基于CAN总线的电控自动离合器控制器的设计与实现

发布者:脑洞狂想最新更新时间:2014-03-08 来源: eccn关键字:CAN总线  电控自动离合器  控制器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

随着社会的发展, 人们对汽车的舒适性和安全性要求越来越高, 而手动档汽车因其繁重的选换档及离合器操作增加了驾驶难度。对于驾驶新手而言,又会产生坡道起步易熄火、油耗大、离合器磨损严重等问题[ 1]。自动档汽车虽然驾驶操作简单, 但其造价高,开发难度大。本文设计的电控自动离合器ACS(Automatic Clutch System) 是在手动变速箱基础上安装电控系统,取消离合踏板,实现自动离合。ACS 的优势十分明显:与手动挡相比,其驾驶操控更为简单, 具有加速快、驾驶舒适的特点; 与自动变速器汽车相比,ACS 具有造价便宜、维修方便、经济、省油。

1 系统功能

ACS 将现代电子控制技术用于控制干式摩擦离合器, 模拟优秀驾驶员的操纵动作和感觉, 实现最佳的离合器结合规律, 其实质是为汽车驾驶员配备一个操纵离合器的机械人,实现自动离合器的功能。本文设计的ACS 控制器主要实现了如下几大功能。

(1) 换档离合: 控制器接收到换档信号后, 离合器迅速自动分离, 换档到位后离合器自动结合, 结合规律由电控单元依据汽车行驶工况确定。

(2) 坡道起步: 驾驶员踩制动踏板, 启动发动机, 将换档手柄置于一档或倒档, 松开手制动器,解除制动后不踩油门踏板汽车能够自动慢速行驶, 起步平稳, 冲击小,不熄火。

(3) 熄火保护: 汽车行驶过程中, 车速和发动机转速低于设定值后离合器自动分离, 车速和发动机转速高于设定值后离合器再自动结合。

(4)CAN 通信:ACS 控制器通过CAN 总线接口与发动机控制器实现数据通信, 为离合器与发动机的协调控制提供数据支持。

2 系统的硬件设计

2.1 控制器组成

自动离合器控制器原理框图如图1 所示。本系统的微处理器选用英飞凌高性能的8 位微处理器XC878CM, 工作频率最高可达27 MHz, 其片内硬件资源十分丰富, 片内集成了MultiCAN 控制器、捕获/比较单元6(CCU6) 、高性能ADC 模块等。XC878CM 出色的性能完全满足本系统的设计需要。本系统的硬件部分主要包括电源模块、数据采集模块、CAN 通信模块、执行电机驱动模块等。

图1 自动离合器控制器原理图

(1) 电源模块整车低压控制系统通过12 V 电池供电,8 位MCU 采用5 V 供电。所以本系统需要采用电源芯片进行电压的转换和隔离。本系统选用英飞凌电源芯片TLE4290 , 该芯片可提供稳定的5 V 电压, 误差在2%以内, 输入电压最高可达42 V。经测试, 其工作可靠, 满足系统要求。

(2)CAN 通信模块CAN 通信模块使用XC878CM 片内MultiCAN 控制器和英飞凌高速CAN 收发器IFX1050G作为CAN 通信的硬件组成。CAN 模块负责离合器控制器和发动机控制器之间的数据交换和共享,为发动机与离合器的协调控制提供数据通信支持。

(3) 执行电机驱动模块本系统使用的执行电机为额定电压为12V 的直流电机。单片机使用一个IO 口控制执行电机的转动方向, 一路PWM 输出控制电机的转速。

PWM 波由单片机内含的CCU6 模块配置为比较模式产生。单片机通过英飞凌电机驱动芯片BTS7810K 实现对执行电机的控制。

(4) 数据采集模块本系统采集的数据主要有三种类型: 开关量、模拟量、频率量。开关量主要是指点火信号和驾驶员的挂档信号等,通过单片机的I/O 口采集。

XC878CM 单片机片内集成一个带有8 路模拟输入选择的高性能10 bit 模数转换器, 可方便地用于模拟量的采集。XC878CM 内含的CCU6 模块可配置工作在捕获模式, 用于采集车速传感器发送来的频率量信号。由于汽车环境干扰较大, 信号采集电路需添加滤波、电压调理等电路。此外,对于频率量采集, 由于接收的是脉冲信号, 还需要使用施密特触发器进行脉冲信号的整形。

