[word格式] 基于DSP的汽车双离合器自动变速系统电控单元硬件抗干扰设计

[word格式] 基于DSP的汽车双离合器自动变速系统电控单元硬件抗干扰设计 基于DSP的汽车双离合器自动变速系统电 控单元硬件抗干扰设计 基于DSP的汽车双离合器自动变速系统电控单元 硬件抗干扰设计 Anti-InterferenceDesignofHardwareofDual-ClutchAutomaticTransmiss ion ECUBasedonDS;P 邵佳林刘振军秦大同 (重庆大学机械传动国家重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 ,重庆400044) 摘要:双离合器自动变速器是一种新型的变速器,与其他类型的变速器相比,它具有很多特有的优势.电控单 元是变速器的控制中心,在汽车恶劣的工作环境中,保证变速器电控单元的稳定工作对维护汽车传动系统良好的可 靠性起着至关重要的作用.根据电控单元所处的环境,在 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了各种干扰入侵方式的基础上,研究了供电系统,输入 输出通道,PCB设计等方面的抗干扰技术,使变速器电控单元的稳定性和可靠性得到了较大提高. 关键词:DCTDSP硬件光电隔离抗干扰 .Abstract:Dual—clutchautomatictransmission(DCT)isanewtypeofautom atictransmission,whichhasmanyspecial advantagescomparedwithothers.Theelectriccontrolunit(ECU)isthecontrolcenteroftheDCT.Intheadverseworking conditionsofvehicle.it?sveryimportantforthereliabilityofthetransmissionsystemtoguaranteethestabilityoftheECU. AsseveralinterferenceroutesareanalyzedbasedontheconditionoftheECU,thepaperdiscussesmanyanti-interfeFence techniquesfromdifferentaspects,suchaspowersupplysystem,inputandoutputchannel,PCBdesign,etc.,thusthe stabilityandreliabilityofECUaresignificantlyimproved. Keywords:DCTDSPhardwarephotoelectricisolationanti—interference 0引言 双离合器自动变速器(DCT)是一种具有双离合器结构的 新型自动变速器.除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器 的舒适性外.还能提供无问断的动力输出,且结构简单,传动效 率高.目前正受到国外各大汽车公司的重视. 为了保证DCT的自动换挡能够可靠进行,在机械结构设 计良好的基础上.电控单元(ECU)的设计起着的至关重要的作 用本电控单元选用了.rI公司的DSP-一TMS320LF2407A作 为主控芯片该芯片是TI公司面向高端控制领域推出专用数 字处理芯片,3.3V供电,功耗小;指令周期33ns;片内策成了 32k字闪存,16通道1O位高速A/D转换器,16个脉宽渊制 (PWM)模块以及串行通信接口,CAN控制器等.其丰富的片上 外设简化了控制系统的设计,提高了系统的可靠性;强大的数 据处理功能能够支持复杂的控制算法l11. 1系统简介 本系统用步进电机作为选挡,换挡的动力源.电控单元中 包括引入驾驶员意图和汽车行使状态的多路前向通道,为电机 输出脉冲信号的多路后向通道,电源模块以及通信接口等.系 基金项目:国家863计划项目(编号:2006AA1101l1);重庆市自然科学基金项目(编号:2006BB6206). 作者简介:邵佳林车辆工程专业硕士研究生.研究方向为变速器电控单元.研究生期间参与了国家863计划项目——轿 车双离合器自动变速器 刘振军副教授. 秦大同教授. .赞机电一体化29 统框图见图1 l汽车电源{ l —.————————,,—.—————.——— +5V—.,————————————— I+ECU,品振l外部存储器fILDO}lLT3431} 功- 一 , n3v 脉率 TM$3201F2407A冲驱 分动 配电 器路 CAN{RS2321I数字信号I}模拟信号l :皇竺堡I!