汽車自動變速器電控單元設計

隨著經濟的迅速發(fā)展，擁有汽車的用戶越來越多，而非熟練駕駛員也大大增加，汽車自動變速箱的推廣對于提高汽車使用的經濟性、安全性、舒適性和減少廢氣排放有著重大的影響，它使駕車變得更加輕松和安全。目前自動變速箱在國外轎車中應用很廣。AG4液力自動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)氣門開度作為電控單元(ECU)的輸入信號，經電控單元處理后，再輸出給電磁閥，利用電磁閥控制液壓回路，通過控制油路的通/斷使各檔的變速閥動作，從而完成變速控制。其優(yōu)越性是免除了手動變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，通過腳踩油門踏板，便可巧妙地實現(xiàn)自動變速，使開車變得簡單、省力。液力自動變速器的電控系統(tǒng)使得汽車自動換檔，切換速度柔和、平穩(wěn)，所以乘坐與駕駛都感覺很舒適。

ECU采用摩托羅拉公司專為汽車電子而開發(fā)的新款16位單片機MC9S12DP256。它的主要特點：片內集成256KB的閃速存儲器，容量大，讀寫速度快，應用鎖相環(huán)技術提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，而背景開發(fā)模式（BDM）使得用戶的開發(fā)設計工作更加簡潔、高效。背景開發(fā)模式包括資源訪問及運行控制，與指令掛牌及端點邏輯配合等，通過單線接口BKGD即可對用戶所設計的ECU進行調試，比以往的背景調試系統(tǒng)具有更小的侵入性，其友好的用戶調試界面有助于開發(fā)者可以實時在線編寫源程序，然后進行編譯、聯(lián)機，最后下載到目標系中調試運行并最終完成開發(fā)過程。

控制系統(tǒng)的組成

電子控制系統(tǒng)主要由控制單元、傳感器和開關等零部件組成。

控制單元是自動變速器電子控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)安裝在發(fā)動機、自動變速器上的各種傳感器所測得的節(jié)氣門開度、車速及變速器油溫等運行參數(shù)以及各種開關傳來的當前狀態(tài)信號，進行計算、比較和分析，并調用其內部設定的控制程序，向各個執(zhí)行器發(fā)出指令，使相應的電磁閥動作，從而實現(xiàn)對變速器的控制。

滑閥箱用螺栓緊固在變速器殼體的底部，上面裝有7個電磁閥N88-N94。電磁閥由自動變速器控制單元控制，分為開關閥和調節(jié)閥兩種類型。

◆ 開關閥：電磁閥N88、N89、N90、N92、N94，其作用是通過自動變速器控制單元控制電磁閥打開或關閉某一油道，使變速器換入確定的檔位。

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

變速器油溫傳感器安裝在浸入自動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負溫度系數(shù)電阻，即隨著溫度的升高，其電阻值降低。自動變速器油溫達到最高值150℃時，鎖止離合器接合。液力變矩器卸荷時，自動變速器油溫開始冷卻，如果溫度不下降，自動變速器控制單元使變速器降一檔。

多功能開關安裝在變速器殼體的后部，由換檔桿拉鎖控制。多功能開關的作用是將桿位的信息傳給自動變速器控制單元；控制倒車燈的開關；制止起動機在行駛狀態(tài)時嚙合，并鎖住換檔桿。

變速器轉速傳感器安裝在變速器殼體頂部的左側，它接受行星齒輪機構中大太陽輪的轉速。自動變速器控制單元利用大太陽輪的轉速，準確判斷換檔時刻，控制多片離合器工作。在換檔過程中，通過推遲點火提前角來減小發(fā)動機的輸出轉矩。

車速傳感器安裝在變速器殼體頂部的右側，它通過主動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參數(shù)。

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

換低檔開關與加速踏板拉鎖組合成一體，安裝在發(fā)動機艙的橫隔板上。當踩下加速踏板超過節(jié)氣門全開位置時，換低檔開關開始工作。換低檔開關的作用是當開關被壓下后，變速器立即強制換入相鄰的低檔，例如從4檔降到3檔；當開關被壓下時，空調裝置將切斷8秒，以提高輸出功率。

