专利名称：一种电机驱动的车辆自动离合器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车辆自动离合器操纵系统。更具体的，本发明涉及一种电机驱动的车辆离合器的自动操纵机构及其控制电路。采用电机-滚珠丝杠传动构成自动操纵机构，基于CAN总线构成操纵机构的控制电路。
背景技术：
将手动变速箱离合器的操作自动化，便构成了自动离合器系统ACS (automaticclutch system),亦称为 EKM (Electronic Clutch Management)。自动离合器系统也被称为半自动变速器，它将车辆离合器的操纵自动化，但换档操作仍为驾驶员手动换档。自动离合器系统省却了驾驶员左脚的频繁工作，是一个最基本的车辆传动自动操纵系统。在自动离合器系统的基础上，可以构成电控机械式自动变速器AMT (Automated ManualTransmission)、干式双离合器变速器DCT (Dual Clutch Transmission)。混合动力车辆也 广泛采用离合器来实现车辆换挡和模式切换等功能。自动离合器的执行机构主要分液压和电动两种。液压驱动的自动离合器系统，需要电机泵、油箱、阀体等一套液压系统，系统构成较为复杂。例如宝马公司在1996年生产的M3车型就应用了这种离合器执行机构。国产奇瑞汽车也是通过增加一套电控液压装置实现离合器自动控制。尽管当前批量生产的离合器执行机构多数为液压驱动，随着电机及其驱动技术的发展，已不断涌现出各种电动的离合器执行机构。电机驱动的离合器执行机构系统结构相对简单，常采用直流电机作为动力源，常用的机械减速机构包括蜗轮蜗杆传动和丝杠螺母。如南京奥联汽车电子电器有限公司申请的AMT执行机构的专利[CN 201827268U]就应用了蜗轮蜗杆。哈尔滨宏泰公司的离合器执行机构[CN2686905Y]采用的是丝杠螺母的结构。这两种传动机构结构简单，成本较低。然而他们共有的缺点是传动效率低，甚至不足50%。效率低影响离合器的响应速度，整车动态性能也因此受到限制。也就是说，虽然自动离合器系统已经产品化，但仍然有一些问题需要解决，主要表现在系统响应速度较慢，例如当前AMT车辆大油门起步和换挡的性能仍然与熟练驾驶员的操作有很大差距。随着机械传动技术的发展，滚珠丝杠逐渐成为一种高效率、可用于高速重载场合的传动机构[CN 100427802C]，并且噪音水平降到很低。另一方面，汽车电子控制技术发展迅速，新的车型大多采用CAN(Controller Area Network)总线实现车辆内部控制器之间的通信。
发明内容
在这样的背景之下，本发明提供了一种新的汽车离合器的自动操纵系统。该系统采用传动效率高的滚珠丝杠作为减速机构，能够提高系统动态响应速度；基于CAN总线的控制电路实现发动机和驱动轮的数据的共享，降低了系统成本。本发明的第一方面涉及一种用于车辆自动离合器的离合器操纵机构。与目前广泛采用的蜗轮蜗杆和丝杠螺母的机构不同，本操纵机构采用电机-滚珠丝杠传动机构。滚珠丝杠机械传动效率高，达到95%以上，这使电机功率充分发挥，可以提高离合器动作的响应速度。该操纵机构包含直流电动机，滚珠丝杠，推拉杆，位移传感器等零部件。直流电动机的旋转运动通过滚珠丝杠转换为直线运动,通过推拉杆推动或拉动离合器，促使其分离或结合。推拉杆的行程由位移传感器检测出来，位移传感器可以采用霍尔式或者导电塑料的种类，保证位移传感器的精度和使用寿命。由于这个机械系统采用的滚珠丝杠机械传动效率高，因此响应很快，并且可以省去当前普遍采用的助力弹簧等复杂机构。