电控自动变速器电子控制系统的构造与工作原理

1.概述

电控自动变速器的电子控制系统包括传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分，其组成框图如图1-1所示。

传感器部分主要包括节气门位置传感器、车速传感器、发动机转速传感器、输入轴转速传感器、冷却液温度传感器、ATF（自动变速器油）温度传感器、驻车挡/空挡位置开关（又称为空挡起动开关）、强制降挡开关、制动灯开关、模式选择开关、OD开关等。

执行器部分主要包括各种电磁阀和故障指示灯等。

ECU主要完成换挡控制、锁止离合器控制、油压控制、故障诊断和失效保护等功能。

对于液控自动变速器，自动换挡主要是取决于节气门油压和速控油压，即发动机负荷和车速的情况。对于电控自动变速器，与此情况是类似的，即自动换挡也主要取决于发动机负荷和车速，只不过是采用节气门位置传感器和车速传感器的信号来感知发动机负荷和车速的情况，并将这两个信号发送给电控自动变速器ECU，ECU根据存储器中的换挡程序决定升挡或降挡，然后再给换挡电磁阀发出控制信号，换至相应挡位。

图1-1  电控自动变速器的电子控制系统组成框图

例如，丰田车系的四挡电控自动变速器换挡情况（见表1-1），当电控自动变速器ECU使1号换挡电磁阀通电，2号换挡电磁阀断电时，则电控自动变速器为1挡。

表1-1  丰田车系的四挡电控自动变速器换挡情况

电控自动变速器的换挡控制还要取决于冷却液温度、ATF温度等信号。如果冷却液温度、ATF温度过低，电控自动变速器不会升挡。

如果电控自动变速器在工作过程中，满足了锁止离合器的工作情况，电控自动变速器ECU就会给锁止离合器（TCC）电磁阀（一般称为3号电磁阀）通电，切换油路使锁止离合器工作。

在换挡过程中，为了防止换挡冲击，电控自动变速器还会通过4号电磁阀控制换挡油压。

电控自动变速器ECU具有自诊断功能，如果电子控制系统出现故障，ECU会将故障码存储在存储器中，以便读取；另外ECU还会点亮O/D OFF指示灯（或故障指示灯），提示电控自动变速器出现故障，并可通过O/D OFF指示灯的闪烁读取故障码。

如果电控自动变速器出现故障，除了O/D OFF指示灯会点亮，一般电控自动变速器还会锁挡，即电控自动变速器不会升挡也不会降挡，锁挡一定有故障码。

2.传感器的结构与工作原理

（1）节气门位置传感器（TPS）

1）功用。节气门位置传感器安装在节气门体上，用于检测节气门开度的大小，并将数据传送给ECU，ECU根据此信号判断发动机负荷，从而控制电控自动变速器的换挡、调节主油压和对锁止离合器控制。节气门位置信号相当于液控自动变速器中的节气门油压。

2）结构和工作原理。一般采用线性输出型节气门位置传感器，也称为可变电阻式传感器，其结构和工作原理如图1-2所示，实际上是一个滑动变阻器，E是搭铁端子，IDL是怠速端子， VTA是节气门开度信号端子，VC是ECU供电端子，ECU提供恒定5 V电压。当节气门开度增加，节气门开度信号触点逆时针转动时，VTA端子输出电压也线性增大。如图1-3所示，VTA端子输出电压与节气门开度成正比。当怠速时，怠速开关闭合，IDL端子电压为0 V。

图1-2  节气门位置传感器的结构和工作原理

（a）原理图；（b）结构图1—怠速信号触点；2—电阻器；3—节气门开度信号触点；4—绝缘体

图1-3  VTA端子输出电压与节气门开度的关系

由于滑动电阻中间部分容易磨损，使其阻值无法正确反应节气门开度，测量电阻时欧姆表会产生波动，同时输出电压也会过高或过低。当输出电压过高时，会导致升挡滞后、不能升入超速挡，同时会导致主油压过高，出现换挡冲击。当输出电压过低时，会导致升挡提前，汽车行驶动力不足，同时会导致主油压过低，使离合器、制动器打滑。

（2）车速传感器（VSS）

1）功用。车速传感器用于检测电控自动变速器输出轴转速，电控自动变速器ECU根据车速传感器输入的信号计算出车速，并以此信号控制电控自动变速器的换挡和锁止离合器的锁止。

2）类型。常见的车速传感器有电磁式、舌簧开关式、光电式三种形式。一般电控自动变速器装有两个车速传感器，分为1号和2号传感器。2号车速传感器一般为电磁式的，它装在电控自动变速器输出轴附近的壳体上，为主车速传感器；1号车速传感器一般为舌簧开关式的，为副车速传感器，它装在车速表的转子附近，负责车速的传输，它同时也是2号车速传感器的备用件，当2号车速传感器失效后，由1号车速传感器代替工作。

