楊翔宇，胡 璞，張 君

(重慶理工大學重慶汽車學院，重慶 400054)

電子技術的高速發(fā)展不僅為汽車設計和發(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、經濟性和安全性。尤其是以單片機為基礎的控制單元，在汽車的集中顯示系統、動力監(jiān)測控制系統和自動駕駛系統中的作用十分明顯。

1 雙離合自動變速器電控系統

通過對雙離合自動變速器(DCT)電控系統的研究，國外的博格華納、LUK、ZF、Getrag等多家變速器公司已推出了自己的產品，其中博格華納的濕式雙離合器自動變速器和LUK的干式雙離合自動變速器已被廣泛應用于多款轎車。國內的研究仍處于起步階段，并多為理論研究，主要集中在動力學模型分析和控制策略設計上。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］設計了一種以DPS為核心的雙離合器自動變速器的控制系統;葉明、秦大同和席軍強等［5－7］建立了電控電動干式離合器執(zhí)行機構的動力學模型;金倫、郭曉林等［8－10］在 EASY5 和 PDSL平臺上建立了雙離合器自動變速器系統的仿真模型，并對其升擋的動態(tài)特性進行了分析。本文以干式雙離合自動變速器為研究對象，設計開發(fā)出干式DCT的電控系統。該系統采用電機驅動離合器的控制方法，很好地實現了換擋控制。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統控制流程

系統主要由最小系統、輸入、輸出、電源和通訊等模塊組成，如圖1所示。單片機可以對輸入的模擬和數字2類信號進行處理，獲取變速器實時工作信息，并結合相應的控制策略，產生電機驅動、參數顯示等多種輸出信號，在任何行駛工況下控制雙離合器的正常工作以穩(wěn)定汽車動力性能，并能提供即時相關參數，方便駕駛者靈活操縱。

圖1 單片機控制流程

2.2 最小系統模塊

最小系統是系統的核心模塊，由微控制器和相關附加電路共同組成，其性能直接影響系統的控制效果，圖2為最小系統模塊電路。DCT的控制系統對微控制器的運行速度及計算能力、輸入輸出通道數量及內部集成資源和接口要求較高。系統所采用的飛思卡爾系列單片機具有成本低、性能強、體積小等特點，同時具備出色的電磁兼容性和高效代碼等優(yōu)勢。MC9S12XET256內置XGATE協處理器和256KB閃存，提高了存儲空間和讀取速度，同時應用鎖相環(huán)技術和簡單的后臺開發(fā)模式(BDM)，使設計開發(fā)工作更簡單、高效。因此，本系統選用飛思卡爾的MC9S12XET芯片作為微控制器。它內部有XGATE I/O協處理器模塊，其高達100 MHz的總線頻率可以保證運行速度，通過8個16位獨立通道的TIM模塊(定時器模塊)以采集轉速信號或比較輸出信號，同時擁有8通道8位或4通道16位PWM(脈寬調制)模塊以驅動電機和其他執(zhí)行機構，2個獨立ADC轉換器和具有8、10、12位分辨率的 ATD(模/數轉換)模塊以保證多路模擬信號轉換和精度要求，此外，還擁有1個可以實現與上位機通信的SCI(異步串行通信接口)，以及1個在車輛電控系統中廣泛應用的CAN控制器。

2.3 輸入信號模塊

輸入信號模塊由數字量信號、模擬量信號和開關量信號3部分組成。

數字量信號主要是變速器內部檢測得到的3路輸入軸轉速的傳感器信號。在雙離合自動變速器控制過程中，需要對輸入軸上的3個轉速信號進行監(jiān)測，以確定換擋時機和離合器主、從動盤的控制方式。

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

本系統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)，對其濾波整形的處理電路如圖4所示。

模擬量信號是離合器溫度傳感器和電控單元溫度傳感器的采集信號和從直流電機中直接讀取的反饋電流信號。其中，溫度信號用于監(jiān)測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、從動摩擦盤上安裝壓力傳感器比較困難，故利用電流信號推算電機輸出轉矩，從而折算出電機和其執(zhí)行機構對離合器的加載壓力。從電機驅動電路直接檢測電流時，電機驅動電流較大，直接接入單片機會損壞系統，故采用并聯1個小電阻(約為0.01 Ω)的方法，將電流信號轉化成安全的電壓信號輸入單片機。

