拉线操纵式离合器电子线控系统设计本科毕业论文.doc

本科学生毕业设计拉线操纵式离合器电子线控系统设计院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程B07-2班 学生姓名： 李程 指导教师： 崔宏耀 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Electronic Clutch Control System of Automotive EnginesCandidate：Li ChengSpecialty：Vehicles EngineeringClass：B07-2Supervisor：Associate Professor Cui HongyaoHeilongjiang Institute of TechnologyJune 2011Harbin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。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。其中拉线式布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大，两种机械式操纵机构的比较杆系传动优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。拉线传动优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。本设计针对拉线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。关键词：线控离合器；H桥；PWM控制；控制策略；传感器 I黑龙江工程学院本科生毕业设计黑龙江工程学院本科生毕业设计ABSTRACTAs automobile electronic technology ， Automatic control technology gradually mature and car network communications technology is widely used ， Automotive wire control technology is also gradually gain favour is car further research and the future trend of development. Automotive wire control technology is the driver through sensor into electrical signal manipulation of action, Through the cable directly transmission to the actuator a system. Currently include wire control shift system, line control servo system, line control suspension system, Wire control the pressurization system, line oil-control door system and wire control steering system. Including wire control steering system in limousines, sports car And concept car, it is widely used for automated driving to provide a good platform. Clutch manipulations hydraulic and farrowed type two kinds. Including farrowed type decorates convenient, Friction loss is big, By frame, body spurt type deformation great influence, Two kinds of mechanical control mechanisms of comparative bar transmission advantages: simple structure; Cost is low; Long life. High reliability; Faults: jointing, friction loss more big, do not suitable for long-distance manipulation, The body or frame by deformation. Farrowed transmission advantages: simple structure; Cost is low; Overcome the rod is not suitable for long-distance manipulation of transmission of, The body or frame by deformation faults. Can use hanging