堡,lI堡lI输入通道I 自匦I转喜挡誊动离合器位耩传感器I/I 图1系统框图 双离合自动变速器有两套独立的传动机构.每套传动机构 都配备了一个离合器当一套机构的某个挡位在传递动力时. 另一套传动机构已经挂上临近挡位.只是这套传动机构的离合 器没有结合..通过离合器的切换.变速器实现换挡控制I21 变速器的电控单元依据节气门开度,发动机转速,车速,离 合器位置和换挡控制策略等判断换挡时机.适时控制选,换挡 电机和离合器电机动作,完成选,换挡和对离合器位置的精确 控制,实现良好的换挡品质:其中发动机转速和节气门开度数 值可通过CAN总线由发动机ECU取得.离合器的转速信号取 自霍尔转速传感器.位置信号取自可变电阻式位移传感器串 行口的输出接液晶显示主要用于系统调试 汽车特殊的1:作环境和较高的安全性要求.对车上电控单 元的可靠性提出了很高的要求抗干扰性能是衡量系统可靠性 的重要指标,抗干扰设计是系统设计中的重要内容 本电控单元所面临的干扰主要有:(1)车上的电子设备高 压点火系统,各种感性负载,各种开关类部件,各种灯具,无线 电设备等工作时产生的电磁干扰:(2)汽车在行使过程中产生 的振动和冲击;(3)汽车上多变的温度,湿度环境 为_r使电控单元在这样的环境下稳定工作.在设计中采取 合适的抗干扰措施是很重要的本文从硬件的角度主要介绍了 电控单元在抗电磁干扰方面所采取的措施l引 2电源抗干扰设计 电源是电控单元的心脏.能够提供一个稳定而优质(噪声 小,能够承受较大的干扰)的电源是决定系统稳定性的关键 2.1主转换器 因为汽车12V的直流电源无法满足ECU对电压幅值的要 求;同时,汽车上有众多电气设备要由同一个电源供电.它们工 作时产生的噪声可能会通过供电源线路耦合到ECU:所以要求 ECU的电源转换部分能够实现降压和稳压的功能另外”负载 30机电一体化iz薯 突降”和”冷车发动”的问题也不容小视 “负载突降”指的是在交流发电机给电池充电时电池电缆 断接的情形这种突然断接可能产生高达60V的瞬态电压尖 峰,如不加抑制,会因为强烈的电冲击造成电子模块的损坏.冷 车发动指的是在低温时起动汽车.这会引起电池电压下降至 6V或更低 综合考虑以上因素.本文选用了凌特尔公司的高压开关稳 压器LT3431作为电控单元的电源转换芯片LT343l是一款开 关频率500kHz的稳压器.在5.5,60V的输入电压范围内均 可输出稳定的5V电压:而且,输出为5V时.在0.5,2A的宽 负载范围内可以达到将近90%的电源转换效率配合良好的外 部电路设计.可以为ECU中的5V器件提供稳定,优质的供电 其应用电路见如图2其中,电感L的选择非常关键,不仅 要考虑对输出电压的要求.而且要考虑电感所要承受的最大电 流值;输入端电容C用于降低开关电源工作时引起的输入端 电压波动并控制开关电流的大小以减小电磁干扰.可以选用容 值22470F的钽电容;输出电容C选用瓷介质电容取代常 用的钽电容以进一步减小输出电压纹波.同时由于瓷介质电容 等效串联电阻太小,必须在端加入合适的C和进行环路 补偿,用以在电流反馈中获得良好的瞬态响应;D为消特基二 极管.其较低的正向压降和极快的反向恢复时间有助于电源效 率的提高 +5V F 图2主电源转换电路 2.2DSP的供电 主转换器的输出可以直接供电控单元中要求5v供电的 器件使用,而所选DSP则要求3.3V的供电电压.所以在主控 芯片与主转换器之间加入低压差线性稳压器fLDO) TPS7333QD.它在输出+33v的同时还有一路200ms延时的 复位信号;不仅可以满足主控芯片对电源电压幅值和复位延迟 时间的要求,而且由于相比开关稳压器,线性稳压器有纹波更 小,输出更佳稳定的优势,由它为主控芯片供电可保证DSP稳 定运行 ?? 为防止数字电路的噪声沿电源线路耦合到DSP片内的 AD转换部分.AD的供电用铁氧体磁珠从TPS7999QD的输出 端引出铁氧体磁珠可等效为随频率变化的电阻和电感的串 联.它能够减弱数字电源的噪声对模拟电源的影响 3过程通道抗干扰设计 过程通道是单元外界与DSP之间进行信息传输的路径. 无论是数字量的输人输出通道.还是模拟量的输入输出通道. 都可能是干扰窜入的渠道 3.1输入通道 在强干扰的环境下进行数据的输入和采集.各种干扰信号 都会随着被测信号进入电控系统:一方面,这些信号叠加在有 用的被测信号上会影响测量精度:另一方面.原信号叠加了干 扰信号后的幅值如果超出了接收器件的容值范围.可能会造成 器件的损坏 本电控系统的输入既有数字信号.又有模拟信号 3.1.1数字信号输入通道 数字信号包括挡位信号,脉冲编码器信号和转速信号.