丰田混合动力汽车线控换挡系统的分析

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1、丰田混合动力汽车线控换挡系统的分析2009年04月15日09:26来源：SAE论文集网字号：大中小打印系统配置线控换挡系统包括如下主要部分：换挡选择模块、混合动力ECU、停车控制ECU、电源 ECU、停车执行机构、混合动力系统和挡位位置指示灯。挡位选择模块 人机交互界面(HMI)可以是使驾驶员以更加舒适方式的换挡，它包括换 挡操纵杆和停车开关。混合动力ECU其主要的功能是控制混合动力系统，此外，由于它的控制逻辑会影响换 挡控制，所以它在线控换挡系统中有重要作用。这个ECU把指令发送给停车控制ECU，实现 前进挡、倒挡和空挡的切换。混合动力ECU可以直接控制混合动力电机。停车控制ECU根据混合动

2、力ECU发出的换挡指令，控制停车执行机构。停车执行机构包括一个磁阻开关电机和一个减速机构，执行机构控制传动轴上的停车 机构。电源ECU控制供电。挡位指示灯显示当前挡位。挡位选择模式挡位选择模式使驾驶员能直接感受到这个系统改善了舒适性。通过最大限度的自由设计 系统提供的换挡模式，过去无法达到的舒适性水平现在可以通过模拟人工程学来实现，因此 一个独特的换挡模式被开发出来。线控换挡系统最重要的特性是换挡操纵力和换挡模式，换挡操纵是一种瞬态，驾驶员的 手从操纵杆放开后，操纵杆返回到预定位置上。因此，不必为了使操纵杆保持在某位置上而 增加一种锁止机构。换挡操纵力的大小要优先于换挡时的感觉，不能大幅度的减

3、小换挡操纵 力，如图1所示。图I换挡操纵力另外，设计换挡模式时考虑了很多其它因素，可以使驾驶员容易记住各个挡位。换挡模 式的特点如下（见图2）：驻车开关换捋操纵杆图2换挡模式a.要选择所需的挡位，驾驶员只需操作换挡杆，而无需考虑挡位的当前位置，因为所 有的换挡操作都是从同一位置开始，换挡模式也是一样的。b换挡时，换挡杆总产生正向的锁止，驾驶员无需试图去使操纵杆停在中间位置，或 担心超出预定位置，这样可以减小换挡操纵力；c挂上前进挡或倒挡都会涉及到双向动作，使驾驶员意识到进行了换挡操作d.停车换挡，系统提供了一个停车机构，驾驶员只需按一下即可，使用简便。x-by-wire编辑目录1 线控油门(T

4、hrottle-By-Wire)2 线控转向(Steering-By-Wire)3 线控换档(Shift-By-Wire)4 线控制动(Brake-By-Wire)5 线控悬架(Suspension-By-Wire)6其他随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化，人们可以不需要传统的 机械机构传递控制信号，而是通过电子手段来驾驶汽车。这一电子手段就是线控 技术(X-By-Wire)。“By-Wire ”可称为电子线控，“X”则代表汽车中各个系统。 如线控转向(Steering-By-Wire)，线控制动(Brake-By-Wire)等。X-By-Wire( 4 张)线控技术是从应用于飞机驾

5、驶控制上的Fly-By-Wire发展而来。该技术利用 传感器将驾驶者输入信号传递到中央处理器、通过中央处理器的控制逻辑发送信 号给相应的执行机构完成驾驶者的相关操作。这样可取代传统的机械结构，实现 对汽车各种运动的电子线控。1 线控油门(Throttle-By-Wire)线控油门主要由油门踏板、踏板位移传感器、电控单元(ECU)、数据总线、 电机和油门执行机构组成。踏板位移传感器随时监测油门踏板位置，当监测到油 门踏板高度位置发生变化时，会瞬间将此信息传送至伺服电机，由伺服电机驱动 油门执行机构实行油门控制。线控油门系统的优点：控制灵敏、精确，发动机能根据汽车的各种行驶信息 精确地调节空燃比，

