基于自動變速器的線控換擋控制器開發

陳振文，何曉妮，范漢茂，譚火南，劉志剛

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

0 引 言

傳統換擋器都是通過拉鎖推動或拉動自動變速箱搖臂實現換擋，而線控換擋器取消了機械式拉鎖，直接采用電機推動或拉動自動變速箱搖臂實現換擋。一方面減少傳統機械式結構的磨損，換擋器體積小，換擋機制靈活多變，可極大程度地滿足內飾造型需求；另一方面線控換擋器可實現電控換擋，為智能駕駛奠定基礎。

目前，線控換擋器主要應用在高端車型和新能源車。隨著汽車的智能化和電子化，以及輔助駕駛和無人駕駛的需求，各大零部件商正在大力研發，線控換擋技術也將得到普遍應用。

本研究將介紹換擋器的系統結構、硬件開發及控制策略[1-2]。

1 總體設計

線控換擋系統包括換擋器和執行器兩部分。換擋器為換擋桿操縱機構，整個線控換擋系統的控制部分安裝在換擋器里面，包括線控換擋主控制器SCM，檔位指示LED部分和按鍵部分。執行器為電機驅動部分，安裝在發動機艙，跟變速箱換檔搖臂連接。

換擋桿行程為H型，包括PRNDM+M-6個檔位位置。換擋桿縱向位移由霍爾傳感器識別，橫向位移由機械開關識別，結合霍爾信號和機械開關信號可準確識別換擋桿位置，獲得目標檔位。SCM根據目標檔位驅動電機，推動變速箱換檔搖臂到相應位置，完成換檔過程。同時，SCM將當前檔位信息發送到CAN總線。為實現精準換擋，在電機執行機構上安裝角度霍爾傳感器，與SCM、電機組成閉環控制系統。

系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

線控換擋器實物圖如圖2所示。

圖2 線控換擋器實物圖

2 軟件設計

換擋器軟件功能主要包括擋位判斷、擋位顯示、電機閉環控制，故障診斷、擋位自學習和車輛狀態邏輯判斷等[3]。

(1)點火開關上電后，軟件初始化，使檔位默認處于P擋中；

(2)初始化完成后，當換擋桿輸入任何擋位時，首先軟件需判斷車輛狀態邏輯(如車速、剎車信號、門鎖信號、故障信號等)是否滿足進入該擋位條件，若滿足，則直接進入擋位識別；若不滿足，則重新輸入擋位；

(3)車輛狀態邏輯滿足條件后，進行擋位識別判斷。若輸入擋位正確，則LED顯示該擋位，并驅動電機執行機構使變速箱達到該擋位；若輸入擋位不正確，則LED不顯示并忽略，執行機構不執行；

(4)在執行機構操作控制時，通過安裝在執行機構位置的霍爾傳感器檢測當前角度，來判斷當前機構是否執行到位。霍爾傳感器輸出信號為PWM波，其占空比與旋轉角度成線性關系，即每個角度對應一個占空比值。霍爾傳感器輸出PWM波的占空比與目標擋位所需的占空比進行比較，形成閉環控制；若誤差在1°以內，則判斷執行機構已到當前擋位，若誤差大于1°，則繼續進行電機PID調節控制，直至目標擋位值；當霍爾傳感器輸出占空比達到目標值后，判斷電機執行在當前穩定狀態時間，若時間大于等于0.1 s，則表示該擋位執行到位，并停止控制電機，結束換擋；若時間小于0.1 s，則表示該擋位未執行到位，仍需繼續進行電機PID控制穩定，直至完成該擋位換擋過程并結束換擋。

軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 硬件系統設計

硬件結構框圖如圖4所示。

圖4 硬件結構框圖

系統選用兩片飛思卡爾16 bit單片機MC9S12G128，兩個芯片之間通過SPI通信相互校驗，確保系統安全運行[4]。MC9S12G128現階段應用非常廣泛，主頻為24 MHz，128 K Flash，10個12 bit的AD通道，8個8 bit的PWM波。各個電路模塊的詳細介紹如下：

3.1 電源電路

電源模塊結構框圖如圖5所示。

圖5 電源結構框圖

主單片機和監控單片機采用獨立的電源供電，用兩個英飛凌的TLE4271-2G。外部傳感器供電采用一個ROHM的BD450M5WFPJ，與PCB板上的供電分開，以免外部因素影響內部電源。

TLE4271-2G是一款低靜態電流、能夠承受42 V電壓的LDO，輸出電壓精度可達到2%，最大輸出電流為550 mA，用于給MCU、CAN驅動以及其他外圍電路供電[5]。BD450M5WFPJ主要為外部電機位置霍爾傳感器和LED燈供電，帶使能關斷功能，可由單片機控制其關斷，以減少靜態電流[6]。

TLE4271-2G的外圍電路如6所示。

圖6 TLE4271-2G外圍電路

其輸入引腳I前端為PMOS防反和TVS管鉗位濾波電路。WI引腳為看門狗輸入，MCU需定期輸入高電平信號，否則電源芯片將會拉低復位引腳。INH引腳為輸入使能，點火信號、CAN喚醒信號和單片機使能信號經過或門后輸入到INH引腳。RO引腳為復位輸出，復位時間由C5決定。Q引腳為5V輸出，VDD5用于給單片機IO口和CAN驅動芯片等供電，VDD5A用于給AD采集模塊供電，兩者之間通過磁珠F4隔離。

