謝鈺敏，范漢茂，藍(lán)世華

摘? 要：本文通過(guò)設(shè)計(jì)新型的電子換擋系統(tǒng)，采取擋位檢測(cè)與擋位控制分離的形式，以達(dá)到靈活地適配汽車(chē)換擋器的造型，使得換擋方便輕巧，耐用。加入負(fù)責(zé)安全的邏輯后能防止駕駛員誤操作，安全可靠。

關(guān)鍵詞： 電子換擋;TCU;換擋機(jī)構(gòu);MBD

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）05-0117-05

The Design Of A New Electronic Gear Shift System

XIE Yu-min， FAN Han-mao， LAN Shi-hua

（ Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd， Automotive Engineering Institute，

Guangzhou? 511434， China）

Abstract： Through the design of a new electronic shifter system， which takes the form as gear detection and control in separation， so that itcan flexibly adapt to the gearshiftermodelof car and shift easily and lightly. The shifter is more durable. After adding the safety logic， it can prevent the driver from improper operation， which is safe and reliable.

引? ? 言

傳統(tǒng)機(jī)械式換擋系統(tǒng)（如圖1所示）通常利用拉索接到變速器的擋位選擇開(kāi)關(guān)，擋位由拉索行程決定，整個(gè)機(jī)構(gòu)占據(jù)空間大，拉索需要穿過(guò)防火墻，內(nèi)飾布置局限大。

1? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能

本文設(shè)計(jì)的電子換擋系統(tǒng)如圖2所示，整個(gè)電子換擋系統(tǒng)包括：換擋檢測(cè)及顯示機(jī)構(gòu)（換檔信號(hào)輸入）、方向盤(pán)按鍵信號(hào)采集（可選，高配使用）、換擋決策系統(tǒng)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)四大部分組成，每個(gè)部分由獨(dú)立的電路板承載其功能，可以提高系統(tǒng)的可重用性及擴(kuò)展性。

通過(guò)四大部分的協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：有效檢測(cè)、識(shí)別駕駛員的換擋意圖擋位;過(guò)濾不恰當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)操作擋位，并安全地執(zhí)行換擋操作;通過(guò)LED燈顯示車(chē)輛目前所處擋位;根據(jù)不同的駕駛模式進(jìn)行對(duì)應(yīng)的換擋控制;故障提示等。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1? ?擋位檢測(cè)及顯示機(jī)構(gòu)

擋位檢測(cè)及顯示機(jī)構(gòu)為駕駛員與電子換擋系統(tǒng)的橋梁，駕駛員一般通過(guò)操作換擋器將自身意換擋圖傳導(dǎo)給換擋系統(tǒng);換擋系統(tǒng)則通過(guò)駕駛員換擋意圖，當(dāng)前擋位執(zhí)行狀態(tài)，駕駛模式等進(jìn)行綜合判斷及計(jì)算，對(duì)換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并將當(dāng)前執(zhí)行的擋位及故障信息等通過(guò)顯示機(jī)構(gòu)反饋給駕駛員。

為了適配多種造型的換擋器，本文設(shè)計(jì)的換擋系統(tǒng)，擋位檢測(cè)機(jī)構(gòu)需要根據(jù)換擋器的外造型的不同及特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行擋位檢測(cè)的設(shè)計(jì)并獲取駕駛員的換檔意圖。以本項(xiàng)目為例，旋鈕式換擋器（如圖3所示），駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕換擋裝置進(jìn)行換擋，在系統(tǒng)中則需要有角度傳感器對(duì)駕駛員旋轉(zhuǎn)擋位的角度進(jìn)行檢測(cè)。

其中檢測(cè)原理如圖4所示，角度傳感器采集信號(hào)之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并通過(guò)SENT信號(hào)發(fā)送給換擋決策系統(tǒng)，擋位決策系統(tǒng)可以將采集到的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成擋位信號(hào)。其他換擋形式的換擋器如按鍵式、擋桿式等，原理也是一致，只是將具體的擋位檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)及安裝需要根據(jù)造型適配。

