基于DSP56F8346的自動變速器控制系統(tǒng)設(shè)計*

朱亞光 馮國勝 李卷科

（1.石家莊鐵道大學(xué)；2.河北省特種設(shè)備技術(shù)檢查中心）

在汽車工業(yè)發(fā)展的今天，作為汽車能量轉(zhuǎn)換器的變速器也逐漸從手動變速器向自動變速器發(fā)展，自動變速器已經(jīng)成為全球的發(fā)展趨勢[1]。汽車自動變速器在西歐及美國和日本等發(fā)達(dá)國家的普及率很高，我國自動變速器的市場也在快速增長[2]。但是現(xiàn)有的很多自動變速器在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，不僅需要其他離合和制動元件，還需要很多的機(jī)構(gòu)，對于很多零件的加工要求很高，加工難度大，而且也不好維修，事故發(fā)生率和成本比較高。文章介紹了一種基于DSP56F8346開發(fā)板的新型變速器，其結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較低，容易維護(hù)保養(yǎng)。

1 變速器的介紹

新型變速器擋位結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。其主要由帶凸起的變速滑套按照變速需求來回滑動進(jìn)行擋位變換。此變速器共有4個擋位，自左向右為倒擋、1擋、3擋及2擋。根據(jù)制定的控制策略，由開發(fā)板DSP56F8346產(chǎn)生的PWM波來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動時間，電機(jī)軸通過齒輪連著絲杠，通過絲杠螺母的嚙合使得絲杠的轉(zhuǎn)動變?yōu)槁菽傅妮S向平移運(yùn)動。滑套左端有一個凸起，可以與單向器接觸，單向器外側(cè)固定有不同擋位的齒輪組組合。螺母與滑套相連接固定，螺母的軸向移動帶動滑套沿同一方向移動并移動相同的距離，滑套左端的凸起與所要求擋位齒輪內(nèi)的單向器內(nèi)側(cè)接觸，使得擋位齒輪嚙合，從而實現(xiàn)了變擋。電機(jī)軸轉(zhuǎn)動一定的時間使螺母沿滑套軸向移動一定的位移，加減擋由電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向來決定。

圖1 新型變速器擋位結(jié)構(gòu)簡圖

在此變速器中，電機(jī)軸通過齒輪的嚙合將動力傳遞到絲杠上，齒輪的傳動比為1，因此絲杠的轉(zhuǎn)速和主電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速相同，電機(jī)編碼器的線數(shù)為1 000，螺母的滑動速度和相對位移為：

式中：v——螺母的滑動速度，m/s；

d——絲杠的中徑，mm；

n——絲杠的轉(zhuǎn)速，r/min；

γ——絲杠的螺紋升角，（°）；

s——絲杠螺母移動的相對位移，mm；

N——編碼器的計數(shù)，個。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

文章選擇飛思卡爾公司生產(chǎn)的DSP56F8346開發(fā)板為主要控制芯片構(gòu)建變速器的控制系統(tǒng)。DSP56F8346擁有 2個 ADC、2個 PWM，2個 TIMER、2個SCI及1個RS232等外設(shè)模塊。ADC模塊擁有8個通道，用獨(dú)立的采樣保持電路驅(qū)動12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以采集外部的電壓信號；PWM模塊可以產(chǎn)生占空比為0～100%的方波信號；TIMER模塊既可以對外部的方波信號計數(shù)，也可以測量外部的轉(zhuǎn)速信號等；SCI模塊可以建立開發(fā)板與一些應(yīng)用型顯示軟件的連接，可以使開發(fā)板采集的信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上并在軟件中顯示出來；RS232接口主要用于開發(fā)板與上位機(jī)之間的相互傳輸，通過RS232接口可以將程序下載到開發(fā)板上[3]。新型變速器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖，如圖2所示。

圖2 新型變速器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

系統(tǒng)選取兩參數(shù)換擋規(guī)律，需要采集油門位置信號、主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速信號和車速信號作為變速器換擋的條件[4]，使得擋位進(jìn)行變換。

油門位置信號的調(diào)理電路，如圖3所示。采集的油門信號先經(jīng)過TL014D芯片所構(gòu)成的濾波電路，可以過濾掉一些干擾，實現(xiàn)信號的準(zhǔn)確測量；再經(jīng)過LM324和鉗位電路構(gòu)成的保護(hù)電路，可以對開發(fā)板帶來過流等保護(hù)；信號經(jīng)過調(diào)理電路之后，輸入開發(fā)板的ADC模塊。

圖3 油門位置信號的調(diào)理電路

對于主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集，通過對主電機(jī)的編碼器進(jìn)行計數(shù)測速即可。電機(jī)轉(zhuǎn)動時，編碼器A相和B相的輸出信號，如圖4所示。

圖4 電機(jī)編碼器A相和B相信號顯示界面

將編碼器輸出端的A相和B相信號分別輸入TIMERA模塊中的0管腳和1管腳，由于只是測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，因此，只需要測量這2相信號即可。

對于車速的采集，可以通過采集變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速和方向來得到。在變速器輸出軸端部安裝一個霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號是近似于正弦波的信號，這個信號從Input口輸入轉(zhuǎn)速信號處理電路，經(jīng)過電阻R1和穩(wěn)壓二極管VS1組成的限幅電路，以便達(dá)到單片機(jī)接口的要求；再經(jīng)過電阻R2和電容C1組成的低通濾波電路，主要是除去干擾信號；然后經(jīng)過施密特整形電路后，輸出方波信號。變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速信號處理電路，如圖5所示。