本发明的第二方面涉及一种基于CAN总线的离合器控制电路。离合器控制电路包含一个主控制器芯片MCU、H桥驱动电路、电流检测电路、5V电源稳压电路以及复位模块。离合器控制电路与车辆CAN总线、电动机、离合器位移传感器、换档杆位移传感器相连接。 离合器控制电路中的MCU通过CAN节点与车辆CAN总线联接，可以周期性地读取发动机转速信号、发动机力矩信号、油门踏板位置信号、以及制动信号、车轮轮速信号。MCU还通过换档杆位移传感器读取换档杆的位移信号，并以此判断驾驶员的换档意图和当前的档位信号。此外，离合器位移信号和电动机电流信号也分别通过离合器位移传感器和电流检测电路检测出来，并被返回送至MCU，从而为实现离合器控制提供必要信息。为了满足高响应速度和高精度的需要，MCU采用低频(例如IOms周期)和高频(例如Ims周期)两种不同采样频率。在低频采样时刻，采集换档杆的位移信号、发动机转速信号、发动机力矩信号、油门踏板位置信号、以及制动信号、车轮轮速信号，并在此基础上进行运算，计算出离合器的期望位置。同时在高频采样时刻，采集离合器位移信号和电动机电流信号，并计算出为了快速跟踪离合器期望位置所需要的PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制，简称脉宽调制，脉宽调制是电动机的一种常用驱动方式，通过改变一个周期内电流导通时间和断开时间的比例达到控制输出电压的目的)占空比和旋转方向，然后给电动机H桥驱动电路发出PWM占空比和旋转方向的指令。H桥驱动电路给电动机提供驱动电压，并形成电枢内的电流，最终促使操纵机构尽快达到期望的位置。换档杆位移传感器由两个互相垂直布置的位移传感器构成，位移传感器可以采用霍尔式或者导电塑料的种类，保证位移传感器的精度和使用寿命。
下面结合附图对本发明作进一步的说明图I是总的结构图，给出了本发明在车辆传动系中所处的位置以及各部分之间的号流向。图2是机械图，给出了离合器操纵机构的机械装配图。图3是方框图，给出了离合器控制电路的构成。图4是电路图，给出了离合器控制电路中主芯片MCU、5V电源稳压电路、复位模块的实施例。其中图4 (a)是5V电源稳压电路。图4(b)是复位模块。图4(c)是离合器控制电路中主芯片MCU。
图5是电路图，给出了离合器控制电路中CAN节点、SCI串口、AD转换器的实施例。其中图5(a)是图5(b)是图5 (C)是图6是电路图，给出了 H桥驱动电路(由H桥驱动器和功率模块构成)和电流检测电路的实施例。其中图6 (a)是电流检测电路。图6(b)是功率模块。 图6 (C)是H桥驱动电路。图7是流程图，给出了车辆起步工况系统控制流程。图8是流程图，给出了车辆换档工况系统控制流程。图9是流程图，给出了车辆制动工况系统控制流程。图中1-1发动机；1-2离合器；1_3变速器；1_4同步器；1_5换档杆位移传感器；1_6差速器；1_7驱动半轴；1_8车轮；1-9CAN总线；1_10离合器操纵机构；1_11离合器控制电路；2-1直流电动机'2-2轴承套；2-3轴承I ;2-4滚珠丝杠轴；2_5滚珠丝杠螺母；2_6延长套；2-7推拉杆；2-8轴承II ；2-9壳体；2_10连接件；2_11连接片；2_12位移传感器。
具体实施例方式在下文中，将参照附图对本发明的实施方式作出详细描述。图I是自动离合器车辆总的结构示意图，给出了整个系统各部分的结构及其在车辆传动系中的位置关系。图I也给出了系统各部分之间的信号流向。车辆传动系各部件总成包括发动机1-1、离合器1-2、变速器1-3、差速器1-6、驱动半轴1-7、车轮1_8、CAN总线