其 中挡位信号为12V开关信号.可用普通光耦隔离.在抑制干扰 的同时也把开关信号的电平转换为3.3V的rrrL电平而来自 脉冲编码器的脉冲编码信号和来自霍尔传感器转速信号均为 5V方波信号.方波信号在传输的过程中常常发生波形畸变.原 因主要有3点:(1)如果传输线上的分布电容较大,方波的上升 沿将明显变缓;(2)信号传输线的阻抗与接收端阻抗不匹配造 成信号下降沿的振荡;(3)其他脉冲信号通过公共电源线或以 串扰,电磁感应等形式叠加到方波信号,使信号上出现附加 噪声. 为了保证在上述情况发生时仍能得到比较理想的波形.可 以用施密特触发器对输入信号进行整形本文选用了 HCC40106B型施密特触发器.它集成了6路带有施密特触发 器的反向器 3.1.2模拟信号输入 本设计对体现离合器位置的模拟信号输入也进行了电气 隔离.以在抑制尖峰脉冲干扰的同时可消除由于传感器与ECU 的地电位不同而产生的共模干扰电路中采用了专门_}=H于模拟 匝 s 705JR 5V 图3离合器位置信号输入通道 信号隔离的反馈型线性光耦.电路见图3. 线性光耦芯片包括了LED,PD1,PD2三部分;电阻R.与 R的比值决定了此隔离环节的增益,=.(其中K是线 1 性光耦的转换增益.为定值).光耦是电流驱动型器件.要求反 馈电路中的运放具有足够的带负载能力.并且电路的反馈形式 还要求运放具有极低的偏置电流AD公司的高性能运放 AD705T(输出电流15mA,输人偏置电压最高仅0.75nA)完全可 以满足要求;C.和的加入增强了电路的稳定性,同时把电路 带宽限制在10kHz以下.减小了输出噪声. 考虑到放大器对电源输出电压的精度,纹波噪声要求较 高.所以.为了保证较高精度,对AD705T的供电选用MORNSU 公司的IA0512KS一1W隔离电源模块该模块由于其较低的纹 波噪声和高精度的双端稳压出.非常适合在运放电路中使用. 3.2输出通道 主控芯片有多路PWM信号输出至脉冲分配器.用以控制 选挡,换挡电机和离合器电机. 控制回路中的电流和电压较大.为防止工作时产生的尖峰 脉冲耦合到DSP.可以在DSP与脉冲分配器之间加人光电耦合 器来切断DSP与强电控制回路间的电气连接. 2~.t38{1l机电一体化31 4通信接口抗干扰设计 在各种通信接口的电路设计中也常使用光电耦合器.并可 取得很好的抗十扰效果应用中要注意根据通信速率选择光耦 的型号.既要保证通信速度又要避免浪费 4.1SCI串行通信接口 由于系统所用的DSP中已经内嵌了串行通信模块.只需 外接1片MAX232实现|rrL电平到RS232电平的转换即可 MAX232最高只有120kbit/s的传输速率.选用普通光耦 TP521—2即可DSP的驱动能力有限.为了使光耦能够正常工 作.在DSP的数据输出端加入反向器SN54LVC32A以增强其 驱动能力.并且采用隔离电源模块对光耦和MAX232供电以保 证良好的隔离效果电路见网4 圈4串行通讯接口 对电源模块的选型要特别注意:考虑到接f_==I较高的工作频 率f如选择普通型号的隔离电源)可能会由于其谐波与其传输 频率产生谐振而影响丁作.本设计所选用的IB0505LS—W75电 源模块纹波极低(<20mVp—p),且电压精度较高,可以满足传 输速度较高时对纹波,电压精度的要求 4.2CAN5线接口 TMS320LF2407A芯片内部已经包含了CAN控制器.但为 了增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能 力还需存DSP和总线之间加入CAN收发器作为接口本文选 用的新型CAN收发器SN65HVDlO50可以抑制较宽范围 (一12,+12V)的共模噪声.而且在静电保护方面可达到8kV的 ESD标称值.具有很强的静电保护能力另外.考虑到在汽车上 的恶劣环境中可能会发生线缆意外破损,总线至电源及接地之 间的线路突然短路等现象.HVD1050还提供了一27,+40V的短 路保护 5印刷电路板(PCB)的抗干扰 印刷电路板是电控系统中器件,信号线,电源线的高密度 集合体,如果设计不当会严重影响电子设备的可靠性.印刷电 路板设计不单是器件,线路的简单布局安排.而是必须在抗干 扰的设计规则指导下经过精心的设计 针对本系统电路板设计中的具体情况.有几点特别值得 注意: (1)为了提高信号质量,增强系统的抗十扰性能,采用四层 F 板的层叠式设计.并合理地安置去耦电容这样.电路板自身较 大的平面电容.再加上各个独立的去耦电容共同作用.能够达 到更好的去耦效果:而且由于信号有了连续的平面作为参考 层.串扰也更容易控制:信号环路面积的减小还有助于提升系 统的EMC性能一般情况下.