商用車AMT離合器控制的無刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘 要 設(shè)計(jì)開發(fā)商用車AMT離合器控制器（CCU）。設(shè)計(jì)開發(fā)AMT離合器控制器硬件電路，主要有電源電路自下電設(shè)計(jì)，CAN總線隔離設(shè)計(jì)，無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，無刷電機(jī)霍爾傳感器設(shè)計(jì)和PCB線路板設(shè)計(jì)；利用Codeworried編譯環(huán)境和C語言設(shè)計(jì)開發(fā)底層驅(qū)動(dòng)、離合器控制策略和與TCU通訊的CAN總線通信協(xié)議。該離合器控制器（CCU）具有自下電、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、自診斷和短路保護(hù)等特點(diǎn)。通過離合器分離臺(tái)架測試系統(tǒng)分離力，實(shí)車測試離合器控制策略、軟件通訊協(xié)議、離合器分離、結(jié)合時(shí)間和控制柔性，該控制器滿足商用車使用需求。

【關(guān)鍵詞】AMT 無刷直流電機(jī) 自動(dòng)離合器 控制器

商用車AMT系統(tǒng)近幾年內(nèi)迎來高速發(fā)展，國外城市大客車已普遍裝用自動(dòng)變速器，在西歐、北美、澳大利亞等地公交車市場，AMT配套率極高，EATON、ZF等均有成熟且市場認(rèn)知度高的AMT產(chǎn)品。而目前，國內(nèi)的AMT市場份額很小，且市場主要由意大利馬瑞利集團(tuán)、美國伊頓公司、德國采埃孚集團(tuán)等國際變速器公司等占據(jù)。另外，幾乎所有汽車自動(dòng)變速器核心技術(shù)都掌握在國外零部件供應(yīng)商及各種開發(fā)公司手中，以此，在我國發(fā)展自主品牌的商用車AMT系統(tǒng)有著巨大的意義。

隨著國內(nèi)汽車市場需求逐步發(fā)展，城市公交客車將成為首批AMT市場，目前年增公交車約5.5萬輛，估計(jì)30%以上會(huì)配置AMT系統(tǒng)，AMT會(huì)給公交帶來的一系列的好處，如減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度并提高駕駛安全性、乘客舒適性比MT好、運(yùn)行油耗比MT低（車隊(duì)平均燃油耗降低）、購置成本比AT低、離合器壽命適量延長等等，因此，越來越多的公交公司會(huì)選擇AMT系統(tǒng)，越來越多的整車廠會(huì)選擇生產(chǎn)AMT車輛，今后，商用車AMT系統(tǒng)必將引領(lǐng)整個(gè)商用車市場的快速發(fā)展。電控電動(dòng)式AMT系統(tǒng)有著如下優(yōu)點(diǎn)：電控選換擋與離合，控制精度高，動(dòng)力中斷時(shí)間短，舒適性好；24V電機(jī)執(zhí)行，能源充足、清潔；高精度的位置傳感器，保證控制的精準(zhǔn)度，傳感器可靠性高；成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)，保證機(jī)構(gòu)高效運(yùn)行，易于保養(yǎng)、維護(hù)；基于模型和專家系統(tǒng)的控制方法，保證選換擋精確，節(jié)氣節(jié)油效果明顯；強(qiáng)大的整車功能，滿足不同商用車的控制運(yùn)行需求。

1 無刷電機(jī)控制器

1.1 無刷電機(jī)控制器概述

無刷電機(jī)控制器的硬件部分由MCU模塊、自下電電源電路模塊、CAN總線模塊、三相H橋驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾換向傳感器模塊構(gòu)成。無刷電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)框圖見圖1示。

MCU選用NXP的9S12XEP100通過控制A3930無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)6路MOSFET控制無刷電機(jī)動(dòng)作，通過AS5134感應(yīng)產(chǎn)生的霍爾信號(hào)反饋到A3930的換向信號(hào)，TCU通過CAN總線和無刷電機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要通信內(nèi)容有轉(zhuǎn)動(dòng)方向、離合器位移、電機(jī)轉(zhuǎn)速、無刷電機(jī)電流、無刷電機(jī)診斷信息。

1.2 自下電電源設(shè)計(jì)

控制器電源電路設(shè)計(jì)選用Onsemi的Bust芯片LM2576，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到2A。無刷電機(jī)控制器通過點(diǎn)火鑰匙自下電，采用英飛凌的PMOS SPD09P06PL來控制器主電源回路下電，主回路過電流能力8A。具體電源電路如圖2示。

BATTERY接24蓄電池正極，GND接蓄電池負(fù)極，KeyOn接點(diǎn)火鑰匙，TurnOff_Delay接MCU輸出IO口用于斷電延時(shí)控制。當(dāng)點(diǎn)火鑰匙上電時(shí)，點(diǎn)火鑰匙高電平驅(qū)動(dòng)Q11三極管導(dǎo)通，PMOS Q10柵極和源極電壓Vgsth<-2v，Q10導(dǎo)通電源回路通過電，LM2576輸出7V電壓，經(jīng)LM7805輸出5V給MCU供電工作，MCU控制TurnOff_Delay輸出高電平用以保持上電回路持續(xù)上電；當(dāng)點(diǎn)火鑰匙下電時(shí)，點(diǎn)火鑰匙低電平，TurnOff_Delay高電平，上電回路持續(xù)上電，待斷電保存區(qū)EEPROM輸出保存完成后，MCU控制TurnOff_Delay輸出低電平，無刷電機(jī)控制器完成下電流程。