駕駛模式的切換：通過(guò)按鈕進(jìn)行切換，目前實(shí)現(xiàn)ECO和SPORT模式。隨著自動(dòng)駕駛、自動(dòng)泊車(chē)的需求日益增多，需要預(yù)留自動(dòng)駕駛的模式，使車(chē)輛進(jìn)入自動(dòng)駕駛控制的狀態(tài)，根據(jù)自動(dòng)駕駛的需求切換對(duì)應(yīng)的擋位。

2.2? ?方向盤(pán)按鍵信號(hào)采集

方向盤(pán)信號(hào)采集：屬于可選配置，方向撥片電阻網(wǎng)絡(luò)M+/M-通過(guò)檢測(cè)方向盤(pán)上的撥片開(kāi)關(guān)，檢測(cè)出是M+還是M-的操作，通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，將調(diào)理之后的檢測(cè)電壓傳給MCU，從而識(shí)別對(duì)擋位加減進(jìn)行切換。

LED的顯示：可以根據(jù)不同的造型進(jìn)行顯示的設(shè)計(jì)，主要用于執(zhí)行擋位的顯示。

2.3? ?換擋決策系統(tǒng)概述

換擋決策系統(tǒng)是整個(gè)電子換擋器的核心部分，它通過(guò)采集擋位檢測(cè)傳感器的值、駕駛模式及方向盤(pán)信號(hào)采集，能有效檢測(cè)、識(shí)別駕駛員的意圖擋位;同時(shí)通過(guò)擋位執(zhí)行機(jī)構(gòu)的綜合判定，換擋決策機(jī)構(gòu)可以過(guò)濾不恰當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)操作擋位（例如在車(chē)速較高的情況下掛P/R擋），并安全地執(zhí)行換擋操作，大大提高行車(chē)的安全性。

CAN網(wǎng)絡(luò)主要完成擋位信號(hào)，系統(tǒng)故障碼，駕駛模式等的信號(hào)好交互，并向診斷儀提供相應(yīng)診斷服務(wù)。

硬線(xiàn)是擋位信號(hào)的硬線(xiàn)輸出，為了保證CAN網(wǎng)絡(luò)故障情況下，整車(chē)仍可以繼續(xù)工作。

EEPROM為非易失性存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)當(dāng)前故障、駕駛模式等關(guān)鍵信息，下電以后仍可保存，供下一次上電后調(diào)用。

2.4? ? 換擋器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要完成目前需要執(zhí)行的擋位，經(jīng)過(guò)擋位開(kāi)關(guān)檢測(cè)、MCU過(guò)濾掉無(wú)效擋位之后，通過(guò)MCU控制電機(jī)執(zhí)行換擋，如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示，其中：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)責(zé)提供拉索電機(jī)所需要的工作電壓和電流;

拉索電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)拉索進(jìn)行操作，從而進(jìn)行實(shí)際的擋位PRNDS5個(gè)擋位的切換，如圖5 所示;

雙路霍爾角度傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，可以向MCU精確反饋目前電機(jī)運(yùn)行位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擋位的精確控制;

2.5? ?軟件設(shè)計(jì)

軟件的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于考慮到換擋控制中有大量的如查表、濾波、數(shù)學(xué)及邏輯運(yùn)算模塊，近似于直接的軟件流程圖，而使用基于模型的開(kāi)發(fā)可以讓工程師更專(zhuān)注于控制算法的實(shí)現(xiàn)，而不再糾纏于C代碼實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期，所以開(kāi)發(fā)上使用基于模型的開(kāi)發(fā)MBD（ModelBaseDesign）的模式，應(yīng)用層Application _SBW部分使用MATLAB生成代碼，其余部分為手寫(xiě)代碼，參照以往的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)完成。

