汽車電子控制自動(dòng)變速系統(tǒng)

1、 研究生課程考試答題冊得分：考試課程 汽車電子及電氣傳動(dòng)技術(shù) 題 目 AMT電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 姓 名 張榮臻 學(xué) 號(hào) 2013200787 學(xué) 院 機(jī) 電 學(xué) 院 指導(dǎo)老師 李 聲 晉 西北工業(yè)大學(xué)研究生院電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)一、 自動(dòng)變速器概述1. 自動(dòng)變速器的汽車具有的優(yōu)點(diǎn)1） 操作簡化且提高了行車安全性自動(dòng)變速器無需離合器操作和手動(dòng)換擋操作，減少了駕駛員操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此，行車的安全性得以提高。2） 提高了發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命由于自動(dòng)變速器在自動(dòng)換擋過程中無動(dòng)力中斷、換擋平穩(wěn)、減小了發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)零件的動(dòng)載荷。3） 提高了汽車的動(dòng)力性換擋時(shí)動(dòng)力不中斷

2、，發(fā)動(dòng)機(jī)可維持在一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，因此可使汽車平穩(wěn)起步、加速性能和平均車速提高。4） 提高了汽車的通過性液力變矩器可以在一定的范圍內(nèi)自動(dòng)變速來適應(yīng)汽車行駛阻力的變化，在必要時(shí)又可自動(dòng)換擋以滿足牽引力的需要，因此顯著提高了汽車的通過性能。5） 減少了排氣污染自動(dòng)變速器由于有液力傳動(dòng)和自動(dòng)換擋，在換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)可保持在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒條件不會(huì)惡化，因此可減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染。6） 可降低燃料消耗尤其是現(xiàn)代汽車自動(dòng)變速器采用電子控制換擋，可按照最佳油耗規(guī)律控制換擋，加之采用了超速擋和鎖止離合器等，使自動(dòng)變速器汽車的油耗有了明顯的下降。2. 電控自動(dòng)變速器的發(fā)展歷程：圖1 電控自動(dòng)變速器的發(fā)展歷程

3、3. 自動(dòng)變速器的分類汽車自動(dòng)變速器基本可以分為三類：機(jī)械無級(jí)式變速器CVT（Continuously Variable Transmission、液力自動(dòng)變速器AT（Automatic Transmission）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT（Automated Mechanical Transmission）。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT的工作原理是在機(jī)械變速箱（手動(dòng)檔）原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，主要改變手動(dòng)換擋操縱部分。即在總體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不變的情況下通過加裝微機(jī)控制的自動(dòng)操縱系統(tǒng)取代原來由駕駛員人工完成的離合器分離與結(jié)合摘擋與掛檔等操作。AMT實(shí)際上是一個(gè)由電腦來控制一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)來完成換擋過程的操

4、作。因此，AMT的核心技術(shù)是微機(jī)控制。二、 AMT控制系統(tǒng)分析1. AMT控制的基本思想AMT是在傳統(tǒng)的手動(dòng)齒輪式變速器基礎(chǔ)上，運(yùn)用汽車?yán)碚?、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。AMT系統(tǒng)以電控單元（Electronic Control Unit，簡稱ECU）為核心，通過液壓執(zhí)行系統(tǒng)控制離合器的分離與結(jié)合、選換擋操作以及發(fā)動(dòng)機(jī)的供斷油，來實(shí)現(xiàn)起步、換擋的自動(dòng)操縱。系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的意圖（操縱桿、制動(dòng)踏板、加速踏板）和車輛的狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、檔位），根據(jù)適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律（換擋規(guī)律、離合器結(jié)合規(guī)律等），借助于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（供油控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合

5、器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)）對(duì)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器）進(jìn)行聯(lián)合操縱。圖2 AMT控制系統(tǒng)的基本思想2. AMT控制系統(tǒng)分析：駕駛員在駕駛車輛的過程中，不斷感知車輛的外界環(huán)境（如上坡、下坡、粗糙路面、濕滑路面、彎道等）和車輛本身的工作狀態(tài)，通過對(duì)操縱加速踏板、制動(dòng)踏板和操縱桿等，將起步、停車、倒車、強(qiáng)制檔等意圖以電信號(hào)的方式傳遞給電控單元ECU。ECU采集輸入信號(hào)后，經(jīng)過運(yùn)算、判斷和決策等信息加工處理后，發(fā)出控制命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。汽車正在行駛過程中，駕駛員對(duì)加速踏板的控制通過加速踏板位移傳感器傳給ECU，ECU通過所測加速踏板位移以及當(dāng)前車輛行駛的速度等車輛

