拉線操縱式離合器電子線控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過(guò))

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 拉線操縱式離合器電子線控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) ： 車輛工程 B07-2 班 學(xué)生姓名 ： 李程 指導(dǎo)教師： 崔宏耀 職 稱： 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二一一年六月 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Electronic Clutch Control System of Automotive Engines Candidate： Li Cheng Specialty： Vehicles Engineering Class： B07-2 Supervisor： Associate Professor Cui Hongyao Heilongjiang Institute of Technology June 2011 Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 隨著汽車電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技 術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究 是 汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過(guò)傳感器變成電信號(hào)，通過(guò)電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。目前包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、線控 制動(dòng)系統(tǒng) 、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門(mén)系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高級(jí)轎車、跑車及概念車上有廣 泛的應(yīng)用，它為自動(dòng)駕駛提供了良好的平臺(tái) 。 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(jī)械式受車架、車身變形影響大 ， 兩種機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)的比較桿系傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；成本低；壽命長(zhǎng)；可靠性高；缺點(diǎn)：關(guān)節(jié)點(diǎn)多，摩擦損失大，不適合遠(yuǎn)距離操縱，受車身或車架的變形影響。拉線傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；成本低；克服了桿系傳動(dòng)的不適合遠(yuǎn)距離操縱，受車身或車架的變形影響缺點(diǎn)；可采用吊掛式的踏板；缺點(diǎn)：壽命短，拉伸剛度??；拉伸變形導(dǎo)致增加踏板行程。 本設(shè)計(jì)針對(duì)拉線操縱式離合器設(shè)計(jì)線控操縱系統(tǒng)，可與原系統(tǒng)的功能 進(jìn)行切換工作。 關(guān)鍵詞 ：線控離合器； H 橋； PWM 控制；控制策略；傳感器 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II ABSTRACT As automobile electronic technology ， Automatic control technology gradually mature and car network communications technology is widely used ， Automotive wire control technology is also gradually gain favour is car further research and the future trend of development. 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 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 目 錄 摘要 . I Abstract . 第 1章 緒論 . 1 1.1 選題的目的和 意 義 . 1 1.2 線控技術(shù)現(xiàn)狀分析 . 10 1.3 線控技術(shù)發(fā)展前景 . 2 1.4 研究?jī)?nèi)容和 需 解決的 主要 問(wèn)題 . 3 第 2 章 線控離合器 系統(tǒng) . 4 2.1 線控離合器 控制系統(tǒng) . 4 2.2 線控離合器 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 4 2.2.1 機(jī)械式 離合器 結(jié)構(gòu)、原理 . 4 2.2.2 線控離合器 結(jié)構(gòu)、原理 . 5 2.3 線控離合器 系統(tǒng)存在主要問(wèn)題 . 7 2.3.1 線控離合器的優(yōu)點(diǎn) . 7 2.3.2 系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題 . 8 2.4 本章小結(jié) . 8 第 3 章 線控離合器 數(shù)學(xué)模型和控制策略 . 10 3.1 系統(tǒng)建模 . 10 3.1.1 線控離合器 機(jī)構(gòu) . 10 3.1.2 工作過(guò)程 分析 . 10 3.1.3 齒輪傳動(dòng)及齒隙影響 . 10 3.2 控制策略分析 .11 3.3 本章小結(jié) . 12 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 13 4.1 控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 13 4.2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) . 