专利名称：一种6挡手自一体电子排挡及其设计、控制方法
技术领域：
本发明涉及ー种6挡手自一体电子排挡及其设计、控制方法，属机动车变速箱控制技术领域。
背景技术：
随着世界能源紧张局势进ー步加剧，以及电子技术、控制技木、汽车变速器等技术的进步和电动汽车、混合动カ汽车和新能源汽车的迅速发展，诸多机动车机械控制机构开始被电子控制所取代，汽车电子排挡技术也应运而生。传统的换挡器与变速器之间采用机械连接方式，对换挡速度反应较慢，燃油经济性低，结构复杂且维修困难，而电子排挡的出现实现了机械部件的电子化，取消了传统换挡器与变速器之间的机械连接，直接通过电子控制来完成换挡。 电子排挡的优势在于可通过内部控制方法避免驾驶者误操作对变速器造成的损坏；换挡反应速度较快，降低油耗，节能环保；具有強大的防盗性能；不需机械连接部分，具有更高的可靠性和稳定性，同时寿命更长；重量轻体积小，生产成本低。基于以上诸多优点，电子排挡正成为汽车换挡技术发展的ー种趋势。电子排挡的主要原理是通过在换挡操纵杆底端放置一块永磁体，驾驶者拨动换挡操纵杆时，永磁体随着换挡操纵杆一起运动，使电路板上的对应的开关型霍尔传感器触发，并将触发信号发送到整车控制控制器以实现换挡功能。近年来，基于由开关型霍尔传感器采集挡位信号的电子排挡技术有所发展，这种传感器是根据霍尔效应制成的ー种磁场传感器，它对外加磁场的大小和方向都很敏感。对于以往的6挡手自一体汽车电子排挡，由于这种开关型霍尔传感器触发的特殊性，为使传感器准确感应挡位，不仅需要布置较多的传感器，而且根据永磁体的形状、尺寸及材料的不同需多次校准传感器在电路板上的分布，测试开发周期较长，成本较高，空间要求较大，且容易误触发造成换挡失败。例如中国专利“电子换挡器”(专利号ZL200820153292. 2)，在电路板上共设有10个开关型霍尔传感器对应主面板上的6个挡位。迄今为止，尚未发现这样的报道可通过ー种方法，精确计算出永磁体在电路板上各位置的磁场分布情况来准确定位出传感器的分布，从而设计出仅用6个开关型霍尔传感器即可精准实现6挡位手自一体汽车电子排挡的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于为避免6挡手自一体电子排挡使用较多开关型霍尔传感器，且测试开发周期较长，成本较高，空间要求较大，甚至容易误触发造成换挡失败的不足，提供了一种能够快速精准确定开关型霍尔传感器在电路板上分布的方法，并以此辅助仿真软件设计出了仅用6个开关型霍尔传感器即可实现正常工作的6挡手自一体汽车电子排挡，并给出了基于此的6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法。本发明提供了以下技术方案
技术方案I :一种确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡的电路板上分布的设计方法，其特征在于首先，采用等效磁荷法计算磁体在空间任一位置磁感应強度的数学模型；然后，以该模型为理论依据设计了辅助仿真软件；最后，利用该辅助仿真软件根据磁体的各项參数得到电路板上的触发区域，确定并优化开关型霍尔传感器在电路板上的分布。技术方案2 :根据技术方案I所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于在采用等效磁荷法建立数学模型步骤中，计算下列因素对磁体在空间磁感应强度的影响磁体的形状和位置參数；磁体的面电荷密度以及磁体所用材料的相对磁导率；不同型号的开关型霍尔传感器对应的动作点。技术方案3 :根据技术方案2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于所述磁体的形状和位置參数包括圆柱形磁体的半径和高度，方形磁体的长宽高，磁体下表面中心相对于电路板的坐标，以及磁体旋转的角度和旋转中心点距离电路板的高度。技术方案4.:根据技术方案2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在干所述辅助仿真软件的三维绘图区可根据磁体的形状和位置參数的不同画出空间中不同形状和位置的磁体，同时还可设定不同磁体的颜色以方便区分。