6、參數(shù)，再根據(jù)自動(dòng)換擋規(guī)律判斷車輛應(yīng)處的最佳檔位。決定升檔、降檔或者保持原檔位不變，從而達(dá)到增速或減速的目的。AMT系統(tǒng)組成和各部分之間的信息流及控制關(guān)系：圖3 AMT系統(tǒng)組成和各部分之間的信息流及控制關(guān)系3. AMT系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)AMT系統(tǒng)的主要功能是車輛起步過程和換檔過程的自動(dòng)控制。駕駛員通過操縱手柄和選擇開關(guān)，將起步、停車、倒車等意圖以電信號(hào)的方式傳遞給ECU，ECU發(fā)出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。車輛行駛過程中，駕駛員的意圖通過加速踏板和制動(dòng)踏傳遞給ECU，ECU根據(jù)駕駛員意圖、當(dāng)前車輛的行駛狀態(tài)和行駛環(huán)境，以及ECU中存儲(chǔ)好的換檔規(guī)律，決定升檔、降檔或者保持原來檔位不變。如果升檔

7、或者降檔，則由ECU控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成離合器的分離與結(jié)合、選檔、換檔、發(fā)動(dòng)機(jī)供油控制等操作。AMT系統(tǒng)的主要功能如下：1） 離合器的控制離合器的工作模式有四種：分離、保持分離、結(jié)合、保持結(jié)合。在離合器的結(jié)合過程中，不僅要控制離合器的行程，還要控制離合器的結(jié)合速度。離合器結(jié)合速度根據(jù)離合器主從動(dòng)盤未接觸、滑動(dòng)摩擦傳遞扭矩和主從動(dòng)盤已同步三個(gè)階段，以快一慢一快的控制規(guī)律進(jìn)行控制。在剎車、起步及換檔工況開始階段，需要以一定速度快速分離離合器，達(dá)到及時(shí)切斷動(dòng)力傳遞的目的，在上述工況結(jié)束后要平穩(wěn)地結(jié)合離合器，均勻增加離合器傳遞動(dòng)力的摩擦力矩，既提高了車輛的平穩(wěn)性，又減少了對(duì)離合器的滑摩。2） 變速器的控制

8、能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和車速等情況自動(dòng)變換傳動(dòng)比，使車輛獲得良好的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。選檔和換檔控制有嚴(yán)格的時(shí)序要求，只有換檔到位后才可以進(jìn)行選檔操作。要快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)換檔，變速器的選換檔控制需要與發(fā)動(dòng)機(jī)控制和離合器控制進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。3） 發(fā)動(dòng)機(jī)的控制車輛正常行駛時(shí)（非換檔過程中），系統(tǒng)對(duì)節(jié)氣門開度的控制跟蹤駕駛員踩下的加速踏板位移，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門隨動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)正在分離離合器時(shí)，驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門到收油位置；換檔過程中通過節(jié)氣門控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，升檔時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而降檔時(shí)調(diào)高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使其與離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速一致，防止離合器控制和節(jié)氣門控制的不協(xié)調(diào)和，同時(shí)保證離合囂主從動(dòng)片轉(zhuǎn)速差很小，減少離合器結(jié)合磨

9、損和換檔沖擊。起步過程中通過節(jié)氣門控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，保證車輛按駕駛員的要求平穩(wěn)起步。三、 系統(tǒng)所使用的傳感器AMT系統(tǒng)所使用的傳感器相當(dāng)于AMT系統(tǒng)的感覺器官，車輛行駛中的很多信息都是通過傳感器來傳遞給ECU的。1. 轉(zhuǎn)速傳感器控制系統(tǒng)一共使用了3個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，分別用來采集車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速。其中車速傳感器安裝在變速器的輸出軸處，主要用于確定自動(dòng)換檔時(shí)刻；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器一般為裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈旁，它被用作離合器的控制參數(shù)，或用于計(jì)算行駛阻力；輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器是一個(gè)裝在變速器輸入軸上，它被用作離合器的控制參數(shù)，或在車速傳感器失效時(shí)作為備用傳感器。系統(tǒng)使用5V霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

