汽車(chē)無(wú)級變速箱控制器TCU的研究

為了跟蹤世界汽車(chē)技術(shù)，發(fā)展我國汽車(chē)工業(yè)，“九五”期間，汽車(chē)電于控制技術(shù)被列為科技攻關(guān)項目。車(chē)輛自動(dòng)變速是汽車(chē)電控技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。采用計算機和電力電子驅動(dòng)技術(shù)實(shí)現車(chē)輛自動(dòng)變速，能消除駕駛員換檔技術(shù)的差異，減輕駕駛員的勞動(dòng)強度，提高行車(chē)安全性，提高車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。汽車(chē)的無(wú)級變速系統一般是由無(wú)級變速箱CVT(Continuously Variable Transmission) 和無(wú)級變速箱控制器TCU(Transmission Control Unit)組成。

1 CVT的基本結構

汽車(chē)的無(wú)級變速系統主要有以下幾種形式：（1）液力機械AT—HMT(Hydrodynamic Mechanical Transmission)廣泛應用于轎車(chē)、公共汽車(chē)、重型車(chē)輛、商用車(chē)和工程車(chē)輛上。(2)機械式AT—AMT(Automa ted Mechanical Transmission)在通常機械式變速器基礎上加上微機控制電液伺服操縱自動(dòng)換檔機構組成，目前它應用于部分低檔轎車(chē)、局部卡車(chē)和商用車(chē)上。(3)無(wú)級式AT—CVT(Continuously Variable Transmission)是目前在小排氣量轎車(chē)中使用最多的一種。它的主要結構和工作原理如圖l所示。

圖1 無(wú)級式AT—CVT主要結構和工作原理

CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車(chē)上采用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機汽車(chē)上。但由于結構設計和選材等方面的問(wèn)題，該傳動(dòng)機構體積過(guò)大，傳動(dòng)比過(guò)小，無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)行駛的要求。這些缺點(diǎn)限制了它的應用。直到1979年，通過(guò)結構的改進(jìn)和特殊鋼帶的使用，CVT的傳動(dòng)比明顯提高，具備了在車(chē)輛上廣泛應用的前提條件。從那時(shí)起，福特、菲亞特和日產(chǎn)等公司的車(chē)型都曾采用過(guò)這種變速傳動(dòng)機構。

CVT采用的V形承推鋼帶由安裝在撓性馬氏體時(shí)效鋼圈上的多片楔形鋼片構成。它的動(dòng)力從主動(dòng)輪輸入，經(jīng)過(guò)V形鋼帶，由從動(dòng)輪輸出。帶輪由可以相對滑動(dòng)的兩部分構成。鋼帶位于這兩部分間的凹槽內。當帶輪兩部分靠緊時(shí)，凹槽較窄，鋼帶位于帶輪外緣，此時(shí)帶輪的工作直徑最大。隨著(zhù)這兩部分間的相對滑動(dòng)，凹槽越來(lái)越寬，鋼帶逐漸靠近帶輪中心，即工作直徑最小的地方。汽車(chē)剛剛起動(dòng)車(chē)速較低時(shí)，主動(dòng)輪工作直徑較小，變速器可得到較大的傳動(dòng)比，使汽車(chē)獲得足夠動(dòng)力克服行駛阻力。隨著(zhù)車(chē)速的升高，主動(dòng)輪工作直徑逐漸增大，從動(dòng)輪工作直徑越來(lái)越小，變速器傳動(dòng)比也相應減小。由于帶輪工作直徑可連續變化，因此這種變速器的傳動(dòng)比也是無(wú)級、連續變化的，傳遞動(dòng)力更平穩，其動(dòng)力性和經(jīng)濟性遠遠高于行星齒輪式自動(dòng)變速器。汽車(chē)在實(shí)際運行中變速箱變比的控制是由TCU控制直流電動(dòng)機自動(dòng)完成的。

2 TCU的基本結構

TCU的基本結構如圖2所示，它由單片機、檢測電路、驅動(dòng)電路、電源電路以及通訊電路等部分組成。

圖2 TCU的基本結構

單片機是采用美國Microchip公司2002年3月推出的單片PIC18F452，它在功能上可以滿(mǎn)足TCU的要求，在性能上它具有低功耗、工作溫度范圍寬，并且可在較低的電壓下正常工作，特別適用于汽車(chē)電器。檢測電路分為脈沖檢測、開(kāi)關(guān)量檢測以及模擬量檢測。脈沖檢測又分為脈沖計數和脈沖寬度檢測。如發(fā)動(dòng)轉速、輸入、輸出軸轉速的測量是采用脈沖計數方式。節氣門(mén)開(kāi)度則是采用脈沖寬度測量的方式。

模擬量的測量主要由濾波電路、放大電路組成。A/D轉換是采用單片機內自帶的10位A/D轉換器。變速箱的變比控制是由直流電動(dòng)機驅動(dòng)的。在TCU中是由4支MOSFET組成的H型電路實(shí)現對電動(dòng)機的正反轉PWM控制。電磁離合器的電流也是通過(guò)MOSFET驅動(dòng)的。在驅動(dòng)電路中除主開(kāi)關(guān)元件、續流二極管外還有保護電路和電流檢測電路。

通訊接口的作用主要是觀(guān)測TCU的工作狀態(tài)，對檢測傳感器的故障分析以及傳感器資源的共享。

3 TCU控制系統程序框圖

TCU控制系統主程序框圖如圖3所示。程序首先對內部RAM進(jìn)行分配，然后對各功能模塊如Administrator/D轉換器、定時(shí)器、PWM波形發(fā)生器等進(jìn)行初始化。變速箱的變比在汽車(chē)每次時(shí)應處于最小變比的位置，因此在每次停車(chē)時(shí)應將變速箱歸位，汽車(chē)起動(dòng)后首先檢測各參數，如檔位開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機轉速、節氣門(mén)開(kāi)度、變速箱輸入、輸出軸轉速等。這些參數是控制電磁離合器電流和電動(dòng)機狀態(tài)的依據。當需要增加變速箱的變比時(shí)，TCU控制電機正轉，反之控制電機反轉。電磁離合器的控制采用電流增量控制方式。它的控制好壞，直接影響汽車(chē)運行的平穩性和經(jīng)濟性。