基于國產微控制器的變速箱換擋控制器TCU的設計

曲利峰 史祖春 陳文弟 李云生 劉昆侖

摘? 要：為了推動我國AT行業的快速發展，自主研發新時代的汽車控制系統任重道遠。而TCU作為現代汽車變速箱控制的核心單元，我國已經投入大量的人力財力自主創新研發，TCU的合理設計，以及自主研發迫在眉睫。TCU作為車輛運行過程中的核心控制系統，對于現代車輛至關重要。TCU通常由控制MCU、輸入檢測、輸出控制、信號采集以及電源管理等功能電路組成。首先TCU控制器需對車輛運行中的車況數據進行分析，根據實際的車輛當前狀態進行內部決策，從而使車輛保持高效、環保、節能的最佳工作狀態。通過實驗測試，設計能滿足AT控制要求，同時相比傳統的設計在性能、經濟方面具有較大優勢，也對推動我國AT行業發展具有重大意義。

關鍵詞：變速箱;TCU;車況數據;AT控制

中圖分類號：U463.2? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0167-03

Abstract：In order to promote the rapid development of AT industry in China，it is a long way to independently develop the automobile control system in the new era. As the core unit of modern automobile gearbox control，TCU has invested a lot of human and financial resources in independent innovation and R & D in China. The reasonable design and independent R & D of TCU is imminent. As the core control system of vehicle operation，TCU is very important for modern vehicles. TCU is usually composed of control MCU，input detection，output control，signal acquisition，power management and other functional circuits. First of all，TCU controller needs to analyze the data of vehicle condition during vehicle operation，and make internal decision according to the actual vehicle current state，so as to keep the vehicle in the best working state of high efficiency，environmental protection and energy saving. Through the experimental test，the design can meet the requirements of AT control. At the same time，compared with the traditional design，it has greater advantages in performance and economy. It is also of great significance to promote the development of AT industry in China.

Keywords：gearbox;TCU;vehicle condition data;AT control

0? 引? 言

為了發展我國汽車工業，“九五”期間汽車電子控制技術被列為重點項目，車輛自動變速是汽車電控技術的一個重要組成部分。

TCU控制作為變速箱核心控制單元，是現代汽車的核心控制部分之一，對于行車、駐車等十分重要。TCU主要功能為：目標檔位決策、執行結構控制、故障診斷、故障處理機制等。

目標檔位決策，為了匹配車輛駕駛環境、駕駛條件、車輛運行情況，以達到最佳決策值;執行結構控制，當控制系統檢測到新的決策值后，執行結構需要對相關的比例閥和開關閥等執行結構進行控制，從而匹配新的狀態;故障診斷，由于現代汽車因為系統的復雜性以及科技的提升，所以故障診斷可以方便地對車輛變速箱相關的故障進行預置自我診斷，為減少故障以及保修提供重要的依據;故障處理機制，配合故障診斷進行，系統可以對部分故障進行自我檢測并維修。

汽車TCU單元主要由降壓的MCU供電單元、比例閥控制單元、開關閥控制單元、壓力傳感器信號輸入、溫度傳感器輸入、開關傳感器輸入、手柄狀態檢測、以及通信單元構成。

通常MCU采用符合汽車級的單片機或者微處理器來完成，因我國在MCU和微處理器方面均落后于發達國家，故影響汽車電控行業的發展。為了打破行業限制，我們利用國產MCU進行TCU控制設計，同時進行相關的驗證試驗。設計中所使用的相關器件均是國產。經過驗證，完全滿足設計要求，并且穩定性達到行業水平，經濟適用。

1? 背景技術

TCU控制核心主要通過相關的開關檢測電路、溫度檢測電路、壓力檢測電路、轉速檢測電路等功能電路對變速箱的實時工作狀態進行有效監控，同時根據ECU上傳到車輛系統的車輛實時數據和發動機數據，配合車輛控制系統，分析車輛的當前各項工作數據，然后通過功率驅動部分電路來實現相關機械閥或者開關的工作狀態變更，完成變速箱狀態的更新，同時將當前車輛狀態的最佳運行數據反饋與車輛控制系統。TCU核心組成如圖1所示。

在TCU的控制決策下，車輛運行在高效、穩定、環保、節能的最佳狀態下。

TCU控制的功率驅動部分主要分為開關閥狀態驅動、比例閥狀態驅動、指示信號狀態等。

傳統的設計采用國外符合汽車級別的標準器件實現，傳統設計中主要的核心關鍵器件均來自國外，所以當設計或者開發時，因為技術條件限制而存在弊端，同時維修困難，成本受限，受到各種因素的制約。針對以上因素，本設計采用國產相關器件設計，從原理上進行徹底的國產設計，從MCU選取到外圍所有元件均采用我國自主研發的相關器件產品，且選擇符合汽車級別的高性能器件。

