汽车自动变速器电控单元设计

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随着经济的迅速发展，拥有汽车的用户越来越多，而非熟练驾驶员也大大增加，汽车自动变速箱的推广对于提高汽车使用的经济性、安全性、舒适性和减少废气排放有着重大的影响，它使驾车变得更加轻松和安全。目前自动变速箱在国外轿车中应用很广。AG4液力自动变速器是大众系列轿车主要采用的变速装置，它将车速和节气门开度作为电控单元(ECU)的输入信号，经电控单元处理后，再输出给电磁阀，利用电磁阀控制液压回路，通过控制油路的通/断使各档的变速阀动作，从而完成变速控制。其优越性是免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力。液力自动变速器的电控系统使得汽车自动换档，切换速度柔和、平稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒适。

        ECU采用摩托罗拉公司专为汽车电子而开发的新款16位单片机MC9S12DP256。它的主要特点 ：片内集成256KB的闪速存储器，容量大，读写速度快，应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性，而背景开发模式（BDM）使得用户的开发设计工作更加简洁、高效。背景开发模式包括资源访问及运行控制，与指令挂牌及端点逻辑配合等，通过单线接口BKGD即可对用户所设计的ECU进行调试，比以往的背景调试系统具有更小的侵入性，其友好的用户调试界面有助于开发者可以实时在线编写源程序，然后进行编译、联机，最后下载到目标系中调试运行并最终完成开发过程。

控制系统的组成

        电子控制系统主要由控制单元、传感器和开关等零部件组成。

        控制单元是自动变速器电子控制系统的核心，它根据安装在发动机、自动变速器上的各种传感器所测得的节气门开度、车速及变速器油温等运行参数以及各种开关传来的当前状态信号，进行计算、比较和分析，并调用其内部设定的控制程序，向各个执行器发出指令，使相应的电磁阀动作，从而实现对变速器的控制。

        滑阀箱用螺栓紧固在变速器壳体的底部，上面装有7个电磁阀N88-N94。电磁阀由自动变速器控制单元控制，分为开关阀和调节阀两种类型。

        ◆ 开关阀：电磁阀N88、N89、N90、N92、N94，其作用是通过自动变速器控制单元控制电磁阀打开或关闭某一油道，使变速器换入确定的档位。

        ◆ 调节阀：电磁阀N91和N93。其中电磁阀N91调节锁止离合器压力；电磁阀N93调节主油道压力，即多片式离合器和制动器的压力。

        变速器油温传感器安装在浸入自动变速器油中的滑阀箱的扁状传输线上。变速器油温传感器是一个负温度系数电阻，即随着温度的升高，其电阻值降低。自动变速器油温达到最高值150℃时，锁止离合器接合。液力变矩器卸荷时，自动变速器油温开始冷却，如果温度不下降，自动变速器控制单元使变速器降一档。

        多功能开关安装在变速器壳体的后部，由换档杆拉锁控制。多功能开关的作用是将杆位的信息传给自动变速器控制单元 ；控制倒车灯的开关；制止起动机在行驶状态时啮合，并锁住换档杆。

        变速器转速传感器安装在变速器壳体顶部的左侧，它接受行星齿轮机构中大太阳轮的转速。自动变速器控制单元利用大太阳轮的转速，准确判断换档时刻，控制多片离合器工作。在换档过程中，通过推迟点火提前角来减小发动机的输出转矩。

        车速传感器安装在变速器壳体顶部的右侧，它通过主动锥齿轮上的脉冲轮接收车速信息。车速传感器的主要作用是作为换档控制和变矩器闭锁控制的输入参数。

        换档杆锁止电磁阀安装在换档杆上，与点火系统连接，其作用是锁止杆位。当踩下制动踏板时，杆位锁止解除，换档杆可推入其他杆位。

        换低档开关与加速踏板拉锁组合成一体，安装在发动机舱的横隔板上。当踩下加速踏板超过节气门全开位置时，换低档开关开始工作。换低档开关的作用是当开关被压下后，变速器立即强制换入相邻的低档，例如从4档降到3档；当开关被压下时，空调装置将切断8秒，以提高输出功率。

        制动灯开关安装在制动踏板支架上。自动变速器控制单元通过制动灯开关信号，判断车辆是否处于制动状态。制动灯开关的作用是车辆静止时，只有踩下制动踏板，换档杆才能移出P档或N档位置；控制单元利用制动开关信号，锁止换档杆。