技术方案5 :根据技术方案2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在干在针对所述不同型号的传感器设置动作点时对于同一磁体，若传感器的动作点增大，则相应的触发区域縮小，反之区域扩大。技术方案6 :根据技术方案5所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在干所述辅助仿真软件可根据磁体和传感器的不同參数，在三维绘图区中画出相应的触发区域，为使设计人员能够快捷直观地根据分析结果设计传感器分布，将触发区域显示在ニ维坐标系中，并显示与磁体一致的颜色以便区分。以此来取代传统的实物测试方法，该软件能够为设计人员在确定霍尔传感器的布局时提供决策參考，从而大大减少了设计人员的工作量。技术方案7 :根据技术方案1-6中之一所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在干在不同的触发区域仅放置一个霍尔传感器以保证每个挡位下都只有一个传感器触发。技术方案8 :一种通过技术方案1-7中之一的设计方法设计出的6挡手自一体汽车电子排挡，包括主面板、换挡操作杆、永磁体、底座、所述主面板与所述底座围成的ー个立体空间、电路板。技术方案9 :根据技术方案8所述的6挡手自一体汽车电子排挡,其特征在于所述电路板上共有6个开关型霍尔传感器与单片机的6个输入口相连，这6个开关型霍尔传感器分别与主面板上的巡航/取消巡航挡、前进挡、巡航加速挡、巡航减速挡、空挡和驻车挡、倒车档相对应。技术方案10 :根据技术方案8或9所述的6挡手自一体汽车电子排挡,其特征在于电路板上设计有4个反向器与单片机的4个输出ロ相连，这4个反向器可在一定程度上消除信号的抖动，保持信号的稳定性；并针对不同车型所识别的逻辑值0、1的电压范围的不同可进行调整，从而使这种电子排挡具有可移植性。技术方案11 :一种对技术方案8-10中之一的6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，所述方法是当驾驶者进行换挡操作时，换挡操纵杆底端的永磁体随之运动，空间的磁场产生相应变化，使电路板上的开关型霍尔传感器动作，相连的单片机引脚就有电压跳变引发单片机端口中断，利用单片机输入捕捉功能，快速收集不同挡位时6个开关型霍尔传感器的触发信号，并通过电路板上的4个反向器向整车控制器输出4位逻辑值，整车控制器根据这4位逻辑值的组合识别驾驶员选择的挡位，并发出换挡指令。技术方案12 :根据技术方案11所述的ー种6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，其中，6个开关型霍尔传感器的触发情况与单片机经4个反向器向整车控制器输出的4位逻辑值的对应关系为1号传感器触发时，产生0、1、1、0的逻辑值；2号传感器触发时，产生0、0、1、1的逻辑值；3号传感器触发时，产生0、1、0、1的逻辑值；4号传感器触发时，产生1、0、1、0的逻辑值；5号传感器触发时,产生1、0、0、1的逻辑值；6号传感器触发时,产生I、 1、0、0的逻辑值。技术方案13 :根据技术方案11或12所述的ー种6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，其中，单片机经4个反向器向整车控制器输出的4位逻辑值与各个挡位的对应关系为逻辑值为0、1、1、0时，对应M/A挡(巡航取消巡航挡);逻辑值为0、0、1、1时，对应巡航加速挡；逻辑值为0、1、0、1时，对应前进挡；逻辑值为1、0、1、0时，对应巡航减速挡；逻辑值为
1、0、0、1时，对应空挡和驻车挡；逻辑值为1、1、0、0时，对应倒车挡。本发明的6挡手自一体汽车电子排挡，相较于以往的电子排挡，由于采用了仿真软件辅助设计的方法，对永磁体进行了快速精准的触发区域分析，为设计人员在确定霍尔传感器的布局时提供决策參考，仅用6个开关型霍尔传感器即可实现6挡位之间的换挡操作，大大缩短了测试开发周期成本更低，操作精度更高，具有更好的稳定性和可移植性。尤其相较于机械式换挡器，还具有较快的换挡反应速度，強大的防盗性能，更可避免误操作对变速器造成的损坏等优点。
