雙離合自動(dòng)變速器電子控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

楊翔宇，胡 璞，張 君

(重慶理工大學(xué)重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

電子技術(shù)的高速發(fā)展不僅為汽車設(shè)計(jì)和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，也大大提高了汽車行駛過程中的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。尤其是以單片機(jī)為基礎(chǔ)的控制單元，在汽車的集中顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的作用十分明顯。

1 雙離合自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)

通過對(duì)雙離合自動(dòng)變速器(DCT)電控系統(tǒng)的研究，國(guó)外的博格華納、LUK、ZF、Getrag等多家變速器公司已推出了自己的產(chǎn)品，其中博格華納的濕式雙離合器自動(dòng)變速器和LUK的干式雙離合自動(dòng)變速器已被廣泛應(yīng)用于多款轎車。國(guó)內(nèi)的研究仍處于起步階段，并多為理論研究，主要集中在動(dòng)力學(xué)模型分析和控制策略設(shè)計(jì)上。楊慶、王騫等［2－3］提出了一種基于V模式的ECU開發(fā)方案;李軍華［4］設(shè)計(jì)了一種以DPS為核心的雙離合器自動(dòng)變速器的控制系統(tǒng);葉明、秦大同和席軍強(qiáng)等［5－7］建立了電控電動(dòng)干式離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型;金倫、郭曉林等［8－10］在 EASY5 和 PDSL平臺(tái)上建立了雙離合器自動(dòng)變速器系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其升擋的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。本文以干式雙離合自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)出干式DCT的電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)離合器的控制方法，很好地實(shí)現(xiàn)了換擋控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)主要由最小系統(tǒng)、輸入、輸出、電源和通訊等模塊組成，如圖1所示。單片機(jī)可以對(duì)輸入的模擬和數(shù)字2類信號(hào)進(jìn)行處理，獲取變速器實(shí)時(shí)工作信息，并結(jié)合相應(yīng)的控制策略，產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)、參數(shù)顯示等多種輸出信號(hào)，在任何行駛工況下控制雙離合器的正常工作以穩(wěn)定汽車動(dòng)力性能，并能提供即時(shí)相關(guān)參數(shù)，方便駕駛者靈活操縱。

圖1 單片機(jī)控制流程

2.2 最小系統(tǒng)模塊

最小系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心模塊，由微控制器和相關(guān)附加電路共同組成，其性能直接影響系統(tǒng)的控制效果，圖2為最小系統(tǒng)模塊電路。DCT的控制系統(tǒng)對(duì)微控制器的運(yùn)行速度及計(jì)算能力、輸入輸出通道數(shù)量及內(nèi)部集成資源和接口要求較高。系統(tǒng)所采用的飛思卡爾系列單片機(jī)具有成本低、性能強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)，同時(shí)具備出色的電磁兼容性和高效代碼等優(yōu)勢(shì)。MC9S12XET256內(nèi)置XGATE協(xié)處理器和256KB閃存，提高了存儲(chǔ)空間和讀取速度，同時(shí)應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)和簡(jiǎn)單的后臺(tái)開發(fā)模式(BDM)，使設(shè)計(jì)開發(fā)工作更簡(jiǎn)單、高效。因此，本系統(tǒng)選用飛思卡爾的MC9S12XET芯片作為微控制器。它內(nèi)部有XGATE I/O協(xié)處理器模塊，其高達(dá)100 MHz的總線頻率可以保證運(yùn)行速度，通過8個(gè)16位獨(dú)立通道的TIM模塊(定時(shí)器模塊)以采集轉(zhuǎn)速信號(hào)或比較輸出信號(hào)，同時(shí)擁有8通道8位或4通道16位PWM(脈寬調(diào)制)模塊以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，2個(gè)獨(dú)立ADC轉(zhuǎn)換器和具有8、10、12位分辨率的 ATD(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊以保證多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換和精度要求，此外，還擁有1個(gè)可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的SCI(異步串行通信接口)，以及1個(gè)在車輛電控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的CAN控制器。

