汽車無級變速箱控制器TCU的研究

為了跟蹤世界汽車技術(shù)，發(fā)展我國汽車工業(yè)，“九五”期間，汽車電于控制技術(shù)被列為科技攻關(guān)項(xiàng)目。車輛自動變速是汽車電控技術(shù)的一個重要組成部分。采用計算機(jī)和電力電子驅(qū)動技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛自動變速，能消除駕駛員換檔技術(shù)的差異，減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，提高行車安全性，提高車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性。汽車的無級變速系統(tǒng)一般是由無級變速箱CVT(Continuously Variable Transmission) 和無級變速箱控制器TCU(Transmission Control Unit)組成。

1 CVT的基本結(jié)構(gòu)

汽車的無級變速系統(tǒng)主要有以下幾種形式：（1）液力機(jī)械A(chǔ)T—HMT(Hydrodynamic Mechanical Transmission)廣泛應(yīng)用于轎車、公共汽車、重型車輛、商用車和工程車輛上。(2)機(jī)械式AT—AMT(Automa ted Mechanical Transmission)在通常機(jī)械式變速器基礎(chǔ)上加上微機(jī)控制電液伺服操縱自動換檔機(jī)構(gòu)組成，目前它應(yīng)用于部分低檔轎車、局部卡車和商用車上。(3)無級式AT—CVT(Continuously Variable Transmission)是目前在小排氣量轎車中使用最多的一種。它的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖l所示。

圖1 無級式AT—CVT主要結(jié)構(gòu)和工作原理

CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材等方面的問題，該傳動機(jī)構(gòu)體積過大，傳動比過小，無法滿足汽車行駛的要求。這些缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。直到1979年，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和特殊鋼帶的使用，CVT的傳動比明顯提高，具備了在車輛上廣泛應(yīng)用的前提條件。從那時起，福特、菲亞特和日產(chǎn)等公司的車型都曾采用過這種變速傳動機(jī)構(gòu)。

CVT采用的V形承推鋼帶由安裝在撓性馬氏體時效鋼圈上的多片楔形鋼片構(gòu)成。它的動力從主動輪輸入，經(jīng)過V形鋼帶，由從動輪輸出。帶輪由可以相對滑動的兩部分構(gòu)成。鋼帶位于這兩部分間的凹槽內(nèi)。當(dāng)帶輪兩部分靠緊時，凹槽較窄，鋼帶位于帶輪外緣，此時帶輪的工作直徑最大。隨著這兩部分間的相對滑動，凹槽越來越寬，鋼帶逐漸靠近帶輪中心，即工作直徑最小的地方。汽車剛剛起動車速較低時，主動輪工作直徑較小，變速器可得到較大的傳動比，使汽車獲得足夠動力克服行駛阻力。隨著車速的升高，主動輪工作直徑逐漸增大，從動輪工作直徑越來越小，變速器傳動比也相應(yīng)減小。由于帶輪工作直徑可連續(xù)變化，因此這種變速器的傳動比也是無級、連續(xù)變化的，傳遞動力更平穩(wěn)，其動力性和經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行星齒輪式自動變速器。汽車在實(shí)際運(yùn)行中變速箱變比的控制是由TCU控制直流電動機(jī)自動完成的。

2 TCU的基本結(jié)構(gòu)

TCU的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由單片機(jī)、檢測電路、驅(qū)動電路、電源電路以及通訊電路等部分組成。

圖2 TCU的基本結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是采用美國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。檢測電路分為脈沖檢測、開關(guān)量檢測以及模擬量檢測。脈沖檢測又分為脈沖計數(shù)和脈沖寬度檢測。如發(fā)動轉(zhuǎn)速、輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速的測量是采用脈沖計數(shù)方式。節(jié)氣門開度則是采用脈沖寬度測量的方式。

模擬量的測量主要由濾波電路、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機(jī)驅(qū)動的。在TCU中是由4支MOSFET組成的H型電路實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)PWM控制。電磁離合器的電流也是通過MOSFET驅(qū)動的。在驅(qū)動電路中除主開關(guān)元件、續(xù)流二極管外還有保護(hù)電路和電流檢測電路。

通訊接口的作用主要是觀測TCU的工作狀態(tài)，對檢測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。程序首先對內(nèi)部RAM進(jìn)行分配，然后對各功能模塊如Administrator/D轉(zhuǎn)換器、定時器、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應(yīng)處于最小變比的位置，因此在每次停車時應(yīng)將變速箱歸位，汽車起動后首先檢測各參數(shù)，如檔位開關(guān)、發(fā)動機(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機(jī)狀態(tài)的依據(jù)。當(dāng)需要增加變速箱的變比時，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。