汽車自動(dòng)變速器電控單元設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，擁有汽車的用戶越來(lái)越多，而非熟練駕駛員也大大增加，汽車自動(dòng)變速箱的推廣對(duì)于提高汽車使用的經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和減少?gòu)U氣排放有著重大的影響，它使駕車變得更加輕松和安全。目前自動(dòng)變速箱在國(guó)外轎車中應(yīng)用很廣。AG4液力自動(dòng)變速器是大眾系列轎車主要采用的變速裝置，它將車速和節(jié)氣門開(kāi)度作為電控單元(ECU)的輸入信號(hào)，經(jīng)電控單元處理后，再輸出給電磁閥，利用電磁閥控制液壓回路，通過(guò)控制油路的通/斷使各檔的變速閥動(dòng)作，從而完成變速控制。其優(yōu)越性是免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，通過(guò)腳踩油門踏板，便可巧妙地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，使開(kāi)車變得簡(jiǎn)單、省力。液力自動(dòng)變速器的電控系統(tǒng)使得汽車自動(dòng)換檔，切換速度柔和、平穩(wěn)，所以乘坐與駕駛都感覺(jué)很舒適。

ECU采用摩托羅拉公司專為汽車電子而開(kāi)發(fā)的新款16位單片機(jī)MC9S12DP256。它的主要特點(diǎn)：片內(nèi)集成256KB的閃速存儲(chǔ)器，容量大，讀寫速度快，應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，而背景開(kāi)發(fā)模式（BDM）使得用戶的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作更加簡(jiǎn)潔、高效。背景開(kāi)發(fā)模式包括資源訪問(wèn)及運(yùn)行控制，與指令掛牌及端點(diǎn)邏輯配合等，通過(guò)單線接口BKGD即可對(duì)用戶所設(shè)計(jì)的ECU進(jìn)行調(diào)試，比以往的背景調(diào)試系統(tǒng)具有更小的侵入性，其友好的用戶調(diào)試界面有助于開(kāi)發(fā)者可以實(shí)時(shí)在線編寫源程序，然后進(jìn)行編譯、聯(lián)機(jī)，最后下載到目標(biāo)系中調(diào)試運(yùn)行并最終完成開(kāi)發(fā)過(guò)程。

控制系統(tǒng)的組成

電子控制系統(tǒng)主要由控制單元、傳感器和開(kāi)關(guān)等零部件組成。

控制單元是自動(dòng)變速器電子控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器上的各種傳感器所測(cè)得的節(jié)氣門開(kāi)度、車速及變速器油溫等運(yùn)行參數(shù)以及各種開(kāi)關(guān)傳來(lái)的當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算、比較和分析，并調(diào)用其內(nèi)部設(shè)定的控制程序，向各個(gè)執(zhí)行器發(fā)出指令，使相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器的控制。

滑閥箱用螺栓緊固在變速器殼體的底部，上面裝有7個(gè)電磁閥N88-N94。電磁閥由自動(dòng)變速器控制單元控制，分為開(kāi)關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥兩種類型。

◆ 開(kāi)關(guān)閥：電磁閥N88、N89、N90、N92、N94，其作用是通過(guò)自動(dòng)變速器控制單元控制電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉某一油道，使變速器換入確定的檔位。

◆ 調(diào)節(jié)閥：電磁閥N91和N93。其中電磁閥N91調(diào)節(jié)鎖止離合器壓力；電磁閥N93調(diào)節(jié)主油道壓力，即多片式離合器和制動(dòng)器的壓力。

變速器油溫傳感器安裝在浸入自動(dòng)變速器油中的滑閥箱的扁狀傳輸線上。變速器油溫傳感器是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻，即隨著溫度的升高，其電阻值降低。自動(dòng)變速器油溫達(dá)到最高值150℃時(shí)，鎖止離合器接合。液力變矩器卸荷時(shí)，自動(dòng)變速器油溫開(kāi)始冷卻，如果溫度不下降，自動(dòng)變速器控制單元使變速器降一檔。

多功能開(kāi)關(guān)安裝在變速器殼體的后部，由換檔桿拉鎖控制。多功能開(kāi)關(guān)的作用是將桿位的信息傳給自動(dòng)變速器控制單元；控制倒車燈的開(kāi)關(guān)；制止起動(dòng)機(jī)在行駛狀態(tài)時(shí)嚙合，并鎖住換檔桿。

變速器轉(zhuǎn)速傳感器安裝在變速器殼體頂部的左側(cè)，它接受行星齒輪機(jī)構(gòu)中大太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速。自動(dòng)變速器控制單元利用大太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)確判斷換檔時(shí)刻，控制多片離合器工作。在換檔過(guò)程中，通過(guò)推遲點(diǎn)火提前角來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

