CN103386964B - 自动换挡控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动换挡控制系统，TCU的两个I/O输出端口分别联接电磁阀驱动模块，TCU的PWM输出端口联接继电器电机驱动模块，TCU的定时/计数器输入端口分别联接变速箱输入轴转速传感器电路、变速箱输出轴转速传感器电路、车速传感器电路和齿圈转速传感器电路，TCU的A/D转换端口联接加速/制动踏板的位移传感器电路；电磁阀驱动模块电路分别与液压离合器操纵机构和制动器操纵机构相联，继电器电机驱动模块电路与电动机相联。通过采集各传感器信号，实时在线的对车辆的运行状态进行综合处理和判断，然后控制换挡机构，实现车辆自动变速，消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性、车辆的动力性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车的自动控制系统技术领域，涉及一种与纯电动汽车配套使用的自动换挡控制系统。
背景技术
新能源汽车已经作为国家“七大战略性新兴产业”之一：2010年9月8日国务院常务会议审议并通过《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》。《决定》中选择“节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车”七个产业，作为“加快培育和发展以重大技术突破、重大发展需求为基础的战略性新兴产业。”并在重点领域集中力量，加快推进。国家科技部在2012年3月3日发布《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，规划中确定的发展目标为：到2015年，在30个以上城市进行规模化示范推广，在5个以上城市进行新型商业化模式试点应用，为实现电动汽车规模产业化，纯电驱动汽车销量达到同类车型总销量1%左右。2012年6月28日国务院正式发布《节能与新能源汽车产业规划(2012－2020)》，规划中确定的发展目标为：到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量争取达到50万辆，到2020年超过500万辆。
由于当前全球能源日益减少及环境污染的加剧，混合动力汽车乃至电动汽车成为人们关注的焦点，近五年来电动汽车的销售从2008年的1.53万辆增加到了2012年的20.51万辆。纯电动汽车是世界公认的节能减排技术之一，目前发展纯电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识，其研发已成为汽车行业的热点，纯电动汽车主要由三部分组成：电力驱动系统、能量系统和辅助系统。
纯电动汽车驱动及传动系统作为关键组成部分，受到各汽车厂家和研究机构的重视。作为传动系统中极为重要的变速器的研发也受到越来越多的关注，用于电动汽车且能保持高效率传动的变速器已经成为当前的研究热点。最早出现的手动挡变速器（MT），通过离合器和手动换挡拨叉来实现档位的变换，这种变速器具有结构简单、外形紧凑、传动效率高、可靠性高、成本低等优点，应用较为广泛，但由于车辆在换挡过程中，必须分离离合器，导致动力中断，影响了车辆的动力性和驾乘舒适性，且频繁的手动换挡导致了驾驶疲劳，造成了安全隐患。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种通过采集各传感器信号，实时在线的对车辆的运行状态进行综合处理和判断，然后控制换挡机构的自动换挡控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自动换挡控制系统，变速箱控制单元TCU的两个I/O输出端口分别联接电磁阀驱动模块，TCU的PWM输出端口联接继电器电机驱动模块，TCU的定时/计数器输入端口分别联接变速箱输入轴转速传感器电路、变速箱输出轴转速传感器电路、车速传感器电路和齿圈转速传感器电路，TCU的A/D转换端口联接加速/制动踏板的位移传感器电路；电磁阀驱动模块电路分别与液压离合器操纵机构和制动器操纵机构相联，继电器电机驱动模块电路与电动机相联。
TCU包含的输入信号有变速箱输入轴转速信号、变速箱输出轴转速信号、车速、加速/制动踏板的位置信号和齿圈转速，这五路均为传感器反馈的信号，两个电磁阀通断信号，电动泵驱动信号为控制器控制单元ECU发出的信号，档位开关信号为驾驶员所控制的外部信号。
变速箱控制单元的TCU采用飞思卡尔公司S12X系列MC9S12XS128，它的CPU为16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P-Flash）、8KBRAM、8KB数据Flash（D-Flash）组成片内存储器，总线速度为40MHz；接口是增加型的2个SCI，1个SPI支持LIN协议、1个8通道输入捕捉/输出比较（IC/OC）定时器模块（TIM）、16通道12位A/D转换器（ADC），3μs的转换时间、1个8通道脉冲宽度调制模块（PWM）、具有91个独立的数字I/O口，其中的部分数字I/O口具有中断和唤醒功能、1个CAN2.0A/B标准兼容模块（MSCAN）；它的工作温度-40C-85C；封装方式是LQFP；工作电压3.3V-5V。
本发明的有益效果是：变速箱控制单元TCU通过采集各传感器信号，实时在线的对车辆的运行状态进行综合处理和判断，然后控制换挡机构，实现车辆自动变速，消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性，提高车辆的动力性和经济性。
附图说明
图1是本发明的结构方框示意图。
图2是本发明的TCU内部控制原理示意图..
