電驅(qū)動機(jī)械變速器換擋控制器的硬件設(shè)計與測試

劉 凱,陳科山,萬里冰,田 豐,陳紅旭,李 為

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084；3.宜賓豐川動力科技有限公司，四川 宜賓 644000)

電動汽車節(jié)能環(huán)保，發(fā)展迅猛，是近年來各個國家重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)[1]。無離合器、無同步器的電驅(qū)動機(jī)械變速器(EMT)以其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低和傳動效率高的特點在電動汽車中得到了廣泛的應(yīng)用，可拓寬驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出范圍，提高車輛動力性，降低驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩要求，使電動汽車充分利用電機(jī)高效區(qū)，提高車輛經(jīng)濟(jì)性[2]，對電動汽車的發(fā)展起到了極大的推動作用。同時，EMT采用自動換擋控制，可提高駕駛員的舒適性、操作便利性，是電動汽車動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[3]。

目前，國內(nèi)針對電驅(qū)動機(jī)械變速器換擋控制器(TCU)的研究還比較薄弱，與國外大公司(如大陸、博世、采埃孚)相比還有較大差距。在電子控制方面，國內(nèi)TCU設(shè)計缺乏核心技術(shù)，開發(fā)水平低，基礎(chǔ)差[4]。

為了在電驅(qū)動機(jī)械變速器中實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的換擋，需要精確測量變速器輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號、接合套的位置信號、油門踏板開度信號等，并需要精確控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置[5]。主要難點有：① 對變速器輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速信號測量精度要求高，要求達(dá)到1 r/min；② 對變速器輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角測量精度要求高，要求達(dá)到1°；③ 對換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號測量精度要求高，要求達(dá)到0.1 mm；④ 對變速器接合套的位置控制精度要求高，其行程為22 mm，控制精度要達(dá)到1 mm。本文針對以上難點，設(shè)計了基于英飛凌XC2267M核心處理器的電驅(qū)動機(jī)械變速器換擋控制器，能對輸入信號進(jìn)行精確采集和調(diào)理，對輸出信號實現(xiàn)精確控制，可達(dá)到上述技術(shù)指標(biāo)要求，為EMT實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的換擋提供硬件基礎(chǔ)。

1 換擋控制器硬件設(shè)計

TCU的輸入和輸出信號系統(tǒng)如圖1所示，輸入信號包括驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的轉(zhuǎn)速信號ωm和轉(zhuǎn)角信號θm，輸出軸光電編碼器反饋的轉(zhuǎn)速信號ωslv和轉(zhuǎn)角信號θslv，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器反饋的接合套位置信號x1和x2，以及CAN通信總線傳輸?shù)挠烷T踏板加速信號a，制動踏板信號b，擋位信號D、R、N、P。輸出信號包括主動控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號Tm和控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號Tm1、Tm2。該轉(zhuǎn)矩信號Tm1、Tm2分別控制兩個換擋電機(jī)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動接合套行程Δx1，Δx2。

在換擋過程中，TCU輸出驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm，可主動控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，使機(jī)械變速器內(nèi)接合套的齒尖正對接合齒圈的齒槽[6]。TCU輸出換擋電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號Tm1和Tm2分別控制兩個換擋電機(jī)，使換擋撥叉推動接合套到達(dá)目標(biāo)擋位。

圖1 TCU輸入輸出信號系統(tǒng)

1.1 TCU系統(tǒng)硬件設(shè)計

TCU的主要功能是實現(xiàn)EMT快速、平穩(wěn)換擋。本文對TCU輸入信號和輸出信號的處理采用模塊化設(shè)計，即不同的信號由不同的模塊采集和處理，以獲得精確的輸入信號和輸出信號[7]。TCU硬件整體框圖的架構(gòu)如圖2所示，其主要由XC2267M單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、輸出軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號調(diào)理模塊、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號采集模塊、CAN通信模塊、換擋電機(jī)控制模塊等部分組成。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路模塊，采集并處理EMT輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號采集模塊采集并處理換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器的位置信號，換擋電機(jī)控制模塊輸出PWM信號控制換擋電機(jī)實現(xiàn)換擋撥叉位置控制。

