变速器控制器异常提示问题分析优化

曹勇勇　王杰颖　苏添发　李景伟　高博　吴圣安

【摘  要】本文主要针对在行驶过程中车辆偶发出现仪表提示“请静止时挂入P挡”的问题进行分析和优化。通过对车辆数据进行采集，并对数据和原理进行分析，结果表明问题原因为隐藏式门把手电机工作时产生电磁干扰，导致电子换挡器输入给变速器控制器的换挡信号异常，最后综合考虑开发周期、成本、实施难度等问题，从变速器控制器软件逻辑提升方面入手推出优化方案，解决车辆问题。

【关键词】电磁兼容；变速器控制器；隐藏式门把手电机；电子换挡器

中图分类号：U463.212    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0094-03

Problem Analysis and Optimization of Transmission Control Unit

CAO Yong-yong，WANG Jie-yin，SU Tian-fa，LI Jing-wei，GAO Bo，WU Sheng-an

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Cixi 315336，China）

【Abstract】This paper mainly aims at analysis and improvement the problem when the vehicle is running，the instrument prompts“please put into P gear when it is stationary”. By collecting vehicle data and analyzing the data and principles，the results indicate that the signal from electronic gear shift module（EGSM）to transmission control unit（TCU）was disturbed by hidden door handle motor. Finally，considering the development cycle，cost，implementation difficulty，and other issues，an optimization solution is proposed from the perspective of improving the logic of the transmission controller software to solve the vehicle problem.

【Key words】EMC；TCU；hidden door handle motor；EGSM

隨着汽车工业的发展，智能化、复杂化的汽车电气系统被广泛应用，电器系统的复杂程度的提高，使得汽车系统的电磁兼容问题也愈发复杂，因此在进行电器系统设计时应充分考虑硬件的防护能力与软件的防错能力设计。

本文详细阐述一款在研车型偶发变速器控制器异常提示问题的解决过程，通过问题分析介绍换挡系统的基本工作原理，剖析问题发生的根本原因，并依此寻求合适的优化方案，以期为同业人员在遇到类似问题提供解决问题的思路。

1  产品描述

变速器控制器TCU是车辆挡位切换工作的核心控制器，而在本问题发生的车辆系统中，驾驶员可以通过操作电子换挡器挡杆，使EGSM发出不同占空比的PWM换挡信号，信号通过线束传递给TCU，TCU接收并识别PWM换挡信号后，控制换挡执行器进行挡位切换并通过CAN总线发送信号给仪表进行挡位及信息显示。换挡系统工作原理如图1所示。

2  问题背景

此问题为车辆开发过程中部分试验车辆偶发出现，主要发生在车辆低速起步阶段，驾驶人员未触碰电子换挡器，但仪表提示“请静止时挂入P挡”信息，而根据仪表提示设计定义，确认此提示的触发条件为：当车辆速度高于2km/h时，若驾驶员操作P挡按键，基于安全设计，TCU不执行换P挡指令，并发送CAN信号给仪表进行提示。

通过使用网络设备监控TCU状态，确认当问题发生时，TCU发出了提示指令，并且驾驶人员未触碰P挡按键，由此初步分析问题发生原因应为：①车辆D挡行驶过程中，EGSM存在异常，错误发出P挡信号，TCU接收信号后按照设计要求进行提示；②车辆D挡行驶过程中，EGSM不存在异常，并未发出P挡信号，TCU错误识别PWM换挡信号并误报提示。

为定位问题的根本原因，制定了详细的排查方案，步骤如下。

1）使用示波器设备对EGSM输出端及TCU输入端的PWM换挡信号同时进行采集，确认是否存在信号异常。

2）若示波器采集的信号存在异常，分析是否存在干扰源导致信号异常。

3）找一台未出现问题的同批次车辆，与问题车辆进行问题关联件ABA互换，确认是否存在单品品质差异导致问题发生。

4）若确认不存在单品品质差异，分析骚扰传播路径。

3  干扰源定位

3.1  第1步：确认是否存在信号异常

使用示波器设备同时进行EGSM输出端，以及TCU输入端的PWM换挡信号采集，经过多次问题复现，确认当问题发生时EGSM输出端PWM换挡信号正常，而TCU输入端的PWM换挡信号波形高低电平上均出现了电压波动，高电平正常值为9V，最大波峰12.2V，最小波谷6.8V，低电平正常值为1.5V，最大波峰4.7V，最小波谷-0.7V，波动持续时间近1s。问题波形如图2、图3所示，其中，图2中黄色圆框中为无电压波动时的PWM信号，红色圆框为问题发生时存在波动时的PWM信号，选取一个干扰波形放大，如图3所示。