图3是本发明的TCU硬件结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1和图3，一种自动换挡控制系统，变速箱控制单元TCU的两个I/O输出端口分别联接电磁阀驱动模块，TCU的PWM输出端口联接继电器电机驱动模块，TCU的定时/计数器输入端口分别联接变速箱输入轴转速传感器电路、变速箱输出轴转速传感器电路、车速传感器电路和齿圈转速传感器电路，TCU的A/D转换端口联接加速/制动踏板的位移传感器电路；电磁阀驱动模块电路分别与液压离合器操纵机构和制动器操纵机构相联，继电器电机驱动模块电路与电动机相联。
变速箱控制单元TCU的硬件设计，在设计无级变速箱控制器(TCU)在硬件电路设计时，主要从以下几个原则出发：一是硬件与软件设计相结合来优化硬件电路，一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成，用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比硬件时间长，还要占用MCU时间，但是用软件实现硬件功能可以简化硬件电路结构，提高其可靠性能，同时降低了成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现；二是可靠性及抗干扰设计，由于汽车在运行过程中工况复杂，工作环境恶劣，TCU不仅要承受不良路面所引起的振动和冲击，而且要承受汽车内部电器系统的热辐射和电磁干扰，根据可靠性设计理论，系统采用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越少，因此本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片；三是灵活的功能扩展，一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级，功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成，功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标；四是紧凑的电路设计，由于汽车的空间决定对电路板的大小有严格的限制，所以在硬件设计时尽量采用贴片式封装的芯片和元件，电路布线较为密集；五是有自诊断功能，即所选用的元器件必须具有故障自诊断功能，以便于微处理器能迅速地将变速器当前的故障定位。
TCU的设计要求是：主频：根据控制器的输出频率可以算出设计芯片内部要求的频率变化大小，由此可以得出需要满足的时钟周期，本发明的设计的变速箱控制单元的芯片CPUSpeedMIPS>10MHz可以满足操作运行需求；接口资源：二档变速器控制器控制的输入信号有5路，控制的输出信号有3路，接入观测的传感器至少有2路，接入LCD显示需要的IO口18路，加上后续的调试和附加功能，因此要求芯片至少拥有40个IO接口；设计的控制器还需与上位机(ECU)进行通讯，因此本发明变速箱控制单元的芯片具备CAN驱动模块，1路输入信号有模拟信号，需要具有AD转换模块等；工业性：由于控制器用于汽车电子，属于工业级别，汽车上工作环境相对比较复杂，因此设计芯片必须满足工作环境需求，如温度，噪声，振动等；通讯：设计的控制器需与上位机（ECU）进行通讯，需考虑设计的控制器与上位机能否匹配的问题和通讯速度的问题；封装尺寸：由于控制器的有自己设计的外围控制电路和驱动模块，设计初期为了调试方便，芯片最好是DIP封装方式，芯片设计成功之后生产成品换PQFP封装方式，这种封装方式封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装方式，封装的尺寸较小；功耗：对于设计的控制器来说，对抗干扰性要求比较高，要求控制能尽可能地满足有效性和可靠性，而功耗在一定程度上影响控制的可靠性，如果芯片的功耗比较大，会导致芯片内部工作电压的不稳定，电压的不稳定会影响控制的有效性和可靠性，因此单片机选型的时候要注意功耗的匹配；芯片的可延续性及技术的可继承性：目前，产品更新换代的速度很快，所以在选型时要考虑芯片的可升级性。如果是同一厂家同一内核系列的芯片，其技术可继承性就较好，应该考虑知名半导体公司，然后查询其相关产品，再作出判断；价格及供货保证：芯片的价格和供货也是必须考虑的因素。许多芯片目前处于试用阶段(Sampling)，其价格和供货就会处于不稳定状态，所以选型时尽量选择有量产的芯片；仿真器：仿真器是硬件和底层软件调试时要用到的工具，开发初期如果没有它基本上会寸步难行。选择配套适合的仿真器，将会给开发带来许多便利。对于已经有仿真器的人们，在选型过程中要考虑它是否支持所选的芯片。
