拉线操纵式离合器电子线控系统设计毕业设计论文.docx

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拉线操纵式离合器电子线控系统设计毕业设计论文

本科学生毕业设计

拉线操纵式离合器电子线控系统设计

院系名称：

汽车与交通工程学院

专业班级：

车辆工程B07-2班

学生姓名：

李程

指导教师：

崔宏耀

职称：

副教授

黑龙江工程学院

二○一一年六月

TheGraduationDesignforBachelor'sDegree

DesignofElectronicClutchControlSystemofAutomotiveEngines

Candidate：

LiCheng

Specialty：

VehiclesEngineering

Class：

B07-2

Supervisor：

AssociateProfessorCuiHongyao

HeilongjiangInstituteofTechnology

June2011·Harbin

摘要

随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。

汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。

目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。

其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台。

汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种。

其中拉线式布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大，两种机械式操纵机构的比较杆系传动优点：

结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：

关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。

拉线传动优点：

结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：

寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。

本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。

关键词：

线控离合器；H桥；PWM控制；控制策略；传感器

ABSTRACT

Asautomobileelectronictechnology，Automaticcontroltechnologygraduallymatureandcarnetworkcommunicationstechnologyiswidelyused，Automotivewirecontroltechnologyisalsograduallygainfavouriscarfurtherresearchandthefuturetrendofdevelopment.

Automotivewirecontroltechnologyisthedriverthroughsensorintoelectricalsignalmanipulationofaction,Throughthecabledirectlytransmissiontotheactuatorasystem.Currentlyincludewirecontrolshiftsystem,linecontrolservosystem,linecontrolsuspensionsystem,Wirecontrolthepressurizationsystem,lineoil-controldoorsystemandwirecontrolsteeringsystem.Includingwirecontrolsteeringsysteminlimousines,sportscarAndconceptcar,itiswidelyusedforautomateddrivingtoprovideagoodplatform.

Clutchmanipulationshydraulicandfarrowedtypetwokinds.Includingfarrowedtypedecoratesconvenient,Frictionlossisbig,Byframe,bodyspurttypedeformationgreatinfluence,Twokindsofmechanicalcontrolmechanismsofcomparativebartransmissionadvantages:

simplestructure;Costislow;Longlife.Highreliability;Faults:

jointing,frictionlossmorebig,donotsuitableforlong-distancemanipulation,Thebodyorframebydeformation.Farrowedtransmissionadvantages:

simplestructure;Costislow;Overcometherodisnotsuitableforlong-distancemanipulationoftransmissionof,Thebodyorframebydeformationfaults.Canusehangingpedal;Faults:

shortlife,stretchingstiffnessissmall;Tensiledeformationtoleadtoariseinpedalstroke.

Thisdesignforfarrowedmanipulatetypeclutchdesigncontrolsystems,canwirewiththeoriginalsystemfunctionshifts.

Keywords:

