基于CAN總線的電控自動(dòng)離合器控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(guò)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(cè)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(guò)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(kāi)關(guān)量、模擬量、頻率量。開(kāi)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(guò)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(lái)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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(guò)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(wèn)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(guó)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(cè)試儀器之間的信息交換而開(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的， 在使用CAN 通信時(shí)， 需要開(kāi)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(guó)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(jiǎn)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(jué)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(kāi)發(fā)成本等角度出發(fā)， 定義一種簡(jiǎn)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(lái)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(cè)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(guò)CAN 總線通信。圖5 為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)CAN 總線傳送的檔位變化信息， 圖6 為通過(guò)CAN 總線傳遞的加速踏板開(kāi)度信號(hào)。

圖5 檔位信息

圖6 加速踏板開(kāi)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(kāi)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)。