刘 凯,陈科山,万里冰,田 丰,陈红旭,李 为

(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；3.宜宾丰川动力科技有限公司，四川 宜宾 644000)

电动汽车节能环保，发展迅猛，是近年来各个国家重点发展的产业[1]。无离合器、无同步器的电驱动机械变速器(EMT)以其结构紧凑、成本低和传动效率高的特点在电动汽车中得到了广泛的应用，可拓宽驱动电机转矩输出范围，提高车辆动力性，降低驱动电机最大转矩要求，使电动汽车充分利用电机高效区，提高车辆经济性[2]，对电动汽车的发展起到了极大的推动作用。同时，EMT采用自动换挡控制，可提高驾驶员的舒适性、操作便利性，是电动汽车动力系统发展的趋势[3]。

目前，国内针对电驱动机械变速器换挡控制器(TCU)的研究还比较薄弱，与国外大公司(如大陆、博世、采埃孚)相比还有较大差距。在电子控制方面，国内TCU设计缺乏核心技术，开发水平低，基础差[4]。

为了在电驱动机械变速器中实现快速、平稳的换挡，需要精确测量变速器输入轴和输出轴的转速和转角信号、接合套的位置信号、油门踏板开度信号等，并需要精确控制换挡执行机构位置[5]。主要难点有：① 对变速器输入轴和输出轴的转速信号测量精度要求高，要求达到1 r/min；② 对变速器输入轴和输出轴的转角测量精度要求高，要求达到1°；③ 对换挡执行机构的位置信号测量精度要求高，要求达到0.1 mm；④ 对变速器接合套的位置控制精度要求高，其行程为22 mm，控制精度要达到1 mm。本文针对以上难点，设计了基于英飞凌XC2267M核心处理器的电驱动机械变速器换挡控制器，能对输入信号进行精确采集和调理，对输出信号实现精确控制，可达到上述技术指标要求，为EMT实现快速、平稳的换挡提供硬件基础。

1 换挡控制器硬件设计

TCU的输入和输出信号系统如图1所示，输入信号包括驱动电机旋转编码器反馈的转速信号ωm和转角信号θm，输出轴光电编码器反馈的转速信号ωslv和转角信号θslv，换挡执行机构位置传感器反馈的接合套位置信号x1和x2，以及CAN通信总线传输的油门踏板加速信号a，制动踏板信号b，挡位信号D、R、N、P。输出信号包括主动控制驱动电机的转矩信号Tm和控制换挡执行机构电机的转矩信号Tm1、Tm2。该转矩信号Tm1、Tm2分别控制两个换挡电机使执行机构驱动接合套行程Δx1，Δx2。

在换挡过程中，TCU输出驱动电机转矩Tm，可主动控制驱动电机转速和转角，使机械变速器内接合套的齿尖正对接合齿圈的齿槽[6]。TCU输出换挡电机转矩信号Tm1和Tm2分别控制两个换挡电机，使换挡拨叉推动接合套到达目标挡位。

图1 TCU输入输出信号系统

1.1 TCU系统硬件设计

TCU的主要功能是实现EMT快速、平稳换挡。本文对TCU输入信号和输出信号的处理采用模块化设计，即不同的信号由不同的模块采集和处理，以获得精确的输入信号和输出信号[7]。TCU硬件整体框图的架构如图2所示，其主要由XC2267M单片机最小系统模块、电源模块、输出轴转速转角信号调理模块、换挡执行机构位置信号采集模块、CAN通信模块、换挡电机控制模块等部分组成。转速转角信号调理电路模块，采集并处理EMT输入轴和输出轴的转速转角信号，换挡执行机构位置信号采集模块采集并处理换挡执行机构位置传感器的位置信号，换挡电机控制模块输出PWM信号控制换挡电机实现换挡拨叉位置控制。

