CN102619970A

CN102619970A - 干式5速双离合器自动变速器电子控制单元及其应用

Info

Publication number: CN102619970A
Application number: CN2011100306367A
Authority: CN
Inventors: 赵治国; 余卓平; 章桐; 孙泽昌; 尹明陆; 张�林
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102619970B

Abstract

本发明涉及一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，包括主控芯片、信号调理电路、电源电路，所述的主控芯片分别与信号调理电路、电源电路连接，所述的主控芯片包括CPU、最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、与节气门控制器连接的SCI电路、A/D转换模块、I/O口、ECT模块，所述的CPU分别与最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、SCI电路、A/D转换模块、I/O口连接、ECT模块。与现有技术相比，本发明具有成本低、可靠性高等优点。

Description

干式5速双离合器自动变速器电子控制单元及其应用

技术领域

本发明涉及一种汽车变速器电子控制单元及其应用，尤其是涉及一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元及其应用。

背景技术

双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission，简称DCT)是在电控机械式自动变速器(Automated Manual Transmission，简称AMT)的基础上发展而来的，是目前自动变速器领域应用前景普遍看好的一款动力换档自动变速器，它不仅具有较佳的燃油经济性，而且消除了车辆在换挡过程中的动力中断问题，同时提高了车辆行驶过程中的换档舒适性。

双离合自动变速器执行机构可分为电控液压式和电动式两种，电控液压式执行机构具有控制精度高、驱动功率大等优点，但存在系统结构复杂、成本高、安装维护要求高、工作性能受温度变化影响大等缺点；电动式执行机构直接使用车载电源供电，不需要单独的动力源，具有响应速度快、结构简单，成本低，安装维护容易等优点。本发明针对自主开发的5速干式DCT，采用全电动式离合器和换档执行机构。

作为DCT变速器关键技术之一，其控制单元的开发备受关注。鉴于DCT变速器目前在国内正处于研发阶段，关于DCT控制单元TCU(Transmission controlunit，简称TCU)研制方面的专利和论文在国内几乎为零，而国外大陆电子公司在TCU的研制方面已比较成熟，甚至达到集成一体化的水平，即将控制器和执行机构封装在一起，但其研究成果没有在中国申请相关专利。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、可靠性高的干式5速双离合器自动变速器电子控制单元及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，包括主控芯片、信号调理电路、电源电路，所述的主控芯片分别与信号调理电路、电源电路连接，所述的主控芯片包括CPU、最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、与节气门控制器连接的SCI电路、A/D转换模块、I/O口、ECT模块，所述的CPU分别与最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、SCI电路、A/D转换模块、I/O口、ECT(增强型捕获定时器)模块连接。

所述的最小系统电路包括CPU接口定义电路、配置电路，该配置电路包括电源滤波电路、复位电路、锁相环电路、晶振电路、CPU模式设置电路。

所述的信号调理电路包括模拟信号调理电路、开关信号调理电路、脉冲信号调理电路；

模拟信号包括离合器位置信号、档位位置信号、节气门位置信号、加速踏板位置信号，所述的模拟信号先进行低通滤波，后经运算放大器实现电压跟随后进入主控芯片的A/D转换模块的输入端；

开关信号包括操纵档杆杆位信号、钥匙及制动踏板开关信号，操纵档杆杆位信号先进行低通滤波后经达林顿管实现12转5V的电平转换，最后送入主控芯片的I/O口，钥匙及制动踏板开关信号经光耦隔离器后进入主控芯片的I/O口；

脉冲信号包括车速信号、发动机转速信号，车速信号先进入运算放大器进行有源低通滤波，后经施密特触发器整形得到规则的0～5V方波信号后进入ECT模块的输入端，发动机转速信号先进行低通无源滤波，然后经比较器实现正弦波转方波，最后经施密特触发器整形得到规则的0～5V方波信号进入ECT模块的输入端。

所述的离合器及换挡电机驱动电路包括二个离合器电机驱动子电路和三个换挡电机子驱动电路，每个子驱动电路均为两个半桥电路组成一个H桥电路。

所述的双CAN通讯电路包括CAN_A通讯电路、CAB_B通讯电路，所述的CAN_A通讯电路与发动机电子控制单元通讯，所述的CAB_B通讯电路对电子控制单元状态进行监控。

所述的电源电路包括5V主电源电路、9V运算放大器电源电路、CAN_A通讯电路的隔离电源电路、5V传感器电源电路，5V主电源电路由开关电源实现12V转5V，9V运算放大器电源电路由线性电源实现，CAN_A通讯电路的隔离电源电路通过隔离电源芯片实现，5V传感器电源电路由线性稳压器调节输出。

