簡析車輛機械自動變速器電控單元設計

溫永強

（山西國營大眾機械廠，山西 太原 030024）

1 概述

車輛機械自動變速器電控單元（AMT ECU）特指對機械變速器進行控制的電子控制單元，簡稱ECU（Electronic Control Unit），是汽車行業十分關注的汽車電子高新技術產品，它能減輕駕駛強度，提高經濟性和動力性，改進舒適性和安全性，且成本低，制造方便，因此在自動變速領域具有較強的競爭力和廣闊的應用前景。

2 車輛機械式自動變速控制器工作原理

車輛機械式自動變速器（Automated Mechanical－Transmission，簡稱AMT）的工作原理是：將駕駛員對車輛的換檔、油門控制、剎車等操作意圖和當前車輛的發動機轉速、車速、離合器、油門、檔位等工作狀態共同作為AMT的輸入控制信號，由ECU的控制軟件對當前輸入信號的狀態和參數作出判斷，根據控制規律模擬駕駛者的操控方式控制發動機、變速箱、離合器等完成自動換檔過程。圖1為ECU的構成原理框圖。

圖1 ECU原理框圖

2．1 微控器（MCU）

ECU的控制核心是微控器（MCU），它可以是單片計算機、混合信號處理器（MSP）或數字信號處理器（DSP）等任一種智能控制芯片。多數現代的MCU配置有開關量模塊、模擬量模塊及串行通信模塊，有的MCU還配有USB和CAN模塊，這使得以MCU為核心進行控制電路和通信電路設計時電路的結構更簡練可靠，也使編程者在軟件設計時有更多和更靈活的選擇。

2．2 輸入信號接口電路

圖1中左上部分和左中部分，分別是開關量輸入信號接口和模擬量輸入信號接口電路。信號接口電路包含有輸入調理電路，其作用是將傳感器輸出信號的電壓等級轉換為微控器可接收的電壓等級。為保證電控系統的穩定可靠運行，信號接口電路應對開關量的輸入信號采取隔離耦合和消抖措施，以減小外界干擾；對模擬量輸入信號應采取高低電位的限幅措施，防止因信號引線引入高電壓造成電路的損毀。

2．3 驅動控制接口電路

ECU的輸出最終要控制換檔執行機構完成自動換檔，換檔機構的動作往往是由直流電機或電磁閥驅動的。直流電機或電磁閥一般功率較大并且都是感性負載，ECU需要有專門的驅動控制接口電路來驅動。圖1右上部分表示了驅動控制接口電路。驅動控制接口電路的輸入是來自微控器（MCU）的控制信號，是電壓等級較低、功率較弱的脈寬調制（PWM）信號，必須經過隔離耦合和功率放大后，驅動控制接口電路的輸出才可以直接驅動電機或電磁閥。

2．4 通信接口電路和電源

ATM ECU在車輛控制過程中不是孤立存在的，需要與車輛中其他控制單元通信，比如可能與車輛主控制器及電噴發動機、制動防抱死系統（ABS）、電動門窗等的控制單元交換信息。另外對ECU進行調試和校準時也必須要有信息交換的通道。圖1右下部分表示了通信接口電路。

電源是電子設備不可缺少的重要電路，圖1最下部分表示了電源接口電路。

3 ECU硬件設計方案

3．1 微控制器

微控器（MCU）也稱單片機，是ECU控制的核心器件。生產微控器的廠商很多，本文選擇美國德克薩斯儀器儀表（TI）公司生產的微控器（MCU）。配置了微控器后，ECU在硬件設計上的重點是微控器與傳感器、驅動電路、通信電路等電路的接口，即注重硬件設計時電路的合理性、可靠性、抗干擾性等。

3．2 開關量輸入接口電路

圖2表示了部分開關量的輸入電路。輸入信號IN1～IN4經限流電阻和光電隔離輸出信號OUT1～OUT4送微控器。

3．3 模擬量輸入接口電路

不同類型的模擬量傳感器輸出信號的電量是不同的，可能是4mA～20mA電流輸出，也可能是0V～5 V或0V～10V電壓量。模擬量輸入信號應采取高低電位的限幅措施以防止因信號引線引入高電壓造成ECU電路的損毀。模擬量接口電路需根據選定的傳感器的具體情況設計。