图2 控制器硬件设计整体框图

如图3所示，根据控制器硬件整体框图制作TCU，对TCU各个模块进行所有功能性测试，可用于变速器换挡测试。

图3 TCU实物

1.2 单片机最小系统模块电路设计

单片机最小系统是保证单片机运行的最小电路。图4是单片机最小系统结构，包括晶振电路、电源电路、复位电路和调试接口电路等。图5是晶振电路原理，时钟输入信号由8 MHz晶振提供，通过片上锁相环配置所需工作频率，最高频率为80 MHz，可加快程序软件运行速率。图6是电源电路原理，单片机最小系统的外部输入电源为9～24 V，经二极管D1向TLE6365G供电，具有电源反极性保护功能。通过降压型DC-DC电压转换器芯片TLE6365G获得5 V电源，给XC2267M核心处理器供电。TLE6365G输出采用LC滤波，将纹波控制在较小的幅度。图7是复位电路原理，复位信号也由TLE6365G提供。图8是调试接口电路原理，通过OCDS接口对主控芯片进行程序下载和在线仿真调试。

图4 单片机最小系统结构

图5 晶振电路原理

图6 电源电路原理

图7 复位电路原理

图8 调试接口电路原理

1.3 输出轴转速转角信号调理模块电路设计

如图9所示，在EMT输出轴转速转角信号的测量上，选用增量式光电编码器。该光电编码器具有体积小、质量轻、安装方便、性能稳定的优点，分辨率为10～3 600 p/r。为实现转速转角信号的精确测量，采用RC滤波和施密特反向器设计该模块电路。通过RC构建低通滤波电路对增量式光电编码器的输出信号进行滤波，通过施密特触发器对光电编码器ABZ三相信号波形进行整形，同时采用反相器74HC14对信号进行隔离处理，以提高信号的输入阻抗。转速转角信号调理电路如图10所示。光电编码器通过A相和B相脉冲信号的相位来判断输出轴的转向，通过A、B两相脉冲加/减计数来提供转角信号，通过A、B、Z三相信号的频率来提供转速信号。

图9 用于测量输出轴转速转角信号的光电编码器

图10 转速转角信号调理电路

1.4 换挡执行机构位置信号采集模块电路设计

如图11所示，选用可变电阻式节气门位置传感器测量换挡执行机构位置。该位置传感器连在换挡执行机构上，换挡电机通过转动使节气门产生开度来输出换挡执行机构的位置信号。输出的电压信号精确度达到了0.1 V。

图12是换挡执行机构位置信号采集模块电路原理。TCU采用AD转换模块采集位置传感器传输的位置信号。从换挡执行机构采集的位置模拟信号电压值较小，难以准确测量，需要放大电路对其进行放大。位置模拟信号先进入积分电路，进行低频输入电压积分，其中并联电阻可以防止低频信号增益过大。放大器和RC低通滤波器分别对信号进行放大处理和抗干扰处理。该电路是对换挡执行机构位置传感器位置信号的精确采集，实现位置模拟信号转换为数字信号，并将数字信号发送给XC2267M主控芯片进行处理。

图11 节气门位置传感器

图12 换挡执行机构位置信号采集模块电路原理

1.5 CAN通信模块电路设计

CAN通信模块电路可实时接收和发送信号，提高整车控制器(VCU)和TCU之间的信号通讯，包括油门踏板加速信号、制动踏板信号、挡位选择开关信号和变速器输入轴转速转角信号等。其优点是节点不分主从，通信方式灵活，且具有不同的优先级，通过CAN报文可实现点对点、一点对多点传送和接收数据。目前节点数由总线驱动电路决定，可达110个，以短帧多发的方式实现数据的实时性要求，每一帧的数据量都不超过8个字节，传输时间短、受干扰概率低，具有良好的检错效果。

图13是CAN 通信接口电路，选用TJA1050高速CAN收发器和共模电感ZJYS81芯片，电磁兼容性能较好，可应用于高速网络系统。CAN的各个节点在通信时，对硬件的要求为：① CAN 总线的线束采用屏蔽双绞线；② CAN 的终端电阻为124 Ω，采用阻抗匹配中的差分匹配来解决信号完整性中的信号反射问题[8]；③ 尽量远离蓄电池和电机的高压动力线和 12 V 的电源线。

