李國志學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、哈爾濱理工大學(xué) 開放實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 ：AMT汽車離合器自動控制系統(tǒng) 學(xué)生所在學(xué)院：測控技術(shù)與通信工程學(xué)院 學(xué)生所在班級：測控07-6班 學(xué)生姓名：李國志 實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)數(shù) ：_60 指導(dǎo)教師：許景波 哈爾濱理工大學(xué)教務(wù)處制 2010 年 9月5 日 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)： 1 通過本試驗(yàn)使學(xué)生掌握離合器控制系統(tǒng)（ECU ）的硬件電路設(shè)計(jì)方法， 其中包括電源電路、DSP最小系統(tǒng)、傳感器接口電路、電機(jī)驅(qū)動 H橋電路及保 護(hù)電路、LCD驅(qū)動及報(bào)警電路。 2 通過本試驗(yàn)使學(xué)生掌握ECU軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括擋位檢測程序、車 速及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序、電機(jī)正反轉(zhuǎn)PWM控制程序、離合器模糊PID控制程 序

2、、主控程序。 3. 通過Matlab/Simulink工具軟件對離合器控制系統(tǒng)建模， 對模糊PID控制 算法進(jìn)行仿真，從理論上驗(yàn)證控制方法的可行性。 二、 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作（包括資料查找、相關(guān)知識準(zhǔn)備等）： 1. AMT汽車的組成及特點(diǎn) 2. 車用傳感器，信號調(diào)理電路及設(shè)計(jì)方法 3. DSP2407空制原理及控制接口 4. 黑匣子工作原理及應(yīng)用 5. 基于Simulink的ATM汽車建模及仿真方法 6. 熟練掌握Protel99se的原理圖，板圖的繪制方法 7. 查閱國內(nèi)外ATM汽車的發(fā)展?fàn)顩r，前景及控制方法的相關(guān)書籍 8. PID算法簡介及參數(shù)的確定方法 9. 模糊控制簡介及模糊與反模糊 1

3、0. 查閱基于Simulink的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)的想干資料 11. 運(yùn)動系統(tǒng)的控制方法 12. AMT離合器的精確控制 13. 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合及一體化的控制 三、實(shí)驗(yàn)用的主要設(shè)備與材料： 1. PC機(jī)若干 2. 12V直流電機(jī)若干 3. 自行設(shè)計(jì)電路板2快 4. 萬用表若干 5. YB1631信號發(fā)生器 6. WD-5直流穩(wěn)壓電源 7. TDS3023B數(shù)字示波器 8.SG1731SC21雙路直流穩(wěn)壓電源 9.1602液晶一塊 10. 電阻，電容，導(dǎo)線，按鍵等電子元器件若干 11. 面包板，通用板凳 12. JTAG下載器一個(gè) 13.74系列芯片及其他常用芯片若干 14. 各種焊接工具 四、實(shí)驗(yàn)

4、內(nèi)容與方法： （一）系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.系統(tǒng)總體萬案 控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，ECU是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心， 它根據(jù)各種傳感器的檢測信號，判斷離合器的動作，并模擬優(yōu)秀駕駛 員的動作，完成離合器的接合。根據(jù)各種路況和行車狀況，改變離合 器的控制策略。 電連接 機(jī)械連接 手柄開關(guān) 制動開關(guān) 電控單元（ECU） 車速傳感器 選換檔位置傳感器4 離合器行程傳感器 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 油門傳感器 油門 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu) 發(fā)動機(jī)離合器變速器 圖1控制系統(tǒng)總體框圖 2 .車用傳感器及信號調(diào)理電路設(shè)計(jì) 傳感器系統(tǒng)是ECU信息獲取的前向通道，其準(zhǔn)確可靠地工作， 直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。傳感器信號分三類，需采用不同方法

5、處 理： a.轉(zhuǎn)速信號，如車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，采用M/T測速法，其 不但適于高頻信號，而且也適于低頻信號檢測。配以分頻電路及DSP 芯片捕捉功能，完成速度檢測。 b .電位計(jì)式角位移傳感器信號，配以信號調(diào)理電路及DSP芯片 高精度A/D轉(zhuǎn)換器，完成信號檢測。 c.開關(guān)傳感器信號，配以I/O接口電路及DSP芯片I/O接口管 腳，完成開關(guān)量信號檢測。 3. 中央控制單元ECU 硬件電路控制系統(tǒng)利用汽車蓄電池提供的12 V直流電源,對硬件 強(qiáng)弱電系統(tǒng)供電。由于硬件系統(tǒng)為5V和3.3V混合電源，需將12V 轉(zhuǎn)換成5V和3.3V，并且應(yīng)用抗干擾設(shè)計(jì)，模擬電源與數(shù)字電源要進(jìn) 行分離。 強(qiáng)電系統(tǒng)采用電流閉

