商用车AMT离合器控制的无刷电机控制器设计

摘 要 设计开发商用车AMT离合器控制器（CCU）。设计开发AMT离合器控制器硬件电路，主要有电源电路自下电设计，CAN总线隔离设计，无刷电机驱动电路设计，无刷电机霍尔传感器设计和PCB线路板设计；利用Codeworried编译环境和C语言设计开发底层驱动、离合器控制策略和与TCU通讯的CAN总线通信协议。该离合器控制器（CCU）具有自下电、低功耗、抗干扰能力强、自诊断和短路保护等特点。通过离合器分离台架测试系统分离力，实车测试离合器控制策略、软件通讯协议、离合器分离、结合时间和控制柔性，该控制器满足商用车使用需求。

【关键词】AMT 无刷直流电机 自动离合器 控制器

商用车AMT系统近几年内迎来高速发展，国外城市大客车已普遍装用自动变速器，在西欧、北美、澳大利亚等地公交车市场，AMT配套率极高，EATON、ZF等均有成熟且市场认知度高的AMT产品。而目前，国内的AMT市场份额很小，且市场主要由意大利马瑞利集团、美国伊顿公司、德国采埃孚集团等国际变速器公司等占据。另外，几乎所有汽车自动变速器核心技术都掌握在国外零部件供应商及各种开发公司手中，以此，在我国发展自主品牌的商用车AMT系统有着巨大的意义。

随着国内汽车市场需求逐步发展，城市公交客车将成为首批AMT市场，目前年增公交车约5.5万辆，估计30%以上会配置AMT系统，AMT会给公交带来的一系列的好处，如减轻驾驶员劳动强度并提高驾驶安全性、乘客舒适性比MT好、运行油耗比MT低（车队平均燃油耗降低）、购置成本比AT低、离合器寿命适量延长等等，因此，越来越多的公交公司会选择AMT系统，越来越多的整车厂会选择生产AMT车辆，今后，商用车AMT系统必将引领整个商用车市场的快速发展。电控电动式AMT系统有着如下优点：电控选换挡与离合，控制精度高，动力中断时间短，舒适性好；24V电机执行，能源充足、清洁；高精度的位置传感器，保证控制的精准度，传感器可靠性高；成熟的机械设计，保证机构高效运行，易于保养、维护；基于模型和专家系统的控制方法，保证选换挡精确，节气节油效果明显；强大的整车功能，满足不同商用车的控制运行需求。

1 无刷电机控制器

1.1 无刷电机控制器概述

无刷电机控制器的硬件部分由MCU模块、自下电电源电路模块、CAN总线模块、三相H桥驱动模块、霍尔换向传感器模块构成。无刷电机控制器的结构框图见图1示。

MCU选用NXP的9S12XEP100通过控制A3930无刷电机驱动芯片产生6路PWM信号驱动6路MOSFET控制无刷电机动作，通过AS5134感应产生的霍尔信号反馈到A3930的换向信号，TCU通过CAN总线和无刷电机控制器进行数据通信，主要通信内容有转动方向、离合器位移、电机转速、无刷电机电流、无刷电机诊断信息。

1.2 自下电电源设计

控制器电源电路设计选用Onsemi的Bust芯片LM2576，驱动电流达到2A。无刷电机控制器通过点火钥匙自下电，采用英飞凌的PMOS SPD09P06PL来控制器主电源回路下电，主回路过电流能力8A。具体电源电路如图2示。

BATTERY接24蓄電池正极，GND接蓄电池负极，KeyOn接点火钥匙，TurnOff_Delay接MCU输出IO口用于断电延时控制。当点火钥匙上电时，点火钥匙高电平驱动Q11三极管导通，PMOS Q10栅极和源极电压Vgsth<-2v，Q10导通电源回路通过电，LM2576输出7V电压，经LM7805输出5V给MCU供电工作，MCU控制TurnOff_Delay输出高电平用以保持上电回路持续上电；当点火钥匙下电时，点火钥匙低电平，TurnOff_Delay高电平，上电回路持续上电，待断电保存区EEPROM输出保存完成后，MCU控制TurnOff_Delay输出低电平，无刷电机控制器完成下电流程。

1.3 CAN总线设计

无刷电机控制器设计3路CAN总线，1路和整车CAN总线通信，1路和TCU进行通信，另外1路通过CCP协议进行标定和主程序升级。CAN总线电路如图3示。

用于混合动力AMT的离合控制时，CAN总线很容易受到高压电磁信号的干扰，因此采用隔离式的CAN总线设计，CAN通信芯片采用NXP的TJ1051T，隔离芯片采用AD?M1201和隔离电源芯片DCDC B0505S/D-1W，增加共模电感电感和ESD保护。