2.3 輸入信號(hào)模塊

輸入信號(hào)模塊由數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)3部分組成。

數(shù)字量信號(hào)主要是變速器內(nèi)部檢測(cè)得到的3路輸入軸轉(zhuǎn)速的傳感器信號(hào)。在雙離合自動(dòng)變速器控制過程中，需要對(duì)輸入軸上的3個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定換擋時(shí)機(jī)和離合器主、從動(dòng)盤的控制方式。

電控單元中的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳感器采用磁電式傳感器，隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，其信號(hào)輸出幅值變化范圍很大，從幾十毫伏到幾十伏，這對(duì)后續(xù)處理電路提出了很高要求［11］。輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路將磁電式傳感器輸出的差動(dòng)脈沖信號(hào)整形成幅值為5 V、相位不變的方波，送到單片機(jī)的輸入捕捉口。電路對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)的拾取都具有良好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，其框圖［12］見圖3。

本系統(tǒng)中磁電式傳感器的輸出幅值變化范圍從1 V(150 r/min)到50 V(10000 r/min)，對(duì)其濾波整形的處理電路如圖4所示。

模擬量信號(hào)是離合器溫度傳感器和電控單元溫度傳感器的采集信號(hào)和從直流電機(jī)中直接讀取的反饋電流信號(hào)。其中，溫度信號(hào)用于監(jiān)測(cè)離合器和電控單元是否處于正常工作狀態(tài)。由于在離合器主、從動(dòng)摩擦盤上安裝壓力傳感器比較困難，故利用電流信號(hào)推算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，從而折算出電機(jī)和其執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)離合器的加載壓力。從電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接檢測(cè)電流時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流較大，直接接入單片機(jī)會(huì)損壞系統(tǒng)，故采用并聯(lián)1個(gè)小電阻(約為0.01 Ω)的方法，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成安全的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)。

開關(guān)量信號(hào)是位于同步器撥叉上的擋位傳感器和位于ECU支架上4個(gè)換擋元件傳感器共同作用產(chǎn)生的信號(hào)(PO0～PO3)，用于檢測(cè)同步器位置，判斷換擋軸上各擋位齒輪組合形式，從而確定其擋位，如表1所示?？刂茊卧来卫糜蛪和苿?dòng)換擋軸運(yùn)動(dòng)，形成擋位［13］。開關(guān)信號(hào)的信號(hào)處理電路［5］如圖5所示，其中PO0in～PO3in為從擋位傳感器上直接采集到的信號(hào)，PO0～PO3為經(jīng)處理后得到的可以直接輸入單片機(jī)最小系統(tǒng)信號(hào)。電路采用了TLP521光耦合器以隔離輸入輸出電氣聯(lián)接，其主要優(yōu)點(diǎn)是該信號(hào)為單向傳輸信號(hào)，完全實(shí)現(xiàn)了輸入端與輸出端的電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高［13］。

表1 擋位位置信號(hào)端口與對(duì)應(yīng)擋位

圖5 換擋位置信號(hào)處理電路

此外，系統(tǒng)還需監(jiān)測(cè)節(jié)氣門開度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)信號(hào)、各擋位信號(hào)等多路信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙離合自動(dòng)變速器的全面控制。這些信號(hào)都可以通過高速驅(qū)動(dòng)CAN總線直接與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、ABSECU和選擋機(jī)構(gòu)ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換得到。

2.4 輸出信號(hào)模塊

輸出信號(hào)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

直流電機(jī)主要用于對(duì)離合器結(jié)合過程的控制。在傳統(tǒng)的干式雙離合自動(dòng)變速器中，仍然采取液壓方式控制離合器加載壓力。本文通過對(duì)離合器操縱系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用電子控制技術(shù)對(duì)DCT中2個(gè)離合器從動(dòng)盤進(jìn)行控制，在符合其控制策略的同時(shí)也能滿足汽車行駛的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。因此，本文利用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)離合器的加壓，電機(jī)參數(shù)如表2所示［14］。

表2 直流電機(jī)參數(shù)

