì)

換擋模塊程序在圖6所示的主程序中調(diào)用,其功能是根據(jù)車輛的狀態(tài),通過換擋規(guī)律確定目標(biāo)擋位,并執(zhí)行換擋操作。

換擋過程中要對油壓和液力變矩器的分離、滑摩、鎖止進(jìn)行控制。在換擋閥打開后,油壓瞬間上升,引起換擋沖擊和損壞摩擦片,所以先分離液力變矩器,降低油壓至200～400 kPa;換擋過程中,調(diào)用油壓控制程序。從電磁閥通電開啟開始,到變速器輸出的傳動比達(dá)到理想傳動比的95%結(jié)束,作為一次換擋時(shí)間。如果傳動比沒有達(dá)到要求,適當(dāng)?shù)卦黾訐跷挥吐返挠蛪?。換擋失敗時(shí),調(diào)用故障處理程序,報(bào)警提示。然后根據(jù)擋位和車身狀態(tài),控制液力變矩器的狀態(tài),完成一次正常的換擋,換擋程序流程如圖7所示。

圖7 換擋模塊程序

5 結(jié)束語

本文以 MC9S12XET256微控制器為控制器,設(shè)計(jì)了電控液力自動變速器控制單元的硬件和軟件。本設(shè)計(jì)具有外圍器件少、電路簡單和系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn),提供了一個(gè)可行的電控液力自動變速器控制單元的設(shè)計(jì)方案。

進(jìn)一步的工作主要圍繞優(yōu)化系統(tǒng)的硬件和軟件,完善故障診斷功能和故障處理程序開展,使TCU的性能更加完善。

[1]Adachi K,Ochi Y,Segawa S,et al.Slip control for a lock-up clutch with a robust control method[C]//SICE Annual Conference.Sappo ro,2004：744-749.

[2]劉應(yīng)吉,張?zhí)靷b.基于CAN總線和PSA模型的AM T在線故障診斷系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(6)：132-136.

[3]馮建璋.汽車發(fā)動機(jī)原理與汽車?yán)碚揫M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：260-290.

[4]崔功杰,趙丁選.動態(tài)四參數(shù)工程車輛的自動換擋規(guī)律[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(9)：1189-1192.

[5]胡建軍,徐佳曙.液力機(jī)械自動變速傳動系統(tǒng)控制仿真及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(7)：25-29.

[6]余榮輝,孫冬野.機(jī)械自動變速系統(tǒng)動力性換擋控制規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(4)：1-4.

[7]Yang Weibin,Wu Guangqiang,Dang Jianwu.Research and development of automatic transmission electronic control sy stem[C]//International Conference on Integration Technology.Shenzhen,China,2007：442—445.

[8]唐新星,趙丁選.工程車輛自動變速控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(1)：26-29.