2? 設計實現

2.1? 控制MCU

作為最核心的TCU控制系統MCU，采用國產兆易創新的ARM微控制器—GD32F450。GD32F450配置：兩路CANB2.0、多路串口通信、內部自帶12 bitADC、多路高精度定時器、以及多路PWM控制輸出、1 M Flash來實現、200 MHz主頻。有著豐富的外設接口，所以給系統設計帶來了極大的便利，其本身參數性能均滿足設計要求，而且該國產IC具有極高性價比，同時還符合工業級溫度范圍標準。設計的系統結構如圖2所示。

2.2? 模擬信號采集

因系統充分考慮器件隔離安全級別。故需采用OR-6N137高速隔離光耦，配合外部高精度12 bit國產ADC進行數模擬數據采集，MC2453采樣通道多，和單片機的接口符合標準SPI總線接口，占用單片機資源少。ADC采集電路設計如圖3所示。

2.3? 接口防護隔離

設計采用高速隔離電路，如圖4所示。

OR-6N137作為國產高速光耦器件，具有高速數據傳輸性能，同時誤碼率極低，在實際試驗中上萬次數據傳輸，誤碼為0，穩定性完全滿足需求。

2.4? 開關量信號采集

設計中對于開關信號的檢測如圖5所示。

BAV21WS做保護二極管，HD-IN1通過上拉至+5V0電壓，當檢測信號HD1為高（即大于HD_Ref）時，運放輸出高，光耦隔離端輸出為低，反之為低光耦輸出端，則輸出3.3 V高，可直接被MCU GD32F450接收。

2.5? 功率驅動輸出控制

對閥輸出控制，則采用單獨MCU來實現，這樣可以有效降低核心控制MCU的壓力，同時也能有效提高對于控制系統的保障，閥控制MCU通過閉環反饋算法對閥端電流進行實時檢測，從而調節PWM控制信號輸出占空比，來達到閥狀態的監控和控制，如圖6所示。而控制電路驅動器采用國產的EG3002 MOS驅動IC，自帶負載電流的檢測和短路保護功能。對于閥控制電路則采用MOS驅動器和MOS管接合的方式實現。

閥控制單片機和主控MCU通過隔離串行數據接口通信。這樣可以保障核心控制器的穩定性，以及隔離保護。

2.6? CAN總線通信

總線通信采用了符合1939協議的標準CAN實現，具體電路如圖7所示。首先在配置模式下將CAN狀態寄存器、波特率控制寄存器、I/O控制寄存器、中斷寄存器、中斷控制寄存器、屏蔽寄存器和過濾寄存器按照系統的要求設定完成后，啟動CAN總線，系統進入正常工作模式。TCU控制器和車輛核心控制系統之間通過總線實現數據的實時共享。而TCU控制系統采用雙冗余設計，其僅作為核心控制系統總線的一個節點。

2.7? 系統軟件設計

系統軟件設計采用C語言實現，主要包含驅動層和應用層設計，驅動層主要完成MCU片級的驅動功能，而應用層主要實現外設控制和數據交換等功能。

2.8? 系統測試標定

系統仿真測試通過臺架以及必要的車輛控制模擬軟件系統來實現，將控制器接入對應的系統模擬環境中，然后通過模擬ECU以及車輛核心控制單元對發動機的轉速、溫度、壓力等進行調節測試，然后根據車輛當前的運行狀態，以及負載能力，逐漸進行改變，使系統工作在每個換檔級別的最佳工作狀態，完成系統標定測試后，對TCU控制系統進行實際車輛的安裝驗證測試，性能滿足設計要求，穩定性符合行業標準。

3? 結? 論

基于國產兆易創新的GD32F450 MCU的TCU控制單元，設計過程中均采用國產高性能器件，同時為了確保系統的穩定性和可靠性，采用數據的有效隔離方式，避免了系統對3.3 VMCU系統的影響，同時設計中還充分考慮了電磁兼容性、防雷、靜電等，對于大干擾源的外部供電和系統內部供電進行了充分有效的隔離，使得系統整體穩定性、抗干擾能力得到極大提升，避免了系統設計長時間的不穩定因素，而且為了保障汽車功能的正常，考慮了系統設計的冗余性。設計避免了傳統TCU設計時需考慮復雜的電磁兼容理論、接口處理電路，以及外部干擾抗擾能力等問題。采用國產器件進行研發，對我國自主TCU、AT事業研發也有促進作用。同時國產科技的快速發展，使得我國器件性價比不低于國外器件。系統經過充分的試驗驗證，不管是從穩定性，還是性價比方面均滿足設計要求，同時經過高強度的國軍標試驗環境要求測試，系統均能正常運行。

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作者簡介：曲利峰（1986.11-），男，漢族，河北懷安人，碩士研究生，軍事代表，工程師，研究方向：火炮、彈藥產品質量監督。