14 4.2.1 單片機(jī)的選擇 . 14 4.2.2 飛思卡爾單片機(jī)的簡(jiǎn)介及優(yōu)點(diǎn) . 15 4.2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) . 17 4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 18 4.3.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路 . 18 4.3.2 PWM 模塊及工作原理 . 20 4.3.3 使能控制和方向邏輯 . 22 4.4 直流電機(jī)控制原理 . 23 4.4.1 直流電機(jī)控制原理 . 23 4.4.2 直流電機(jī)的可逆 PWM 控制電路 . 24 4.4.3 PID 控制原理 . 25 4.5 本章小結(jié) . 27 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 29 5.1 軟件系統(tǒng)總體分析 . 29 5.2 控制功能軟件設(shè)計(jì) . 30 5.2.1 功能子程序設(shè)計(jì) . 30 5.2.2 控制功能程序編寫(xiě) . 31 5.3 本章小結(jié) . 35 結(jié)論 . 36 參考文獻(xiàn) . 37 致謝 . 38 附錄 . 39 附錄 A1. 39 附錄 A2. 43 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 買(mǎi)文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 1 章 緒 論 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 1.1 選題的目的和意義 目的： 隨著汽車電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究 是 汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 汽車線控技術(shù) 就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過(guò)傳感器變成電信號(hào)，通過(guò)電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。目前包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、線控 制動(dòng)系統(tǒng) 、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門(mén)系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高級(jí)轎車、跑車及概念車上有廣泛的應(yīng)用，它為自動(dòng)駕駛提供了良好的平臺(tái) 。 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(jī)械式受車架、車身變形影響大兩種機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)的比較桿系傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；成本低；壽命長(zhǎng)；可靠性高；缺點(diǎn)：關(guān)節(jié)點(diǎn)多，摩擦損失大，不適合遠(yuǎn)距離操縱，受車身或車架的變形影響。拉線傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；成本低；克服了桿系傳動(dòng)的不適合遠(yuǎn)距離操縱，受車身或車架的變形影響缺點(diǎn)；可采用吊掛式的踏板；缺點(diǎn)：繩索的壽命短，拉伸剛度小；拉伸變形導(dǎo)致增加踏板行程。 本設(shè)計(jì)針對(duì)拉線操縱式離合器設(shè)計(jì)線控操縱系統(tǒng)，可與原系統(tǒng)的功能進(jìn)行切換工作。 意義： 由于操縱控制通過(guò)駕駛員的手完成，不需要轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn) 向柱和腳踏板，這樣就減少了正面碰撞時(shí)的潛在危險(xiǎn)性，改善了汽車的安全性和舒適性，并為汽車設(shè)計(jì)提供了更大的設(shè)計(jì)空間 ， 便于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì) 。 由于駕駛特性如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速等過(guò)程都是程序設(shè)定的，設(shè)計(jì)師可設(shè)計(jì)不同的程序供用戶選擇。 同時(shí)汽車 比質(zhì)量 變 輕，性能高（響應(yīng)快）。線控系統(tǒng)取消了許多機(jī)械連接裝置、液壓裝置和氣壓裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝并簡(jiǎn)化維護(hù)工作 ， 可能磨損的部件更少了 ， 維護(hù)用品 也 可大大減小，減少維護(hù)費(fèi)用 。若 使用線控制動(dòng)無(wú)需制動(dòng)液，使汽車更為環(huán)保，減少維護(hù)。汽車的車內(nèi)娛樂(lè)裝置也集成到網(wǎng)絡(luò)之中，使得汽車導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛 成為可能，整個(gè)汽車就是一個(gè)完整的電路整體。安裝測(cè)試簡(jiǎn)單快捷，更穩(wěn)固的電子接口（模塊結(jié)構(gòu)），隔板間無(wú)機(jī)械連接，簡(jiǎn)單布置就能增加電子控制功能。 線控技術(shù)將會(huì)給汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了劃時(shí)代的飛躍。 當(dāng)然，目前線控技術(shù)還有很多的不足，如 電子設(shè)備還相當(dāng)?shù)牟豢煽?電磁干擾、器件失效、軟件程序的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)攻擊等等。