圖2 控制器硬件設(shè)計整體框圖

如圖3所示，根據(jù)控制器硬件整體框圖制作TCU，對TCU各個模塊進(jìn)行所有功能性測試，可用于變速器換擋測試。

圖3 TCU實物

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路設(shè)計

單片機(jī)最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)運行的最小電路。圖4是單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括晶振電路、電源電路、復(fù)位電路和調(diào)試接口電路等。圖5是晶振電路原理，時鐘輸入信號由8 MHz晶振提供，通過片上鎖相環(huán)配置所需工作頻率，最高頻率為80 MHz，可加快程序軟件運行速率。圖6是電源電路原理，單片機(jī)最小系統(tǒng)的外部輸入電源為9～24 V，經(jīng)二極管D1向TLE6365G供電，具有電源反極性保護(hù)功能。通過降壓型DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器芯片TLE6365G獲得5 V電源，給XC2267M核心處理器供電。TLE6365G輸出采用LC濾波，將紋波控制在較小的幅度。圖7是復(fù)位電路原理，復(fù)位信號也由TLE6365G提供。圖8是調(diào)試接口電路原理，通過OCDS接口對主控芯片進(jìn)行程序下載和在線仿真調(diào)試。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 晶振電路原理

圖6 電源電路原理

圖7 復(fù)位電路原理

圖8 調(diào)試接口電路原理

1.3 輸出軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號調(diào)理模塊電路設(shè)計

如圖9所示，在EMT輸出軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號的測量上，選用增量式光電編碼器。該光電編碼器具有體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，分辨率為10～3 600 p/r。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號的精確測量，采用RC濾波和施密特反向器設(shè)計該模塊電路。通過RC構(gòu)建低通濾波電路對增量式光電編碼器的輸出信號進(jìn)行濾波，通過施密特觸發(fā)器對光電編碼器ABZ三相信號波形進(jìn)行整形，同時采用反相器74HC14對信號進(jìn)行隔離處理，以提高信號的輸入阻抗。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路如圖10所示。光電編碼器通過A相和B相脈沖信號的相位來判斷輸出軸的轉(zhuǎn)向，通過A、B兩相脈沖加/減計數(shù)來提供轉(zhuǎn)角信號，通過A、B、Z三相信號的頻率來提供轉(zhuǎn)速信號。

圖9 用于測量輸出軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號的光電編碼器

圖10 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路

1.4 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號采集模塊電路設(shè)計

如圖11所示，選用可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器測量換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置。該位置傳感器連在換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，換擋電機(jī)通過轉(zhuǎn)動使節(jié)氣門產(chǎn)生開度來輸出換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號。輸出的電壓信號精確度達(dá)到了0.1 V。

圖12是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號采集模塊電路原理。TCU采用AD轉(zhuǎn)換模塊采集位置傳感器傳輸?shù)奈恢眯盘?。從換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采集的位置模擬信號電壓值較小，難以準(zhǔn)確測量，需要放大電路對其進(jìn)行放大。位置模擬信號先進(jìn)入積分電路，進(jìn)行低頻輸入電壓積分，其中并聯(lián)電阻可以防止低頻信號增益過大。放大器和RC低通濾波器分別對信號進(jìn)行放大處理和抗干擾處理。該電路是對換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器位置信號的精確采集，實現(xiàn)位置模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號發(fā)送給XC2267M主控芯片進(jìn)行處理。

圖11 節(jié)氣門位置傳感器

圖12 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信號采集模塊電路原理

1.5 CAN通信模塊電路設(shè)計

CAN通信模塊電路可實時接收和發(fā)送信號，提高整車控制器(VCU)和TCU之間的信號通訊，包括油門踏板加速信號、制動踏板信號、擋位選擇開關(guān)信號和變速器輸入軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號等。其優(yōu)點是節(jié)點不分主從，通信方式靈活，且具有不同的優(yōu)先級，通過CAN報文可實現(xiàn)點對點、一點對多點傳送和接收數(shù)據(jù)。目前節(jié)點數(shù)由總線驅(qū)動電路決定，可達(dá)110個，以短幀多發(fā)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性要求，每一幀的數(shù)據(jù)量都不超過8個字節(jié)，傳輸時間短、受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。

圖13是CAN 通信接口電路，選用TJA1050高速CAN收發(fā)器和共模電感ZJYS81芯片，電磁兼容性能較好，可應(yīng)用于高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。CAN的各個節(jié)點在通信時，對硬件的要求為：① CAN 總線的線束采用屏蔽雙絞線；② CAN 的終端電阻為124 Ω，采用阻抗匹配中的差分匹配來解決信號完整性中的信號反射問題[8]；③ 盡量遠(yuǎn)離蓄電池和電機(jī)的高壓動力線和 12 V 的電源線。