從表2可以看出，電機(jī)工作需要大電流驅(qū)動(dòng)，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片額定電流要求較高。本電路所采用的BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的高、低邊的最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)60 A［15］，能夠滿足需要。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。文獻(xiàn)［4］則采用了12 V、100～150 W的直流電機(jī)，并采用IR2112S作為驅(qū)動(dòng)芯片。然而，該驅(qū)動(dòng)芯片高、低邊的最大輸出電流僅為500 μA［17］，無法滿足所選用直流電機(jī)正常工作電流為8.3～12.5 A的要求。

圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)主要用于驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥。這些閥門未通電時(shí)電磁閥處于閉合位置，壓力油無法到達(dá)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)［13］。但從單片機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)較小，不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥中的線圈，因此先將輸出信號(hào)通過放大電路進(jìn)行放大處理后再用于驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作。有的電磁閥需要使用模擬信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則還應(yīng)在放大后對(duì)其進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.5 CAN總線驅(qū)動(dòng)電路

CAN(controller area network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國(guó)的BOSCH公司為汽車監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其控制策略需要從車內(nèi)其他ECU模塊讀取相應(yīng)的傳感器信號(hào)，并交換大量數(shù)據(jù)，故采用CAN總線以解決數(shù)據(jù)交換問題。

CAN總線又分為高速總線和低速總線，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的信號(hào)(如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等汽車運(yùn)行工況參數(shù))進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)通常采用高速總線，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)500 K/s。本系統(tǒng)DCTECU和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、ABSECU及選擋機(jī)構(gòu)ECU的數(shù)據(jù)交換都通過高速總線來實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)所采用的CAN總線驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，使用光耦集成芯片HCPL2630對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電隔離;選用TJA1040作為驅(qū)動(dòng)模塊芯片，以滿足高速總線對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的速度要求［18］。

圖7 CAN總線驅(qū)動(dòng)和隔離電路

3 結(jié)束語(yǔ)

按照DCT電子控制單元的要求，明確了干式雙離合自動(dòng)變速器控制過程中的輸入、輸出信號(hào);設(shè)計(jì)了DCT電控系統(tǒng)的控制流程圖，并說明了DCT電控單元與汽車其他電控單元數(shù)據(jù)通訊的關(guān)系;完成了單片機(jī)各個(gè)端口資源的分配;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的電路原理圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCT離合器的電機(jī)控制。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)雙離合自動(dòng)變速器的實(shí)物控制，并可進(jìn)一步用于研究離合器結(jié)合過程中的控制策略、滑磨功和沖擊度等指標(biāo)。

［1］張雄華，周雅夫，宋振寰.電機(jī)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)離合器控制與試驗(yàn)［J］.天津汽車，2005(1):29－38.

［2］楊慶.雙離合自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)的開發(fā)與研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［3］王騫.雙離合自動(dòng)變速器電子控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

［4］李軍華.雙離合器變速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.成都:西華大學(xué)，2009.

［5］雷雨龍.提高電控機(jī)械式自動(dòng)變速器性能的研究［D］.長(zhǎng)春:吉林工業(yè)大學(xué)，1998.

［6］葉明，秦大同，劉振軍.直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)離合器控制［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，19(2):35－37.

［7］席軍強(qiáng).無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)離合器及其控制策略研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2001.

［8］金倫，程秀生，孫俐，等.雙離合器自動(dòng)變速器仿真研究［J］.汽車技術(shù)，2005(8):4－7.

［9］郭曉林.雙離合器自動(dòng)變速系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真研究［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20(1):48－51.

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

［11］張君.摩托車汽油機(jī)電控單元硬件的研制［D］.北京:清華大學(xué)，2005.

［12］劉飛龍.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元硬件的研制［D］.北京:清華大學(xué)，2002.

［13］姚國(guó)林.圖解2009款邁騰雙離合器自動(dòng)變速器(二)［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2009(7):44 －47.

［14］OSHIBA .TLP521 datasheet［Z］.［S.l.］:OSHIBA，2007.

［15］崔東偉.電動(dòng)干式雙離合器控制技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007.

［16］BTS7960 Datasheet［Z］.［S.l.］:Infineon，2004.

［17］IR2112(S)Datasheet［Z］.［S.l.］:International IOR Rectifile，2004.

［18］TJA1040 Datasheet ［Z］.［S. l.］:Philips semiconductor，2003.