基于電控自動離合器的控制器方案剖析

隨著社會的發(fā)展， 人們對汽車的舒適性和安全性要求越來越高， 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， 又會產(chǎn)生坡道起步易熄火、油耗大、離合器磨損嚴(yán)重等問題。自動檔汽車雖然駕駛操作簡單， 但其造價高，開發(fā)難度大。本文設(shè)計(jì)的電控自動離合器ACS（Automatic Clutch SystE） 是在手動變速箱基礎(chǔ)上安裝電控系統(tǒng)，取消離合踏板，實(shí)現(xiàn)自動離合。ACS 的優(yōu)勢十分明顯：與手動擋相比，其駕駛操控更為簡單， 具有加速快、駕駛舒適的特點(diǎn)； 與自動變速器汽車相比，ACS 具有造價便宜、維修方便、經(jīng)濟(jì)、省油。

1 系統(tǒng)功能

ACS 將現(xiàn)代電控制技術(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， 實(shí)現(xiàn)最佳的離合器結(jié)合規(guī)律， 其實(shí)質(zhì)是為汽車駕駛員配備一個操縱離合器的機(jī)械人， 實(shí)現(xiàn)自動離合器的功能。本文設(shè)計(jì)的ACS 控制器主要實(shí)現(xiàn)了如下幾大功能。

（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， 換檔到位后離合器自動結(jié)合， 結(jié)合規(guī)律由電控單元依據(jù)汽車行駛工況確定。

（2） 坡道起步： 駕駛員踩制動踏板， 啟動發(fā)動機(jī)， 將換檔手柄置于一檔或倒檔， 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， 起步平穩(wěn)， 沖擊小，不熄火。

（3） 熄火保護(hù)： 汽車行駛過程中， 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。

（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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 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。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器組成

自動離合器控制器原理框圖如圖1 所示。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， 工作頻率最高可達(dá)27 MHz， 其片內(nèi)硬件資源十分豐富， 片內(nèi)集成了MultiCAN 控制器、捕獲/比較單元6（CCU6） 、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(jì)需要。本系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CAN 通信模塊、執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動模塊等。

圖1 自動離合器控制器原理圖

（1） 電源模塊整車低壓控制系統(tǒng)通過12 V 電池供電，8 位MCU 采用5 V 供電。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。本系統(tǒng)選用英飛凌電源芯片TLE4290 ， 該芯片可提供穩(wěn)定的5 V 電壓， 誤差在2%以內(nèi)， 輸入電壓最高可達(dá)42 V。經(jīng)測試， 其工作可靠， 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。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， 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)。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。

PWM 波由單片機(jī)內(nèi)含的CCU6 模塊配置為比較模式產(chǎn)生。單片機(jī)通過英飛凌電機(jī)驅(qū)動芯片BTS7810實(shí)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、模擬量、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。

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10 bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 可方便地用于模擬量的采集。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。由于汽車環(huán)境干擾較大， 信號采集電路需添加濾波、電壓調(diào)理等電路。此外， 對于頻率量采集， 由于接收的是脈沖信號， 還需要使用施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖信號的整形。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用12 V 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。PWM 調(diào)速方法以控制簡單、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。

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(shí)現(xiàn)， 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。因此，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)。芯片BTS7810K 是一款全橋電機(jī)驅(qū)動芯片， 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)1 kHz 以上，可方便可靠地實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。BTS7810K 正常工作模式的輸入輸出特性如表1 所示。

表1 BTS7810K 輸入輸出特性

電機(jī)驅(qū)動電路如圖2 所示， 單片機(jī)使用一個I/O 口輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)向， 一路PWM 輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。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、IH2。這樣做是為了保證兩個輸入端不同時為高電平， 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。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路

2.3 CAN 節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)

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)［ 3］。它具有傳輸速率高、可靠性強(qiáng)和實(shí)時性好等特點(diǎn)， 正好符合ACS 與發(fā)動機(jī)協(xié)調(diào)控制的通信需要。對發(fā)動機(jī)和離合器進(jìn)行綜合控制，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)， 使之與離合器相互協(xié)調(diào)配合， 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)。

CAN 節(jié)點(diǎn)硬件電路主要包括： 帶有CAN 控制器的微控制和用于數(shù)據(jù)收發(fā)的CAN 收發(fā)器。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。MultiCAN 模塊集成了除收發(fā)器外CAN 總線控制器的所有功能。此外，MultiCAN 還具有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波功能、先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理、先進(jìn)的中斷管理等優(yōu)良特性。CAN 的收發(fā)器種類很多， 本設(shè)計(jì)中選用英飛凌公司的高速收發(fā)器IFX1050G。CAN 節(jié)點(diǎn)的接口電路圖如圖3 所示。

圖3 CAN 節(jié)點(diǎn)的接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

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。

3.1 離合器控制軟件設(shè)計(jì)

離合器的控制程序包括三個部分： 離合器分離控制程序、起步結(jié)合控制程序、換擋結(jié)合控制程序。其中分離控制程序比較簡單，ECU 得到分離指令后， 離合器全速分離， 并且準(zhǔn)確地在完全分離點(diǎn)停止即可。離合器的控制難點(diǎn)在于起步結(jié)合控制。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、起步不熄火， 又要保證起步的快速性， 減少滑摩功的產(chǎn)生， 延長離合器使用壽命。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， 還要對離合器的結(jié)合速度進(jìn)行控制， 并通過與發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制， 提高控制效果。圖4 為起步結(jié)合控制軟件流程圖。換擋過程中離合器的結(jié)合控制與起步控制在控制策略上類似， 在此不再贅述。

圖4 起步結(jié)合控制軟件流程圖

3.2 CAN 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN 通信協(xié)議包括物理層、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(shí)現(xiàn)的， 在使用CAN 通信時， 需要開發(fā)者自行定義應(yīng)用層協(xié)議。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、確定信號與消息的映射關(guān)系。設(shè)計(jì)要考慮的主要因素有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性要求、數(shù)據(jù)的相對重要程度、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。國際上存在一些現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)， 如CANopen 、SAE J1939 等。

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)， 用戶在應(yīng)用時也會覺得諸多不便， 反而限制了靈活性。本文設(shè)計(jì)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)。針對僅有兩個節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺， 本文從協(xié)議實(shí)現(xiàn)的代碼量、目標(biāo)系統(tǒng)的信息量、軟件的開發(fā)成本等角度出發(fā)， 定義一種簡單可靠的CAN 協(xié)議。具體的通信協(xié)議定義如表2 所示， 標(biāo)識符用來表示信息的優(yōu)先級， 標(biāo)識符越小優(yōu)先級越高。

表2 CAN 總線通信協(xié)議

4 CAN 通信測試實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)是在自行搭建的離合器模擬實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)平臺是由離合器控制板、加速踏板、剎車踏板、相關(guān)傳感器、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。圖5 為實(shí)驗(yàn)過程中通過CAN 總線傳送的檔位變化信息， 圖6 為通過CAN 總線傳遞的加速踏板開度信號。

圖5 檔位信息

圖6 加速踏板開度信號

本文提出了一套電控自動離合器的控制器方案， 并進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)， 初步實(shí)現(xiàn)了自動離合器的基本功能， 設(shè)計(jì)了CAN 總線接口。在實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證了控制器方案及CAN 通信模塊的可行性和可靠性， 為實(shí)車試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。