1-9。变速器内含有用于换档的同步器1-4和换档杆位移传感器1-5。离合器1-2由本发明的离合器自动操纵系统驱动。自动操纵系统由离合器操纵机构1-10和离合器控制电路ι-ll两部分构成。离合器控制电路1-11与车辆传动系CAN总线1-9相联，周期性地读取发动机转速信号ne、发动机力矩信号te、油门踏板位置信号th、以及制动信号br、车轮轮速信号nw。离合器控制电路1-11还通过换档杆位移传感器1_5读取换档杆的位移信号sh，并以此判断驾驶员的换档意图和当前的档位信号。离合器控制电路1-11还通过离合器位移传感器(见图2)和电流检测电路(见图3)分别读取离合器当前位移信号Cl和电动机电流i，从而为实现离合器控制提供必要信肩、O离合器控制电路1-11的输出是给电动机提供的驱动电压V。驱动电压V加到电动机电枢上之后形成电流i，电流使电动机正转或反转，并最终促使操纵机构1-10尽快达到期望的位置，使离合器能够传递驾驶员期望的扭矩。参考图2，操纵机构1-10包含直流电动机2-1、轴承套2_2、轴承12_3、滚珠丝杠轴
2-4、滚珠丝杠螺母2-5、延长套2-6、推拉杆2-7、轴承112-8、壳体2_9、连接件2_10、连接片2-11、位移传感器2-12。直流电动机2-1的旋转运动通过滚珠丝杠轴2-4和滚珠丝杠螺母2-5转换为直线运动。滚珠丝杠螺母2-5与延长套2-6固定连接，延长套的作用是延长转动到直动转换时产生的摩擦力矩的力臂长度，从而减小推拉杆2-7和壳体2-9之间的摩擦力。延长套2-6与推拉杆2-7相连，推拉杆有两根，顶端由连接件2-10连接为一体。为了使直线运动顺畅并保证机构使用寿命，推拉杆2-7和壳体2-19之间构成高精度微量间隙配合，壳体2-19对推拉杆2-7的直线运动起到导轨的作用。直流电动机2-1正转或反转时，推拉杆2-7和连接件2-10将前进或后退，从而通过推杆或拉丝带动离合器1-2分离或结合。滚珠丝杠轴2-4的前端(靠近电机一侧)通过轴承12-3安装在轴承套2_2上。轴承12-3采用角接触轴承从而提高承载轴向负载的能力。滚珠丝杠轴2-4的后端(远离电机一侧)通过轴承II2-8安装 在壳体2-9上。轴承套2-2的轴向尺寸需要精密加工，起到装配后轴向间隙调整的作用，从而实现装配后角接触轴承12-3和轴承II2-8所需的轴向预紧力。离合器动作的行程由位移传感器2-12检测出来。位移传感器2-12固定到壳体
2-9上。位移传感器的移动杆通过连接片2-11与滚珠丝杠螺母2-5相连。位移传感器的移动杆上装有球铰结构，保证位移传感器的直线运动与滚珠丝杠螺母2-5的直线运动不发生干涉，从而保证位移传感器的良好工作状态和使用寿命。壳体2-9的材料采用铝合金，从而减轻系统重量。所有零件安装完成后，需用盖板将其密封，防止粉尘进入，从而保证滚珠丝杠和轴承的良好润滑状态。参考图3，离合器控制电路1-11包含一个主控制器芯片MCU、H桥驱动电路、电流检测电路、5V电源稳压电路以及复位模块。离合器控制电路1-11与车辆CAN总线1-9、电动机、离合器位移传感器2-12、换档杆位移传感器1-5相连接。离合器控制电路1-11由车载电池12V(或24V)供电。离合器的位置跟踪控制是通过H桥驱动电路的PWM控制实现的。PWM脉宽调制是电动机的一种常用驱动方式，通过改变一个周期内电流导通时间和断开时间的比例达到控制输出电压的目的。主控制器芯片MCU由5V电源稳压电路供电。