wirecontrolclutch;Hbridge;PWMcontrol;Controlstrategies;sensor

AbstractⅡ

第1章绪论1

1.1选题的目的和意义1

1.3线控技术发展前景2

1.4研究内容和需解决的主要问题3

第2章线控离合器系统4

2.1线控离合器控制系统4

2.2线控离合器控制系统结构4

2.2.1机械式离合器结构、原理4

2.2.2线控离合器结构、原理5

2.3线控离合器系统存在主要问题7

2.3.1线控离合器的优点7

2.3.2系统存在的主要问题8

2.4本章小结8

第3章线控离合器数学模型和控制策略10

3.1系统建模10

3.1.1线控离合器机构10

3.1.2工作过程分析10

3.1.3齿轮传动及齿隙影响10

3.2控制策略分析11

3.3本章小结12

第4章控制系统硬件设计13

4.1控制系统结构13

4.2控制系统电路设计14

4.2.1单片机的选择14

4.2.2飞思卡尔单片机的简介及优点15

4.2.3信号处理电路设计17

4.3驱动电路设计18

4.3.1H桥驱动电路18

4.3.2PWM模块及工作原理20

4.3.3使能控制和方向逻辑22

4.4直流电机控制原理23

4.4.1直流电机控制原理23

4.4.2直流电机的可逆PWM控制电路24

4.4.3PID控制原理25

4.5本章小结27

第5章控制系统软件设计29

5.1软件系统总体分析29

5.2控制功能软件设计30

5.2.1功能子程序设计30

5.2.2控制功能程序编写31

5.3本章小结35

结论36

参考文献37

致谢38

附录39

附录A139

附录A243

第1章绪论

1.1选题的目的和意义

目的：

随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。

汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。

目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。

其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台。

汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种。

其中拉线式：

布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动：

优点：

结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：

关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。

拉线传动：

优点：

结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：

绳索的寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。

本设计针对拉线操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。

意义：

由于操纵控制通过驾驶员的手完成，不需要转向盘、转向柱和脚踏板，这样就减少了正面碰撞时的潜在危险性，改善了汽车的安全性和舒适性，并为汽车设计提供了更大的设计空间，便于实现个性化设计。

由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的，设计师可设计不同的程序供用户选择。

同时汽车比质量变轻，性能高（响应快）。

线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺并简化维护工作，可能磨损的部件更少了，维护用品也可大大减小，减少维护费用。

若使用线控制动无需制动液，使汽车更为环保，减少维护。

汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中，使得汽车导航和自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。

安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。

线控技术将会给汽车产业的发展带来了划时代的飞跃。

当然，目前线控技术还有很多的不足，如电子设备还相当的不可靠——电磁干扰、器件失效、软件程序的设计、网络攻击等等。

一旦电路失效而没有机械冗余就会导致灾难性的后果——转向失灵、油门难以控制和不能制动!

所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。

1.2线控技术现状分析

目前，线控技术已经被广泛用于航空业，用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势，采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用，不久的将来线控离合器也将会出现在汽车上。

国外GM、KOYO、TRW、BENZ等公司已运用线控技术开发了概念车。

汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来十年内，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。

如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶（steerbywire）、如线控制动（brakeby-wire）、线控转向（steerby-wire）、线控油门（throttleby-wire）、线控悬架（suspensionby-wire），线控离合器等正在加紧研究开发。

当线控这一目标实现时，汽车将是一种完全的高新技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了，线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。

1.3线控技术发展前景

在国内，除了同济大学研究完成的线控转向系统外，由北京理工大学完成的“一种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用”获得了2004年度国家技术发明奖。

其中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术，取消了主离合器，简化了换档机构，研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。

国内的一些高校也正在进行线控技术的研究。

线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。

目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。

但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的应用。

但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。

如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。

电子控制要完全取代机械操作还需要时间。

1.4研究内容和解决的主要问题

本设计需对离合器的分离过程和分离力进行研究、计算，对分离和接合的过程进行分析，建立相应的力学模型，从而确定PWM脉冲输出的频率和电机输出的转矩。

还有需要有正确的程序，来控制电机的转动。

还需设计传动机构、传动比、齿轮支架和传感器支架等。

同时，需保证此机构动作的响应性要足够快，而且动作不能有缓冲，最后就是把各机械部件可靠连接保证工作的可靠性，最重要的是需要写出正确的程序来驱动整个装置，并可以实际应用。

线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。

目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。

但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的应用。

但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。

如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。

电子控制要完全取代机械操作还需要时间。

第2章线控离合器系统

2.1线控离合器控制系统

随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，越来越多的电子设备出现在汽车上，上世纪80年代中后期，出现了第一台电子节气门汽车，应用在德国宝马公司生产的BMW750iL顶级轿车上。

今天人们开始热切关注又一个新兴技术——线控离合。

由于线控离合控制系统的技术和成本要求都比较传统机械式高的原因，现在在量产车上还没有实现，只是在一些概念车上得以展示，或一些电动概念车上才应用到线控离合器技术。

如在通用可驾驶燃料电池汽车上的应用就获得了成功。

线控汽车一改传统机械连杆的传动方式，采用电子信号来操纵油门、制动，离合器和转向机构。

取消了传统的转向盘、油门、离合器踏板、制动踏板，所有的操作都集中在一个手柄上，驾驶员可以用一只手完成所有的操作。

当驾驶员要加速或减速时，可以向左或者向右推动手柄；制动按钮也安装在这个手柄上，要制动时按一下制动按钮；当转弯时，驾驶员只需向上或者向下推动手柄。

线控离合技术非常相似于线控节气门，线控转向等技术，现如今线控节气门几乎已经完全取代了传统的拉线式节气门，这也是大势所趋。

电动助力转向也越来越广泛地应用到汽车上。

在这些技术都已日趋完善的同时，目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都开始着手从事线控离合器技术的开发研究，其中美国通用和韩国EZ公司在该研究上处于领先地位，其产品已经开始市场化、系列化。

