汽車自動離合器控制系統設計

李良，羅映，趙志超

（1.山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南250100；2.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；3.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250100）

汽車自動離合器控制系統設計

李良1，羅映2，3，趙志超2，3

（1.山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南250100；2.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101；3.山東省高校機械工程創新技術重點實驗室，山東濟南250100）

與手動擋汽車相比，配備自動離合器的汽車具有減輕駕駛員操作強度、增加行駛安全性，并延長離合器使用壽命等優勢。文章針對部分車輛自動離合器存在的問題，通過力學分析設計了一種新型的采用彈簧進行助力的自動離合器機構，對控制系統軟硬件、離合速度控制策略、發動機控制方法等進行設計以實現離合控制目的。并在實際行駛的汽車上進行試驗，以驗證機構設計和控制系統設計的可行性和實際效果，證明可實現自動離合器控制系統運行平穩的設計要求。

自動離合器；彈簧助力；控制單元

0 引言

據相關部門統計在交通負荷較大的城市路況中駕駛傳統的手動變速器汽車，每行駛100 km駕駛員須換擋400～600次，踩離合器踏板600～700次［1］。頻繁的踩離合器踏板容易造成駕駛員疲勞，引發交通事故；另外由于非熟練駕駛員的操作不當，離合器摩擦片磨損嚴重，其更換頻率增加20%以上［2］。汽車自動離合器技術是解決這一問題的有效途徑。

汽車自動離合器技術發展大致可分為以下三個階段:半自動階段（1975—1984）、全自動階段（1984—1990）、智能化階段（1990—至今）。車輛起步和換擋時，離合器的控制都受外界環境、駕駛員的主觀愿望和車輛客觀運行狀態的影響。國內外都采用智能方法進行此方面的研究，在復雜多變的外界條件下使車輛的換檔和起步性能有進一步的提高。設計重量輕、體積小、成本低、結構簡單、便于維修和拆裝的執行機構，實施精度高、響應快、魯棒性強的控制策略是今后離合器自動操縱的發展方向。從目前國內外已投放市場的產品來看，現有自動離合器能夠完成離合器分離—接合等基本操作，但在離合分離速度、運行可靠性、接合時機、接合品質、安全性策略等方面尚待進一步提高［3］。

目前市場上部分自動離合器存在的問題如下:自動離合器電機尺寸、功率及傳動機構尺寸受到車輛內部空間的限制，在不加外力的情況下，很難做到離合器的有效分離并且分離速度較慢；車輛在起步換擋過程存在較大沖擊；控制單元的芯片、電機、傳感器等運行不可靠［4-5］。針對上述問題，文章設計了一種自動控制離合器系統，離合器運動機構采用彈簧進行助力，用以提高離合分離速度和可靠性；采用新的發動機的控制方法，并改進離合器分離與接合的控制策略；采用ARM處理器，設計了穩定可靠的電源模塊、信號采集電路和保護電路等。

1 執行機構組成與原理

由于部分車輛內部空間對自動離合器助力電機及傳動機構尺寸的限制，從而也限制了助力電機的功率，在不加外力的情況下，很難做到離合器的有效分離及分離速度控制，也存在較大沖擊的問題［6］，針對此問題，設計了一種有效的彈簧助力機構以解決此問題。

1.1 機構組成

該機構主要由以下部件組成，如圖1所示。

（1）電機根據控制信號帶動蝸桿蝸輪等機構運動分合離合器。

（2）蝸桿、蝸輪將電機運動進行減速增矩，轉化為角度運動。

（3）角度傳感器用來控制蝸輪的轉動角度，以控制離合距離。

（4）助力彈簧對離合器分離進行助力。

1.2 機構原理

如圖1所示，當離合器嚙合時，彈簧拉力可通過蝸桿、蝸輪的自鎖進行鎖定，不對離合器嚙合產生分離的力；當離合器需要分離時，電機通過蝸桿蝸輪機構將運動轉化為旋轉桿的旋轉運動帶動離合器拉桿進行分離，同時助力彈簧進行助力，當離合器分離完成時，角度傳感器將信號傳至控制單元，電機停止運動；當離合器準備嚙合時，電機通過蝸桿蝸輪機構將運動轉化為旋轉桿的旋轉運動帶動離合器拉桿進行嚙合，嚙合完成時，角度傳感器將信號傳至控制單元，電機停止運動。彈簧一端連接在離合器拉桿上運動，一端連接在固定位置上。離合器拉桿和旋轉桿通過導槽結構保證離合器分離、嚙合所施力方向恒定。