主控制器芯片MCU与复位模块相连接。复位模块可以在系统电源电压过低时以及主控制器MCU程序运行不正常时将MCU复位以保证MCU工作稳定性。主控制器芯片MCU的控制程序通过MCU中的SCI串口由外部PC机写入到MCU的内存中。主控制器芯片MCU通过CAN节点与车辆CAN总线(1_9)联接，可以周期性地读取发动机转速信号ne、发动机力矩信号te、油门踏板位置信号th、以及制动信号br、车轮轮速信号歷。MCU还通过换档杆位移传感器1-5读取换档杆的位移信号sh，并以此判断驾驶员的换档意图和当前的档位信号。此外，离合器位移信号Cl和电动机电流信号i也分别通过离合器位移传感器和电流检测电路检测出来，并被返回送至MCU，从而为实现离合器控制提供必要信息。换档杆位移信号sh、离合器位移信号cl和电动机电流信号i通过MCU中的AD转换器被MCU读取。读取以上信号的基础上，MCU通过运算后给电动机H桥驱动电路发出PWM占空比和旋转方向的指令。H桥驱动电路实施指令，驱动电动机转动，尽快达到期望的离合器位移。为了满足高响应速度和高精度的需要，MCU采用低频(例如IOms周期)和高频(例如Ims周期)两种不同采样频率。在低频采样时刻，采集换档杆的位移信号sh、发动机转速信号ne、发动机力矩信号te、油门踏板位置信号th、以及制动信号br、车轮轮速信号nw，并在此基础上进行运算，计算出离合器的期望位置。同时在高频采样时刻，采集离合器位移信号Cl和电动机电流信号i，并计算出为了快速跟踪离合器期望位置所需要的PWM占空比和旋转方向，然后给电动机H桥驱动电路发出PWM占空比和旋转方向的指令。离合器分离过程中，MCU的运算考虑到同时兼顾快速分离和小的行驶冲击度的要求。离合器结合过程中，MCU的运算考虑到同时兼顾快速结合、小的离合器滑摩损失和小的行驶冲击度的要求。参考图4，MCU采用针对汽车开发的处理器，例如MC9S12DG128。5V电源稳压电路 可以采用LM2576S5. O芯片。复位模块可以采用MP813L芯片。参考图5，CAN节点可以采用TJA1041芯片，SCI串口可以采用MAX232ACSE芯片。参考图6，H桥驱动电路由H桥驱动器和功率模块构成。H桥驱动器可以选用芯片TD340。功率模块由4个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成。MOSFET管选用N沟道大功率型号可保证H桥可为电机提供足够电流。MCU和H桥驱动器之间有两个光耦器件(可用芯片TLP521)，保证MCU可靠工作。H桥驱动电路给电动机提供驱动电压V，并形成电枢内的电流i，最终促使操纵机构尽快达到期望的位置。H桥驱动电路PWM控制的频率可以很大，例如ΙΟΚΗζ，因此可以实现很小的电流波动。电流检测电路与电动机串接，用来检测电动机电枢的电流。电流检测电路可以采用ACS712ELCTR20A芯片。下面结合装有自动离合器的车辆(半自动变速车辆)的行驶工况，介绍本发明的实施方式。车辆起步工况参考图7、图I以及图3，离合器控制电路1-11首先将离合器位移调整至压盘和摩擦片即将结合的位置，也就是离合器结合和分离的临界点。然后不断检测驾驶员油门踏板位移信号th，当油门踏板位移信号th超过一定阈值时，认为驾驶员有起步意图，随即结合离合器。在结合离合器的过程中，离合器控制电路1-11根据检测到的发动机转速信号He、发动机力矩信号te、油门踏板位置信号th、车轮轮速信号nw、离合器当前位移信号Cl和电动机电流信号i，计算出离合器的期望位置以及为了快速跟踪离合器期望位置所需要的PWM占空比和旋转方向。