3）电磁式车速传感器的结构和工作原理。如图1-4所示，电磁式车速传感器主要由永久磁铁、电磁感应线圈、转子等组成。转子一般安装在电控自动变速器输出轴上，永久磁铁和电磁感应线圈安装在电控自动变速器壳体上，如图1-4（a）所示。当输出轴转动，转子也转动，转子与传感器之间的空气间隙发生周期性变化，使电磁感应线圈中磁通量也发生变化，从而产生交流感应电压，并输送给ECU，如图1-4（b）所示。交流感应电压随着车速（输出轴转速）具有两个响应特性，一是随着车速的增加，交流感应电压增高；二是随着车速的增加，交流感应电压脉冲频率也增加。ECU是根据交流感应电压脉冲频率大小计算车速的，并以此控制电控自动变速器的换挡。车速传感器信号相当于液控自动变速器中的速控油压，电控自动变速器没有速控阀。

图1-4  电磁式车速传感器的结构和工作原理

（a）原理图；（b）结构图

（3）输入轴转速传感器

对于电控自动变速器，一般在电控自动变速器输入轴附近的壳体上装有检测输入轴转速的输入轴转速传感器。该传感器一般采用电磁式，其结构和工作原理与车速传感器一样。

电控自动变速器ECU根据输入轴转速传感器的信号可以更精确地控制换挡。另外， ECU还可以把该信号与发动机转速信号进行比较，计算出变矩器的转速比，使主油压和锁止离合器的控制得到优化，以改善换挡、提高行驶性能。

（4）冷却液温度传感器

1）功用。冷却液温度传感器的信号不仅用于发动机的控制，还用于电控自动变速器的控制。当发动机冷却液温度低于设定温度（如60 ℃）时，发动机ECU会发送一个信号给电控自动变速器ECU的OD1端子，以防止电控自动变速器换入超速挡，同时锁止离合器也不能工作。当发动机冷却液温度过高时，电控自动变速器ECU会让锁止离合器工作以帮助发动机降低冷却液的温度，防止电控自动变速器过热。

如果冷却液温度传感器发生故障，发动机ECU会自动将冷却液温度设定为80 ℃，以便发动机和电控自动变速器可以工作。

2）结构和工作原理。冷却液温度传感器一般都是一个负温度系数的热敏电阻，如图1-5所示，即温度升高，电阻下降。如图1-6所示，发动机ECU在THW端子接收到一个与冷却液温度成正比的电压，从而得到冷却液温度信号。ECT是电控自动变速器的转换开关。

图1-5  冷却液温度传感器

图1-6  冷却液温度传感器线路图

（5）模式选择开关

1）功用。模式选择开关是供驾驶员选择所需要的行驶或换挡模式的开关。大部分车型都具有常规模式（N或NORM）和动力模式（P或PWR），有些车型还有经济模式（E或ECO）。电控自动变速器ECU根据所选择的行驶模式执行不同的换挡程序，控制换挡和锁止正时。如选择动力模式，电控自动变速器会推迟升挡，以提高动力性；而选择经济模式，电控自动变速器会提前升挡，以提高经济性，常规模式介于两者之间。

2）结构和工作原理。如图1-7所示为常见的具有常规和动力两种模式的模式选择开关线路图，当开关接通NORM（常规模式）时，仪表盘上NORM指示灯点亮，同时电控自动变速器ECU的PWR端子的电压为0 V，ECU从而知道选择了常规模式。当开关接通PWR（动力模式）时，仪表盘上PWR指示灯点亮，同时电控自动变速器ECU的PWR端子的电压为12 V， ECU从而知道选择了动力模式。

图1-7  模式选择开关线路图

（6）驻车挡/空挡位置开关

1）功用。驻车挡/空挡位置开关（又称为空挡起动开关）有两个功用，一是给电控自动变速器ECU提供挡位信息，二是保证只有换挡杆置于P或N位才能起动发动机。

2）结构和工作原理。如图1-8所示，当换挡杆置于不同的挡位时，仪表盘上相应的挡位指示灯会点亮。当ECU的端子N、2或L与端子E接通时，ECU便分别确定电控自动变速器位于N、2或L位；否则，ECU便确定电控自动变速器位于D位。只有当换挡杆置于P或N位时，端子B与NB接通，才能给起动机通电，使发动机起动。

图1-8  驻车挡/空挡位置结构和工作原理

（a）结构图；（b）原理图

（7）OD开关

1）功用。OD开关（超速挡开关）一般安装在换挡杆上，由驾驶员操作控制，可以使电控自动变速器有或没有超速挡。

2）结构和工作原理。如图1-9所示，当按下OD开关（ON），OD开关的触点实际为断开，此时ECU的OD2端子的电压为12 V，电控自动变速器可以升至超速挡，O/D OFF指示灯不亮。