10、S-HC，其工作電壓524V，測量范圍020Hz，工作溫度-30+130C，工作原理如下圖。它的感應(yīng)對(duì)象為磁鋼，被測體上嵌入磁鋼，隨著被測物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，達(dá)到測速的目的。齒輪線速度與脈沖輸出頻率成正比，通過檢測單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可確定齒輪的轉(zhuǎn)速。該傳感器采用鋼鐵材質(zhì)導(dǎo)磁體觸發(fā)，傳感器內(nèi)置電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，輸出穩(wěn)定的方波信號(hào)，測量頻率范圍更寬，輸出信號(hào)更精確穩(wěn)定，安裝簡單，防水防油，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。圖4 霍爾傳感器原理圖車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)均為脈沖量。2. 加速踏板位移傳感器該AMT系統(tǒng)里，加速踏板與發(fā)動(dòng)機(jī)沒有直接的機(jī)械

11、連接而是通過拉索與一位移傳感器轉(zhuǎn)軸聯(lián)接的索輪連接。加速踏板位移傳感器使用雙電位器傳感器，工作電壓5V。有兩路反應(yīng)加速踏板位置的電壓信號(hào)，其中一路是另外一路的兩倍。加速踏板位移傳感器通過電位器將踏板位置轉(zhuǎn)換成與位移成正比電壓信號(hào)輸入ECU的A/D接口，用來測量加速踏板的行程。加速踏板位移傳感器信號(hào)為模擬量。3. 離合器行程傳感器用于測量離合器的行程信號(hào)，本系統(tǒng)采用直滑式導(dǎo)電塑料電位器WDL-50-2，它將離合器行程（非電量位移）轉(zhuǎn)換為其具有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。該導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性好，使用壽命長，允許接觸壓力很大，因此它在振動(dòng)、沖擊等惡劣的環(huán)境下仍能可靠的工作。

12、它的工作電壓為5V分辨率較高，線性度為1%，阻值范圍為9千歐，能承受較大的功率。如下圖為一離合器行程傳感器： 圖5 離合器行程傳感器離合器行程傳感器信號(hào)為模擬量。4. 油門位置傳感器（節(jié)氣門傳感器）節(jié)氣門傳感器實(shí)際上是一個(gè)可變的電阻器，其值隨發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開啟角度變化而變化。它是通過導(dǎo)電塑料電位器和固定在轉(zhuǎn)軸上的電刷將角位移的機(jī)械參量轉(zhuǎn)換成與角度成正比例的電壓信號(hào)輸出。本系統(tǒng)采用的節(jié)氣門傳感器為CSTPBT-GF30角位移傳感器，其機(jī)械轉(zhuǎn)角為0180度，工作阻值約為5千歐，工作溫度范圍-40+70，線性度0.2%。油門位置傳感器信號(hào)為模擬量。5. 溫度傳感器系統(tǒng)使用的兩個(gè)溫度傳感器：冷卻水溫度傳

13、感器和變速器油溫傳感器。冷卻水溫傳感器是一個(gè)阻值隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫的變化而變化的熱敏電阻，該傳感器的外殼以螺紋旋入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，且其感溫端浸泡在冷卻水中。AMT系統(tǒng)的電控單元根據(jù)傳感器電阻值的變化，經(jīng)過標(biāo)定后可以得到冷卻水溫與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系，將此電壓傳至電子控制單元，控制單元便可得知發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的冷卻水溫度。圖6 油溫傳感器變速器油溫傳感器一般裝在閥體內(nèi)，并浸在油中。該溫度傳感器也是一個(gè)熱敏電阻，其工作原理與水溫傳感器相同。傳感器連續(xù)檢測出變速器油溫，ECU根據(jù)采集液壓油油溫可估計(jì)液壓油的粘度，從而調(diào)節(jié)電磁閥的開關(guān)時(shí)間，保持離合器的結(jié)合速度。系統(tǒng)采用NTC熱敏電阻PSB-S5，其

