變速器換擋電磁閥驅動模式改進

劉小紅，金小飛，徐新河

(1.貴州凱星液力傳動機械有限公司，貴州 遵義 563003；2.長慶油田 第六采油廠，陜西 定邊 718606)①

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變速器換擋電磁閥驅動模式改進

劉小紅1，金小飛1，徐新河2

(1.貴州凱星液力傳動機械有限公司，貴州 遵義 563003；2.長慶油田 第六采油廠，陜西 定邊 718606)①

摘要：為了改進變速器換擋電磁閥的驅動模式，比較了油田設備和乘用車變速器換擋電磁閥的安裝差異。介紹了設備安全保護要求、變速器換擋電磁閥常見的驅動模式及其利弊。提出了采用Infineon TLE82453型驅動芯片進行變速器電磁閥驅動的優勢，滿足高低邊可配置的多路比例驅動需求，具有完整的短路、斷路、過熱等安全保護功能，外圍功能電路原理簡單，可用于油田設備用變速器換擋電磁閥驅動電路中。

關鍵詞：變速器；換擋電磁閥；驅動模式；診斷保護

液力變速器作為石油鉆井、修井、壓裂用傳動設備，在線或離線故障檢測要求逐漸被提上日程[1]。相比較乘用車而言，油田設備用變速器本體與控制器安裝距離較遠，換擋電磁閥與控制器之間有相當長的線束，容易產生對地短路及停機故障，如不及時排查，將導致停產，不但經濟損失巨大，而且還有可能造成重大傷亡事故[2]。為了及時自動排查短路故障，ALLISON公司在A43系列TCM控制器中采用了公用高邊供電、分用低邊驅動換擋電磁閥的技術方案來監測換擋電磁閥電流[3]，通過判斷電流的大小來判斷短路特征，這種公用高邊的配置電路較復雜，需設計采樣電路計算電流，比較浪費系統資源。采用Infeinoin公司發布的TLE82453型驅動芯片進行電磁閥驅動，可以克服以上不足。

1換擋電磁閥驅動模式現狀比較

1.1電路原理比較

變速器換擋電磁閥驅動模式分為高邊驅動、低邊驅動、高低邊共同驅動。每種驅動模式最基本組成包括開關IC器件、電源、地、電磁閥4部分，如圖1。從圖1可以看出，高邊驅動開關IC器件位于電源和電磁閥之間，電磁閥一端始終與地連接；低邊驅動開關IC器件位于電磁閥和地之間。電磁閥一端始終與電源連接；而高變和低邊共同驅動方式，如圖2。則是電磁閥在兩個開關IC器件之間，同時受兩個開關IC器件的控制。從器件數量上看，高低邊共同驅動的方式所使用的器件要多于其他兩種。

圖1　高邊驅動和低邊驅動電路簡圖

圖2　高邊驅動和低邊共同驅動電路簡圖

1.2線制布置比較

由于油田設備車用底盤多為負極搭鐵，采用高邊驅動模式能節省成本，因為變速器電磁閥與地連接的一端可通過變速器內部的機械零件直接搭接在底盤地上，只需要從變速器電磁閥引出一根導線連接到開關IC器件上；相比較而言，低邊驅動模式電磁閥兩端的導線都需要在從變速器中引出來，除一端導線連接到開關IC器件上外，另一端導線應與系統電源相連，電磁閥越多，引出的導線就越多。

1.3失效比較

汽車電子的輸出接口一般需要具備短路保護功能[4]，變速器作為油田上裝傳動系統常用的裝備應具有電路失效保護能力。在高邊驅動模式中，由于變速器電磁閥一端自始至終與地連接，如果電磁閥另一端出現對地搭鐵故障，則該驅動回路會出現大的短路電流，高邊驅動模式的電流采樣電路采集該短路電流后，自動關掉高邊驅動模式開關，從而保護電路不被損壞；而低邊驅動模式中，由于變速器電磁閥一直與電源連接，一旦變速器電磁閥另一端出現對地搭鐵故障，就會使電磁閥處于得電狀態。由于低邊驅動電路并無電流采樣電路，當換擋過程需要使該電磁閥失電而卻繼續保持得電時，就會引起變速器換擋故障，嚴重的會引起設備安全事故，因此采用高邊驅動模式更安全。