根據(jù)需求的合理分解及降低各個(gè)模塊之間的耦合，應(yīng)用分解為如圖 7所示的7個(gè)部分：診斷（Diagnose）、Ecu信號(hào)轉(zhuǎn)換（EcuSigCovert）、執(zhí)行器（Actor）、Led顯示（LedDisplay）、信號(hào)校驗(yàn)（SigVerify）、擋位判定（GearJudge）、駕駛模式判定（DriverModeJudge）。這7個(gè)部分，按照對(duì)應(yīng)的周期調(diào)用執(zhí)行。

2.5.1 診斷模塊（Diagnose）

本模塊主要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的硬件診斷，當(dāng)硬件發(fā)生故障的時(shí)候，需要將故障檢測(cè)出來(lái)，并記錄在故障碼中。本系統(tǒng)主要完成了擋位傳感器的故障檢測(cè)，換擋電機(jī)的故障檢測(cè)，電壓故障的故障檢測(cè)，P擋硬線(xiàn)的故障檢測(cè)，傳感器芯片的故障檢測(cè)，電源芯片的故障檢測(cè)。

其中，傳感器芯片的故障檢測(cè)，電源芯片的故障檢測(cè)可以由芯片自動(dòng)檢測(cè)并跟芯片通信獲取。故障檢測(cè)的策略見(jiàn)下表：

2.5.2 Ecu信號(hào)轉(zhuǎn)換（EcuSigCovert）

由于單片機(jī)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的性?xún)r(jià)比較低，為了能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行算法控制，需要一個(gè)模塊去完成物理值跟控制值的合理轉(zhuǎn)換，本模塊主要實(shí)現(xiàn)此功能。

2.5.3 執(zhí)行器（Actor）

本模塊主要負(fù)責(zé)換擋電機(jī)的控制，其中包括：電機(jī)正?？刂疲ㄕ?、反向、穩(wěn)定）及電機(jī)異控制控制（停機(jī)）。

其劃分為下面模塊：

GearMotorCondition：執(zhí)行器換擋電機(jī)控制

條件（電壓、故障狀態(tài)）

GearMotorCurrent：執(zhí)行器換擋電機(jī)當(dāng)前位置

GearMotorAim：執(zhí)行器換擋電機(jī)目標(biāo)位置

GearMotorPID：執(zhí)行器換擋電機(jī)PID控制

GearMotorSleep：執(zhí)行器換擋電機(jī)休眠控制

2.5.4 Led顯示（LedDisplay）

本模塊負(fù)責(zé)Led的顯示，按照液晶屏預(yù)定的PRNDS的圖案，進(jìn)行控制。為了適應(yīng)整車(chē)背光氛圍，換擋器面板包括液晶模塊的背光亮度為可調(diào)節(jié)，而且與車(chē)內(nèi)燈光模式一致，分為白天模式和夜晚模式（由報(bào)文的小燈信號(hào)區(qū)分）。其中白天模式，按照燈光亮度的100%輸出，夜晚模式根據(jù)總線(xiàn)的燈光信號(hào)，0-7擋位調(diào)節(jié)查表輸出。

2.5.5 信號(hào)校驗(yàn)（SigVerify）

駕駛員操作換擋旋鈕，旋鈕的不同角度代表不同的擋位。本產(chǎn)品采用的角度傳感器內(nèi)部集成2路獨(dú)立的霍爾傳感器，只要2路信號(hào)輸出不一致，即報(bào)故障，可完善安全冗余設(shè)計(jì)。

為了防止快速轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生漏擋檢測(cè)，所以擋位檢測(cè)的頻率定為10ms。

2.5.6 擋位判定（GearJudge）

其中旋鈕的角度與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要和實(shí)際旋鈕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一一對(duì)應(yīng)（如圖3）。目前每個(gè)擋位存在一定間隙，旋鈕在同一擋位下能出現(xiàn)一定程度的晃動(dòng)。加上磁鐵安裝位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度，擋位機(jī)械間隙等均會(huì)帶入誤差。為了提高擋位識(shí)別的精度需要在工廠(chǎng)下線(xiàn)的時(shí)候，對(duì)擋位初始位置需要進(jìn)行自學(xué)習(xí)標(biāo)定。首先將旋鈕旋到P擋，并讀取擋位霍爾傳感器的值作為P擋標(biāo)準(zhǔn)值，并且在后續(xù)的擋位判斷均參照該值進(jìn)行判斷。這樣可以吸收掉一些誤差，提高擋位檢測(cè)精度。具體步驟如下：

