拉線操縱式離合器電子線控系統(tǒng)設計【含CAD高清圖紙和文檔】

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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 46黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計目 錄摘要IAbstract第1章 緒論11.1 選題的目的和意義11.2 線控技術現(xiàn)狀分析71.3 線控技術發(fā)展前景21.4 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)42.1線控離合器控制系統(tǒng)42.2線控離合器控制系統(tǒng)結構42.2.1 機械式離合器結構、原理42.2.2 線控離合器結構、原理52.3 線控離合器系統(tǒng)存在主要問題72.3.1 線控離合器的優(yōu)點72.3.2 系統(tǒng)存在的主要問題82.4 本章小結8第3章 線控離合器數(shù)學模型和控制策略103.1 系統(tǒng)建模103.1.1 線控離合器機構103.1.2 工作過程分析103.1.3 齒輪傳動及齒隙影響103.2 控制策略分析113.3 本章小結12第4章 控制系統(tǒng)硬件設計134.1 控制系統(tǒng)結構134.2 控制系統(tǒng)電路設計144.2.1 單片機的選擇144.2.2 飛思卡爾單片機的簡介及優(yōu)點154.2.3 信號處理電路設計174.3 驅動電路設計184.3.1 H橋驅動電路184.3.2 PWM模塊及工作原理204.3.3 使能控制和方向邏輯224.4 直流電機控制原理234.4.1直流電機控制原理234.4.2 直流電機的可逆 PWM控制電路244.4.3 PID控制原理254.5 本章小結27第5章 控制系統(tǒng)軟件設計295.1 軟件系統(tǒng)總體分析295.2 控制功能軟件設計305.2.1 功能子程序設計305.2.2 控制功能程序編寫315.3 本章小結35結論36參考文獻37致謝38附錄39附錄 A139附錄 A243第1章 緒 論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(wǎng)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(jīng)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(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)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)牟豢煽侩姶鸥蓴_、器件失效、軟件程序的設計、網(wǎng)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)狀分析目前，線控技術已經(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)廠商和零部件生產(chǎn)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(chǎn)品已經(jīng)開始市場化、系列化?，F(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(jù)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(jīng)過信號轉換，處理之后輸出，在經(jīng)過PWM控制占空比，來實現(xiàn)電機轉速的控制，在經(jīng)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。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，駕駛員抬起離合器踏板時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 信號經(jīng)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）離合器再次接合離合器分離 圖2.2 執(zhí)行流程圖 系統(tǒng)工作原理圖如圖2.3所示， 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(chǎn)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。（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(chǎn)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。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。 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(jù)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?。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。控制一般用校正網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行綜合校正，常用的有滯后、超前校正網(wǎng)絡，另一種應用最廣而又非常有效的方法是PID校正網(wǎng)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?