pedal; Faults: short life, stretching stiffness is small; Tensile deformation to lead to a rise in pedal stroke. This design for farrowed manipulate type clutch design control systems, can wire with the original system function shifts. Keywords: wire control clutch; H bridge; PWM control; Control strategies; sensor 33目 录摘要IAbstract第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 线控技术现状分析71.3 线控技术发展前景21.4 研究内容和需解决的主要问题3第2章 线控离合器系统42.1线控离合器控制系统42.2线控离合器控制系统结构42.2.1 机械式离合器结构、原理42.2.2 线控离合器结构、原理52.3 线控离合器系统存在主要问题72.3.1 线控离合器的优点72.3.2 系统存在的主要问题82.4 本章小结8第3章 线控离合器数学模型和控制策略103.1 系统建模103.1.1 线控离合器机构103.1.2 工作过程分析103.1.3 齿轮传动及齿隙影响103.2 控制策略分析113.3 本章小结12第4章 控制系统硬件设计134.1 控制系统结构134.2 控制系统电路设计144.2.1 单片机的选择144.2.2 飞思卡尔单片机的简介及优点154.2.3 信号处理电路设计174.3 驱动电路设计184.3.1 H桥驱动电路184.3.2 PWM模块及工作原理204.3.3 使能控制和方向逻辑224.4 直流电机控制原理234.4.1直流电机控制原理234.4.2 直流电机的可逆 PWM控制电路244.4.3 PID控制原理254.5 本章小结27第5章 控制系统软件设计295.1 软件系统总体分析295.2 控制功能软件设计305.2.1 功能子程序设计305.2.2 控制功能程序编写315.3 本章小结35结论36参考文献37致谢38附录39附录 A139附录 A243第1章 绪 论1.1 选题的目的和意义 目的：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。其中拉线式：布置方便，摩擦损失大机械式受车架、车身变形影响大两种机械式操纵机构的比较杆系传动：优点：结构简单；成本低；寿命长；可靠性高；缺点：关节点多，摩擦损失大，不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响。拉线传动：优点：结构简单；成本低；克服了杆系传动的不适合远距离操纵，受车身或车架的变形影响缺点；可采用吊挂式的踏板；缺点：绳索的寿命短，拉伸刚度小；拉伸变形导致增加踏板行程。本设计针对拉线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。意义：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，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。同时汽车比质量变轻，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并简化维护工作，可能磨损的部件更少了，维护用品也可大大减小，减少维护费用。若使用线控制动无需制动液，使汽车更为环保，减少维护。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。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。线控技术将会给汽车产业的发展带来了划时代的飞跃。 当然，目前线控技术还有很多的不足，如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。1.2 线控技术现状分析目前，线控技术已经被广泛用于航空业，用线控制系统来取代传统的液压和机械系统已经成为技术发展的趋势，采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有望在未来汽车上率先获得应用，不久的将来线控离合器也将会出现在汽车上。国外GM、KOYO、TRW、BENZ等公司已运用线控技术开发了概念车。汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，在未来十年内，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。如汽车将采用电气马达和电控信号来实现线控驾驶(steerbywire)、如线控制动（brake by-wire）、线控转向（steer by-wire）、线控油门（throttle by-wire）、线控悬架（suspension by-wire），线控离合器等正在加紧研究开发。