其中：

1） 下線(xiàn)檢測(cè)增加檔位角度校準(zhǔn)流程;

2） 換擋器初始位置在P擋，記錄下對(duì)應(yīng)傳感器角度;

3） 將P擋的值寫(xiě)入EEPROM;

4） 以P擋的值作為絕對(duì)參考，每個(gè)擋位根據(jù)從EEPROM中讀到的P擋值計(jì)算后獲取;

5） 由于P擋左邊緣和D擋的右邊緣的間隙比普通的間隙要大，所以P擋左邊緣和D擋右邊緣的需要較中間擋位放寬一定數(shù)值;

6） 需要在每個(gè)擋位檢測(cè)中間留一定的空隙，避免旋鈕旋到兩個(gè)擋位之間的地方會(huì)出現(xiàn)擋位跳變;

7） 具體擋位檢測(cè)范圍如下圖：

2.5.7 駕駛模式判定（DriverModeJudge）

模式切換功能定義：用于經(jīng)濟(jì)模式和運(yùn)動(dòng)模式。不同的運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)整車(chē)的油耗或功耗有所不同。模式信號(hào)由PGCU采集，并發(fā)送給VCU完成執(zhí)行。模式按鍵布置在電子換擋旋鈕面板上。駕駛模式開(kāi)關(guān)信號(hào)捕獲需要進(jìn)行下述處理：

1） 模式開(kāi)關(guān)采用上升沿觸發(fā)

2） 需要進(jìn)行按鍵濾波，過(guò)濾誤觸發(fā)的信號(hào)

3） 駕駛模式定義為ECO和Normal，其中Normal只在當(dāng)前駕駛循環(huán)有效，為ECO、Normal循環(huán)切換，但Normal模式不做記憶，重新上電之后，駕駛模式默認(rèn)變?yōu)镋CO。

3? ? 低溫性能驗(yàn)證

對(duì)于換擋器來(lái)說(shuō)，低溫性能是其中一個(gè)最為重要的指標(biāo)，本文給出了低溫試驗(yàn)的結(jié)果如圖 11所示，進(jìn)行實(shí)車(chē)低溫性能測(cè)試，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)為駕駛模式，檔位信號(hào)，剎車(chē)狀態(tài)。按照D-N-R-D擋位循環(huán)（約3分鐘一次）進(jìn)行耐久試驗(yàn)，可正常換擋、駕駛模式切換，各項(xiàng)基本功能滿(mǎn)足需求。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文所開(kāi)發(fā)的電子換擋系統(tǒng)已配備到新一代傳祺轎車(chē)上，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。該電子換檔系統(tǒng)擋位檢測(cè)方便準(zhǔn)確，利用軟件過(guò)濾了危險(xiǎn)的換擋操作（如高速掛P/R擋等），大大增加換擋操作的安全性;電機(jī)控制搖臂進(jìn)行換擋，保障了換擋的精確性;擋位檢測(cè)和擋位執(zhí)行分開(kāi)為后續(xù)的自動(dòng)駕駛打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]和衛(wèi)民.基于AMT的換檔手柄ECU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2006.

[2] AUTOSAR R3.1 Rev 0001 [S] AUTOSAR GbR

[3]Automotive SPICE Process Reference Model Process Assessment Model[S]. Version 3.1. 2017.

[4]劉貽樟. AMT控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2017年02月.

[5]宋珂、王民、單忠偉、譚楊. AUTOSAR規(guī)范與車(chē)用控制器軟件開(kāi)發(fā)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2019年01月.