曲利峰 史祖春 陳文弟 李云生 劉昆侖

摘? 要：為了推動我國AT行業(yè)的快速發(fā)展，自主研發(fā)新時代的汽車控制系統(tǒng)任重道遠。而TCU作為現(xiàn)代汽車變速箱控制的核心單元，我國已經(jīng)投入大量的人力財力自主創(chuàng)新研發(fā)，TCU的合理設(shè)計，以及自主研發(fā)迫在眉睫。TCU作為車輛運行過程中的核心控制系統(tǒng)，對于現(xiàn)代車輛至關(guān)重要。TCU通常由控制MCU、輸入檢測、輸出控制、信號采集以及電源管理等功能電路組成。首先TCU控制器需對車輛運行中的車況數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)實際的車輛當前狀態(tài)進行內(nèi)部決策，從而使車輛保持高效、環(huán)保、節(jié)能的最佳工作狀態(tài)。通過實驗測試，設(shè)計能滿足AT控制要求，同時相比傳統(tǒng)的設(shè)計在性能、經(jīng)濟方面具有較大優(yōu)勢，也對推動我國AT行業(yè)發(fā)展具有重大意義。

關(guān)鍵詞：變速箱;TCU;車況數(shù)據(jù);AT控制

中圖分類號：U463.2? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0167-03

Abstract：In order to promote the rapid development of AT industry in China，it is a long way to independently develop the automobile control system in the new era. As the core unit of modern automobile gearbox control，TCU has invested a lot of human and financial resources in independent innovation and R & D in China. The reasonable design and independent R & D of TCU is imminent. As the core control system of vehicle operation，TCU is very important for modern vehicles. TCU is usually composed of control MCU，input detection，output control，signal acquisition，power management and other functional circuits. First of all，TCU controller needs to analyze the data of vehicle condition during vehicle operation，and make internal decision according to the actual vehicle current state，so as to keep the vehicle in the best working state of high efficiency，environmental protection and energy saving. Through the experimental test，the design can meet the requirements of AT control. At the same time，compared with the traditional design，it has greater advantages in performance and economy. It is also of great significance to promote the development of AT industry in China.

Keywords：gearbox;TCU;vehicle condition data;AT control

0? 引? 言

為了發(fā)展我國汽車工業(yè)，“九五”期間汽車電子控制技術(shù)被列為重點項目，車輛自動變速是汽車電控技術(shù)的一個重要組成部分。

TCU控制作為變速箱核心控制單元，是現(xiàn)代汽車的核心控制部分之一，對于行車、駐車等十分重要。TCU主要功能為：目標檔位決策、執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制、故障診斷、故障處理機制等。

目標檔位決策，為了匹配車輛駕駛環(huán)境、駕駛條件、車輛運行情況，以達到最佳決策值;執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制，當控制系統(tǒng)檢測到新的決策值后，執(zhí)行結(jié)構(gòu)需要對相關(guān)的比例閥和開關(guān)閥等執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行控制，從而匹配新的狀態(tài);故障診斷，由于現(xiàn)代汽車因為系統(tǒng)的復(fù)雜性以及科技的提升，所以故障診斷可以方便地對車輛變速箱相關(guān)的故障進行預(yù)置自我診斷，為減少故障以及保修提供重要的依據(jù);故障處理機制，配合故障診斷進行，系統(tǒng)可以對部分故障進行自我檢測并維修。

汽車TCU單元主要由降壓的MCU供電單元、比例閥控制單元、開關(guān)閥控制單元、壓力傳感器信號輸入、溫度傳感器輸入、開關(guān)傳感器輸入、手柄狀態(tài)檢測、以及通信單元構(gòu)成。

通常MCU采用符合汽車級的單片機或者微處理器來完成，因我國在MCU和微處理器方面均落后于發(fā)達國家，故影響汽車電控行業(yè)的發(fā)展。為了打破行業(yè)限制，我們利用國產(chǎn)MCU進行TCU控制設(shè)計，同時進行相關(guān)的驗證試驗。設(shè)計中所使用的相關(guān)器件均是國產(chǎn)。經(jīng)過驗證，完全滿足設(shè)計要求，并且穩(wěn)定性達到行業(yè)水平，經(jīng)濟適用。