車速傳感器安裝在變速器殼體頂部的右側(cè)，它通過(guò)主動(dòng)錐齒輪上的脈沖輪接收車速信息。車速傳感器的主要作用是作為換檔控制和變矩器閉鎖控制的輸入?yún)?shù)。

換檔桿鎖止電磁閥安裝在換檔桿上，與點(diǎn)火系統(tǒng)連接，其作用是鎖止桿位。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，桿位鎖止解除，換檔桿可推入其他桿位。

換低檔開(kāi)關(guān)與加速踏板拉鎖組合成一體，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的橫隔板上。當(dāng)踩下加速踏板超過(guò)節(jié)氣門全開(kāi)位置時(shí)，換低檔開(kāi)關(guān)開(kāi)始工作。換低檔開(kāi)關(guān)的作用是當(dāng)開(kāi)關(guān)被壓下后，變速器立即強(qiáng)制換入相鄰的低檔，例如從4檔降到3檔；當(dāng)開(kāi)關(guān)被壓下時(shí)，空調(diào)裝置將切斷8秒，以提高輸出功率。

制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)安裝在制動(dòng)踏板支架上。自動(dòng)變速器控制單元通過(guò)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)信號(hào)，判斷車輛是否處于制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的作用是車輛靜止時(shí)，只有踩下制動(dòng)踏板，換檔桿才能移出P檔或N檔位置；控制單元利用制動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，鎖止換檔桿。

ECU硬件設(shè)計(jì)

硬件總體結(jié)構(gòu)

液力自動(dòng)變速器電子控制單元是典型的多輸入多輸出系統(tǒng)，它通過(guò)節(jié)氣門開(kāi)度、車速等輸入信號(hào)，獲知汽車運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)內(nèi)存的換檔規(guī)律判斷換檔時(shí)刻，通過(guò)控制電磁閥等輸出信號(hào)使相應(yīng)的離合器、制動(dòng)器等執(zhí)行元件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速的各項(xiàng)控制。其硬件結(jié)構(gòu)由最小系統(tǒng)、電源模塊、輸入信號(hào)通道、輸出信號(hào)通道和CAN總線通訊模塊組成，如圖1所示。

最小系統(tǒng)

中央處理器是ECU的核心部件，本系統(tǒng)采用摩托羅拉MC9S12DP256芯片作為中央處理器。摩托羅拉公司作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，其微控制器廣泛用于汽車電子控制單元中，MC9S12DP256則以強(qiáng)大的功能及優(yōu)異的性能得到廣泛的應(yīng)用。

MC9S12DP256微控制器是基于16位HCS12內(nèi)核及0.25μm微電子技術(shù)的高速、高性能5.0V的Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品中的中檔芯片。其較高的性能價(jià)格比使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。MC9S12DP256的主頻高達(dá)25MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI、3個(gè)同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/ O口(其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能)、兼容CAN2.0A/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊，片內(nèi)擁有256KB的FlashEEPROM、12KB的RAM、4KB 的EEPROM。

MC9S12DP256微控制器主要有三大特點(diǎn)：

◆ 片內(nèi)集成256KB的閃速存儲(chǔ)器

近年來(lái)，隨著閃速存儲(chǔ)器在微控制器片內(nèi)的應(yīng)用走向成熟，微控制器的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用又迎來(lái)了一次新的飛躍。Flash是一種非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，讀取它的內(nèi)容同RAM的讀取一樣方便，而對(duì)它的寫操作卻比EPROM還要快。同時(shí)，在系統(tǒng)掉電后，F(xiàn)lash中的內(nèi)容仍能保持不變。Flash的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且寫入、擦除次數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)次以上，從而使開(kāi)發(fā)微控制器不再需要昂貴的仿真器。

◆ 應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)提高了系統(tǒng)的電磁兼容性

在以往不使用鎖相環(huán)的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中，晶振電路由于其工作頻率比較高(通常為幾兆赫茲至幾十兆赫茲)而成為一個(gè)很大的干擾源，這一問(wèn)題給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、線路板布局帶來(lái)了很多不便。MC9S12DP256微控制器的時(shí)鐘發(fā)生系統(tǒng)中巧妙地使用了鎖相環(huán)技術(shù)，因而可在外接幾十千赫的外部晶振情況下，通過(guò)軟件編程產(chǎn)生幾兆的系統(tǒng)時(shí)鐘，從而降低了對(duì)外輻射干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

◆ 簡(jiǎn)單的背景開(kāi)發(fā)模式(BDM)使得開(kāi)發(fā)成本進(jìn)一步降低，也使得現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)升級(jí)變得比較方便