敘述原理前，先對機構各力學數據進行設定，如某車型離合器分離時最大力F＝1000 N；電機經蝸桿蝸輪減速增矩后，如圖1所示拉桿處于垂直位置時，最大凈拉力為800 N（不含克服自鎖力），此時旋轉桿力臂長L＝0.02m；彈簧剛度F′＝1000 N／m，彈簧初拉力為f＝500 N，如圖1所示拉桿處于垂直位置時，彈簧伸長量Lo＝0.05 m；拉桿處于垂直位置時，離合分離完成，離合分離過程旋轉桿需要旋轉60°（垂直方向正負各30°）；蝸桿蝸輪機構運動自鎖力矩M0為15 N·m。

圖1 彈簧助力機構簡圖

（1）當離合器嚙合時，其彈簧拉力由式（1）得到

此時，彈簧拉力作用到蝸輪的力矩由式（2）計算為

（2）當離合器分離初始時，其彈簧拉力由式（3）得到

此時，電機經蝸桿蝸輪增矩后有效拉力由式（4）計算為

總拉力由式（5）計算為

（3）當離合器分離一半時（旋轉桿垂直時），其彈簧拉力由式（6）得到

此時，總拉力由式（7）計算為

（4）當離合器完全分離時，其彈簧拉力由式（8）得到

此時，電機經蝸桿蝸輪增矩后有效拉力由式（9）計算為

總拉力由式（10）計算為

式中:F′為彈簧剛度，N／m；f為彈簧初拉力，N；F彈簧為彈簧拉力，N；M為離合嚙合時彈簧拉力作用到蝸輪力矩，N·m；M0為蝸桿蝸輪機構運動自鎖力矩，N·m；M1為旋轉桿垂直離合器拉桿時電機經蝸桿蝸輪增矩的有效力矩，N·m；L初為離合器分離初始時旋轉桿有效長度，m；L終為離合器分離完成時旋轉桿有效長度，m；L為旋轉桿垂直離合器控桿時有效力臂長，m；L0為彈簧伸長量，m；F電機為電機經蝸桿蝸輪增矩后有效拉力，N；F總為離合器分離總拉力，N。

從以上分析可知，總拉力在整個離合器分離過程中始終大于離合器分離時的最大力，如圖2所示，為有效助力結構，且在離合器嚙合時能實現蝸輪蝸桿機構實現自鎖功能，彈簧拉力與電機經蝸輪蝸桿增矩后有效拉力變化實現互補，總拉力變化較小。

圖2 離合器分離時力量變化圖

2 電控單元硬件設計

2.1 整體設計

控制單元硬件是控制系統的基礎及軟件的載體，主要由微處理器（MCU）供電電源電路、輸入／輸出接口電路及相應的信號調理電路組成，如圖3所示。

圖3 自動離合器控制部分系統框圖

2.2 電源電路

控制系統控制單元的芯片、電機、傳感器等所用的電源電壓是不一樣的，所需要的電源功率和精度也不盡相同，因此需要設計單獨的電源模塊分別給各個功能部件提供可靠的電源［7］。

對于AD轉換模塊，需要提供一個高精度的參考電源，才能使AD轉換結果有較高的精度，控制單元主芯片ARM芯片需要提供相對精準穩定的電源以保證其可靠的工作，即使外部有較強烈的干擾，也不會影響其正常工作，圖4是AD轉換精準電源和控制芯片電源。

