基于CAN總線(xiàn)的自動(dòng)離合器控制器方案

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展， 人們對汽車(chē)的舒適性和安全性要求越來(lái)越高， 而手動(dòng)檔汽車(chē)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(huì )產(chǎn)生坡道起步易熄火、油耗大、離合器磨損嚴重等問(wèn)題[ 1]。自動(dòng)檔汽車(chē)雖然駕駛操作簡(jiǎn)單， 但其造價(jià)高，開(kāi)發(fā)難度大。本文設計的電控自動(dòng)離合器ACS（Automatic Clutch System） 是在手動(dòng)變速箱基礎上安裝電控系統，取消離合踏板，實(shí)現自動(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(jiǎn)單， 具有加速快、駕駛舒適的特點(diǎn)； 與自動(dòng)變速器汽車(chē)相比，ACS 具有造價(jià)便宜、維修方便、經(jīng)濟、省油。

1 系統功能

ACS 將現代電子控制技術(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(jué)， 實(shí)現最佳的離合器結合規律， 其實(shí)質(zhì)是為汽車(chē)駕駛員配備一個(gè)操縱離合器的機械人， 實(shí)現自動(dòng)離合器的功能。本文設計的ACS 控制器主要實(shí)現了如下幾大功能。

（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)結合， 結合規律由電控單元依據汽車(chē)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， 將換檔手柄置于一檔或倒檔， 松開(kāi)手制動(dòng)器， 解除制動(dòng)后不踩油門(mén)踏板汽車(chē)能夠自動(dòng)慢速行駛， 起步平穩， 沖擊小，不熄火。

（3） 熄火保護： 汽車(chē)行駛過(guò)程中， 車(chē)速和發(fā)動(dòng)機轉速低于設定值后離合器自動(dòng)分離， 車(chē)速和發(fā)動(dòng)機轉速高于設定值后離合器再自動(dòng)結合。

（4）CAN 通信：ACS 控制器通過(guò)CAN 總線(xiàn)接口與發(fā)動(dòng)機控制器實(shí)現數據通信， 為離合器與發(fā)動(dòng)機的協(xié)調控制提供數據支持。

2 系統的硬件設計

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27 MHz, 其片內硬件資源十分豐富， 片內集成了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(mǎn)足本系統的設計需要。本系統的硬件部分主要包括電源模塊、數據采集模塊、CAN 通信模塊、執行電機驅動(dòng)模塊等。

圖1 自動(dòng)離合器控制器原理圖

（1） 電源模塊整車(chē)低壓控制系統通過(guò)12 V 電池供電，8 位MCU 采用5 V 供電。所以本系統需要采用電源芯片進(jìn)行電壓的轉換和隔離。本系統選用英飛凌電源芯片TLE4290 ， 該芯片可提供穩定的5 V 電壓， 誤差在2%以?xún)龋?輸入電壓最高可達42 V。經(jīng)測試， 其工作可靠， 滿(mǎn)足系統要求。

（2）CAN 通信模塊CAN 通信模塊使用XC878CM 片內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 模塊負責離合器控制器和發(fā)動(dòng)機控制器之間的數據交換和共享， 為發(fā)動(dòng)機與離合器的協(xié)調控制提供數據通信支持。

（3） 執行電機驅動(dòng)模塊本系統使用的執行電機為額定電壓為12V 的直流電機。單片機使用一個(gè)IO 口控制執行電機的轉動(dòng)方向， 一路PWM 輸出控制電機的轉速。

PWM 波由單片機內含的CCU6 模塊配置為比較模式產(chǎn)生。單片機通過(guò)英飛凌電機驅動(dòng)芯片BTS7810K 實(shí)現對執行電機的控制。

（4） 數據采集模塊本系統采集的數據主要有三種類(lèi)型： 開(kāi)關(guān)量、模擬量、頻率量。開(kāi)關(guān)量主要是指點(diǎn)火信號和駕駛員的掛檔信號等， 通過(guò)單片機的I/O 口采集。

XC878CM 單片機片內集成一個(gè)帶有8 路模擬輸入選擇的高性能10 bit 模數轉換器， 可方便地用于模擬量的采集。XC878CM 內含的CCU6 模塊可配置工作在捕獲模式， 用于采集車(chē)速傳感器發(fā)送來(lái)的頻率量信號。由于汽車(chē)環(huán)境干擾較大， 信號采集電路需添加濾波、電壓調理等電路。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 電機驅動(dòng)電路設計

離合器執行機構采用12 V 直流電機驅動(dòng)， 單片機采用脈寬調制PWM 技術(shù)控制電機轉速。PWM 調速方法以控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應效果好、調速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)成為應用十分廣泛的調速方法。

對直流電機轉動(dòng)方向的控制需要通過(guò)搭建H橋電路實(shí)現， 由于自行搭建的H 橋電路及柵極驅動(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驅動(dòng)芯片BTS7810K 來(lái)驅動(dòng)離合器執行電機。芯片BTS7810K 是一款全橋電機驅動(dòng)芯片， 其內部集成了H 橋電機驅動(dòng)電路及柵極驅動(dòng)電路， 其工作頻率高達1 kHz 以上，可方便可靠地實(shí)現對直流電機的控制。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

