基于CAN總線的自動(dòng)離合器控制器設(shè)計(jì)

　　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(dòng)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[ 1]。自動(dòng)檔汽車雖然駕駛操作簡單， 但其造價(jià)高，開發(fā)難度大。

　　本文設(shè)計(jì)的電控自動(dòng)離合器ACS(Automatic Clutch System) 是在手動(dòng)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(dòng)離合。ACS 的優(yōu)勢十分明顯：與手動(dòng)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(dòng)變速器汽車相比，ACS 具有造價(jià)便宜、維修方便、經(jīng)濟(jì)、省油。

　　試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)離合器控制器在功能上滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，CAN 通信模塊能夠準(zhǔn)確無誤地收發(fā)數(shù)據(jù)，可靠性高。

　　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(dòng)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(gè)操縱離合器的機(jī)械人， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)分離， 換檔到位后離合器自動(dòng)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(dòng)踏板， 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)， 將換檔手柄置于一檔或倒檔， 松開手制動(dòng)器， 解除制動(dòng)后不踩油門踏板汽車能夠自動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值后離合器自動(dòng)分離， 車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值后離合器再自動(dòng)結(jié)合。

　　(4)CAN 通信：ACS 控制器通過CAN 總線接口與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 為離合器與發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)模塊等。

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　　圖1 自動(dòng)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(dòng)機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)交換和共享， 為發(fā)動(dòng)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(dòng)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(gè)IO 口控制執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)芯片BTS7810K 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(gè)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(dòng)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(dòng)， 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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)芯片BTS7810K 來驅(qū)動(dòng)離合器執(zhí)行電機(jī)。芯片BTS7810K 是一款全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， 其內(nèi)部集成了H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及柵極驅(qū)動(dòng)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

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　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示， 單片機(jī)使用一個(gè)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(gè)與門和兩個(gè)非門組成的接口電路連接到驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端IH1、IH2。這樣做是為了保證兩個(gè)輸入端不同時(shí)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。

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　　圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)性好等特點(diǎn)， 正好符合ACS 與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的通信需要。對發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器進(jìn)行綜合控制，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及時(shí)、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 控制器的微控制器和用于數(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。

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　　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。