摘要：开发用于轿车的双离合器式自动变速器电控单元（TCU）的总线系统，应用网络分析工具CANoe搭建系统CAN网络节点的仿真平台。对网络的拓扑结构、应用层数据定义及总线波特率进行了仿真与优化，并根据仿真结果分析总线运行情况。提出轿车电动干式双离合器的综合控制策略，整车试验结果表明通过CAN总线使TCU与ECU之间进行实时通信，对发动机、双离合器和变速箱三者进行综合控制，能够有效提高DCT轿车的换档品质，实现动力换档。
论文关键词：车辆工程,干式双离合器,CAN总线,控制策略
双离合器 (Dual Clutch Transmission, DCT)是近几年来汽车传动领域里发展起来的一种新型自动变速器[1，2]。与湿式双离合器不同，本项目开发的DCT系统是以干式双离合器作为工作元件，具有六个前进档和一个倒档。主要是依靠离合器执行电机和换档执行电机对离合器和换档机构进行控制，实现轿车平稳起步和换档[3]。
尽管双离合器的滑磨控制是实现动力换档的关键，但它是以增加离合器热负荷、减少离合器使用寿命为代价的[4]。为了更好地发挥DCT动力换档的优势，在DCT电控单元TCU与发动机的ECU之间进行CAN通信。充分利用发动机电子控制系统控制发动机转速及时、准确的特点，使之与双离合器相互协调配合，将有利于DCT换档品质[5,6]的进一步提高，同时也保证车辆具有良好的经济性，使车辆油耗和排放等方面有所改善。此外，运用CAN 总线实现数据共享，对减少传感器数量（节气门开度传感器和发动机转速传感器等）以及对电控单元布线和故障诊断等均有积极意义。
2 CAN通信硬件设计
2.1 核心芯片
轿车干式双离合器式自动变速器控制单元（TCU）主控制器为Freescale16位微控制器S12系列中的9S12DP512。TCU处理变速箱传感器和其它一些车辆传感器信号，根据驾驶意图控制离合器操纵系统、变速箱执行器的动作，根据要求来进行换档。TCU包括8路模拟量输入电路，7路开关量输入电路，7路频率输入电路，8路开关量输出电路，8路PWM输出电路。另外还有符合ISO9141的K线接口，符合ISO11898的3路CAN接口，系统总体结构框图如图1所示。该芯片的PWM模块、A /D模块以及CAN通信模块的良好设计，为实现DCT控制要求提高了可靠保证，同时简化了电控系统软硬件设计过程。
 
图1 系统总体结构框图 图2 CAN 总线接口硬件电路
2.2 CAN接口电路
CAN总线接口硬件电路如图2所示。Philips PCA82C250 是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，此器件对总线提供差动发送能力，而对CAN控制器则提供差动接收能力。它可以增加通信距离，有很强的抗瞬间干扰和保护总线的能力。图中TXD为发送数据输入引脚，RXD为接收数据输出引脚，CANH为高电平CAN 电压输入/输出引脚，CANL 为低电平CAN 电压输入/输出引脚，第8脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式。在这种方式下，为避免射频干扰，使用屏蔽电缆作总线。CANH 和CANL 通过双绞线与发动机节点（ECU）相连，在网络的两端点需加120Ω的匹配电阻，提高数据通信的抗干扰性和可靠性。
2.3 系统可靠性设计
由于车内温度变化范围大( - 45～100℃)，电磁干扰和其它电子噪声强，环境恶劣，要保证系统在车内可靠运行，就必须提高网络结构自身的容错能力和抗干扰能力。
在设计时采用软硬件结合的方法进行抗干扰。硬件方面采用电磁兼容设计，重点处理静电场、磁场和传输线路及电路引入的干扰，采用滤波、去耦、隔离、屏蔽和接地等方式，具体措施如下：
1）CAN总线通信电缆采用屏蔽绞线，由双绞线CAN_H、CAN_L和屏蔽线CAN_SHLD组成；
2）CANH和CANL分别并联一个47pF的电容接地，滤除总线上的高频干扰，具有一定的防电磁辐射作用；
3）通信信号传输到导线的端点时会发生反射， 反射信号会干扰正常信号的传输，因而总线的两个端点加120Ω的匹配电阻。
电动干式DCT系统采用无刷直流电机进行驱动，通过电机读转方式识别离合器位置和换档位置。由于在发动机运行过程中蓄电池电压突变、冲放电等因素导致电机会受到一定的电磁干扰。因此在软件方面采用比错和容错等技术，需要对获得的脉冲信号进行软件滤波，设计上电复位抗干扰程序等。
3 基于CANoe的CAN网络仿真平台
CANoe是由德国Vector公司开发的系统级总线开发工具，具有网络监测和分析功能，还具有强大的系统仿真功能[7]。CAN网络仿真平台由双离合器的TCU、发动机的ECU 、仪表的ICU以及CAN总线组成。系统中信息的传输采用CAN2.0B 通信协议，数据传输速率设为500kbps。
3.1 CAN总线仿真平台
应用CANoe搭建网络节点仿真平台。通过CANoe 数据库工具CANdb++建立DCT轿车控制系统数据库，在数据库中加入仿真节点、报文、信号和环境变量等。其中节点用来虚拟实际的网络节点，消息表示总线上传输的帧，信号代表一个消息的数据场中数据的具体含义。定义消息时需定义消息标识符、消息中数据场的长度，一个消息的数据可以包含多个信号。定义信号时需定义信号的名称信号长度等。
图3为用CANoe面板编辑器创建的仿真控制界面，可以通过界面进行发动机节点、DCT 节点和仪表节点的仿真控制，完成仿真功能并进行结果显示。
CAN 总线上节点由CAPL ( Communication Access Programming Language) 语言编写程序模拟各个节点的行为，模拟实际物理节点报文的发送和处理，仿真实际控制器的控制功能。
3.2 CAN总线仿真结果分析
利用CANoe 观察和测量总线上的数据通信统计情况、动态跟踪总线上数据的内容、显示的消息频率等相关信息。跟踪结果表明：总线负载率为12.40 %，峰值负载率是26.50 %，错误帧为0，属于较好的总线运行情况。开发的CAN 总线可以完成ECU与TCU之间通讯功能并满足总线实时性要求。
4 DCT系统的综合控制
4.1 系统综合控制
DCT的电控系统负责采集车辆运行信息、驾驶员的操作指令，实时在线的对车辆的运行状态和驾驶员意图进行综合处理和判断，实现对双离合器、变速器和发动机三者的协调控制，基于CAN 总线的DCT综合控制系统框图如图4所示。变速器控制单元(TCU)与发动机控制单元( ECU) 通过CAN 总线进行通信并实现信息共享。
DCT换档过程可分为转矩相和惯性相两个阶段[8，9]，在转矩相控制好两个离合器的分离和结合；在惯性相通过CAN通信协议对发动机转矩和转速进行控制，这样极好地控制了换档时间，减少了离合器的滑磨功，提高了换档品质。
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