一旦電路失效而沒(méi)有機(jī)械冗余就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果 轉(zhuǎn)向失靈、油門(mén)難以控制和不能制動(dòng) !所以線控技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)該是系統(tǒng)的可靠性和安全性。 1.2 線控技術(shù)現(xiàn)狀分析 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 目前， 線控技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于航空業(yè)，用線控 制系統(tǒng)來(lái)取代傳統(tǒng)的液壓和機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，采用線控技術(shù)的制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)有望在未來(lái)汽車上率先獲得應(yīng)用 ，不久的將來(lái)線控離合器也將會(huì)出現(xiàn)在汽車上。 國(guó)外 GM、KOYO、 TRW、 BENZ 等公司已運(yùn)用線控技術(shù)開(kāi)發(fā)了概念車。 汽車 的各種操縱系統(tǒng)正向電子化、自動(dòng)化方向發(fā)展，在未來(lái)十年內(nèi)，傳統(tǒng)的汽車機(jī)械操縱系統(tǒng)將變成通過(guò)高速容錯(cuò) 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(dá)和電控信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)線控駕駛 (steerbywire)、 如線控制動(dòng)（ brake by-wire）、線控轉(zhuǎn)向（ steer by-wire）、線控油門(mén)（ throttle by-wire）、線控懸架（ suspension by-wire） ，線控離合器 等正在加緊研究開(kāi)發(fā)。當(dāng)線控這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，汽車將是一種完全的高新技術(shù)產(chǎn)品，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向機(jī)全都不見(jiàn)了， 線控系統(tǒng)將完全取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的液壓和機(jī)械控制 ,汽車可以說(shuō)是一臺(tái)裝在輪子上的計(jì)算機(jī)。 1.3 線控技 術(shù)發(fā)展前景 在國(guó)內(nèi)，除了同濟(jì)大學(xué)研究完成的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)外，由北京理工大學(xué)完成的 “ 一種電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品及其應(yīng)用 ” 獲得了 2004年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)。其中的一項(xiàng)技術(shù)就是利用線控同步換檔和行星傳動(dòng)技術(shù)，取消了主離合器，簡(jiǎn)化了換檔機(jī)構(gòu)，研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能匹配優(yōu)良的線控行星變速器。國(guó)內(nèi)的一些高校也正在進(jìn)行線控技術(shù)的研究。 線控技術(shù)研究的難點(diǎn)在于高性能控制器的研制，要求在整個(gè)系統(tǒng)中有精確高速的通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，使控制中心和執(zhí)行器之間能完全協(xié)調(diào)、匹配工作；而且需要高效的容錯(cuò)技術(shù)，使得系統(tǒng)出現(xiàn)故 障時(shí)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(shù)在汽車中的應(yīng)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(shù)發(fā)展迅速，作為一種汽車高新電子技術(shù)，線控技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。但電子化不可能完全取代機(jī)械化，機(jī)械系統(tǒng)的損壞通常都是有過(guò)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(guò)高，造成的后果就可能非常嚴(yán)重。電子控制要完全取代機(jī)械操作還需要時(shí)間。 1.4 研究?jī)?nèi)容和解決的主要問(wèn)題 本設(shè)計(jì)需對(duì)離合器的分離過(guò)程和分離力進(jìn)行研究、計(jì)算，對(duì)分離和接合的過(guò)程進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，從而確定 PWM 脈沖輸出的頻率和電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩。還黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 有需要有正確的程序，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。還需設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)比、齒輪支架和傳感器支架等。同時(shí)，需保證此機(jī)構(gòu)動(dòng)作的響應(yīng)性要足夠快，而且動(dòng)作不能有緩沖，最后就是把各機(jī)械部件可靠連接保證工作的可靠性，最重要的是需要寫(xiě)出正確的程序來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置，并可以實(shí)際應(yīng)用。 