1? 背景技術(shù)

TCU控制核心主要通過相關(guān)的開關(guān)檢測電路、溫度檢測電路、壓力檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路等功能電路對變速箱的實時工作狀態(tài)進行有效監(jiān)控，同時根據(jù)ECU上傳到車輛系統(tǒng)的車輛實時數(shù)據(jù)和發(fā)動機數(shù)據(jù)，配合車輛控制系統(tǒng)，分析車輛的當前各項工作數(shù)據(jù)，然后通過功率驅(qū)動部分電路來實現(xiàn)相關(guān)機械閥或者開關(guān)的工作狀態(tài)變更，完成變速箱狀態(tài)的更新，同時將當前車輛狀態(tài)的最佳運行數(shù)據(jù)反饋與車輛控制系統(tǒng)。TCU核心組成如圖1所示。

在TCU的控制決策下，車輛運行在高效、穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能的最佳狀態(tài)下。

TCU控制的功率驅(qū)動部分主要分為開關(guān)閥狀態(tài)驅(qū)動、比例閥狀態(tài)驅(qū)動、指示信號狀態(tài)等。

傳統(tǒng)的設(shè)計采用國外符合汽車級別的標準器件實現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計中主要的核心關(guān)鍵器件均來自國外，所以當設(shè)計或者開發(fā)時，因為技術(shù)條件限制而存在弊端，同時維修困難，成本受限，受到各種因素的制約。針對以上因素，本設(shè)計采用國產(chǎn)相關(guān)器件設(shè)計，從原理上進行徹底的國產(chǎn)設(shè)計，從MCU選取到外圍所有元件均采用我國自主研發(fā)的相關(guān)器件產(chǎn)品，且選擇符合汽車級別的高性能器件。

2? 設(shè)計實現(xiàn)

2.1? 控制MCU

作為最核心的TCU控制系統(tǒng)MCU，采用國產(chǎn)兆易創(chuàng)新的ARM微控制器—GD32F450。GD32F450配置：兩路CANB2.0、多路串口通信、內(nèi)部自帶12 bitADC、多路高精度定時器、以及多路PWM控制輸出、1 M Flash來實現(xiàn)、200 MHz主頻。有著豐富的外設(shè)接口，所以給系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的便利，其本身參數(shù)性能均滿足設(shè)計要求，而且該國產(chǎn)IC具有極高性價比，同時還符合工業(yè)級溫度范圍標準。設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2? 模擬信號采集

因系統(tǒng)充分考慮器件隔離安全級別。故需采用OR-6N137高速隔離光耦，配合外部高精度12 bit國產(chǎn)ADC進行數(shù)模擬數(shù)據(jù)采集，MC2453采樣通道多，和單片機的接口符合標準SPI總線接口，占用單片機資源少。ADC采集電路設(shè)計如圖3所示。

2.3? 接口防護隔離

設(shè)計采用高速隔離電路，如圖4所示。

OR-6N137作為國產(chǎn)高速光耦器件，具有高速數(shù)據(jù)傳輸性能，同時誤碼率極低，在實際試驗中上萬次數(shù)據(jù)傳輸，誤碼為0，穩(wěn)定性完全滿足需求。

2.4? 開關(guān)量信號采集

設(shè)計中對于開關(guān)信號的檢測如圖5所示。

BAV21WS做保護二極管，HD-IN1通過上拉至+5V0電壓，當檢測信號HD1為高（即大于HD_Ref）時，運放輸出高，光耦隔離端輸出為低，反之為低光耦輸出端，則輸出3.3 V高，可直接被MCU GD32F450接收。

