李国志学生开放实验报告.doc

哈尔滨理工大学开 放 实 验 报 告实验项目名称：AMT汽车离合器自动控制系统学生所在学院：测控技术与通信工程学院学生所在班级：测控07-6班学生姓名：李国志实验总学时数：60指导教师：许景波哈尔滨理工大学教务处制2010年9月5日一、实验目的与任务： 1通过本试验使学生掌握离合器控制系统（ECU）的硬件电路设计方法，其中包括电源电路、DSP最小系统、传感器接口电路、电机驱动H桥电路及保护电路、LCD驱动及报警电路。2通过本试验使学生掌握ECU软件系统设计方法，包括挡位检测程序、车速及发动机转速测量程序、电机正反转PWM控制程序、离合器模糊PID控制程序、主控程序。3通过Matlab/Simulink工具软件对离合器控制系统建模，对模糊PID控制算法进行仿真，从理论上验证控制方法的可行性。二、实验前的准备工作（包括资料查找、相关知识准备等）：1AMT汽车的组成及特点2.车用传感器，信号调理电路及设计方法3DSP2407控制原理及控制接口4.黑匣子工作原理及应用5.基于Simulink的ATM汽车建模及仿真方法6.熟练掌握Protel99se的原理图，板图的绘制方法7.查阅国内外ATM汽车的发展状况，前景及控制方法的相关书籍8.PID算法简介及参数的确定方法9.模糊控制简介及模糊与反模糊10.查阅基于Simulink的智能机器人设计的想干资料11.运动系统的控制方法12.AMT离合器的精确控制13.整个系统的结合及一体化的控制三、实验用的主要设备与材料： 1. PC机若干2. 12V直流电机若干3.自行设计电路板2快4.万用表若干5.YB1631信号发生器6.WD-5直流稳压电源7.TDS3023B数字示波器8.SG1731SC21双路直流稳压电源9.1602液晶一块10.电阻，电容，导线，按键等电子元器件若干11.面包板，通用板凳12.JTAG下载器一个13.74系列芯片及其他常用芯片若干14.各种焊接工具四、实验内容与方法：（一）系统设计1.系统总体方案控制系统总体框图如图1所示，ECU是整个系统的控制中心，它根据各种传感器的检测信号，判断离合器的动作，并模拟优秀驾驶员的动作，完成离合器的接合。根据各种路况和行车状况，改变离合器的控制策略。电连接驾驶员机械连接制动踏板换档机构加速踏板 制动开关 手柄开关电控单元（ECU）选换档位置传感器发动机转速传感器油门传感器车速传感器离合器行程传感器油门离合器执行机构变速器离合器发动机 图1 控制系统总体框图 2车用传感器及信号调理电路设计传感器系统是ECU信息获取的前向通道，其准确可靠地工作，直接关系到整个系统的性能。传感器信号分三类，需采用不同方法处理：a转速信号，如车速、发动机转速信号，采用M/T测速法，其不但适于高频信号，而且也适于低频信号检测。配以分频电路及DSP芯片捕捉功能，完成速度检测。b电位计式角位移传感器信号，配以信号调理电路及DSP芯片高精度A/D转换器，完成信号检测。c开关传感器信号，配以I/O接口电路及DSP芯片I/O接口管脚，完成开关量信号检测。3中央控制单元ECU硬件电路控制系统利用汽车蓄电池提供的12 V直流电源,对硬件强弱电系统供电。由于硬件系统为5V和3.3V混合电源，需将12V转换成5V和3.3V，并且应用抗干扰设计，模拟电源与数字电源要进行分离。强电系统采用电流闭环控制以提高控制精度。主回路采用快速MOSFET组成H桥式电路，控制离合器执行机构电机的正反转。电机采用12 V永磁式直流电动机，通过12 V蓄电池供电，每个桥臂最大工作电流应大于电机额定电流。