電驅動機械變速器換擋控制器的硬件設計與測試

劉 凱,陳科山,萬里冰,田 豐,陳紅旭,李 為

(1.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044；2.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；3.宜賓豐川動力科技有限公司，四川 宜賓 644000)

電動汽車節能環保，發展迅猛，是近年來各個國家重點發展的產業[1]。無離合器、無同步器的電驅動機械變速器(EMT)以其結構緊湊、成本低和傳動效率高的特點在電動汽車中得到了廣泛的應用，可拓寬驅動電機轉矩輸出范圍，提高車輛動力性，降低驅動電機最大轉矩要求，使電動汽車充分利用電機高效區，提高車輛經濟性[2]，對電動汽車的發展起到了極大的推動作用。同時，EMT采用自動換擋控制，可提高駕駛員的舒適性、操作便利性，是電動汽車動力系統發展的趨勢[3]。

目前，國內針對電驅動機械變速器換擋控制器(TCU)的研究還比較薄弱，與國外大公司(如大陸、博世、采埃孚)相比還有較大差距。在電子控制方面，國內TCU設計缺乏核心技術，開發水平低，基礎差[4]。

為了在電驅動機械變速器中實現快速、平穩的換擋，需要精確測量變速器輸入軸和輸出軸的轉速和轉角信號、接合套的位置信號、油門踏板開度信號等，并需要精確控制換擋執行機構位置[5]。主要難點有：① 對變速器輸入軸和輸出軸的轉速信號測量精度要求高，要求達到1 r/min；② 對變速器輸入軸和輸出軸的轉角測量精度要求高，要求達到1°；③ 對換擋執行機構的位置信號測量精度要求高，要求達到0.1 mm；④ 對變速器接合套的位置控制精度要求高，其行程為22 mm，控制精度要達到1 mm。本文針對以上難點，設計了基于英飛凌XC2267M核心處理器的電驅動機械變速器換擋控制器，能對輸入信號進行精確采集和調理，對輸出信號實現精確控制，可達到上述技術指標要求，為EMT實現快速、平穩的換擋提供硬件基礎。

1 換擋控制器硬件設計

TCU的輸入和輸出信號系統如圖1所示，輸入信號包括驅動電機旋轉編碼器反饋的轉速信號ωm和轉角信號θm，輸出軸光電編碼器反饋的轉速信號ωslv和轉角信號θslv，換擋執行機構位置傳感器反饋的接合套位置信號x1和x2，以及CAN通信總線傳輸的油門踏板加速信號a，制動踏板信號b，擋位信號D、R、N、P。輸出信號包括主動控制驅動電機的轉矩信號Tm和控制換擋執行機構電機的轉矩信號Tm1、Tm2。該轉矩信號Tm1、Tm2分別控制兩個換擋電機使執行機構驅動接合套行程Δx1，Δx2。

在換擋過程中，TCU輸出驅動電機轉矩Tm，可主動控制驅動電機轉速和轉角，使機械變速器內接合套的齒尖正對接合齒圈的齒槽[6]。TCU輸出換擋電機轉矩信號Tm1和Tm2分別控制兩個換擋電機，使換擋撥叉推動接合套到達目標擋位。

圖1 TCU輸入輸出信號系統

1.1 TCU系統硬件設計

TCU的主要功能是實現EMT快速、平穩換擋。本文對TCU輸入信號和輸出信號的處理采用模塊化設計，即不同的信號由不同的模塊采集和處理，以獲得精確的輸入信號和輸出信號[7]。TCU硬件整體框圖的架構如圖2所示，其主要由XC2267M單片機最小系統模塊、電源模塊、輸出軸轉速轉角信號調理模塊、換擋執行機構位置信號采集模塊、CAN通信模塊、換擋電機控制模塊等部分組成。轉速轉角信號調理電路模塊，采集并處理EMT輸入軸和輸出軸的轉速轉角信號，換擋執行機構位置信號采集模塊采集并處理換擋執行機構位置傳感器的位置信號，換擋電機控制模塊輸出PWM信號控制換擋電機實現換擋撥叉位置控制。