6、改善发动机的燃烧状况，提高动力性和燃油经济性。还可与 油压、温度和废气再循环电子信号结合，减少废气排放。减少机械组合零部件， 相应减轻机械结构的重量，降低机械零部件的维修几率。2 线控转向(Steering-By-Wire)线控转向系统(SBW)主要由转向盘模块、转向器模块和电控单元(ECU)组成。 在SBW系统中，驾驶者通过转向盘上的传感器将转向信号传递给电控单元，电控 单元将采集信号进行分析处理后将控制信号传递至转向电机，从而控制转向电机 转向所需扭矩，带动车轮转向，实现驾驶者的转向意图。同时，转向轮上的传感 器将车轮转向角、转向加速度反馈给电控单元，由电控单元向转向盘回正力矩电 机发送信

7、号，产生转向盘回正力矩，以提供驾驶者相应的传感信息。线控转向系统的优点：1.提高了整车设计的自由度，便于操控系统的布置。 2转向效率高，响应快，控制灵敏。3消除转向干涉，为实现自动控制以及汽车 动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供先决条件。4.可实现传动比的任 意设置，从而改善汽车操纵性。5.由于取消了机械转向柱，有利于提高汽车碰撞 安全性和整车主动安全性。3 线控换档(Shift-By-Wire)线控换档系统由换挡选择模块、换档电控单元、换挡执行模块、停车控制ECU、 停车执行机构和档位指示灯等组成。在该系统中，驾驶者通过操纵杆的传感器将 换档信号传递给电控单元，电控单元处理信号后将指

8、令发给换档电机，实现前进 档、倒档和空档的切换。其停车控制ECU会根据换档电控单元发出的换挡指令， 控制停车执行机构。线控换档系统的优点：1.线控换档消除了传统机械部件与 变速器联动的约束，从而提升了设计自由度。2换档齿轮的切换由电机驱动，减 少了操纵力。3结构简化，换档响应快，操控灵敏。驻车时，只需轻触驻车开关 就可实现驻车换档。4提高燃油经济性，可节油5%。5减少维护费用。4 线控制动(Brake-By-Wire)线控制动系统由制动踏板模块、车轮及制动执行机构、传感器和电控单元等 所组成。驾驶者进行制动操作时，踏板行程传感器探测驾驶者的制动意图，把这 一信息传递给电控单元，电控单元汇集轮速

9、传感器、转向角传感器等各种信息， 根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力，再发指令给制动执行器对各个 车轮实施制动。同时，控制系统也接受其它电控系统(ABS、ESP、ACC等)传感器的信号，从而保证最佳的减速制动和车辆的行驶稳定性。线控制动系统的优点: 1.制动响应时间短，提高制动性能的同时，可优化ABS和ESP功能。2.结构简单, 系统装配、测试快捷。采用模块化结构，减少机械制动部件，更利于车厢布置， 提升了被动安全性。3增加汽车堵车辅助制动和起步辅助功能。堵车时，驾驶 者只需控制油门踏板，系统就会自动施加一定的制动力以减速停车。当车辆在斜 坡起动时，迅速踩踏一下制动踏板，松开驻车制动，

10、车辆就会平稳起步。5 线控悬架(Suspension-By-Wire)线控悬架系统主要由模式选择开关、传感器电控单元、可调阻尼减振器、高 度控制阀和弹性元件等部件组成。该系统将车速、车辆振动加速、转向轮角速度、 车身距路面高度、路面条件和车辆动态状况等参数传递给电控电元，电控单元综 合处理后发生指令，调节减振器阻尼系数，控制弹性元件的刚度和车身高度。 线控悬架的优点：1由于刚度可调，可有效地抑制转向时车辆侧倾，以及制动时 前部点头和加速时后部下沉等车身姿态的变化，提高舒适性和行驶平顺性。2. 汽车负载变化时，能自动维持车身高度不变。3碰到障碍物时，能瞬时抬高车轮 越过障碍，提升通过性。4使车轮

11、与地面保持良好接触，提高附着力。6其他此外，还有线控操纵系统(Drive-By-Wire)，装备该系统的车辆可摒弃转向 盘、加速踏板和制动踏板等机械操控方式，驾驶者通过一个被称为“X驱动系 统”的操作引导系统进行驾驶。与传统汽车系统相比线控技术具有结构简单、 控制灵敏、效率咼，容易与以电机为能源的动力系统相匹配节能等优点。同时, 采用线控技术的车辆给设计者带来更大的空间，更易实现集成控制。线控技术 的最终发展目标是汽车的集成化控制，它将汽车的各个系统相互结合、相互作用、 共享传感器的数据，更好地发挥各系统的作用，以获得最佳的整车性能，提高车 辆的操纵性、稳定性、安全性和智能化，最终实现无人驾驶