图I是圆柱形永磁体坐标系建立的示意2是汽车电子排挡基本原理图；图3是辅助仿真软件使用流程图；图4是本发明ー种6挡手自一体汽车电子排挡的主面板挡位示意图；图5是本发明ー种6挡手自一体汽车电子排挡结构示意图；图6是图4中所述电路板的示意图。
具体实施例方式为使本发明的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进ー步阐述本发明。图I是圆柱形永磁体坐标系建立的示意图，以圆柱形永磁体为例,采用等效磁荷法计算磁体在空间任一位置磁感应強度的数学模型。圆柱形永磁体坐标系的建立如图I所示。所谓的等效磁荷法是本领域中用来根据磁场计算磁荷強度的ー种数值计算方法。其原理是空间磁场是由磁荷产生，因此ー块有限大小的永久磁铁在空间产生的磁场，可视为是按某种规律分布的磁荷在空间产生的磁场的迭加，即可将永久磁铁等效为按一定规律分布的磁荷，这样空间中任意一点的磁感应強度都可以计算出。具体模型及计算公式如下设磁体上下表面的面电荷密度分别为+ 0 *和-O %在空间中任意一点M(r，z)的磁场强度H(r，z)由上下两个表面分别在该点产生的磁场强度的叠加，即H(r, z) = H+(r, z)~W {r, z)(2)其中
+, x CT 0卞 n=R P1 M[_ ⑶
i+
、-a r=R XVi . SQH レ,)^ J Jr r⑷
4^o L Jri-° P1-MP1+和P1-分别为位于两个表面上的点，两个点与对称轴之间的距离r相等，高度z的差为磁体的高度，设仁，i0，iz为图所示圆柱坐标系中的单位向量，则〗—I 和^ 分别由如下两式给出
-*■R+M ={r — rx cos0)1, —sin Gi() + {ニ一h、ik (5)
.......................................... Pi M = (r — cos 0)1, — /1 sin Oio + (z)/ ん (6)因此，上下两个表面分别在M点产生的磁场强度可由如下解析式给出
r ,、 (7 ro=i- (r - r cos(6 ))/；- -r, sin(0)iu +(z- h)i, , IrtH (へニ)=---~^~^1~———,…i\di\d0 (7)
ATCfi^ ん=0 -frI=0 (r- + r{ — Irrl cos(の + (z-h).广 _
「 n rr_,-cr 「 む(V=人,(厂一ハ cos((9))/,.-r, sin(沒)/" + 二/'z ,,ハH (r，ニ} =---~-!~ ノ、…r'cir'cW (8)
AfTfia 知=0 V0 (r + F1 — Irrl cos(の + z f '利用以上公式计算出空间中任意一点的磁场强度H后，可根据磁感应强度B与磁场强度H的关系ゾI = + 7 )求出磁感应強度的大小。求出磁感应強度之后，对应该点的传感器触发情况就非常容易判断出。另外，在在采用等效磁荷法建立数学模型步骤中，需要考虑诸多因素对磁感应强度的影响，例如包括圆柱形磁体的半径和高度，方形磁体的长宽高，磁体下表面中心相对于电路板的坐标，以及磁体旋转的角度和旋转中心点距离电路板的高度等在内的磁体的形状和位置參数；磁体的面电荷密度以及磁体所用材料的相对磁导率；不同型号的开关型霍尔传感器设置对应的动作点等。图2是汽车电子排挡基本原理图。如图2所示，常用的电子排挡的基本原理是在换挡操纵杆底端放置一块体积很小的永磁体2，当驾驶员拨动换挡操纵杆时，永磁体2随着换挡操纵杆I的运动而运动，电路板上的开关型霍尔传感器6感应磁场变化，根据多个传感器的触发信号组合即可判断驾驶者的挡位选择。图3是辅助仿真软件使用流程图。如图所示，与建立模型时考虑的各參数相对应，仿真人员可进行磁体的形状和位置參数设置，包括圆柱形磁体的半径和高度，方形磁体的长宽高，磁体下表面中心相对于电路板的坐标，以及磁体旋转的角度和旋转中心点距离电路板的高度等參数，并在三维绘图区形象地画出空间中不同形状和位置的磁体，为方便区分还可设定不同磁体的顔色。