進(jìn)入21世紀(jì)陶舞，隨著汽車的普及云许，人們對汽車的舒適性和安全性的要求也越來越高质凰，而手動檔汽車因其繁重的選換檔及離合器操作增加了駕駛難度。對于駕駛新手而言闺撩，又會產(chǎn)生坡道起步易熄火饺斧、油耗大、離合器磨損嚴(yán)重等問題娩鬼。自動檔汽車雖然駕駛操作簡單读囤，但其造價高，開發(fā)難度大佣盒。本文設(shè)計的電控自動離合器ACS(Automatic Clutch System)是在手動變速箱基礎(chǔ)上安裝電控系統(tǒng)挎袜，取消離合踏板，實現(xiàn)自動離合肥惭。ACS的優(yōu)勢十分明顯：與手動擋相比盯仪，其駕駛操控更為簡單，具有加速快务豺、駕駛舒適的特點(diǎn)；與自動變速器汽車相比嗦明，ACS具有造價便宜笼沥、維修方便、經(jīng)濟(jì)娶牌、省油奔浅。

1 系統(tǒng)功能

ACS將現(xiàn)代電子控制技術(shù)用于控制干式摩擦離合器，模擬優(yōu)秀駕駛員的操縱動作和感覺诗良，實現(xiàn)最佳的離合器結(jié)合規(guī)律汹桦，其實質(zhì)是為汽車駕駛員配備一個操縱離合器的機(jī)械人，實現(xiàn)自動離合器的功能鉴裹。本文設(shè)計的ACS控制器主要實現(xiàn)了如下幾大功能舞骆。

(1)換檔離合：控制器接收到換檔信號后，離合器迅速自動分離窜抽，換檔到位后離合器自動結(jié)合相彼，結(jié)合規(guī)律由電控單元依據(jù)汽車行駛工況確定豺研。

(2)坡道起步：駕駛員踩制動踏板，啟動發(fā)動機(jī)阔踢，將換檔手柄置于一檔或倒檔允逝，松開手制動器，解除制動后不踩油門踏板汽車能夠自動慢速行駛蛋昙，起步平穩(wěn)宵绒，沖擊小，不熄火沧源。

(3)熄火保護(hù)：汽車行駛過程中浴恐，車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值后離合器自動分離，車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值后離合器再自動結(jié)合佛岛。

(4)CAN通信：ACS控制器通過CAN總線接口與發(fā)動機(jī)控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信翩赐，為離合器與發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制提供數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制器組成

本系統(tǒng)的微處理器選用英飛凌高性能的8位微處理器XC878CM键袱，工作頻率最高可達(dá)27MHz燎窘，其片內(nèi)硬件資源十分豐富，片內(nèi)集成了MultiCAN控制器蹄咖、捕獲/比較單元6(CCU6)褐健、高性能ADC模塊等。XC878CM出色的性能完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要澜汤。本系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源模塊蚜迅、數(shù)據(jù)采集模塊、CAN通信模塊俊抵、執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動模塊等谁不。

(1)電源模塊整車低壓控制系統(tǒng)通過12V電池供電，8位MCU采用5V供電徽诲。所以本系統(tǒng)需要采用電源芯片進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換和隔離刹帕。本系統(tǒng)選用英飛凌電源芯片TLE4290，該芯片可提供穩(wěn)定的5V電壓谎替，誤差在2%以內(nèi)偷溺，輸入電壓最高可達(dá)42V。經(jīng)測試阅权，其工作可靠娱陈，滿足系統(tǒng)要求。

(2)CAN通信模塊CAN通信模塊使用XC878CM片內(nèi)MultiCAN控制器和英飛凌高速CAN收發(fā)器IFX1050G作為CAN通信的硬件組成啸需。CAN模塊負(fù)責(zé)離合器控制器和發(fā)動機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)交換和共享雳誉，為發(fā)動機(jī)與離合器的協(xié)調(diào)控制提供數(shù)據(jù)通信支持。

(3)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動模塊本系統(tǒng)使用的執(zhí)行電機(jī)為額定電壓為12V的直流電機(jī)斯智。單片機(jī)使用一個IO口控制執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向,一路PWM輸出控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速信炬。PWM波由單片機(jī)內(nèi)含的CCU6模塊配置為比較模式產(chǎn)生铆性。單片機(jī)通過英飛凌電機(jī)驅(qū)動芯片BTS7810K實現(xiàn)對執(zhí)行電機(jī)的控制。

(4)數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要有三種類型：開關(guān)量移蔼、模擬量跨溺、頻率量。開關(guān)量主要是指點(diǎn)火信號和駕駛員的掛檔信號等,通過單片機(jī)的I/O口采集备饭。XC878CM單片機(jī)片內(nèi)集成一個帶有8路模擬輸入選擇的高性能10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可方便地用于模擬量的采集惩投。XC878CM內(nèi)含的CCU6模塊可配置工作在捕獲模式，用于采集車速傳感器發(fā)送來的頻率量信號幼健。由于汽車環(huán)境干擾較大兄存，信號采集電路需添加濾波、電壓調(diào)理等電路卑雁。此外募书，對于頻率量采集，由于接收的是脈沖信號测蹲，還需要使用施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖信號的整形莹捡。

