簡析車輛機械自動變速器電控單元設(shè)計

溫永強

（山西國營大眾機械廠，山西 太原 030024）

1 概述

車輛機械自動變速器電控單元（AMT ECU）特指對機械變速器進行控制的電子控制單元，簡稱ECU（Electronic Control Unit），是汽車行業(yè)十分關(guān)注的汽車電子高新技術(shù)產(chǎn)品，它能減輕駕駛強度，提高經(jīng)濟性和動力性，改進舒適性和安全性，且成本低，制造方便，因此在自動變速領(lǐng)域具有較強的競爭力和廣闊的應(yīng)用前景。

2 車輛機械式自動變速控制器工作原理

車輛機械式自動變速器（Automated Mechanical－Transmission，簡稱AMT）的工作原理是：將駕駛員對車輛的換檔、油門控制、剎車等操作意圖和當(dāng)前車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、離合器、油門、檔位等工作狀態(tài)共同作為AMT的輸入控制信號，由ECU的控制軟件對當(dāng)前輸入信號的狀態(tài)和參數(shù)作出判斷，根據(jù)控制規(guī)律模擬駕駛者的操控方式控制發(fā)動機、變速箱、離合器等完成自動換檔過程。圖1為ECU的構(gòu)成原理框圖。

圖1 ECU原理框圖

2．1 微控器（MCU）

ECU的控制核心是微控器（MCU），它可以是單片計算機、混合信號處理器（MSP）或數(shù)字信號處理器（DSP）等任一種智能控制芯片。多數(shù)現(xiàn)代的MCU配置有開關(guān)量模塊、模擬量模塊及串行通信模塊，有的MCU還配有USB和CAN模塊，這使得以MCU為核心進行控制電路和通信電路設(shè)計時電路的結(jié)構(gòu)更簡練可靠，也使編程者在軟件設(shè)計時有更多和更靈活的選擇。

2．2 輸入信號接口電路

圖1中左上部分和左中部分，分別是開關(guān)量輸入信號接口和模擬量輸入信號接口電路。信號接口電路包含有輸入調(diào)理電路，其作用是將傳感器輸出信號的電壓等級轉(zhuǎn)換為微控器可接收的電壓等級。為保證電控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，信號接口電路應(yīng)對開關(guān)量的輸入信號采取隔離耦合和消抖措施，以減小外界干擾；對模擬量輸入信號應(yīng)采取高低電位的限幅措施，防止因信號引線引入高電壓造成電路的損毀。

2．3 驅(qū)動控制接口電路

ECU的輸出最終要控制換檔執(zhí)行機構(gòu)完成自動換檔，換檔機構(gòu)的動作往往是由直流電機或電磁閥驅(qū)動的。直流電機或電磁閥一般功率較大并且都是感性負載，ECU需要有專門的驅(qū)動控制接口電路來驅(qū)動。圖1右上部分表示了驅(qū)動控制接口電路。驅(qū)動控制接口電路的輸入是來自微控器（MCU）的控制信號，是電壓等級較低、功率較弱的脈寬調(diào)制（PWM）信號，必須經(jīng)過隔離耦合和功率放大后，驅(qū)動控制接口電路的輸出才可以直接驅(qū)動電機或電磁閥。

2．4 通信接口電路和電源

ATM ECU在車輛控制過程中不是孤立存在的，需要與車輛中其他控制單元通信，比如可能與車輛主控制器及電噴發(fā)動機、制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、電動門窗等的控制單元交換信息。另外對ECU進行調(diào)試和校準時也必須要有信息交換的通道。圖1右下部分表示了通信接口電路。

電源是電子設(shè)備不可缺少的重要電路，圖1最下部分表示了電源接口電路。

3 ECU硬件設(shè)計方案

3．1 微控制器

微控器（MCU）也稱單片機，是ECU控制的核心器件。生產(chǎn)微控器的廠商很多，本文選擇美國德克薩斯儀器儀表（TI）公司生產(chǎn)的微控器（MCU）。配置了微控器后，ECU在硬件設(shè)計上的重點是微控器與傳感器、驅(qū)動電路、通信電路等電路的接口，即注重硬件設(shè)計時電路的合理性、可靠性、抗干擾性等。

3．2 開關(guān)量輸入接口電路

圖2表示了部分開關(guān)量的輸入電路。輸入信號IN1～IN4經(jīng)限流電阻和光電隔離輸出信號OUT1～OUT4送微控器。

3．3 模擬量輸入接口電路

不同類型的模擬量傳感器輸出信號的電量是不同的，可能是4mA～20mA電流輸出，也可能是0V～5 V或0V～10V電壓量。模擬量輸入信號應(yīng)采取高低電位的限幅措施以防止因信號引線引入高電壓造成ECU電路的損毀。模擬量接口電路需根據(jù)選定的傳感器的具體情況設(shè)計。

圖2 開關(guān)量輸入接口電路

3．4 直流電機驅(qū)動控制電路

直流電機驅(qū)動采用“H”橋結(jié)構(gòu)，PWM方式驅(qū)動。H橋由4個大功率場效應(yīng)管T1～T4構(gòu)成，其電路原理見圖3。