線控技術(shù)研究的難點(diǎn)在于高性能控制器的研制，要求在整個(gè)系統(tǒng)中有精確高速的通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，使控制中心和執(zhí)行器之間能完全協(xié)調(diào)、匹配工作；而且需要高效的容錯(cuò)技術(shù)，使得系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)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(shù)在汽車中的應(yīng)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(shù)發(fā)展迅速，作為一種汽車高新電子技術(shù)，線控技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。但電子化不可能完全取代機(jī)械化，機(jī)械系統(tǒng)的損壞通常都是有過(guò)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(guò)高，造成的后果就可能非常嚴(yán)重。電子控制要完全取代機(jī)械操作還需要時(shí)間。 第 2 章 線控離合器系統(tǒng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 2.1 線控離合器控制系統(tǒng) 隨著汽車電子技術(shù)的日益發(fā)展和對(duì)汽車性 能要求的提高， 越來(lái)越多的電子設(shè)備出現(xiàn)在汽車上， 上世紀(jì) 80年代中后期，出現(xiàn)了第一臺(tái)電子節(jié)氣門(mén) 汽車 ，應(yīng)用在德國(guó)寶馬公司生產(chǎn)的 BMW750iL 頂級(jí)轎車 上。今天人們開(kāi)始熱切關(guān)注又一個(gè)新興技術(shù) 線控離合。 由于 線控離合 控制系統(tǒng)的技術(shù)和成本要求都比較 傳統(tǒng)機(jī)械式 高的原因， 現(xiàn)在在量產(chǎn)車上還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，只是在一些概念車上得以展示，或一些電動(dòng)概念車上才應(yīng)用到線控離合器技術(shù)。 如 在 通用可駕駛?cè)剂想姵仄?上的應(yīng)用就獲得了成功。 線控汽車一改傳統(tǒng)機(jī)械連桿的傳動(dòng)方式，采用電子信號(hào)來(lái)操縱油門(mén)、制動(dòng) ，離合器 和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)、油門(mén)、 離合器踏板 、制動(dòng)踏板，所有的操作都集中在一個(gè)手柄上，駕駛員可以用一只手完成所有的操作。當(dāng)駕駛員要加速或減速時(shí)，可以向左或者向右推動(dòng)手柄；制動(dòng)按鈕也安裝在這個(gè)手柄上，要制動(dòng)時(shí)按一下制動(dòng)按鈕；當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛員只需向上或者向下推動(dòng)手柄。 線控離合技術(shù)非常相似于線控節(jié)氣門(mén)，線控轉(zhuǎn)向等技術(shù)，現(xiàn)如今線控 節(jié)氣門(mén) 幾乎已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的拉線式節(jié)氣門(mén)， 這 也 是大勢(shì)所趨。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到汽車上。在這些技術(shù)都已日趨完善的同時(shí)， 目前國(guó)外各大汽車生產(chǎn)廠商和零部件生產(chǎn)商都 開(kāi)始著手 從事 線控離合器 技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，其中美國(guó) 通用 和韓國(guó) EZ公司在該研究上處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始市場(chǎng)化、系列化。 現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展 ， 線控離合器可 實(shí)現(xiàn)的功能 會(huì) 越來(lái)越強(qiáng)大， 如根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況來(lái)自動(dòng)選擇切開(kāi)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(dòng)機(jī)的控制要求。 我相信線控離合器 裝置 在不久的將來(lái)會(huì) 成為 汽車上一個(gè) 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(jié)構(gòu) 2.2.1 機(jī)械離合器結(jié)構(gòu)，原理 如圖 2.1 所示，摩擦離合器一般是有主動(dòng)部分、從動(dòng)部分組成、壓緊機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)四部分組成。 離合器在接合狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩自曲軸傳 出，通過(guò)飛輪 2 和壓盤(pán)借摩擦作用傳給從動(dòng)盤(pán) 3，在通過(guò)從動(dòng)軸傳給變速器。當(dāng)駕駛員踩下踏板時(shí)，通過(guò)拉桿活拉線帶動(dòng)分離叉、分離套筒和分離軸承 8，將分離杠桿的內(nèi)端推向右方，由于分離杠桿的中間黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 是以離合器蓋 5 上的支柱為支點(diǎn)，而外端與壓盤(pán)連接，所以能克服壓緊彈簧的力量拉動(dòng)壓盤(pán)向左，這樣，從動(dòng)盤(pán) 3 兩面的壓力消失，因而摩擦力消失，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就不再傳入變速器，離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)放開(kāi)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(shí)壓緊彈簧就推動(dòng)壓盤(pán)向右，仍將從動(dòng)盤(pán) 3 壓緊在飛輪上 2，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩又傳入變速 器。 