图13 CAN通信接口电路

1.6 换挡电机驱动模块电路设计

换挡电机采用无刷直流电机，高效节能，具有良好的调速性能[9]。TCU通过输出不同占空比的 PWM 波控制MOSFET场效应管的导通时间来实现换挡电机速度控制，从而驱动换挡拨叉达到目标挡位。

换挡电机驱动模块电路采用6ED003L06-F2作为逆变电路驱动芯片，该芯片集成了三相电平转换、门极驱动和电路保护特性。换挡电机驱动模块电路采用三相全桥驱动电路，该电路由6个N型沟道MOSFET场效应管组成，转换速率快，导通电阻低，适用于低压大电流的功率变换器。如图14～15所示为换挡电机驱动模块电路原理。

2 硬件在环仿真测试

在完成TCU的硬件电路设计制作之后，本文对其进行硬件在环仿真测试，测试平台如图16所示。该台架可实现驾驶场景在环的变速器换挡测试。EMT运行工况、整个换挡过程的驾驶员操作信息、车速状态以及挡位信息都会显示在换挡过程监控界面上，方便测试人员对换挡过程的实时检测[10-11]。在此次硬件在环仿真测试系统中，变速器经过了长时间运行测试，换挡20 000次，均未发现故障，验证了TCU的可靠性和稳定性。

图16 硬件在环EMT换挡实验平台

在换挡过程中，EMT输出轴上的光电编码器输出的转速转角信号通过调理电路之前的信号如图17所示，该信号含有持续性的干扰纹波且高频干扰信号较多。调理之后的信号波形如图18所示，波形较好。这验证了TCU对光电编码器反馈的转速转角信号测量的精确性。

图17 调理前的转速转角信号

图18 调理后的转速转角信号

3 实车道路测试

对TCU进行实车道路测试，如图19所示为装有变速器和TCU的实验车型，车辆参数如表1所示。

图19 实车道路测试实验车型

使用该实验车进行TCU综合性能测试，结果由表2所示。变速器能够按照TCU所发的信号指令进行换挡，并且1挡升2挡和2挡降1挡时间在240 ms左右。实验车经过10万km的道路测试，换挡无故障。这验证了TCU的精确性、可靠性和稳定性。

表1 实车基本参数

表2 实车道路测试结果

实车行进过程中，EMT某次1挡升2挡的实验数据如图20所示，包括驱动电机目标转矩和实际转矩随时间的变化曲线、接合齿圈和接合套的转速曲线、接合齿圈和接合套的转角差曲线、接合套的位移曲线。如图20(a)所示，驱动电机的实际转矩信号跟目标转矩信号重合度较高，转矩信号精度达到了1 N·m，验证了TCU的控制性能较好。如图20(b)所示，TCU采集传感器反馈的接合套和接合齿圈转速信号在170 ms之后重合，转速信号精度达到了1 r/min。如图20(c)所示，TCU采集传感器反馈的接合套和接合齿圈转角信号在170 ms之后趋于稳定，转角差在0°上下，精度达到了1°。如图20(d)所示，接合套位移测量精度达到了0.1 mm，TCU控制换挡执行机构电机，使接合套位移控制精度达到了1 mm，该实验曲线验证了TCU在换挡过程中输入信号和输出信号的精确性。

图20 换挡过程中驱动电机转矩、接合套和接合齿圈转速、转角差、接合套位移随时间的变化

4 结束语

本文基于英飞凌XC2267M核心处理器设计了应用于电动汽车电驱动机械变速器的换挡控制器，并对其进行硬件在环仿真和实车道路测试，验证了其输入信号和输出信号的精确性、换挡可靠性和运行稳定性。所设计的控制器对我国电动汽车变速器自动控制技术的发展和产业化具有积极推动作用。