由于MC9S12DP256強(qiáng)大的功能和豐富的片內(nèi)資源，所以不需要擴(kuò)展更多的接口。對(duì)于最小系統(tǒng)而言，還包括晶振電路、復(fù)位電路和BDM調(diào)試接口。系統(tǒng)采用了16MHz的外接晶振；復(fù)位電路采用了微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708，它可同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)可由VCC電壓、手動(dòng)復(fù)位輸入，或由獨(dú)立的比較器觸發(fā)。

電源模塊

合理的供電電源模塊設(shè)計(jì)可以為ECU的工作提供有力的保障。本系統(tǒng)需要+12V和+5V兩種供電電壓等級(jí)，而車載蓄電池只提供+12V的電壓，所以電源模塊采用三端穩(wěn)壓管7805和7812來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，如圖2所示。蓄電池+12V電壓通過(guò)ECU45管腳和ECU23管腳分別輸入7805和7812，經(jīng)過(guò)7805產(chǎn)生＋5V給最小系統(tǒng)和其他+5V芯片供電，而經(jīng)過(guò)7812穩(wěn)壓的+12V則給電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片、電磁閥等供電。

模擬量輸入通道

模擬量輸入信號(hào)一共有2路，分別是節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)和變速箱油溫信號(hào)。對(duì)于節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)，在車上是通過(guò)CAN總線由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送到自動(dòng)變速器控制單元的，由于我們不擁有其CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，所以直接從自動(dòng)變速箱線束接口處是無(wú)法獲得節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)的。因此，采用在油門踏板下安裝位移傳感器獲取油門踏板位移信號(hào)來(lái)代替節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)。

由于MC9S12DP256芯片A/D模塊的輸入阻抗很高，模擬輸入引腳漏電流僅100nA，在輸入電壓為2.5V時(shí)，相當(dāng)于輸入電阻25MΩ，加上參考電壓可以在0～5V之間選擇，因此外部可以不加緩沖或放大器而直接測(cè)量滿量程在5V以下的被測(cè)信號(hào)。

因此，對(duì)于本系統(tǒng)模擬量輸入通道不需做特別設(shè)計(jì)，直接把2路模擬信號(hào)分別引入最小系統(tǒng)的PAD00和PAD01口。

脈沖量輸入通道

脈沖量輸入信號(hào)一共有2路，分別是車速信號(hào)和變速箱轉(zhuǎn)速信號(hào)。對(duì)于輸入脈沖量，輸入通道的設(shè)計(jì)采用先濾波后整形的處理方法，電路原理如圖3所示。比較器LM339的參考電平為2.5V，它同時(shí)也是傳感器的供電電壓，由電源模塊VCC分壓之后得到。輸入信號(hào)在輸入比較器之前，首先要分流，減小進(jìn)入比較器的電流，如圖中的R4。濾波采用R-C低通濾波器，如圖中的C4和R3，濾掉高頻噪音干擾。D2和D4為鉗位二極管，將LM339的5號(hào)輸入管腳的電位固定在2.5±0.7V。最后再進(jìn)入LM339進(jìn)行比較，輸出規(guī)則的方波，進(jìn)入到MC9S12DP256的輸入捕捉口PT0和PT1，完成脈沖量的輸入。

數(shù)字量輸入通道

數(shù)字量輸入信號(hào)一共有12路，分別為4路多功能開(kāi)關(guān)信號(hào)、5路電磁閥反饋信號(hào)、駐車/空檔信號(hào)、制動(dòng)指示燈開(kāi)關(guān)信號(hào)和換低檔開(kāi)關(guān)信號(hào)。對(duì)于數(shù)字量輸入，采用光電隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和幅值轉(zhuǎn)換。

輸出通道的設(shè)計(jì)

ECU通過(guò)輸出信號(hào)控制相應(yīng)電磁閥等產(chǎn)生動(dòng)作，完成自動(dòng)變速的各項(xiàng)控制。系統(tǒng)根據(jù)輸出信號(hào)的不同類型，設(shè)計(jì)了數(shù)字量輸出通道和脈沖量輸出通道。

數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出信號(hào)一共有6路，分別為5路換檔電磁閥信號(hào)和換檔桿鎖止電磁閥信號(hào)。對(duì)于數(shù)字量輸出信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)電磁閥時(shí)，采用達(dá)林頓管集成芯片ULN2803進(jìn)行功率放大，并以兩路并聯(lián)的方式輸出驅(qū)動(dòng)電磁閥。

脈沖量輸出通道的設(shè)計(jì)

脈沖量輸出信號(hào)一共有2路，分別為閉鎖控制電磁閥信號(hào)和主油道壓力調(diào)節(jié)閥信號(hào)。對(duì)于這兩種脈沖量輸出，設(shè)計(jì)了不同的脈沖量輸出通道。

閉鎖控制電磁閥信號(hào)輸出通道采用了與數(shù)字量輸出通道相同的設(shè)計(jì)，不同的只是最小系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)。閉鎖控制信號(hào)由最小系統(tǒng)PWM模塊的PP0口發(fā)出。

