基于CAN總線的電控自動(dòng)離合器控制器設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著汽車的普及，人們對汽車的舒適性和安全性的要求也越來越高，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(huì)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(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。

　　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

　 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)27MHz，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。

　　(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。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5V電壓，誤差在2%以內(nèi)，輸入電壓最高可達(dá)42V。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10bit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12V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)1kHz以上，可方便可靠地實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。