電機驅動(dòng)電路如圖2 所示， 單片機使用一個(gè)I/O 口輸出控制電機轉向， 一路PWM 輸出控制電機轉速。兩路控制信號通過(guò)一個(gè)與門(mén)和兩個(gè)非門(mén)組成的接口電路連接到驅動(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(wèn)題的出現，提高系統的安全性和可靠性。

圖2 電機驅動(dòng)電路

2.3 CAN 節點(diǎn)接口設計

CAN 總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch 公司20 世紀90 年代初為解決現代汽車(chē)中眾多控制與測試儀器之間的信息交換而開(kāi)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、可靠性強和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)， 正好符合ACS 與發(fā)動(dòng)機協(xié)調控制的通信需要。對發(fā)動(dòng)機和離合器進(jìn)行綜合控制，充分利用發(fā)動(dòng)機電子控制系統控制發(fā)動(dòng)機轉速及時(shí)、準確的特點(diǎn)， 使之與離合器相互協(xié)調配合， 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據收發(fā)的CAN 收發(fā)器。本文選用的微處理器XC878CM 帶有片內的CAN 控制器， 主要負責CAN 的初始化和數據處理。MultiCAN 模塊集成了除收發(fā)器外CAN 總線(xiàn)控制器的所有功能。此外，MultiCAN 還具有先進(jìn)的驗收濾波功能、先進(jìn)的數據管理、先進(jìn)的中斷管理等優(yōu)良特性。CAN 的收發(fā)器種類(lèi)很多， 本設計中選用英飛凌公司的高速收發(fā)器IFX1050G。CAN 節點(diǎn)的接口電路圖如圖3 所示。

圖3 CAN 節點(diǎn)的接口電路圖

3 軟件設計

電控單元ECU 的控制軟件主要由離合器控制程序和CAN 總線(xiàn)通信程序組成。

3.1 離合器控制軟件設計

離合器的控制程序包括三個(gè)部分： 離合器分離控制程序、起步結合控制程序、換擋結合控制程序。其中分離控制程序比較簡(jiǎn)單，ECU 得到分離指令后， 離合器全速分離， 并且準確地在完全分離點(diǎn)停止即可。離合器的控制難點(diǎn)在于起步結合控制。離合器的起步結合過(guò)程既要保證車(chē)輛起步的平穩性、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(cháng)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合量進(jìn)行控制外， 還要對離合器的結合速度進(jìn)行控制， 并通過(guò)與發(fā)動(dòng)機的協(xié)調控制， 提高控制效果。圖4 為起步結合控制軟件流程圖。換擋過(guò)程中離合器的結合控制與起步控制在控制策略上類(lèi)似， 在此不再贅述。

圖4 起步結合控制軟件流程圖

3.2 CAN 通信協(xié)議設計

CAN 通信協(xié)議包括物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層是通過(guò)硬件實(shí)現的， 在使用CAN 通信時(shí)， 需要開(kāi)發(fā)者自行定義應用層協(xié)議。構造應用層協(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。設計要考慮的主要因素有數據傳輸的實(shí)時(shí)性要求、數據的相對重要程度、與數據相關(guān)的應用控制算法對數據的時(shí)間要求等。國際上存在一些現有的標準， 如CANopen 、SAE J1939 等。

在一些利用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以滿(mǎn)足要求的情況下， 采用復雜的協(xié)議會(huì )造成資源浪費， 用戶(hù)在應用時(shí)也會(huì )覺(jué)得諸多不便， 反而限制了靈活性。本文設計的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中僅有離合器控制器和發(fā)動(dòng)機控制器兩個(gè)節點(diǎn)。針對僅有兩個(gè)節點(diǎn)的實(shí)驗平臺， 本文從協(xié)議實(shí)現的代碼量、目標系統的信息量、軟件的開(kāi)發(fā)成本等角度出發(fā)， 定義一種簡(jiǎn)單可靠的CAN 協(xié)議。具體的通信協(xié)議定義如表2 所示， 標識符用來(lái)表示信息的優(yōu)先級， 標識符越小優(yōu)先級越高。

表2 CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議

4 CAN 通信測試實(shí)驗

本文實(shí)驗是在自行搭建的離合器模擬實(shí)驗平臺上進(jìn)行的。本實(shí)驗平臺是由離合器控制板、加速踏板、剎車(chē)踏板、相關(guān)傳感器、離合器執行機構及發(fā)動(dòng)機模擬控制板組成。離合器控制板與發(fā)動(dòng)機模擬控制板之間通過(guò)CAN 總線(xiàn)通信。圖5 為實(shí)驗過(guò)程中通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳送的檔位變化信息， 圖6 為通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳遞的加速踏板開(kāi)度信號。

圖5 檔位信息

圖6 加速踏板開(kāi)度信號

本文提出了一套電控自動(dòng)離合器的控制器方案， 并進(jìn)行了系統的軟硬件開(kāi)發(fā)， 初步實(shí)現了自動(dòng)離合器的基本功能， 設計了CAN 總線(xiàn)接口。在實(shí)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(shí)車(chē)試驗打下基礎。