一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)电子控制单元不断采集当前传感器信号以确定车辆当前状态信息；

2)电子控制单元根据车辆当前状态信息进行计算得到目标档位及离合器状态，为换挡执行机构和离合器伺服控制提供控制指令；

3)电子控制单元对换挡执行机构和离合器进行伺服控制，对离合器采用PID控制，对换挡执行机构采用比例控制。

所述的车辆的当前状态包括上电初始化状态、等待状态、怠速状态、起步状态、前进行驶状态、空挡滑行状态、倒车行驶状态和断电复位状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

控制电路和驱动电路集成在一块PCB板上，驱动电路采用集成芯片，实现5个电机的驱动，尤其适合应用在执行电机较多的双离合自动变速器中。驱动电路与通过栅极驱动MOSFET的驱动电路设计相比，提高了EMC能力，并且将过载、过流、过温等保护和故障诊断功能集成在IC内部，减小了PCB空间，由于该驱动芯片可以实现内部电流采集，省去了利用采样电阻采集电流并经放大器放大的电路设计，节约了成本同时提高了系统可靠性；控制单元采样双CAN通讯电路，其中CAN_B用于对TCU软件进行监控和标定，监控传感器信号并实现对控制参数的标定和程序下载；控制软件提出根据车辆状态来划分系统功能，并采用层次化设计，使得TCU软件功能的扩展性，代码的复用性大大提高。

附图说明

图1为DCT控制器的系统框图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的模拟信号调理电路的电路图；

图4为本发明的开关信号调理电路的电路图；

图5为本发明的脉冲信号调理电路的电路图；

图6为本发明的驱动子电路的电路图；

图7为本发明的驱动子电路的半桥电路的电路图；

图8为本发明的双CAN通讯电路的电路图；

图9为本发明的SCI电路的电路图；

图10为本发明的主电源电路的电路图；

图11为本发明的CAN_A通讯电路的隔离电源电路的电路图；

图12为本发明的传感器电源电路的电路图；

图13为车辆上层状态监测示意图；

图14为本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，控制器需要采集模拟信号、转速脉冲信号及开关信号，包括离合器行程信号、各档位行程信号、车速信号、发动机转速信号、油门踏板行程信号、钥匙开关信号、制动开关信号及驾驶员操纵手柄信号等，建立离合器执行机构力学模型，计算作动电机的功率和转矩大小，选择合适的电机型号，最后确定驱动方案(是否调速，正反转，驱动电流大小等)，包括离合器、换挡电机及启动继电器的驱动等；根据系统资源需求、运算速度等确定处理器型号；根据系统的整体功耗确定电源功率；最后完成各信号调理电路设计、通讯电路和驱动电路设计。完成控制器设计后，制板，并编写相关接口程序进行测试。实现系统功能要求后，进行电磁兼容设计及测试，以实现最优设计，最后得到一套可靠性高抗干扰能力强的控制器。

如图2所示，本发明的干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，包括主控芯片、信号调理电路、电源电路3，所述的主控芯片分别与信号调理电路、电源电路3连接，所述的主控芯片包括CPU 11、最小系统电路12、离合器及换挡电机驱动电路15、双CAN通讯电路16、SPI电路13、与节气门控制器连接的SCI电路14、A/D转换模块17、I/O口18、ECT模块19，所述的CPU 11分别与最小系统电路12、离合器及换挡电机驱动电路15、双CAN通讯电路16、SPI电路13、SCI电路14、A/D转换模块17、I/O口18、ECT模块19连接。所述的信号调理电路包括模拟信号调理电路21、开关信号调理电路23、脉冲信号调理电路22。

所述的最小系统电路12是维持主控芯片正常工作必须的配置，包括BDM接口电路、复位电路、外部晶振电路、锁相环电路、CPU工作模式设置电路、各个模块电源滤波电路，其中复位电路除手动复位模式外，通过跳线连接到三管脚复位芯片MAX809LD上，监控电源电压的突变，可以在上电、掉电、节电的情况下向主控芯片提供复位信号，即当电源电压低于预设的门槛电压时，该器件会发出复位信号；晶振电路采用频率为4M的无源晶振，通过主控芯片内部倍频提高处理器速度。

图3为模拟信号调理电路21，来自传感器的输入信号经一阶有源低通滤波后通过运算放大器LM258实现电压跟随同时提高输入阻抗并滤除高频噪声，从LM258输出的信号再经过5V稳压管稳压和二次低通滤波后得到完整规则的模拟电压信号，最后送入主控芯片A/D转换模块输入端。