现代科技的不断发展，线控离合器可实现的功能会越来越强大，如根据发动机负荷情况来自动选择切开与分离的速度，若是高性能赛车，可提高其加速性能，可以满足不同工况下发动机的控制要求。

我相信线控离合器装置在不久的将来会成为汽车上一个不可或缺的电子控制系统。

2.2线控离合器控制系统结构

2.2.1机械离合器结构，原理

如图2.1所示，摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。

离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮2和压盘借摩擦作用传给从动盘3，在通过从动轴传给变速器。

当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆活拉线带动分离叉、分离套筒和分离轴承8，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离合器盖5上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘3两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。

当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。

此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘3压紧在飞轮上2，这样发动机的扭矩又传入变速器。

1-轴承2-飞轮3-从动盘4-压盘5-离合器盖螺栓

6-离合器盖7-膜片弹簧8-分离轴承9-轴

图2.1离合器总成

线控离合器不但具有机械离合器所有的功能，还有许多机械离合器没有的优点，例如：

线控离合器取消了村机械的连接，没有的摩擦也就没有了机械磨损和摩擦噪音，这对手动挡中级，高级轿车隔音降噪非常重要，还有就是取消了机械连接，可以节省踏板力，大大减轻长途驾驶时驾驶员疲劳。

下面介绍线控离合器的结构和工作原理。

2.2.2线控离合器结构、原理

线控离合器一改传统机械式拉线或拉杆的结构，是用一个直流电机驱动离合器的分离与接合，取消了拉线，直流电机用单片机来控制，用踏板位置传感器来作为输入给单片机输入信号，经过信号转换，处理之后输出，在经过PWM控制占空比，来实现电机转速的控制，在经过H桥来控制电机的正反转，从而实现离合器的分离与接合，再通过离合器位置传感器来作为反馈，给单片机一个反馈信号。

从而达到整个电路的闭环控制。

驾驶员——踩下离合器踏板——位置传感器——引起（电压）信号变化——ECU——执行器——电机正向旋转——离合器分离

抬起离合器踏板——位置传感器——引起（电压）信号变化——ECU——执行器——电机反向旋转——离合器再次接合

执行流程如图2.2所示，

驾驶员抬起离合器踏板时

驾驶员踏下离合器踏板

位置传感器输出信号（由电压信号控制）其安装位置仿照电子节气门的位置传感器安装位置

信号经过ECU分析，处理。

发出控制信号给执行器——利用C语言编程

执行器控制电机（反向）旋转，（电机安装位置看具体车型视具体情况而定）

离合器再次接合

离合器分离

图2.2执行流程图

系统工作原理图如图2.3所示，

图2.3系统工作原理图

离合器踏板需用一个轻质软弹簧使其归位，同时使踏板具有一定的阻尼效果，考虑到油离配合，要求离合器的行程和使用机械装置时相同，并且离合器的分离和接合的速度也要与使用机械式装置时相同，还有要考虑失效保护，当电控系统失效时，需要机械系统重新正常工作，保证驾驶员和乘员的安全，失效保护可以参照电子节气门的形式，例如用两个离合器位置传感器。

2.3线控离合器的优点和存在的主要问题

2.3.1线控离合器的优点

（1）省力，人们可以不用直接操作机械力,减轻驾驶员疲劳。

（2）比质量轻，性能高（响应快）。

线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量化。

（3）维护用品可大大减小，减少维护费用。

取消机械和液压连接可减少车身质量并简化维护工作，可能磨损的部件更少了

（4）使得汽车自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。

（5）安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构），隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。