2電磁閥驅動模式改進設計優勢

通過以上分析可知，開關IC器件是控制變速器電磁閥工作的重要器件，而且使用普通的高邊和低邊驅動模式存在成本增加、電路復雜并且不能實現較全面地診斷保護功能的弊端，而Infineon公司發布的TLE82453型驅動芯片能彌補以上不足，它主要用于變速器控制系統，電子穩定控制系統和主動懸架系統的線性比例閥驅動[5]，是一款靈活且單片集成的電磁線圈驅動芯片，它具有以下特點：

1)3個獨立、高低邊可配置的通道。

2)150 ℃時的最大內阻只有250 mΩ。

3)負載電流范圍為0～1 500 mA，電流設置精度為0.73 mA。

4)集成內置TCR補償的檢測電阻。

5)不受負載電瓶電壓變化的影響。

6)輸出控制、診斷和可配置的串行外設接口(SPI )。

7)每個通道獨立的熱關斷功能。

8)每個通道均具有負載開路，開關被旁路，過流等故障的保護及診斷功能。

9)具有可編程的擺率控制，能降低電磁干擾(EMI)等。

10)AEC認證產品。

根據TLE82453型驅動芯片的特點可知，該器件非常適合應用在變速器電磁閥控制上，3個通道可任意組合成高邊驅動或低邊驅動，該器件依靠顫振設置和負載特性，具有0.73 mA的電流設置精度，可設置高達1 500 mA負載平均電流。

3電磁閥驅動模式的硬件設計改進

3.1驅動芯片主要引腳介紹

TLE82453型驅動芯片主要引腳功能，如表1。

表1　TLE82453型驅動芯片主要引腳功能

表1(續)

3.2電磁閥高邊驅動電路原理

TLE82453型驅動芯片電磁閥高邊驅動電路原理如圖3 ，從中可以看出，驅動引腳“LOAD0、LOAD1、LOAD2”分別通過3個電磁閥solA、solB、solC連接到地。當CLK 管腳提供了芯片所需要的基準時鐘，RESN和EN高電平有效時，利用32位SPI接口就能分別控制TLE82453型芯片中PWM周期寄存器，從而控制3個電磁閥的電流大小。

圖3　TLE82453型驅動芯片電磁閥高邊驅動電路原理

3.3電磁閥低邊驅動電路

TLE82453型驅動芯片電磁閥低邊驅動電路原理如圖4，應用了TLE82453型驅動芯片低邊驅動電磁閥的配置功能，其應用原理與圖3類似。

由于TLE82453型驅動芯片內部電路由驅動晶體管，續流晶體管和電流檢測電阻組成，所以圖3～4不再在外部連接續流二極管保護電路和電流檢測電路，其布置非常簡單，能最大限度地減少外部元件的數量，節省成本。

圖4　TLE82453型驅動芯片電磁閥低邊驅動電路原理

4電磁閥驅動的軟件設計改進

4.1恒流控制

電磁閥的電流控制方式通常由SPI 總線協議采用32 位數據的全雙工模式來實現，每一個TLE82453型驅動芯片可實現3路電磁閥的恒流控制，在恒流控制時，SPI 總線在時鐘的上升沿對數據鎖存，在時鐘的下降沿進行移位，SPI 控制命令主要有以下兩種。

1)命令一：主周期設置。

恒流控制模塊的PWM 斬波信號頻率與模塊的基準頻率滿足表2。

2)命令二：目標電流設置。

目標電流的計算根據式(1)得到：

(1)

4.2故障診斷

在故障診斷方面，TLE82453型驅動芯片依靠自身的電路特點和一個32位的故障診斷寄存器來實現，能實現的主要診斷功能如表3。

表3　故障寄存器主要診斷位定義

4.3數據傳輸封裝

為了更好地實現多通道的電磁閥控制，考慮到寄存器各種配置的差異，對各寄存器進行封裝是一種理想的軟件設計方法。位運算作為C語言的重要特色，在計算機檢測和控制領域中要經常用到[6]。

