五、电子控制系统的组成及工作原理
电子控制系统是自动变速器的控制核心，它接收各传感器的信息并通过运算、分析、比较，根据自动变速器的工作状态向电子控制系统执行器发出控制指令，对变速器进行最优化的控制。
1.电子控制系统的组成
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1-1-46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（图中未画出）、输入轴转速传感器（图中未画出）、冷却液温度传感器、ATF油温传感器、空档起动开关、强制降档开关、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。
图1-1-46 电子控制系统组成框图
ECU是电子控制系统的核心，主要完成换档控制、锁止离合器控制、油压控制、故障诊断和失效保护等功能。
2.输入信号
自动变速器的输入信号主要指各种传感器和开关。
（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，从而控制自动变速器的换档、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）结构与工作原理。节气门位置传感器一般采用线性输出型可变电阻式传感器，其结构、原理如图1-1-47所示。它实际上是一个滑动变阻器，有四个接线端子，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，由ECU提供恒定5V电压。当节气门开度增加，节气门开度信号触点逆时针转动，VTA端子输出电压也随之线性增大，如图1-1-48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0V。
图1-1-47 节气门位置传感器的结构、原理
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1-1-48 VTA端子输出电压与节气门开度的关系
（2）车速传感器（VSS）
1）作用与类型。车速传感器用于检测自动变速器输出轴转速，自动变速器ECU根据车速传感器输入的信号计算出车速，并以此信号控制自动变速器的换档和锁止离合器的锁止。
常见的车速传感器有电磁式、舌簧开关式、光电式三种形式。一般自动变速器装有两个车速传感器，分别为1号和2号。2号车速传感器一般为电磁式的，它装在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。
2）结构与工作原理。如图1-1-49a所示为电磁式车速传感器的结构、原理。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。转子一般安装在变速器输出轴上，永久磁铁和电磁感应线圈安装在变速器壳体上，如图1-1-49c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，如图1-1-49b所示，并输送给ECU。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，并以此控制自动变速器的换档。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1-1-49 电磁式车速传感器的结构、原理
（3）输入轴转速传感器 多数自动变速器在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。该传感器一般也是采用电磁式，其结构、原理及检测与车速传感器一样。
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档。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，以改善换档、提高行驶性能。
（4）冷却液温度传感器 冷却液温度传感器的信号不仅用于发动机的控制，还用于自动变速器的控制，用于检测发动机冷却液温度。冷却液温度传感器一般都是一个负温度系数的热敏电阻，即温度升高，电阻下降，其结构和线路连接如图1-1-50所示。当发动机冷却液温度低于设定温度（如60℃），发动机ECU会发送一个信号给自动变速器ECU，以防止自动变速器换入超速档，同时锁止离合器也不能工作。当发动机冷却液温度过高时，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，防止变速器过热。
图1-1-50 冷却液温度传感器结构及线路连接
如果冷却液温度传感器故障，发动机ECU会自动将冷却液温度设定为80℃，以便发动机和自动变速器可以继续工作。
（5）模式选择开关
1）功用。模式选择开关是供驾驶人选择所需要的行驶或换档模式的开关。大部分车型都具有常规模式（NORM）和动力模式（PWR），有些车型还有经济模式（ECO）。自动变速器ECU根据所选择的行驶模式执行不同的换档程序，控制换档和锁止正时。若选择动力模式，自动变速器会推迟升档，以提高动力性，而选择经济模式，自动变速器会提前升档，以提高经济性，常规模式介于二者之间。
2）结构与工作原理。图1-1-51所示为常见的具有常规和动力两种模式的模式选择开关外形及线路图，当开关接通NORM（常规模式），仪表板上NORM指示灯点亮，同时自动变速器ECU的PWR端子的电压为0V，ECU从而知道选择了常规模式。当开关接通PWR（动力模式），仪表板上PWR指示灯点亮，同时自动变速器ECU的PWR端子的电压为12V，ECU从而知道选择了动力模式。
图1-1-51 模式选择开关外形及线路图
（6）空档起动开关
1）功用。空档起动开关有两个功用，一是给自动变速器ECU提供档位信息，二是保证只有变速杆置于P位或N位才能起动发动机。
2）结构与工作原理。图1-1-52所示为空档起动开关外形及线路图，当变速杆置于不同的档位时，仪表板上相应的档位指示灯会点亮。当ECU的端子N、端子2或端子L与端子E接通时，ECU便分别确定变速器位于N位、2位或L位；否则，ECU便确定变速器位于D位。只有当变速杆置于P位或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1-1-52 空档起动开关外形及线路图
（7）OD开关
1）功用。OD开关（超速档开关）一般安装在变速杆上，由驾驶人操作控制，可以使自动变速器有或没有超速档。