1-軸承 2-飛輪 3-從動(dòng)盤(pán) 4-壓盤(pán) 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(jī)械離合器所有的功能，還有許多機(jī)械離合器沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，例如：線控離合器取消了村機(jī)械的連接，沒(méi)有的摩擦也就沒(méi)有了機(jī)械磨損和摩擦噪音，這對(duì)手動(dòng)擋中級(jí)，高級(jí)轎車隔音降噪非常重要，還有就是取消了機(jī)械連接，可以節(jié)省踏板力，大大減輕長(zhǎng)途駕駛時(shí)駕駛員疲勞。下面介紹線控離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理。 2.2.2 線控離合器結(jié)構(gòu)、原理 線控離合器一改傳統(tǒng)機(jī)械式拉線或拉桿 的結(jié)構(gòu)，是用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)離合器的分離與接合，取消了拉線，直流電機(jī)用單片機(jī)來(lái)控制，用踏板位置傳感器來(lái)作為輸入給單片機(jī)輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，處理之后輸出，在經(jīng)過(guò) PWM 控制占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，在經(jīng)過(guò) H 橋來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)離合器的分離與接合，再通過(guò)離合器位置傳感器來(lái)作為反饋，給單片機(jī)一個(gè)反饋信號(hào)。從而達(dá)到整個(gè)電路的閉環(huán)控制。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 駕駛員 踩下離合器踏板 位置傳感器 引起（電壓）信號(hào)變化 ECU 執(zhí)行器 電機(jī)正向旋轉(zhuǎn) 離合器分離 抬起離合器踏板 位置傳感器 引起（電壓）信號(hào)變化 ECU 執(zhí)行器 電機(jī)反向旋轉(zhuǎn) 離合器再次接合 執(zhí)行流程如圖 2.2 所示， 圖 2.2 執(zhí)行流程圖 系統(tǒng)工作原理圖如圖 2.3 所示， 執(zhí)行器控制電機(jī)（反向）旋轉(zhuǎn)，（電機(jī)安裝位置看具體車型視具體情況而定） 駕駛員踏下離合器踏板 位置傳感器輸出信號(hào)（由電壓信號(hào)控制）其安裝位置仿照電子節(jié)氣門(mén)的位置傳感器安裝位置 離合器再次接合 信號(hào)經(jīng)過(guò) ECU 分析，處理。發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行器 利用 C 語(yǔ)言編程 離合器分離 駕駛員抬起離合器踏板時(shí) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 2.3 系統(tǒng)工作原理圖 離合器踏板需用一個(gè)輕質(zhì)軟彈簧使其歸位，同時(shí)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(jī)械裝 置時(shí)相同，并且離合器的分離和接合的速度也要與使用機(jī)械式裝置時(shí)相同，還有要考慮失效保護(hù)，當(dāng)電控系統(tǒng)失效時(shí)，需要機(jī)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(hù)可以參照電子節(jié)氣門(mén)的形式，例如用兩個(gè)離合器位置傳感器。 2.3 線控離合器的優(yōu)點(diǎn)和存在的主要問(wèn)題 2.3.1線控離合器的優(yōu)點(diǎn) （ 1） 省力，人們可以不用直接操作機(jī)械力 ,減輕駕駛員疲勞。 （ 2）比質(zhì)量輕，性能高（響應(yīng)快）。線控系統(tǒng)取消了許多機(jī)械連接裝置、液壓裝置和氣壓裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，便于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。 （ 3）維護(hù)用品可大大減小，減 少維護(hù)費(fèi)用。取消機(jī)械和液壓連接可減少車身質(zhì)量并簡(jiǎn)化維護(hù)工作，可能磨損的部件更少了 （ 4） 使得汽車自動(dòng)駕駛成為可能，整個(gè)汽車就是一個(gè)完整的電路整體。 （ 5）安裝測(cè)試簡(jiǎn)單快捷，更穩(wěn)固的電子接口（模塊結(jié)構(gòu)），隔板間無(wú)機(jī)械連接，簡(jiǎn)單布置就能增加電子控制功能。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 （ 6）實(shí)現(xiàn)智能化控制功能 線控離合器 控制系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制的一個(gè)功能模塊， 可以更好的實(shí)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(wèn)題 主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)問(wèn)題 非線性問(wèn)題和可靠性問(wèn)題 。 1.非線性問(wèn)題 在 線控離合器 總成內(nèi)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在無(wú)法消除 的非線性問(wèn)題，主要是： 分離指 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的粘性摩擦和滑動(dòng)摩擦、 離合器 復(fù)位彈簧的非線性特性、 電機(jī) 減速 機(jī)構(gòu) 中的輪齒間隙 。 （ 1）粘性摩擦和滑動(dòng)摩擦： 線控離合器 在工作過(guò)程中 拉桿和分離指的 運(yùn)動(dòng)會(huì)同時(shí)受到粘性摩擦和滑動(dòng)摩擦的作用，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中造成摩擦力的變化的非線性。 （ 2）復(fù)位彈簧非線性： 離合器 復(fù)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(zhuǎn)力矩呈非線性變化。 （ 3）輪齒間隙：由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高而扭矩較小，因此在電機(jī)輸出軸與 離合器 中心軸與心軸間采用了一套齒輪減速機(jī)構(gòu)。齒輪嚙合間隙 的存在對(duì)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(wèn)題 由于取消了機(jī)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(duì)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(gè)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(shè)計(jì)時(shí)采取冗余設(shè)計(jì)思想， 離合器 位置傳感器采用兩個(gè)傳感器來(lái)保證系統(tǒng)一旦其中一個(gè)傳感器失效的情況下另一個(gè)傳感器仍可以采集 離合器 信號(hào)。另一個(gè)保證系統(tǒng)可靠性的方法是 保留一個(gè)簡(jiǎn)化的機(jī)械連接。保證電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)依靠簡(jiǎn)化的機(jī)械連接可以正常行駛一段距離，保證車輛安全到達(dá)目的地。 2.4 本章小結(jié) 本章介紹了 線控離合器的 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(wèn)題。主要結(jié)論如下： 1.傳統(tǒng)的 離合器是 機(jī)械式連接， 線控離合器 系統(tǒng)取消了機(jī)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(nèi)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在無(wú)法消除的非線性問(wèn)題，包括 分離指 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的粘性摩擦和滑動(dòng)摩擦、復(fù)位彈簧的非線性特性、減速齒輪裝置中的輪齒間隙。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 同時(shí)采用電子控制的方式，使得 線控離合器長(zhǎng)時(shí)間用 的可靠性相對(duì)降低。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第 3 章 線控離合器數(shù)學(xué)模型和控制策略 3.1 系統(tǒng)建模 3.1.1 線控離合器機(jī)構(gòu) 系統(tǒng)建模部分主要是針 對(duì)線控離合器總體結(jié)構(gòu) 建立相應(yīng) 數(shù)學(xué)模型。 線控離合器 的 基本 結(jié)構(gòu) 主要 組成為：直流電機(jī)、減速齒輪、位置傳感器、回位彈簧。 離合器 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力、彈簧回復(fù)力及摩擦力 (粘性摩擦力和庫(kù)侖摩擦力 )作用下轉(zhuǎn)動(dòng) (其中減速齒輪傳動(dòng)系對(duì)系統(tǒng)的影響不大 )。 離合器在工作 過(guò)程中，受到彈簧回位轉(zhuǎn)矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)程分析 線控離合器 控制系統(tǒng)一般采用 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速 控制，即根據(jù) 離合器需要的分離速度 、轉(zhuǎn) 矩需求，得到 離合器切開(kāi) 速度和分離力的 要求，再由 ECU 計(jì)算出所需的 電機(jī)轉(zhuǎn)速要求 。 實(shí)際計(jì)算過(guò)程中， 需要建 立離合器分離時(shí)間與電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的曲線圖。 3.1.3 齒輪傳動(dòng)及齒隙影響 圖 3.1 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 1.齒輪傳動(dòng) 如圖 3.1 所示，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，所以本設(shè)計(jì)需要有一套減速增扭機(jī)構(gòu)，所以用到齒輪傳動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩 傳動(dòng)采用閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤(rùn)滑和較好的嚙合精度。它的的主要優(yōu)點(diǎn)有：體積小，傳動(dòng)效率高，工黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 作可 靠，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊。所用的齒輪為塑料齒輪，具有重量輕，摩擦小等特點(diǎn) 。 2.間隙對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響 由于齒輪間隙的影響將會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性，或者這種影響相當(dāng)于一種滯后擾動(dòng)，這在機(jī)械方面是無(wú)法克服的。