圖2 控制器硬件設計整體框圖

如圖3所示，根據控制器硬件整體框圖制作TCU，對TCU各個模塊進行所有功能性測試，可用于變速器換擋測試。

圖3 TCU實物

1.2 單片機最小系統模塊電路設計

單片機最小系統是保證單片機運行的最小電路。圖4是單片機最小系統結構，包括晶振電路、電源電路、復位電路和調試接口電路等。圖5是晶振電路原理，時鐘輸入信號由8 MHz晶振提供，通過片上鎖相環配置所需工作頻率，最高頻率為80 MHz，可加快程序軟件運行速率。圖6是電源電路原理，單片機最小系統的外部輸入電源為9～24 V，經二極管D1向TLE6365G供電，具有電源反極性保護功能。通過降壓型DC-DC電壓轉換器芯片TLE6365G獲得5 V電源，給XC2267M核心處理器供電。TLE6365G輸出采用LC濾波，將紋波控制在較小的幅度。圖7是復位電路原理，復位信號也由TLE6365G提供。圖8是調試接口電路原理，通過OCDS接口對主控芯片進行程序下載和在線仿真調試。

圖4 單片機最小系統結構

圖5 晶振電路原理

圖6 電源電路原理

圖7 復位電路原理

圖8 調試接口電路原理

1.3 輸出軸轉速轉角信號調理模塊電路設計

如圖9所示，在EMT輸出軸轉速轉角信號的測量上，選用增量式光電編碼器。該光電編碼器具有體積小、質量輕、安裝方便、性能穩定的優點，分辨率為10～3 600 p/r。為實現轉速轉角信號的精確測量，采用RC濾波和施密特反向器設計該模塊電路。通過RC構建低通濾波電路對增量式光電編碼器的輸出信號進行濾波，通過施密特觸發器對光電編碼器ABZ三相信號波形進行整形，同時采用反相器74HC14對信號進行隔離處理，以提高信號的輸入阻抗。轉速轉角信號調理電路如圖10所示。光電編碼器通過A相和B相脈沖信號的相位來判斷輸出軸的轉向，通過A、B兩相脈沖加/減計數來提供轉角信號，通過A、B、Z三相信號的頻率來提供轉速信號。

圖9 用于測量輸出軸轉速轉角信號的光電編碼器

圖10 轉速轉角信號調理電路

1.4 換擋執行機構位置信號采集模塊電路設計

如圖11所示，選用可變電阻式節氣門位置傳感器測量換擋執行機構位置。該位置傳感器連在換擋執行機構上，換擋電機通過轉動使節氣門產生開度來輸出換擋執行機構的位置信號。輸出的電壓信號精確度達到了0.1 V。

圖12是換擋執行機構位置信號采集模塊電路原理。TCU采用AD轉換模塊采集位置傳感器傳輸的位置信號。從換擋執行機構采集的位置模擬信號電壓值較小，難以準確測量，需要放大電路對其進行放大。位置模擬信號先進入積分電路，進行低頻輸入電壓積分，其中并聯電阻可以防止低頻信號增益過大。放大器和RC低通濾波器分別對信號進行放大處理和抗干擾處理。該電路是對換擋執行機構位置傳感器位置信號的精確采集，實現位置模擬信號轉換為數字信號，并將數字信號發送給XC2267M主控芯片進行處理。

圖11 節氣門位置傳感器

圖12 換擋執行機構位置信號采集模塊電路原理

1.5 CAN通信模塊電路設計

CAN通信模塊電路可實時接收和發送信號，提高整車控制器(VCU)和TCU之間的信號通訊，包括油門踏板加速信號、制動踏板信號、擋位選擇開關信號和變速器輸入軸轉速轉角信號等。其優點是節點不分主從，通信方式靈活，且具有不同的優先級，通過CAN報文可實現點對點、一點對多點傳送和接收數據。目前節點數由總線驅動電路決定，可達110個，以短幀多發的方式實現數據的實時性要求，每一幀的數據量都不超過8個字節，傳輸時間短、受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。

圖13是CAN 通信接口電路，選用TJA1050高速CAN收發器和共模電感ZJYS81芯片，電磁兼容性能較好，可應用于高速網絡系統。CAN的各個節點在通信時，對硬件的要求為：① CAN 總線的線束采用屏蔽雙絞線；② CAN 的終端電阻為124 Ω，采用阻抗匹配中的差分匹配來解決信號完整性中的信號反射問題[8]；③ 盡量遠離蓄電池和電機的高壓動力線和 12 V 的電源線。