初步分析，输入TCU的PWM换挡信号波动，TCU识别波动信号后出现误操作，故下一步计划确认导致PWM换挡信号波动的原因。

3.2  第2步：是否存在干扰源导致信号异常

根据每次问题复现的车辆工况，发现问题往往发生在车速从0km/h开始，达到12km/h车辆触发自动落锁动作时，因此怀疑导致PWM换挡信号波动的干扰源为门锁电机及隐藏式门把手电机，但根据示波器采集的信号分析，干扰源的工作时间至少大于1s，而门锁电机的单次工作时间小于0.1s，基本可以排除嫌疑。

为确认干扰源，需要进行以下3个排查步骤。

1）将问题车辆的4个门把手电机插接件拔除，同时使用示波器采集PWM换挡信号，再进行问题复现，发现PWM换挡信号上的波动情况消失，并且问题不再复现。

2）将问题车辆的4个门把手电机插接件重新插上，同时使用示波器采集PWM换挡信号，再进行问题复现，发现PWM换挡信号上的波动情况再现，并且问题复现。

3）车辆挂D挡但停在原地，同时使用示波器采集PWM换挡信号，手动进行解闭锁动作，发现PWM换挡信号上的波动情况与问题车辆跑车时一致，并且问题复现。

综合以上排查结果，可以确认存在干扰源——隐藏式门把手电机及控制器。

3.3  第3步：确认是否存在单品品质差异导致问题发生

使用一台没有出现问题的同批次车辆（下文缩写V1），与问题车辆（下文缩写V2）互换隐藏式门把手电机及控制器，同时使用示波器采集PWM换挡信号，进行问题复现，结果如下。

1）先不进行互换，在V1车辆上进行解闭锁动作，采集PWM换挡信号发现也存在电压波动，高电平最大波峰10V，最小波谷8.5V，低电平最大波峰2.5V，最小波谷1V，但车辆未出现问题。

2）进行隐藏式门把手电机及控制器互换后，在V1与V2车辆上进行解闭锁动作，采集V1与V2车辆的PWM换挡信号发现电压波动情况未出现互换，V1车辆未出现问题，V2车辆问题复现。

3）将车辆状态复原为原车状态，在V1与V2车辆上进行解闭锁动作，采集V1与V2车辆的PWM换挡信号发现电压波动情况未出现互换，V1车辆未出现问题，V2车辆问题复现。

4）进行TCU互换后，在V1与V2车辆上进行解闭锁动作，采集V1与V2车辆的PWM换挡信号发现电压波动情况未出现互换，V1车辆未出现问题，V2车辆问题复现。

5）进行EGSM互换后，在V1与V2车辆上进行解闭锁动作，采集V1与V2车辆的PWM换挡信号发现电压波动情况未出现互换，V1车辆未出现问题，V2车辆问题复现。

综合以上排查结果，可以确认问题现象及换挡信号电压波动不跟随TCU、EGSM、隐藏式门把手电机及控制器，非三者存在单品品质差异导致问题发生，下一步需要确认骚扰传播路径。

3.4  第4步：确认骚扰传播路径

1）隐藏式门把手电机、TCU及EGSM位置关系在V1及V2车辆上一致，且不存在单品品质差异导致，故可以排除骚扰通过空间辐射传播。

2）隐藏式门把手电机、TCU及EGSM不使用同一搭铁点，且传导距离超过0.3m，可能性较小。

3）TCU到EGSM之间的PWM换挡信号线束与隐藏式门把手电机电源线存在最大长度2m的同捆线束布线情况，受捆线工艺的限制，每台车辆上这2根线束贴合共线长度不同（0～2m之间），可能性较大。

