基于CAN總線的自動離合器控制器設計

　　隨著社會的發展， 人們對汽車的舒適性和安全性要求越來越高， 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，開發難度大。

　　本文設計的電控自動離合器ACS(Automatic Clutch System) 是在手動變速箱基礎上安裝電控系統，取消離合踏板，實現自動離合。ACS 的優勢十分明顯：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、經濟、省油。

　　試驗表明，所設計的自動離合器控制器在功能上滿足實際應用的需要，CAN 通信模塊能夠準確無誤地收發數據，可靠性高。

　　1 系統功能

　　ACS 將現代電子控制技術用于控制干式摩擦離合器， 模擬優秀駕駛員的操縱動作和感覺， 實現最佳的離合器結合規律， 其實質是為汽車駕駛員配備一個操縱離合器的機械人， 實現自動離合器的功能。本文設計的ACS 控制器主要實現了如下幾大功能。

　　(1) 換檔離合： 控制器接收到換檔信號后， 離合器迅速自動分離， 換檔到位后離合器自動結合， 結合規律由電控單元依據汽車行駛工況確定。

　　(2) 坡道起步： 駕駛員踩制動踏板， 啟動發動機， 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， 沖擊小，不熄火。

　　(3) 熄火保護： 汽車行駛過程中， 車速和發動機轉速低于設定值后離合器自動分離， 車速和發動機轉速高于設定值后離合器再自動結合。

　　(4)CAN 通信：ACS 控制器通過CAN 總線接口與發動機控制器實現數據通信， 為離合器與發動機的協調控制提供數據支持。

　　2 系統的硬件設計

　　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27 MHz, 其片內硬件資源十分豐富， 片內集成了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的設計需要。本系統的硬件部分主要包括電源模塊、數據采集模塊、CAN 通信模塊、執行電機驅動模塊等。

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　　圖1 自動離合器控制器原理圖

　　(1) 電源模塊整車低壓控制系統通過12 V 電池供電，8 位MCU 采用5 V 供電。所以本系統需要采用電源芯片進行電壓的轉換和隔離。本系統選用英飛凌電源芯片TLE4290 ， 該芯片可提供穩定的5 V 電壓， 誤差在2%以內， 輸入電壓最高可達42 V。經測試， 其工作可靠， 滿足系統要求。

　　(2)CAN 通信模塊CAN 通信模塊使用XC878CM 片內MultiCAN 控制器和英飛凌高速CAN 收發器IFX1050G作為CAN 通信的硬件組成。CAN 模塊負責離合器控制器和發動機控制器之間的數據交換和共享， 為發動機與離合器的協調控制提供數據通信支持。

　　(3) 執行電機驅動模塊本系統使用的執行電機為額定電壓為12V 的直流電機。單片機使用一個IO 口控制執行電機的轉動方向， 一路PWM 輸出控制電機的轉速。

　　PWM 波由單片機內含的CCU6 模塊配置為比較模式產生。單片機通過英飛凌電機驅動芯片BTS7810K 實現對執行電機的控制。

　　(4) 數據采集模塊本系統采集的數據主要有三種類型： 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 單片機片內集成一個帶有8 路模擬輸入選擇的高性能10 bit 模數轉換器， 可方便地用于模擬量的采集。XC878CM 內含的CCU6 模塊可配置工作在捕獲模式， 用于采集車速傳感器發送來的頻率量信號。由于汽車環境干擾較大， 信號采集電路需添加濾波、電壓調理等電路。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器進行脈沖信號的整形。

　　2.2 電機驅動電路設計

　　離合器執行機構采用12 V 直流電機驅動， 單片機采用脈寬調制PWM 技術控制電機轉速。PWM 調速方法以控制簡單、動態響應效果好、調速范圍寬等優點成為應用十分廣泛的調速方法。

　　對直流電機轉動方向的控制需要通過搭建H橋電路實現， 由于自行搭建的H 橋電路及柵極驅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動芯片BTS7810K 來驅動離合器執行電機。芯片BTS7810K 是一款全橋電機驅動芯片， 其內部集成了H 橋電機驅動電路及柵極驅動電路， 其工作頻率高達1 kHz 以上，可方便可靠地實現對直流電機的控制。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

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　　電機驅動電路如圖2 所示， 單片機使用一個I/O 口輸出控制電機轉向， 一路PWM 輸出控制電機轉速。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，提高系統的安全性和可靠性。

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　　圖2 電機驅動電路

　　2.3 CAN 節點接口設計

　　CAN 總線是德國Bosch 公司20 世紀90 年代初為解決現代汽車中眾多控制與測試儀器之間的信息交換而開發的一種串行通信協議網絡[ 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 與發動機協調控制的通信需要。對發動機和離合器進行綜合控制，充分利用發動機電子控制系統控制發動機轉速及時、準確的特點， 使之與離合器相互協調配合， 將有利于離合器取得更好的控制效果， 進而提高換擋品質。

　　CAN 節點硬件電路主要包括： 帶有CAN 控制器的微控制器和用于數據收發的CAN 收發器。本文選用的微處理器XC878CM 帶有片內的CAN 控制器， 主要負責CAN 的初始化和數據處理。MultiCAN 模塊集成了除收發器外CAN 總線控制器的所有功能。此外，MultiCAN 還具有先進的驗收濾波功能、先進的數據管理、先進的中斷管理等優良特性。CAN 的收發器種類很多， 本設計中選用英飛凌公司的高速收發器IFX1050G。CAN 節點的接口電路圖如圖3 所示。

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　　圖3 CAN 節點的接口電路圖

　　3 軟件設計

　　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。