然后H桥驱动电路驱动电动机并最终促使离合器操纵机构，使离合器尽快达到期望的位置。结合过程时要考虑的控制目标包括小的离合器磨损、小的起步冲击以及短的起步时间。在离合器结合过程中，通过发动机转速ne和车轮轮速nw计算得到离合器当前相对打滑转速。当离合器相对打滑转速低于一定阈值时，认为离合器已经同步闭锁，然后继续结合操作，直至膜片弹簧小指端完全放开，使摩擦片可靠压住压盘。车辆换档工况参考图8、图I以及图3，离合器控制电路1-11通过换档杆位移传感器1-5检测到驾驶员有换档意图时，离合器执行分离动作，分离过程仍然是由离合器控制电路1-11和离合器操纵机构ι- ο完成的。分离过程的控制目标是同时兼顾快速分离和小的冲击度的要求。分离之后，离合器的位移被调整到稍微大于压盘和摩擦片即将结合的位置(结合分离临界点)，为结合离合器做好准备，以便缩短动力中断的时间。离合器控制电路1-11通过换档杆位移传感器1-5检测到已经挂入新档时，离合器执行结合动作，结合过程的控制目标是同时兼顾快速结合和小的冲击度的要求。在离合器结合过程中，通过发动机转速ne和车轮轮速nw计算得到离合器当前相对打滑转速。当离合器相对打滑转速低于一定阈值时，认为离合器已经同步闭锁，然后继续结合操作，直至膜片弹簧小指端完全放开，使摩擦片可靠压住压盘。在本实施例，换档过程中的油门踏板和换档杆的操作是由驾驶员完成的。制动工况，参考图9、图I以及图3，离合器控制电路1-11通过制动信号br检测到驾驶员执行制动操作时，离合器进入分离准备动作，首先将离合器的位移调整到刚刚不发生打滑的位置，这个位置是通过发动机力矩信号te计算得到的。然后离合器控制电路1-11检测当前档位信号sh，并据此计算出允许最低车速。离合器控制电路1-11还不断检测车轮轮速信号nw，如果当前车速(由车轮轮速信号得到)高于允许最低车速，则保持离合器刚好不发生打滑的位置；如果当前车速低于允许最低车速，则快速分离离合器。需要指出，本发明的自动离合器系统还可经过扩展适用于其他传动形式的车辆，例如机械式自动变速器AMT、干式双离合器自动变速器DCT和一些形式的电动混 合动力汽车 HEV。
权利要求
1.一种电机驱动的车辆自动离合器系统，主要由离合器自动操纵机构和基于CAN总线的离合器控制电路两部分组成，其特征在于，离合器(1-2)由所述离合器操纵机构(1-10)和离合器控制电路(1-11)驱动，所述离合器自动操纵机构(ι- ο)包括机械部分和电路部分，其中的机械部分包含直流电动机(2-1)、滚珠丝杠、推拉杆(2-7)和位移传感器(2-12)，其中的电路部分包含单片机运算电路和H桥驱动电路两部分，所述单片机运算电路的输入信号是实际检测到的推拉杆位置和期望的推拉杆位置，输出信号是直流电动机(2-1)的旋转方向和PWM控制的占空比，所述H桥驱动电路(3-4)接收到旋转方向和占空比的指令，输出相应的电流给直流电动机(2-1)； 所述基于CAN总线的离合器控制电路(1-11)与车辆CAN总线联接，周期性地读取发动机转速信号、力矩信号、油门踏板位置信号以及制动信号和车轮轮速信号，离合器控制电路(1-11)还通过换档杆位移传感器(1-5)读取换档杆的位移信号，并以此判断驾驶员的换档意图和当前的档位信号，离合器(1-2)位移信号也被返回送至离合器控制电路(1-11)，所述离合器控制电路(1-11)在每个采样时刻，采集以上各个信号，并在此基础上进行运算，然后给出离合器膜片弹簧分离指的期望位移，这个期望信号被发送到所述的离合器自动操纵机构(ι- ο)，并加以实现。