2.5? 功率驅(qū)動輸出控制

對閥輸出控制，則采用單獨MCU來實現(xiàn)，這樣可以有效降低核心控制MCU的壓力，同時也能有效提高對于控制系統(tǒng)的保障，閥控制MCU通過閉環(huán)反饋算法對閥端電流進行實時檢測，從而調(diào)節(jié)PWM控制信號輸出占空比，來達到閥狀態(tài)的監(jiān)控和控制，如圖6所示。而控制電路驅(qū)動器采用國產(chǎn)的EG3002 MOS驅(qū)動IC，自帶負載電流的檢測和短路保護功能。對于閥控制電路則采用MOS驅(qū)動器和MOS管接合的方式實現(xiàn)。

閥控制單片機和主控MCU通過隔離串行數(shù)據(jù)接口通信。這樣可以保障核心控制器的穩(wěn)定性，以及隔離保護。

2.6? CAN總線通信

總線通信采用了符合1939協(xié)議的標準CAN實現(xiàn)，具體電路如圖7所示。首先在配置模式下將CAN狀態(tài)寄存器、波特率控制寄存器、I/O控制寄存器、中斷寄存器、中斷控制寄存器、屏蔽寄存器和過濾寄存器按照系統(tǒng)的要求設(shè)定完成后，啟動CAN總線，系統(tǒng)進入正常工作模式。TCU控制器和車輛核心控制系統(tǒng)之間通過總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享。而TCU控制系統(tǒng)采用雙冗余設(shè)計，其僅作為核心控制系統(tǒng)總線的一個節(jié)點。

2.7? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言實現(xiàn)，主要包含驅(qū)動層和應(yīng)用層設(shè)計，驅(qū)動層主要完成MCU片級的驅(qū)動功能，而應(yīng)用層主要實現(xiàn)外設(shè)控制和數(shù)據(jù)交換等功能。

2.8? 系統(tǒng)測試標定

系統(tǒng)仿真測試通過臺架以及必要的車輛控制模擬軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)，將控制器接入對應(yīng)的系統(tǒng)模擬環(huán)境中，然后通過模擬ECU以及車輛核心控制單元對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等進行調(diào)節(jié)測試，然后根據(jù)車輛當前的運行狀態(tài)，以及負載能力，逐漸進行改變，使系統(tǒng)工作在每個換檔級別的最佳工作狀態(tài)，完成系統(tǒng)標定測試后，對TCU控制系統(tǒng)進行實際車輛的安裝驗證測試，性能滿足設(shè)計要求，穩(wěn)定性符合行業(yè)標準。

3? 結(jié)? 論

基于國產(chǎn)兆易創(chuàng)新的GD32F450 MCU的TCU控制單元，設(shè)計過程中均采用國產(chǎn)高性能器件，同時為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用數(shù)據(jù)的有效隔離方式，避免了系統(tǒng)對3.3 VMCU系統(tǒng)的影響，同時設(shè)計中還充分考慮了電磁兼容性、防雷、靜電等，對于大干擾源的外部供電和系統(tǒng)內(nèi)部供電進行了充分有效的隔離，使得系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、抗干擾能力得到極大提升，避免了系統(tǒng)設(shè)計長時間的不穩(wěn)定因素，而且為了保障汽車功能的正常，考慮了系統(tǒng)設(shè)計的冗余性。設(shè)計避免了傳統(tǒng)TCU設(shè)計時需考慮復(fù)雜的電磁兼容理論、接口處理電路，以及外部干擾抗擾能力等問題。采用國產(chǎn)器件進行研發(fā)，對我國自主TCU、AT事業(yè)研發(fā)也有促進作用。同時國產(chǎn)科技的快速發(fā)展，使得我國器件性價比不低于國外器件。系統(tǒng)經(jīng)過充分的試驗驗證，不管是從穩(wěn)定性，還是性價比方面均滿足設(shè)計要求，同時經(jīng)過高強度的國軍標試驗環(huán)境要求測試，系統(tǒng)均能正常運行。

參考文獻：

[1] 童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 劉曉巖.汽車電子控制技術(shù) [M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：曲利峰（1986.11-），男，漢族，河北懷安人，碩士研究生，軍事代表，工程師，研究方向：火炮、彈藥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督。