AMT自动变速器控制器系统设计

2018-03-20王博涂市委杨光峰

汽车实用技术 2018年4期

王博，涂市委，杨光峰

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

引言

电控机械式自动变速器在不改变手动机械式变速器原有传动结构的情况下，增加一套自动控制装置，通过采集车速、油门开度等信号，经过处理后自动驱动执行机构来完成离合器分离/接合、选换挡等动作，AMT具有传动效率高、成本低、易于制造等优点[1]。AMT控制单元（TCU）是AMT自动变速器的控制核心，也是关键技术。文章基于32位单片机对AMT控制器的硬件系统进行了设计，并在程序设计的基础上进行了系统调试，结果显示，本次设计基本满足了AMT控制器的系统要求。

1 控制系统总体设计方案

本次设计中采用32位嵌入式系统ARM-Cortex-M4内核飞思卡尔单片机K60DN512ZVLQ10作为核心处理器，主要作用是运用FTM定时器、AD转换等模块实时采集各种传感器输入信号和各执行机构的动作反馈信号，进而对输入信号和反馈信号进行运算处理，基于 PWM 脉宽调制原理通过FTM 定时器输出模块发送指令对离合器执行机构电机和选换挡机构电磁阀进行控制，实现自动变速箱自动换挡操作[2]。

AMT变速器的 TCU是一个多输入多输出的非线性系统，待处理的信号较多，电路结构相对复杂，但电路各功能相对独立，可以清晰地划分为不同的结构单元。控制系统的框架如图1所示。

图1 控制系统框架图

2 硬件系统设计

2.1 最小系统模块

在本次设计中采用32位嵌入式系统ARM-Cortex-M4内核单片机K60DN512ZVLQ10作为核心处理器[3]，将控制策略与嵌入式系统相结合，使在换挡和离合器处理方面响应速度更快，可靠性更高，抗干扰性更强。为使核心处理器能够正常工作，需要为其构建必要的复位电路、滤波电路、晶振电路、电源电路、写入器电路等模块以构成核心处理器的最小系统。

2.2 电源管理模块

硬件系统中不同模块有不同的电压需求：K60DN512最小系统模块工作电压为+3.3V；STC89C52信号发生器模块工作电压为+5V；电机驱动模块和电磁阀驱动模块都需为其提供+24V和+5V的电压；模拟信号放大电路中运算放大器则需为其提供+5V和-5V的电压。然而输入电源为+24V的车载蓄电池，所以电源管理模块必须具有电压转换功能。

电源管理模块电路包括+24V到+5V，+5V到+3.3V以及+24V到-5V三个电压转换电路，本次设计中三个电路都采用了智能集成电路芯片，电路原理如图3所示，其中LM2940芯片可以实现+24V到+5V的电压转换，以得到的+5V电压为输入，通过LM1117得到+3.3V的电压，由于LM2940既要为LM1117的电路提供电压，又要给其他驱动电路提供电压，对LM2940输出的电流有较高的要求，因此同时采用两块LM2940分压芯片，来减少单个芯片的电流负荷。LM1117的输入端没有直接连接车载电源的+24V电压，而是以LM2940的输出+5V电压为输入，这样可以减少分压芯片两端的压降，起到减少发热、保护芯片的作用。通LM2576-5，则可以得到+24V到-5V电压转换。电路中电源输入端和输出端所加的电容可有效滤除电源噪声，使电压保持稳定。

输入电源经过电源管理模块后得到了稳定可靠的需求电压。

2.3 输入信号及其处理模块

输入信号主要包括车速、发动机转速等数字信号和油门开度、离合器位置信号等模拟信号。对于车速等数字信号，本次设计通过设计信号发生器，发出与实际信号相应的信号，不仅能够验证硬件系统的可行性，而且可以为检测带来很多便捷。

2.3.1 数字信号发生器

为了获得与实际传感器信号经过滤波、放大、整形后相近的数字信号，本次设计采用STC89C52可编程单片机，通过 FTM 定时器模块输出不同频率的方波来模拟出不同的车速信号[4]。52单片机输出的信号是比较理想的方波，方便对硬件系统进行测试，同时52单片机输出信号的强度能够满足核心处理器的要求，可以将信号直接发送给核心处理器。信号发生器原理图如图2所示。

图2 数字信号发生器

2.3.2 模拟信号输入电路

传感器采集到的油门开度、离合器位置等模拟信号仅为毫伏级的电压信号，而核心处理器能够识别的信号电压在 0到3.3V之间，所以必须通过放大电路对其进行放大，才可以满足核心处理器对信号强度的要求。此外模拟信号通常不是高速变化的信号，通过滤波电路可以减少电路中高频信号对有用信号的干扰。本次设计中采用 RC低通滤波电路配合OP07运算放大电路对模拟信号进行调理[5]。

2.4 电机驱动电路

图3 驱动芯片接口电路

离合器的控制是 TCU要实现的重要功能之一，由K60DN512ZVLQ10产生两路 PWM 信号来控制离合器的直流驱动电机，直流电机的转向决定离合器的分离/结合，转速快慢决定离合器分离/结合的快慢。电机的转速是由核心处理器的 PWM 模块输出的占空比控制。而核心处理器输出的PWM信号电流仅为几毫安，必须通过搭建H桥驱动来提高驱动能力。

该电路主芯片采用BTS7970，这是一个半桥驱动集成芯片，通过两个BTS7970搭建H桥驱动电路，以驱动直流电机工作。驱动芯片接口电路如图3所示。

2.5 电磁阀驱动电路

AMT选换挡是通过处理器的FTM定时器模块运用脉宽调制原理输出不同占空比的PWM波对执行机构电磁阀进行控制，而处理器输出的PWM信号不能满足直接驱动电磁阀工作的要求，因此要通过电磁阀驱动电路来实现对执行机构电磁阀的控制。电磁阀驱动电路原理图如图4所示。

图4 电磁阀驱动电路

2.6 通信电路模块

核心处理器所处理的信号需要对其跟踪监测，最直接的方式就是与上位机相连，通过上位机来对其进行检测。然而核心处理器输出的是TTL电平信号，需要将其信号进行转换，才可以被上位机接收。本设计中采用 RS232通信电路，该电路主芯片采用MAX232芯片，作用为USB信号转TTL信号。

3 程序设计

对AMT的控制，本次设计主要通过控制器采集车速信号和油门开度信号，判断是否达到换挡临界点而进行换挡操作。通过实时采集车速信号和油门开度信号，首先判断油门信号是否增加或恒定不变，如满足，则判断测速是否达到增挡规律的换挡临界点，其中不同临界点可根据不同的油门开度确定，如达到则进行换挡处理；如不满足，则判断车速是否达到减挡规律的换挡临界点，若达到则执行换挡处理。

图5 换挡流程图

在换挡过程中，离合器控制的直接影响着换挡品质，所以离合器的处理特别重要。离合器的控制方法很多，其中离合器速度控制法结构简单，容易实现，故本次研究采用速度控制方法。在离合器结合过程中，无扭矩传递区以较快速度结合，有扭矩传递区以较慢速度结合，扭矩同步增长区快结合至完全结合状态，这样可以减小汽车换挡过程中的冲击，实现平稳换挡。换挡流程如图5所示。