ECU硬件设计

        硬件总体结构
               
        液力自动变速器电子控制单元是典型的多输入多输出系统，它通过节气门开度、车速等输入信号，获知汽车运行状态，然后根据内存的换档规律判断换档时刻，通过控制电磁阀等输出信号使相应的离合器、制动器等执行元件动作，实现自动变速的各项控制。其硬件结构由最小系统、电源模块、输入信号通道、输出信号通道和CAN总线通讯模块组成，如图1所示。

        最小系统

        中央处理器是ECU的核心部件，本系统采用摩托罗拉MC9S12DP256芯片作为中央处理器。摩托罗拉公司作为全球最大的汽车电子半导体器件供应商，其微控制器广泛用于汽车电子控制单元中，MC9S12DP256则以强大的功能及优异的性能得到广泛的应用。

        MC9S12DP256微控制器是基于16位HCS12内核及0.25μm微电子技术的高速、高性能5.0V的Flash存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。MC9S12DP256的主频高达25MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/ O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、兼容CAN2.0A/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块，片内拥有256KB的FlashEEPROM、12KB的RAM、4KB 的EEPROM。

        MC9S12DP256微控制器主要有三大特点：

        ◆ 片内集成256KB的闪速存储器

        近年来，随着闪速存储器 在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应用又迎来了一次新的飞跃。Flash是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写操作却比EPROM还要快。同时，在系统掉电后，Flash中的内容仍能保持不变。Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。

        ◆ 应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性

        在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高(通常为几兆赫兹至几十兆赫兹)而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MC9S12DP256微控制器的时钟发生系统中巧妙地使用了锁相环技术，因而可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。

        ◆ 简单的背景开发模式(BDM)使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便

        由于MC9S12DP256强大的功能和丰富的片内资源，所以不需要扩展更多的接口。对于最小系统而言，还包括晶振电路、复位电路和BDM调试接口。系统采用了16MHz的外接晶振；复位电路采用了微处理器电源监控芯片MAX708，它可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号，复位信号可由VCC电压、手动复位输入，或由独立的比较器触发。

        电源模块

        合理的供电电源模块设计可以为ECU的工作提供有力的保障。本系统需要+12V和+5V两种供电电压等级，而车载蓄电池只提供+12V的电压，所以电源模块采用三端稳压管7805和7812来实现系统的要求，如图2所示。蓄电池+12V电压通过ECU45管脚和ECU23管脚分别输入7805和7812，经过7805产生＋5V给最小系统和其他+5V芯片供电，而经过7812稳压的+12V则给电磁阀驱动芯片、电磁阀等供电。

        模拟量输入通道

        模拟量输入信号一共有2路，分别是节气门开度信号和变速箱油温信号。对于节气门开度信号，在车上是通过CAN总线由发动机控制单元发送到自动变速器控制单元的，由于我们不拥有其CAN总线的应用层协议，所以直接从自动变速箱线束接口处是无法获得节气门开度信号的。因此，采用在油门踏板下安装位移传感器获取油门踏板位移信号来代替节气门开度信号。

        由于MC9S12DP256芯片A/D模块的输入阻抗很高，模拟输入引脚漏电流仅100nA，在输入电压为2.5V时，相当于输入电阻25MΩ，加上参考电压可以在0～5V之间选择，因此外部可以不加缓冲或放大器而直接测量满量程在5V以下的被测信号。

        因此，对于本系统模拟量输入通道不需做特别设计，直接把2路模拟信号分别引入最小系统的PAD00和PAD01口。

        脉冲量输入通道

        脉冲量输入信号一共有2路，分别是车速信号和变速箱转速信号。对于输入脉冲量，输入通道的设计采用先滤波后整形的处理方法，电路原理如图3所示。比较器LM339的参考电平为2.5V，它同时也是传感器的供电电压，由电源模块VCC分压之后得到。输入信号在输入比较器之前，首先要分流，减小进入比较器的电流，如图中的R4。滤波采用R-C低通滤波器，如图中的C4和R3，滤掉高频噪音干扰。D2和D4为钳位二极管，将LM339的5号输入管脚的电位固定在2.5±0.7V。最后再进入LM339进行比较，输出规则的方波，进入到MC9S12DP256的输入捕捉口PT0和PT1，完成脉冲量的输入。

        数字量输入通道

        数字量输入信号一共有12路，分别为4路多功能开关信号、5路电磁阀反馈信号、驻车/空档信号、制动指示灯开关信号和换低档开关信号。对于数字量输入，采用光电隔离器来实现信号隔离和幅值转换。