2）结构与工作原理。空档起动开关的结构和原理如图1-1-53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12V，自动变速器可以升至超速档，且OD OFF指示灯不亮；当再次按下OD开关，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0V，自动变速器不能升至超速档，且OD OFF指示灯点亮。
图1-1-53 OD开关结构及原理图
（8）制动灯开关
1）功用。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）结构与工作原理。制动灯开关安装在制动踏板支架上，其结构、原理如图1-1-54所示。当踩下制动踏板，开关接通，ECU的STP端子电压为12V；当松开制动踏板，开关断开，STP端子电压为0V。ECU根据STP端子的电压变化了解制动踏板的工作情况。
图1-1-54 制动灯开关结构及原理图
3.执行器
电子控制系统的执行器主要指各种电磁阀。
电磁阀根据功能的不同可以分为换档电磁阀、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。不同的自动变速器使用的电磁阀数量不同。例如上海通用4T65-E自动变速器电控系统有4个电磁阀，其中2个是换档电磁阀、1个是油压电磁阀、1个是锁止离合器电磁阀。而一汽大众的01M自动变速器电控系统则采用了7个电磁阀。
绝大多数换档电磁阀采用开关式电磁阀，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，通常用于控制换档阀和部分车型锁止离合器的工作。
2）结构与工作原理。开关式电磁阀由电磁线圈、衔铁、阀芯等组成，如图1-1-55所示。当电磁阀通电时，在电磁吸力作用下衔铁和阀芯下移，关闭泄油口，主油压供给到控制油路。当电磁阀断电时，在复位弹簧的作用下衔铁和阀芯上移，打开泄油口，主油压被泄掉，控制油路压力很小。
（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1-1-56所示。
图1-1-55 开关式电磁阀
1—ECU 2—节流口 3—主油路 4—控制油路 5—泄油口 6—电磁线圈 7—衔铁和阀芯
图1-1-56 占空比
2）结构与工作原理。占空比式电磁阀与开关式电磁阀类似，是由电磁线圈、滑阀、弹簧等组成，如图1-1-57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电压信号，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、关闭泄油口。
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1-1-57 占空比式电磁阀
1—电磁线圈 2—滑阀 3—滑阀轴 4—控制阀 5—弹簧
4.电子控制单元
电子控制单元（ECU），是自动变速器电子控制单元的核心，具有换档控制、锁止离合器控制锁、换档平顺性控制、故障诊断、失效保护等功能。
（1）换档控制 自动变速器换档时刻的控制是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档时刻，使汽车发挥出最好的动力性和经济性。汽车行驶过程中，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档电磁阀，从而打开或关闭通往离合器、制动器的油路，使变速器升档或降档。
图1-1-58所示为常见四档自动变速器的自动换档图，具有如下特点：
1）随着节气门开度增加，升档或降档车速增加。以2档升3档为例，当节气门开度为2/8时，升档车速为35km/h，降档车速为12km/h；当节气门开度为4/8时，升档车速为50km/h，降档车速为25km/h。因此在实际的换档操作过程中，一般可以采用“收油门”的方法来快速升档。
2）升档车速高于降档车速，以免自动变速器在某一车速附近频繁升档、降档而加速自动变速器的磨损。
图1-1-58 常见四档自动变速器的自动换档图
（2）锁止离合器控制 自动变速器ECU存储着各种行驶模式下锁止离合器的工作方式的控制程序，可根据各种输入信号，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。必须满足以下五个条件，自动变速器ECU才会接通锁止离合器电磁阀，使锁止离合器处于锁止状态：
①变速杆置于D位，且档位在D2、D3或D4档。
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，如果车速降至设定车速以下至少10km/h。
→小提示：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）换档平顺性控制 自动变速器改善换档平顺性的方法有换档油压控制、减少转矩控制和N-D换档控制。
1）换档油压控制。自动变速器在升档和降档的瞬间，ECU会通过油压电磁阀适当降低主油压，以减少换档冲击，改善换档。也有的自动变速器是在换档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，来减少换档冲击。
2）减少转矩控制。在自动变速器换档的瞬间，通过推迟发动机点火时刻或减少喷油量，减少发动机输出转矩，以减少换档冲击和输出轴的转矩波动。
3）N-D换档控制。当变速杆由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少到最小限度，以改善换档。
（4）故障自诊断 电控自动变速器ECU具有自我诊断功能，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使故障指示灯闪烁，以提醒驾驶人或维修人员；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。
（5）失效保护 当自动变速器出现故障时，为了尽可能使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不能进行自动换档控制，此时自动变速器的档位由变速杆的位置决定。在D位和2位时固定为超速档或3档，在L位时固定为2档或1档；或不论变速杆在任何前进档位，都固定为1档，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换档电磁阀出现故障时，ECU一般会将自动变速器锁档，档位与变速杆的位置有关。如丰田车系锁档情况见表1-1-13。
表1-1-13 丰田车系锁档情况
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。