由于這種擾動(dòng)的影響將會(huì)使調(diào)速系統(tǒng)的電氣性能受到影響，所以需要加強(qiáng)抗擾措施，使這種影響減少到最小，以達(dá)到允許的范圍之內(nèi)。 電機(jī)通過(guò)減速齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) 離合器拉桿 時(shí)，齒間間隙沖擊對(duì)傳動(dòng)的影響非常復(fù)雜。一般地認(rèn)為，由于齒輪間隙的影響會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)滯后效應(yīng)。 齒隙非線性廣泛存在于各種機(jī)電伺服系統(tǒng)中，會(huì)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(méi)有一種控制策略是對(duì)所有的被控對(duì)象都適用。對(duì)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(dá)到最佳，這是每個(gè)研究控制的人員的主要問(wèn)題。 線控離合器控制是一個(gè)復(fù)雜的快速變化過(guò)程，離合器受到非線性力矩及不穩(wěn)定因素的影響，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器預(yù)期位置的精確控制，一是要了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，二是要運(yùn)用恰當(dāng)?shù)目刂评碚摵头椒ā?單輸入 單輸出定?？刂葡到y(tǒng)，是比較簡(jiǎn)單而又比較成熟的控制方法?？刂?一般用校正網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合校正，常用的有滯后、超前校正網(wǎng)絡(luò)，另一種應(yīng)用最廣而又非常有效的方法是 PID 校正網(wǎng)絡(luò)。 PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，算法較靈活等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)外界適應(yīng)能力較差。本章對(duì)線控離合進(jìn)行了 PID 控制設(shè)計(jì)，以便在某些線性區(qū)域加以運(yùn)用。在對(duì)線控離合器控制策略的研究中，更多的是運(yùn)用現(xiàn)代控制理論。 現(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(lái)描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。現(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(shí)變、分布參數(shù)控制系統(tǒng)，應(yīng) 用范圍很廣。目前較成熟的現(xiàn)代控制理論有自適應(yīng)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制和智能控制等。 （ 1）自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境的變化并自動(dòng)校正控制動(dòng)作，使系統(tǒng)達(dá)到或接近最優(yōu)的效果。自適應(yīng)控制在線控黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 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(yīng)控制，是基于對(duì)線控離合器系統(tǒng)辨識(shí)得到的參數(shù)模型進(jìn)行自適應(yīng)控制。 （ 2）魯棒控制。近 20 年來(lái)，魯棒控制理論及其實(shí)際應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，已在空間技術(shù)、冶金、化工、機(jī)械加工等控制領(lǐng)域的許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(mén)控制系統(tǒng)中，并用實(shí)驗(yàn)證明了魯棒控制可以提高系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤精度和對(duì)外部擾動(dòng)的抑制能力）。目前，人們正致力于將魯棒控制應(yīng)用于線控離合器上。 （ 3）變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制的基本原理是當(dāng)對(duì)象狀態(tài)穿越狀態(tài)空間中的某個(gè)事先規(guī)定的切換曲面時(shí)，控制器中的邏輯單元便使控制器結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)，達(dá)到參數(shù)變化和擾動(dòng)不影響系統(tǒng)特性的目的（ 2001 年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的潘遙東等，從電機(jī)電流入手，對(duì)節(jié)氣門(mén)進(jìn)行變結(jié)構(gòu)控制研究，結(jié)果表明 變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng) ）。經(jīng)過(guò)精心研究把變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用在線控離合器上應(yīng)該在不久的將來(lái)會(huì)實(shí)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(shí)別、推理規(guī)則、學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和智能搜索等方法，標(biāo)定、校正和優(yōu)化自適應(yīng)控制參數(shù)，選擇工作模式、處理異常事故，成功地完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)。