        输出通道的设计

        ECU通过输出信号控制相应电磁阀等产生动作，完成自动变速的各项控制。系统根据输出信号的不同类型，设计了数字量输出通道和脉冲量输出通道。

        数字量输出通道

        数字量输出信号一共有6路，分别为5路换档电磁阀信号和换档杆锁止电磁阀信号。对于数字量输出信号，在驱动电磁阀时，采用达林顿管集成芯片ULN2803进行功率放大，并以两路并联的方式输出驱动电磁阀。

脉冲量输出通道的设计

        脉冲量输出信号一共有2路，分别为闭锁控制电磁阀信号和主油道压力调节阀信号。对于这两种脉冲量输出，设计了不同的脉冲量输出通道。

        闭锁控制电磁阀信号输出通道采用了与数字量输出通道相同的设计，不同的只是最小系统发出的信号。闭锁控制信号由最小系统PWM模块的PP0口发出。

        主油道压力调节阀信号输出采用可控电源的方式来实现，如图4所示。最小系统PWM模块PP1口发出控制信号，通过可控电源BTS621实现最大幅值为12V，且随控制信号变化的电源，加在主油道压力调节电磁阀的两端。

        硬件抗干扰设计

        由于汽车运行过程中工况复杂，工作环境恶劣，电控单元不仅要承受不良路面所引起的振动和冲击，而且要承受汽车本身和外界的电磁干扰。因此在系统设计过程中必须要采取一系列抗干扰和保证可靠性的措施。

        抗电源干扰

        汽车上采用的蓄电池电源为12V，内阻很小，是较理想的电源，但是实际工作过程中，电压仍然会在一定范围内波动。电路设计时，ECU内部5V的元器件都由稳压输出的三端稳压管7805供电，可保证ECU可靠工作。电磁阀工作同样采用稳压输出的7812供电。由于主油道压力调节电磁阀功率较大，为避免该电磁阀工作时影响其他换档电磁阀，所以对该路主油道压力调节阀采用单独另外一组7812供电，以使系统稳定工作，互不干扰。另外在各元器件电源和地之间设置去耦电容，能有效保证电源的稳定性并降低电源的相互耦合。

        抗I/O通道干扰

        系统在脉冲量输入通道采用了滤波电路，在数字量输入通道、数字量输出通道以及CAN总线通讯模块中均采用了光电隔离技术。采用光电隔离器可以切断最小系统与I/O通道及外部电路的电联系，能有效地防止干扰窜入。干扰源一般有较大的电压幅度，但能量较小，只能形成微弱电流，而光电输入端的发光二极管是在电流状态下工作的，干扰源会因无法提供足够的电流而被抑制掉，因而，光电隔离器能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰，从而使I/O通道上的信噪比大大提高。

        印刷电路板抗干扰设计

        印刷电路板中的电磁兼容设计尤为重要。电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中能正常工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少对其他电子设备的电磁干扰。因此，首先要合理的布线。设计布线时尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。选用双面板，在印刷板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉处用金属通孔相连。其次，要选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印刷线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因此短而粗的导线对于抑制干扰是有利的。

        接地设计也是印刷电路板设计中控制干扰的重要方面。在地线设计中应注意将数字地和模拟地分开，并且尽量加粗地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的信号电平不稳。

软件设计

        系统软件主要控制流程为采集当前汽车行驶状态和驾驶员意图包括当前杆位、档位、车速、油门开度、发动机转速等信号，判断并选用合理换档规律（经济性、动力性和雪地换档规律），输出控制量，控制换档电磁阀以及液力变矩器闭锁。每次开机后程序自动开始运行，ECU首先采集外围信号。根据代表驾驶员意愿的变速操纵杆位置作相应处理，在P、R、N档位时分别作驻车、倒车和空挡处理。若处于前进档位，就要进行相应的模式判断。若是雪地或是运动模式，就进入相应的换档规律模块，否则就进入经济模式，进入该模式后再根据油门开度和车速两个变量选择进入不同相应的换档规律。换档规律如图6所示，采用车速与油门开度双参数控制规律。

        目前，自动变速技术已广泛应用于中高档轿车，而电子控制单元（ECU）是车辆实现自动变速的控制核心，将直接影响车辆经济性和动力性。本文介绍的自动变速控制系统利用摩托罗拉公司新款高性能单片机MC9S12DP256，不但能够实现自动变速换档过程，而且采用了先进的控制算法使得换档安全、舒适、平稳。该控制单元已经进行多次实车试验，工作良好，为进一步应用于更多车型提供研究基础。