自动驾驶车辆用电子换挡系统设计研究

季明微，常耀红，吕孟理



自动驾驶车辆用电子换挡系统设计研究

季明微，常耀红，吕孟理

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

智能化是未来汽车制造业的大方向，针对有条件的自动驾驶车辆，要求整车底盘执行模块需支持高速公路场景下自动驾驶功能和特定停车场场景下自主泊车功能，传动系统应具备停车后自动挂P档并锁止变速箱的功能，即电子换挡系统的应用。

自动驾驶；电子换挡； 变速器

绪论

智能化是未来汽车制造业的大方向，在燃油车上聊油耗、聊动力、聊引擎轰鸣声的时代早已过去，现在的人们，更愿意关注的是触控大屏、车联网、电子换挡以及——自动驾驶。针对有条件的自动驾驶车辆，要求整车底盘执行模块需支持高速公路场景下自动驾驶功能和特定停车场场景下自主泊车功能，传动系统应具备停车后自动挂P档并锁止变速箱的功能，即电子换挡系统的应用。

本文针对某SUV车型自动驾驶车辆介绍电子换挡控制器的系统结构、硬件开发及控制策略。

1 电子换挡系统总体设计

电子换挡系统包括电子换挡器、换挡执行器、执行器控制器三部分组成，电子换挡器为换挡操纵机构，可将驾驶员的换挡意图通过CAN总线传输给其他控制单元。换挡执行器与变速器换挡摇臂相连，通过执行器内部的电机来驱动变速器实现挡位切换，执行器控制器是电子换挡系统的核心控制单元，它通过换挡器反馈的驾驶员意图与整车行驶状态结合进行相应的逻辑判断，最终发送目标挡位给TCU（变速器控制单元），最终实现挡位的切换。

图1 电子换挡系统示意图

不同于传统的机械式换挡器有P/R/N/D等可停留的稳态位，电子换挡器仅有两个稳态位O及M，每换一次挡位换挡杆自动回到稳态位，电子换挡器没有确定的挡位，驾驶员的每一次动作都是相对于车辆当前挡位进行处理的。下图为电子换挡系统挡位布置及换挡逻辑图。

图2 挡位布置图

图3 换挡逻辑图

2 电子换挡系统控制策略

整车上电后，电子驻车执行器内部的位置传感器首先进行自检，确认当前电机所处位置是否是P挡，若不是电子换挡器会发出指令将电机驱动至P挡位置。然后驾驶员踩下制动踏板按下解锁按键，拨动换挡杆，发出换挡请求。换挡杆在转动过程中带动固定在上面的电磁铁与换挡器内部电路板上的霍尔传感器相互感应，根据感应的不同角度输出对应的驾驶员意图信号。执行器控制器通过从CAN总线上读取整车车速、制动踏板等相关信号，再结合变速器当前挡位信号向换挡执行器发送目标挡位信号，换挡执行器根据目标挡位驱动电机转动，使变速器退出P挡切换至其他挡位。

图4 换挡流程图

由于电子换挡器的挡位无锁止，可随意切换，因此在换挡过程中需要制定详细的换挡策略，同时需要考虑车门、EPB等系统的协同控制。

图5 电子换挡系统框图

2.1 进P挡策略

表1

2.2 进R挡策略

表2

2.3 进N挡策略

表3

2.4 进D挡策略

表4

2.5 进M挡策略

表5

除了正常挂入挡位的控制策略还制定了关于驾驶员误操作的控制策略。

3 电子换挡系统硬件设计

电子换挡系统硬件设计系统框图。

图6 硬件设计框图

3.1 主芯片电路

选取飞思卡尔MC9S12G128系列作为主控芯片，16位处理器。电路基本功能，供电电源5V，MCU引脚增加排阻，满足ESD试验要求，5V电源口增加∏型滤波，满足GB18655 CLASS 3试验要求，可靠性高、抗干扰能力强、低功耗。

图7 主芯片电路

3.2 电源模块电路

电源模块的芯片选取TLE4275：输出电压范围5V±2%，精度高、低电流损耗，上电和低电压自动复位，短路、反接、过温、过载保护功能。电路基本功能，车身电源9-16V转换为5V，满足ISO7637试验要求，满足GB18655 CLASS 3试验要求。

图8 电源模块电路

3.3 CAN通讯电路

CAN通讯模块的芯片选取TJA1040，完全兼容ISO11898标准；高速通讯最大到1MBaud，采用单点采样方式；采样点位置：80±5%，重同步跳转宽度：10～20%，低电磁辐射。电路基本功能，TJA1040的TXD和RXD口与MCU的CAN模块接口TXCAN和RXCAN相连，用于接发信号，满足CAN信号线对电源、地线短路测试，芯片输出口增加共模电感、防静电二极管、滤波电容满足BCI、RI、ESD试验要求。

图9 CAN通讯电路

4 台架试验及标定

将本文所述电子换挡系统与自动变速器相连进行模拟测试及标定，测试结果显示执行电机换挡响应快，时间＜250ms，可满足车辆停止后自动挂P档并锁止变速箱需求。

图10 台架试验及标定

图11 标定曲线

5 结论

针对自动驾驶车辆，本文提出了一种电子换挡系统，以实现停车后自动挂P档并锁止变速箱的功能，通过结构及软硬件匹配设计，可满足自动驾驶车辆需求。

[1] 陈振文,何晓妮,范汉茂,谭火南,刘志刚.基于自动变速器的线控换挡控制器开发[J].机电工程,2018,1.

[2] 李景富,许少华.电子换挡技术解析[J].技术论坛,2016,4.

[3] 彭江,马翔,夏超,刘雪珂,叶明,李鑫.搭载机电控制CVT的电子换挡系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学）,2015,11.

Design of electronic shift system for automatic driving vehicle

Ji Mingwei, Chang Yaohong, Lv Mengli

( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Intelligence is the main direction of automobile manufacturing industry in the future. In view of the conditional automobile, the chassis execution module should support the auto-parking function in specific parking scenes. The trans -mission system should have the function of auto-shifting P gear and locking transmission after parking, that is, electronic conversion. Application of block system.

automatic drive; electronic shift; transmission

A

1671-7988(2018)24-33-03

V323

A

1671-7988(2018)24-33-03

V323

季明微（1985-），女，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.010