開關量信號是位于同步器撥叉上的擋位傳感器和位于ECU支架上4個換擋元件傳感器共同作用產生的信號(PO0～PO3)，用于檢測同步器位置，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糜蛪和苿訐Q擋軸運動，形成擋位［13］。開關信號的信號處理電路［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，PO0～PO3為經處理后得到的可以直接輸入單片機最小系統信號。電路采用了TLP521光耦合器以隔離輸入輸出電氣聯接，其主要優(yōu)點是該信號為單向傳輸信號，完全實現了輸入端與輸出端的電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高［13］。

表1 擋位位置信號端口與對應擋位

圖5 換擋位置信號處理電路

此外，系統還需監(jiān)測節(jié)氣門開度、車速、發(fā)動機轉速、制動信號、各擋位信號等多路信號，以實現對雙離合自動變速器的全面控制。這些信號都可以通過高速驅動CAN總線直接與發(fā)動機ECU、ABSECU和選擋機構ECU進行數據交換得到。

2.4 輸出信號模塊

輸出信號主要包括電機驅動信號和電磁閥驅動信號。

直流電機主要用于對離合器結合過程的控制。在傳統的干式雙離合自動變速器中，仍然采取液壓方式控制離合器加載壓力。本文通過對離合器操縱系統進行改造，采用電子控制技術對DCT中2個離合器從動盤進行控制，在符合其控制策略的同時也能滿足汽車行駛的安全性和經濟性要求。因此，本文利用直流電機實現離合器的加壓，電機參數如表2所示［14］。

表2 直流電機參數

從表2可以看出，電機工作需要大電流驅動，所以電機驅動的芯片額定電流要求較高。本電路所采用的BTS7960電機驅動芯片的高、低邊的最大驅動電流可達60 A［15］，能夠滿足需要。驅動電路如圖6所示。文獻［4］則采用了12 V、100～150 W的直流電機，并采用IR2112S作為驅動芯片。然而，該驅動芯片高、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正常工作電流為8.3～12.5 A的要求。

圖6 直流電機驅動電路

電磁閥驅動信號主要用于驅動換擋執(zhí)行機構閥。這些閥門未通電時電磁閥處于閉合位置，壓力油無法到達換擋執(zhí)行機構［13］。但從單片機輸出的驅動信號較小，不足以驅動電磁閥中的線圈，因此先將輸出信號通過放大電路進行放大處理后再用于驅動電磁閥動作。有的電磁閥需要使用模擬信號進行驅動，則還應在放大后對其進行數模轉換。

2.5 CAN總線驅動電路

CAN(controller area network)即控制器局域網絡，最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統而設計的。本系統為實現其控制策略需要從車內其他ECU模塊讀取相應的傳感器信號，并交換大量數據，故采用CAN總線以解決數據交換問題。

CAN總線又分為高速總線和低速總線，對于實時性要求高的信號(如車速、發(fā)動機轉速、節(jié)氣門開度等汽車運行工況參數)進行數據交換時通常采用高速總線，數據傳輸速度可達500 K/s。本系統DCTECU和發(fā)動機ECU、ABSECU及選擋機構ECU的數據交換都通過高速總線來實現。

本系統所采用的CAN總線驅動電路如圖7所示，使用光耦集成芯片HCPL2630對信號進行光電隔離;選用TJA1040作為驅動模塊芯片，以滿足高速總線對傳輸數據的速度要求［18］。

圖7 CAN總線驅動和隔離電路

3 結束語

按照DCT電子控制單元的要求，明確了干式雙離合自動變速器控制過程中的輸入、輸出信號;設計了DCT電控系統的控制流程圖，并說明了DCT電控單元與汽車其他電控單元數據通訊的關系;完成了單片機各個端口資源的分配;在此基礎上設計了控制系統的電路原理圖，實現了對DCT離合器的電機控制。本文設計的系統可用于實現對雙離合自動變速器的實物控制，并可進一步用于研究離合器結合過程中的控制策略、滑磨功和沖擊度等指標。

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