电子控制器功能和应用

电子控制器是整个AMT 系统的控制中心，它由最小系统和外部处理电路组成，并通过电缆与传感器、执行器连接。TCU 采集并处理各种输入信号，与系统存储的换挡规律进行匹配，然后按照控制策略对执行机构进行控制。

1.MCU 选型

MCU （micro control unit，微控制单元）是动力传动一体化控制系统的核心部分。它的选型和开发对动力传动系统的控制具有重要意义。AMT 电控系统具有输入信号种类多且数量大、控制对象多、控制功能复杂、运算速度快、实时性要求高、可靠性要求高以及调试方式多样的特点，普通的8 位MCU 难以满足系统的控制要求。考虑到控制功能的需要和系统的扩展能力，应当选择资源丰富、运算速度快、集成度高、扩展能力强的微控制器。

考虑到飞思卡尔半导体推出的Qorivva MPC56 ××系列微控制器，具有增强的动力总成功能，可适应发动机和变速器所处的恶劣环境 （可适应－40 ～125 ℃的温度范围），是汽车动力和传动应用的理想之选，本书选择这一系列中的MPC5644A，其主要优势包括以下几点。

（1）运算性能强大，系统频率最高可以达到150 MHz，并拥有高达192 KB的RAM （随机存取存储器），性能强大。

（2）拥有4 M 的片内Flash，可以通过片内Flash 模拟EEPROM（electrically－erasable programmable read－only memory，电子抹除式可复写只读存储器）实现数据标定，避免了受电磁干扰引起的数据丢失。

（3）有用于实时处理的增强型时间处理单元（eTPU），用于频率量采集的计数器为24 位，可以准确计量两个齿之间的最长时间间隔能达到16.78 s，按照28 个齿的齿轮计算，其采集的最长转速周期为7.83 min，足以满足实际应用。

2.最小系统

最小系统包括微控制器MPC5644A、供电电路、时钟电路、复位电路、JATG （联合测试工作组）调试接口电路、CAN 通信电路、SCI （串行通信接口）电路和上电指示灯电路。该最小系统上除了包括基本的微控制器外围电路外，还集成了CAN 通信模块和串行通信模块。这样的设计不仅提高了最小系统PCB （printed circuit board，印制电路板）的空间利用率，而且为联合调试及MCU 故障排除等提供了方便，AMT 系统电控系统结构如图3.16所示。

图3.16　AMT 系统电控系统结构

3.外围电路设计

1）开关量信号处理电路

为了防止信号的干扰，开关量信号经过图3.17所示的光耦隔离电路后被微控制器接收。

图3.17　开关量光耦隔离电路

2）转速传感器信号处理电路

在AMT 系统中，频率量传感器主要用于采用各种旋转零件的转速信号。常见的有磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器。为了使微控制器能识别频率信号，一般正弦波信号需要经过图3.18所示的滤波电路、截压电路、放大电路和整形电路，将正弦信号转化为标准的5 V 方波信号。

图3.18　去掉黑框后得到输出轴转速信号处理电路

双通道霍尔式转速传感器在采用+5 V 的供电电压的情况下，只需将原有的磁电式转速信号处理电路去掉图3.18 中黑框中的部分即可实现对信号的处理，即频率信号直接经过上拉电阻将信号处理成方波，再经过施密特触发器即可实现对信号的处理。

3）模拟量信号处理电路

本书的AMT 系统中主要有以下几种形式的模拟量传感器。

（1）离合器行程传感器：反映离合器分离和接合过程中执行机构的位置情况。

（2）选挡油缸行程传感器：反映选挡过程执行机构的位置情况。

（3）换挡油缸行程传感器：反映换挡过程执行机构的位置情况。(https://www.xing528.com)

（4）液压油源的油压／油温传感器：反映液压油源系统的油温和油压值。

4）功率驱动电路

由于MCU 输出的是数字信号，而且输出的电流小，用这种信号一般不能驱动执行器工作，需要输出电路将其转换成可以驱动执行器工作的控制信号。目前输出接口中应用较多的是开关功率器件，如功率晶体管、功率场效应管等，另外还有一些专用驱动IC （integrated circuit，集成电路）。

对于电控－液动AMT 系统和电控－气动AMT 系统而言，功率驱动主要包括高速响应电磁阀和比例电磁阀的驱动，驱动方式可以是开关控制或脉宽调制控制。功率驱动电路的设计主要是选择合适的功率器件或功率驱动芯片。

（1）功率器件。对于电流较大的负载，如普通继电器和电磁阀等，可以接三极管或总线驱动芯片实现电流放大，必要时还应采用光耦隔离输出，使单片机系统免受所控外界电器的强电干扰。I／O （输入／输出）端口驱动三极管的电路如图3.19所示。其中图（a）为PNP 型三极管的驱动，端口输出低电平时三极管饱和导通，其集电极电流允许数百毫安，能驱动较大负荷；图（b）为NPN 型三极管的驱动，端口输出高电平时三极管导通。

因端口内部即使有上拉电阻，其输出电流（200 μA）也不足以使三极管饱和导通，故外接的上拉电阻R 是必不可少的，其阻值为0.5 ～1 kΩ，太大不能保证饱和，会使三极管严重发热烧毁；太小会使端口在输出低电平时的吸入电流太大。

图3.19 （b）的优点是可以使用比单片机工作电压Vcc 高的电压（如12 V、24 V）来驱动负荷，增大负荷器件的选择余地。但是由于使用正逻辑控制，单片机上电复位或是非正常时“看门狗”复位后端口输出高电平，有可能造成误控制。

图3.19　I／O 端口驱动三极管的电路

（a）PNP 型三极管的驱动；（b）NPN 型三极管的驱动

如果要达到隔离输出、防止单片机受外界强电干扰的效果，可以采用图3.20所示单片机的光电耦合隔离输出电路，此时负逻辑控制和提高驱动电压的要求都能够一并实现。

图3.20　单片机的光电耦合隔离输出电路

如图3.20所示，为了防止产生干扰，控制电路和驱动电路之间采用了电源隔离。用光电隔离器件TLP521 实现了数字电路同驱动电路之间的电源隔离，有效地防止了外部干扰的引入，图3.21所示为光电隔离器原理。

（2）功率驱动芯片。这里列举一种基于功率驱动芯片的电磁阀驱动电路：英飞凌的BTS724G。

图3.21　光电隔离器原理

英飞凌的BTS724G 是4 通道智能高边电源开关，通态电阻90 mΩ，额定负载电流为3.3 A。其内置N 通道MOSFET （金属－氧化物半导体场效应晶体管）栅极驱动器和电荷泵垂直功率晶体管，兼容CMOS （complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）输入。可以应用于几乎所有类型的电阻、电感和电容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载。它还具有诊断反馈功能，其中包括驱动开路和过热故障诊断反馈，可实现嵌入式保护功能。BTS724G 具体性能参数如表3.3所示。

表3.3　BTS724G 具体性能参数

BTS724G 的结构如图3.22所示。其中，IN1 ～IN4 为逻辑电平输入通道，ST1／2、ST3／4 为第1 通道和第2 通道、第3 通道和第4 通道的诊断反馈引脚，OUT1 ～OUT4 为驱动信号输出通道，4 个功率输出通道由开漏输出的CMOS 管组成，自带短路、过载、电流限制等保护，通过驱动芯片内部集成的钳位二极管，确保控制器在关闭状态下负载能处于开路状态。

图3.22　BTS724G 的结构

驱动电路举例如图3.23所示。

图3.23　驱动电路举例