2.2 电机驱动电路设计

离合器执行机构采用12 V 直流电机驱动, 单片机采用脉宽调制PWM 技术控制电机转速。PWM 调速方法以控制简单、动态响应效果好、调速范围宽等优点成为应用十分广泛的调速方法。

对直流电机转动方向的控制需要通过搭建H桥电路实现, 由于自行搭建的H 桥电路及栅极驱动电路往往在可靠性方面很难保证。因此,本文选择了集成的电机驱动芯片BTS7810K 来驱动离合器执行电机。芯片BTS7810K 是一款全桥电机驱动芯片, 其内部集成了H 桥电机驱动电路及栅极驱动电路, 其工作频率高达1 kHz 以上,可方便可靠地实现对直流电机的控制。BTS7810K 正常工作模式的输入输出特性如表1 所示。


表1 BTS7810K 输入输出特性

  电机驱动电路如图2 所示, 单片机使用一个I/O 口输出控制电机转向, 一路PWM 输出控制电机转速。两路控制信号通过一个与门和两个非门组成的接口电路连接到驱动芯片的输入端IH1、IH2。这样做是为了保证两个输入端不同时为高电平, 防止桥臂直通问题的出现,提高系统的安全性和可靠性。[page]

图2 电机驱动电路

2.3 CAN 节点接口设计

CAN 总线是德国Bosch 公司20 世纪90 年代初为解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的信息交换而开发的一种串行通信协议网络[ 3]。它具有传输速率高、可靠性强和实时性好等特点, 正好符合ACS 与发动机协调控制的通信需要。对发动机和离合器进行综合控制,充分利用发动机电子控制系统控制发动机转速及时、准确的特点,使之与离合器相互协调配合, 将有利于离合器取得更好的控制效果, 进而提高换挡品质。

CAN 节点硬件电路主要包括: 带有CAN 控制器的微控制器和用于数据收发的CAN 收发器。本文选用的微处理器XC878CM 带有片内的CAN 控制器, 主要负责CAN 的初始化和数据处理。MultiCAN 模块集成了除收发器外CAN 总线控制器的所有功能。此外,MultiCAN 还具有先进的验收滤波功能、先进的数据管理、先进的中断管理等优良特性。CAN 的收发器种类很多, 本设计中选用英飞凌公司的高速收发器IFX1050G。CAN 节点的接口电路图如图3 所示。

图3 CAN 节点的接口电路图

3 软件设计

电控单元ECU 的控制软件主要由离合器控制程序和CAN 总线通信程序组成。

3.1 离合器控制软件设计

离合器的控制程序包括三个部分: 离合器分离控制程序、起步结合控制程序、换挡结合控制程序。其中分离控制程序比较简单,ECU 得到分离指令后, 离合器全速分离, 并且准确地在完全分离点停止即可。离合器的控制难点在于起步结合控制。离合器的起步结合过程既要保证车辆起步的平稳性、舒适性、起步不熄火,又要保证起步的快速性, 减少滑摩功的产生, 延长离合器使用寿命。因此, 要取得较好的控制效果除了对离合器的结合量进行控制外, 还要对离合器的结合速度进行控制,并通过与发动机的协调控制, 提高控制效果。图4 为起步结合控制软件流程图。换挡过程中离合器的结合控制与起步控制在控制策略上类似,在此不再赘述。


图4 起步结合控制软件流程图

3.2 CAN 通信协议设计

CAN 通信协议包括物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层是通过硬件实现的, 在使用CAN 通信时,需要开发者自行定义应用层协议。构造应用层协议的主要任务是ID 分配、定义消息周期、确定信号与消息的映射关系。设计要考虑的主要因素有数据传输的实时性要求、数据的相对重要程度、与数据相关的应用控制算法对数据的时间要求等。国际上存在一些现有的标准,如CANopen 、SAE J1939 等。[page]

