變速器控制器異常提示問題分析優化

曹勇勇　王杰穎　蘇添發　李景偉　高博　吳圣安

【摘? 要】本文主要針對在行駛過程中車輛偶發出現儀表提示“請靜止時掛入P擋”的問題進行分析和優化。通過對車輛數據進行采集，并對數據和原理進行分析，結果表明問題原因為隱藏式門把手電機工作時產生電磁干擾，導致電子換擋器輸入給變速器控制器的換擋信號異常，最后綜合考慮開發周期、成本、實施難度等問題，從變速器控制器軟件邏輯提升方面入手推出優化方案，解決車輛問題。

【關鍵詞】電磁兼容；變速器控制器；隱藏式門把手電機；電子換擋器

中圖分類號：U463.212? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0094-03

Problem Analysis and Optimization of Transmission Control Unit

CAO Yong-yong，WANG Jie-yin，SU Tian-fa，LI Jing-wei，GAO Bo，WU Sheng-an

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Cixi 315336，China）

【Abstract】This paper mainly aims at analysis and improvement the problem when the vehicle is running，the instrument prompts“please put into P gear when it is stationary”. By collecting vehicle data and analyzing the data and principles，the results indicate that the signal from electronic gear shift module（EGSM）to transmission control unit（TCU）was disturbed by hidden door handle motor. Finally，considering the development cycle，cost，implementation difficulty，and other issues，an optimization solution is proposed from the perspective of improving the logic of the transmission controller software to solve the vehicle problem.

【Key words】EMC；TCU；hidden door handle motor；EGSM

隨著汽車工業的發展，智能化、復雜化的汽車電氣系統被廣泛應用，電器系統的復雜程度的提高，使得汽車系統的電磁兼容問題也愈發復雜，因此在進行電器系統設計時應充分考慮硬件的防護能力與軟件的防錯能力設計。

本文詳細闡述一款在研車型偶發變速器控制器異常提示問題的解決過程，通過問題分析介紹換擋系統的基本工作原理，剖析問題發生的根本原因，并依此尋求合適的優化方案，以期為同業人員在遇到類似問題提供解決問題的思路。

1? 產品描述

變速器控制器TCU是車輛擋位切換工作的核心控制器，而在本問題發生的車輛系統中，駕駛員可以通過操作電子換擋器擋桿，使EGSM發出不同占空比的PWM換擋信號，信號通過線束傳遞給TCU，TCU接收并識別PWM換擋信號后，控制換擋執行器進行擋位切換并通過CAN總線發送信號給儀表進行擋位及信息顯示。換擋系統工作原理如圖1所示。

2? 問題背景

此問題為車輛開發過程中部分試驗車輛偶發出現，主要發生在車輛低速起步階段，駕駛人員未觸碰電子換擋器，但儀表提示“請靜止時掛入P擋”信息，而根據儀表提示設計定義，確認此提示的觸發條件為：當車輛速度高于2km/h時，若駕駛員操作P擋按鍵，基于安全設計，TCU不執行換P擋指令，并發送CAN信號給儀表進行提示。

通過使用網絡設備監控TCU狀態，確認當問題發生時，TCU發出了提示指令，并且駕駛人員未觸碰P擋按鍵，由此初步分析問題發生原因應為：①車輛D擋行駛過程中，EGSM存在異常，錯誤發出P擋信號，TCU接收信號后按照設計要求進行提示；②車輛D擋行駛過程中，EGSM不存在異常，并未發出P擋信號，TCU錯誤識別PWM換擋信號并誤報提示。

為定位問題的根本原因，制定了詳細的排查方案，步驟如下。

1）使用示波器設備對EGSM輸出端及TCU輸入端的PWM換擋信號同時進行采集，確認是否存在信號異常。

2）若示波器采集的信號存在異常，分析是否存在干擾源導致信號異常。

3）找一臺未出現問題的同批次車輛，與問題車輛進行問題關聯件ABA互換，確認是否存在單品品質差異導致問題發生。

4）若確認不存在單品品質差異，分析騷擾傳播路徑。

3? 干擾源定位

3.1? 第1步：確認是否存在信號異常

使用示波器設備同時進行EGSM輸出端，以及TCU輸入端的PWM換擋信號采集，經過多次問題復現，確認當問題發生時EGSM輸出端PWM換擋信號正常，而TCU輸入端的PWM換擋信號波形高低電平上均出現了電壓波動，高電平正常值為9V，最大波峰12.2V，最小波谷6.8V，低電平正常值為1.5V，最大波峰4.7V，最小波谷-0.7V，波動持續時間近1s。問題波形如圖2、圖3所示，其中，圖2中黃色圓框中為無電壓波動時的PWM信號，紅色圓框為問題發生時存在波動時的PWM信號，選取一個干擾波形放大，如圖3所示。