然后根据磁体的面电荷密度以及磁体所用材料的相对磁导率等參数，以便计算出不同材料的磁体在空间中 不同位置的磁场大小。之后根据不同型号的传感器设置相应的动作点，对于同一磁体，若传感器的动作点増大，则相应的触发区域会缩小，反之区域扩大。最后还可根据磁体和传感器的不同參数，在三维绘图区中形象地画出相应的触发区域，为使设计人员能够快捷直观地根据分析结果设计传感器分布，还可将触发区域显示在ニ维坐标系中，并显示与磁体一致的颜色以便区分。仿真人员在设计传感器分布时只要在不同的触发区域放置ー个开关型霍尔传感器6即可保证在每个挡位下都只有一个传感器触发，又不会存在两个传感器同时触发的错误状态，而提高了换挡操作的准确性和安全性，更好的满足电子排挡的设计要求。本发明的电子排挡共有6个挡位定义，如图4所示，换挡操纵杆当前所处位置为D挡(前进挡);D挡前侧为M/A挡(巡航/取消巡航挡)；D挡左右两侧分别为“ + ”挡(巡航加速挡)和挡(巡航减速挡)；D挡后方的左右两侧分别为N挡(空挡和驻车挡)和R挡(倒车挡)。本发明的换挡操纵杆可以分别稳定停留在D挡、N挡和R挡中的任ー挡位，其余挡位为暂态挡位，当驾驶员将挡位分别拨到所述M/A挡、“ + ”挡、挡后，换挡操纵杆都会自动返回D挡位置。图5是本发明ー种6挡手自一体汽车电子排挡结构示意图。如图5所示，本发明ー种6挡手自一体汽车电子排挡主要包括主面板4、换挡操纵杆I、永磁体2、底座5、所述主面板与所述底座围成的ー个立体空间7、电路板3。图6是图3中所述电路板的示意图。如图6所示，在电路板上分布了 6个开关型霍尔传感器6与6个挡位分别对应，这6个传感器在电路板上的分布是经过所述软件仿真后确定的。当驾驶者进行换挡操作吋，换挡操纵杆底端的永磁体随之运动，空间的磁场产生相应变化，使电路板上的开关型霍尔传感器动作，相连的单片机引脚就有电压跳变引发单片机端口中断，利用单片机输入捕捉功能，可以快速收集6个传感器的触发状态信号同时输入到单片机进行处理，单片机经4个反向器输出4位逻辑值，整车控制器由4位逻辑值与挡位的对应关系来识别驾驶员选择的挡位，并发出换挡指令。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和主要优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡的电路板上分布的设计方法，其特征在于 首先，采用等效磁荷法计算磁体在空间任一位置磁感应强度的数学模型； 然后，以该模型为理论依据设计辅助仿真软件； 最后，利用该辅助仿真软件根据磁体的各项参数得到电路板上的触发区域，确定并优化开关型霍尔传感器在电路板上的分布。
2.根据权利要求I所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于 在采用等效磁荷法建立数学模型步骤中，计算下列参数对磁体在空间磁感应强度的影响磁体的形状和位置参数；磁体的面电荷密度以及磁体所用材料的相对磁导率；不同型号的开关型霍尔传感器设置对应的动作点。
3.根据权利要求2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于所述磁体的形状和位置参数包括圆柱形磁体的半径和高度，方形磁体的长宽高，磁体下表面中心相对于电路板的坐标，以及磁体旋转的角度和旋转中心点距离电路板的高度。
4.根据权利要求2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于所述辅助仿真软件的三维绘图区可根据磁体的形状和位置参数的不同画出空间中不同形状和位置的磁体，同时还可设定不同磁体的颜色以方便区分。
5.根据权利要求2所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于在针对所述不同型号的传感器设置动作点时对于同一磁体，若传感器的动作点增大，则相应的触发区域缩小，反之区域扩大。