3.5  小结

综上考量，遂进行实车排查。

1）将V2问题车辆的隐藏式门把手电机、TCU及EGSM的搭铁点松开，进行问题复现，采集PWM换挡信号发现电压波动情况未出现明显变化，车辆问题复现。

2）进行共线排查，防止剥线破坏原车共线环境，将V1问题车辆PWM換挡信号线束两端从插接件端子退出，外接入1条线径相同的替代线束，与隐藏式门把手电机电源线束不共线，进行问题复现，采集PWM换挡信号发现电压波动完全消失，车辆问题不复现。

3）同时将隐藏式门把手电机电源线束飞线，操作同上一步，然后依次进行共线，共线长度从0m开始，每次增加0.1m直至问题复现，发现当共线长度达到0.6m时，车辆问题复现，PWM换挡信号高电平最大波峰11V，最小波谷8V，低电平最大波峰3.6V，最小波谷0.5V。

综合以上排查结果，确认骚扰传播路径为PWM换挡信号线束与隐藏式门把手电机电源线束共线耦合，当共线长度超过0.6m时PWM换挡信号上耦合的电压波动较大，导致问题发生。

4  原理分析

TCU对于PWM信号的采集识别逻辑如图4所示。信号处理定义及发送原则如下。

1）高低电平阈值定义：高_3.57V/低_2.18V（单个PWM信号从采集高电平开始，到低电平结束的时间即为Δt）。

2）采取上升下降沿的捕获触发方式，基准频率40MHz。

TCU对于采集识别的PWM信号的响应定义见表1。

基于TCU处理逻辑，同时对比分析问题车辆上使用示波器采集的波形，得出结论：PWM换挡信号线束与隐藏式门把手电机电源线束存在最大长度2m的同捆线束布线，隐藏式门把手电机工作时通过线束传导发射，耦合到PWM换挡信号线束中，使得PWM换挡信号低电平出现大于3.57V的电压波动毛刺，TCU进行信号识别时，采集到低电平电压波动，TCU得出的PWM换挡信号占空比Δt / T小于4%，而电机单次工作时间为1.2s，可以覆盖TCU信号识别窗口，当4次信号识别电压波动，都得出高电平占空比小于4%时，TCU进行P挡操作。

5  整改设计

5.1  干扰源——隐藏式门把手电机

门把手电机需要平滑匀速地打开，故使用PWM控制的方式进行供电，这也是门把手线束上辐射的主要来源，调节PWM参数可以有效降低辐射，但会影响现有电机工作状态。

5.2  传播路径——线束

1）PWM换挡信号线束为普通单线，可以更换屏蔽线束降低干扰耦合，维护PWM换挡信号电压稳定。

2）更改PWM换挡信号线束或隐藏式门把手电机线束走线方向，避免并行走线，阻断辐射传播路径。

5.3  被干扰件——TCU

1）软件，原TCU软件仅识别判定高低电平占空比，满足占空比条件立即进行换挡操作，未对PWM信号频率是否满足250Hz±25Hz進行判定，故会将毛刺信号识别为正常换挡信号，对软件进行完善，补充PWM信号频率判定要求。

根据EGSM输出的PWM信号特性与实际测试结果，切换P挡时的高电平占空比是0%，4%的设计预留不但没有起到作用，还使得TCU错误识别了电压波动，故对软件进行完善，要求高电平占空比满足0%条件时才能切换P挡。

2）硬件，TCU端接口电路滤波能力较弱，进行整改增强，降低滤除干扰。

综合考虑，最终选择软件优化方案进行整改，实车验证切实有效。

6  结论

本案例是一个典型的大功率电机通过共线耦合影响敏感零部件的问题，通过对干扰源定位和问题原因分析，采用相应的整改优化方案，成功解决了隐藏式门把手电机对换挡系统的电磁干扰问题。

在解决整车电磁兼容问题时，必须以系统的高度来考虑，综合使用各种可能的方式方法，比如：降低干扰源的干扰水平、破坏干扰路径、提升被干扰件的抗扰度水平、涉及多个用电器间信号传输的系统等，也需要考虑信号处理软件层面的握手，尽可能增强对异常信号的过滤。

参考文献：

[1] 朱立文. 电磁兼容设计与整改对策及案例分析[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[2] 郑军奇. EMC电磁兼容设计与测试案例分析（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[3] 刘晴，赵又群，颜俊平. 汽车线束的电磁干扰问题研究[J]. 安全与电磁兼容，2012（4）：61-64.

（编辑  凌  波）