14、工作溫度范圍-50+300C，線性度1%，熱敏電阻特性可靠。溫度傳感器信號(hào)為模擬量。6. 檔位信號(hào)傳感器檔位信號(hào)傳感器用于確認(rèn)換擋動(dòng)作是否完成和故障檢測，包括選檔位置傳感器和換擋位置傳感器，使用的是霍爾開關(guān)英飛凌TLE4906，它是專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的單級(jí)開關(guān)，可承受很大的阻力、電干擾和機(jī)械壓力。它還用有源錯(cuò)誤補(bǔ)償來抑制偏移元件的負(fù)面效果。1） 選檔位置傳感器選檔位置傳感器采用了兩個(gè)霍爾開關(guān)，工作電壓為5V?；魻杺鞲衅鞴潭躠和b焊接在傳動(dòng)軸支撐座上。選檔桿上貼有磁片1和2，當(dāng)磁鐵到達(dá)對(duì)應(yīng)霍爾開關(guān)位置時(shí)，開關(guān)輸出高電平。即當(dāng)小磁片與固定架在徑向?qū)R時(shí)，霍爾傳感器信號(hào)就發(fā)生改變，相應(yīng)CPU管腳上電

15、。當(dāng)選檔桿在2-3檔位置時(shí)，小磁片1與2分別與固定架a和b徑向?qū)R則其相應(yīng)管腳均上電。 當(dāng)選檔桿在R-1檔位置時(shí)，a點(diǎn)位置和第二個(gè)小磁片對(duì)齊，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)管腳上電，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)管腳為0V。當(dāng)選檔桿在4-5檔位置時(shí)，b點(diǎn)和第一個(gè)小磁片對(duì)齊，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)管腳上電，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)管腳為0V。 a點(diǎn)和b點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)管腳P4.0和P4.1，由此可得選檔位置邏輯表，如下表所示：R-1檔2-3檔4-5檔引腳4.05V5V0V引腳4.10V5V5V2） 換擋位置傳感器換擋液壓缸推動(dòng)齒條直線運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的扇形齒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以使換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)入合適檔位。齒條末端裝有小磁片1和2，霍爾傳感器固定架c和d焊接在傳動(dòng)

16、軸支撐座上，當(dāng)小磁片與固定架在徑向?qū)R時(shí)，霍爾傳感器信號(hào)就發(fā)生改變，即相應(yīng)管腳上電。當(dāng)換擋桿位于N檔時(shí)（位置A），小磁片1和2分別與固定架c和d徑向?qū)R，則其相應(yīng)管腳均上電。當(dāng)選檔桿位于R-2-4檔時(shí)（位置B），小磁片2與固定架c徑向?qū)R，故從c對(duì)應(yīng)的管腳上電。而d對(duì)應(yīng)的管腳依然為0。當(dāng)選檔軸位于1-3-5檔時(shí)（位置C），與d對(duì)應(yīng)的管腳上電，而與c對(duì)應(yīng)的管腳為0。其中c點(diǎn)和d點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)管腳4.2和4.3，由此得到換擋邏輯表，如下表所示。R-2-4N1-3-5P4.25V 5V 0V P4.30V5V5V表1 換擋邏輯表以上選檔位置傳感器和換檔位置傳感器信號(hào)均為開關(guān)量。7. 其他信號(hào)此外，

17、還有操作桿信號(hào)，模擬量，操作桿不同的選擇位置對(duì)應(yīng)桿位信號(hào)的電壓值不同。剎車和手制動(dòng)信號(hào)直接取自原車上的相應(yīng)開關(guān)。四、 系統(tǒng)的執(zhí)行器離合器和選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為氣動(dòng)式、液動(dòng)式和電動(dòng)式三種方式。由于液壓驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊和響應(yīng)快等特點(diǎn)，本AMT系統(tǒng)采用了液動(dòng)式。該液壓操縱系統(tǒng)主要包括：液壓源、離合器液壓控制系統(tǒng)和選換擋液壓控制系統(tǒng)幾部分組成。AMT系統(tǒng)是通過控制電磁閥操縱執(zhí)行油缸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛的起步、換擋等操作的自動(dòng)化。1. 液壓動(dòng)力源向節(jié)氣門執(zhí)行器、離合器執(zhí)行器和選換擋執(zhí)行器提供的驅(qū)動(dòng)能量均為液壓能，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需要的壓力由液壓動(dòng)力源提供。AMT的液壓動(dòng)力源一般多采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液