圖5 變速器輸出軸轉(zhuǎn)速信號處理電路

3 軟件部分

DSP56F8346是飛思卡爾56F800E系列的一種芯片，它有著一套完整、便利的軟件開發(fā)平臺——Code-Warrior IDE，其集成開發(fā)環(huán)境（PE）有著簡潔、方便的界面，提供了適用性框架。在該框架中，可以選擇需要的窗口，在窗口中選擇要設(shè)置的參數(shù)，并且可以自己編寫程序，來滿足特有的需要[5]。當(dāng)啟動代碼設(shè)計時，系統(tǒng)會根據(jù)嵌入豆中的設(shè)置自動生成代碼，不易出錯。也可根據(jù)自己的需要來編寫代碼，從而提高了工作效率。軟件部分主要包括PWM控制和計數(shù)程序設(shè)計。

擋位變換的軟件總流程圖，如圖6所示。

圖6 新型變速器控制系統(tǒng)擋位變換總流程圖

主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速流程，如圖6a所示。在圖6a中，采集到的油門信號（ADC信號）通過改變方波（PWM）的占空比來對主電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在PE環(huán)境中，添加ADC模塊、PWM模塊、TI1模塊及PluseAccumulator模塊等。在ADC模塊中，設(shè)置使能ENABLE，選擇ADC通道CHANNEL 0，MODE為Sequential，轉(zhuǎn)換時間為1.7衽；在PWM模塊中，設(shè)置使能ENABLE，輸出選擇ENABLE，在PMCFG中的邊沿對齊位（EDGE）設(shè)置對齊模式，通過PWMCM中的值計算方波的周期，通過PMCNT中的值計算方波的占空比；在TI1模塊中設(shè)置中斷周期為10 ms，初始化選擇yes；在PluseAccumulator模塊中，設(shè)置計數(shù)模式為Quadrature，初始化選yes。電機(jī)的模式為脈沖+方向控制，當(dāng)油門開度增大時，輸出的方波的占空比相應(yīng)地增大，使得主電機(jī)轉(zhuǎn)速增大；油門開度減小時，方波的占空比減小，主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小[6]。

程序如下所示：

控制電機(jī)計數(shù)的流程，如圖6b所示。在圖6b中，蝸輪蝸桿相對位移的改變通過對控制電機(jī)編碼器的計數(shù)來實現(xiàn)。在實驗室只使用主電機(jī)轉(zhuǎn)速作為變擋條件。在PE中，添加PluseAccumulator模塊、FreeMaster模塊等。在PluseAccumulator模塊中，設(shè)置計數(shù)模式為Count，初始化選yes，F(xiàn)reeMaster模塊中各個選項不做改動。當(dāng)主電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)的編碼器開始計數(shù)，當(dāng)蝸輪蝸桿移動的相對距離達(dá)到2擋所需的距離后，即計數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，控制控制電機(jī)的方波信號的輸出占空比為0，編碼器的計數(shù)不變[7]。由于相鄰的2個擋位的距離為16 mm，絲杠的中徑為20 mm，導(dǎo)程角為20°，通過式（2）的計算，可以得到計數(shù)值為25 433。

4 測試結(jié)果分析

對于結(jié)果的分析，首先應(yīng)在PC機(jī)上觀測出來。FreeMaster是一款嵌入式的應(yīng)用軟件，它不僅可以用于電機(jī)控制的開發(fā)，也可以用于其他應(yīng)用軟件的開發(fā)。用戶可以對調(diào)試系統(tǒng)中的變量進(jìn)行實時調(diào)試和監(jiān)控。使用時，設(shè)置串口為COM1口，設(shè)置波特率為9 600，設(shè)置傳輸模式。選擇所需要的變量，然后在窗口中查看。

在實驗室使用的開發(fā)板為DSP56F8346，電機(jī)型號為YZ-57BLS140。換擋實驗臺，如圖7所示。

在FreeMaster上顯示的采集到的主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，如圖8所示。當(dāng)采集的油門信號增大時，PWM波的占空比增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大；當(dāng)采集的油門信號不變時，PWM波占空比不變，轉(zhuǎn)速不變。主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖8 主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速信號顯示界面

表1 主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速測量結(jié)果

在FreeMaster上顯示的采集到的控制電機(jī)編碼器的計數(shù)信號，如圖9所示。當(dāng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動時，編碼器的計數(shù)增加；電機(jī)停止時，編碼器的計數(shù)不變。

圖9 控制電機(jī)編碼器的計數(shù)信號顯示界面

由于此變速器在變擋過程中，需要考慮到換擋的時間必須要短，在試驗中，當(dāng)從2擋變到3擋時，在不同占空比下，測量了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速值和換擋時間，如表2所示。表2測量的換擋時間是控制電機(jī)計數(shù)值從0增加到電機(jī)設(shè)定計數(shù)值的時間，減小了通過螺母的滑移速度計算換擋時間帶來的誤差。

表2 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和變擋時間的測量結(jié)果

5 結(jié)論

文章使用開發(fā)板DSP56F8346以及油門位置信號的調(diào)理電路、轉(zhuǎn)速信號處理電路等外圍電路，建立了自動變速器的控制系統(tǒng)，外圍電路簡單方便，挑選并調(diào)整各個電子元件型號，使得系統(tǒng)對于信號的采集得到了改善。通過對電壓信號、轉(zhuǎn)速信號和編碼器信號的采集，可以看出：對于主驅(qū)動電機(jī)來講，當(dāng)油門開度增大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，說明采集的信號比較準(zhǔn)確；對于編碼器中信號的計數(shù)控制，可以達(dá)到比較理想的結(jié)果，可以應(yīng)用于后續(xù)的研究。