圖4 AD轉換精準電源和控制芯片電源圖

2.3 傳感器電源電路

車輛用傳感器的工作環境較為惡劣，對其壽命、可靠性和精度都提出了較為苛刻的要求，要提高控制精度，首先得保證傳感器輸出的信號精度高，傳感器的供電電源也必須是可靠穩定，尤其是在環境濕度、溫度和氣壓等外界條件變化時，依然能提供可靠穩定的電源［8］。圖5為傳感器電源電路圖。

2.4 模擬信號處理

系統中，需要使用模擬信號傳感器實際位置或參考指令，模擬信號經過A／D轉換變為數字信號進入TCU。在A／D轉換前，需要對模擬信號進行濾波和預處理［9］，如圖6所示。

A／D轉換的精度是由A／D轉換的位數決定的。例如，采用10位二進制A／D轉換器對5 V的電壓進行轉換時，最小分辨率為5／1024≈0.00488 V。

圖5 傳感器電源圖

圖6 模擬信號處理電路圖

2.5 速度信號處理

在電控機械式自動變速器系統中需要對發動機、變速箱輸入軸和輸出軸的轉速進行測量，為便于安裝，這幾個轉速的測量通常是利用原有傳動機構中的齒輪進行測量，其中采用電磁式傳感器進行測量的，使用如圖7所示的電路進行整形，采用霍爾傳感器進行測量，使用如圖8所示的電路進行電平轉換。最終，主控芯片得到的是數字信號和方波信號。

2.6 開關信號轉換電路

為提高抗干擾性能，手動／自動轉換開關、離合器踏板開關、換擋信息開關等都采用12 V信號，因此需要將此信號轉換成ARM主控芯片能夠采集的

3.3 V信號，電路圖如9所示。

2.7 驅動電路

圖10為采用H橋電路的直流電動機電路原理圖，可以看出直流電動機位于橋上，四個晶體管位于橋臂。來自TCU的控制信號連接到晶體管的基極，它通過控制晶體管的通斷時序，進而控制直流電動機的通斷電和直流電動機的正反轉。當來自TCU的控制信號讓晶體管2、3導通時工作電流從右至左流過直流電動機此時直流電動機反轉。當來自TCU的控制信號讓晶體管1、4導通時，工作電流從左至右流過直流電動機，此時直流電動機正轉。

如果在選換擋過程中直流電動機運轉出現異常情況，或者TCU控制信號受到干擾發生改變，都有可能造成本應該關閉的兩個晶體管仍保持導通，而同時另兩個晶體管也被接通，即所有的晶體管均導通。這時本應該加在直流電動機兩端的工作電壓就直接加在橋臂的晶體管上，造成短路燒毀晶體管［10］。

圖7 傳感器信號整形電路圖

圖8 傳感器信號電平轉換電路圖

圖9 開關信號處理電路

圖10 H橋電路圖

為了避免上述問題的出現，對該驅動電路進行了改進設計，如圖11所示。新的驅動電路增加了MOS管前級驅動芯片IR 2103，它保證了在任何情況下，相同一側的MOS管不會同時打開，從而避免了短路燒毀。

圖11 H橋前級驅動與MOS管的連接電路圖

在實際應用過程中發現，該電路在電機堵轉的時候，會出現電流過大，并導致芯片過熱。另外由于H橋驅動直流電機換向時MOS管的打開和關斷有一定的滯后，因此可能出現上下橋臂直通現象，造成短路，當然軟件延時能達到目的，但會增大MCU的負擔，因此需要在驅動電路中加有相關硬件以實現的死區延時。電路中的延時時間通過改變RC值來調節.因此電機控制電路中必須有過熱保護，過流保護和死區控制等功能。圖12為帶有過熱保護、過流保護和死區控制的H橋電路原理圖。

另外，由于電機在起動、停止和快速換向的時候會給整個電路帶來較大的沖擊，因此需要對驅動電路和主控電路進行隔離，圖13為光電隔離電路。

2.8 主控芯片電路

由于AMT系統中對芯片處理能力要求較高，需要實現控制算法快速響應的高性能的處理芯片，本設計的主控芯片采用STM32 ARM芯片，STM32系列采用Cortex-M3內核，時鐘頻率達到72 MHz，內置32 K到128 K的閃存，16路高速12位ADC，內置復位電路、調壓器、低電壓檢測、精確的RC振蕩器等，有豐富的外設資源如CAN，SPI，UART等［11］。

