本发明涉及汽车传动技术领域，具体地指一种基于音圈电机驱动的车辆离合器控制机构及防护方法。
背景技术
传统单纯内燃机动力驱动的车辆，采用离合器滑磨实现发动机力矩平稳加载。混合动力车辆中，有技术方案采用行星齿轮(如zl201110202014.8等专利所述)或离合器(如zl201510738035.x等专利所述)实现发动机和电机之间的力矩耦合。目前传统车辆大量采用膜片弹簧离合器，其使用已经非常成熟，制造成本低，供应链稳定。较多的技术方案采用在膜片弹簧离合器基础上增加执行机构，实现离合器自动分离，结合。
专利号zl201310077866.8的中国专利公开了一种混合动力车用离合器执行机构，该方案由气缸、分离摇臂、分离拨叉、离合器、整车控制器、电磁阀、过滤器、储气筒、空压机以及分别安装于气缸两侧的结合端磁性开关和分离端磁性开关组成。该方案作为一种实践中使用的混合动力汽车离合器执行机构，实际使用中暴露如下缺点：
(1)由于膜片弹簧离合器大部分是常闭离合器，停车后整车储气筒气压不足(车辆气路在冬季热胀冷缩或使用1～2年后管路老化导致密封性能下降，引发漏气)且空压机工作不正常时(车辆气源通常来自发动机自带空压机，发动机未启动时候依靠额外配置的由车辆低压蓄电池供电的电动空压机，该电动空压机寿命有限)。由于离合器闭合导致发动机无法启动，整车无分离气源，需要在车辆上附加额外的离合器分离备用装置(如独立的不依靠整车气路助力的人工离合分离机构)，或者用工具强行撬开离合器使之分离，严重影响车辆正常使用。
(2)离合器分离行程通常在8～10mm，膜片弹簧离合器在使用8～12万公里后由于磨损，或者定位销磨损变细，离合器摇臂行程需要人工重新调整调整定位，这些细微变化依赖维修人员保养检查，对人员水平有较高要求。若维护保养不到位或者人员调整操作不当，可能导致整车控制器已经发出分离指令，分离摇臂也已动作，但是离合器未能完整分离，安装于气缸两侧的磁性开关感应精度有限，未能准确判断离合器完全结合或完全分离，可能造成离合器长期在受力情况下半结合或滑磨，严重时可能烧损离合器。
申请号cn201711343952.3的中国专利一种自动离合器执行机构与zl201310077866.8类似，同样存在上述弊端。
申请号cn201710671640.9的专利描述了采用两个电机和电机齿轮总成，滚珠丝杆总成等组成离合器执行机构；
申请号cn201710049832.6专利描述了采用电机和蜗轮蜗杆结构组成离合器执行机构。
专利号zl201610880064.4专利描述了采用电机、减速机、角位移传感器、蜗轮蜗杆构成离合器执行机构。
上述方案均未考虑离合器磨损导致执行机构动作后离合器并未真正分离或结合(即执行机构动作行程可能需要定期维护，维护依靠人工经验，存在失效风险)。或者需滚珠丝杆或蜗轮蜗杆等中间转换装置将旋转运动转换为直线运动。实际上，离合器结合与分离属于一种直线运动，而音圈电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要像旋转电机加中间转换机构实现直线运动。它基于安培力原理，即通电线圈放在磁场中产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成正比，改变音圈电机通电线圈中电流大小和极性即可改变电磁力的大小和方向。具有结构简单、无磨损、噪声低、速度快、精度高等优势。
技术实现要素：
本发明的目的就是要提供一种基于音圈电机驱动的车辆离合器控制机构及防护方法，本发明采用音圈电机实现直线运动，减少蜗轮蜗杆或滚珠丝杆等转换装置，消除了气缸和气路机构因为车辆气路密封性能下降引发的弊端，结构简单、噪声低、速度快、精度高。
本发明所设计的一种基于音圈电机驱动的车辆离合器控制机构，它包括整车控制器(vehiclecontrolunit，简称vcu)、音圈电机、电磁锁、摇臂式拨叉和离合器的分离轴承，其中，整车控制器的驱动电流输出端连接音圈电机的驱动信号输入端，整车控制器通过数字开关量输出模块连接电磁锁的控制信号输入端，所述音圈电机的推杆上开设有凹槽，电磁锁的锁头与推杆上的凹槽匹配，音圈电机推杆的端部固定连接摇臂式拨叉的分离摇臂部分的顶端，摇臂式拨叉的拨叉部分与分离轴承的外圈固定连接，分离轴承紧贴离合器。
一种上述车辆离合器控制机构的防护方法，它包括如下步骤：
步骤1：整车控制器向音圈电机发出离合器分离指令；