6、環(huán)控制以提高控制精度。主回路采用快速 MOSFET組成H橋式電路，控制離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電 機(jī)采用12 V永磁式直流電動機(jī)，通過12 V蓄電池供電，每個(gè)橋臂最 大工作電流應(yīng)大于電機(jī)額定電流。采用專用H橋驅(qū)動芯片，接受DSP 芯片PWM驅(qū)動信號，抑制死區(qū)信號的產(chǎn)生，使系統(tǒng)可靠工作。 弱電系統(tǒng)主要選用TI公司TMS320LF2407 數(shù)字信號處理芯片作 為微處理器，其功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)提供了低成本、低功耗和高性能的處 理能力，集成了對電機(jī)的數(shù)字化運(yùn)動控制非常有用的先進(jìn)外設(shè)，提供 了電機(jī)控制的最佳解決方案。配置外圍器件，檢測汽車運(yùn)行狀態(tài)和駕 駛員的意圖，發(fā)出控制命令，操縱離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)，完

7、成離合器 的精確控制，保持汽車的最佳工況。 4. 離合器控制算法及控制策略 這是本控制系統(tǒng)的研究關(guān)鍵。運(yùn)用古典控制理論P(yáng)ID控制和現(xiàn)代 計(jì)算機(jī)控制理論模糊控制相結(jié)合的方法，根據(jù)汽車動力傳動系統(tǒng)以及 熟練駕駛員的一般操作規(guī)程，制定一系列的PID控制算式和模糊控制 數(shù)據(jù)表，完全良好地反映了汽車在各個(gè)工況下的運(yùn)行狀態(tài)，并且通過 所得數(shù)據(jù)，運(yùn)算得出結(jié)果，直接由微處理器輸出命令，控制強(qiáng)電部分 的正確運(yùn)行。PID控制即比例、積分、微分控制，屬于傳統(tǒng)控制領(lǐng)域， 主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程，使電機(jī)的每一個(gè)動作精度提 高，穩(wěn)定性提高。自適應(yīng)模糊控制是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制理論的一種，它 具有自學(xué)習(xí)功能和自適應(yīng)功能

8、，能夠根據(jù)汽車遇到的不同狀態(tài)適當(dāng)?shù)?改變控制參數(shù)，達(dá)到與現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的最佳匹配。使用這種控制方法，可 以適應(yīng)產(chǎn)品加工和裝配誤差及系統(tǒng)元器件的特性離散所帶來的個(gè)體 差異性。 而離合器控制策略，主要根據(jù)兩個(gè)重要目標(biāo)控制量接合量和 接合速度來制定，采用“快一慢一快”的控制策略，“快”接合提高 系統(tǒng)響應(yīng)速度，防止發(fā)動機(jī)“哄油”，過“接合點(diǎn)”后，根據(jù)發(fā)動機(jī) 特性采用“慢”接合，提高汽車起步與換檔的品質(zhì)。當(dāng)輸入軸與輸出 軸轉(zhuǎn)速同步，采用“快”接合，以提高車輛行駛的動力性。 5. 離合器接合點(diǎn)自適應(yīng)測試方法 離合器接合控制是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它關(guān)系到換檔過程或起步過 程是否平穩(wěn)、快速，離合器摩擦片是否磨損過快等問

9、題。然而準(zhǔn)確 找到離合器起始接合點(diǎn)位置又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。尤其在使用中，離合 器摩擦片磨損還會使起始接合點(diǎn)位置發(fā)生改變，以及車輛行駛過程中 溫度變化所帶來的影響，這都會影響對離合器的接合控制。 因?yàn)樵?離合器的接合過程中，從完全分離位置到起始接合點(diǎn)位置，其接合速 度較快；而從起始接合點(diǎn)位置到完全接合位置，其接合速度有一個(gè) 從慢到快的變化過程。本項(xiàng)采用如下的方法測定起始接合點(diǎn)位置。 該方法的基本原理：在進(jìn)行離合器接合點(diǎn)位置搜尋測定時(shí)，讓發(fā) 動機(jī)節(jié)氣門開度保持不變且使汽車處于停車狀態(tài)。當(dāng)離合器主、從動 盤相接觸時(shí)，原來平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)會因受到突加載荷的影響而降低 轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)速下降的程度與接合速度關(guān)系