4.3.1頻率控制封裝函數

uint32_t CombineTLE82453PWMPeriodSub(uint8_t RW，

uint8_t Channel，

uint8_t KI_index，

uint16_t PWM_Period)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData=CombineData | (0x28000000LU)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(RW)) << 31U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(Channel)) << 24U)；

CombineData=CombineData | (((uint32_t)(KI_index)) << 20U)；

CombineData=CombineData | ((uint32_t)(PWM_Period))；

return (CombineData)；

}

4.3.2故障診斷封裝函數

uint32_t CombineTLE82453DianosisSub(uint8_t OVB，

uint8_t RE，

uint8_t UV，

uint8_t OT，

uint8_t OLOFF，

uint8_t OLSB，

uint8_t OVC，)

{

uint32_t CombineData = 0x00LU；

CombineData = CombineData |(0x02000000LU)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVB)) << 19U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( RE)) << 17U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( UV)) << 14U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OT)) << 11U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLOFF)) << 8U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OLSB)) << 5U)；

CombineData = CombineData | (((uint32_t)( OVC)) << 2U)；

return (CombineData)；

}

5結論

1)通過比較電磁閥驅動差異，提出了使用TLE82453型驅動芯片的優勢。

2)通過配置變速器換擋電磁閥高低端驅動電路，簡化了硬件結構設計，增強了電路使用的可靠性和維修性。

3)分析了頻率和故障寄存器軟件封裝方法，提高了函數調用的效率。

4)BY2000型液力變速器的換擋控制系統采用了本文介紹的軟硬件方案后，有效地降低了控制器的設計成本。某油田大型壓裂機組采用BY2000型液力變速器后，控制器平均故障間隔時間大幅延長，壓裂車的使用效率也相應提高。

參考文獻：

[1]江恒，王友釗.旋轉機械在線狀態監測與故障診斷系統開發研究[J].石油礦場機械，2005，34(3)：68-70.

[2]張廣坤，宋進，李玲.基于計算機視覺的旋轉構件動態參數檢測方法[J].機械工程師，2010(2)：27-29.

[3]劉新.艾利遜自動變速箱故障診斷手冊TS3989ZH[Z].深圳通達實業有限公司，2005.

[4]朱玉龍.汽車電子硬件設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[5]INFINION.TLE82453SA 3 Channel High-Side and Low-Side Linear Driver IC Data Sheet [DB/OL].(2013-03-21)[2016-01-11].http：//www.infineon.com/.

[6]潭浩強.C語言程序設計[M].3版 .北京：北京清華大學出版社，2005.

文章編號：1001-3482(2016)07-0075-06

收稿日期：①2015-01-15

作者簡介：劉小紅(1975-)，女，湖南祁東人，工程師，主要從事液力變速器電控系統的研究工作，E-mail：13885286211@163.com。

中圖分類號：TE924

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.017

Improvement of Driving Method for Shifting Solenoid Valve of Transmission

LIU Xiaohong1，JIN Xiaofei1，XU Xinhe2

(1.GuizhouWinstarHydraulicTransmissionMachineryCo.，Ltd.，Zunyi563003，China；2.No.6OilProductionPlant,ChangqingOilfield,Dingbian718606,China)

Abstract：In order to improve the driving mode of transmission shift solenoid valve，the difference of installation of the oil field device and passenger car transmission shift solenoid valve is compared，and the safety protection requirements，automatic transmission shift solenoid valve common drive mode and its advantages and disadvantages are introduced.The usage of Infineon TLE82453 automatic transmission of electromagnetic valve actuation mode advantage is proposed，which can be used to construct driving circuit for transmission shift solenoid valve，the high and low side configurable multiple proportion drive demand is satisfied with short circuit，open circuit，overheating safety protection function.The peripheral circuit is simple and can be used to drive transmission solenoid for oilfield equipment.

Keywords：transmission；shift solenoid valve；driving mode；diagnosis protection