步骤2：音圈电机根据离合器分离指令控制推杆水平直线移动，从而通过摇臂式拨叉和分离轴承控制离合器分离，同时整车控制器根据can总线获取离合器两侧转速差，电流检测单元获取音圈电机的工作电流，当电流检测单元检测的音圈电机工作电流i小于预设的断路电流阈值ith1时；或者，当电流检测单元检测的音圈电机工作电流i大于预设的短路电流阈值ith2时；整车控制器关闭驱动电流输出端的电流输出，并发出故障代码至仪表提醒驾驶员，驾驶员借助外部力量作用于分离摇臂将离合器强行分开后按下危险报警灯，电磁锁与音圈电机推杆锁止，车辆跛行移动；然后采用如下方式判断离合器是否真正分离；
当电流检测单元检测的音圈电机工作电流i在断路电流阈值ith1与短路工作电流阈值ith2之间时，说明音圈电机工作电流正常，此时，如果位置检测单元传送的信号表明音圈电机的推杆已经移动到预设的离合器分离标定位置x1，则整车控制器判断离合器两侧的转速是否存在离合器任意一侧的转速大于50rpm的情况，如果存在离合器任意一侧的转速大于50rpm，则整车控制器继续判断离合器两侧转速差是否小于设定值δv1，且持续时间是否大于等于预设时间t1；如果不存在离合器任意一侧的转速大于50rpm，则当前时刻预设的离合器分离标定位置x1默认有效位置；
如果离合器两侧转速差小于设定值δv1，且持续时间大于等于预设时间t1，则说明当前时刻离合器处于结合状态，预设的离合器分离标定位置x1无效，整车控制器发出故障提示代码至车辆仪表提醒预设的离合器分离标定位置x1需要重新调整，并自行推动音圈电机推杆继续到新的位置，直到检测到离合器两侧转速差大于设定值δv2持续时间大于等于t2，说明离合器真正分离到位；
如果离合器两侧转速差大于设定值δv2且持续时间大于等于t2，则判断当前时刻离合器确认分离，离合器分离标定位置x1继续有效；
确认离合器分离到位后，整车控制器控制电磁锁的锁头与音圈电机推杆锁止，音圈电机不再出力，尽可能降低能耗；
步骤3：整车控制器向音圈电机发出离合器结合指令，整车控制器控制电磁锁的锁头与音圈电机推杆解锁，离合器在内部复位弹簧作用下自动结合，整车控制器获取离合器两侧转速差，只有离合器两侧转速差小于等于设定值δv3才认为完全结合。
本发明同时提供了基于音圈电机驱动的车辆离合器执行机构防护方法，用于防止离合器使用较长时间后离合器真实分合状态判断错误导致离合器长时间半结合引起烧损。即vcu根据位置检测单元信号和离合器两侧转速差信号共同判断离合器是否分离到位，若没有分离到位则发出诊断代码至仪表提醒驾驶员并将原有位置检测信号视为无效，继续进行分离动作，直到确认离合器真正分离。
本发明的有益效果：
1)相对于现有的采用气缸结构或减速电机+蜗轮蜗杆或减速电机+滚珠丝杆的结构，本发明采用音圈电机实现直线运动，减少蜗轮蜗杆或滚珠丝杆等转换装置，结构简单、噪声低、速度快、精度高。消除了气动执行机构因为车辆漏气，电动空压机故障导致的叠加失效，消除了蜗轮蜗杆或者滚珠丝杆传动效率低造成的损耗。同时，整体占用空间更小。
2)本发明在确认离合器分离到位后，电磁锁与音圈电机推杆锁止，音圈电机可以不再出力，减少电耗。该电磁锁止机构也可以在音圈电机失效情况下，借助外力撬动摇臂待离合器真正分开后，驾驶员按下车辆危险报警开关，整车控制器vcu与电磁锁相连的数字量输出管脚不再通电，电磁锁与音圈电机推杆锁止，离合器保持继续分离。可依靠牵引电机在低速情况下继续跛行移动，避免车辆抛锚。
3)本发明由整车控制器检测离合器主动侧和从动侧转速差判断离合器真实的分离或结合状态，不完全依赖位置传感器，并对电磁线圈短路，断路故障做判断；得益于音圈电机几乎无迟滞的动作响应特性，可以在极短的时间内判断离合器状态并迅速动作，避免因离合器长期使用磨损后执行机构动作行程失效引起离合器长时间半结合状态下烧损的风险，消除离合器状态错误对整车控制的影响。
附图说明
针对不同的混合动力车辆结构，图1为本发明中离合器两侧分别连接发动机飞轮和牵引电机时的结构示意图；
图2为本发明中离合器两侧分别连接isg电机和牵引电机时的结构示意图；
图3为本发明电控部分的原理框图。
图4是本发明中离合器分离及结合状态机判断框图
