关键词： 自动变速器 单片机 直流电动机 PWM控制
1 引言
由于手动换档性能受驾驶员操纵技术水平高低的影响很大，直接影响汽车使用性能的发挥，加之频繁换档易使驾驶员疲劳，影响汽车行驶安全，所以应用自动变速器一直是人们长期追求的目标。目前按照操纵机构的动作方式可分为电控液动式、电控气动式和电控电动式。考虑到红旗轿车自身的特点，因此选择了电控电动式的方案，这一方案是跟踪了国际汽车行业出现的电动控制的技术潮流。随着电子元器件的不断发展，用于控制大电流的功率器件体积越来越小，而功能却越来越强大，电动机的使用寿命也比以前大大提高，现代控制理论已经完全可以提供精确的控制方法以达到所设计的控制要求。
2 总体方案设计
依据红旗轿车的蓄电池供电能力，可以提供12V直流电压，操纵机构选用12V直流永磁电动机。依据操纵机构的负载参数，采用了直流电动机，其技术指标为负载状态电压12V、电流36A、堵转电流60A、转速2400r/min、输出转矩>0.7Nm、堵转转矩>1.3Nm。1#，2#离合器分别用两个电机操纵，1-3档位，2-4档位，5-倒档位分别用3个电机操纵，系统需要同时控制5个电机的正反旋转。工作原理如图1所示。图1中单线箭头为电连接，双线箭头为机械连接。
图1 工作原理图
图2 单片机控制系统原理图
3 单片机控制系统设计
单片机控制系统原理图如图2所示。控制单元选用80c552为主芯片，它是8位单片机，具有64k片内RAM，10位A/D输入，8位的I/O口，比较/ 捕获定时器，PWM输出，接口资源丰富，使整个系统结构紧凑，抗干扰能力强。本系统又外接一片27c512程序存储器，通过P0、P2口扩展。数据采集主要利用各类传感器完成，发动机的转速、水温、油温以及汽车运行速度等信号由原车传感器提供，操纵机构的信号包括油门开度、离合器行程、变速箱换档位置等信号均由位移传感器提供。图中只画出P5.0一路输入。P1.3-P1.7给出各个电机的选通信号。P4.0-P4.5为档位霍尔信号输入，可以识别各档位是否进档完毕。80c552内部没有看门狗，外加了93c46看门狗电路。
将以80c552为核心的检测、显示等电路集中到一块数字板上，将电机驱动电路集中到一块模拟板上，通过屏蔽线连接。硬件电路利用汽车蓄电池提供的12V直流电源用7805进行三端稳压，产生+5V直流电源，为单片机系统供电。
图3 电机驱动原理图
电机驱动电路如图3所示。图3中LH1、GEAR13、GEAR5R分别为1#离合器、1-3档位、5-倒档位操纵电机。电机驱动电路采用H桥式驱动，3 个电机共用一个H桥臂，组成3个H桥式驱动电路。H桥主开关管选用HRF3205型快速MOSFET,额定电压55V,电流100A。
电机控制方式采用H桥式PWM控制，PWM斩波调压比串电阻调压损耗小，效率高。滤波装置只需要电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置，电动机的损耗和发热比较小，动态相应快。下面以图3中控制LH1电机的H桥为例阐述一下H桥式PWM控制原理，在图3中开关管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3 也是同时导通同时关断，但是同一桥臂，即V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则
直通短路。电动机电枢端电压平均值为:
式中T为一个周期时间;
为导通时间;
为关断时间由于0<α<1,
值的范围是
，因而电动机可以在正反两个方向调速运转。
80c552有PWM脉宽频率控制器，可以改变输出方波的频率，还有PWM+及PWM-脉宽调制器。在电机刚开始启动时，PWM控制脉宽频率应比较大，基本设定在2KHz，这样可以减小电机启动电流，而且电机在每个PWM周期内动作幅度比较小，反映到驾驶员及乘客，感觉不到电机带动操纵机构引起的冲击，比较舒适。在电机运行途中，单片机可以通过位移传感器检测到档位或者离合器的位置信号，还可以检测到当前状态下的发动机转速、车速以及节气门开度，根据不同的状态，按照软件预定的算法调节PWM脉宽的频率及占空比，即可控制电机的正反转及电机转速。
4 软件设计
汽车在行驶过程中，控制系统主要完成三项工作:
(1) 各种AD信号的采集，发动机转速及车速的检测;
(2) 档位操纵电机控制档位自动换档;
(3) 离合器操纵电机控制离合器分离与结合。
控制系统的软件设计采用模块化结构，根据控制任务，控制软件分为3个主要模块，包括信号采集，档位操纵电机控制，离合器操纵电机控制。由控制软件根据采集到的信号对系统实际情况进行判断，查询控制规律，获得最优控制。控制流程图如图4所示。A/D信号采集通过单片机T0中断完成，每20ms产生一次中断，发动机转速及车速的检测通过T2定时器捕获端口完成。系统还应具有保护功能，经测试，选用的电动机可以承受住10min的堵转时间，因此通过软件来进行保护，电机运行时，超过100ms没有位移，即认为电机堵转，软件推出，重新初始化。外加的看门狗电路，每1s对系统进行刷新，防止软件故障。
5 结束语
本文设计的电机控制系统应用于红旗轿车自动变速器电机控制，系统设定换档时离合器分离时间为200-300ms，各档位进档时间为200-800ms。经长春第一汽车集团测试、鉴定，系统工作可靠，能够根据设定的控制规律实现自动换档及离合器自动离合控制，按系统要求的时间完成既定动作，取得了良好的效果。
图4 软件流程图
参考文献
[1] 赵长禄，葛蕴珊. 车辆动力集中传动控制[J]. 北京理工大学学报，2000,(4).
[2] 张毅刚. MCS-51单片机应用设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997.
作者简介
孙铁成(1952-) 男 教授 研究方向为电力电子变换和电力传动技术。