变速箱控制单元的单片机选型：采用飞思卡尔公司S12X系列MC9S12XS128，它的CPU：16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P-Flash）、8KBRAM、8KB数据Flash（D-Flash）组成片内存储器，总线速度高达40MHz；接口资源：增加型的2个SCI，1个SPI支持LIN协议、1个8通道输入捕捉/输出比较（IC/OC）定时器模块（TIM）、16通道12位A/D转换器（ADC），3μs的转换时间、1个8通道脉冲宽度调制模块（PWM）、具有91个独立的数字I/O口，其中某些数字I/O口具有中断和唤醒功能、1个CAN2.0A/B标准兼容模块（MSCAN）；它的工业性：工作温度-40C-85C，飞思卡尔公司的S12X系列芯片用于智能车的设计上面，对于工作环境，噪声，振动，稳定方面具有良好的稳定性；封装尺寸：封装方式LQFP；功耗：工作电压3.3V-5V，功耗情况根据网上一些实用经验分享，只能属于中等水平；通讯：与上位机通讯情况良好；实现性：飞思卡尔公半导体是全球领先的半导体公司，其设计到生产已经达到专业化。
综合评价：MC9S12XS128是一款高速，低功耗，性价比很高的单片机，其硬件软件基本上能满足二档变速器的设计要求，前期设计和调试控制器的时候可以优先考虑这款单片机，智能车的广泛运用说明其能适应复杂的控制功能和复杂的工作环境，价格中等，性价比高。
本发明的TCU内部控制原理示意图如图2所示：TCU包含的输入信号有变速箱输入轴转速信号、变速箱输出轴转速信号、车速、加速/制动踏板的位置信号、齿圈转速，这五路均为传感器反馈的信号，两个电磁阀通断信号，电动泵驱动信号为控制器控制单元ECU发出的信号，档位开关信号为驾驶员所控制的外部信号。
本发明的变速箱控制单元TCU通过采集各传感器信号，它的TCU是由16位或32位处理器、信号处理电路、功率驱动模块等组成，能实时在线的对车辆的运行状态进行综合处理和判断，然后控制换挡机构，实现车辆自动变速，消除驾驶员换档技术的差异，减轻驾驶员的劳动强度，提高行车安全性，提高车辆的动力性和经济性。
Claims (3)
1.一种自动换挡控制系统，其特征是：变速箱控制单元TCU的两个I/O输出端口分别联接电磁阀驱动模块，TCU的PWM输出端口联接继电器电机驱动模块，TCU的定时/计数器输入端口分别联接变速箱输入轴转速传感器电路、变速箱输出轴转速传感器电路、车速传感器电路和齿圈转速传感器电路，TCU的A/D转换端口联接加速/制动踏板的位移传感器电路；电磁阀驱动模块电路分别与液压离合器操纵机构和制动器操纵机构相联，继电器电机驱动模块电路与电动机相联。
2.如权利要求1所述自动换挡控制系统，其特征是：TCU包含的输入信号有变速箱输入轴转速信号、变速箱输出轴转速信号、车速、加速/制动踏板的位置信号和齿圈转速，这五路均为传感器反馈的信号，两个电磁阀通断信号、电动泵驱动信号为控制器控制单元ECU发出的信号，档位开关信号为驾驶员所控制的外部信号。
3.如权利要求1或2所述自动换挡控制系统，其特征是：TCU采用飞思卡尔公司S12X系列MC9S12XS128，它的CPU为16位中央处理单元CPU12X、128KB程序Flash中的P-Flash、8KBRAM、8KB数据Flash中的P-Flash组成片内存储器，总线速度为40MHz；接口是增加型的2个SCI，1个SPI支持LIN协议、1个8通道输入捕捉/输出比较IC/OC定时器模块TIM、16通道12位A/D转换器ADC，3μs的转换时间、1个8通道脉冲宽度调制模块PWM、具有91个独立的数字I/O口，其中的部分数字I/O口具有中断和唤醒功能、1个CAN2.0A/B标准兼容模块MSCAN；数字I/O口的工作温度-40C°-85C°；封装方式是LQFP；工作电压3.3V-5V。
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