圖13 CAN通信接口電路

1.6 換擋電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計

換擋電機(jī)采用無刷直流電機(jī)，高效節(jié)能，具有良好的調(diào)速性能[9]。TCU通過輸出不同占空比的 PWM 波控制MOSFET場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)換擋電機(jī)速度控制，從而驅(qū)動換擋撥叉達(dá)到目標(biāo)擋位。

換擋電機(jī)驅(qū)動模塊電路采用6ED003L06-F2作為逆變電路驅(qū)動芯片，該芯片集成了三相電平轉(zhuǎn)換、門極驅(qū)動和電路保護(hù)特性。換擋電機(jī)驅(qū)動模塊電路采用三相全橋驅(qū)動電路，該電路由6個N型溝道MOSFET場效應(yīng)管組成，轉(zhuǎn)換速率快，導(dǎo)通電阻低，適用于低壓大電流的功率變換器。如圖14～15所示為換擋電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理。

2 硬件在環(huán)仿真測試

在完成TCU的硬件電路設(shè)計制作之后，本文對其進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，測試平臺如圖16所示。該臺架可實現(xiàn)駕駛場景在環(huán)的變速器換擋測試。EMT運行工況、整個換擋過程的駕駛員操作信息、車速狀態(tài)以及擋位信息都會顯示在換擋過程監(jiān)控界面上，方便測試人員對換擋過程的實時檢測[10-11]。在此次硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)中，變速器經(jīng)過了長時間運行測試，換擋20 000次，均未發(fā)現(xiàn)故障，驗證了TCU的可靠性和穩(wěn)定性。

圖16 硬件在環(huán)EMT換擋實驗平臺

在換擋過程中，EMT輸出軸上的光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號通過調(diào)理電路之前的信號如圖17所示，該信號含有持續(xù)性的干擾紋波且高頻干擾信號較多。調(diào)理之后的信號波形如圖18所示，波形較好。這驗證了TCU對光電編碼器反饋的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號測量的精確性。

圖17 調(diào)理前的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號

圖18 調(diào)理后的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號

3 實車道路測試

對TCU進(jìn)行實車道路測試，如圖19所示為裝有變速器和TCU的實驗車型，車輛參數(shù)如表1所示。

圖19 實車道路測試實驗車型

使用該實驗車進(jìn)行TCU綜合性能測試，結(jié)果由表2所示。變速器能夠按照TCU所發(fā)的信號指令進(jìn)行換擋，并且1擋升2擋和2擋降1擋時間在240 ms左右。實驗車經(jīng)過10萬km的道路測試，換擋無故障。這驗證了TCU的精確性、可靠性和穩(wěn)定性。

表1 實車基本參數(shù)

表2 實車道路測試結(jié)果

實車行進(jìn)過程中，EMT某次1擋升2擋的實驗數(shù)據(jù)如圖20所示，包括驅(qū)動電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線、接合齒圈和接合套的轉(zhuǎn)速曲線、接合齒圈和接合套的轉(zhuǎn)角差曲線、接合套的位移曲線。如圖20(a)所示，驅(qū)動電機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩信號跟目標(biāo)轉(zhuǎn)矩信號重合度較高，轉(zhuǎn)矩信號精度達(dá)到了1 N·m，驗證了TCU的控制性能較好。如圖20(b)所示，TCU采集傳感器反饋的接合套和接合齒圈轉(zhuǎn)速信號在170 ms之后重合，轉(zhuǎn)速信號精度達(dá)到了1 r/min。如圖20(c)所示，TCU采集傳感器反饋的接合套和接合齒圈轉(zhuǎn)角信號在170 ms之后趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)角差在0°上下，精度達(dá)到了1°。如圖20(d)所示，接合套位移測量精度達(dá)到了0.1 mm，TCU控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)，使接合套位移控制精度達(dá)到了1 mm，該實驗曲線驗證了TCU在換擋過程中輸入信號和輸出信號的精確性。

圖20 換擋過程中驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩、接合套和接合齒圈轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角差、接合套位移隨時間的變化

4 結(jié)束語

本文基于英飛凌XC2267M核心處理器設(shè)計了應(yīng)用于電動汽車電驅(qū)動機(jī)械變速器的換擋控制器，并對其進(jìn)行硬件在環(huán)仿真和實車道路測試，驗證了其輸入信號和輸出信號的精確性、換擋可靠性和運行穩(wěn)定性。所設(shè)計的控制器對我國電動汽車變速器自動控制技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化具有積極推動作用。