基于自動(dòng)變速器的線控?fù)Q擋控制器開發(fā)

陳振文，何曉妮，范漢茂，譚火南，劉志剛

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

0 引 言

傳統(tǒng)換擋器都是通過拉鎖推動(dòng)或拉動(dòng)自動(dòng)變速箱搖臂實(shí)現(xiàn)換擋，而線控?fù)Q擋器取消了機(jī)械式拉鎖，直接采用電機(jī)推動(dòng)或拉動(dòng)自動(dòng)變速箱搖臂實(shí)現(xiàn)換擋。一方面減少傳統(tǒng)機(jī)械式結(jié)構(gòu)的磨損，換擋器體積小，換擋機(jī)制靈活多變，可極大程度地滿足內(nèi)飾造型需求；另一方面線控?fù)Q擋器可實(shí)現(xiàn)電控?fù)Q擋，為智能駕駛奠定基礎(chǔ)。

目前，線控?fù)Q擋器主要應(yīng)用在高端車型和新能源車。隨著汽車的智能化和電子化，以及輔助駕駛和無人駕駛的需求，各大零部件商正在大力研發(fā)，線控?fù)Q擋技術(shù)也將得到普遍應(yīng)用。

本研究將介紹換擋器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件開發(fā)及控制策略[1-2]。

1 總體設(shè)計(jì)

線控?fù)Q擋系統(tǒng)包括換擋器和執(zhí)行器兩部分。換擋器為換擋桿操縱機(jī)構(gòu)，整個(gè)線控?fù)Q擋系統(tǒng)的控制部分安裝在換擋器里面，包括線控?fù)Q擋主控制器SCM，檔位指示LED部分和按鍵部分。執(zhí)行器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，跟變速箱換檔搖臂連接。

換擋桿行程為H型，包括PRNDM+M-6個(gè)檔位位置。換擋桿縱向位移由霍爾傳感器識別，橫向位移由機(jī)械開關(guān)識別，結(jié)合霍爾信號和機(jī)械開關(guān)信號可準(zhǔn)確識別換擋桿位置，獲得目標(biāo)檔位。SCM根據(jù)目標(biāo)檔位驅(qū)動(dòng)電機(jī)，推動(dòng)變速箱換檔搖臂到相應(yīng)位置，完成換檔過程。同時(shí)，SCM將當(dāng)前檔位信息發(fā)送到CAN總線。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)換擋，在電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝角度霍爾傳感器，與SCM、電機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

線控?fù)Q擋器實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 線控?fù)Q擋器實(shí)物圖

2 軟件設(shè)計(jì)

換擋器軟件功能主要包括擋位判斷、擋位顯示、電機(jī)閉環(huán)控制，故障診斷、擋位自學(xué)習(xí)和車輛狀態(tài)邏輯判斷等[3]。

(1)點(diǎn)火開關(guān)上電后，軟件初始化，使檔位默認(rèn)處于P擋中；

(2)初始化完成后，當(dāng)換擋桿輸入任何擋位時(shí)，首先軟件需判斷車輛狀態(tài)邏輯(如車速、剎車信號、門鎖信號、故障信號等)是否滿足進(jìn)入該擋位條件，若滿足，則直接進(jìn)入擋位識別；若不滿足，則重新輸入擋位；

(3)車輛狀態(tài)邏輯滿足條件后，進(jìn)行擋位識別判斷。若輸入擋位正確，則LED顯示該擋位，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使變速箱達(dá)到該擋位；若輸入擋位不正確，則LED不顯示并忽略，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不執(zhí)行；

(4)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作控制時(shí)，通過安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的霍爾傳感器檢測當(dāng)前角度，來判斷當(dāng)前機(jī)構(gòu)是否執(zhí)行到位?；魻杺鞲衅鬏敵鲂盘枮镻WM波，其占空比與旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，即每個(gè)角度對應(yīng)一個(gè)占空比值。霍爾傳感器輸出PWM波的占空比與目標(biāo)擋位所需的占空比進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制；若誤差在1°以內(nèi)，則判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到當(dāng)前擋位，若誤差大于1°，則繼續(xù)進(jìn)行電機(jī)PID調(diào)節(jié)控制，直至目標(biāo)擋位值；當(dāng)霍爾傳感器輸出占空比達(dá)到目標(biāo)值后，判斷電機(jī)執(zhí)行在當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間，若時(shí)間大于等于0.1 s，則表示該擋位執(zhí)行到位，并停止控制電機(jī)，結(jié)束換擋；若時(shí)間小于0.1 s，則表示該擋位未執(zhí)行到位，仍需繼續(xù)進(jìn)行電機(jī)PID控制穩(wěn)定，直至完成該擋位換擋過程并結(jié)束換擋。

軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用兩片飛思卡爾16 bit單片機(jī)MC9S12G128，兩個(gè)芯片之間通過SPI通信相互校驗(yàn)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行[4]。MC9S12G128現(xiàn)階段應(yīng)用非常廣泛，主頻為24 MHz，128 K Flash，10個(gè)12 bit的AD通道，8個(gè)8 bit的PWM波。各個(gè)電路模塊的詳細(xì)介紹如下：

3.1 電源電路

電源模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 電源結(jié)構(gòu)框圖

主單片機(jī)和監(jiān)控單片機(jī)采用獨(dú)立的電源供電，用兩個(gè)英飛凌的TLE4271-2G。外部傳感器供電采用一個(gè)ROHM的BD450M5WFPJ，與PCB板上的供電分開，以免外部因素影響內(nèi)部電源。