如图1-10所示，当再次按下OD开关时，OD开关会弹起（OFF），OD开关的触点实际为闭合，此时ECU的OD2端子的电压为0 V，电控自动变速器不能升至超速挡，且O/D OFF指示灯点亮。

图1-9  OD开关ON的线路图

图1-10  OD开关OFF的线路图

（8）制动灯开关

1）功用。电控自动变速器ECU通过制动灯开关检测是否踩下制动踏板，如果踩下制动踏板，ECU会取消锁止离合器的工作。

2）结构和工作原理。如图1-11所示，制动灯开关安装在制动踏板支架上。当踩下制动踏板时，开关接通，ECU的STP端子电压为12 V；当松开制动踏板时，开关断开，STP端子电压为0 V。ECU根据STP端子的电压变化了解制动踏板的工作情况。

图1-11  制动灯开关的结构和工作原理

（a）结构图；（b）原理图

3.执行器的结构与工作原理

电子控制系统的执行器主要指电磁阀和故障指示灯，这里只介绍电磁阀。

电磁阀根据功能的不同可以分为换挡电磁阀、锁止离合器电磁阀和油压电磁阀。根据工作原理的不同可以分为开关式电磁阀和占空比式（脉冲线性式）电磁阀。不同的电控自动变速器使用的电磁阀数量不同，一般为3~8个不等。例如上海通用4T65-E型电控自动变速器的电控系统有4个电磁阀，其中2个是换挡电磁阀、1个是油压电磁阀、1个是锁止离合器电磁阀。而一汽大众01M电控自动变速器的电控系统则采用了7个电磁阀。

绝大多数换挡电磁阀是采用开关式电磁阀，油压电磁阀是采用占空比式电磁阀，而锁止离合器电磁阀采用开关式的和占空比式的都有。

（1）开关式电磁阀

1）功用。开关式电磁阀的功用是开启或关闭液压油路，通常用于控制换挡阀和部分车型锁止离合器的工作。

2）结构和工作原理。开关式电磁阀由电磁线圈、衔铁、阀芯等组成，如图1-12所示。当开关式电磁阀通电时，在电磁吸力作用下衔铁和阀芯下移，关闭泄油孔，主油压供给到控制油路。当开关式电磁阀断电时，在复位弹簧的作用下衔铁和阀芯上移，打开泄油孔，主油压被泄掉，控制油路压力很小。

图1-12  开关式电磁阀

（a）结构图；（b）开关式电磁阀通电；（c）开关式电磁阀断电

（2）占空比式电磁阀

1）占空比的概念。占空比是指一个脉冲周期中通电时间所占的比例（百分数），如图1-13所示。

图1-13  占空比

2）结构和工作原理。占空比式电磁阀（又称为脉冲线性式电磁阀）与开关式电磁阀类似，也是由电磁线圈、滑阀、弹簧等组成的，如图1-14所示。它通常用于控制油路的油压，有的车型的锁止离合器也采用此种电磁阀控制。与开关式电磁阀不同的是，控制占空比式电磁阀的电信号不是恒定不变的，而是一个固定频率的脉冲电信号。在脉冲电信号的作用下，电磁阀不断开启、关闭泄油孔。

占空比式电磁阀有两种工作方式，一是占空比越大，经电磁阀泄油越多，油压就越低；另一种是占空比越大，油压越高。

图1-14  占空比式电磁阀

（a）普通型；（b）带滑阀型

4.电子控制单元的结构与工作原理

电子控制单元的英文缩写为ECU（俗称电脑）。电控自动变速器ECU具有换挡控制、锁止离合器控制、换挡平顺性控制、故障自诊断、失效保护等功能。

（1）换挡控制

电控自动变速器换挡时刻的控制是ECU最重要的控制内容之一。汽车在某个特定工况下都有一个与之对应的最佳换挡时刻，使汽车发挥出最好的动力性和经济性。汽车行驶过程中，电控自动变速器ECU根据模式选择开关信号、节气门开度信号、车速信号等参数来打开或关闭换挡电磁阀，从而打开或关闭通往离合器、制动器的油路，使电控自动变速器升挡或降挡。

如图1-15所示为常见四挡电控自动变速器的自动换挡图，具有以下特点：

1）随着节气门开度增加，升挡或降挡车速增加。以2挡升3挡为例，当节气门开度为2/8时，升挡车速为30 km/h，降挡车速为12 km/h；当节气门开度为4/8时，升挡车速为50 km/h，降挡车速为25 km/h。所以在实际的换挡操作过程中，一般可以采用“收油门”的方法来快速升挡。

