简析车辆机械自动变速器电控单元设计

时间：2024-08-31

温永强

（山西国营大众机械厂，山西太原 030024）

1 概述

车辆机械自动变速器电控单元（AMT ECU）特指对机械变速器进行控制的电子控制单元，简称ECU（Electronic Control Unit），是汽车行业十分关注的汽车电子高新技术产品，它能减轻驾驶强度，提高经济性和动力性，改进舒适性和安全性，且成本低，制造方便，因此在自动变速领域具有较强的竞争力和广阔的应用前景。

2 车辆机械式自动变速控制器工作原理

车辆机械式自动变速器（Automated Mechanical－Transmission，简称AMT）的工作原理是：将驾驶员对车辆的换档、油门控制、刹车等操作意图和当前车辆的发动机转速、车速、离合器、油门、档位等工作状态共同作为AMT的输入控制信号，由ECU的控制软件对当前输入信号的状态和参数作出判断，根据控制规律模拟驾驶者的操控方式控制发动机、变速箱、离合器等完成自动换档过程。图1为ECU的构成原理框图。

图1 ECU原理框图

2．1 微控器（MCU）

ECU的控制核心是微控器（MCU），它可以是单片计算机、混合信号处理器（MSP）或数字信号处理器（DSP）等任一种智能控制芯片。多数现代的MCU配置有开关量模块、模拟量模块及串行通信模块，有的MCU还配有USB和CAN模块，这使得以MCU为核心进行控制电路和通信电路设计时电路的结构更简练可靠，也使编程者在软件设计时有更多和更灵活的选择。

2．2 输入信号接口电路

图1中左上部分和左中部分，分别是开关量输入信号接口和模拟量输入信号接口电路。信号接口电路包含有输入调理电路，其作用是将传感器输出信号的电压等级转换为微控器可接收的电压等级。为保证电控系统的稳定可靠运行，信号接口电路应对开关量的输入信号采取隔离耦合和消抖措施，以减小外界干扰；对模拟量输入信号应采取高低电位的限幅措施，防止因信号引线引入高电压造成电路的损毁。

2．3 驱动控制接口电路

ECU的输出最终要控制换档执行机构完成自动换档，换档机构的动作往往是由直流电机或电磁阀驱动的。直流电机或电磁阀一般功率较大并且都是感性负载，ECU需要有专门的驱动控制接口电路来驱动。图1右上部分表示了驱动控制接口电路。驱动控制接口电路的输入是来自微控器（MCU）的控制信号，是电压等级较低、功率较弱的脉宽调制（PWM）信号，必须经过隔离耦合和功率放大后，驱动控制接口电路的输出才可以直接驱动电机或电磁阀。

2．4 通信接口电路和电源

ATM ECU在车辆控制过程中不是孤立存在的，需要与车辆中其他控制单元通信，比如可能与车辆主控制器及电喷发动机、制动防抱死系统（ABS）、电动门窗等的控制单元交换信息。另外对ECU进行调试和校准时也必须要有信息交换的通道。图1右下部分表示了通信接口电路。

电源是电子设备不可缺少的重要电路，图1最下部分表示了电源接口电路。

3 ECU硬件设计方案

3．1 微控制器

微控器（MCU）也称单片机，是ECU控制的核心器件。生产微控器的厂商很多，本文选择美国德克萨斯仪器仪表（TI）公司生产的微控器（MCU）。配置了微控器后，ECU在硬件设计上的重点是微控器与传感器、驱动电路、通信电路等电路的接口，即注重硬件设计时电路的合理性、可靠性、抗干扰性等。

3．2 开关量输入接口电路

图2表示了部分开关量的输入电路。输入信号IN1～IN4经限流电阻和光电隔离输出信号OUT1～OUT4送微控器。

3．3 模拟量输入接口电路

不同类型的模拟量传感器输出信号的电量是不同的，可能是4mA～20mA电流输出，也可能是0V～5 V或0V～10V电压量。模拟量输入信号应采取高低电位的限幅措施以防止因信号引线引入高电压造成ECU电路的损毁。模拟量接口电路需根据选定的传感器的具体情况设计。

图2 开关量输入接口电路

3．4 直流电机驱动控制电路

直流电机驱动采用“H”桥结构，PWM方式驱动。H桥由4个大功率场效应管T1～T4构成，其电路原理见图3。

图3 直流电机驱动电路原理图

大功率场效应管T1、T4导通，电机正转。大功率场效应管T2、T3导通，电机反转。需要注意的是必须要确保T1、T3不能同时导通，T2、T4不能同时导通，否则会引起电源短路而产生严重后果。光耦芯片TLP250是信号隔离电路，是集成电路IR2110大功率场效应管的驱动电路。直流电机是感性负载，为防止电感的反冲电压对电路的损坏，电路中设置了由二极管电容器电阻器组成的保护电路。

3．5 通信接口电路

图4为串行口RS232接口电路的原理图，电路采用三线串口通信方式。

图4中MAX3221集成电路芯片将3．3V电平等级的串行信号转换为符合RS232协议标准电平等级的信号。电路很简单，只需在TRS3221EIPWR外接4个0．1μF的电容器。微控器与CAN物理传输总线接口的芯片种类不少，这里采用了PHILIPS公司的PCA82C250收发器芯片。为提高系统的安全性、可靠性和抗干扰性，在TMS320F28035与PCA82C250芯片之间加入高速光耦芯片6N136进行电气隔离。另外与外部连接的两根CAN信号线与信号线地线之间分别接了一个瞬间高压抑制器。当信号端与地之间出现瞬变高电压干扰时，通过瞬间高压抑制器放电可以对电路起到一定的保护作用。

图4 串行口RS232接口电路

3．6 电源电路

源主要电路的原理图。

电源是电子设备不可缺少的重要电路。图5为电

图5 电源电路

ECU是由电压等级和功率要求不同的多个电路组合构成的电子设备，对电源电压等级和电流输出的要求不同。图5中电源由24V输入，MC78L15将24 V转换为15V供给大功率场效应管的驱动电路、集成电路IR2110等电路。24V输入经滤波器滤波由3个DC／DC变换器转换，为微控器、通信口等对电平等级要求不同的电路提供合适的供电电源。

4 ECU软件设计

当电路硬件设计完成后，ECU的功能要完全依靠系统控制软件来实现，软件设计的优劣决定了整个设计的成败。本设计项目的软件采取模块化的设计方法来实现。

4．1 接口软件

接口软件首先包括对微控器内嵌的各功能模块进行初始化子程序，初始化子程序将模块功能配置为ECU电路需要的状态。比如将端口按要求配置为开关量输入或输出状态，配置模数转换ADC模块的端口和工作方式，为其他软件实现控制功能提供基础。接口软件还包括控制微控器进行信号采集和信号输出的子程序。这些子程序按设计要求将传感器信号采集转换后放入到预定的存储区，供其他软件使用。

4．2 控制算法软件

控制算法软件是实现车辆机械自动变速器电控单元（AMT ECU）的核心。控制算法软件的核心内容是采用程序或控制表模仿优秀驾驶员对车辆的驾驶过程，通过ECU硬件实现自动换档的控制。换档自动控制是一个复杂的控制过程，当驾驶员做出操作动作后，就是对ECU发出了控制指令，ECU将依据接收到的各传感器的信息判断当前车辆的运动状态，同时ECU预设的控制算法对控制指令和当前车辆的运动状态作出分析并迅速给出合理的控制判断。