其中，101—整车控制器、102—h桥电路模块、103—微处理器芯片、104—电流检测单元、105—数字开关量输出模块、201—音圈电机、202—推杆、203—凹槽、301—电磁锁、302—锁头、401—位置检测单元、501—摇臂式拨叉、502—分离轴承、503—分离摇臂部分、504—拨叉部分、601—离合器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的基于音圈电机驱动的车辆离合器控制机构，如图1～3所示，它包括整车控制器101、音圈电机201、电磁锁301、摇臂式拨叉501和离合器601(膜片弹簧离合器)的分离轴承502，其中，整车控制器101的驱动电流输出端连接音圈电机201的驱动信号输入端，整车控制器101通过数字开关量输出模块105连接电磁锁301的控制信号输入端，所述音圈电机201的推杆202上开设有凹槽203，电磁锁301的锁头302与推杆202上的凹槽203匹配，锁头302为单向锥形结构，音圈电机201推杆202的端部固定连接摇臂式拨叉501的分离摇臂部分503的顶端，摇臂式拨叉501的拨叉部分504与分离轴承502的外圈固定连接，分离轴承502紧贴离合器601
上述技术方案中，所述音圈电机201包括固定部分和动作部分。所述音圈电机201固定部分为永磁体，动作部分包含通电线圈和推杆202。
上述技术方案中，它还包括位置检测单元401，所述位置检测单元401安装在音圈电机201上，位置检测单元401用于检测音圈电机201推杆202的位置，并将推杆位置信号反馈给整车控制器101的微处理器芯片103。
上述技术方案中，所述整车控制器101内包含用于驱动音圈电机的功率模块，该功率模块为一个由场效应管(mosfet)组成的h桥电路模块102(通常由4个mos管组成，需要音圈电机正向移动时1号和4号mos管导通，电流为正；需要音圈电机反向移动时候，2号和3号mos管导通，电流为负)，整车控制器101内的微处理器芯片103产生pwm信号驱动h桥电路模块102产生用于驱动音圈电机201工作的驱动电流。
上述技术方案中，所述整车控制器101内还包含电流检测单元104，电流检测单元104用于检测h桥电路模块102的输出端与音圈电机201的驱动信号输入端之间的电流，并将得到的电流信号传输给微处理器芯片103。
上述技术方案中，所述数字开关量输出模块105由微处理器芯片103产生数字量信号驱动，并经过数字开关量输出模块105电流放大部分放大增强驱动能力(微处理器芯片103只能产生5～10ma的信号级电流，这个数字量输出端需要瞬间2a持续0.1s，持续电流0.1a的驱动能力)。数字开关量输出模块105还具备反向关断保护功能，用于防止负载(此处为电磁锁301)突然关断产生的反向电流冲击。
上述技术方案中，离合器601两侧分别连接发动机飞轮和牵引电机，或者离合器601两侧分别连接isg电机(integratedstarterandgenerator，汽车起动发电一体机)和牵引电机(视车辆动力系统结构不同)，离合器两侧的转速由相应的电机控制器和发动机ecu测量，测量得到的离合器两侧的转速通过can(controllerareanetwork，控制器局域网络)报文以10ms/帧的更新速率传送至整车控制器101的can接口。
上述技术方案中，所述整车控制器101输出的数字开关量为高电平时，电磁锁301的锁头302缩回，电磁锁301解除对音圈电机201的推杆202的锁止，所述整车控制器101输出的数字开关量为低电平时，电磁锁301的锁头302伸出，此时音圈电机201的推杆202被电磁锁301的锁头302锁止，音圈电机201的推杆202不再移动；
整车控制器101可控制音圈电机201的推杆202平移，从而通过摇臂式拨叉501和分离轴承502控制离合器601结合或断开；
上述电磁锁301也可以在音圈电机201失效情况下，借助外力撬动摇臂待离合器601真正分开后，驾驶员按下车辆危险报警开关，整车控制器101与电磁锁相连的数字量输出管脚不再通电，电磁锁与音圈电机推杆锁止，离合器保持继续分离。可依靠牵引电机在低速情况下继续跛行移动，避免车辆抛锚。
一种上述车辆离合器控制机构的防护方法，如图4所示，它包括如下步骤：
步骤1：整车控制器101向音圈电机201发出离合器分离指令；
步骤2：音圈电机201根据离合器分离指令控制推杆202水平直线移动，从而通过摇臂式拨叉501和分离轴承502控制离合器601分离，同时整车控制器101根据can总线获取离合器601两侧转速差，电流检测单元104获取音圈电机201的工作电流，当电流检测单元104检测的音圈电机201工作电流i(即检测h桥电路模块102的输出端与音圈电机201的驱动信号输入端之间的电流)小于预设的断路电流阈值ith1时(此时说明整车控制器101的h桥电路模块102与音圈电机201的驱动信号输入端之间接触故障或者音圈电机201线圈断路)；或者，当电流检测单元104检测的音圈电机201工作电流i大于预设的短路电流阈值ith2时(说明整车控制器101的h桥电路模块102短路或者音圈电机201线圈短路)；整车控制器101关闭驱动电流输出端的电流输出，并发出故障代码至仪表提醒驾驶员，驾驶员借助外部力量作用于分离摇臂将离合器强行分开后按下危险报警灯，电磁锁301与音圈电机推杆锁止，车辆跛行移动；