附图4为驾驶员操纵档杆杆位信号、档位信号、钥匙开关及制动踏板开关信号调理电路，其中档位信号为0/12V信号，且在档时为低电平，经低通滤波后将通过MC1413实现电平转换，即实现0/12V到0/5V电平转换，同时实现反相处理，使得档位在档时输入主控芯片的I/O口；钥匙开关和制动开关信号是通过光耦隔离芯片6N137来驱动，实现电平转换和隔离的作用，在本设计中，考虑低功耗设计思想，钥匙上电信号Key_ON有效时间远远大于无效时间，而钥匙启动信号Key_ST和制动信号Brake_SW无效时间大于有效时间，且均为高电平有效，因此通过不同方案实现，保证光耦6N137大部分时间工作在截至区，从而降低TCU整体功耗，散热少。

附图5为发动机转速和车速等脉冲信号调理电路，发动机转速传感器为电磁感应式传感器，输出信号为频率和幅值变化的正弦信号，为了得到0/5V的方波信号首先通过低通滤波和稳压保护使输入信号稳定在正负5V以内，然后通过比较器LM139得到0/5V的方波信号，其中参考电位通过二极管IN4148加限流电阻实现，并取二极管的正向压降作为参考电位，从而使得参考点位不受地电位波动的影响，最后经施密特触发器实现整形处理得到规则的0/5V方波信号；本发明中车速传感器为霍尔式传感器，输出信号为0/12V的方波信号，由于频率较低，最大频率不超过200Hz，因此电路上适合采用有源低通滤波处理，最后经过施密特触发器40106整形处理得到规则的0/5V方波信号。

附图6为离合器电机驱动电路，由两片BTN7960B组成一个H桥电路，该芯片内部集成了一个P沟道的高端MOSFET和一个N沟道的低端MOSFET。INH脚为使能脚，当输入为低电平时，驱动器进入睡眠模式，关断上、下桥臂的MOSFET，从而使电机立即制动。通过IN脚可实现PWM调速或方向控制，当IN输入为1时，高端MOSFET开通，低端MOSFET关断，反之则高端关断低端开通。图6中，当INH为1，U1-2输入一定占空比的PWM波，U2-2输入低电平0，图7中，Q1、Q3为U1的内部MOSFET，Q2、Q4为U2的内部MOSFET，Q4处于持续导通状态，Q2处于持续关断状态，而Q1、Q3交替导通。当输入的PWM信号处于高电平1时，Q1、Q4导通，电机电流方向A→B；当输入的PWM信号处于低电平0时，Q3、Q4导通，由于电机的感应电动势存在，电流方向Q3→A→B→Q4，改变PWM的占空比可以调节电机的端电压，PWM占空比越大，电机端电压越大，电枢电流越大，转速越大。同理当U2-2输入高电平1，U1-2输入一定占空比的PWM波，Q2持续导通，Q4持续关断，Q1、Q3交替导通，电机电流方向为：B→A，与前面所述不同的是，PWM信号为低电平时电机驱动，为高电平时则通过续流二极管续流。故占空比越大，电机端电压越小，转速越低。

附图8为双CAN通讯电路，CAN_A需要和发动机管理系统(EngineManagement System，简称EMS)等车载控制器通讯，因此在电气上通过隔离芯片HCPL0600和HCPL0601进行光电隔离，收发器采用波特率高达1Mband/s的PCA82C50，该收发器特别适合应用在车辆环境中，是CAN控制器和物理总线之间的接口。CAN_B主要用于监控，考虑设计成本不采用光电隔离技术，通过双向的瞬态抑制二极管SMBJ28CA实现双向钳位保护。

附图9为SCI电路，该电路通过MAX3232实现电平转换，该电路较简单，只需在外围配置几个电容即可实现，并预留两个通讯接口。

所述的电源电路包括5V主电源电路、9V运算放大器电源电路、CAN_A通讯电路的隔离电源电路、5V传感器电源电路，如图10所示，主电源电路由压敏电阻、自恢复保险丝、防反接二极管和瞬态抑制二极管构成电源的前端保护电路；Y型电容器，共模扼流线圈以消除电源中的共模电流；铝电解电容、陶瓷电容构成开关电源的输入去耦滤波电路；而GM7130为主电源电路的开关电源芯片，需要配置大电流的绕线电感、肖特基二极管MBR360及大电容以提供电感续流回路，该电源最大输出电流达3A，完全满足系统最大负载需求。图11为CAN_A通讯电路的隔离电源电路，前端输入由L2，C11，C13构成π型滤波器，而隔离电源芯片采用耀华电源ZY5S5，该芯片可靠性高，价格低。图12为传感器电源电路，通过线性稳压器TL431实现，同时调节R270和R271的阻值可以改变输出电压，在本发明中，输出电压为5V，最大输出电流100mA。

