拉線操縱式離合器電子線控系統(tǒng)設計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 本科學生畢業(yè)設計 拉線操縱式離合器電子線控系統(tǒng)設計 院系名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級 ： 車輛工程 B07-2 班 學生姓名 ： 李程 指導教師： 崔宏耀 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學 院 二一一年六月 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Electronic Clutch Control System of Automotive Engines Candidate： Li Cheng Specialty： Vehicles Engineering Class： B07-2 Supervisor： Associate Professor Cui Hongyao Heilongjiang Institute of Technology June 2011 Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 隨著汽車電子技術、自動控制技術的逐步成熟和汽車網絡通信技 術的廣泛應用，汽車線控技術也逐步得到青睞和深入研究 是 汽車未來的發(fā)展趨勢。 汽車線控技術就是將駕駛員的操縱動作經過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機構的一種系統(tǒng)。目前包括線控換檔系統(tǒng)、線控 制動系統(tǒng) 、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)及線控轉向系統(tǒng)。其中線控轉向系統(tǒng)在高級轎車、跑車及概念車上有廣 泛的應用，它為自動駕駛提供了良好的平臺 。 汽車離合器操縱形式有液壓和拉線式兩種 。其中 拉線式布置方便，摩擦損失大機械式受車架、車身變形影響大 ， 兩種機械式操縱機構的比較桿系傳動優(yōu)點：結構簡單；成本低；壽命長；可靠性高；缺點：關節(jié)點多，摩擦損失大，不適合遠距離操縱，受車身或車架的變形影響。拉線傳動優(yōu)點：結構簡單；成本低；克服了桿系傳動的不適合遠距離操縱，受車身或車架的變形影響缺點；可采用吊掛式的踏板；缺點：壽命短，拉伸剛度小；拉伸變形導致增加踏板行程。 本設計針對拉線操縱式離合器設計線控操縱系統(tǒng)，可與原系統(tǒng)的功能 進行切換工作。 關鍵詞 ：線控離合器； H 橋； PWM 控制；控制策略；傳感器 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 II ABSTRACT As automobile electronic technology ， Automatic control technology gradually mature and car network communications technology is widely used ， Automotive wire control technology is also gradually gain favour is car further research and the future trend of development. Automotive wire control technology is the driver through sensor into electrical signal manipulation of action, Through the cable directly transmission to the actuator a system. Currently include wire control shift system, line control servo system, line control suspension system, Wire control the pressurization system, line oil-control door system and wire control steering system. Including wire control steering system in limousines, sports car And concept car, it is widely used