18、壓泵實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)主要由直流電動(dòng)機(jī)、油泵、儲(chǔ)能器、粗濾油器、精濾油器、單向閥、油壓傳感器及油箱等組成。液壓動(dòng)力源系統(tǒng)組成：圖7 液壓動(dòng)力源系統(tǒng)由ECU單元根據(jù)液壓系統(tǒng)中的油壓傳感器檢測到的信號(hào)，通過繼電器控制直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止，而將壓力控制在要求的范圍內(nèi)。該部分設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)能器用于穩(wěn)定系統(tǒng)油壓和儲(chǔ)存足夠的壓力油量。這樣既保證了系統(tǒng)具有足夠壓力恒定的液壓油，又避免了供油量過剩時(shí)，油泵持續(xù)不停運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的能量消耗和液壓油的溫升。粗濾油器裝于油泵入口處，避免油箱內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入油路系統(tǒng)。而精濾油器裝于回油道中，避免系統(tǒng)元件中的磨損雜質(zhì)進(jìn)入油箱內(nèi)；精濾油器并聯(lián)一個(gè)單向閥，以防止液壓控制單元因精濾油器中雜質(zhì)

19、積存過多造成回油道阻塞而失去正常工作。2. 離合器控制單元離合器的分離和接合控制采用電磁閥控制的液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其液壓系統(tǒng)構(gòu)造如下圖所示：圖8 離合器液壓系統(tǒng)構(gòu)造示意圖離合器液壓控制系統(tǒng)主要包括離合器動(dòng)作器（單向作用油缸）、二位二通普通電磁閥V1和二位二通高速電磁閥V2、V3組成。離合器的控制是通過ECU發(fā)出占空比不同的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）調(diào)節(jié)兩個(gè)放油閥開閉得到不同的離合器的結(jié)合速度，實(shí)現(xiàn)離合器在不同工況下的多種工作模式。V1控制進(jìn)油，使離合器分離；V2、V3控制卸油，使離合器不同速度接合。V1選用國產(chǎn)的2WNC普通電磁閥；高速PWM電磁開關(guān)閥選用國產(chǎn)的HSV-3051S1電磁閥，V1流量

20、為8L/min，V2流量為4L/min，V3流量為8L/min，通過V2、V3使流量可以連續(xù)控制，這樣才能保證得到更好的離合器接合控制效果。當(dāng)V1通電而V2、V3斷電時(shí)，主油道中壓力油便通過該閥進(jìn)入離合器動(dòng)作器右腔，動(dòng)作器活塞左移，克服離合器中壓簧使離合器分離。在設(shè)計(jì)液壓壓力波動(dòng)范圍內(nèi)，離合器最慢分離時(shí)間是300ms。當(dāng)V1斷電，而V2、V3尚未接通時(shí)，離合器可保持分離狀態(tài)不變。當(dāng)V1斷電，而V2、V3中有一個(gè)或兩個(gè)開啟時(shí)，油缸中的液壓油便在離合器壓簧的回復(fù)力作用下通過V2、V3中的開啟閥流回油箱，離合器結(jié)合。由控制器、離合器動(dòng)作器、離合器和離合器行程傳感器構(gòu)成離合器的閉環(huán)控制子系統(tǒng)如下圖所示

21、：表9 離合器的閉環(huán)控制子系統(tǒng)3. 選換擋控制單元設(shè)計(jì)如果變速器采用單軸式撥叉，選檔通過撥叉軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，而換擋則依靠撥叉軸的軸向移動(dòng)來完成。為了使換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)能驅(qū)動(dòng)撥叉軸完成兩種運(yùn)動(dòng)而靈活實(shí)現(xiàn)選換擋功能，必須保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)撥叉軸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生干涉和不引起附加力矩，以避免使作動(dòng)器中的密封圈單邊磨損。選換擋液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：圖10 選換擋液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該控制回路由選擋作動(dòng)器（雙向作用油缸）和換擋作動(dòng)器（雙向作用油缸）以及2個(gè)分別控制選檔和換檔的三位四通電磁閥V6-V9組成，2個(gè)電磁閥相同，選用國產(chǎn)的3WNC，流量為8L/min。對(duì)于作動(dòng)器的控制，國內(nèi)外設(shè)計(jì)多采用四個(gè)二位二通閥進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)中