電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用12V直流電機(jī)驅(qū)動，單片機(jī)采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速扣甲。PWM調(diào)速方法以控制簡單篮赢、動態(tài)響應(yīng)效果好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用十分廣泛的調(diào)速方法琉挖。對直流電機(jī)轉(zhuǎn)動方向的控制需要通過搭建H橋電路實現(xiàn)启泣，由于自行搭建的H橋電路及柵極驅(qū)動電路往往在可靠性方面很難保證加派。因此丈巩，本文選擇了集成的電機(jī)驅(qū)動芯片BTS7810K來驅(qū)動離合器執(zhí)行電機(jī)哲陷。芯片BTS7810K是一款全橋電機(jī)驅(qū)動芯片断楷，其內(nèi)部集成了H橋電機(jī)驅(qū)動電路及柵極驅(qū)動電路，其工作頻率高達(dá)1kHz以上闻蛀，可方便可靠地實現(xiàn)對直流電機(jī)的控制浩出。

單片機(jī)使用一個I/O口輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)向窜旺，一路PWM輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速今捕。兩路控制信號通過一個與門和兩個非門組成的接口電路連接到驅(qū)動芯片的輸入端IH1数屁、IH2片侧。這樣做是為了保證兩個輸入端不同時為高電平希咒，防止橋臂直通問題的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性微悬。

CAN節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計

CAN總線是德國Bosch公司20世紀(jì)90年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器之間的信息交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)顺良。它具有傳輸速率高、可靠性強(qiáng)和實時性好等特點(diǎn)沙诅，正好符合ACS與發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制的通信需要些栅。對發(fā)動機(jī)和離合器進(jìn)行綜合控制祥扒，充分利用發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及時、準(zhǔn)確的特點(diǎn)至沸，使之與離合器相互協(xié)調(diào)配合鼻蟆，將有利于離合器取得更好的控制效果，進(jìn)而提高換擋品質(zhì)盖扔。

CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路主要包括：帶有CAN控制器的微控制器和用于數(shù)據(jù)收發(fā)的CAN收發(fā)器匀油。本文選用的微處理器XC878CM帶有片內(nèi)的CAN控制器，主要負(fù)責(zé)CAN的初始化和數(shù)據(jù)處理勾笆。MultiCAN模塊集成了除收發(fā)器外CAN總線控制器的所有功能敌蚜。此外，MultiCAN還具有先進(jìn)的驗收濾波功能窝爪、先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理弛车、先進(jìn)的中斷管理等優(yōu)良特性。CAN的收發(fā)器種類很多蒲每，本設(shè)計中選用英飛凌公司的高速收發(fā)器IFX1050G纷跛。

軟件設(shè)計

電控單元ECU的控制軟件主要由離合器控制程序和CAN總線通信程序組成。

離合器控制軟件設(shè)計

離合器的控制程序包括三個部分：離合器分離控制程序啃勉、起步結(jié)合控制程序忽舟、換擋結(jié)合控制程序。

其中分離控制程序比較簡單淮阐，ECU得到分離指令后叮阅，離合器全速分離，并且準(zhǔn)確地在完全分離點(diǎn)停止即可泣特。離合器的控制難點(diǎn)在于起步結(jié)合控制浩姥。離合器的起步結(jié)合過程既要保證車輛起步的平穩(wěn)性、舒適性谆威、起步不熄火簸眼，又要保證起步的快速性，減少滑摩功的產(chǎn)生婉饼，延長離合器使用壽命疤削。因此，要取得較好的控制效果除了對離合器的結(jié)合量進(jìn)行控制外序敷，還要對離合器的結(jié)合速度進(jìn)行控制撬彭，并通過與發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制，提高控制效果赋昔。

CAN通信協(xié)議設(shè)計

CAN通信協(xié)議包括物理層据钱、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是通過硬件實現(xiàn)的亮绢，在使用CAN通信時箭谴，需要開發(fā)者自行定義應(yīng)用層協(xié)議风居。構(gòu)造應(yīng)用層協(xié)議的主要任務(wù)是ID分配、定義消息周期溉潭、確定信號與消息的映射關(guān)系净响。設(shè)計要考慮的主要因素有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求、數(shù)據(jù)的相對重要程度喳瓣、與數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用控制算法對數(shù)據(jù)的時間要求等别惦。國際上存在一些現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，如CANopen夫椭、SAEJ1939等掸掸。在一些利用簡單的通信協(xié)議就可以滿足要求的情況下，采用復(fù)雜的協(xié)議會造成資源浪費(fèi)蹭秋，用戶在應(yīng)用時也會覺得諸多不便扰付，反而限制了靈活性。本文設(shè)計的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中僅有離合器控制器和發(fā)動機(jī)控制器兩個節(jié)點(diǎn)仁讨。針對僅有兩個節(jié)點(diǎn)的實驗平臺羽莺，本文從協(xié)議實現(xiàn)的代碼量、目標(biāo)系統(tǒng)的信息量洞豁、軟件的開發(fā)成本等角度出發(fā)盐固，定義一種簡單可靠的CAN協(xié)議。

CAN通信測試實驗

本文實驗是在自行搭建的離合器模擬實驗平臺上進(jìn)行的掐抢。本實驗平臺是由離合器控制板候榨、加速踏板、剎車踏板统扔、相關(guān)傳感器琅芍、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)動機(jī)模擬控制板組成。離合器控制板與發(fā)動機(jī)模擬控制板之間通過CAN總線通信馁筷。

本文提出了一套電控自動離合器的控制器方案甸垄，并進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，初步實現(xiàn)了自動離合器的基本功能芥吧，設(shè)計了CAN總線接口疤嘴。在實驗平臺上驗證了控制器方案及CAN通信模塊的可行性和可靠性，為實車試驗打下基礎(chǔ)漾衅。

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