10、很大。因此，可以根據(jù)發(fā)動 機(jī)轉(zhuǎn)速下降的情況以及離合器起始接合速度來判斷離合器起始接合 點(diǎn)位置。由此形成一套自適應(yīng)測試接合點(diǎn)的方法，以保證控制系統(tǒng)對 各種車況的自適應(yīng)性。 6. Matlab/Simulink 仿真試驗(yàn) 運(yùn)用Matlab/Simuli nk 建立汽車離合器控制系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿 真是本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的首選方法。因?yàn)镸atlab/Simuli nk 是一種用于可視化 進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的工具箱。它采用系統(tǒng)模塊直觀地描 述系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，因此十分方便地建立系統(tǒng)模型而不需要花很多時(shí)間 進(jìn)行編程，并可以根據(jù)仿真效果來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制器以及實(shí)時(shí)的整定 控制器的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能，為實(shí)際系

11、統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)， 則可減少實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的時(shí)間和物力，從而實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)控 制系統(tǒng)的目的。 （二）硬件設(shè)計(jì) 1.主控及測量部分 27 2.電機(jī)驅(qū)動 HEADE 無 hj GH12 V f P 5KE iCA TVS j !7 ,_ JI 3.液晶驅(qū)動 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 1.離合器直流電機(jī)驅(qū)動裝置系統(tǒng)模型如圖 離合器電機(jī)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖和節(jié)氣門直流電機(jī)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖相同，所以建立的 模型也一樣，只是在離合器執(zhí)行器模型中相關(guān)變量所用的符號不一樣而已。需 要提的是離合器電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 Tcft(L Fib - F (x) 1 2叫I _rF )kf 式中：t-螺桿截距；kf -離合器

12、撥叉杠桿增力比；F(x)-離合器分離套作用力; Fib-膜片彈簧的最大壓盤力 2.離合器的結(jié)合模型 FZ 莊 ti ln( Rr) 2 2 ,6(1-4f)(L-I) X。乞 Xc 豈 Xmax 離合器結(jié)合過程的正壓力為離合器結(jié)合位移 x的函數(shù)，可用下面方程來描述: (11b - K l xc)h - L r fkL lR r h-膜片彈簧內(nèi)錐高度；R-膜片彈簧的大端半徑；r膜片彈簧的小端半徑；L- 膜片彈簧的外承載半徑；I -膜片彈簧的內(nèi)承載半徑； (2) 當(dāng)e X時(shí)，采用PD控制，即去掉積分； (3) eJX時(shí)，采用PID控制； 6. 離合器起始接合點(diǎn)測試 離合器接合控制是AMTS關(guān)鍵技術(shù)

13、之一，它關(guān)系到換檔過程或起步過程是否 平穩(wěn)、快速，離合器摩擦片是否磨損過快等問題。然而準(zhǔn)確找到離合器起始接 合點(diǎn)位置又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。尤其在使用中，離合器摩擦片磨損還會使起始接合 點(diǎn)位置發(fā)生改變，以及車輛行駛過程中溫度變化所帶來的影響， 這都會影響對離 合器的接合控制。因?yàn)樵陔x合器的接合過程中，從完全分離位置到起始接合點(diǎn) 位置，其接合速度較快；而從起始接合點(diǎn)位置到完全接合位置，其接合速度有 一個(gè)從慢到快的變化過程。國內(nèi)外普遍采用的方法是測定變速器輸入軸轉(zhuǎn)速(即 離合器從動盤轉(zhuǎn)速)，根據(jù)此轉(zhuǎn)速的變化來判斷是否達(dá)到接合點(diǎn)位置。 離合器起始結(jié)合點(diǎn)測試程序 7. MATLAB simulink 仿真軟

14、件 AMT系統(tǒng)仿真模擬實(shí)際汽車AMT系統(tǒng)的工作過程為：1起步之前，離合器 分離在最大位置，油門處于零位；2假設(shè)從1檔起步，起步時(shí)踩下油門踏板，節(jié) 氣門開度a增大，控制器輸出離合器控制電壓 Uc,執(zhí)行離合器的結(jié)合過程；3 檢測車速和節(jié)氣門開度，判斷是否換檔，當(dāng)滿足換檔條件時(shí)，控制器輸出換檔狀 態(tài)指示器，state=1。這時(shí)控制器執(zhí)行節(jié)氣門回零位操作，離合器分離操作，檔 位退至空擋，換上新檔，并控制節(jié)氣門開度a重新回到平衡狀態(tài)，此時(shí)將狀態(tài)指 示器state置為0,則標(biāo)志換檔結(jié)束，離合器開始結(jié)合；4重復(fù)第三步動作，直 到仿真結(jié)束。 節(jié)氣門控制流程圖 離合器控制流程框圖 檔位控制流程框圖 8. AMT