1.3 CAN總線設(shè)計(jì)

無刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)3路CAN總線，1路和整車CAN總線通信，1路和TCU進(jìn)行通信，另外1路通過CCP協(xié)議進(jìn)行標(biāo)定和主程序升級。CAN總線電路如圖3示。

用于混合動(dòng)力AMT的離合控制時(shí)，CAN總線很容易受到高壓電磁信號(hào)的干擾，因此采用隔離式的CAN總線設(shè)計(jì)，CAN通信芯片采用NXP的TJ1051T，隔離芯片采用AD?M1201和隔離電源芯片DCDC B0505S/D-1W，增加共模電感電感和ESD保護(hù)。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)三相H橋設(shè)計(jì)

無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用Allegro公司的A3930車用級無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用以產(chǎn)生6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET，該芯片具有外部霍爾信號(hào)供電、芯片短路、開路、欠壓保護(hù)、邏輯錯(cuò)誤診斷。A3930供電引腳VBB從Q10后端的24V輸出取電，保證點(diǎn)火鑰匙下電后，芯片低功耗或停止工作；三相H供電電源由BATTERY供電，回流電流可達(dá)60A；LSS引腳反饋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流電壓值至A3930，放大后輸出至MCU。無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4示。

柵極電阻R227、R228用于開啟柵極電容充電，R201和二極管D5用于提供泄流回路。

1.5 無刷電機(jī)霍爾信號(hào)設(shè)計(jì)

無刷電機(jī)霍爾信號(hào)采用AS5134磁編碼芯片實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)霍爾信號(hào)非接觸式輸出。無刷電機(jī)霍爾信號(hào)電路如圖5示。

2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程框圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖見圖6示。

點(diǎn)火鑰匙上電后，配置MCU相關(guān)引腳處于默認(rèn)狀態(tài)和上層變量初始化，判斷離合器位置和TCU CAN數(shù)據(jù)交互，當(dāng)收到TCU相關(guān)控制指令后驅(qū)動(dòng)電機(jī)到相應(yīng)位置。

2.2 無刷電機(jī)霍爾信號(hào)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

通過MCU IO模擬SPI信號(hào)輸出，設(shè)置Hall芯片采集電機(jī)極對數(shù)。無刷電機(jī)霍爾信號(hào)寫驅(qū)動(dòng)如下所示。

void WR_AS5134（void）

{

unsigned char i=0；

unsigned char Temp=0；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，EN_Prog）；

SPI_Send_Dat（8，0x8C）；

SPI_Send_Dat（8，0xAE）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，Write_OTP）；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[0]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[1]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[2]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[3]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[4]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[5]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[6]） ；

SPI_SendF_Dat（6，RD_OTP_RES_Value[7]） ；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，EN_Prog）；

SPI_Send_Dat（8，0x8C）；

SPI_Send_Dat（8，0xAE）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，Read_OTP）；

RD_OTP_RESF_Value[0]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[1]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[2]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[3]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[4]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[5]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[6]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[7]= SPI_ReceiverF_Dat（6）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_MTCounter）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_MTCounter_Value=SPI_Data>>7；

OTP_OK_Flag=（SPI_Data>>6）&0x0001；

for（i=1；i<3；i++） {

SPI_CS（1）；

}/* 數(shù)據(jù)傳輸后片選信號(hào)先為低后為高，并保持一段時(shí)間。*/

SPI_CS（0）；

}

無刷電機(jī)霍爾信號(hào)讀函數(shù)如下所示。

void RD_AS5134（void）

{

unsigned char i=0；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_MTCounter）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_MTCounter_Value=SPI_Data>>7；

OTP_OK_Flag=（SPI_Data>>6）&0x0001；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_ANGLE）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_Lock_ADC=SPI_Data&0x8000；

RD_AGC_Value=SPI_Data>>9&0x003F；

RD_Angle_Value=SPI_Data&0x01FF；

for（i=1；i<3；i++） {

SPI_CS（1）；

}/* 數(shù)據(jù)傳輸后片選信號(hào)先為低后為高，并保持一段時(shí)間。*/

SPI_CS（0）；

}

3 試驗(yàn)測試

變速箱臺(tái)架靜態(tài)測試離合器分離時(shí)間、離合機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)離合器分離力，測試特性曲線見圖9示。

臺(tái)架測試見圖10示。

4 結(jié)束語

開發(fā)的離合器控制器通過離合器靜態(tài)臺(tái)架、AMT耐久工裝實(shí)驗(yàn)和實(shí)車控制測試，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)功能、性能和可靠性，滿足系統(tǒng)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]徐旭.自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[2]劉勇.基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī)，2004（01）.

[3]張漢屏.一種性能優(yōu)良的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用[J].電子制作，2011（03）.

作者簡介

楊守亮（1983-） ，男，工程師，主要從事汽車動(dòng)力系統(tǒng)AMT控制和汽車電子控制。

作者單位

上海易巴汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司 上海市 201108