主油道壓力調(diào)節(jié)閥信號(hào)輸出采用可控電源的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。最小系統(tǒng)PWM模塊PP1口發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)可控電源BTS621實(shí)現(xiàn)最大幅值為12V，且隨控制信號(hào)變化的電源，加在主油道壓力調(diào)節(jié)電磁閥的兩端。

硬件抗干擾設(shè)計(jì)

由于汽車運(yùn)行過(guò)程中工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，電控單元不僅要承受不良路面所引起的振動(dòng)和沖擊，而且要承受汽車本身和外界的電磁干擾。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要采取一系列抗干擾和保證可靠性的措施。

抗電源干擾

汽車上采用的蓄電池電源為12V，內(nèi)阻很小，是較理想的電源，但是實(shí)際工作過(guò)程中，電壓仍然會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。電路設(shè)計(jì)時(shí)，ECU內(nèi)部5V的元器件都由穩(wěn)壓輸出的三端穩(wěn)壓管7805供電，可保證ECU可靠工作。電磁閥工作同樣采用穩(wěn)壓輸出的7812供電。由于主油道壓力調(diào)節(jié)電磁閥功率較大，為避免該電磁閥工作時(shí)影響其他換檔電磁閥，所以對(duì)該路主油道壓力調(diào)節(jié)閥采用單獨(dú)另外一組7812供電，以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，互不干擾。另外在各元器件電源和地之間設(shè)置去耦電容，能有效保證電源的穩(wěn)定性并降低電源的相互耦合。

抗I/O通道干擾

系統(tǒng)在脈沖量輸入通道采用了濾波電路，在數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道以及CAN總線通訊模塊中均采用了光電隔離技術(shù)。采用光電隔離器可以切斷最小系統(tǒng)與I/O通道及外部電路的電聯(lián)系，能有效地防止干擾竄入。干擾源一般有較大的電壓幅度，但能量較小，只能形成微弱電流，而光電輸入端的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，干擾源會(huì)因無(wú)法提供足夠的電流而被抑制掉，因而，光電隔離器能有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，從而使I/O通道上的信噪比大大提高。

印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)

印刷電路板中的電磁兼容設(shè)計(jì)尤為重要。電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中能正常工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。因此，首先要合理的布線。設(shè)計(jì)布線時(shí)盡量避免長(zhǎng)距離的平行走線，盡可能拉開(kāi)線與線之間距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。選用雙面板，在印刷板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉處用金屬通孔相連。其次，要選擇合理的導(dǎo)線寬度。由于瞬變電流在印刷線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長(zhǎng)度成正比，與其寬度成反比，因此短而粗的導(dǎo)線對(duì)于抑制干擾是有利的。

接地設(shè)計(jì)也是印刷電路板設(shè)計(jì)中控制干擾的重要方面。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，并且盡量加粗地線。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的信號(hào)電平不穩(wěn)。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要控制流程為采集當(dāng)前汽車行駛狀態(tài)和駕駛員意圖包括當(dāng)前桿位、檔位、車速、油門開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)，判斷并選用合理?yè)Q檔規(guī)律（經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和雪地?fù)Q檔規(guī)律），輸出控制量，控制換檔電磁閥以及液力變矩器閉鎖。每次開(kāi)機(jī)后程序自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，ECU首先采集外圍信號(hào)。根據(jù)代表駕駛員意愿的變速操縱桿位置作相應(yīng)處理，在P、R、N檔位時(shí)分別作駐車、倒車和空擋處理。若處于前進(jìn)檔位，就要進(jìn)行相應(yīng)的模式判斷。若是雪地或是運(yùn)動(dòng)模式，就進(jìn)入相應(yīng)的換檔規(guī)律模塊，否則就進(jìn)入經(jīng)濟(jì)模式，進(jìn)入該模式后再根據(jù)油門開(kāi)度和車速兩個(gè)變量選擇進(jìn)入不同相應(yīng)的換檔規(guī)律。換檔規(guī)律如圖6所示，采用車速與油門開(kāi)度雙參數(shù)控制規(guī)律。

目前，自動(dòng)變速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中高檔轎車，而電子控制單元（ECU）是車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速的控制核心，將直接影響車輛經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。本文介紹的自動(dòng)變速控制系統(tǒng)利用摩托羅拉公司新款高性能單片機(jī)MC9S12DP256，不但能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)變速換檔過(guò)程，而且采用了先進(jìn)的控制算法使得換檔安全、舒適、平穩(wěn)。該控制單元已經(jīng)進(jìn)行多次實(shí)車試驗(yàn)，工作良好，為進(jìn)一步應(yīng)用于更多車型提供研究基礎(chǔ)。