3.2 信號輸入電路

3.2.1 模擬輸入

換擋撥片為外部模擬輸入信號，安裝在方向盤上，用于實現加減檔功能。該信號為電阻網絡，采集電路需匹配1 k上拉電阻到+5 V。

模擬采集電路如圖7所示。

圖7 模擬采集電路

其中，R52為限流電阻，與C39組成低通濾波，提高采樣精度。另外還需模擬采集+5 V傳感器電和+12 V電池電，以實時監控系統供電[7]。

3.2.2 數字輸入

機械開關和按鍵都是數字輸入信號，低電平有效，接口電路如圖8所示。

圖8 數字信號輸入電路

輸入信號為低有效，所以采用上拉電阻。一方面為端口提供默認高電平，另一方面可保證開關濕電流，確保開關接觸良好。電阻R122和R147組成分壓電路，以滿足單片機口電平約束。

3.3 霍爾傳感器模塊

(1)電機位置霍爾傳感器集成在電機內部，PWM輸出方式，信號抗干擾性強，適合長距離走線，單片機通過捕獲模塊計算PWM占空比，獲取電機轉速，另一方面通過AD采集該信號，檢測短路到地、短路到電源和開路故障；接口電路如圖9所示。

圖9 PWM信號輸入電路

(2)操縱桿縱向位置霍爾傳感器選用Melexis的MLX90363。該系列傳感器采用磁通壓縮技術，將平行芯片的磁場轉換為穿過芯片的正交磁場，能實現3D角度的識別，廣泛應用于汽車無接觸旋轉定位場合。MLX90363自帶診斷功能，單片機可直接通過SPI口讀取角度和故障信息，方便可靠。另外集成雙路識別功能，保證功能設計的冗余性和安全性[8]。

4 實車驗證

本研究將線控換擋控制器SCM與換擋機構總成安裝到測試車輛，進行線控換擋器全功能測試。搭載的車型為廣汽傳祺AL，變速箱為愛信6F45，根據廣汽企業標準進行控制器和整車耐久試驗。

采用孔輝科技的換擋性能測試系統用于車輛靜止或者動態行駛過程中對換擋操縱性能進行測量。主要包括換擋手柄力、換擋手柄的換擋和選檔位移、離合器踏板行程與力、變速箱輸入軸和輸出軸轉速，同時還預留對溫度、振動信號采集的通道接口。

性能測試現場如圖10所示。

圖10 換擋性能測試

測試系統參數如表1所示。

表1 換擋測試系統參數

通過總線工具采集的測試結果如圖11所示[9]。

圖11 實車測試結果SCM_GearShiftLeverPstReq—換擋桿需求檔位；TCU_CurrentGearSt—當前變速器實際檔位；SCM_DriveMode—駕駛模式

0～0.5 s為P當解鎖控制邏輯驗證，可以看到當剎車踩下等條件滿足后，可以順利從P擋脫開移至R擋；

SCM_Gear Shift Lever PstReq與TCU_Current Gear St組合顯示為在0～6.5 s時擋位切換驗證，可以看到隨著換擋桿目標擋位的不同，總線輸出不同的擋位，同時TCU擋位實時跟隨變化，且跟隨變化換擋完成時間都在0.1s以內；

SCM_Gear Shift Lever PstReq與SCM_Drive Mode組合顯示為部分駕駛模式切換驗證，可以看到駕駛模式在Normal、Sport、Manual、Normal之間正常切換。當在Sport模式時，換擋桿輸入M+或者M-，駕駛模式自動切換成Manual模式。

5 結束語

針對傳統機械式換擋器，本研究設計了一種線控換擋器，詳細介紹了軟件、硬件以及故障診斷的設計開發。結果表明：電機閉環控制系統能根據當前車輛信息和駕駛員指令實現精準控制，并正確顯示檔位信息。

其次，本研究設計了故障診斷邏輯和檔位自學習方法，試驗結果表明：線控換擋系統有效降低了部件復雜性，機械磨損少。

[1] 黃 蒙，吳光強.自動變速器換擋桿電子控制器設計研究[J].測控技術，2011(4)：63-66,69.

[2] 查曉輝.汽車無極變速傳動系統的電子控制單元的研究[D].重慶：重慶大學機械學院，2004.

[3] 和衛民.基于AMT的換擋手柄ECU的系統設計[D].長春：吉林大學機械工程學院，2006.

[4] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統——使用HCS12微控制器的設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5] 陳彩霞.汽車電子排檔控制系統設計[D].長沙：湖南大

學電氣工程學院，2013.

[6] Melexis. MLX90363 triax magnetometer IC with high sped serim interface[M]. Tessenderlo: Melexis,2013.

[7] 楊勝兵，嚴新平，吳超仲，等.基于CAN總線的汽車換擋檢測系統設計[C].2009中國汽車工程學會年會,北京：中國汽車工程學會，2009.