王博，涂市委，楊光峰

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

電控機(jī)械式自動變速器在不改變手動機(jī)械式變速器原有傳動結(jié)構(gòu)的情況下，增加一套自動控制裝置，通過采集車速、油門開度等信號，經(jīng)過處理后自動驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成離合器分離/接合、選換擋等動作，AMT具有傳動效率高、成本低、易于制造等優(yōu)點(diǎn)[1]。AMT控制單元（TCU）是AMT自動變速器的控制核心，也是關(guān)鍵技術(shù)。文章基于32位單片機(jī)對AMT控制器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并在程序設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果顯示，本次設(shè)計基本滿足了AMT控制器的系統(tǒng)要求。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本次設(shè)計中采用32位嵌入式系統(tǒng)ARM-Cortex-M4內(nèi)核飛思卡爾單片機(jī)K60DN512ZVLQ10作為核心處理器，主要作用是運(yùn)用FTM定時器、AD轉(zhuǎn)換等模塊實(shí)時采集各種傳感器輸入信號和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作反饋信號，進(jìn)而對輸入信號和反饋信號進(jìn)行運(yùn)算處理，基于 PWM 脈寬調(diào)制原理通過FTM 定時器輸出模塊發(fā)送指令對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)和選換擋機(jī)構(gòu)電磁閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動變速箱自動換擋操作[2]。

AMT變速器的 TCU是一個多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，待處理的信號較多，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但電路各功能相對獨(dú)立，可以清晰地劃分為不同的結(jié)構(gòu)單元?？刂葡到y(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 最小系統(tǒng)模塊

在本次設(shè)計中采用32位嵌入式系統(tǒng)ARM-Cortex-M4內(nèi)核單片機(jī)K60DN512ZVLQ10作為核心處理器[3]，將控制策略與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，使在換擋和離合器處理方面響應(yīng)速度更快，可靠性更高，抗干擾性更強(qiáng)。為使核心處理器能夠正常工作，需要為其構(gòu)建必要的復(fù)位電路、濾波電路、晶振電路、電源電路、寫入器電路等模塊以構(gòu)成核心處理器的最小系統(tǒng)。

2.2 電源管理模塊

硬件系統(tǒng)中不同模塊有不同的電壓需求：K60DN512最小系統(tǒng)模塊工作電壓為+3.3V；STC89C52信號發(fā)生器模塊工作電壓為+5V；電機(jī)驅(qū)動模塊和電磁閥驅(qū)動模塊都需為其提供+24V和+5V的電壓；模擬信號放大電路中運(yùn)算放大器則需為其提供+5V和-5V的電壓。然而輸入電源為+24V的車載蓄電池，所以電源管理模塊必須具有電壓轉(zhuǎn)換功能。

電源管理模塊電路包括+24V到+5V，+5V到+3.3V以及+24V到-5V三個電壓轉(zhuǎn)換電路，本次設(shè)計中三個電路都采用了智能集成電路芯片，電路原理如圖3所示，其中LM2940芯片可以實(shí)現(xiàn)+24V到+5V的電壓轉(zhuǎn)換，以得到的+5V電壓為輸入，通過LM1117得到+3.3V的電壓，由于LM2940既要為LM1117的電路提供電壓，又要給其他驅(qū)動電路提供電壓，對LM2940輸出的電流有較高的要求，因此同時采用兩塊LM2940分壓芯片，來減少單個芯片的電流負(fù)荷。LM1117的輸入端沒有直接連接車載電源的+24V電壓，而是以LM2940的輸出+5V電壓為輸入，這樣可以減少分壓芯片兩端的壓降，起到減少發(fā)熱、保護(hù)芯片的作用。通LM2576-5，則可以得到+24V到-5V電壓轉(zhuǎn)換。電路中電源輸入端和輸出端所加的電容可有效濾除電源噪聲，使電壓保持穩(wěn)定。

輸入電源經(jīng)過電源管理模塊后得到了穩(wěn)定可靠的需求電壓。

2.3 輸入信號及其處理模塊

輸入信號主要包括車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)字信號和油門開度、離合器位置信號等模擬信號。對于車速等數(shù)字信號，本次設(shè)計通過設(shè)計信號發(fā)生器，發(fā)出與實(shí)際信號相應(yīng)的信號，不僅能夠驗(yàn)證硬件系統(tǒng)的可行性，而且可以為檢測帶來很多便捷。

2.3.1 數(shù)字信號發(fā)生器

為了獲得與實(shí)際傳感器信號經(jīng)過濾波、放大、整形后相近的數(shù)字信號，本次設(shè)計采用STC89C52可編程單片機(jī)，通過 FTM 定時器模塊輸出不同頻率的方波來模擬出不同的車速信號[4]。52單片機(jī)輸出的信號是比較理想的方波，方便對硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試，同時52單片機(jī)輸出信號的強(qiáng)度能夠滿足核心處理器的要求，可以將信號直接發(fā)送給核心處理器。信號發(fā)生器原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字信號發(fā)生器