采用专用H桥驱动芯片，接受DSP芯片PWM驱动信号，抑制死区信号的产生，使系统可靠工作。弱电系统主要选用TI公司TMS320LF2407数字信号处理芯片作为微处理器，其功能强大的结构提供了低成本、低功耗和高性能的处理能力，集成了对电机的数字化运动控制非常有用的先进外设，提供了电机控制的最佳解决方案。配置外围器件，检测汽车运行状态和驾驶员的意图，发出控制命令，操纵离合器执行机构电机，完成离合器的精确控制，保持汽车的最佳工况。4离合器控制算法及控制策略这是本控制系统的研究关键。运用古典控制理论PID控制和现代计算机控制理论模糊控制相结合的方法，根据汽车动力传动系统以及熟练驾驶员的一般操作规程，制定一系列的PID控制算式和模糊控制数据表，完全良好地反映了汽车在各个工况下的运行状态，并且通过所得数据，运算得出结果，直接由微处理器输出命令，控制强电部分的正确运行。PID控制即比例、积分、微分控制，属于传统控制领域，主要调节系统的动态过程和稳态过程，使电机的每一个动作精度提高，稳定性提高。自适应模糊控制是现代计算机控制理论的一种，它具有自学习功能和自适应功能，能够根据汽车遇到的不同状态适当地改变控制参数，达到与现有机构的最佳匹配。使用这种控制方法，可以适应产品加工和装配误差及系统元器件的特性离散所带来的个体差异性。而离合器控制策略，主要根据两个重要目标控制量接合量和接合速度来制定，采用“快慢快”的控制策略，“快”接合提高系统响应速度，防止发动机“哄油”，过“接合点”后，根据发动机特性采用“慢”接合，提高汽车起步与换档的品质。当输入轴与输出轴转速同步，采用“快”接合，以提高车辆行驶的动力性。 5离合器接合点自适应测试方法离合器接合控制是系统的关键技术，它关系到换档过程或起步过程是否平稳、快速，离合器摩擦片是否磨损过快等问题。 然而准确找到离合器起始接合点位置又是关键中的关键。尤其在使用中，离合器摩擦片磨损还会使起始接合点位置发生改变，以及车辆行驶过程中温度变化所带来的影响，这都会影响对离合器的接合控制。 因为在离合器的接合过程中，从完全分离位置到起始接合点位置，其接合速度较快；而从起始接合点位置到完全接合位置， 其接合速度有一个从慢到快的变化过程。本项采用如下的方法测定起始接合点位置。该方法的基本原理：在进行离合器接合点位置搜寻测定时，让发动机节气门开度保持不变且使汽车处于停车状态。当离合器主、从动盘相接触时，原来平稳运转的发动机会因受到突加载荷的影响而降低转速，但转速下降的程度与接合速度关系很大。因此，可以根据发动机转速下降的情况以及离合器起始接合速度来判断离合器起始接合点位置。由此形成一套自适应测试接合点的方法，以保证控制系统对各种车况的自适应性。6Matlab/Simulink仿真试验运用Matlab/Simulink 建立汽车离合器控制系统的模型并进行仿真是本项实验的首选方法。因为Matlab/Simulink 是一种用于可视化进行动态系统建模、仿真和分析的工具箱。它采用系统模块直观地描述系统各个环节，因此十分方便地建立系统模型而不需要花很多时间进行编程，并可以根据仿真效果来设计系统的控制器以及实时的整定控制器的参数，以提高系统的性能，为实际系统设计提供理论依据，则可减少实际系统设计过程的时间和物力，从而实现高效率地开发控制系统的目的。（二）硬件设计1.主控及测量部分2.电机驱动3.液晶驱动五、实验结果分析：1. 离合器直流电机驱动装置系统模型如图离合器电机驱动装置结构图和节气门直流电机驱动装置结构图相同，所以建立的模型也一样，只是在离合器执行器模型中相关变量所用的符号不一样而已。 需要提的是离合器电机转轴上的负载转矩为式中：t-螺杆截距；-离合器拨叉杠杆增力比；-离合器分离套作用力；-膜片弹簧的最大压盘力。