2.根据权利要求I所述的一种电机驱动的车辆自动离合器系统，其特征在于，所述离合器控制电路(1-11)还包括优化运算部分和自适应运算部分，所述优化运算部分采用优化控制算法，得到最优的离合器(1-2)操作指令，减小传动系力矩的波动，即起步换档的冲击，同时减小离合器摩擦片的磨损量；所述自适应运算部分判断离合器摩擦片的磨损程度，辨识出摩擦片的磨损程度后，修正离合器(1-2)的操作指令，即离合器(1-2)分离指的期望位移，通过自适应运算部分以软件的方式实现离合器(1-2)的自调整，降低了系统成本。
3.根据权利要求I所述的一种电机驱动的车辆自动离合器系统，其特征在于，所述自动操纵机构(1-12)中机械部分(1-10)的直流电动机(2-1)的旋转运动通过滚珠丝杠轴(2-4)和滚珠丝杠螺母(2-5)转换为直线运动，滚珠丝杠螺母(2-5)与延长套(2-6)固定连接，延长套(2-6)的作用是延长转动到直动转换时产生的摩擦力矩的力臂长度，从而减小推拉杆(2-7)和壳体(2-19)之间的摩擦力，延长套(2-6)与推拉杆(2-7)相连，推拉杆(2-7)有两根，顶端由连接件(2-10)连接为一体，推拉杆(2-7)与壳体(2-19)之间构成高精度微量间隙配合，以使直线运动顺畅并保证机构使用寿命，壳体(2-19)对推拉杆(2-7)的直线运动起到导轨的作用。
4.根据权利要求I或3所述的一种电机驱动的车辆自动离合器系统，其特征在于，所述直流电动机(2-1)正转或反转时，推拉杆(2-7)和连接件(2-10)将前进或后退，从而通过推杆或拉丝带动离合器(1-2)分离或结合。
5.根据权利要求I或3所述的一种电机驱动的车辆自动离合器系统，其特征在于，所述滚珠丝杠轴(2-4)的前端即靠近电机一侧通过轴承I (2-3)安装在轴承套(2-2)上；轴承I (2-3)采用角接触轴承，以提高承载轴向负载的能力，滚珠丝杠轴(2-4)的后端即远离电机一侧通过轴承11(2-8)安装在壳体(2-9)上； 所述轴承套(2-2)的轴向尺寸需要精密加工，起到装配后轴向间隙调整的作用，以实现装配后轴承1(2-3)和轴承11(2-8)所需的轴向预紧力。
6.根据权利要求I或3所述的一种电机驱动的车辆自动离合器系统，其特征在于，所述离合器(1-2)动作的行程由位移传感器(2-12)检测，位移传 感器(2-12)固定到壳体(2-9)上，位移传感器(2-12)的移动杆通过连接片(2-11)与滚珠丝杠螺母(2-5)相连，位移传感器(2-12)的移动杆上装有球铰结构，保证位移传感器(2-12)的直线运动与滚珠丝杠螺母(2-5)的直线运动不发生干涉。
全文摘要
本发明涉及一种电机驱动的车辆自动离合器系统。主要由离合器自动操纵机构和基于CAN总线的离合器控制电路两部分组成，离合器由所述离合器操纵机构和离合器控制电路驱动。离合器自动操纵机构中的机械部分包含直流电动机、滚珠丝杠、推拉杆和位移传感器；电路部分包含单片机运算电路和H桥驱动电路两部分。单片机运算电路的输入信号是实际检测到的推拉杆位置和期望的推拉杆位置，输出信号是直流电动机的旋转方向和PWM控制的占空比；H桥驱动电路接收到旋转方向和占空比的指令，输出相应的电流给直流电动机。该系统能够提高系统动态响应速度，降低了系统成本。
文档编号F16D23/12GK102678779SQ201210072569
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者张振威, 陈虹, 高炳钊 申请人:吉林大学