圖12 H橋集成電路圖

圖13 光電隔離電路圖

3 離合器控制策略設計

離合器控制的好與壞，決定汽車起步、換擋過程的平穩和品質［12］。實現離合器的最佳控制可以減小傳動系統零部件沖擊，提高其使用壽命與改善乘坐舒適性［13-14］。由此可實現圖14所示的離合器分離與接合速度的精確控制，圖14中1至5分別代表1至5擋，不同擋位下離合所傳遞的扭矩不同，所以采取不同的接合速度以減小扭矩的變化率。

4 發動機控制方式設計

換擋過程中車速變化不大，為了延長離合器的使用壽命，盡量減小滑磨，需要發動機工作的協調，即在發動機轉速變化非常小的情況下改變發動機的凈輸出扭矩，使之盡可能接近離合器傳遞扭矩［15］。設計采用電子節氣門控制方法，離合器嚙合時，不同的控制階段采用不同結構的控制算法。在起步控制過程的開始階段，迅速讓離合器接合到接近半離合的狀態，這部分控制為位置控制閉環控制，然后采用雙閉環，即位置環為內環，速度環為外環，避免發動機熄火。如圖15所示。

圖14 離合器接合或分離的速度曲線圖

圖15 雙環控制算法圖

以車輛起步為例進行說明，圖16為起步過程中車輛各項數據的變化曲線，離合位置A／D值變小表示離合在逐漸貼合。離合接合過程中，發動機轉速略有下降，但仍穩定在一定范圍內，變速器輸入軸速度和車速從0開始緩慢上升，說明車輛正在平穩起步。這表明離合器控制策略和發動機控制方式行之有效，既保證了起步平穩性又可以實現駕駛員意圖。

圖16 起步實測曲線圖

5 結語

針對部分車輛內部空間對自動離合器助力電機尺寸、功率及傳動機構尺寸的限制，在不加外力的情況下，很難做到離合器的有效分離及分離速度控制的問題；起步換擋過程存在較大沖擊的問題；控制單元的芯片、電機、傳感器等運行不可靠等問題，文章設計了一種自動控制離合器系統，通過在實際汽車上進行試驗可知:采用彈簧助力執行機構，能夠實現離合快速可靠的分離和接合，同時也有助于離合接合分離速度的精確控制；電控單元硬件工作穩定可靠，準確采集外部信號，實現對離合位置的精確控制。所采取的電路保護措施，能夠使電控單元適應車輛上復雜惡劣的工作環境。離合控制策略和發動機控制方式合理有效，車輛起步過程平穩，發動機轉速和車速穩定，對傳動系統零部件沖擊較小。整體達到設計目標，具有進一步改進和研究的價值。

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（責任編輯：李雪蕾）

Automatic clutch control system design for automobile

Li Liang1，Luo Ying2，3，Zhao Zhichao

（1.Shandong Qilu Electrical Machinery Manufacture Co.，Ltd.，Jinan 250100，China；2.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China）

Compared with manual transmission，automatic clutch can reduce operating strength of the drivers，increase driving safety，and prolong the service life of the clutch.Automatic clutch has a history ofmore than thirty years？in foreign countries.Concerning the problems of automatic clutch in some vehicles，the paper designs a new kind of mechanism with a power-assisted spring through mechanical analysis，and designs system's software and hardware，control strategy of clutch speed，engine controlmethod to achieve the purpose of controlling automatic clutch.Experiments are made on the car to verify the feasibility and actual result of new designed mechanism and control system.

automatic clutch control；power-assisted spring；control unit

TP393

A

1673-7644（2014）06-0578-07

2014-06-26

李良（1981-），男，工程師，學士，主要從事電機制造、汽車電子等方面的研究.E-mail:liliang8101＠163.com