制動燈開關安裝在制動踏板支架上。自動變速器控制單元通過制動燈開關信號，判斷車輛是否處于制動狀態(tài)。制動燈開關的作用是車輛靜止時，只有踩下制動踏板，換檔桿才能移出P檔或N檔位置；控制單元利用制動開關信號，鎖止換檔桿。

ECU硬件設計

硬件總體結構

液力自動變速器電子控制單元是典型的多輸入多輸出系統(tǒng)，它通過節(jié)氣門開度、車速等輸入信號，獲知汽車運行狀態(tài)，然后根據(jù)內存的換檔規(guī)律判斷換檔時刻，通過控制電磁閥等輸出信號使相應的離合器、制動器等執(zhí)行元件動作，實現(xiàn)自動變速的各項控制。其硬件結構由最小系統(tǒng)、電源模塊、輸入信號通道、輸出信號通道和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體器件供應商，其微控制器廣泛用于汽車電子控制單元中，MC9S12DP256則以強大的功能及優(yōu)異的性能得到廣泛的應用。

MC9S12DP256微控制器是基于16位HCS12內核及0.25μm微電子技術的高速、高性能5.0V的Flash存儲器產品中的中檔芯片。其較高的性能價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25MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括2個異步串行通信口SCI、3個同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉換模塊、1個8通道脈寬調制模塊、49個獨立數(shù)字I/ O口(其中20個具有外部中斷及喚醒功能)、兼容CAN2.0A/B協(xié)議的5個CAN模塊以及一個內部IC總線模塊，片內擁有256KB的FlashEEPROM、12KB的RAM、4KB 的EEPROM。

MC9S12DP256微控制器主要有三大特點：

◆ 片內集成256KB的閃速存儲器

近年來，隨著閃速存儲器在微控制器片內的應用走向成熟，微控制器的開發(fā)、應用又迎來了一次新的飛躍。Flash是一種非易失性存儲介質，讀取它的內容同RAM的讀取一樣方便，而對它的寫操作卻比EPROM還要快。同時，在系統(tǒng)掉電后，F(xiàn)lash中的內容仍能保持不變。Flash的主要優(yōu)點是結構簡單、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)可達數(shù)萬次以上，從而使開發(fā)微控制器不再需要昂貴的仿真器。

◆ 應用鎖相環(huán)技術提高了系統(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)而成為一個很大的干擾源，這一問題給系統(tǒng)設計、線路板布局帶來了很多不便。MC9S12DP256微控制器的時鐘發(fā)生系統(tǒng)中巧妙地使用了鎖相環(huán)技術，因而可在外接幾十千赫的外部晶振情況下，通過軟件編程產生幾兆的系統(tǒng)時鐘，從而降低了對外輻射干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

◆ 簡單的背景開發(fā)模式(BDM)使得開發(fā)成本進一步降低，也使得現(xiàn)場開發(fā)和系統(tǒng)升級變得比較方便

由于MC9S12DP256強大的功能和豐富的片內資源，所以不需要擴展更多的接口。對于最小系統(tǒng)而言，還包括晶振電路、復位電路和BDM調試接口。系統(tǒng)采用了16MHz的外接晶振；復位電路采用了微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708，它可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號，復位信號可由VCC電壓、手動復位輸入，或由獨立的比較器觸發(fā)。

電源模塊

合理的供電電源模塊設計可以為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，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來實現(xiàn)系統(tǒng)的要求，如圖2所示。蓄電池+12V電壓通過ECU45管腳和ECU23管腳分別輸入7805和7812，經過7805產生＋5V給最小系統(tǒng)和其他+5V芯片供電，而經過7812穩(wěn)壓的+12V則給電磁閥驅動芯片、電磁閥等供電。

模擬量輸入通道

模擬量輸入信號一共有2路，分別是節(jié)氣門開度信號和變速箱油溫信號。對于節(jié)氣門開度信號，在車上是通過CAN總線由發(fā)動機控制單元發(fā)送到自動變速器控制單元的，由于我們不擁有其CAN總線的應用層協(xié)議，所以直接從自動變速箱線束接口處是無法獲得節(jié)氣門開度信號的。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來代替節(jié)氣門開度信號。