初步分析，輸入TCU的PWM換擋信號波動，TCU識別波動信號后出現誤操作，故下一步計劃確認導致PWM換擋信號波動的原因。

3.2? 第2步：是否存在干擾源導致信號異常

根據每次問題復現的車輛工況，發現問題往往發生在車速從0km/h開始，達到12km/h車輛觸發自動落鎖動作時，因此懷疑導致PWM換擋信號波動的干擾源為門鎖電機及隱藏式門把手電機，但根據示波器采集的信號分析，干擾源的工作時間至少大于1s，而門鎖電機的單次工作時間小于0.1s，基本可以排除嫌疑。

為確認干擾源，需要進行以下3個排查步驟。

1）將問題車輛的4個門把手電機插接件拔除，同時使用示波器采集PWM換擋信號，再進行問題復現，發現PWM換擋信號上的波動情況消失，并且問題不再復現。

2）將問題車輛的4個門把手電機插接件重新插上，同時使用示波器采集PWM換擋信號，再進行問題復現，發現PWM換擋信號上的波動情況再現，并且問題復現。

3）車輛掛D擋但停在原地，同時使用示波器采集PWM換擋信號，手動進行解閉鎖動作，發現PWM換擋信號上的波動情況與問題車輛跑車時一致，并且問題復現。

綜合以上排查結果，可以確認存在干擾源——隱藏式門把手電機及控制器。

3.3? 第3步：確認是否存在單品品質差異導致問題發生

使用一臺沒有出現問題的同批次車輛（下文縮寫V1），與問題車輛（下文縮寫V2）互換隱藏式門把手電機及控制器，同時使用示波器采集PWM換擋信號，進行問題復現，結果如下。

1）先不進行互換，在V1車輛上進行解閉鎖動作，采集PWM換擋信號發現也存在電壓波動，高電平最大波峰10V，最小波谷8.5V，低電平最大波峰2.5V，最小波谷1V，但車輛未出現問題。

2）進行隱藏式門把手電機及控制器互換后，在V1與V2車輛上進行解閉鎖動作，采集V1與V2車輛的PWM換擋信號發現電壓波動情況未出現互換，V1車輛未出現問題，V2車輛問題復現。

3）將車輛狀態復原為原車狀態，在V1與V2車輛上進行解閉鎖動作，采集V1與V2車輛的PWM換擋信號發現電壓波動情況未出現互換，V1車輛未出現問題，V2車輛問題復現。

4）進行TCU互換后，在V1與V2車輛上進行解閉鎖動作，采集V1與V2車輛的PWM換擋信號發現電壓波動情況未出現互換，V1車輛未出現問題，V2車輛問題復現。

5）進行EGSM互換后，在V1與V2車輛上進行解閉鎖動作，采集V1與V2車輛的PWM換擋信號發現電壓波動情況未出現互換，V1車輛未出現問題，V2車輛問題復現。

綜合以上排查結果，可以確認問題現象及換擋信號電壓波動不跟隨TCU、EGSM、隱藏式門把手電機及控制器，非三者存在單品品質差異導致問題發生，下一步需要確認騷擾傳播路徑。

3.4? 第4步：確認騷擾傳播路徑

1）隱藏式門把手電機、TCU及EGSM位置關系在V1及V2車輛上一致，且不存在單品品質差異導致，故可以排除騷擾通過空間輻射傳播。

2）隱藏式門把手電機、TCU及EGSM不使用同一搭鐵點，且傳導距離超過0.3m，可能性較小。

3）TCU到EGSM之間的PWM換擋信號線束與隱藏式門把手電機電源線存在最大長度2m的同捆線束布線情況，受捆線工藝的限制，每臺車輛上這2根線束貼合共線長度不同（0～2m之間），可能性較大。

3.5? 小結

綜上考量，遂進行實車排查。

1）將V2問題車輛的隱藏式門把手電機、TCU及EGSM的搭鐵點松開，進行問題復現，采集PWM換擋信號發現電壓波動情況未出現明顯變化，車輛問題復現。

2）進行共線排查，防止剝線破壞原車共線環境，將V1問題車輛PWM換擋信號線束兩端從插接件端子退出，外接入1條線徑相同的替代線束，與隱藏式門把手電機電源線束不共線，進行問題復現，采集PWM換擋信號發現電壓波動完全消失，車輛問題不復現。