TLE4271-2G是一款低靜態(tài)電流、能夠承受42 V電壓的LDO，輸出電壓精度可達(dá)到2%，最大輸出電流為550 mA，用于給MCU、CAN驅(qū)動(dòng)以及其他外圍電路供電[5]。BD450M5WFPJ主要為外部電機(jī)位置霍爾傳感器和LED燈供電，帶使能關(guān)斷功能，可由單片機(jī)控制其關(guān)斷，以減少靜態(tài)電流[6]。

TLE4271-2G的外圍電路如6所示。

圖6 TLE4271-2G外圍電路

其輸入引腳I前端為PMOS防反和TVS管鉗位濾波電路。WI引腳為看門狗輸入，MCU需定期輸入高電平信號，否則電源芯片將會(huì)拉低復(fù)位引腳。INH引腳為輸入使能，點(diǎn)火信號、CAN喚醒信號和單片機(jī)使能信號經(jīng)過或門后輸入到INH引腳。RO引腳為復(fù)位輸出，復(fù)位時(shí)間由C5決定。Q引腳為5V輸出，VDD5用于給單片機(jī)IO口和CAN驅(qū)動(dòng)芯片等供電，VDD5A用于給AD采集模塊供電，兩者之間通過磁珠F4隔離。

3.2 信號輸入電路

3.2.1 模擬輸入

換擋撥片為外部模擬輸入信號，安裝在方向盤上，用于實(shí)現(xiàn)加減檔功能。該信號為電阻網(wǎng)絡(luò)，采集電路需匹配1 k上拉電阻到+5 V。

模擬采集電路如圖7所示。

圖7 模擬采集電路

其中，R52為限流電阻，與C39組成低通濾波，提高采樣精度。另外還需模擬采集+5 V傳感器電和+12 V電池電，以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)供電[7]。

3.2.2 數(shù)字輸入

機(jī)械開關(guān)和按鍵都是數(shù)字輸入信號，低電平有效，接口電路如圖8所示。

圖8 數(shù)字信號輸入電路

輸入信號為低有效，所以采用上拉電阻。一方面為端口提供默認(rèn)高電平，另一方面可保證開關(guān)濕電流，確保開關(guān)接觸良好。電阻R122和R147組成分壓電路，以滿足單片機(jī)口電平約束。

3.3 霍爾傳感器模塊

(1)電機(jī)位置霍爾傳感器集成在電機(jī)內(nèi)部，PWM輸出方式，信號抗干擾性強(qiáng)，適合長距離走線，單片機(jī)通過捕獲模塊計(jì)算PWM占空比，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面通過AD采集該信號，檢測短路到地、短路到電源和開路故障；接口電路如圖9所示。

圖9 PWM信號輸入電路

(2)操縱桿縱向位置霍爾傳感器選用Melexis的MLX90363。該系列傳感器采用磁通壓縮技術(shù)，將平行芯片的磁場轉(zhuǎn)換為穿過芯片的正交磁場，能實(shí)現(xiàn)3D角度的識別，廣泛應(yīng)用于汽車無接觸旋轉(zhuǎn)定位場合。MLX90363自帶診斷功能，單片機(jī)可直接通過SPI口讀取角度和故障信息，方便可靠。另外集成雙路識別功能，保證功能設(shè)計(jì)的冗余性和安全性[8]。

4 實(shí)車驗(yàn)證

本研究將線控?fù)Q擋控制器SCM與換擋機(jī)構(gòu)總成安裝到測試車輛，進(jìn)行線控?fù)Q擋器全功能測試。搭載的車型為廣汽傳祺AL，變速箱為愛信6F45，根據(jù)廣汽企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制器和整車耐久試驗(yàn)。

采用孔輝科技的換擋性能測試系統(tǒng)用于車輛靜止或者動(dòng)態(tài)行駛過程中對換擋操縱性能進(jìn)行測量。主要包括換擋手柄力、換擋手柄的換擋和選檔位移、離合器踏板行程與力、變速箱輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)還預(yù)留對溫度、振動(dòng)信號采集的通道接口。

性能測試現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 換擋性能測試

測試系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 換擋測試系統(tǒng)參數(shù)

通過總線工具采集的測試結(jié)果如圖11所示[9]。

圖11 實(shí)車測試結(jié)果SCM_GearShiftLeverPstReq—換擋桿需求檔位；TCU_CurrentGearSt—當(dāng)前變速器實(shí)際檔位；SCM_DriveMode—駕駛模式

0～0.5 s為P當(dāng)解鎖控制邏輯驗(yàn)證，可以看到當(dāng)剎車踩下等條件滿足后，可以順利從P擋脫開移至R擋；

SCM_Gear Shift Lever PstReq與TCU_Current Gear St組合顯示為在0～6.5 s時(shí)擋位切換驗(yàn)證，可以看到隨著換擋桿目標(biāo)擋位的不同，總線輸出不同的擋位，同時(shí)TCU擋位實(shí)時(shí)跟隨變化，且跟隨變化換擋完成時(shí)間都在0.1s以內(nèi)；

SCM_Gear Shift Lever PstReq與SCM_Drive Mode組合顯示為部分駕駛模式切換驗(yàn)證，可以看到駕駛模式在Normal、Sport、Manual、Normal之間正常切換。當(dāng)在Sport模式時(shí)，換擋桿輸入M+或者M(jìn)-，駕駛模式自動(dòng)切換成Manual模式。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)機(jī)械式換擋器，本研究設(shè)計(jì)了一種線控?fù)Q擋器，詳細(xì)介紹了軟件、硬件以及故障診斷的設(shè)計(jì)開發(fā)。結(jié)果表明：電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前車輛信息和駕駛員指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，并正確顯示檔位信息。

其次，本研究設(shè)計(jì)了故障診斷邏輯和檔位自學(xué)習(xí)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明：線控?fù)Q擋系統(tǒng)有效降低了部件復(fù)雜性，機(jī)械磨損少。

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