基于CAN總線的自動(dòng)離合器控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于CAN總線的自動(dòng)離合器控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的自動(dòng)離合器控制器，采用高性能微處理器XC878完成離合器控制器軟硬件開發(fā)。設(shè)計(jì)了離合器執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及自動(dòng)離合器控制程序。針對離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制的需要，設(shè)計(jì)了CAN總線節(jié)點(diǎn)接口電路及一套簡單、實(shí)用、高效的CAN總線通信協(xié)議。

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。

隨著社會(huì)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(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[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（AutomaticClutchSystem）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，模擬駕駛員的操縱動(dòng)作和感覺，實(shí)現(xiàn)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(hào)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。

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(hào)和駕駛員的掛檔信號(hào)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(hào)。由于汽車環(huán)境干擾較大，信號(hào)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(hào)，還需要使用施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖信號(hào)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。BTS7810K正常工作模式的輸入輸出特性如表1所示。

表1BTS7810K輸入輸出特性

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(hào)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。

圖2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3CAN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。

圖3CAN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。

3.1離合器控制軟件設(shè)計(jì)

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(jié)合控制程序、換擋結(jié)合控制程序。其中分離控制程序比較簡單，ECU得到分離指令后，離合器全速分離，并且準(zhǔn)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(jié)合控制。離合器的起步結(jié)合過程既要保證車輛起步的平穩(wěn)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(jié)合量進(jìn)行控制外，還要對離合器的結(jié)合速度進(jìn)行控制，并通過與發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，提高控制效果。圖4為起步結(jié)合控制軟件流程圖。換擋過程中離合器的結(jié)合控制與起步控制在控制策略上類似，在此不再贅述。

圖4起步結(jié)合控制軟件流程圖

3.2CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，在使用CAN通信時(shí)，需要開發(fā)者自行定義應(yīng)用層協(xié)議。構(gòu)造應(yīng)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(hào)與消息的映射關(guān)系。設(shè)計(jì)要考慮的主要因素有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)的相對重要程度、與數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用控制算法對數(shù)據(jù)的時(shí)間要求等。國際上存在一些現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，如CANopen、SAEJ1939等。

在一些利用簡單的通信協(xié)議就可以滿足要求的情況下，采用復(fù)雜的協(xié)議會(huì)造成資源浪費(fèi)，用戶在應(yīng)用時(shí)也會(huì)覺得諸多不便，反而限制了靈活性。本文設(shè)計(jì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中僅有離合器控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。針對僅有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文從協(xié)議實(shí)現(xiàn)的代碼量、目標(biāo)系統(tǒng)的信息量、軟件的開發(fā)成本等角度出發(fā)，定義一種簡單可靠的CAN協(xié)議。具體的通信協(xié)議定義如表2所示，標(biāo)識(shí)符用來表示信息的優(yōu)先級(jí)，標(biāo)識(shí)符越小優(yōu)先級(jí)越高。

表2CAN總線通信協(xié)議

4CAN通信測試實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)是在自行搭建的離合器模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由離合器控制板、加速踏板、剎車踏板、相關(guān)傳感器、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)模擬控制板組成。離合器控制板與發(fā)動(dòng)機(jī)模擬控制板之間通過CAN總線通信。圖5為實(shí)驗(yàn)過程中通過CAN總線傳送的檔位變化信息，圖6為通過CAN總線傳遞的加速踏板開度信號(hào)。

圖5檔位信息

圖6加速踏板開度信號(hào)

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(tǒng)的軟硬件開發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)離合器的基本功能，設(shè)計(jì)了CAN總線接口。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了控制器方案及CAN通信模塊的可行性和可靠性，為實(shí)車試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

參考文