四层板比两层板的噪声低20dB (2)布局时首先放置DSP,SRAM和晶振.然后按功能独立 原则放置其他IC作为本系统时钟源的外部晶振工作频率达 10MHz.应保证晶振尽量靠近DSP芯片:用于本系统存储空间 扩展的是零等待高速SRAM.频率较高.应把它安排在离DSP 较近的位置节气门开度模拟电压信号是ECU判断驾驶员意 图的重要信号.其电路要与板上的数字电路分开布局.以防受 到数字信号的干扰电机的功率驱动模块也要尽量远离其他电 路.防止其较强的电磁辐射干扰低电平信号温度敏感器件要 远离温度较高的器件(如电源芯片,功率驱动芯片).高温器件 尽量靠近印制板边沿布置.从而缩短传热途径 (3)对重要线路采用手动布线.如:晶体的连线要短而粗. 所有信号线要远离晶体:片外SRAM的连线要尽量短.各地址 线的长短,布线方式应尽量一致.以免形成控制信息的非同步 干扰:电源和地网络的连线要加粗.过孑L也要加大或者使用多 个过孔TMS320LF2407为144脚的LQFP封装.引脚排列非常 密集.在布线之初可先把部分引脚作扇出.以提高布线的质量 和效率一些集成芯片(如上文提到的LT3431)的数据手册中 (下转第36页) 图6温室控制系统监控界面 波动保持存0.1cc之内.这种效果是在国内很难得 4结束语 以』二提出的基于CAN总线的分布式温室自动控制系统是 一 种实时数据采集,数据处理系统.实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 该系统具有通信 质量高,系统性能稳定,结构简单灵活,调试方便,经济实用等 优点.具有较好的控制效果 ;;;;;;蔷 鏊鎏塑;冀耋;鎏鬣,,盘,鎏耋警;魅,焉 日%?目 | l喀礴?毒量 麟麴察l萼i l E峙;一 i媳《ill 雌 l „畦t …目?螂蚝?黯兰嬖={燕!曼??.一一, 曾鲢氇帮} 晕船 图7温室控制效果曲线 参考文献 [1]万皴.CAN总线分布式系统实时通信的研究与应用[D].武汉: 华中科技大学.2004. [2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天 大学出版社.1996. [3]阳惠宽.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 】999 (上接第32页) 会给出关于布线的建议.可作为布线时的重要参考 (4)板上电源种类较多,如5V,3_3V数字,3-3V模拟,12 V等,应埘电源平面进行分割.把使用相同电源电压的器件放 置十?应的区域模拟地和数字地,信号地和功率地也都要分 开地平面被分割后的布线要非常谨慎.特别是较高速的信号 线要跨分割布置,冈为一条不适当的走线就会彻底破坏一个 原f}!好的设计 6其他抗干扰措施 电控单元应采用屏蔽壳体封装.以屏蔽空间辐射干扰高 温环境下,普通的有机树脂印制板已无法满足要求.可以用陶 瓷板材或金属印制板如铝基印制板代替选择器件时要特别注 意其工作的温度范围是否满足车上的温度环境在保证性能的 同时尽量选择贴片封装元件,可以提高系统的抗震能力.获得 更好的高频特性,又可以减小电路板面积生产可在汽车上使 用的高可靠性PCB对PCB企业的技术能力有很高的要求.其 产品必须通过耐热,耐湿等各种测试.制版时最好选择达到汽 午行业 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求(TS16949)的企业.可在电路板制成后在其 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面涂一层防潮绝缘胶以增强电路板的防腐蚀能力I5_ 36机电一体化!_ 7结束语 电控单元是DCT系统的重要组成部分.其可靠性关系到 DCT系统及整车的稳定.汽车上的工作环境恶劣而复杂.变速 器电控单元中的低压弱信号很容易受到干扰在设计中采用必 要的抗干扰措施,对保证DCT乃至传动系统的稳定工作和提 高整车的可靠性都具有重要意义 参考文献 [1]刘向东.DSP技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 2007. [2]杭卫星.双离合器直接换挡自动变速器结构与组成[J].汽车维修 技师,2007(1):17一l8. [3]陈永,于立丰.汽车电路中的抗干扰技术[J].汽车运用,2005 (3):24—25. [4]姜宏旭.电路设计与制版一P0WERL0GICS5.0&一POWERPCB5.0 [M].北京:人民邮电出版社.2004. 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