圖2 開關量輸入接口電路

3．4 直流電機驅動控制電路

直流電機驅動采用“H”橋結構，PWM方式驅動。H橋由4個大功率場效應管T1～T4構成，其電路原理見圖3。

圖3 直流電機驅動電路原理圖

大功率場效應管T1、T4導通，電機正轉。大功率場效應管T2、T3導通，電機反轉。需要注意的是必須要確保T1、T3不能同時導通，T2、T4不能同時導通，否則會引起電源短路而產生嚴重后果。光耦芯片TLP250是信號隔離電路，是集成電路IR2110大功率場效應管的驅動電路。直流電機是感性負載，為防止電感的反沖電壓對電路的損壞，電路中設置了由二極管電容器電阻器組成的保護電路。

3．5 通信接口電路

圖4為串行口RS232接口電路的原理圖，電路采用三線串口通信方式。

圖4中MAX3221集成電路芯片將3．3V電平等級的串行信號轉換為符合RS232協議標準電平等級的信號。電路很簡單，只需在TRS3221EIPWR外接4個0．1μF的電容器。微控器與CAN物理傳輸總線接口的芯片種類不少，這里采用了PHILIPS公司的PCA82C250收發器芯片。為提高系統的安全性、可靠性和抗干擾性，在TMS320F28035與PCA82C250芯片之間加入高速光耦芯片6N136進行電氣隔離。另外與外部連接的兩根CAN信號線與信號線地線之間分別接了一個瞬間高壓抑制器。當信號端與地之間出現瞬變高電壓干擾時，通過瞬間高壓抑制器放電可以對電路起到一定的保護作用。

圖4 串行口RS232接口電路

3．6 電源電路

源主要電路的原理圖。

電源是電子設備不可缺少的重要電路。圖5為電

圖5 電源電路

ECU是由電壓等級和功率要求不同的多個電路組合構成的電子設備，對電源電壓等級和電流輸出的要求不同。圖5中電源由24V輸入，MC78L15將24 V轉換為15V供給大功率場效應管的驅動電路、集成電路IR2110等電路。24V輸入經濾波器濾波由3個DC／DC變換器轉換，為微控器、通信口等對電平等級要求不同的電路提供合適的供電電源。

4 ECU軟件設計

當電路硬件設計完成后，ECU的功能要完全依靠系統控制軟件來實現，軟件設計的優劣決定了整個設計的成敗。本設計項目的軟件采取模塊化的設計方法來實現。

4．1 接口軟件

接口軟件首先包括對微控器內嵌的各功能模塊進行初始化子程序，初始化子程序將模塊功能配置為ECU電路需要的狀態。比如將端口按要求配置為開關量輸入或輸出狀態，配置模數轉換ADC模塊的端口和工作方式，為其他軟件實現控制功能提供基礎。接口軟件還包括控制微控器進行信號采集和信號輸出的子程序。這些子程序按設計要求將傳感器信號采集轉換后放入到預定的存儲區，供其他軟件使用。

4．2 控制算法軟件

控制算法軟件是實現車輛機械自動變速器電控單元（AMT ECU）的核心。控制算法軟件的核心內容是采用程序或控制表模仿優秀駕駛員對車輛的駕駛過程，通過ECU硬件實現自動換檔的控制。換檔自動控制是一個復雜的控制過程，當駕駛員做出操作動作后，就是對ECU發出了控制指令，ECU將依據接收到的各傳感器的信息判斷當前車輛的運動狀態，同時ECU預設的控制算法對控制指令和當前車輛的運動狀態作出分析并迅速給出合理的控制判斷。

4．3 通信軟件

ECU在車輛控制過程中需要與車輛其他部分的控制單元交換信息，對ECU進行調試和校準時也必須應有信息交換，這些信息的交換由通信軟件實現。CAN通信軟件實現ECU與車輛內部其他部件之間的數據交換通信，而RS232通信軟件實現ECU用于調試和校準時與計算機或智能電子設備間的數據通信。

4．4 容錯的考慮

相對于傳感器和執行機構來說，雖然ECU的可靠性較高，但一旦發生故障，后果將更加嚴重，會使全部系統癱瘓和失控，因此ECU設計中容錯是必須認真考慮的問題。

5 結束語

以單片機為控制核心的系統可以實現自動換檔的基本控制，系統價格相對低廉，適合AMT的發展方向，應用前景廣闊，已成為開發適合我國國情的新型汽車自動變速器的熱點。