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，线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制,汽车可以说是一台装在轮子上的计算机。1.3 线控技术发展前景 在国内，除了同济大学研究完成的线控转向系统外，由北京理工大学完成的“一种电动车辆动力系统关键技术产品及其应用”获得了2004年度国家技术发明奖。其中的一项技术就是利用线控同步换档和行星传动技术，取消了主离合器，简化了换档机构，研制了一种结构简单、性能匹配优良的线控行星变速器。国内的一些高校也正在进行线控技术的研究。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。 目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。1.4 研究内容和解决的主要问题本设计需对离合器的分离过程和分离力进行研究、计算，对分离和接合的过程进行分析，建立相应的力学模型，从而确定PWM脉冲输出的频率和电机输出的转矩。还有需要有正确的程序，来控制电机的转动。还需设计传动机构、传动比、齿轮支架和传感器支架等。同时，需保证此机构动作的响应性要足够快，而且动作不能有缓冲，最后就是把各机械部件可靠连接保证工作的可靠性，最重要的是需要写出正确的程序来驱动整个装置，并可以实际应用。 线控技术研究的难点在于高性能控制器的研制，要求在整个系统中有精确高速的通讯协议网络，使控制中心和执行器之间能完全协调、匹配工作；而且需要高效的容错技术，使得系统出现故障时能够保障一定的安全，即系统有好的可靠性。目前线控技术在汽车中的应用还不成熟。但随着汽车各系统的电子化、集成化的发展需要，线控技术发展迅速，作为一种汽车高新电子技术，线控技术必将得到广泛的应用。但电子化不可能完全取代机械化，机械系统的损坏通常都是有过程的，而线控制系统的失效是瞬间的。如果线控制系统失效那一刻汽车的速度行驶过高，造成的后果就可能非常严重。电子控制要完全取代机械操作还需要时间。 第 2 章 线控离合器系统2.1 线控离合器控制系统随着汽车电子技术的日益发展和对汽车性能要求的提高，越来越多的电子设备出现在汽车上，上世纪80年代中后期，出现了第一台电子节气门汽车，应用在德国宝马公司生产的BMW750iL顶级轿车上。今天人们开始热切关注又一个新兴技术线控离合。由于线控离合控制系统的技术和成本要求都比较传统机械式高的原因，现在在量产车上还没有实现，只是在一些概念车上得以展示，或一些电动概念车上才应用到线控离合器技术。如在通用可驾驶燃料电池汽车上的应用就获得了成功。线控汽车一改传统机械连杆的传动方式，采用电子信号来操纵油门、制动，离合器和转向机构。取消了传统的转向盘、油门、离合器踏板、制动踏板，所有的操作都集中在一个手柄上，驾驶员可以用一只手完成所有的操作。当驾驶员要加速或减速时，可以向左或者向右推动手柄；制动按钮也安装在这个手柄上，要制动时按一下制动按钮；当转弯时，驾驶员只需向上或者向下推动手柄。线控离合技术非常相似于线控节气门，线控转向等技术，现如今线控节气门几乎已经完全取代了传统的拉线式节气门，这也是大势所趋。电动助力转向也越来越广泛地应用到汽车上。在这些技术都已日趋完善的同时，目前国外各大汽车生产厂商和零部件生产商都开始着手从事线控离合器技术的开发研究，其中美国通用和韩国EZ公司在该研究上处于领先地位，其产品已经开始市场化、系列化。现代科技的不断发展，线控离合器可实现的功能会越来越强大，如根据发动机负荷情况来自动选择切开与分离的速度，若是高性能赛车，可提高其加速性能，可以满足不同工况下发动机的控制要求。我相信线控离合器装置在不久的将来会成为汽车上一个不可或缺的电子控制系统。2.2 线控离合器控制系统结构2.2.1 机械离合器结构，原理如图2.1所示，摩擦离合器一般是有主动部分、从动部分组成、压紧机构和操纵机构四部分组成。离合器在接合状态时，发动机扭矩自曲轴传出，通过飞轮2和压盘借摩擦作用传给从动盘3，在通过从动轴传给变速器。当驾驶员踩下踏板时，通过拉杆活拉线带动分离叉、分离套筒和分离轴承8，将分离杠杆的内端推向右方，由于分离杠杆的中间是以离合器盖5上的支柱为支点，而外端与压盘连接，所以能克服压紧弹簧的力量拉动压盘向左，这样，从动盘3两面的压力消失，因而摩擦力消失，发动机的扭矩就不再传入变速器，离合器处于分离状态。当放开踏板，回位弹簧克服各拉杆接头和支承中的摩擦力，使踏板返回原位。此时压紧弹簧就推动压盘向右，仍将从动盘3压紧在飞轮上2，这样发动机的扭矩又传入变速器。1-轴承 2-飞轮 3-从动盘 4-压盘 5-离合器盖螺栓 6-离合器盖 7-膜片弹簧 8-分离轴承 9-轴图2.1 离合器总成线控离合器不但具有机械离合器所有的功能，还有许多机械离合器没有的优点，例如：线控离合器取消了村机械的连接，没有的摩擦也就没有了机械磨损和摩擦噪音，这对手动挡中级，高级轿车隔音降噪非常重要，还有就是取消了机械连接，可以节省踏板力，大大减轻长途驾驶时驾驶员疲劳。下面介绍线控离合器的结构和工作原理。2.2.2 线控离合器结构、原理线控离合器一改传统机械式拉线或拉杆的结构，是用一个直流电机驱动离合器的分离与接合，取消了拉线，直流电机用单片机来控制，用踏板位置传感器来作为输入给单片机输入信号，经过信号转换，处理之后输出，在经过PWM控制占空比，来实现电机转速的控制，在经过H桥来控制电机的正反转，从而实现离合器的分离与接合，再通过离合器位置传感器来作为反馈，给单片机一个反馈信号。