2.3.2 模擬信號輸入電路

傳感器采集到的油門開度、離合器位置等模擬信號僅為毫伏級的電壓信號，而核心處理器能夠識別的信號電壓在 0到3.3V之間，所以必須通過放大電路對其進(jìn)行放大，才可以滿足核心處理器對信號強(qiáng)度的要求。此外模擬信號通常不是高速變化的信號，通過濾波電路可以減少電路中高頻信號對有用信號的干擾。本次設(shè)計中采用 RC低通濾波電路配合OP07運(yùn)算放大電路對模擬信號進(jìn)行調(diào)理[5]。

2.4 電機(jī)驅(qū)動電路

圖3 驅(qū)動芯片接口電路

離合器的控制是 TCU要實(shí)現(xiàn)的重要功能之一，由K60DN512ZVLQ10產(chǎn)生兩路 PWM 信號來控制離合器的直流驅(qū)動電機(jī)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向決定離合器的分離/結(jié)合，轉(zhuǎn)速快慢決定離合器分離/結(jié)合的快慢。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由核心處理器的 PWM 模塊輸出的占空比控制。 而核心處理器輸出的PWM信號電流僅為幾毫安，必須通過搭建H橋驅(qū)動來提高驅(qū)動能力。

該電路主芯片采用BTS7970，這是一個半橋驅(qū)動集成芯片，通過兩個BTS7970搭建H橋驅(qū)動電路，以驅(qū)動直流電機(jī)工作。驅(qū)動芯片接口電路如圖3所示。

2.5 電磁閥驅(qū)動電路

AMT選換擋是通過處理器的FTM定時器模塊運(yùn)用脈寬調(diào)制原理輸出不同占空比的PWM波對執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥進(jìn)行控制，而處理器輸出的PWM信號不能滿足直接驅(qū)動電磁閥工作的要求，因此要通過電磁閥驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥的控制。電磁閥驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路

2.6 通信電路模塊

核心處理器所處理的信號需要對其跟蹤監(jiān)測，最直接的方式就是與上位機(jī)相連，通過上位機(jī)來對其進(jìn)行檢測。然而核心處理器輸出的是TTL電平信號，需要將其信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，才可以被上位機(jī)接收。本設(shè)計中采用 RS232通信電路，該電路主芯片采用MAX232芯片，作用為USB信號轉(zhuǎn)TTL信號。

3 程序設(shè)計

對AMT的控制，本次設(shè)計主要通過控制器采集車速信號和油門開度信號，判斷是否達(dá)到換擋臨界點(diǎn)而進(jìn)行換擋操作。通過實(shí)時采集車速信號和油門開度信號，首先判斷油門信號是否增加或恒定不變，如滿足，則判斷測速是否達(dá)到增擋規(guī)律的換擋臨界點(diǎn)，其中不同臨界點(diǎn)可根據(jù)不同的油門開度確定，如達(dá)到則進(jìn)行換擋處理；如不滿足，則判斷車速是否達(dá)到減擋規(guī)律的換擋臨界點(diǎn)，若達(dá)到則執(zhí)行換擋處理。

圖5 換擋流程圖

在換擋過程中，離合器控制的直接影響著換擋品質(zhì)，所以離合器的處理特別重要。離合器的控制方法很多，其中離合器速度控制法結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，故本次研究采用速度控制方法。在離合器結(jié)合過程中，無扭矩傳遞區(qū)以較快速度結(jié)合，有扭矩傳遞區(qū)以較慢速度結(jié)合，扭矩同步增長區(qū)快結(jié)合至完全結(jié)合狀態(tài)，這樣可以減小汽車換擋過程中的沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋。換擋流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

對車速信號的模擬，本次設(shè)計出STC89C52的信號發(fā)生器輸出同步頻率的PWM波來模擬車速信號，同時通過核芯處理器與上位機(jī)的連接，可以實(shí)時監(jiān)測到信號的變化，以便實(shí)現(xiàn)更加精確的控制。圖6即為上位機(jī)顯示車速信號的變化。

圖6 上位機(jī)車速信號

通過控制器接收信號，同時配合上位機(jī)對其進(jìn)行檢測，控制器穩(wěn)定工作并且成功在換擋臨界點(diǎn)對自動變速器的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動控制，驗(yàn)證了所設(shè)計的控制器的可行性及可靠性。

5 結(jié)束語

具有高性能、高可靠性的TCU是AMT變速器實(shí)現(xiàn)自動換擋的基本保障，本次設(shè)計的硬件電路系統(tǒng)兼顧功能性和工程性，實(shí)驗(yàn)證明控制器的硬件設(shè)計符合既定的設(shè)計要求，能夠準(zhǔn)確實(shí)時地采集輸入信號和輸出控制信號，可以完成設(shè)定的控制策略，具有良好的可靠性，對我國自主 AMT技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)具有重要意義。

[1] 熊光明.電動客車 AMT系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2008,28(06).

[2] 潘凱.基于 MPC555的混合動力電動汽車整車控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車工程,2005,01：20-23+27.

[3] 代等.基于 Freescale MCU的自動變速箱電子控制單元的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2013.

[4] 劉海鷗.基于MC9S12DP512的AMT電控單元測試及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2010,30(10).