然后采用如下方式判断离合器601是否真正分离；
当流检测单元104检测的音圈电机201工作电流i在断路电流阈值ith1与短路工作电流阈值ith2之间时，说明音圈电机201工作电流正常，此时，如果位置检测单元401传送的信号表明音圈电机的推杆202已经移动到预设的离合器分离标定位置x1，则整车控制器101判断离合器601两侧的转速是否存在离合器601任意一侧的转速大于50rpm的情况，如果存在离合器601任意一侧的转速大于50rpm，则整车控制器101继续判断离合器601两侧转速差是否小于设定值δv1，且持续时间是否大于等于预设时间t1；如果，车辆静止且发动机熄火，不存在离合器601任意一侧的转速大于50rpm，此时离合器两侧转速差为0，不能完全说明离合器是否真正分开，则当前时刻预设的离合器分离标定位置x1默认有效位置；
如果驾驶员在车辆静止情况下启动发动机(此时牵引电机因为车辆停止转速为0，发动机转速通常大于等于怠速值，如650rpm、700rpm、750rpm等，视发动机怠速值设置不同)，或者不启动发动机的情况下以纯电动模式踩下加速踏板，车辆牵引电机转速高于50rpm，满足离合器任一侧转速大于50rpm后。此时vcu观察离合器601两侧转速差小于设定值δv1，且持续时间大于等于预设时间t1，则说明当前时刻离合器601仍处于结合状态(已经发出分离指令，且检测到分离位置标志x1，但是实际转速差却较小)，预设的离合器分离标定位置x1无效，整车控制器101发出故障提示代码至车辆仪表提醒预设的离合器分离标定位置x1需要重新调整(离合器用两到三年会磨损，磨损后原有定位x1不再准，必须调整)；
如果离合器601两侧转速差大于设定值δv2且持续时间大于等于t2，则判断当前时刻离合器601确认分离，离合器分离标定位置x1继续有效；
确认离合器601分离到位后，整车控制器101控制电磁锁301的锁头302与音圈电机201推杆202锁止，音圈电机不再出力，减少电耗；
步骤3：整车控制器101向音圈电机201发出离合器结合指令，整车控制器101控制电磁锁301的锁头302与音圈电机201推杆202解锁(音圈电机201的推杆202失去对分离轴承502的控制)，离合器601在内部复位弹簧作用下自动结合，整车控制器101获取离合器601两侧转速差，只有离合器601两侧转速差小于等于设定值δv3才认为完全结合，在离合器601结合的情况下离合器两侧转速偏差小于等于3rpm。
上述技术方案的步骤2中，如果离合器601两侧转速差介于设定值δv1与设定值δv2之间，则判定离合器601的状态与上一时刻的状态一致；
如果离合器601两侧转速差介于设定值δv3和设定值δv2之间，仍然保留上一时刻状态判断，即认为仍是分离态。
上述技术方案中，所述ith1设置为0.1a，ith2设置为10a，δv1设置为20rpm，t1设置为50ms，δv2设置为30rpm，t2设置为50ms，δv3设置为3rpm。
上述技术方案的步骤2中，整车控制器101关闭h桥电路模块102的电流输出后，整车控制器101同时发出相应的故障代码至仪表提示驾驶员，同时限制车辆功率输出限制到0，因为音圈电机此时无法推开离合，属常闭态不允许动车，只有修好或用外力临时强制分开并让电磁锁锁止后按下危险报警灯，再跛行行驶。
上述技术方案的步骤2中，整车控制器101发出故障提示代码至车辆仪表提醒预设的离合器分离标定位置x1需要重新调整后，控制音圈电机201的推杆202移动到新的位置并以x2重新标定，并继续观察离合器601两侧转速差，直到确认离合器601彻底分离。
上述技术方案的步骤2中，考虑到can报文传送的先后顺序和程序触发周期，vcu可以在小于30ms内判断离合器两侧转速差。
本发明利用音圈电机将电能转换为直线运动特点，结构简单、无磨损、噪声低、速度快、精度高，且增加了根据离合器两侧转速差判断离合器真实分合状态的逻辑判断，防止离合器因执行机构不到位引起的长期滑磨进而烧损，消除离合器状态错误对整车控制的影响。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。