，F(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(jīng)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(jù)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(jù)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。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。 電機驅動電路功率輸出信號電機位置信號信號處理電路PPSTPS控制信號A/DI/O單片機飛思卡爾9S12XS128圖4.1 線控離合器控制系統(tǒng)硬件結構簡圖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32K512KB，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S12具有靈活的定制模式，背景調試模式以及對C進行完全優(yōu)化的壓縮代碼的優(yōu)點。圖4.2為9S12XS128最小系統(tǒng)的電路圖。4.2.2 飛思卡爾單片機的簡介及優(yōu)點 1.飛思卡爾單片機簡介飛思卡爾處理器遠非只是單片機。飛思卡爾（freescale）半導體公司，就是原來的Motorola公司半導體產(chǎn)品部。于2004年從Motorola分離出來，更名為freescale！freescale系列單片機采用哈佛結構和流水線指令結構，在許多領域內都表現(xiàn)出低成本，高性能的的特點，它的體系結構為產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)省了大量時間。此外freescale提供了多種集成模塊和總線接口，可以在不同的系統(tǒng)中更靈活的發(fā)揮作用！2.Freescale9S12單片機的特有的特點如下：（1）全系列從低端到高端，從8位到32位全系列應有盡有，最近還新推出8位/32位管腳兼容的QE128，可以從8位直接移植到32位,彌補單片機業(yè)界8/32 位兼容架構中缺失的一環(huán)。（2）多種系統(tǒng)時鐘模塊三種模塊，七種工作模式多種時鐘源輸入選項，不同的mcu具有不同的時鐘產(chǎn)生機制，可以是RC振蕩器，外部時鐘或晶振，也可以是內部時鐘，多數(shù)CPU同時具有上述三種模塊！可以運行在FEI，F(xiàn)EE，F(xiàn)BI，F(xiàn)BILP，F(xiàn)BE，F(xiàn)BELP，STOP這七種工作模式。 4.2 MC9S12最小系統(tǒng)原理圖 （3）多種通訊模塊接口與其它系列的單片機不同，freescale單片機幾乎在內部集成各種通信接口模塊：包括串行通信接口模塊SCI，多主I2C總線模塊,串行外圍接口模塊SPI，MSCAN08控制器模塊，通用串行總線模塊（USB/PS2）。（4）具有更多的可選模塊某些MCU具有LCD驅動模塊，某些MCU帶有溫度傳感器，某些MCU具有超高頻發(fā)送模塊，部分MCu含有同步處理器模塊，某寫含有同步處理器的MCU還具有屏幕顯示模塊OSD，還有少數(shù)的MCU具有響鈴檢測模塊RING和雙音多頻/音調發(fā)生器DMG模塊。（5）可靠性高，抗干擾性強。（6）低功耗也許freescale系列的單片機的功耗沒有msp430的低，但是他具有全靜態(tài)的“等待”和“停止”兩種模式，從總體上降低您的功耗！新近推出的幾款超低功耗已經(jīng)與msp430的不相上下。（7）多種引腳數(shù)和封裝選擇可以說freescale系列單片機具有的MCU種類是最多的了，有些MCU本身就有幾種不同的引腳數(shù)和封裝形式，這樣用戶各異根據(jù)需要來選擇，總有一款適合你的開發(fā)的單片機。有關于部分人的freescale單片機模塊寄存器多,配置困難不容易上手，可以說freescale單片機模塊寄存器的確相對多，就拿GPIO來說就有端口數(shù)據(jù)寄存器、端口數(shù)據(jù)方向寄存器、端口內部上拉使能寄存器、端口轉換率使能寄存器和端口驅動強度選擇寄存器5個寄存器，它的寄存器多是為了解決客戶對IO端口的高要求和高可靠性要求，如果不考慮這些，您就只需要配置端口數(shù)據(jù)寄存器、端口數(shù)據(jù)方向寄存器這兩個寄存器，這就和其他的單片機的難易度就一樣了。獨有的BDM仿真開發(fā)方式和單一引腳用于模態(tài)選擇和背景通信，HCS08 的開發(fā)支持系統(tǒng)包括了背景調試控制器（BDC）和片內調試模塊（DBG），BDC提供了一個至目標 MCU 的單線調試接口，也就是提供了一個便于在片內 FLASH 或其它固定存儲器編程的接口。 4.2.3 信號處理電路設計信號處理電路是電控系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成信號的跟隨和濾波。信號處理可以防止各種干擾進入系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)抗干擾的重點部分。本系統(tǒng)中應用HCS12A/D這種型號的A/D轉換器來采集采集一個離合器位置傳感器和一個踏板位置傳感器的輸入信號。HCS12A/D可以實現(xiàn)8/10 位精度；7 us, 10-位單次轉換時間.；采樣緩沖放大器；可編程采樣時間；左/右對齊, 有符號/無符號結果數(shù)據(jù)；外部觸發(fā)控制；轉換完成中斷；模擬輸入8通道復用；模擬/數(shù)字輸入引腳復用；1到8轉換序列長度；連續(xù)轉換模式；多通道掃描方式。ATD模塊有模擬量前端、模擬量轉換、控制部分及結果存儲等四部分組成。其中模擬前端包括多路轉換開關、采樣緩沖器、放大器等，結果存儲部分主要有8個16位的存儲器和反映工作狀態(tài)的若干標志位。