汽車無級(jí)自動(dòng)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)是采用美國(guó)Microchip公司2002年3月推出的單片PIC18F452，它在功能上可以滿足TCU的要求，在性能上它具有低功耗、工作溫度范圍寬，并且可在較低的電壓下正常工作，特別適用于汽車電器。檢測(cè)電路分為脈沖檢測(cè)、開關(guān)量檢測(cè)以及模擬量檢測(cè)。脈沖檢測(cè)又分為脈沖計(jì)數(shù)和脈沖寬度檢測(cè)。如發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速、輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量是采用脈沖計(jì)數(shù)方式。節(jié)氣門開度則是采用脈沖寬度測(cè)量的方式。

模擬量的測(cè)量主要由濾波電路、放大電路組成。A/D轉(zhuǎn)換是采用單片機(jī)內(nèi)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器。變速箱的變比控制是由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。在TCU中是由4支MOSFET組成的H型電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)PWM控制。電磁離合器的電流也是通過MOSFET驅(qū)動(dòng)的。在驅(qū)動(dòng)電路中除主開關(guān)元件、續(xù)流二極管外還有保護(hù)電路和電流檢測(cè)電路。

通訊接口的作用主要是觀測(cè)TCU的工作狀態(tài)，對(duì)檢測(cè)傳感器的故障分析以及傳感器資源的共享。

3 TCU控制系統(tǒng)程序框圖

TCU控制系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。程序首先對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行分配，然后對(duì)各功能模塊如Administrator/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、PWM波形發(fā)生器等進(jìn)行初始化。變速箱的變比在汽車每次時(shí)應(yīng)處于最小變比的位置，因此在每次停車時(shí)應(yīng)將變速箱歸位，汽車起動(dòng)后首先檢測(cè)各參數(shù)，如檔位開關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、變速箱輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速等。這些參數(shù)是控制電磁離合器電流和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的依據(jù)。當(dāng)需要增加變速箱的變比時(shí)，TCU控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。電磁離合器的控制采用電流增量控制方式。它的控制好壞，直接影響汽車運(yùn)行的平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性。

圖3 TCU控制系統(tǒng)主程序框圖

4 運(yùn)行結(jié)果

圖4和圖5為汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)電磁離合器電流和變速箱變比的關(guān)系曲線。其中圖4為汽車速度從零急加速到120KM/H，到120KM/H后松開油門減速到零時(shí)的電磁離合器電流與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和輸入軸轉(zhuǎn)速之間的曲線圖。由圖可以看出節(jié)氣門急加到最大后保持一段時(shí)間，電磁離合器電流同步緊跟著加，當(dāng)加到峰值時(shí)，繼續(xù)保持不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也加到一個(gè)值保持不變，從圖中還可看出電磁離合器電流在增加的過程中，不斷在抖動(dòng)，可知在上升過程中電磁離合器在不斷在打滑，在此段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速不成比例，直到電磁離合器到一個(gè)穩(wěn)定的值后才保持一定的比例關(guān)系。當(dāng)節(jié)氣門全松開后，電磁離合器電流隨之下降到一個(gè)小值后保持不變，直到車速達(dá)到使變速箱處于由齒輪變速為主時(shí)，電磁離合器電流繼續(xù)減小，當(dāng)車速為零時(shí)，電磁離合器電流隨之減小到零。由圖4可知，當(dāng)車速在從零加到120KM/H，電磁離合器電流為零，輸入軸轉(zhuǎn)速也慢慢減為零。在整個(gè)過程中，我們可看到，節(jié)氣門開度變化率代表了駕駛員的意圖，電磁離合器電流主要由節(jié)氣門開度來決定。電磁離合器的打滑程度決定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速的之間的傳輸比例關(guān)系。

注：深藍(lán)—輸入軸轉(zhuǎn)速，黃—節(jié)氣門開度，紫紅—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，淺藍(lán)—電磁離合器電流

圖4 電機(jī)加速時(shí)的電磁離合器電流關(guān)系曲線

圖5為汽車速度從零加到120KM/H后又由120KM/H減到零時(shí)，位置傳感器與輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速和電機(jī)電壓之間的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)汽車速度在從零加到120KM/H過程中，位置傳感器變比由最大開始下調(diào)直到變?yōu)樽钚?，此時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)車速由120KM/H開始下降時(shí)位置傳感器先保持不變，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，同時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速成比例的下降，當(dāng)車速達(dá)到一定的值時(shí)位置傳感器速比由最小開始上調(diào)直到為最大值，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（因測(cè)試時(shí)采用的電流傳感器為單方向的，所以圖中沒有反映出反向電流）。輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速不成比例的下降直至為零。從圖5可以看到車速在上升時(shí)，位置傳感器速比的測(cè)試值不斷地減小（對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比增大）。反之，車速在下降的過程中，當(dāng)車速小于某一值時(shí)測(cè)試值增加。從而實(shí)現(xiàn)了變速箱變比的自動(dòng)調(diào)整。

注：黃—位置傳感器，深藍(lán)—輸入軸轉(zhuǎn)速，紫紅—輸出軸轉(zhuǎn)速，淺藍(lán)—電機(jī)電壓

圖5 汽車減速時(shí)的變速箱變比——轉(zhuǎn)速曲線

通過運(yùn)行結(jié)果可以看出所設(shè)計(jì)的TCU可以實(shí)現(xiàn)電磁離合器轉(zhuǎn)矩和變速箱變比的自動(dòng)控制。從實(shí)際運(yùn)行感覺看，起動(dòng)和停止以及加減速過程平穩(wěn)。并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。