22、考慮到減小體積和成本，采用了三位四通電磁閥。三位四通電磁閥的滑閥機(jī)能具有如下功能：當(dāng)閥處于左或右二位置（即左或右電磁閥均斷電）時(shí)，能使主油道和油缸兩腔接通，以確保變速器在兩個(gè)電磁閥均斷電時(shí)處于空擋位置。選檔和換擋作動(dòng)器具有相同的結(jié)構(gòu)和工作原理。從它們的機(jī)構(gòu)簡圖可知其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：油缸分為左、右兩腔，每腔均有一個(gè)活塞套，兩套的內(nèi)孔中裝有兩個(gè)制成一體、同軸且有效壓力作用面積相等（A2)的柱塞，活塞桿從一端向外伸出，與變速撥桿相連接。圖11 選檔和換擋作動(dòng)器當(dāng)油缸在電磁換向閥作用下，左腔進(jìn)油、右腔回油時(shí)，左右兩腔形成壓力差，從而推動(dòng)柱塞右移，活塞桿外伸。反之右腔進(jìn)油、左腔回油則使柱塞左移，活塞桿向內(nèi)縮。

23、當(dāng)左、右兩腔均處進(jìn)油狀態(tài)時(shí)，在缸壁內(nèi)和柱塞上的定位凸臺(tái)及兩腔油壓作用下按差動(dòng)原來自動(dòng)定位于中心位置。變速器選換擋控制子系統(tǒng)由控制器、選換擋作動(dòng)器、變速器和檔位狀態(tài)傳感器一起構(gòu)成。變速器閉環(huán)控制子系統(tǒng)：圖12 變速器閉環(huán)控制子系統(tǒng)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低且使用可靠。 4. 節(jié)氣門控制單元設(shè)計(jì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是通過節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來控制的。我們采取用已有的液壓控制系統(tǒng)對(duì)節(jié)氣門進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了電液式節(jié)氣門執(zhí)行器。圖13 液壓執(zhí)行器液壓執(zhí)行器為一單向作用液壓缸，由推桿、回位彈簧和活塞組成。利用兩個(gè)二位二通常閉型高速開關(guān)閥，對(duì)液壓缸的位移進(jìn)行控制。當(dāng)高速開關(guān)閥V4通電、V5斷電時(shí)，液壓源

24、的液壓力克服液壓執(zhí)行器的彈簧力及節(jié)氣門的彈簧力，使推桿右移將節(jié)氣門打開，V4與V5均斷電時(shí)，活塞的推桿不到，節(jié)氣門保持原有位置不變；當(dāng)高速開關(guān)閥V5通電、V4斷電時(shí)，在液壓執(zhí)行器的回位彈簧及節(jié)氣門的回位彈簧的作用下，使推桿左移將節(jié)氣門關(guān)閉。節(jié)氣門的實(shí)際開啟大小，用安裝在節(jié)氣門上的位移傳感器測量。節(jié)氣門位移的檢測采用國產(chǎn)的WDL50型直滑式導(dǎo)電塑料電位器。該電液式節(jié)氣門執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、體積小、便于安裝、成本較低，其缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)是非線性的時(shí)變系統(tǒng)，控制難道較大。以上每個(gè)電磁閥對(duì)應(yīng)ECU的一個(gè)管腳，來控制電磁閥的開閉。其中電磁閥V1對(duì)應(yīng)管腳P3.4、電磁閥V2對(duì)應(yīng)管腳P3.6、電磁閥V3

25、對(duì)應(yīng)管腳P3.8、電磁閥V4對(duì)應(yīng)管腳P3.9、電磁閥V5對(duì)應(yīng)管腳P3.10、電磁閥V6對(duì)應(yīng)管腳P3.11、電磁閥V7對(duì)應(yīng)管腳P3.12、電磁閥V8對(duì)應(yīng)管腳P3.13、電磁閥V8對(duì)應(yīng)管腳P3.15。五、 系統(tǒng)的控制器1. 系統(tǒng)所使用的單片機(jī)ECU的微處理器（也稱單片機(jī)）使用的是英飛凌(Infineon) C164CI(簡稱C164)，它是16位的單片機(jī)，高性能的CPU結(jié)合功能豐富的外設(shè)，每秒可執(zhí)行1250萬條指令，適合于汽車電子控制系統(tǒng)的開發(fā)。C164有80個(gè)引腳，其最大CPU時(shí)鐘頻率20MHz，多數(shù)指令在80ns內(nèi)完成，32位除16位僅需800ns。其工作溫度范圍在-40125C之間，可使用于