附图13为车辆工作状态及各状态切换逻辑示意图，把车辆状态分为上电自检状态、静止等待状态、怠速状态、起步状态、前进行驶状态、空挡滑行状态、倒车行驶状态及断电复位状态共八个状态，各状态间切换条件如表1所示：

表1

附图13为本发明的主程序结构流程图，整个控制程序分为上层车辆状态监测、中层目标操纵决策及下层执行电机伺服控制三个层次。上层车辆状态及切换条件如前所述，在各个状态下中层目标操纵决策主要包括：

1)车辆静止状态

离合器分离轴承目标位置决策：驾驶员持续120s无操作，则两个离合器都接合，驾驶员踩下制动踏板时，两个离合器都分离；目标档位决策：在等待状态下，只能选择空挡，其他档位均报警提示；发动机点火决策：CPU采集到点火开关启动时，接通启动发动机继电器。

2)车辆怠速状态

双离合器分离轴承目标位置决策：驾驶员踩下制动踏板时，两个离合器都进行分离操作；车辆长时间处于怠速(超过120s)，接合两个离合器。

3)起步状态

车辆处于起步状态时，主要操作是根据驾驶员的起步意图(快慢起步)，通过控制离合器1的接合速率，来实现车辆的起步；离合器1分离轴承目标位置决策：实现快慢起步，或紧急制动时分离离合器。

4)车辆前进行驶状态

目标档位决策模块：在前进行驶状态下，除挂倒档和空挡有报警提示外，其他各档位均可挂上；双离合器分离轴承目标位置决策：实现自动换挡操作过程中的双离合器协调控制。

5)空挡滑行状态

目标档位决策模块：在空挡滑行状态下，除挂倒档有报警提示外，其他各档位均可挂上；双离合器分离轴承目标位置决策：实现自动换挡操作过程的中单个离合器的控制。

6)倒车行驶状态

离合器1分离轴承目标位置决策：实现倒车，或紧急制动时分离离合器。

7)断电复位状态

当检测到车辆钥匙断电信号后，由最高级中断直接进入断电复位模块，进入后不再返回主程序，直到控制器断电。

中层目标决策后，直接调用底层伺服控制模块函数完成执行机构的伺服控制，考虑到离合器执行机构中膜片弹簧的强非线性，本发明中离合器电机的伺服控制采用智能PID控制；而同步器换挡电机采用简单的比例(P)控制。

当监测到钥匙断电触发信号后，TCU会延迟一段时间关闭主电源。在这段时间里，程序进入断电中断子程序，进行一些必要的复位操作。复位操作完成后，关闭主电源。

Claims

1.一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，包括主控芯片、信号调理电路、电源电路，所述的主控芯片分别与信号调理电路、电源电路连接，所述的主控芯片包括CPU、最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、与节气门控制器连接的SCI电路、A/D转换模块、I/O口、ECT模块，所述的CPU分别与最小系统电路、离合器及换挡电机驱动电路、双CAN通讯电路、SPI电路、SCI电路、A/D转换模块、I/O口、ECT模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，所述的最小系统电路包括CPU接口定义电路、配置电路，该配置电路包括电源滤波电路、复位电路、锁相环电路、晶振电路、CPU模式设置电路。

3.根据权利要求1所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，所述的信号调理电路包括模拟信号调理电路、开关信号调理电路、脉冲信号调理电路；

4.根据权利要求1所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，所述的离合器及换挡电机驱动电路包括二个离合器电机驱动子电路和三个换挡电机子驱动电路，每个子驱动电路均为两个半桥电路组成一个H桥电路。

5.根据权利要求1所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，所述的双CAN通讯电路包括CAN_A通讯电路、CAB_B通讯电路，所述的CAN_A通讯电路与发动机电子控制单元通讯，所述的CAB_B通讯电路对电子控制单元状态进行监控。

6.根据权利要求1所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元，其特征在于，所述的电源电路包括5V主电源电路、9V运算放大器电源电路、CAN_A通讯电路的隔离电源电路、5V传感器电源电路，5V主电源电路由开关电源实现12V转5V，9V运算放大器电源电路由线性电源实现，CAN_A通讯电路的隔离电源电路通过隔离电源芯片实现，5V传感器电源电路由线性稳压器调节输出。

7.一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元的应用，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种干式5速双离合器自动变速器电子控制单元的应用，其特征在于，所述的车辆的当前状态包括上电初始化状态、等待状态、怠速状态、起步状态、前进行驶状态、空挡滑行状态、倒车行驶状态和断电复位状态。