在一些利用简单的通信协议就可以满足要求的情况下, 采用复杂的协议会造成资源浪费, 用户在应用时也会觉得诸多不便, 反而限制了灵活性。本文设计的CAN 总线网络中仅有离合器控制器和发动机控制器两个节点。针对仅有两个节点的实验平台, 本文从协议实现的代码量、目标系统的信息量、软件的开发成本等角度出发,定义一种简单可靠的CAN 协议。具体的通信协议定义如表2 所示,标识符用来表示信息的优先级, 标识符越小优先级越高。


表2 CAN 总线通信协议

4 CAN 通信测试实验

本文实验是在自行搭建的离合器模拟实验平台上进行的。本实验平台是由离合器控制板、加速踏板、刹车踏板、相关传感器、离合器执行机构及发动机模拟控制板组成。离合器控制板与发动机模拟控制板之间通过CAN 总线通信。图5 为实验过程中通过CAN 总线传送的档位变化信息, 图6 为通过CAN 总线传递的加速踏板开度信号。

图5 档位信息

图6 加速踏板开度信号

本文提出了一套电控自动离合器的控制器方案, 并进行了系统的软硬件开发, 初步实现了自动离合器的基本功能, 设计了CAN 总线接口。在实验平台上验证了控制器方案及CAN 通信模块的可行性和可靠性,为实车试验打下基础。