2. 离合器的结合模型离合器结合过程的正压力为离合器结合位移x的函数，可用下面方程来描述：式中：。式中：-弹簧板厚度；-膜片弹簧内锥高度；-膜片弹簧的大端半径；膜片弹簧的小端半径；-膜片弹簧的外承载半径；-膜片弹簧的内承载半径；-膜片弹簧小端加载半径；-弹性膜量；-离合器拨叉杠杆增力比；-力臂比。3. 节气门控制模型及参数在非换档情况下分两种情况进行控制， 第一种情况是当离合器从动轴转速与发动据转速接近时，即时，此时加电压使电子节气门开度与加速踏板的角位移成正比，采用分段PID控制6： 第二种情况是发动机与离合器从动轴的转速相差比较大即|ne-nc| 时，这是一般为刚起步或者换档刚结束，此时以发动机转速与根据这时的车速折算回来的发动机转速的差为控制变量，采用PI控制： 换档过程中以最大负向电压回收油门， 直到油门回收到零，即 汽车在行驶过程中进行换档，这时离合器的接合同样要遵循“快-慢-快的原则，根据上述原则控制离合器的接合量和接合速度，提高换档品质。同时要兼顾离合器的打开动作，在“换档”、“刹车”等多种情况下，要及时打开离合器，否则将造成“打齿、“熄火”等情况发生。4. 发动机转速及车速测试程序转速测试方法常用的测速方法有3种：M法、T法、M/T法。已知传感器的分辨率为N脉冲/转，高速计数器的时钟频率。(1) M法M法测速是利用在规定的时问间隔，高速计数器的累加值，计算速度值。转速n(r/min)为： M法测量转速在极端情况下产生1个转速脉冲的计数误差。只有在被测转速或传感器分辨率较高时，有较高的测量精度。(2) T法测速是通过测量高速计数器计入相邻两个输入脉冲之间的时间来确定被测速度。 T法测量转速在极端情况下对时间的测量会产生1个时钟脉冲周期的误差。只有在被测转速较低时，有较高的测量精度。(3) M/T法测速的原理如图所法测速原理图还需要做如下设计：首先，确定一个时间互，在这个时间内输入脉冲可达相当数量，而且这个时间的启动与输入脉冲的前沿或后沿同步。然后在的基础上延长一个变动的时间，使得计数要等到下一个输入脉冲到来时才算结束，因此实际的测量时间。若被测轴在T时间内转过(rad)，高速计数器计入传感器输出m，个脉冲，得转速：，另外，经基准时钟计数得个脉冲，可求得：则可得到转速：，法测速在极端情况下对小：的计算会产生1个计算误差。被测轴高速和低速运行时都可以进行较为准确的测量。整个程序结构采用查询法，在需要车速信息的情况下，启动车速测量程序，得到车速数据，在主程序中的作用与A/D转换程序相似。与中断法相比，可以降低系统资源的占用，提高程序效率。5. 电机数字PID控制在离合器自动控制系统中，归根结底是对电机运行位置的控制和电机转速的控制，而这里我们采用PID控制算法，有效地控制了电机的启停位置和电机的转速，满足了系统要求。当电机启动、停车或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出很大的偏差，会使PID运算的积分累积很大，引起输出的控制量很大，这一控制量很容易超出执行机构的极限控制量，从而引起强烈的积分饱和效应。为了有效抑制，本文采用积分分离法，当被控量与给定值的偏差较大时，去掉积分，以避免饱和效应；当被控量与给定值比较接近时，重新引入积分，消除静态误差。具体实现如下：(1) 根据实际情况，人为确定一个量X0；(2) 当X时，采用PD控制，即去掉积分；(3) X时，采用PID控制；6. 离合器起始接合点测试离合器接合控制是AMT的关键技术之一，它关系到换档过程或起步过程是否平稳、快速，离合器摩擦片是否磨损过快等问题。 