12、。词条图册更多图册X-By-Wire （4 张）点火开关（Igni tion SwitCh点火系统的开关（通常要使用钥匙），可自由开启或关闭点火线圈的主要电路，也适用于 其它电系电路。点火开关种类燃气打火机、燃气灶、燃气热水器的点火开关；汽车摩托车的启动和点火开关；发射 导弹、卫星、各类航天器的点火开关。常见点火开关的点火方式点火方式主要有压电陶瓷打火和通电线圈打火。2汽车点火开关结构钥匙常规启动钥匙常规启动如果一键启动的点火按纽就只有下包括了调教记忆等功能一键启动一键启动的按钮或旋钮必须在接受到智能钥匙的存在时才能起动,这种感应距离一般在 50厘米左右。一般情况下智能钥匙中也有我们通常所说的

13、带有锯齿或凹槽的钥匙它的作用是防止一键启动功能发生故障时，利用机械启动方式进行启动。具有一键启动功能的车子一般不用插入钥匙，但都有插入钥匙的位置（作用是防止一键 启动功能发生故障时，利用钥匙进行启动）3汽车点火开关档位LOCKLOCK锁死汽车，一般的车钥匙放到这个档位就等于锁死了方向盘，方向盘不能有太 大的活动。ACCACC给全车通电，收音机、车灯等可以正常使用，不可以使用空调ONON除了起动机，其余的基础设备都是开着的，可以为方向盘解锁，可以使用空调，但 空调无制冷效果，因为此时压缩机未启动，只有鼓风机运转，吹出来的是自然风。正常行车 时钥匙处于ON状态，这时全车所有电路都处于工作状态。ST

14、ARTSTART发动汽车，启动发动机，耗油，开起车子，空调开始制冷o START档是发动机 启动档位，启动后会自动恢复正常状态也就是ON档。1对于发射机，电池需要35年的寿命;对于接收机，电池寿命同样重要。因为接收机必须始终保 持工作状态，监听用户数据的传输。典型指标要求，平均电流不超过1 mA。解决这个问题的方 法之一就是，让接收机在一段重要时间内保持工作状态,保证这段时问足够长以判定是否存 在合法的传输;而接收机在剩余的时间里休眠，同时接收机必须具有快速唤醒的能力,以最大 化利用已存储的能量。(2) 收发距离与可靠性RKE应用需要好的收发距离和可靠的传输。提高接收机的灵敏度和发射机的功率(

15、电流 消耗没有显著增加)直接影响到收发距离与可靠性。显而易见，低成本是一个要求，因为需要安 装百万个这样的系统。(3) 安全性RKE系统的通信数据应该具有保密性，不易被他人窃取。早期使用固定密码方式容易被 破解;近来的RKE系统逐渐采用具有跳变编码功能的集成电路实现大大提高了安全性。2 硬件电路设计RKE系统是由钥匙扣发射模块和车内接收模块组成的。2.1钥匙扣发射模块钥匙扣发射模块由按钮开关、CPU、射频发射器和钮扣电池组成，电路原理如图2所示。 模块采用3 V的钮扣电池供电。表1为50 Q输出时，不同频率下元件参数值，其数值受PCB布 局的影响。(1) 按钮扫描发射模块接入3个按钮，分别作为

16、上锁、解锁、寻车功能，分别与微控制器DS80C323的3 个外部中断INTO、INTI和INT3相接。按下任一按钮是将DS80C323唤醒，并进入相应的中 断处理程序中。处理完毕后，重新进入待机模式。3个LED分别显示3个按钮的状态。有按钮 按下时，相应的LED会被点亮。(2) 微控制器DSSOC323DS80C323的功能是利用其外部中断对按钮进行扫描，并将扫描的结果加密编码，通过P1.O送 给发射器的数据端DATA。DS80C323的P1.1控制发射器的唤醒。(3)射频发射器MAX1472MAX1472是VHF/UHF基于锁相环的ASK/00K发射器，工作在300450 MHz频段,支持高