关键字:CAN总线  电控自动离合器  控制器 引用地址:基于CAN总线的电控自动离合器控制器的设计与实现

上一篇:详解基于CAN总线的汽车仪表系统设计
下一篇:基于XC164CM的车灯控制系统的设计与实现

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:37

基于CAN总线的无刷直流电动机模糊自适应PID控制器设计
    永磁无刷直流电动机具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便,且具有直流电动机良好的调速性能而无机械换向器等优点在国民经济各个领域中得到广泛应用。故多直流无刷电动机协调控制的分布式系统具有广阔的前景。     但由于无刷直流电动机控制系统存在不同程度的非线性、时变性、换向效应等不确定性,影响了伺服系统的性能。因此,普通PI控制器难以获得满意的控制效果,从而限制了无刷直流电动机的使用。     本文提出一种电流环采用经典PI而速度环采用模糊自适应PID控制方法,并设计了以PICl8F458为中央处理器的基于CAN总线技术的无刷直流电动机模糊自适应控制器。实验结果表明,此系统通过集中管理与分散控制很好地实现了多台直
[嵌入式]
单片机无功动态补偿控制器的设计
  为了提高供电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减少电能损耗和稳定受电端电网电压,在用户侧的低压配电系统中均设有无功补偿控制器。它根据检测的功率因数或无功功率,按照一定的控制规则投/切电容器,实现对线路无功功率的实时补偿。根据用户的要求和依据电力部行业标准,我们研制开发了单片机无功动态补偿控制器。该控制器可以控制八组电力移相电容器;具有反时限特性、过电压保护功能和工作状态指示等。 1 系统硬件设计 1.1 系统框图和原理简介   控制器以单片机为核心,其结构框图见图1所示。单片机通过电压、电流取样电路和A/D转换电路测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位差,通过计算得到功率因数和需要补偿的无功功率。然后根据每组电容器的容量、
[单片机]
单片机无功动态补偿<font color='red'>控制器</font>的设计
基于CAN总线和DSP的起重机多功能安全监控系统
    摘要: 介绍了一种基于数字信号处理器ADSP2105和现场总线技术的起重机多功能安全监控系统。该系统由最小系统节点、智能节点和主节点等模块组成。各模块之间的通信利用控制器局域风(CAN)完成。该系统具有人机界面友好、保护功能完善、可靠性高等特点,并具有一定的自诊断功能。     关键词: 安全监控 数字信号处理器ADSP2105 控制器局域网(CAN) 起重机是工程建设中的必要设备之一,在施工中应用相当广泛。然而,起重机潜在的危险因素也较多,容易发生恶性事故。国家技术监督局先后专门制定和发布了《起重机设计规范》(GB3811-83)、《起重机械超载保护装置安全技术规范》(GB12602-90)、《起重机
[应用]
基于CAN总线的温度检测节点设计
在对电子点火模块的测试中,为了模拟电子点火系统的真实工况,电子点火模块往往被置于高于常温的环境下进行电子点火实验,以获得最接近真实汽车运行工况的点火参数数据。由于电子点火模块自身的发热,其核心元件的温度成为影响电子模块性能的重要因素;另外,还要考虑环境温度是否达到模拟真实工况的要求等。 本文介绍了一种应用LM35温度传感器和PICMicro的温度检测节点的设计方案,用于检测在模拟汽车电子点火的过程中,电子点火模块的核心模块温度和环境温度,将阐明模块结构、工作原理及采样值量化的方法。 节点原理与结构 该温度检测节点由传感器电路、信号调理电路、单片机应用系统、CAN总线接口等构成。电路基本工作原理是:传感器电路将感应
[工业控制]
易行机器人:以核心控制器为抓手,赋能移动机器人行业
随着机器人市场的蓬勃发展,移动机器人需求激增。从仓储领域,到制造领域再到医疗领域,移动机器人为满足各个行业的不同需求不断完成适配。从自主搬运机器人到无人叉车再到医疗服务机器人,移动机器人已在各个行业中发挥了重要作用。 作为行业内优秀的机器人与移动机器人解决方案供应商,深圳市易行机器人有限公司在由高科技行业门户OFweek维科网主办、OFweek维科网·机器人承办的“OFweek 2021(第十届)中国机器人产业大会暨维科杯年度颁奖典礼”上荣获“维科杯·OFweek 2020中国机器人行业优秀产品”奖。与会期间,深圳易行机器人有限公司创始人刘权超先生接受了OFweek维科网的专访,畅谈行业的发展以及公司未来的行业规划。 市场空间
[机器人]
基于GSM、GPS及CAN总线的列车行程测量系统的研究
引言 随着铁路运输向高速度、高密度方向发展,安全工作将更加重要。一旦发生事故,不仅中断行车、打乱正常运行秩序,在经济上造成严重的损失,而且还会在社会上产生不良影响。为保证列车快速、安全、舒适、高效地在高速线上运行,对铁路列车进行及时的检修是非常重要的。列车检修周期主要以列车行驶的里程为参考,所以及时准确地记录列车的行驶里程是保证列车安全运行的关键。以往对列车各车厢行驶里程的记录是采用人工记录计算机存储的方式,有时由于工作人员的疏忽,就可能造成记录表丢失或漏记现象,这样就会使列车的实际行驶里程与记录的行驶里程不符,从而使列车不能得到及时地检修,为列车的安全运行造成了隐患。因此,研制一个能够自动记录列车行驶里程的网络系统是至关重要的
[测试测量]
基于GSM、GPS及<font color='red'>CAN总线</font>的列车行程测量系统的研究
TI针对通信与计算应用推出新一代数字电源系统控制器
德州仪器宣布推出了第三代 Fusion Digital Power™控制器UCD9240以及全新插入式模块,进一步升级当今电源系统管理的智能化程度。这种全配置且功能丰富的电源管理产品,实现了对多达四个独立数字控制环路和八种相位的数字化管理,同时还将轻负载条件下用电效率提高了30%。如欲了解更多详情,敬请访问:www.TI.com/digitalpower-pr。   如今,以 Sun Microsystems为代表的领先电信与服务器设备供应商正不断寻求管理多种电源相位的新方法,以针对系统变化迅速做出反应。TI 的 UCD9240 系列集成电源系统控制器具有最高密度与出色的性能特性,可快速适应系统所需。    适用于负载点系统的数字
[新品]
基于CAN总线在汽车控制系统中设计与实现
一、引言   随着汽车计算机控制技术的不断发展,现代汽车上的计算机控制系统越来越多,联系也越来越紧密。发动机计算机控制系统已经成为新型发动机的核心部分之一,微处理器以及新型部件和电路的使用使得汽车技术发展速度加快,而且越来越复杂。最近及未来的技术发展要求汽车维修技师必须很好地接受最新汽车技术的培训,本书的出版,就是为了帮助技师学习发动机计算机控制系统的工作原理,并掌握对其进行故障诊断的方法。书中讨论了计算机控制系统的结构与部件、故障的分析与诊断方法、OBD Ⅱ自诊断方法,多路传输技术,以及世界各大汽车公司典型的控制系统的原理、构造和诊断。笔者通过分别构造高、低速CAN网络,对实时性要求高的计算机控制单元采用高速CAN网络传输;
[嵌入式]
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved