液压操纵式离合器电子线控系统设计论文

摘 要随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种，轿车多用液压操纵式，由总泵、分泵、软管、踏板等组成。本设计通过研究汽车液压操纵式离合器的组成、结构与设计；分析离合器接合过程和计算离合器的操纵力变化规律建立离合器的力学模型，选择驱动装置，设计传动机构，布置形式和控制系统。本文研究了以单片机为核心的液压操纵式离合器线控系统的开发思路和设计方法。其中选择了线控系统的硬件并设计了线控部分压力控制单元的软件系统。软件核心是单片机，用脉宽调制（PWM）方法控制占空比对高速开关阀进行控制，实现离合器工作缸位置精确控制，软件采用 PID 控制算法。所设计的液压操纵式离合器线控操纵系统可与原系统的功能进行切换工作。关键词：液压操纵式离合器；线控技术；脉宽调制；高速开关阀；PID 算法ABSTRACTAlong with the gradual maturity of automobile electronics and automatic control technicals and the automobile network correspondence technicals extensively applied, automobile control by-wire has also gradually received favor and it will set a trend in research of the automobile in the future.The automobile control by-wire technique is the system that the drivers operate working converted electrical signals by sensors and then directly transmitting the executing mrvhsnidm.The operate form of the automobile cluth contains hydraulic type and mechanicaltype and the passenger cars mostly use the hydraulic operate type .It includes master cylinder,slave cylinder, hose, footpedal etc. This design selects the drive device and designs gear, arrangement and control system through studying the composition of the automobile hydraulic cluth, structure and design; building the model of the cluth by analysing the starting process and calculating variation law of the operate force .This is the core of Microcontrollers hydraulic cluth development train of thought and design method,and the choice of hardware and the design of control by-wire was controller software.The core of the software is Microcontroller which high-speed on-off valves are used and controlled with pulse width modulation (PWM) in this system to control the position of the slave cylinder accurately, and the PID control algorithm designs the control program.It can be switched between the hydraulic cluth control by-wire system and the original system.Key words：Hydraulic Cluth;Control By-wire;PWM; High-speed On-off Valves;PID Control Algorithm目 录摘要 .Abstract.第 1 章 绪论 .11.1 选题的目的意义 .11.2 线控技术的国内外发展现状 .11.3 离合器控制技术发展 .3第 2 章 液压操纵式离合器线控系统总体设计 .52.1 离合器特性分析 .52.1.1 膜片弹簧离合器结构与工作原理 .52.1.2 膜片弹簧非线性特性 .72.2 离合器液压操纵机构 .82.2.1 离合器主缸 .92.2.2 离合器工作缸 .102.2.3 离合器液压式操纵机构的计算 .112.3 离合器操纵机构线控系统设计 .132.3.1 离合器线控系统工作过程 .132.3.2 离合器线控系统工作原理 .142.4 本章小结 .15第 3 章 液压操纵式离合器线控系统的硬件设计 .163.1 控制器的设计 .163.2 传感器的选择 .203.3 执行器的选择 .213.3.1 液压泵和电动机总成 .213.3.2 开关阀 .233.3.3 进油阀和回油阀 .233.4 执行器测试 .253.5 驱动电路 .253.6 本章小结 .27第 4 章 液压操纵式离合器线控系统的软件设计 .294.1 主程序流程 .294.2 初始化流程 .304.3 控制算法 .304.4 本章小结 .31结论 .32参考文献 .33致谢 .35附录 A 外文文献 .36附录 B 外文文献翻译 .38附录 C 程序 40第 1 章 绪 论11 选题的目的、意义随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台。汽车离合器操纵形式有液压和拉线式两种，轿车多用液压操纵式，由总泵、分泵、软管、踏板等组成。它具有噪声小、省力、平稳、布置方便的优点，缺点：漏油；需要维护。特点：摩擦阻力小、重量轻、布置方便、不受车身变形影响。当驾车者踩下离合器踏板时，推杆推动总泵活塞使油压增高，通过软管进入分泵，迫使分泵拉杆推动分离叉，将分离轴承推向前；当驾车者松开离合器踏板时，液压解除，分离叉在回位弹簧作用下逐渐退回原位，离合器又处在接合状态。本设计针对液压操纵式离合器设计线控操纵系统，可与原系统的功能进行切换工作。12 线控技术的国内外发展现状 线控技术（X-by-Wire）源于飞机控制系统，飞机的新型飞行控制系统是一种线控系统（Fly-by-Wire ） ，它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行。随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究是汽车未来的发展趋势。汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。如图 1.1 所示。电信号模拟或数字信号有线或无线的信号执行机构传感装置功 能装 置图 1.1 线控过程目前包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应人 机接 口用，它为自动驾驶提供了良好的平台。（1）线控技术的优点a.省力，人们可以不用直接操作机械力。b.由于操纵控制通过驾驶员的手完成，不需要转向盘、转向柱和脚踏板，这样就减少了正面碰撞时的潜在危险性，改善了汽车的安全性和舒适性，并为汽车设计提供了更大的设计空间。c.便于实现个性化设计，由于驾驶特性如制动、转向、加速等过程都是程序设定的，设计师可设计不同的程序供用户选择。d.质量轻，性能高（响应快） 。线控系统取消了许多机械连接装置、液压装置和气压装置，简化了结构和生产工艺，便于实现汽车轻量化。e.维护用品可大大减小，减少维护费用。取消机械和液压连接可减少车身质量并简化维护工作，可能磨损的部件更少了，如使用线控制动无需制动液，使汽车更为环保，减少维护。f.可以将汽车的车内娱乐装置也集成到网络之中，使得汽车导航和自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。g.安装测试简单快捷，更稳固的电子接口（模块结构） ，隔板间无机械连接，简单布置就能增加电子控制功能。（2）线控技术的缺点电子设备还相当的不可靠电磁干扰、器件失效、软件程序的设计、网络攻击等等。一旦电路失效而没有机械冗余就会导致灾难性的后果转向失灵、油门难以控制和不能制动。所以线控技术研究的重点应该是系统的可靠性和安全性。目前所有大型汽车制造商都在开发线控系统雏形及其产品。美国 TRW 公司开发的线控驾驶系统使得燃油经济性上升 5；DELPHI 汽车在电子转向系统中也作了类似改进；BOSCH、VALEO 公司和其他一些设备制造商已开发或正在开发线控技术和产品；HONDA 在新一代雅阁 V6 轿车上采用线控油门技术。德国大众也有线控的概念车。美国通用公司在 2003 年研制的 HY-WIRE 概念车和 2005 年研制的 Sequel 概念车上都采用了线控转向和线控制动技术。线控技术得以逐渐在汽车上普遍应用的技术背景是：微电子器件的成本降低、可靠性提高，如单片机，DSP 等；电力电子装置的功能增强、成本降低，可靠性提高，如执行步进电机，伺服电机，传感器等等。随着汽车电子化的不断深入，线控技术将在汽车上得到普遍应用，笨重、精确度低的机械系统将被精确、敏感的电子传感器和执行元件所代替，汽车传统的操纵机构、操纵方式、执行机构也将会发生根本性的变革。当线控这一目标实现时，汽车将是一种完全的高新技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了，汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。13 离合器线控技术的发展在采用离合器的传动系统中，早期离合器的结果形式是锥形摩擦离合器。锥形摩擦离合器传递扭矩的能力，比相同直径的其他结构形式的摩擦离合器要大。但是，其最大的缺点是从动部分的转动惯量太大，引起变速器换挡困难。而且这种离合器在接合时也不够柔和，容易卡住。此后，在油中工作的所谓湿式的多片离合器逐渐取代了锥形摩擦离合器。但是多片湿式摩擦离合器的片与片之间容易被油粘住（尤其是在冷天油液变浓时更容易发生），导致分离不彻底，造成换挡困难。所以它又被干式所取代。多片干式摩擦离合器的主要优点是由于接触面数多，故接合平顺柔和，保证了汽车的平稳起步。但因片数较多，从动部分的转动惯量较大，还是感到换挡不够容易。另外，中间压盘的通风散热不良，易引起过热，加快了摩擦片的磨损甚至烧伤和破裂。如果调整不当还可能引起离合器分离不彻底。多年的实践经验使人们逐渐趋向于采用单片干式摩擦离合器。它具有从动部分转动惯量小，散热性好，结构简单，调整方便，尺寸紧凑，分离彻底等优点。而且只要在结构上采取一定措施，也能使其接合平顺。因此，它得到了极为广泛的应用。如今，单片干式摩擦离合器在结构设计方面也相当完善：采用具有轴向弹性的从动盘，提高了离合器的接合平顺性；离合器中装有扭转减振器，防止了传动系统的共振，减少了噪音；以及采用了摩擦较小的分离杆机构等。另外，采用了膜片弹簧作为压簧，可同时兼起到分离杠杆的作用，使离合器结构大为简化，并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。膜片弹簧和压盘的环行接触，可保证压盘上的压力均匀。由于膜片弹簧本身的特性，当摩擦片磨损时，弹簧的压力几乎没有改变，且可减轻分离离合器时所需要的踏板力。为了提高离合器的传扭能力，在重型汽车上多采用多片干式离合器。次外，近年来由于多片湿式离合器在技术上的不段改善，在国外的某些重型牵引汽车和自卸车上又开始采用多片湿式离合器，并有不断增加的倾向。与干式离合器相比，由于用油泵进行强制制冷的结果，摩擦表面的温度较低（不超过 93） 。因此，允许起步时长时间地打滑或用高档起步而不致烧损摩擦片，具有良好的起步能力。据说这种离合器的使用寿命可达干式离合器的五、六倍。为了实现离合器的自动操纵，有自动离合器。采用自动离合器时可以省去离合器踏板，实现汽车的“ 双踏板 ”操纵。与其他自动传动系统（如液力传动）相比，它具有结构简单，成本低廉及传动效率高的优点。因此，在欧洲小排量汽车上曾得到广泛的应用。但是在现有自动离合器的各种结构中，离合器的摩擦力矩的力矩调节特性还不够理想，使用性能不尽完善。例如，汽车以高档低速上坡时，离合器往往容易打滑。因此必须提前换如低档以防止摩擦片的早期磨损以至烧坏。这些都需要进一步改善。随着汽车运输的发展，离合器还要在原有的基础上不断改进和提高，以适应新的使用条件。从国外的发展动向来看，近年来汽车的性能在向高速发展，发动机的功率和转速不断提高，载重汽车趋向大型化，国内也有类似的情况。此外，对离合器的使用要求也越来越高。所以，增加离合器的传扭能力，提高其使用寿命，简化操作，已经成为目前离合器的发展趋势。第 2 章 液压操纵式离合器线控系统总体设计21 离合器特性分析211 膜片弹簧离合器结构与工作原理离合器是汽车传动系中的一个重要组成部件。它是一种既能传递动力，又能切断动力的传动机构，其基本功用有三：动力传递、动力切断以及过载保护。目前中小型车辆上应用的离合器均为单片干式膜片离合器，它具有从动部分转动惯量小，散热性好，结构简单，调整方便，尺寸紧凑，分离彻底等优点 。其结构示1意图如图 2.1 所示，其中膜片弹簧是一个用薄弹簧钢板制成的带有锥度的弹簧，由碟簧部分和分离指部分组成，其工作情况分为三种状态：自由状态、接合状态和分离状态，分别如图 2.2 所示。图 2.1 膜片弹簧离合器结构示意图1)自由状态：当离合器盖总成尚未与发动机飞轮装合以前，膜片弹簧近似处于自由状态，不承载，无变形。2)接合状态：当离合器盖总成与飞轮装合时，离合器盖通过后支承环对膜片弹簧中部施加压紧力 F，则膜片弹簧大端与压盘接触处作用着支承反力 F ，此时膜片弹簧1被压紧到趋近于压平状态的预加压缩状态，从而将从动盘摩擦片压紧在飞轮与压盘之间，离合器处于接合位置。此时只有碟簧部分受载，分离指部分不受载。3)分离状态：作用于膜片弹簧小端加载半径 r 处的分离力 F 使膜片弹簧以中部F2支承环为支点，继续受到压缩。此时大端压紧力 F 逐渐减少直到消失，膜片弹簧呈1反锥形的翻转状态。此时只有分离指部分受载，碟簧部分不受载。图 2.2 离合器工作状态离合器接合过程中通过摩擦力矩实现动力传递，装有多级减振的离合器传动系统模型如图 2.3 所示 。2图 2.3 多级减震离合器简化模型其动力学方程为：（2-fmcceeTdtJtdJ1）式中：T ：离合器传递的摩擦扭矩(Nm)cT ：离合器减振器传递扭矩(Nm)mT ：作用在离合器上的阻力矩(Nm)rT ：发动机输出扭矩(N m)e：发动机转速(rad/s)：离合器从动片角速度(rad/s)c：变速箱输入轴角速度(rad/s)mJ ： 发动机曲轴飞轮及离合器主动片的等效转动惯量(kg/m )e 2J ： 离合器从动片等效转动惯量(kg/m )c 2J： 减振器、变速箱、差动器、轮胎、整车在变速箱输入轴轴的等效转动惯量(kg/m )2发动机扭矩是周期变化的，这就使得传动系产生扭矩振动。为了改善膜片弹簧离合器的扭矩减振特性，在离合器从动片与其输出轴之间有一组弹簧，构成了扭转减振器，该减振器在结构上保证离合器具有一定的减振性能。减振器扭矩传递公式为=C +K dt (2-2)mTccm其中：K 为减振器刚度，C 为减振器阻尼， 为离合器从动片与输出轴转速差。离合器实际传递扭矩 T 由以下的公式计算c(2-3)rRquZ221式中 Z 为摩擦副数，一般干式摩擦离合器为 Z=2， 为接触系数，取为 06；q 为摩擦副单位面积压力，R 、 r 为摩擦片内外半径，u 为摩擦系数，它随离合器主从动部分的转速差 而变，其关系式为ecu=E +E +E +E (2-4)01ec2ec3ec其中 E ，E ，E ，E 为常系数。0123膜片弹簧离合器的 q 值与膜片弹簧的特性有密切关系，下面讨论膜片弹簧的特性。212 膜片弹簧非线性特性1)负荷特性 图 2.4 是膜片弹簧负荷特性，横坐标是弹簧大端变形 X 。 ，纵坐标是1负荷 F ，即 。曲线上 B 点为摩擦片磨损前离合器处于完全接合状态时的11Xf工作点，离合器完全分离点为 C 点。在长时间使用后，摩擦片会发生磨损，离合器完全接合时膜片弹簧的工作点向左移 到 D 点，离合器完全分离点左移缸 到 Ex1x点，整个膜片弹簧工作范围将发生变化。当磨损量增大时工作点移动到 A 点，膜片弹簧将失效。图 2.4 膜片弹簧负荷特性2)静压特性 是指离合器主从动片间的静态压力 与分离叉行程 之间的关系，yF1x它可用下式表示： (2-5)wyFxf130离 合 器 完 全 结 合 时离 合 器 部 分 结 合 时离 合 器 完 全 分 离 时式中： 为多项式函数， 为膜片弹簧工作位置压紧力。Xf33)扭矩传递特性 是指离合器传递的扭矩 与分离叉行程 之间的关系，有：cT1x=2u (2-6)cRy式中：u摩擦面的摩擦系数， 摩擦片的平均作用半径。将 的表达式代入 中得到：yFcT(2-7)wcyFuRxf1320离 合 器 完 全 结 合 时离 合 器 部 分 结 合 时离 合 器 完 全 分 离 时离合器扭矩传递特性如图 2.5 所示。从图中可以看出，离合器有效作用行程较短，且具有非线性特性。4)离合器磨损后扭矩传递特性 离合器摩擦片磨损后扭矩传递特性会发生改变，摩擦片磨损主要反映在弹簧压缩量的改变，同时膜片弹簧工作位置压紧力也随之改变。离合器磨损后扭矩传递特性如图 2.6 所示，从图中可以看出：从动片在不同的磨损程度下离合器最大扭矩传递能力不同，离合器分离叉行程不同，离合器开始接合点位置不同。从动片在不同磨损程度下离合器扭矩传递对于开始接合点具有相同规律，这是离合器磨损自适应控制的基础。在使用过程中离合器磨损到一定程度，必须调整离合器分离轴承与分离指间的间隙。图中 C-c 曲线表示即使离合器踏板完全释放，离合器也不能完全结合。图 2.5 离合器扭矩传递特性 图 2.6 离合器磨损后扭矩传递特性22 离合器液压操纵机构结构分析 3液压操纵机构主要由踏板 1、主缸 2、工作缸 7、管路系统和回位弹簧等组成，如图 2.7 所示。液压操纵机构具有摩擦阻力小、传动效率高、质量小、布置方便、接合柔和、其工作不受车身或车架变形以及发动机振动的影响、便于远距离操纵等优点，因此在各种汽车上的应用日益广泛。图 2.7 离合器液压式操纵机构工作原理示意图 1踏板 2主缸 3储液室 4分离杠杆 5分离轴承 6分离叉 7工作缸 221 离合器主缸离合器主缸的构造如图 2.8 所示。图 2.8a 为北京 BJ2023 型汽车离合器主缸。主缸体借助补偿孔 A、进油孔 B 与储液室连通。主缸体装有活塞 3，活塞中部较细，使活塞右侧的主缸内腔形成环形的油室。活塞两端装有密封圈 2 与皮碗 5.活塞顶有沿圆周分布的 6 个小孔，活塞复位弹簧 6 将皮碗、活塞垫片 4 压向活塞，盖住小孔，形成单向阀，并把活塞推向最右的位置，试验皮碗位于补偿孔 A 与进油孔 B 之间，两孔都开放。图 2.8 汽车离合器主缸a)北京 BJ2023 型汽车离合器主缸 b)红旗 CA7220 型轿车离合器主缸1推杆 2密封圈 3活塞 4活塞垫片 5皮碗 6活塞复位弹簧 7主缸体 A补偿孔 B进油孔 C出油孔222 离合器工作缸离合器工作缸的构造如图 2.9 所示。工作缸内装有活塞 4、皮碗 3 和活塞限位块2.为防止活塞自工作缸内脱出，在缸体右端有挡环 5，缸体左端装有进油管接头 9 与放气螺钉 8.当管路内有空气存在而影响离合器操纵时，可拧出放气螺钉进行放气。图 2.9 汽车离合器工作缸a)北京 BJ2023 型汽车离合器工作缸 b)奥迪 100 型轿车离合器工作缸1工作缸体 2活塞限位块 3皮碗 4活塞 5挡环 6护罩 7分离叉推杆总成 8放气螺栓 9进油管接头 当踩下离合器踏板时，通过主缸推杆 1（图 2.8）使主缸活塞 3 向左移动，活塞复位弹簧 6 被压缩。当皮碗 5 将补偿孔 A 关闭后，管路中油液受压，压力升高。在油压作用下，工作缸活塞（图 2.9）右移，并推动分离叉推杆，使分离叉转动，从而带动分离杠杆、分离套筒等使离合器分离。当迅速放松离合器踏板时，活塞复位弹簧 6（图 2.8）使主缸活塞较快地右移，而由于油液在管路中流动有一定阻力，流动较慢，使活塞左侧形成一定的真空度。在左、右侧压力差的作用下，少量油液经进油孔 B 推开活塞垫片 4 和皮碗 5 形成的单向阀，由皮碗间隙中流到左侧弥补真空。当原来由主缸压到工作缸的油液又重新回到主缸时，由于已有少量的补偿油液经单向阀流入，故总油量过多。这多余的油即从补偿孔 A 流回储液室。当液压系统中因漏油或因温度变化引起油液的容积变化时，则借助补偿孔 A 适时地使整个油路中的油量得到适当的增减，以保证正常的油压和液压系统工作的可靠性。223 离合器液压式操纵机构的计算图 2.10 离合器操纵机构主要参数计算1.分离轴承行程的计算(1)如图 2.10 所示，设离合器踏板的行程为 ，踏板臂长为 ，连杆臂长为 ,L1L2L踏板的自由行程为 ，主泵的工作缸半径为 ，活塞的行程为 ，主缸顶杆与主缸L1rh活塞之间的间隙为 ，于是有1(2-8)112LhL(2)设分泵的工作缸半径为 ，活塞的行程为 。在踏板的作用力下，从主缸中r2压出的油量与达到工作缸的油量相等。在不考虑管路压力损失的情况下，因油的不可压缩性，有(2-9)212hr(3)设分离叉连接工作缸推杆的连杆长为 ，与分离轴承接触的连杆长为 ，3L4L杆端的位移量为 ( )， 杆端的位移量为 ，分离轴承的有效行程为 E，3L3h244分离轴承与分离指的间隙为 ,有(2-10)3234LEhL在其它构件确定的情况下，通过公式(2-8)-(2-10)式，可以根据离合器踏板的行程算出离合器分离轴承 E 的行程，有 (2-11)2324112LrE2.离合器踏板自由行程的计算分离轴承与分离指的间隙 及主缸顶杆与主缸活塞的间隙 决定踏板的自由行21程 ，即当驾驶员踏下踏板使得离合器分离轴承与离合器分离指接触时，踏板的行L程就是自由行程，即 ， ，其数值可根据(2-8)-(2-10)式算出，有0EL(2-12)212143Lr3.计算过程根据原车离合器操纵机构具体数据的计算和分析过程（单位：mm） 。离合器踏板杠杆比： =278505.56；1L2分离拨叉杠杆比： =11270.31.59；34主缸、工作缸工作面积比： 15.87220.6420.59；21r主缸自由间隙： =1.2；分离轴承与分离指的间隙： =1；12踏板行程： =140-150；L膜片弹簧分离指设计最大分离行程： =7.5；A从动盘飞轮面到分离指距离： =29.51；B从动盘飞轮面到花键毂距离： 21.50.5；C从动盘花键毂与分离指距离： 8.51；D从而算出分离轴承最大有效行程 ：E：(150/5.56-1.2)/1.590.59-1=8.57MaxE：(140/5.56-1.2)/1.590.59-1=7.90in离合器踏板自由行程：=111220.642/15.872/70.3+1.25.56=21.66L23 离合器操纵机构线控系统设计231 离合器线控系统工作过程离合器线控系统工作过程如图 2.11 所示图 2.11 汽车离合器液压线控操纵系统工作原理示意图1储液室 2踏板 3离合器主缸 4电磁开关阀 5进油阀 6液压泵和电动机总成 7油箱 8回油阀 9离合器工作缸 10分离叉 11、12传感器 汽车离合器线控操纵系统在原液压操纵系统的基础上进行了改装，首先在离合器主缸和工作缸之间安装了电磁开关阀 4，即一个常开式两位两通电磁阀，相当于开关作用；其次线控部分由油箱 7、液压泵和电动机总成 6、进油阀 5、回油阀 8 构成，其中进油阀 5 和回油阀 8 均为常闭式电磁阀。传感器 11 和 12 将位置信号输入给电子控制单元（ECU） ，ECU 通过控制液压泵和电动机总成 6、进油阀 5、回油阀 8 以及电磁开关阀 4 的开启、关闭，实现离合器的结合、分离以及液压、线控系统工作的转换。液压部分工作时，电磁开关阀 4 断电，保持开启，工作原理与原系统相同。线控部分工作时，电磁开关阀 4 通电，在弹簧作用下，阀芯关闭；液压泵和电动机通电，此时线控系统对离合器控制过程如下：（1）离合器接合：在离合器的滑磨接合过程中，按一定的开启和关闭时间比例控制进油阀 5，将回油阀 8 断电，就可以控制离合器以期望的速度接合；（2）离合器分离：按一定比例控制回油阀 8 的开启和关闭时间比例，将进油阀5 断电，实现离合器分离；（3）离合器保持接合状态：离合器完全接合后，使 5、8 两个阀皆断电，则离合器在压紧弹簧的作用下保持接合状态232 离合器线控系统工作原理 1高速开关阀是一种新型的数字式电液转换元件, 具有结构简单、价格低廉、阀口对油污染不敏感等优点。它只有开和关两种极限工作状况, 能将 ON/OFF 数字信号直接转换成流体脉冲信号, 极易实现计算机控制技术和液压技术的有机结合。鉴于上述优点, 高速开关阀的潜在的工程应用价值已受到人们的普遍关注, 在国外的建筑机械、汽车的自动变速机构中已有成功应用的实例。本设计以 PWM 高速开关阀控液压缸位置控制系统为研究对象，高速开关阀采用脉宽调制（PWM）原理来控制其平均流量。所谓脉宽调制就是在一定的脉冲周期内调节开启时间的宽度 与 的比值即占空比 的大小来满足控制的要求。图STonTS2.12 是占空比曲线示意图, 其中：= + （213）SonfT= / （214）S通过 PWM 高速开关阀的平均流量与占空比成比例：=CdAv （215）LQlsP2其中 为通过高速开关阀的平均流量,Cd 为流量系数,Av 为阀口通流面积, 为LQ SP油源压力, 为负载压力, 为油的密度。占空比越大, 通过高速开关阀进入油缸的平iP均流量越大, 油缸的运动速度越快,当液压缸的位置趋近于目标位置时, 占空比变小, 油缸减速, 从而正确地对油缸进行位置控制。图2.12占空比示意图 图2.13脉宽调制规律液压缸位置系统的控制是通过单片机控制进行的。单片机内装有 A/D、D/A 转换器, 系统的指令信号与位移传感器 11、12（见图 2.11）的反馈信号由 A/D0 和A/D1 转换为数字信号, 控制程序由 C 语言编制而成的。它利用指令信号与反馈信号, 经过运算得到一个控制信号 u ,D/A 把 u 转换为模拟信号, 将其进行脉宽调制后传到PWM 功率放大器, 来对两个高速开关阀实施控制 ,PWM 功率放大器由两个驱动单元组成，驱动单元 D0 与阀 5 相连，驱动单元 D1 与阀 8 相连。D0、D1 接通，高速开关阀 5、8 通电状态，反之亦然。所以，当 u0 时，D0 驱动阀 5 和阀 8 来控制油缸向右运动；当 u0 时，D1 驱动阀 5 和阀 8，油缸向左运动；当 u=0 时，油缸运动停止。占空比与控制信号 u 成比例关系, 如图 2.13 所示, 如果考虑死区和饱和的影响, 当 时, 高速开关阀出现死区, 当 时, 高速开关阀出现饱和, 高速开关min maxu阀的脉宽调制规律可用下式描述：（210uKmaxini,16）24 本章小结本章分析了膜片离合器特性，结合离合器液压操纵机构的结构和工作原理，阐述了液压/线控系统原理及工作过程。说明了线控系统工作及液压/线控系统切换的核心是电子控制单元（ECU） 。液压/线控系统主要由油箱、液压泵和电动机总成、进油阀、回油阀等组成，系统切换则是在原有液压系统基础上，在离合器主缸和工作缸之间安装一个电磁开关阀。通过将踏板位置信号和分离叉位置信号输入给 ECU 进行 PWM 调制，使通过电磁阀流量的随 PWM 信号占空比的变化而变化，从而控制离合器油缸的进油和回油速度，实现离合器不同速度下的结合和分离，满足汽车在起步过程中的需求，同时也可达到液压和线控系统的切换工作的目的。第 3 章 液压操纵式离合器线控系统的硬件设计图 3.1 线控系统的硬件组成结构图3.1 控制器的设计本设计选用的中央控制器是 STC12C5410AD 单片机，下面对该单片机进行简单的介绍：STC12C5410AD 单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统的 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，4 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051传感器NSRB 型角位移变送器线控系统硬件组成ECU执行器单片机STC12C5410AD进油阀回油阀开关阀液压泵2. 工作电压：STC12C5410AD 系列工作电压：5.5V-3.5V （5V 单片机）STC12LE5410AD 系列工作电压：3.6V-2.2V （3V 单片机）3. 工作频率范围：035MHz，相当于普通 8051 的 0420MHz4. 用户应用程序空间 12K/10K/8K/6K/2K/1K 字节5. 片上集成 512 字节 RAM6. 通用 I/O 口（27/23/15 个） ，复位后为：准双向口/弱上拉（普通 8051 传统I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过55mA7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8. 有 EEPROM 功能9. 看门狗10.内部集成 MAX810 专用复位（外部晶体 12M 以下时，可省外部复位电路）11.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器用户在下载用户数据时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部 R/C 振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准12.共 6 个 16 位定时器两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器，16 位定时器 T0 和 T1，没有定时器2，PCA 模块可再实现 4 个 16 位定时器13.2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P1.0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 P1.1输出时钟14.外部中断 9 路，下降沿中断或低电平触发中断，PCA 模式可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down 模式可由外部中断唤醒，/P3.2， /P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,PCA0/P3.7,PCA1/P3.5,PCA3/P0INT1IT2.415.PWM（4 路）/PCA（可编程计数器阵列，4 路） 也可用来当做 4 路 D/A 使用 也可用来再实现 4 个定时器 也可用来再实现 4 个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）16.A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路17.通用全双工异步串行口（UART） ，由于 STC12 系列是高速的 8051，也可再用定时器软件实现多串口18.SPI 同步通信口，主模式/从模式19.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）图 3.2 单 片 机 STC12C5410AD 引脚结构图表 3.1 STC12C5410AD 系列引脚说明32 传感器的选择在现代自动化测试系统中，传感器与微型计算机是必不可少的两方面。微型计算机对数据具有很强的处理能力，但它对非电量或模拟信号是无能为力的。传感器把非电量转变成电量，经过放大处理后，转换成数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析处理，进而由计算机发出各种命令。传感器处于测量装置的输入端，其性能将直接影响到整个系统的工作质量。因此，对传感器的基本要求： 合适的灵敏度 较好的线性度 动态特性优良，反映速度快 稳定性好，工作可靠性高 与测试系统匹配良好位置传感器用来测量机器人自身位置的传感器。位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。角位移器还可使用光电编码器，有增量式与绝对式两种形式。其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。本设计选用的传感器是 NSRB 型角位移变送器（如图 3.3）：图 3.3 NSRB 型角位移变送器NSRB 型角位移变送器具有线控好、长期稳定可靠；测量角度范围广；外形小巧、便于安装等优点，广泛用于矿井、矿山、数控机床等自动控制领域