3）同時將隱藏式門把手電機電源線束飛線，操作同上一步，然后依次進行共線，共線長度從0m開始，每次增加0.1m直至問題復現，發現當共線長度達到0.6m時，車輛問題復現，PWM換擋信號高電平最大波峰11V，最小波谷8V，低電平最大波峰3.6V，最小波谷0.5V。

綜合以上排查結果，確認騷擾傳播路徑為PWM換擋信號線束與隱藏式門把手電機電源線束共線耦合，當共線長度超過0.6m時PWM換擋信號上耦合的電壓波動較大，導致問題發生。

4? 原理分析

TCU對于PWM信號的采集識別邏輯如圖4所示。信號處理定義及發送原則如下。

1）高低電平閾值定義：高_3.57V/低_2.18V（單個PWM信號從采集高電平開始，到低電平結束的時間即為Δt）。

2）采取上升下降沿的捕獲觸發方式，基準頻率40MHz。

TCU對于采集識別的PWM信號的響應定義見表1。

基于TCU處理邏輯，同時對比分析問題車輛上使用示波器采集的波形，得出結論：PWM換擋信號線束與隱藏式門把手電機電源線束存在最大長度2m的同捆線束布線，隱藏式門把手電機工作時通過線束傳導發射，耦合到PWM換擋信號線束中，使得PWM換擋信號低電平出現大于3.57V的電壓波動毛刺，TCU進行信號識別時，采集到低電平電壓波動，TCU得出的PWM換擋信號占空比Δt / T小于4%，而電機單次工作時間為1.2s，可以覆蓋TCU信號識別窗口，當4次信號識別電壓波動，都得出高電平占空比小于4%時，TCU進行P擋操作。

5? 整改設計

5.1? 干擾源——隱藏式門把手電機

門把手電機需要平滑勻速地打開，故使用PWM控制的方式進行供電，這也是門把手線束上輻射的主要來源，調節PWM參數可以有效降低輻射，但會影響現有電機工作狀態。

5.2? 傳播路徑——線束

1）PWM換擋信號線束為普通單線，可以更換屏蔽線束降低干擾耦合，維護PWM換擋信號電壓穩定。

2）更改PWM換擋信號線束或隱藏式門把手電機線束走線方向，避免并行走線，阻斷輻射傳播路徑。

5.3? 被干擾件——TCU

1）軟件，原TCU軟件僅識別判定高低電平占空比，滿足占空比條件立即進行換擋操作，未對PWM信號頻率是否滿足250Hz±25Hz進行判定，故會將毛刺信號識別為正常換擋信號，對軟件進行完善，補充PWM信號頻率判定要求。

根據EGSM輸出的PWM信號特性與實際測試結果，切換P擋時的高電平占空比是0%，4%的設計預留不但沒有起到作用，還使得TCU錯誤識別了電壓波動，故對軟件進行完善，要求高電平占空比滿足0%條件時才能切換P擋。

2）硬件，TCU端接口電路濾波能力較弱，進行整改增強，降低濾除干擾。

綜合考慮，最終選擇軟件優化方案進行整改，實車驗證切實有效。

6? 結論

本案例是一個典型的大功率電機通過共線耦合影響敏感零部件的問題，通過對干擾源定位和問題原因分析，采用相應的整改優化方案，成功解決了隱藏式門把手電機對換擋系統的電磁干擾問題。

在解決整車電磁兼容問題時，必須以系統的高度來考慮，綜合使用各種可能的方式方法，比如：降低干擾源的干擾水平、破壞干擾路徑、提升被干擾件的抗擾度水平、涉及多個用電器間信號傳輸的系統等，也需要考慮信號處理軟件層面的握手，盡可能增強對異常信號的過濾。

參考文獻：

[1] 朱立文. 電磁兼容設計與整改對策及案例分析[M]. 北京：電子工業出版社，2012.

[2] 鄭軍奇. EMC電磁兼容設計與測試案例分析（第2版）[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[3] 劉晴，趙又群，顏俊平. 汽車線束的電磁干擾問題研究[J]. 安全與電磁兼容，2012（4）：61-64.

（編輯? 凌? 波）