17、 达100 kbps的数据速率。当工作电压降至2.1 V时脱离单节锂电池工作，在待机模式仅消耗 100 nA的电流;匹配于50Q系统时,MAXI472的功率放大器能够提供+10 dBm的输出电平， 并保持高于43%的效率。MAXl472发射机特别适合于低成本、高容量、体积是关键因素的应 用。一旦MAXl472的使能引脚电平有效,MAXI472仅需250p s便可使PLL和晶振稳定工作并 发射数据。MAX1472使用基于晶体的PLL,避免了许多基于LC滤波或者SAW发送器的常见 问题。内部固有的晶体频率精度需要更窄的接收机中频带宽，以改善系统灵敏度。使用 MAXI473，可将中频带宽从600kH

18、z减至50 kHz,获得9 dB的灵敏度改善。灵敏度的改善意味 着RKE系统可实现更长距离传输和更高的传输可靠性。2.2车内接收模块车内接收模块由射频接收器、微控制器和汽车指令执行机构等组成。射频接收器将接收 到的00K调制数据解调为原始数据;微控制器将原始数据解码去密得到有效的指令信息，并送 给指令执行机构,由指令执行机构完成相应的动作。考虑到车内接收模块要始终处于工作状态，微控制器仍使用快速低功耗的DS80C323，并 由DS80C323控制接收器处于工作/休眠交替的间歇休眠状态。对于射频接收器,使用与发射器MAXl472配对的MAXI473。MAXI473是一款完全集成的、 低功耗、CM

19、OS超外差ASK接收器，工作在300450 MHz频段，具有一 114 dBm的高灵敏度、 高于50 dB的镜像载波抑制。这款芯片在关断模式下电流消耗低于1.5p A,在接收模式电流 消耗为5.2 mA。MAXI473可接收最高达100 kbps的数据速率，从关断模式到有效数据输出的 过渡时间小于250 p s。MAXI473包含一个一级自动增益控制(AGC)电路，在射频输入信号电 平大于一57dBrm时,可降低低噪声放大器(LNA)35dB的增益。接收器使用带有接收信号强度 指示(RSSD的10.7 MHz中频滤波器,带有集成压控振荡器VCD的片上锁相环(PLL)以及基带数据恢复电路。MAX

20、I473仅需很少的外围元件即可构成RKE系统接收模块的射频前端，如图3 所示。5.3V1 血J卜220pF_ AVDDXTALl XTAU PWRIJNPTOUT VDD5 Th JLT JkeT FTAVDD AGND-A ClfcUF-LNA3NUAJ AUU lI.NASRCDSPLNAODTDFFBDFOLflVlKlIriCKi 悅上rr fnJQPTlomiDVDD TXtNTIXTALSEL -MIXOUTIFIN2 rID.7MHZ TQTROM DS8flCJ23罢T环卫t-aTa err iok?Er10tn u5.kn U O.47pF G 229pF IMOpFEN G

21、Nb OUT315MHz4对.阳MH；42.2匸畑127ISL/nH1201T/；少 Hz国3 RKE系姣接收模块的射頓前罩!凰理发射端软件流程如图4所示。初始化清外部中斷标志，开放外部中斷Y帀除外部中断标 志设说延时时间N例部中断读取P】.O口数据NN取岀按钮数摇.存入鍰冲区Y(包括堆栈 指针I/O 口等)有按钮蛍下？削织咖数据清中断标志41进入停止模式F 等持外部 中斷发生空捋令禁止射频发射器唤醉射频炭射器数据務位发射比Y僚止射频发射霧水刿退出(2)发射端中断流程N数据发送(1)发射端主流程发射端软件谎程按所处理任务的不同，接收模块分为三种工作状态：唤醒与休眠交替的监听状态、接收数据的状态

22、和处理接收数据的状态。接收系统应始终处在间歇休眠的状态以监听外来的信息。当收到有效的通信命令后，触发系统接收数据。数据接收完毕后，对数据进行相关的处理,并有执行机构完成相应的操作,而接收系统则重新进入监听状态。4 系统编码解码设计总体上讲，一个单向RKE系统由一个控制端（钥匙扣发射模块）与一个执行端（车内接收模 块）组成。其中控制端将控制信息经过编码、调制后发射执行端则接收、解调、解码并根据 控制信息执行相应的操作。单向RKE系统的安全关键在于编码。早期使用固定密码方式容 易受到“无线侦听”，易被破解。这里使用跳变密码技术,可有效地避免“无线侦听”，提高安 全性。以下介绍系统编解码设计原理。系统通过微控制器DSC80C323软件编程实现编解码过程。