由于這類控制的復(fù)雜性及對(duì)硬件要求很高，目前還沒(méi)有看到其應(yīng)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(yīng)該說(shuō)各種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，往往要根據(jù)具體 的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能要求、環(huán)境條件以及成本限制來(lái)進(jìn)行選擇。 由于 線控離合器 控制系統(tǒng) 有 個(gè)最突出問(wèn)題是系統(tǒng)頻響要求較高，所以要求控制算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算時(shí)間短。一般要 求 響應(yīng)速度優(yōu)于 0.2 秒 ，在實(shí)際應(yīng)用由于硬件成本限制，這就使得許多控制理論成果對(duì) 線控離合器 控制系統(tǒng)并不都適用。 3.3 本章小結(jié) 本章首先根據(jù) 線控離合器 機(jī)構(gòu)，分析了 線空離合器 中各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特性，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。內(nèi)容包括摩擦力、齒隙沖擊等模型。分析了目前對(duì) 線控離合器 運(yùn)動(dòng)的控制策略。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 線控離合器 在整個(gè)工 作范圍都由直流電機(jī)控制，因此 離合器 的精確控制是通過(guò)直流電機(jī)的精確控制實(shí)現(xiàn)的。硬件設(shè)計(jì)中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)十分重要，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)一般采用脈寬調(diào)制作為控制信號(hào)，這就要求控制系統(tǒng)能輸出易于控制的脈寬調(diào)制信號(hào)。 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(biāo) 位置信號(hào) ， 離合器 位置傳感器反饋實(shí)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(guò)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。因此控制器必須具有 A/D 轉(zhuǎn)換功能和信號(hào)處理功能。 圖 4.1為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)： 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(hào)輸入 ，離合器 位置傳感器 (TPS)完成 離合器 位置信號(hào)的反饋；控制電路部分包括：信號(hào)的采集與處理電路、單片機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)電路；執(zhí)行部分是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 拉桿及相關(guān)組件 組成。 飛思卡爾 9S12XS128 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)，控制算法計(jì)算出控制量后通過(guò) I/O 口輸出控制信號(hào)，控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出功率驅(qū)動(dòng)信 號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí) 現(xiàn)離合器接合與分離 的控制 ，圖 4.1 為硬件結(jié)構(gòu)圖。 圖 4.1 線控離合器 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路 功率輸出信號(hào) 電機(jī) 位置信號(hào) 信號(hào)處理電路 PPS TPS 控制信號(hào) A/D I/O 單片機(jī) 飛思卡爾9S12XS128 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 4.2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 4.2.1 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它主要完成信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和處理，控制量的計(jì)算，控制信號(hào)的輸出以及與計(jì)算機(jī)的通信。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文選用單片機(jī) 飛思卡爾9S12XS128 型號(hào)單片機(jī)為主芯片，設(shè)計(jì)了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)發(fā)了 線控離合器 控制系統(tǒng)的硬件電路。 MC9S12 系列單片機(jī)（也稱為 HCS12 系列，簡(jiǎn)稱 S12 系列）是基于速度更快的 CPU12內(nèi)核的單片機(jī)系列，具備片上糾錯(cuò)能力，并與 68HC11 和 68HC12 結(jié)構(gòu)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 32K 512KB，具有在線編程能力和保密機(jī)制，無(wú)需外加編程電壓，最短整體擦除時(shí)間僅 100ms，512字節(jié)頁(yè)擦除時(shí)間僅 20ms。典型的 HC12 總線速率是 8MHz，而 S12 內(nèi)部總線速率最高可達(dá) 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(shí)鐘發(fā)生器模塊內(nèi)設(shè) PLL，內(nèi)部時(shí)鐘可軟件調(diào)節(jié)。此外