26、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，適合做為汽車電子芯片。C164外設(shè)資源模塊功能豐富，做為本系統(tǒng)的ECU芯片，它有以下特點(diǎn)：1） 中斷系統(tǒng)具有16級(jí)優(yōu)先級(jí)和頗具特色的外部事件控制器PEC16級(jí)優(yōu)先級(jí)，每一優(yōu)先級(jí)再分為4組優(yōu)先級(jí)響應(yīng)次序，多個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的中斷源同時(shí)申請時(shí)按組優(yōu)先級(jí)次序響應(yīng)。外部事件控制器PEC工作時(shí)，它根據(jù)PEC控制寄存器設(shè)置自動(dòng)地將源地址的內(nèi)容移到目的地址空間中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。在這一過程中不用將各種狀態(tài)寄存器壓入堆棧，無需CPU介入（只是暫停了CPU 一個(gè)指令循環(huán)），節(jié)省了中斷相應(yīng)時(shí)間，加快了程序執(zhí)行速度，增強(qiáng)了芯片響應(yīng)高頻率的能力。C164提供了8個(gè)PEC通道，各通道可分別設(shè)置為和片內(nèi)的一個(gè)

27、外圍模塊中斷源相關(guān)聯(lián)，在本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，如串行通信口、捕捉/比較單元、A/D轉(zhuǎn)換等的中斷服務(wù)都可以使用PEC控制器，可大大減輕CPU負(fù)擔(dān)。2） 高精度通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器GPT1通用定時(shí)器單元GPTI是一個(gè)靈活的多功能定時(shí)器，可用于定時(shí)、事件計(jì)數(shù)、脈寬測量、脈沖產(chǎn)生等。GPT1模塊含有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，分辨率最高為400ns，模塊內(nèi)有1個(gè)主定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)輔助定時(shí)，計(jì)數(shù)器，每個(gè)輔助定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以獨(dú)立工作于門檻、定時(shí)、計(jì)數(shù)等模式，也可以用作主定時(shí)/計(jì)數(shù)器的預(yù)置自動(dòng)重裝載寄存器，或與主定時(shí)器配合夠成32位定時(shí)器。3） A/D轉(zhuǎn)換器AMT系統(tǒng)需要采集多路模擬量信號(hào)，由于采集的信號(hào)多，故對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間也

28、有要求。C164有16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有單一通道單次轉(zhuǎn)換及連續(xù)轉(zhuǎn)換、多通道自動(dòng)掃描單次轉(zhuǎn)換及連續(xù)轉(zhuǎn)換等多種運(yùn)行模式。轉(zhuǎn)換時(shí)間可用程序控制，最小為9.7p s。其在片采樣保持電路的采樣時(shí)間為1.6ps，有轉(zhuǎn)換后自動(dòng)標(biāo)定的功能?？梢娫揂/D轉(zhuǎn)換器完全能滿足本AMT系統(tǒng)對(duì)模擬量信號(hào)采集的要求。4） 異步/同步通信串行口ASC/SSC方便ECU與其它外圍設(shè)備通信。ASC支持全雙工的異步串行通信，接受數(shù)據(jù)時(shí)能檢測出奇偶校驗(yàn)錯(cuò)、多寫錯(cuò)等錯(cuò)誤，以提高通信可靠性。SSC支持半雙工和全雙工的同步串行通信。5） I/O接口共有8個(gè)I/O口，59條I/O線。所有I/O口都可以位尋址，除常規(guī)輸入輸出外，都具