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，相當于輸入電阻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量滿量程在5V以下的被測信號。

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

脈沖量輸入通道

脈沖量輸入信號一共有2路，分別是車速信號和變速箱轉速信號。對于輸入脈沖量，輸入通道的設計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。輸入信號在輸入比較器之前，首先要分流，減小進入比較器的電流，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號輸入管腳的電位固定在2.5±0.7V。最后再進入LM339進行比較，輸出規(guī)則的方波，進入到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)字量輸入信號一共有12路，分別為4路多功能開關信號、5路電磁閥反饋信號、駐車/空檔信號、制動指示燈開關信號和換低檔開關信號。對于數(shù)字量輸入，采用光電隔離器來實現(xiàn)信號隔離和幅值轉換。

輸出通道的設計

ECU通過輸出信號控制相應電磁閥等產生動作，完成自動變速的各項控制。系統(tǒng)根據(jù)輸出信號的不同類型，設計了數(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)字量輸出信號一共有6路，分別為5路換檔電磁閥信號和換檔桿鎖止電磁閥信號。對于數(shù)字量輸出信號，在驅動電磁閥時，采用達林頓管集成芯片ULN2803進行功率放大，并以兩路并聯(lián)的方式輸出驅動電磁閥。

脈沖量輸出通道的設計

脈沖量輸出信號一共有2路，分別為閉鎖控制電磁閥信號和主油道壓力調節(jié)閥信號。對于這兩種脈沖量輸出，設計了不同的脈沖量輸出通道。

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

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

硬件抗干擾設計

由于汽車運行過程中工況復雜，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)設計過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，內阻很小，是較理想的電源，但是實際工作過程中，電壓仍然會在一定范圍內波動。電路設計時，ECU內部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。由于主油道壓力調節(jié)電磁閥功率較大，為避免該電磁閥工作時影響其他換檔電磁閥，所以對該路主油道壓力調節(jié)閥采用單獨另外一組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。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，干擾源會因無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計

印刷電路板中的電磁兼容設計尤為重要。電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環(huán)境中能正常工作的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少對其他電子設備的電磁干擾。因此，首先要合理的布線。設計布線時盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間距離，信號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，要選擇合理的導線寬度。由于瞬變電流在印刷線條上所產生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感造成的，因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因此短而粗的導線對于抑制干擾是有利的。

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

軟件設計

系統(tǒng)軟件主要控制流程為采集當前汽車行駛狀態(tài)和駕駛員意圖包括當前桿位、檔位、車速、油門開度、發(fā)動機轉速等信號，判斷并選用合理換檔規(guī)律（經濟性、動力性和雪地換檔規(guī)律），輸出控制量，控制換檔電磁閥以及液力變矩器閉鎖。每次開機后程序自動開始運行，ECU首先采集外圍信號。根據(jù)代表駕駛員意愿的變速操縱桿位置作相應處理，在P、R、N檔位時分別作駐車、倒車和空擋處理。若處于前進檔位，就要進行相應的模式判斷。若是雪地或是運動模式，就進入相應的換檔規(guī)律模塊，否則就進入經濟模式，進入該模式后再根據(jù)油門開度和車速兩個變量選擇進入不同相應的換檔規(guī)律。換檔規(guī)律如圖6所示，采用車速與油門開度雙參數(shù)控制規(guī)律。

目前，自動變速技術已廣泛應用于中高檔轎車，而電子控制單元（ECU）是車輛實現(xiàn)自動變速的控制核心，將直接影響車輛經濟性和動力性。本文介紹的自動變速控制系統(tǒng)利用摩托羅拉公司新款高性能單片機MC9S12DP256，不但能夠實現(xiàn)自動變速換檔過程，而且采用了先進的控制算法使得換檔安全、舒適、平穩(wěn)。該控制單元已經進行多次實車試驗，工作良好，為進一步應用于更多車型提供研究基礎。