6.根据权利要求5所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于所述辅助仿真软件可根据磁体和传感器的不同参数，在三维绘图区中画出相应的触发区域，为使设计人员能够快捷直观地根据分析结果设计传感器分布，将触发区域显示在二维坐标系中，并显示与磁体一致的颜色以便区分。
7.根据权利要求1-6中之一所述的确定开关型霍尔传感器在6挡位手自一体汽车电子排挡电路板上分布的设计方法，其特征在于在不同的触发区域仅放置一个霍尔传感器以保证每个挡位下都只有一个传感器触发。
8.一种通过权利要求1-7中之一的设计方法设计出的6挡手自一体汽车电子排挡，包括主面板、换挡操作杆、永磁体、底座、所述主面板与所述底座围成的一个立体空间、电路板。
9.根据权利要求8所述的6挡手自一体汽车电子排挡，其特征在于所述电路板上共有6个开关型霍尔传感器与单片机的6个输入口相连，这6个开关型霍尔传感器分别与主面板上的巡航/取消巡航挡、前进挡、巡航加速挡、巡航减速挡、空挡和驻车挡、倒车档相对应。
10.根据权利要求8或9所述的6挡手自一体汽车电子排挡，其特征在于电路板上设计有4个反向器与单片机的4个输出口相连，这4个反向器可在一定程度上消除信号的抖动，保持信号的稳定性；并针对不同车型所识别的逻辑值0、1的电压范围的不同可进行调整，从而使这种电子排挡具有可移植性。
11.一种对权利要求8-10中之一的6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，所述方法是当驾驶者进行换挡操作时，换挡操纵杆底端的永磁体随之运动，空间的磁场产生相应变化，使电路板上的开关型霍尔传感器动作，相连的单片机引脚就有电压跳变引发单片机端口中断，利用单片机输入捕捉功能，快速收集不同挡位时6个开关型霍尔传感器的触发信号，并通过电路板上的4个反向器向整车控制器输出4位逻辑值，整车控制器根据这4位逻辑值的组合识别驾驶员选择的挡位，并发出换挡指令。
12.根据权利要求11所述的一种6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，其中，6个开关型霍尔传感器的触发情况与单片机经4个反向器向整车控制器输出的4位逻辑值的对应关系为1号传感器触发时，产生0、1、1、0的逻辑值；2号传感器触发时，产生0、0、1、1的逻辑值；3号传感器触发时，产生0、1、0、1的逻辑值；4号传感器触发时，产生1、0、1、0的逻辑值；5号传感器触发时，产生1、0、0、1的逻辑值；6号传感器触发时,产生1、1、0、0的逻辑值。
13.根据权利要求11或12所述的一种6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法，其中，单片机经4个反向器向整车控制器输出的4位逻辑值与各个挡位的对应关系为逻辑值为0、1、1、0时，对应Μ/A挡(巡航取消巡航挡);逻辑值为0、0、1、1时，对应巡航加速挡；逻辑值为0、1、0、1时，对应前进挡；逻辑值为1、0、1、0时，对应巡航减速挡；逻辑值为1、0、0、1时，对应空挡和驻车挡；逻辑值为1、1、0、0时，对应倒车挡。
全文摘要
本发明公开了一种6挡手自一体电子排挡及其设计、控制方法，通过一种能够快速精准确定开关型霍尔传感器在电路板上分布的方法，设计出仅用6个开关型霍尔传感器即可实现正常工作的6挡手自一体汽车电子排挡，并给出了基于此的6挡手自一体汽车电子排挡的控制方法。本发明采用仿真软件辅助设计的方法，大大缩短了测试开发周期，实用性强，且设计出的6挡手自一体汽车电子排挡使用较少的霍尔传感器，成本较低，同时操作精度较高且具有更好的稳定性和可移植性。
文档编号G06F17/50GK102760188SQ20121020248
公开日2012年10月31日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者周晓翠, 孙炜, 彭九英, 成艾国, 焦腾, 袁新焰, 陈彩霞 申请人:湖南大学, 湖南湖大艾盛汽车零部件装备制造有限公司