然而准确找到离合器起始接合点位置又是关键中的关键。尤其在使用中，离合器摩擦片磨损还会使起始接合点位置发生改变，以及车辆行驶过程中温度变化所带来的影响，这都会影响对离合器的接合控制。 因为在离合器的接合过程中，从完全分离位置到起始接合点位置，其接合速度较快；而从起始接合点位置到完全接合位置， 其接合速度有一个从慢到快的变化过程。国内外普遍采用的方法是测定变速器输入轴转速(即离合器从动盘转速)，根据此转速的变化来判断是否达到接合点位置。离合器起始结合点测试程序7. MATLAB simulink仿真软件AMT 系统仿真模拟实际汽车 AMT 系统的工作过程为：1起步之前，离合器分离在最大位置，油门处于零位；2假设从1档起步，起步时踩下油门踏板，节气门开度a增大，控制器输出离合器控制电压Uc，执行离合器的结合过程；3检测车速和节气门开度，判断是否换档，当满足换档条件时，控制器输出换档状态指示器，state=1。这时控制器执行节气门回零位操作，离合器分离操作，档位退至空挡，换上新档，并控制节气门开度重新回到平衡状态，此时将状态指示器state置为0，则标志换档结束，离合器开始结合；4重复第三步动作，直到仿真结束。 节气门控制流程图离合器控制流程框图 档位控制流程框图8. AMT系统仿真模拟实际汽车AMT系统的工作过程为： 起步之前，离合器分离在最大位置，油门处于零位； 假设从1档起步，起步时踩下油门踏板，节气门开度增大，控制器输出离合器控制电压Uc，执行离合器的结合过程； 检测车速和节气门开式变速器、选换档功能手柄、油门踏板、制动踏板以及控制中必要的传感器和线束组成。节气门、离合器和选换档的执行机构都是直流电机， 实时记录试验中的相关数据得到一组图形，图 13、14 分别为踏下油门踏板和回收油门踏板时节气门的跟踪曲线图，图 15 为发动机和离合器的角速度曲线图。将仿真曲线图与试验曲线图相比较可以得出以下结论：仿真得到的曲线基本上反映了汽车AMT系统的实际工作过程， 这验证了所建被控对象数学模型及所设计的控制器的合理性和有效性。根据上述模拟过程，并依据原有研发AMT 系统实际运行时测量得到的曲线从中掌握AMT系统运行规律，然后在实际运行规律上反复对仿模型进行调试和修改， 最后得到节气门跟踪油门踏板曲线图 4、离合器起步结合曲线图 5和升降档过程及车速曲线图6。同时将仿真模型中设计的控制器作用于电动式 AMT 台架，对 AMT 控制系统进行台架试验。该AMT试验台架由发动机、干式离合器、固定轴式变速器、选换档功能手柄、油门踏板、制动踏板以及控制中必要的传感器和线束组成。节气门、离合器和选换档的执行机构都是直流电机， 实时记录试验中的相关数据得到一组图形，图 7、8 分别为踏下油门踏板和回收油门踏板时节气门的跟踪曲线图，图 9 为发动机和离合器的角速度曲线图。将仿真曲线图与试验曲线图相比较可以得出以下结论：仿真得到的曲线基本上反映了汽车AMT系统的实际工作过程， 这验证了所建被控对象数学模型及所设计的控制器的合理性和有效性。其中仿真得到的曲线图4为节气门对油门踏板的跟踪曲线仿真时假定对油门踏板加上一阶跃信号（即瞬间将油门踏板踩下一深度），在时间为5秒时，以一定的速度慢慢地回收油门踏板回到零位（图中黄色示），图中的紫色曲线表示节气门开度情况，从曲线上可以看到节气们开度在瞬间1秒钟内跟踪上油门踏板的开度，回收踏板时，节气门开度也随之回收，表明节气门控制有较好的跟踪性。图5表示汽车起步时离合器的结合情况， 图中黄色曲线表示发动机转速，紫色曲线表示离合器从动盘的转速，一旦驾驶员踩下油门踏板