for automated driving to provide a good platform. Clutch manipulations hydraulic and farrowed type two kinds. Including farrowed type decorates convenient, Friction loss is big, By frame, body spurt type deformation great influence, Two kinds of mechanical control mechanisms of comparative bar transmission advantages: simple structure； Cost is low； Long life. High reliability； Faults: jointing, friction loss more big, do not suitable for long-distance manipulation, The body or frame by deformation. Farrowed transmission advantages: simple structure； Cost is low； Overcome the rod is not suitable for long-distance manipulation of transmission of, The body or frame by deformation faults. Can use hanging pedal； Faults: short life, stretching stiffness is small； Tensile deformation to lead to a rise in pedal stroke. This design for farrowed manipulate type clutch design control systems, can wire with the original system function shifts. Keywords: wire control clutch； H bridge； PWM control； Control strategies； sensor 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 目 錄 摘要 . I Abstract . 第 1章 緒論 . 1 1.1 選題的目的和 意 義 . 1 1.2 線控技術現(xiàn)狀分析 . 10 1.3 線控技術發(fā)展前景 . 2 1.4 研究內容和 需 解決的 主要 問題 . 3 第 2 章 線控離合器 系統(tǒng) . 4 2.1 線控離合器 控制系統(tǒng) . 4 2.2 線控離合器 控制系統(tǒng)結構 . 4 2.2.1 機械式 離合器 結構、原理 . 4 2.2.2 線控離合器 結構、原理 . 5 2.3 線控離合器 系統(tǒng)存在主要問題 . 7 2.3.1 線控離合器的優(yōu)點 . 7 2.3.2 系統(tǒng)存在的主要問題 . 8 2.4 本章小結 . 8 第 3 章 線控離合器 數(shù)學模型和控制策略 . 10 3.1 系統(tǒng)建模 . 10 3.1.1 線控離合器 機構 . 10 3.1.2 工作過程 分析 . 10 3.1.3 齒輪傳動及齒隙影響 . 10 3.2 控制策略分析 .11 3.3 本章小結 . 12 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設計 . 13 4.1 控 制系統(tǒng)結構 . 13 4.2 控制系統(tǒng)電路設計 . 14 4.2.1 單片機的選擇 . 14 4.2.2 飛思卡爾單片機的簡介及優(yōu)點 . 15 4.2.3 信號處理電路設計 . 17 4.3 驅動電路設計 . 18 4.3.1 H橋驅動電路 . 18 4.3.2 PWM 模塊及工作原理 . 20 4.3.3 使能控制和方向邏輯 . 22 4.4 直流電機控制原理 . 23 4.4.1 直流電機控制原理 . 23 4.4.2 直流電機的可逆 PWM 控制電路 . 24 4.4.3 PID 控制原理 . 25 4.5 本章小結 . 27 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設計 . 29 5.1 軟件系統(tǒng)總體分析 . 29 5.2 控制功能軟件設計 . 30 5.2.1 功能子程序設計 . 