29、有第二功能，如P0、Pl和P4可作為外部數(shù)據(jù)/地址總線，P2可作為CAPCOM2模塊的輸入腳，P5呵作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入腳，P8的低4位作為PWM模塊的輸出腳等等。6） 控制器局域網(wǎng)CAN模塊通過CAN總線，AMT系統(tǒng)可與掛在總線上的其它微控制系統(tǒng)及現(xiàn)場控制儀表、設(shè)備之間能按CAN通信協(xié)議進(jìn)行高速、高效率的串行通信。C164片內(nèi)帶有1個(gè)CAN接口控制模塊，可通過兩條I/O引線（數(shù)據(jù)發(fā)送線CAN_TxD和數(shù)據(jù)接收線CAN RxD）與一外部適配接口相連，再經(jīng)其掛至CAN總線上。圖14 C164CI的引腳圖ECU單元的設(shè)計(jì)除了單片機(jī)的選型外，還包括以下主要內(nèi)容：1、單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，并行接口電路

30、的設(shè)計(jì)；2、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等傳感器輸入脈沖信號(hào)的放大、整形、濾波以及單片機(jī)定的接口電路設(shè)計(jì)；3、離合器行程等傳感器輸入模擬信號(hào)與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)；4、開關(guān)量輸入信號(hào)與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)；5、離合器等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁閥控制電路設(shè)計(jì)；6、ECU單元電源和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源及傳感器供電電源設(shè)計(jì)。2. 以C164為中心的控制方案的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如下所示：電控單元ECU圖15 硬件結(jié)構(gòu)圖1） 輸入信號(hào)的采集a.模擬量的采集控制系統(tǒng)要采集的模擬量主要有加速踏板位置、離合器行程、節(jié)氣門位置、溫度、壓力信號(hào)。C164提供了10位精度的帶有采樣保持電路的A/D轉(zhuǎn)換器，可以選擇8個(gè)輸入通道，多通道采集可以用軟件

31、定義或用自動(dòng)掃描模式，采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是可編程的。模擬信號(hào)在進(jìn)入A/D口之前，先經(jīng)過型電路進(jìn)行濾波。圖16 模擬量采集電路加速踏板位置信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P5.0和管腳P5.1、離合器行程信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P5.2、節(jié)氣門位置信號(hào)（油門位置信號(hào)）對(duì)應(yīng)管腳P5.3、冷卻水溫度傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P5.4、變速器油溫傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P5.5。b.脈沖量的采集控制系統(tǒng)要處理的脈沖信號(hào)主要有車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器選用霍爾效應(yīng)集成電路傳感器。這種傳感器體積小，內(nèi)部包含了放大、整形、集電極開路輸出單元，輸出的轉(zhuǎn)速脈沖方波波形好，使用方便。脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離抗干擾處理電路后送入單片機(jī)的捕捉比較單元(

32、CAPCOM2)。其脈沖信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)如下圖所示：圖17 脈沖量的采集電路圖車速信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P8.0、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)應(yīng)管腳P8.1、輸入軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)管腳P8.2。c.開關(guān)量的采集對(duì)于檔位信號(hào)、手剎車信號(hào)、腳剎車信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)，也要經(jīng)過光電隔離后再送入C164的I/O口。圖18 開關(guān)量采集電路圖2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)C164對(duì)采集來的信號(hào)進(jìn)行分析處理后，按照制定的控制規(guī)律，發(fā)出控制信號(hào)，作用在和ECU相連的電磁閥和步進(jìn)電機(jī)上。 a.電磁閥驅(qū)動(dòng)電路電磁閥驅(qū)動(dòng)電路主要用于驅(qū)動(dòng)電磁閥開閉，以控制選、換檔及離合器動(dòng)作。本系統(tǒng)選用的電磁閥為高速開關(guān)閥，電磁閥供電電壓為24V，功率為10W。信號(hào)的放大采用達(dá)林頓管TIP142，通過控制TIP142的開關(guān)狀態(tài)控制電磁閥的開閉。為防止電路斷電時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)反向高電壓將達(dá)林頓管擊穿，在線路中接入了續(xù)流二級(jí)管，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如下圖所示： 圖19 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路b.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)為GBM三相混合式步進(jìn)電機(jī)85BYGH450，其驅(qū)動(dòng)器使用SHAPHON公司的三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH-2H057M。驅(qū)動(dòng)器的A、A、B、B口連接電機(jī)。DC口接直流電源。驅(qū)動(dòng)器的CP、DIR、FREE接收C164發(fā)出的控制信號(hào)