工控摘要：進入21世紀，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，而手動檔汽車因其繁重的選換檔及離合器操作增加了駕駛難度。
　　
　　ACS將現(xiàn)代電子控制技術用于控制干式摩擦離合器，模擬駕駛員的操縱動作和感覺，實現(xiàn)*的離合器結(jié)合規(guī)律，其實質(zhì)是為汽車駕駛員配備一個操縱離合器的機械人，實現(xiàn)自動離合器的功能。本文設計的ACS控制器主要實現(xiàn)了如下幾大功能。
　　
　　進入21世紀，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、離合器磨損嚴重等問題[1]。自動檔汽車雖然駕駛操作簡單，但其造價高，開發(fā)難度大。本文設計的電控自動離合器ACS（AutomaticClutchSystem）是在手動變速箱基礎上安裝電控系統(tǒng)，取消離合踏板，實現(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;與自動變速器汽車相比，ACS具有造價便宜、維修方便、經(jīng)濟、省油。
　　
　　1系統(tǒng)功能
　　
　　ACS將現(xiàn)代電子控制技術用于控制干式摩擦離合器，模擬駕駛員的操縱動作和感覺，實現(xiàn)*的離合器結(jié)合規(guī)律，其實質(zhì)是為汽車駕駛員配備一個操縱離合器的機械人，實現(xiàn)自動離合器的功能。本文設計的ACS控制器主要實現(xiàn)了如下幾大功能。
　　
　?。?）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。
　　
　?。?）坡道起步：駕駛員踩制動踏板，啟動發(fā)動機，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。
　　
　?。?）熄火保護：汽車行駛過程中，車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于設定值后離合器自動分離，車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于設定值后離合器再自動結(jié)合。
　　
　?。?）CAN通信：ACS控制器通過CAN總線接口與發(fā)動機控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，為離合器與發(fā)動機的協(xié)調(diào)控制提供數(shù)據(jù)支持。
　　
　　2系統(tǒng)的硬件設計
　　
　　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zui高可達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*本系統(tǒng)的設計需要。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)行電機驅(qū)動模塊等。
　　
　　（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zui高可達42V。經(jīng)測試，其工作可靠，滿足系統(tǒng)要求。
　　
　?。?）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模塊負責離合器控制器和發(fā)動機控制器之間的數(shù)據(jù)交換和共享，為發(fā)動機與離合器的協(xié)調(diào)控制提供數(shù)據(jù)通信支持。
　　
　?。?）執(zhí)行電機驅(qū)動模塊本系統(tǒng)使用的執(zhí)行電機為額定電壓為12V的直流電機。單片機使用一個IO口控制執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)動方向,一路PWM輸出控制電機的轉(zhuǎn)速。PWM波由單片機內(nèi)含的CCU6模塊配置為比較模式產(chǎn)生。單片機通過英飛凌電機驅(qū)動芯片BTS7810K實現(xiàn)對執(zhí)行電機的控制。
　　
　　（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：開關量、模擬量、頻率量。開關量主要是指點火信號和駕駛員的掛檔信號等,通過單片機的I/O口采集。XC878CM單片機片內(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。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)器進行脈沖信號的整形。
　　
　　2.2電機驅(qū)動電路設計
　　
　　離合器執(zhí)行機構(gòu)采用12V直流電機驅(qū)動，單片機采用脈寬調(diào)制PWM技術控制電機轉(zhuǎn)速。PWM調(diào)速方法以控制簡單、動態(tài)響應效果好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點成為應用十分廣泛的調(diào)速方法[2]。對直流電機轉(zhuǎn)動方向的控制需要通過搭建H橋電路實現(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驅(qū)動芯片BTS7810K來驅(qū)動離合器執(zhí)行電機。芯片BTS7810K是一款全橋電機驅(qū)動芯片，其內(nèi)部集成了H橋電機驅(qū)動電路及柵極驅(qū)動電路，其工作頻率高達1kHz以上，可方便可靠地實現(xiàn)對直流電機的控制。
　　
　　電機驅(qū)動電路，單片機使用一個I/O口輸出控制電機轉(zhuǎn)向，一路PWM輸出控制電機轉(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。
　　
　　2.3CAN節(jié)點接口設計
　　
　　CAN總線是德國Bosch公司20世紀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[3]。它具有傳輸速率高、可靠性強和實時性好等特點,正好符合ACS與發(fā)動機協(xié)調(diào)控制的通信需要。
　　
　　對發(fā)動機和離合器進行綜合控制,充分利用發(fā)動機電子控制系統(tǒng)控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速及時、準確的特點,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，進而提高換擋品質(zhì)。
　　
　　CAN節(jié)點硬件電路主要包括：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，主要負責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*的驗收濾波功能、*的數(shù)據(jù)管理、*的中斷管理等優(yōu)良特性。CAN的收發(fā)器種類很多，本設計中選用英飛凌公司的高速收發(fā)器IFX1050G。