30 5.2.2 控制功能程序編寫 . 31 5.3 本章小結 . 35 結論 . 36 參考文獻 . 37 致謝 . 38 附錄 . 39 附錄 A1. 39 附錄 A2. 43 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 第 1 章 緒 論 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 1.1 選題的目的和意義 目的： 隨著汽車電子技術、自動控制技術的逐步成熟和汽車網絡通信技術的廣泛應用，汽車線控技術也逐步得到青睞和深入研究 是 汽車未來的發(fā)展趨勢。 汽車線控技術 就是將駕駛員的操縱動作經過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機構的一種系統(tǒng)。目前包括線控換檔系統(tǒng)、線控 制動系統(tǒng) 、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)及線控轉向系統(tǒng)。其中線控轉向系統(tǒng)在高級轎車、跑車及概念車上有廣泛的應用，它為自動駕駛提供了良好的平臺 。 汽車離合器操縱形式有液壓和拉線式兩種 。其中 拉線式：布置方便，摩擦損失大機械式受車架、車身變形影響大兩種機械式操縱機構的比較桿系傳動：優(yōu)點：結構簡單；成本低；壽命長；可靠性高；缺點：關節(jié)點多，摩擦損失大，不適合遠距離操縱，受車身或車架的變形影響。拉線傳動：優(yōu)點：結構簡單；成本低；克服了桿系傳動的不適合遠距離操縱，受車身或車架的變形影響缺點；可采用吊掛式的踏板；缺點：繩索的壽命短，拉伸剛度??；拉伸變形導致增加踏板行程。 本設計針對拉線操縱式離合器設計線控操縱系統(tǒng)，可與原系統(tǒng)的功能進行切換工作。 意義： 由于操縱控制通過駕駛員的手完成，不需要轉向盤、轉 向柱和腳踏板，這樣就減少了正面碰撞時的潛在危險性，改善了汽車的安全性和舒適性，并為汽車設計提供了更大的設計空間 ， 便于實現(xiàn)個性化設計 。 由于駕駛特性如制動、轉向、加速等過程都是程序設定的，設計師可設計不同的程序供用戶選擇。 同時汽車 比質量 變 輕，性能高（響應快）。線控系統(tǒng)取消了許多機械連接裝置、液壓裝置和氣壓裝置，簡化了結構和生產工藝并簡化維護工作 ， 可能磨損的部件更少了 ， 維護用品 也 可大大減小，減少維護費用 。若 使用線控制動無需制動液，使汽車更為環(huán)保，減少維護。汽車的車內娛樂裝置也集成到網絡之中，使得汽車導航和自動駕駛 成為可能，整個汽車就是一個完整的電路整體。安裝測試簡單快捷，更穩(wěn)固的電子接口（模塊結構），隔板間無機械連接，簡單布置就能增加電子控制功能。 線控技術將會給汽車產業(yè)的發(fā)展帶來了劃時代的飛躍。 當然，目前線控技術還有很多的不足，如 電子設備還相當?shù)牟豢煽?電磁干擾、器件失效、軟件程序的設計、網絡攻擊等等。一旦電路失效而沒有機械冗余就會導致災難性的后果 轉向失靈、油門難以控制和不能制動 !所以線控技術研究的重點應該是系統(tǒng)的可靠性和安全性。 1.2 線控技術現(xiàn)狀分析 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 目前， 線控技術已經被廣泛用于航空業(yè)，用線控 制系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的液壓和機械系統(tǒng)已經成為技術發(fā)展的趨勢，采用線控技術的制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)有望在未來汽車上率先獲得應用 ，不久的將來線控離合器也將會出現(xiàn)在汽車上。 國外 GM、KOYO、 TRW、 BENZ 等公司已運用線控技術開發(fā)了概念車。 汽車 的各種操縱系統(tǒng)正向電子化、自動化方向發(fā)展，在未來十年內，傳統(tǒng)的汽車機械操縱系統(tǒng)將變成通過高速容錯 通信 總線 與高性能 CPU 相連的電氣系統(tǒng)。如汽車將采用電氣馬達和電控信號來實現(xiàn)線控駕駛 (steerbywire)、 如線控制動（ brake by-wire）、線控轉向（ steer by-wire）、線控油門（ throttle by-wire）、線控懸架（ suspension by-wire） ，線控離合器 等正在加緊研究開發(fā)。