1.4 电机驱动三相H桥设计

无刷电机驱动芯片采用Allegro公司的A3930车用级无刷电机驱动芯片，用以产生6路PWM信号驱动MOSFET，该芯片具有外部霍尔信号供电、芯片短路、开路、欠压保护、逻辑错误诊断。A3930供电引脚VBB从Q10后端的24V输出取电，保证点火钥匙下电后，芯片低功耗或停止工作；三相H供电电源由BATTERY供电，回流电流可达60A；LSS引脚反馈电机驱动电流电压值至A3930，放大后输出至MCU。无刷电机驱动电路如图4示。

栅极电阻R227、R228用于开启栅极电容充电，R201和二极管D5用于提供泄流回路。

1.5 无刷电机霍尔信号设计

无刷电机霍尔信号采用AS5134磁编码芯片实现无刷电机霍尔信号非接触式输出。无刷电机霍尔信号电路如图5示。

2 驱动程序设计

2.1 软件流程框图

软件设计流程图见图6示。

点火钥匙上电后，配置MCU相关引脚处于默认状态和上层变量初始化，判断离合器位置和TCU CAN数据交互，当收到TCU相关控制指令后驱动电机到相应位置。

2.2 无刷电机霍尔信号驱动程序设计

通过MCU IO模拟SPI信号输出，设置Hall芯片采集电机极对数。无刷电机霍尔信号写驱动如下所示。

void WR_AS5134（void）

{

unsigned char i=0；

unsigned char Temp=0；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，EN_Prog）；

SPI_Send_Dat（8，0x8C）；

SPI_Send_Dat（8，0xAE）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，Write_OTP）；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[0]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[1]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[2]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[3]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[4]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[5]） ；

SPI_SendF_Dat（8，RD_OTP_RES_Value[6]） ；

SPI_SendF_Dat（6，RD_OTP_RES_Value[7]） ；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，EN_Prog）；

SPI_Send_Dat（8，0x8C）；

SPI_Send_Dat（8，0xAE）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，Read_OTP）；

RD_OTP_RESF_Value[0]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[1]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[2]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[3]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[4]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[5]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[6]= SPI_ReceiverF_Dat（8）；

RD_OTP_RESF_Value[7]= SPI_ReceiverF_Dat（6）；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_MTCounter）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_MTCounter_Value=SPI_Data>>7；

OTP_OK_Flag=（SPI_Data>>6）&0x0001；

for（i=1；i<3；i++） {

SPI_CS（1）；

}/* 數据传输后片选信号先为低后为高，并保持一段时间。*/

SPI_CS（0）；

}

无刷电机霍尔信号读函数如下所示。

void RD_AS5134（void）

{

unsigned char i=0；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_MTCounter）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_MTCounter_Value=SPI_Data>>7；

OTP_OK_Flag=（SPI_Data>>6）&0x0001；

SPI_CS（0）；

delay_1us（）；

SPI_CS（1）；

SPI_Send_CMD（5，RD_ANGLE）；

SPI_Data=SPI_Receiver_Dat（16）；

RD_Lock_ADC=SPI_Data&0x8000；

RD_AGC_Value=SPI_Data>>9&0x003F；

RD_Angle_Value=SPI_Data&0x01FF；

for（i=1；i<3；i++） {

SPI_CS（1）；

}/* 数据传输后片选信号先为低后为高，并保持一段时间。*/

SPI_CS（0）；

}

3 试验测试

变速箱台架静态测试离合器分离时间、离合机构驱动离合器分离力，测试特性曲线见图9示。

台架测试见图10示。

4 结束语

开发的离合器控制器通过离合器静态台架、AMT耐久工装实验和实车控制测试，充分验证了系统功能、性能和可靠性，满足系统要求。

参考文献

[1]徐旭.自动离合器执行机构的设计与开发[D].上海：上海交通大学，2006.

[2]刘勇.基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统[J].微特电机，2004（01）.

[3]张汉屏.一种性能优良的无刷电机驱动芯片的应用[J].电子制作，2011（03）.

作者简介

杨守亮（1983-） ，男，工程师，主要从事汽车动力系统AMT控制和汽车电子控制。

作者单位

上海易巴汽车动力系统有限公司 上海市 201108