圖13 CAN通信接口電路

1.6 換擋電機驅動模塊電路設計

換擋電機采用無刷直流電機，高效節能，具有良好的調速性能[9]。TCU通過輸出不同占空比的 PWM 波控制MOSFET場效應管的導通時間來實現換擋電機速度控制，從而驅動換擋撥叉達到目標擋位。

換擋電機驅動模塊電路采用6ED003L06-F2作為逆變電路驅動芯片，該芯片集成了三相電平轉換、門極驅動和電路保護特性。換擋電機驅動模塊電路采用三相全橋驅動電路，該電路由6個N型溝道MOSFET場效應管組成，轉換速率快，導通電阻低，適用于低壓大電流的功率變換器。如圖14～15所示為換擋電機驅動模塊電路原理。

2 硬件在環仿真測試

在完成TCU的硬件電路設計制作之后，本文對其進行硬件在環仿真測試，測試平臺如圖16所示。該臺架可實現駕駛場景在環的變速器換擋測試。EMT運行工況、整個換擋過程的駕駛員操作信息、車速狀態以及擋位信息都會顯示在換擋過程監控界面上，方便測試人員對換擋過程的實時檢測[10-11]。在此次硬件在環仿真測試系統中，變速器經過了長時間運行測試，換擋20 000次，均未發現故障，驗證了TCU的可靠性和穩定性。

圖16 硬件在環EMT換擋實驗平臺

在換擋過程中，EMT輸出軸上的光電編碼器輸出的轉速轉角信號通過調理電路之前的信號如圖17所示，該信號含有持續性的干擾紋波且高頻干擾信號較多。調理之后的信號波形如圖18所示，波形較好。這驗證了TCU對光電編碼器反饋的轉速轉角信號測量的精確性。

圖17 調理前的轉速轉角信號

圖18 調理后的轉速轉角信號

3 實車道路測試

對TCU進行實車道路測試，如圖19所示為裝有變速器和TCU的實驗車型，車輛參數如表1所示。

圖19 實車道路測試實驗車型

使用該實驗車進行TCU綜合性能測試，結果由表2所示。變速器能夠按照TCU所發的信號指令進行換擋，并且1擋升2擋和2擋降1擋時間在240 ms左右。實驗車經過10萬km的道路測試，換擋無故障。這驗證了TCU的精確性、可靠性和穩定性。

表1 實車基本參數

表2 實車道路測試結果

實車行進過程中，EMT某次1擋升2擋的實驗數據如圖20所示，包括驅動電機目標轉矩和實際轉矩隨時間的變化曲線、接合齒圈和接合套的轉速曲線、接合齒圈和接合套的轉角差曲線、接合套的位移曲線。如圖20(a)所示，驅動電機的實際轉矩信號跟目標轉矩信號重合度較高，轉矩信號精度達到了1 N·m，驗證了TCU的控制性能較好。如圖20(b)所示，TCU采集傳感器反饋的接合套和接合齒圈轉速信號在170 ms之后重合，轉速信號精度達到了1 r/min。如圖20(c)所示，TCU采集傳感器反饋的接合套和接合齒圈轉角信號在170 ms之后趨于穩定，轉角差在0°上下，精度達到了1°。如圖20(d)所示，接合套位移測量精度達到了0.1 mm，TCU控制換擋執行機構電機，使接合套位移控制精度達到了1 mm，該實驗曲線驗證了TCU在換擋過程中輸入信號和輸出信號的精確性。

圖20 換擋過程中驅動電機轉矩、接合套和接合齒圈轉速、轉角差、接合套位移隨時間的變化

4 結束語

本文基于英飛凌XC2267M核心處理器設計了應用于電動汽車電驅動機械變速器的換擋控制器，并對其進行硬件在環仿真和實車道路測試，驗證了其輸入信號和輸出信號的精確性、換擋可靠性和運行穩定性。所設計的控制器對我國電動汽車變速器自動控制技術的發展和產業化具有積極推動作用。