圖3 直流電機驅(qū)動電路原理圖

大功率場效應(yīng)管T1、T4導(dǎo)通，電機正轉(zhuǎn)。大功率場效應(yīng)管T2、T3導(dǎo)通，電機反轉(zhuǎn)。需要注意的是必須要確保T1、T3不能同時導(dǎo)通，T2、T4不能同時導(dǎo)通，否則會引起電源短路而產(chǎn)生嚴重后果。光耦芯片TLP250是信號隔離電路，是集成電路IR2110大功率場效應(yīng)管的驅(qū)動電路。直流電機是感性負載，為防止電感的反沖電壓對電路的損壞，電路中設(shè)置了由二極管電容器電阻器組成的保護電路。

3．5 通信接口電路

圖4為串行口RS232接口電路的原理圖，電路采用三線串口通信方式。

圖4中MAX3221集成電路芯片將3．3V電平等級的串行信號轉(zhuǎn)換為符合RS232協(xié)議標(biāo)準電平等級的信號。電路很簡單，只需在TRS3221EIPWR外接4個0．1μF的電容器。微控器與CAN物理傳輸總線接口的芯片種類不少，這里采用了PHILIPS公司的PCA82C250收發(fā)器芯片。為提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和抗干擾性，在TMS320F28035與PCA82C250芯片之間加入高速光耦芯片6N136進行電氣隔離。另外與外部連接的兩根CAN信號線與信號線地線之間分別接了一個瞬間高壓抑制器。當(dāng)信號端與地之間出現(xiàn)瞬變高電壓干擾時，通過瞬間高壓抑制器放電可以對電路起到一定的保護作用。

圖4 串行口RS232接口電路

3．6 電源電路

源主要電路的原理圖。

電源是電子設(shè)備不可缺少的重要電路。圖5為電

圖5 電源電路

ECU是由電壓等級和功率要求不同的多個電路組合構(gòu)成的電子設(shè)備，對電源電壓等級和電流輸出的要求不同。圖5中電源由24V輸入，MC78L15將24 V轉(zhuǎn)換為15V供給大功率場效應(yīng)管的驅(qū)動電路、集成電路IR2110等電路。24V輸入經(jīng)濾波器濾波由3個DC／DC變換器轉(zhuǎn)換，為微控器、通信口等對電平等級要求不同的電路提供合適的供電電源。

4 ECU軟件設(shè)計

當(dāng)電路硬件設(shè)計完成后，ECU的功能要完全依靠系統(tǒng)控制軟件來實現(xiàn)，軟件設(shè)計的優(yōu)劣決定了整個設(shè)計的成敗。本設(shè)計項目的軟件采取模塊化的設(shè)計方法來實現(xiàn)。

4．1 接口軟件

接口軟件首先包括對微控器內(nèi)嵌的各功能模塊進行初始化子程序，初始化子程序?qū)⒛K功能配置為ECU電路需要的狀態(tài)。比如將端口按要求配置為開關(guān)量輸入或輸出狀態(tài)，配置模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊的端口和工作方式，為其他軟件實現(xiàn)控制功能提供基礎(chǔ)。接口軟件還包括控制微控器進行信號采集和信號輸出的子程序。這些子程序按設(shè)計要求將傳感器信號采集轉(zhuǎn)換后放入到預(yù)定的存儲區(qū)，供其他軟件使用。

4．2 控制算法軟件

控制算法軟件是實現(xiàn)車輛機械自動變速器電控單元（AMT ECU）的核心?？刂扑惴ㄜ浖暮诵膬?nèi)容是采用程序或控制表模仿優(yōu)秀駕駛員對車輛的駕駛過程，通過ECU硬件實現(xiàn)自動換檔的控制。換檔自動控制是一個復(fù)雜的控制過程，當(dāng)駕駛員做出操作動作后，就是對ECU發(fā)出了控制指令，ECU將依據(jù)接收到的各傳感器的信息判斷當(dāng)前車輛的運動狀態(tài)，同時ECU預(yù)設(shè)的控制算法對控制指令和當(dāng)前車輛的運動狀態(tài)作出分析并迅速給出合理的控制判斷。

4．3 通信軟件

ECU在車輛控制過程中需要與車輛其他部分的控制單元交換信息，對ECU進行調(diào)試和校準時也必須應(yīng)有信息交換，這些信息的交換由通信軟件實現(xiàn)。CAN通信軟件實現(xiàn)ECU與車輛內(nèi)部其他部件之間的數(shù)據(jù)交換通信，而RS232通信軟件實現(xiàn)ECU用于調(diào)試和校準時與計算機或智能電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。

4．4 容錯的考慮

相對于傳感器和執(zhí)行機構(gòu)來說，雖然ECU的可靠性較高，但一旦發(fā)生故障，后果將更加嚴重，會使全部系統(tǒng)癱瘓和失控，因此ECU設(shè)計中容錯是必須認真考慮的問題。

5 結(jié)束語

以單片機為控制核心的系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動換檔的基本控制，系統(tǒng)價格相對低廉，適合AMT的發(fā)展方向，應(yīng)用前景廣闊，已成為開發(fā)適合我國國情的新型汽車自動變速器的熱點。