當線控這一目標實現(xiàn)時，汽車將是一種完全的高新技術產品，發(fā)動機、變速器、傳動軸、驅動橋、轉向機全都不見了， 線控系統(tǒng)將完全取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的液壓和機械控制 ,汽車可以說是一臺裝在輪子上的計算機。 1.3 線控技 術發(fā)展前景 在國內，除了同濟大學研究完成的線控轉向系統(tǒng)外，由北京理工大學完成的 “ 一種電動車輛動力系統(tǒng)關鍵技術產品及其應用 ” 獲得了 2004年度國家技術發(fā)明獎。其中的一項技術就是利用線控同步換檔和行星傳動技術，取消了主離合器，簡化了換檔機構，研制了一種結構簡單、性能匹配優(yōu)良的線控行星變速器。國內的一些高校也正在進行線控技術的研究。 線控技術研究的難點在于高性能控制器的研制，要求在整個系統(tǒng)中有精確高速的通訊協(xié)議網絡，使控制中心和執(zhí)行器之間能完全協(xié)調、匹配工作；而且需要高效的容錯技術，使得系統(tǒng)出現(xiàn)故 障時能夠保障一定的安全，即系統(tǒng)有好的可靠性。 目前線控技術在汽車中的應用還不成熟。但隨著汽車各系統(tǒng)的電子化、集成化的發(fā)展需要，線控技術發(fā)展迅速，作為一種汽車高新電子技術，線控技術必將得到廣泛的應用。但電子化不可能完全取代機械化，機械系統(tǒng)的損壞通常都是有過程的，而線控制系統(tǒng)的失效是瞬間的。如果線控制系統(tǒng)失效那一刻汽車的速度行駛過高，造成的后果就可能非常嚴重。電子控制要完全取代機械操作還需要時間。 1.4 研究內容和解決的主要問題 本設計需對離合器的分離過程和分離力進行研究、計算，對分離和接合的過程進行分析，建立相應的力學模型，從而確定 PWM 脈沖輸出的頻率和電機輸出的轉矩。還黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 有需要有正確的程序，來控制電機的轉動。還需設計傳動機構、傳動比、齒輪支架和傳感器支架等。同時，需保證此機構動作的響應性要足夠快，而且動作不能有緩沖，最后就是把各機械部件可靠連接保證工作的可靠性，最重要的是需要寫出正確的程序來驅動整個裝置，并可以實際應用。 線控技術研究的難點在于高性能控制器的研制，要求在整個系統(tǒng)中有精確高速的通訊協(xié)議網絡，使控制中心和執(zhí)行器之間能完全協(xié)調、匹配工作；而且需要高效的容錯技術，使得系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能 夠保障一定的安全，即系統(tǒng)有好的可靠性。 目前線控技術在汽車中的應用還不成熟。但隨著汽車各系統(tǒng)的電子化、集成化的發(fā)展需要，線控技術發(fā)展迅速，作為一種汽車高新電子技術，線控技術必將得到廣泛的應用。但電子化不可能完全取代機械化，機械系統(tǒng)的損壞通常都是有過程的，而線控制系統(tǒng)的失效是瞬間的。如果線控制系統(tǒng)失效那一刻汽車的速度行駛過高，造成的后果就可能非常嚴重。電子控制要完全取代機械操作還需要時間。 第 2 章 線控離合器系統(tǒng) 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 2.1 線控離合器控制系統(tǒng) 隨著汽車電子技術的日益發(fā)展和對汽車性 能要求的提高， 越來越多的電子設備出現(xiàn)在汽車上， 上世紀 80年代中后期，出現(xiàn)了第一臺電子節(jié)氣門 汽車 ，應用在德國寶馬公司生產的 BMW750iL 頂級轎車 上。今天人們開始熱切關注又一個新興技術 線控離合。 由于 線控離合 控制系統(tǒng)的技術和成本要求都比較 傳統(tǒng)機械式 高的原因， 現(xiàn)在在量產車上還沒有實現(xiàn)，只是在一些概念車上得以展示，或一些電動概念車上才應用到線控離合器技術。 如 在 通用可駕駛燃料電池汽車 上的應用就獲得了成功。 線控汽車一改傳統(tǒng)機械連桿的傳動方式，采用電子信號來操縱油門、制動 ，離合器 和轉向機構。取消了傳統(tǒng)的轉向盤、油門、 離合器踏板 、制動踏板，所有的操作都集中在一個手柄上，駕駛員可以用一只手完成所有的操作。當駕駛員要加速或減速時，可以向左或者向右推動手柄；制動按鈕也安裝在這個手柄上，要制動時按一下制動按鈕；當轉彎時，駕駛員只需向上或者向下推動手柄。 線控離合技術非常相似于線控節(jié)氣門，線控轉向等技術，現(xiàn)如今線控 節(jié)氣門 幾乎已經完全取代了傳統(tǒng)的拉線式節(jié)氣門， 這 也 是大勢所趨。 電動助力轉向也越來越廣泛地應用到汽車上。