圖4.3為其功能結構圖，圖中所示的是A/D模塊的功能結構，這個功能模塊被虛線劃分成為圖示所示的虛線所隔離的三個部分：IP總線接口、轉換模式控制/寄存器列表，自定義模擬量。IP總線接口負責該模塊與總線的連接，實現(xiàn)A/D模塊和通用I/O的目的，還起到分頻的作用轉換模式控制寄存器列表中有控制該模塊的所有的寄存器，執(zhí)行左右對齊運行和連續(xù)掃描。自定義模擬量負責實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉換。包括了執(zhí)行一次簡單轉換所需的模擬量和數(shù)字量。 圖 4.3 ATD功能結構圖4.3 驅動電路設計4.3.1 H橋驅動電路圖4.4中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：圖4.4及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動電路沒有畫出來）。如圖所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。 圖4.4 H橋驅動電路要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖4.5所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖4.6所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖4.5 H橋電路驅動電機順時針轉動 圖4.6 H橋驅動電機逆時針轉動本設計選用的驅動電路為最大功率為240W的大功率電機驅動模塊，其電壓范圍能達到12V30V，電流可在6A20A范圍內進行調節(jié)，另有溫度保護功能，和LED顯示故障，限流保護等功能，本驅動器性能非L298和MC33886等電機驅動芯片所能比。本驅動器操作簡單，保護功能完善?？捎糜诳刂拼蠊β孰姍C，并具有電機保護功能，避免電機損壞。本驅動器采用完整的全橋驅動芯片加上極低內組的MOSFET組成。完整的全橋驅動芯片可靠的驅動方式，使MOSFET的開關損耗降至最低。提高電源利用率。MOSFET驅動芯片自帶溫度保護功能、限流功能。本驅動器優(yōu)于功率芯片方案功率余量低和其他半橋組合方案中時序協(xié)調復雜問題和互補驅動問題。MOSFET采用耐電流沖擊型，可快速使MOSFET溝道打開，提高電機的加速曲率，同時也能迅速的為電機制動。驅動器可以工作在0-98的PWM調制占空比。4.3.2 PWM模塊及工作原理 PWM,是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，翻譯成中文為脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。PWM控制技術主要應用在電力電子技術行業(yè),具體講,包括風力發(fā)電、電機調速、直流供電等領域。9S12單片機PWM調制波有8個輸出通道，每個輸出通道都可以獨立的進行輸出，每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)）一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個PWM輸出通道都能調制出占空比從0100%的輸出波形。PWM主要特點有:1. 它有8個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。2. 每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。3. 每一個通道的PWM輸出使能都可以通過編程來控制。4. PWM輸出波形的翻轉控制可以通過編程來實現(xiàn)。5. 周期和脈寬可以被雙緩沖，當通道關閉或PWM計數(shù)器為0時，改變周期和脈寬才起作用。6. 8字節(jié)或16字節(jié)通道協(xié)議。7. 有四個時鐘源可供選擇（A、SA、B、SB）他們提供了一個寬范圍的時鐘頻率.8. 通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期。9. 具有遇到緊急情況關閉程序的功能。10. 每個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出。PWM工作原理:S12微控制器PWM模塊是有獨立運行的8位脈沖計數(shù)器PWMCNT兩個比較內存器PWMPER和PWMDTY組成。1. 左對齊方式在該方式下，脈沖計數(shù)器為循環(huán)遞增計數(shù)，計數(shù)初值為0.當PWM使能后，計數(shù)器PWMCNT從0開始對時鐘信號遞增計數(shù)，開始一個輸出周期。當計數(shù)值與占空比常用寄存器PWMDTY相等時，比較器1輸出有效，將觸發(fā)器置位，而PWMCNT繼續(xù)計數(shù)，當計數(shù)值與周期常數(shù)寄存器PWMPER相等時，比較器2輸出有效，將觸發(fā)器復位，同時PWMCNT也復位，結束一個輸出周期，原理如圖4.7， 圖4.7 脈沖左對齊方式2.中心對齊方式在該方式下，脈沖計數(shù)器雙向計數(shù)，計數(shù)初值為0.當PWM使能后，計數(shù)器PWMCNT從0開始對時鐘信號遞增計數(shù)，開始一個輸出周期。當計數(shù)器與占空比常用寄存器PWMDTY相等時，比較器1輸出有效，觸發(fā)器翻轉，而PWMCNT繼續(xù)計數(shù)，當計數(shù)值與周期常數(shù)寄存器PWMPER相等時，比較器2輸出有效，此時改變PWMCNT的計數(shù)方向，使其遞解計數(shù)，當PWMCNT與PWMDTY再次相等時，比較器1再一次輸出有效，使觸發(fā)器再次翻轉，而PWMCNT繼續(xù)遞解計數(shù)，等待PWMCNT減回至0，完成一個輸出周期，原理如圖4.8， 圖4.8 脈沖中心對齊方式3.