（6）实现智能化控制功能线控离合器控制系统作为发动机控制的一个功能模块，可以更好的实现汽车的性能和一些其他的功能。

2.3.2系统存在的主要问题

主要表现在以下两个问题——非线性问题和可靠性问题。

1.非线性问题

在线控离合器总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，主要是：

分离指运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、离合器复位弹簧的非线性特性、电机减速机构中的轮齿间隙。

（1）粘性摩擦和滑动摩擦：

线控离合器在工作过程中拉杆和分离指的运动会同时受到粘性摩擦和滑动摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力的变化的非线性。

（2）复位弹簧非线性：

离合器复位弹簧采用螺旋弹簧或膜片弹簧，随着离合器分离位置的不同，其施加在离合器中心轴上的扭转力矩呈非线性变化。

（3）轮齿间隙：

由于电机的转速较高而扭矩较小，因此在电机输出轴与离合器中心轴与心轴间采用了一套齿轮减速机构。

齿轮啮合间隙的存在对节离合器的工作产生了一定的非线性影响。

2.可靠性问题

由于取消了机械连接方式，采用电子控制的方式，使得线控离合器的可靠性相对降低，如果控制软件或者系统某一部分出现故障，就不能保证整个系统工作的可靠性。

为了保证系统的可靠性，在线控离合器设计时采取冗余设计思想，离合器位置传感器采用两个传感器来保证系统一旦其中一个传感器失效的情况下另一个传感器仍可以采集离合器信号。

另一个保证系统可靠性的方法是保留一个简化的机械连接。

保证电子系统出现故障时依靠简化的机械连接可以正常行驶一段距离，保证车辆安全到达目的地。

2.4本章小结

本章介绍了线控离合器的控制系统结构，介绍了线控离合器的功能和原理，分析了线控离合存在的主要问题。

主要结论如下：

1.传统的离合器是机械式连接，线控离合器系统取消了机械式的刚性连接，采用一种柔性控制方式。

2.在线控离合器总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，包括分离指运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、复位弹簧的非线性特性、减速齿轮装置中的轮齿间隙。

同时采用电子控制的方式，使得线控离合器长时间用的可靠性相对降低。

第3章线控离合器数学模型和控制策略

3.1系统建模

3.1.1线控离合器机构

系统建模部分主要是针对线控离合器总体结构建立相应数学模型。

线控离合器的基本结构主要组成为：

直流电机、减速齿轮、位置传感器、回位弹簧。

离合器在电机驱动力、弹簧回复力及摩擦力（粘性摩擦力和库仑摩擦力）作用下转动（其中减速齿轮传动系对系统的影响不大）。

离合器在工作过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、电机驱动力矩等不平衡力矩的作用，存在不确定非线性因素的影响。

3.1.2工作过程分析

线控离合器控制系统一般采用转速和转速控制，即根据离合器需要的分离速度、转矩需求，得到离合器切开速度和分离力的要求，再由ECU计算出所需的电机转速要求。

实际计算过程中，需要建立离合器分离时间与电机转速和转矩的曲线图。

3.1.3齿轮传动及齿隙影响

图3.1齿轮传动机构

1.齿轮传动

如图3.1所示，由于电机转速相对较高，所以本设计需要有一套减速增扭机构，所以用到齿轮传动。

电机转矩传动采用闭式齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。

它的的主要优点有：

体积小，传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。

所用的齿轮为塑料齿轮，具有重量轻，摩擦小等特点。

2.间隙对传动系统的影响

由于齿轮间隙的影响将会对调速系统带来不稳定性，或者这种影响相当于一种滞后扰动，这在机械方面是无法克服的。

由于这种扰动的影响将会使调速系统的电气性能受到影响，所以需要加强抗扰措施，使这种影响减少到最小，以达到允许的范围之内。

电机通过减速齿轮传动驱动离合器拉杆时，齿间间隙冲击对传动的影响非常复杂。

一般地认为，由于齿轮间隙的影响会给系统带来滞后效应。

齿隙非线性广泛存在于各种机电伺服系统中，会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向误差跳变，具有非线性、非解析描述和不可微的特性，难以建模与控制。

3.2控制策略分析

迄今为止还没有一种控制策略是对所有的被控对