在這些技術都已日趨完善的同時， 目前國外各大汽車生產廠商和零部件生產商都 開始著手 從事 線控離合器 技術的開發(fā)研究，其中美國 通用 和韓國 EZ公司在該研究上處于領先地位，其產品已經開始市場化、系列化。 現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展 ， 線控離合器可 實現(xiàn)的功能 會 越來越強大， 如根據發(fā)動機負荷情況來自動選擇切開與分離的速度，若是高性能賽車，可提高其加速性能，可以滿足 不同工況下發(fā)動機的控制要求。 我相信線控離合器 裝置 在不久的將來會 成為 汽車上一個 不可或缺的電子控制 系統(tǒng)。 2.2 線控離合器控制系統(tǒng)結構 2.2.1 機械離合器結構，原理 如圖 2.1 所示，摩擦離合器一般是有主動部分、從動部分組成、壓緊機構和操縱機構四部分組成。 離合器在接合狀態(tài)時，發(fā)動機扭矩自曲軸傳 出，通過飛輪 2 和壓盤借摩擦作用傳給從動盤 3，在通過從動軸傳給變速器。當駕駛員踩下踏板時，通過拉桿活拉線帶動分離叉、分離套筒和分離軸承 8，將分離杠桿的內端推向右方，由于分離杠桿的中間黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 是以離合器蓋 5 上的支柱為支點，而外端與壓盤連接，所以能克服壓緊彈簧的力量拉動壓盤向左，這樣，從動盤 3 兩面的壓力消失，因而摩擦力消失，發(fā)動機的扭矩就不再傳入變速器，離合器處于分離狀態(tài)。當放開踏板，回位彈簧克服各拉桿接頭和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此時壓緊彈簧就推動壓盤向右，仍將從動盤 3 壓緊在飛輪上 2，這樣發(fā)動機的扭矩又傳入變速 器。 1-軸承 2-飛輪 3-從動盤 4-壓盤 5-離合器蓋螺栓 6-離合器蓋 7-膜片彈簧 8-分離軸承 9-軸 圖 2.1 離合器總成 線控離合器不但具有機械離合器所有的功能，還有許多機械離合器沒有的優(yōu)點，例如：線控離合器取消了村機械的連接，沒有的摩擦也就沒有了機械磨損和摩擦噪音，這對手動擋中級，高級轎車隔音降噪非常重要，還有就是取消了機械連接，可以節(jié)省踏板力，大大減輕長途駕駛時駕駛員疲勞。下面介紹線控離合器的結構和工作原理。 2.2.2 線控離合器結構、原理 線控離合器一改傳統(tǒng)機械式拉線或拉桿 的結構，是用一個直流電機驅動離合器的分離與接合，取消了拉線，直流電機用單片機來控制，用踏板位置傳感器來作為輸入給單片機輸入信號，經過信號轉換，處理之后輸出，在經過 PWM 控制占空比，來實現(xiàn)電機轉速的控制，在經過 H 橋來控制電機的正反轉，從而實現(xiàn)離合器的分離與接合，再通過離合器位置傳感器來作為反饋，給單片機一個反饋信號。從而達到整個電路的閉環(huán)控制。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 駕駛員 踩下離合器踏板 位置傳感器 引起（電壓）信號變化 ECU 執(zhí)行器 電機正向旋轉 離合器分離 抬起離合器踏板 位置傳感器 引起（電壓）信號變化 ECU 執(zhí)行器 電機反向旋轉 離合器再次接合 執(zhí)行流程如圖 2.2 所示， 圖 2.2 執(zhí)行流程圖 系統(tǒng)工作原理圖如圖 2.3 所示， 執(zhí)行器控制電機（反向）旋轉，（電機安裝位置看具體車型視具體情況而定） 駕駛員踏下離合器踏板 位置傳感器輸出信號（由電壓信號控制）其安裝位置仿照電子節(jié)氣門的位置傳感器安裝位置 離合器再次接合 信號經過 ECU 分析，處理。發(fā)出控制信號給執(zhí)行器 利用 C 語言編程 離合器分離 駕駛員抬起離合器踏板時 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 10 圖 2.3 系統(tǒng)工作原理圖 離合器踏板需用一個輕質軟彈簧使其歸位，同時使踏板具有一定的阻尼效果，考慮到油離配合，要求離合器的行程和使用機械裝 置時相同，并且離合器的分離和接合的速度也要與使用機械式裝置時相同，還有要考慮失效保護，當電控系統(tǒng)失效時，需要機械系統(tǒng)重新正常工作，保證駕駛員和乘員的安全，失效保護可以參照電子節(jié)氣門的形式，例如用兩個離合器位置傳感器。 2.3 線控離合器的優(yōu)點和存在的主要問題 2.3.1線控離合器的優(yōu)點 （ 1） 省力，人們可以不用直接操作機械力 ,減輕駕駛員疲勞。 （ 2）比質量輕，性能高（響應快）。線控系統(tǒng)取消了許多機械連接裝置、液壓裝置和氣壓裝置，簡化了結構和生產工藝，便于實現(xiàn)汽車輕量化。 （ 3）維護用品可大大減小，減 少維護費用。取消機械和液壓連接可減少車身質量并簡化維護工作，可能磨損的部件更少了 （ 4） 使得汽車自動駕駛成為可能，整個汽車就是一個完整的電路整體。 （ 5）安裝測試簡單快捷，更穩(wěn)固的電子接口（模塊結構），隔板間無機械連接，簡單布置就能增加電子控制功能。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 11 （ 6）實現(xiàn)智能化控制功能 線控離合器 控制系統(tǒng)作為發(fā)動機控制的一個功能模塊， 可以更好的實現(xiàn)汽車的性能和一些其他的功能。 2.3.2 系統(tǒng)存在的主要問題 主要表現(xiàn)在以下兩個問題 非線性問題和可靠性問題 。 1.非線性問題 在 線控離合器 總成內，傳動機構存在無法消除 的非線性問題，主要是： 分離指 運動過程中的粘性摩擦和滑動摩擦、 離合器 復位彈簧的非線性特性、 電機 減速 機構 中的輪齒間隙 。 （ 1）粘性摩擦和滑動摩擦： 線控離合器 在工作過程中 拉桿和分離指的 運動會同時受到粘性摩擦和滑動摩擦的作用，在動態(tài)過程中造成摩擦力的變化的非線性。 （ 2）復位彈簧非線性： 離合器 復位彈簧采用 螺旋 彈簧 或膜片彈簧 ，隨著 離合器分離位置 的不同，其施加在 離合器 中心軸上的扭轉力矩呈非線性變化。 （ 3）輪齒間隙：由于電機的轉速較高而扭矩較小，因此在電機輸出軸與 離合器 中心軸與心軸間采用了一套齒輪減速機構。齒輪嚙合間隙 的存在對節(jié) 離合器 的工作產生了一定的非線性影響。 2.可靠性問題 由于取消了機械連接方式，采用電子控制的方式，使得 線控離合器 的可靠性相對降低，如果控制軟件或者系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障，就不能保證整個系統(tǒng)工作的可靠性。 為了保證系統(tǒng)的可靠性，在 線控離合器 設計時采取冗余設計思想， 離合器 位置傳感器采用兩個傳感器來保證系統(tǒng)一旦其中一個傳感器失效的情況下另一個傳感器仍可以采集 離合器 信號。另一個保證系統(tǒng)可靠性的方法是 保留一個簡化的機械連接。保證電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時依靠簡化的機械連接可以正常行駛一段距離，保證車輛安全到達目的地。 2.4 本章小結 本章介紹了 線控離合器的 控制系統(tǒng)結構，介紹了 線控離合器 的功能和原理，分析了 線控離合 存在的主要問題。主要結論如下： 1.傳統(tǒng)的 離合器是 機械式連接， 線控離合器 系統(tǒng)取消了機械式的剛性連接，采用一種柔性控制方式。 2.在 線控離合器 總成內，傳動機構存在無法消除的非線性問題，包括 分離指 運動過程中的粘性摩擦和滑動摩擦、復位彈簧的非線性特性、減速齒輪裝置中的輪齒間隙。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 同時采用電子控制的方式，使得 線控離合器長時間用 的可靠性相對降低。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 第 3 章 線控離合器數(shù)學模型和控制策略 3.1 系統(tǒng)建模 3.1.1 線控離合器機構 系統(tǒng)建模部分主要是針 對線控離合器總體結構 建立相應 數(shù)學模型。 線控離合器 的 基本 結構 主要 組成為：直流電機、減速齒輪、位置傳感器、回位彈簧。 離合器 在電機驅動力、彈簧回復力及摩擦力 (粘性摩擦力和庫侖摩擦力 )作用下轉動 (其中減速齒輪傳動系對系統(tǒng)的影響不大 )。 離合器在工作 過程中，受到彈簧回位轉矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、電機驅動力矩 等 不平衡力矩的作用，存在不確定非線性因素的影響。 3.1.2 工作過程分析 線控離合器 控制系統(tǒng)一般采用 轉速和轉速 控制，即根據 離合器需要的分離速度 、轉 矩需求，得到 離合器切開 速度和分離力的 要求，再由 ECU 計算出所需的 電機轉速要求 。 實際計算過程中， 需要建 立離合器分離時間與電機轉速和轉矩的曲線圖。 3.1.3 齒輪傳動及齒隙影響 圖 3.1 齒輪傳動機構 1.齒輪傳動 如圖 3.1 所示，由于電機轉速相對較高，所以本設計需要有一套減速增扭機構，所以用到齒輪傳動。電機轉矩 傳動采用閉式齒輪傳動，齒輪和軸承完全封閉在箱體內，能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度。