基于CAN总线的电控自动离合器控制器设计

　　进入21世纪，随着汽车的普及，人们对汽车的舒适性和安全性的要求也越来越高，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。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

　 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27MHz，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。

　　(1)电源模块整车低压控制系统通过12V电池供电，8位MCU采用5V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5V电压，误差在2%以内，输入电压最高可达42V。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10bit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12V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1kHz以上，可方便可靠地实现对直流电机的控制。