基于CAN總線的自動(dòng)離合器控制器設(shè)計(jì)

     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(duì)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(duì)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(duì)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（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。

　?。?） 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。

　?。?） 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， 工作頻率最高可達(dá)27 MHz, 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

　?。?） 電源模塊整車低壓控制系統(tǒng)通過12 V 電池供電，8 位MCU 采用5 V 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5 V 電壓， 誤差在2%以內(nèi)， 輸入電壓最高可達(dá)42 V。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(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(duì)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10 bit 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(duì)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12 V 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(duì)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)1 kHz 以上，可方便可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)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1 BTS7810K 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

　　2.3 CAN 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(duì)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3 CAN 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(duì)離合器的結(jié)合量進(jìn)行控制外， 還要對(duì)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

　　3.2 CAN 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(duì)重要程度、與數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用控制算法對(duì)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 、SAE J1939 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(duì)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2 CAN 總線通信協(xié)議

　　4 CAN 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)。