它的的主要優(yōu)點有：體積小，傳動效率高，工黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 14 作可 靠，壽命長，傳動比準確，結構緊湊。所用的齒輪為塑料齒輪，具有重量輕，摩擦小等特點 。 2.間隙對傳動系統(tǒng)的影響 由于齒輪間隙的影響將會對調速系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，或者這種影響相當于一種滯后擾動，這在機械方面是無法克服的。由于這種擾動的影響將會使調速系統(tǒng)的電氣性能受到影響，所以需要加強抗擾措施，使這種影響減少到最小，以達到允許的范圍之內。 電機通過減速齒輪傳動驅動 離合器拉桿 時，齒間間隙沖擊對傳動的影響非常復雜。一般地認為，由于齒輪間隙的影響會給系統(tǒng)帶來滯后效應。 齒隙非線性廣泛存在于各種機電伺服系統(tǒng)中，會造成系統(tǒng)極 限環(huán)振蕩、低速不平穩(wěn)和換向誤差跳變，具有非線性、非解析描述和不可微的特性，難以建模與控制 。 3.2 控制策略分析 迄今為止還沒有一種控制策略是對所有的被控對象都適用。對于特定的控制系統(tǒng)，選擇良好的控制算法，使被控系統(tǒng)的特性達到最佳，這是每個研究控制的人員的主要問題。 線控離合器控制是一個復雜的快速變化過程，離合器受到非線性力矩及不穩(wěn)定因素的影響，要想實現(xiàn)對離合器預期位置的精確控制，一是要了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，二是要運用恰當?shù)目刂评碚摵头椒ā?單輸入 單輸出定?？刂葡到y(tǒng)，是比較簡單而又比較成熟的控制方法?？刂?一般用校正網絡對系統(tǒng)進行綜合校正，常用的有滯后、超前校正網絡，另一種應用最廣而又非常有效的方法是 PID 校正網絡。 PID 控制器具有結構簡單，參數(shù)易于調整，算法較靈活等優(yōu)點，但對外界適應能力較差。本章對線控離合進行了 PID 控制設計，以便在某些線性區(qū)域加以運用。在對線控離合器控制策略的研究中，更多的是運用現(xiàn)代控制理論。 現(xiàn)代控制理論是在狀態(tài)空間中，利用狀態(tài)方程和輸出方程來描述動態(tài)系統(tǒng)的運動規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論既適用于單輸入單輸出、線性、定常、集中參數(shù)控制系統(tǒng)，又適用于多輸入多輸出、非線性、時變、分布參數(shù)控制系統(tǒng)，應 用范圍很廣。目前較成熟的現(xiàn)代控制理論有自適應控制、魯棒控制、變結構控制和智能控制等。 （ 1）自適應控制。自適應控制系統(tǒng)是一個具有一定適應能力的系統(tǒng)，它能夠認識環(huán)境的變化并自動校正控制動作，使系統(tǒng)達到或接近最優(yōu)的效果。自適應控制在線控黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 15 離合器控制中已有一些研究，包括比例、微分和前饋的自適應控制，是基于對線控離合器系統(tǒng)辨識得到的參數(shù)模型進行自適應控制。 （ 2）魯棒控制。近 20 年來，魯棒控制理論及其實際應用得到了迅速發(fā)展，已在空間技術、冶金、化工、機械加工等控制領域的許多方面得到了越來越廣泛的應用，收到了日益顯著的 效果（ 2000 年， Carlo Rossi 等將魯棒控制引入節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，并用實驗證明了魯棒控制可以提高系統(tǒng)對輸入信號的跟蹤精度和對外部擾動的抑制能力）。目前，人們正致力于將魯棒控制應用于線控離合器上。 （ 3）變結構控制。變結構控制的基本原理是當對象狀態(tài)穿越狀態(tài)空間中的某個事先規(guī)定的切換曲面時，控制器中的邏輯單元便使控制器結構發(fā)生變化，迫使系統(tǒng)狀態(tài)沿切換曲面作漸近穩(wěn)定的運動，達到參數(shù)變化和擾動不影響系統(tǒng)特性的目的（ 2001 年，美國俄亥俄州立大學的潘遙東等，從電機電流入手，對節(jié)氣門進行變結構控制研究，結果表明 變結構控制實現(xiàn)簡單、魯棒性強 ）。經過精心研究把變結構控制應用在線控離合器上應該在不久的將來會實現(xiàn)。 （ 4）人工智能控制。