15、系統(tǒng)仿真模擬實(shí)際 汽車AMTS統(tǒng)的工作過程為： 起步之前，離合器分離在最大位置，油門處于零位； 假設(shè)從1檔起步，起步時(shí)踩下油門踏板，節(jié)氣門開度 a增大，控制器 輸出離合器控制電壓UC,執(zhí)行離合器的結(jié)合過程； 檢測車速和節(jié)氣門開式變速器、選換檔功能手柄、油門踏板、制動踏板以及控制 中必要的傳感器和線束組成。 節(jié)氣門、離合器和選換檔的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是直流電機(jī)， 實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到一組圖形，圖13、14分別為踏下油門踏板和回 收油門踏板時(shí)節(jié)氣門的跟蹤曲線圖，圖15為發(fā)動機(jī)和離合器的角速度曲線圖。 將仿真曲線圖與試驗(yàn)曲線圖相比較可以得出以下結(jié)論：仿真得到的曲線基本上反 映了汽車AMT系統(tǒng)的實(shí)際工

16、作過程， 這驗(yàn)證了所建被控對象數(shù)學(xué)模型及所設(shè)計(jì) 的控制器的合理性和有效性。 120T ffi 12車速及一升遅巧曲線 圖11 離仔器起步結(jié)仔創(chuàng)線 醫(yī)10 節(jié)氣:門對油門踏扳 ：誰蹤凹線 根據(jù)上述模擬過程，并依據(jù)原有研發(fā) AMT系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)測量得到的曲線 從中掌握AMTS統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，然后在實(shí)際運(yùn)行規(guī)律上反復(fù)對仿模型進(jìn)行調(diào)試和修 改，最后得到節(jié)氣門跟蹤油門踏板曲線圖 4、離合器起步結(jié)合曲線圖5和升降 檔過程及車速曲線圖6。同時(shí)將仿真模型中設(shè)計(jì)的控制器作用于電動式 AMT臺 架，對AMT控制系統(tǒng)進(jìn)行臺架試驗(yàn)。該 AMT式驗(yàn)臺架由發(fā)動機(jī)、干式離合器、 固定軸式變速器、選換檔功能手柄、油門踏板、制動踏

17、板以及控制中必要的傳感 器和線束組成。節(jié)氣門、離合器和選換檔的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是直流電機(jī)，實(shí)時(shí)記錄 試驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到一組圖形，圖7、8分別為踏下油門踏板和回收油門踏板 時(shí)節(jié)氣門的跟蹤曲線圖，圖9為發(fā)動機(jī)和離合器的角速度曲線圖。將仿真曲線 圖與試驗(yàn)曲線圖相比較可以得出以下結(jié)論：仿真得到的曲線基本上反映了汽車 AMTS統(tǒng)的實(shí)際工作過程，這驗(yàn)證了所建被控對象數(shù)學(xué)模型及所設(shè)計(jì)的控制器 的合理性和有效性。 其中仿真得到的曲線圖4為節(jié)氣門對油門踏板的跟蹤曲線仿真時(shí)假定對油 門踏板加上一階躍信號（即瞬間將油門踏板踩下一深度），在時(shí)間為5秒時(shí)，以 一定的速度慢慢地回收油門踏板回到零位（圖中黃色示），圖中的紫色曲

18、線表示 節(jié)氣門開度情況，從曲線上可以看到節(jié)氣們開度在瞬間1秒鐘內(nèi)跟蹤上油門踏板 的開度，回收踏板時(shí)，節(jié)氣門開度也隨之回收，表明節(jié)氣門控制有較好的跟蹤性。 圖5表示汽車起步時(shí)離合器的結(jié)合情況，圖中黃色曲線表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，紫色 曲線表示離合器從動盤的轉(zhuǎn)速，一旦駕駛員踩下油門踏板，通過點(diǎn)火發(fā)動機(jī)開始 工作，發(fā)動機(jī)有一個(gè)最低轉(zhuǎn)速1000r/min。剛開始離合器主動盤和從動盤是分離 的，所以離合器從動盤轉(zhuǎn)速為零，通過施加離合器控制電壓使離合器主、 從動盤 結(jié)合，當(dāng)離合器主、從動盤沒有接觸上，即它們之間沒有摩擦，離合器從動盤轉(zhuǎn) 速仍為零，只有離合器主、從動盤接觸，通過摩擦離合器從動盤上開始有轉(zhuǎn)速， 隨著離合器的結(jié)合，從動盤轉(zhuǎn)速逐漸上升，直到離合器主、從動盤完全結(jié)合好， 從動盤轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速同步，如仿真曲線所示。圖6表示AMT系統(tǒng)在加上圖 1所示的油門踏板開度時(shí)汽車的車速和自動換檔情況。汽車從第一檔開始行駛， 隨著車速的上升，AMT系統(tǒng)自動從第一檔換到第二檔、第三檔直到最高檔第五檔。 當(dāng)回收油門踏板時(shí)，節(jié)氣們開度隨之回收，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速逐漸下降，AMT 系統(tǒng)自動從最高檔降到第四檔、第三檔直到最低檔。 踏下油門踏板時(shí)節(jié)氣門的跟蹤曲線回