2）升挡车速高于降挡车速，以免电控自动变速器在某一车速附近频繁升挡、降挡而加速电控自动变速器的磨损。

图1-15  常见四挡电控自动变速器的自动换挡图

（2）锁止离合器控制

电控自动变速器ECU将各种行驶模式下锁止离合器的工作方式编程存入存储器，然后根据各种输入信号，控制锁止离合器电磁阀的通、断电，从而控制锁止离合器的工作。

1）锁止离合器工作的条件。如果满足以下5个条件，电控自动变速器ECU会接通锁止离合器电磁阀，使锁止离合器处于接合状态。

①换挡杆置于D位，且挡位在D2、D3或D4挡；

②车速高于规定值；

③节气门开启（节气门位置传感器IDL触点未闭合）；

④冷却液温度高于规定值；

⑤未踩下制动踏板（制动灯开关未接通）。

2）锁止的强制取消。如果符合以下条件中的任何一项，ECU就会给锁止离合器电磁阀断电，使锁止离合器分离。

①踩下制动踏板（制动灯开关接通）；

②发动机怠速（节气门位置传感器IDL触点未闭合）；

③冷却液温度低于规定值（如60 ℃）；

④当巡航系统工作时，如车速降至设定车速以下，至少10 km/h。

早期的电控自动变速器中，控制锁止离合器的电磁阀是采用开关式电磁阀，即通电时锁止离合器接合，断电时锁止离合器分离。目前许多新型电控自动变速器采用占空比式电磁阀作为锁止离合器电磁阀。ECU在控制锁止离合器接合时，通过改变脉冲电信号的占空比，让锁止离合器电磁阀的开度缓慢增大，以减小锁止离合器接合时所产生的冲击，使锁止离合器的接合过程变得更加柔和。

（3）换挡平顺性控制

电控自动变速器改善换挡平顺性的方法有换挡油压控制、减少转矩控制和N-D换挡控制。

1）换挡油压控制。电控自动变速器在升挡和降挡的瞬间，ECU会通过油压电磁阀适当降低主油压，以减少换挡冲击，改善换挡。也有的电控自动变速器是在换挡时通过电磁阀来减小蓄能器背压，以减缓离合器或制动器油压的增长率，来减少换挡冲击。

2）减少转矩控制。在电控自动变速器换挡的瞬间，通过推迟发动机点火时刻或减少喷油量，减小发动机输出转矩，以减少换挡冲击和输出轴的转矩波动。

3）N-D换挡控制。当换挡杆由P位或N位置于D位或R位时，或由D位或R位置于P位或N位时，通过调整喷油量，把发动机转速的变化减小到最小限度，以改善换挡。

（4）故障自诊断

电控自动变速器ECU具有内置的自诊断系统，它不断监控各传感器、信号开关、电磁阀及其线路，当有故障时，ECU使O/D OFF指示灯闪烁，以提醒驾驶员或维修人员，并将故障内容以故障码的形式存储在存储器中，以便维修人员采用人工或仪器的方式读取故障码。

当故障排除后，O/D OFF指示灯将停止闪烁，但故障码仍然会保留在ECU存储器中。

当OD开关ON时（OD开关断开），如果有故障，O/D OFF指示灯将点亮而不是闪烁。

不同的电控自动变速器，故障指示灯不同。如丰田车系采用O/D OFF指示灯，通用车系采用Service Engine Soon指示灯，本田车系采用D4指示灯。

（5）失效保护

当电控自动变速器出现故障时，为了尽可能使电控自动变速器保持最基本的工作能力，以维持汽车行驶，便于汽车进厂维修，电控自动变速器ECU都具有失效保护功能。

1）当传感器出现故障时，ECU所采取的失效保护措施如下。

①节气门位置传感器出现故障时，ECU根据怠速开关的状态进行控制。当怠速开关断开时（加速踏板被踩下），按节气门开度为1/2进行控制，同时节气门油压为最大值；当怠速开关接通时（加速踏板完全放松），按节气门处于全闭状态进行控制，同时节气门油压为最小值。

②车速传感器出现故障时，ECU不能进行自动换挡控制，此时电控自动变速器的挡位由换挡杆的位置决定。在D位和2位时固定为超速挡或3挡，在L位时固定为2挡或1挡；或不论换挡杆在任何前进挡位，都固定为1挡，以保持汽车最基本的行驶能力。

③冷却液或ATF温度传感器出现故障时，ECU按温度为80 ℃的设定进行控制。

2）电磁阀出现故障时，ECU所采取的失效保护措施如下。

①换挡电磁阀出现故障时，ECU一般会将电控自动变速器锁挡，挡位与换挡杆的位置有关。如早期的丰田车系锁挡情况见表1-2。

②锁止离合器电磁阀出现故障时，ECU会停止锁止离合器的控制，使锁止离合器始终处于分离状态。

③油压电磁阀出现故障时，ECU会停止油压的控制，使油路压力保持为最大。

表1-2  丰田车系锁挡情况