智能控制是利用人工智能中的模式識別、推理規(guī)則、學習、專家系統(tǒng)和智能搜索等方法，標定、校正和優(yōu)化自適應控制參數(shù)，選擇工作模式、處理異常事故，成功地完成實時控制任務。由于這類控制的復雜性及對硬件要求很高，目前還沒有看到其應用。 綜上所述，現(xiàn)代控制策略有很多都 可以在線控離合器 控制系統(tǒng)中使用?？刂菩Ч饕Q于控制策略的選擇以及參數(shù)的優(yōu)化，但應該說各種控制策略各有優(yōu)缺點，實際應用中，往往要根據具體 的動態(tài)和靜態(tài)性能要求、環(huán)境條件以及成本限制來進行選擇。 由于 線控離合器 控制系統(tǒng) 有 個最突出問題是系統(tǒng)頻響要求較高，所以要求控制算法簡單，運算時間短。一般要 求 響應速度優(yōu)于 0.2 秒 ，在實際應用由于硬件成本限制，這就使得許多控制理論成果對 線控離合器 控制系統(tǒng)并不都適用。 3.3 本章小結 本章首先根據 線控離合器 機構，分析了 線空離合器 中各運動系統(tǒng)的特性，并建立了相應的數(shù)學模型。內容包括摩擦力、齒隙沖擊等模型。分析了目前對 線控離合器 運動的控制策略。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 16 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設計 4.1 控制系統(tǒng)結構 線控離合器 在整個工 作范圍都由直流電機控制，因此 離合器 的精確控制是通過直流電機的精確控制實現(xiàn)的。硬件設計中直流電機驅動電路的設計十分重要，本文設計的驅動電路，用來驅動電機。直流電機一般采用脈寬調制作為控制信號，這就要求控制系統(tǒng)能輸出易于控制的脈寬調制信號。 線控離合器 控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，由 離合器 踏板模塊輸入目標 位置信號 ， 離合器 位置傳感器反饋實際 離合器的分離或接合的位置 ， 離合器 踏板和 離合器 位置傳感器輸入的都是模擬量，必須通過轉換為數(shù)字量。因此控制器必須具有 A/D 轉換功能和信號處理功能。 圖 4.1為控制系統(tǒng)硬件結構簡圖，主 要由電源、傳感器、控制電路部分和執(zhí)行部分組成。傳感器包括兩個： 離合器 踏板位置傳感器（ PPS）和 離合器 位置傳感器（ TPS） , 離合器 踏板位置傳感器 (PPS) 完成踏板控制信號輸入 ，離合器 位置傳感器 (TPS)完成 離合器 位置信號的反饋；控制電路部分包括：信號的采集與處理電路、單片機、功率驅動電路；執(zhí)行部分是由電機驅動的 拉桿及相關組件 組成。 飛思卡爾 9S12XS128 單片機的 A/D 轉換器將輸入的模擬信號轉化數(shù)字信號，控制算法計算出控制量后通過 I/O 口輸出控制信號，控制直流電機驅動器。直流電機驅動器輸出功率驅動信 號控制直流電機的轉動，從而實 現(xiàn)離合器接合與分離 的控制 ，圖 4.1 為硬件結構圖。 圖 4.1 線控離合器 控制系統(tǒng)硬件結構簡圖 電機驅動電 路 功率輸出信號 電機 位置信號 信號處理電路 PPS TPS 控制信號 A/D I/O 單片機 飛思卡爾9S12XS128 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 17 4.2 控制系統(tǒng)電路設計 4.2.1 單片機的選擇 單片機是控制系統(tǒng)的核心，它主要完成信號的采集、轉換和處理，控制量的計算，控制信號的輸出以及與計算機的通信。為了實現(xiàn)上述功能，本文選用單片機 飛思卡爾9S12XS128 型號單片機為主芯片，設計了直流電機驅動電路，開發(fā)了 線控離合器 控制系統(tǒng)的硬件電路。 MC9S12 系列單片機（也稱為 HCS12 系列，簡稱 S12 系列）是基于速度更快的 CPU12內核的單片機系列，具備片上糾錯能力，并與 68HC11 和 68HC12 結構編碼兼容，便于移植 。 與 HC12 相比， MC9S12 系列采用 Motorola 第三代 Flash，容量為 32K 512KB，具有在線編程能力和保密機制，無需外加編程電壓，最短整體擦除時間僅 100ms，512字節(jié)頁擦除時間僅 20ms。典型的 HC12 總線速率是 8MHz，而 S12 內部總線速率最高可達 25MHz，即 40ns 的最小指令周期。 MC9S12 系列 RAM和 EEPROM 容量總體上高于 HC12 系列 ，且串行接口豐富，時鐘發(fā)生器模塊內設 PLL，內部時鐘可軟件調節(jié)。此外