周期計算方法左對齊方式:輸出周期 = 通道周期 * PWMPER中心對齊方式:輸出周期 = 通道周期 * PWMPER * 23.脈寬計算方法左對齊方式:占空比 = (PWMPER - PWMDTY) / PWMPER * 100%中心對齊方式:占空比 = PWMDTY / PWMPER * 100%4.3.3 使能控制和方向邏輯驅動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。圖4.9 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。 圖4.9 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIRL信號為0，DIRR信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經(jīng)電機，如圖4.10所示；如果DIRL信號變?yōu)?，而DIRR信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。圖4.10 使能信號與方向信號的使用4.4 直流電機控制原理4.4.1 直流電機控制原理直流電機有兩種驅動方式：線性驅動方式和脈寬調制方式（Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM）。線性驅動方式的設計很簡單，只需要與電機串連一個可變電阻即可，如圖 4.11所示。改變可變電阻的阻值可以調節(jié)電機繞電流，以控制電機的輸出扭矩。當電機電阻等于可變電阻時，只有一半的能量被電機利用，另一半能量被可變電阻消耗，大部分功率用于產(chǎn)生熱量，效率和散熱性問題嚴重。因此，這種控制方式只用于微小功率直流電動機的驅動。脈寬調制方式是利用功率晶體管的開關特性來調制電壓恒定的直流電源，通過改變占空比來改變電樞的平均電壓，以此控制直流電機的扭矩，這是目前直流電動機的主要控制方式。其控制原理圖如圖 4.12a 所示。 圖4.11 直流電機線性驅動方式原理圖當開關管 的柵極輸入為高電平時，開關管導通，電源電壓施加到電動機兩端，向電機提供能量，電動機儲能。秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關管截至，中斷供電電源 向電機提供能量，但此時電樞電感在導通時所儲存的能量通過續(xù)流二極管 使電機電流繼續(xù)流通。后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖 4.12b 所示。 a) 原理圖 b) 輸入輸出電壓波形電流波形圖 4.12 直流電機脈寬調制控制原理和電壓波形圖電動機的電樞繞組兩端的平均電壓值為： （4.1） 式中為占空比， 占空比表示在一個周期內，輸出方波高電平時間與周期的比值，占空比的變化范圍為 01。電源電壓不變的情況下，改變值就可以改變電機電樞兩端電壓的平均值，從而改變電機的輸出扭矩。電機電樞電壓波形為脈沖方式，電流波形為連續(xù)的波浪方式，有一定的波動。提高 PWM 頻率可以減小電流波動。直流電機 PWM 控制系統(tǒng)有不可逆和可逆系統(tǒng)之分。不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單項旋轉，可逆系統(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉。4.4.2 直流電機的可逆 PWM控制電路線控離合器控制系統(tǒng)中，直流電動機不可避免會以正、反轉的狀態(tài)工作，這時需要使用驅動系統(tǒng)。驅動芯片的主要特點是:工作電壓高，本驅動系統(tǒng)最高工作電壓可達46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；內含有H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。H橋的工作原理：PWM0和PWM1控制電機的輸出轉矩和轉速圖4.13為H橋驅動電路。 4.13 H橋驅動電路4.4.3 PID控制原理將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用該控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器稱PID控制器。PID控制器是控制系統(tǒng)中技術比較成熟，而且應用最廣泛的一種控制器。它的結構簡單，參數(shù)容易調整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學模型，因此在工業(yè)領域中廣泛應用。數(shù)字PID控制器有兩種，一種是控制器輸出值與被控量一一對應的，叫位置型PID，另一種是控制器第k次輸出值為第k次與第k1次的差值的，叫增量型PID。因為本設計采用閉環(huán)控制，有兩路信號。一路為踏板位置信號，另一路為離合器位置信號，并且兩路信號輸出量與位置偏差是一一對應的，所以選擇了位置型PID。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量。由于這一特點式4.2中的積分項和微分項不能直接使用，必須離散化處理，離散PID的表達式如下： (4.2)式中T為采樣周期，T必須足夠小系統(tǒng)才具有一定精度，為第k次采樣時的偏差值，可為采樣序號，為第k次采樣時控制器的輸出。其簡化式為： (4.3)式中k采樣序號，k=0,1,2，； 第k次采樣時刻的計算機輸出值 第k次采樣時刻輸入的偏差值 第k-1次采樣時刻輸入的偏差值 比例系數(shù) 積分系數(shù)=T/ 微分系數(shù)=/ 開始