从而达到整个电路的闭环控制。驾驶员踩下离合器踏板位置传感器引起（电压）信号变化ECU执行器电机正向旋转离合器分离抬起离合器踏板位置传感器引起（电压）信号变化ECU执行器电机反向旋转离合器再次接合执行流程如图2.2所示，驾驶员抬起离合器踏板时驾驶员踏下离合器踏板 位置传感器输出信号（由电压信号控制）其安装位置仿照电子节气门的位置传感器安装位置 信号经过ECU分析，处理。发出控制信号给执行器利用C语言编程执行器控制电机（反向）旋转，（电机安装位置看具体车型视具体情况而定）离合器再次接合离合器分离 图2.2 执行流程图 系统工作原理图如图2.3所示， 图2.3 系统工作原理图离合器踏板需用一个轻质软弹簧使其归位，同时使踏板具有一定的阻尼效果，考虑到油离配合，要求离合器的行程和使用机械装置时相同，并且离合器的分离和接合的速度也要与使用机械式装置时相同，还有要考虑失效保护，当电控系统失效时，需要机械系统重新正常工作，保证驾驶员和乘员的安全，失效保护可以参照电子节气门的形式，例如用两个离合器位置传感器。2.3 线控离合器的优点和存在的主要问题2.3.1线控离合器的优点 （1）省力，人们可以不用直接操作机械力,减轻驾驶员疲劳。（2）比质量轻，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。（3）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（4）使得汽车自动驾驶成为可能，整个汽车就是一个完整的电路整体。（5）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。（6）实现智能化控制功能 线控离合器控制系统作为发动机控制的一个功能模块，可以更好的实现汽车的性能和一些其他的功能。2.3.2 系统存在的主要问题主要表现在以下两个问题非线性问题和可靠性问题。1.非线性问题在线控离合器总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，主要是：分离指运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、离合器复位弹簧的非线性特性、电机减速机构中的轮齿间隙。（1）粘性摩擦和滑动摩擦：线控离合器在工作过程中拉杆和分离指的运动会同时受到粘性摩擦和滑动摩擦的作用，在动态过程中造成摩擦力的变化的非线性。（2）复位弹簧非线性：离合器复位弹簧采用螺旋弹簧或膜片弹簧，随着离合器分离位置的不同，其施加在离合器中心轴上的扭转力矩呈非线性变化。（3）轮齿间隙：由于电机的转速较高而扭矩较小，因此在电机输出轴与离合器中心轴与心轴间采用了一套齿轮减速机构。齿轮啮合间隙的存在对节离合器的工作产生了一定的非线性影响。2.可靠性问题由于取消了机械连接方式，采用电子控制的方式，使得线控离合器的可靠性相对降低，如果控制软件或者系统某一部分出现故障，就不能保证整个系统工作的可靠性。为了保证系统的可靠性，在线控离合器设计时采取冗余设计思想，离合器位置传感器采用两个传感器来保证系统一旦其中一个传感器失效的情况下另一个传感器仍可以采集离合器信号。另一个保证系统可靠性的方法是保留一个简化的机械连接。保证电子系统出现故障时依靠简化的机械连接可以正常行驶一段距离，保证车辆安全到达目的地。2.4 本章小结本章介绍了线控离合器的控制系统结构，介绍了线控离合器的功能和原理，分析了线控离合存在的主要问题。主要结论如下：1.传统的离合器是机械式连接，线控离合器系统取消了机械式的刚性连接，采用一种柔性控制方式。2.在线控离合器总成内，传动机构存在无法消除的非线性问题，包括分离指运动过程中的粘性摩擦和滑动摩擦、复位弹簧的非线性特性、减速齿轮装置中的轮齿间隙。同时采用电子控制的方式，使得线控离合器长时间用的可靠性相对降低。 第3章 线控离合器数学模型和控制策略3.1 系统建模3.1.1 线控离合器机构系统建模部分主要是针对线控离合器总体结构建立相应数学模型。线控离合器的基本结构主要组成为：直流电机、减速齿轮、位置传感器、回位弹簧。离合器在电机驱动力、弹簧回复力及摩擦力(粘性摩擦力和库仑摩擦力)作用下转动(其中减速齿轮传动系对系统的影响不大)。离合器在工作过程中，受到弹簧回位转矩、阻尼力矩、粘性摩擦力矩、电机驱动力矩等不平衡力矩的作用，存在不确定非线性因素的影响。3.1.2 工作过程分析线控离合器控制系统一般采用转速和转速控制，即根据离合器需要的分离速度、转矩需求，得到离合器切开速度和分离力的要求，再由ECU计算出所需的电机转速要求。实际计算过程中，需要建立离合器分离时间与电机转速和转矩的曲线图。3.1.3齿轮传动及齿隙影响 图3.1 齿轮传动机构 1.齿轮传动如图3.1所示，由于电机转速相对较高，所以本设计需要有一套减速增扭机构，所以用到齿轮传动。电机转矩传动采用闭式齿轮传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度。它的的主要优点有：体积小，传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。所用的齿轮为塑料齿轮，具有重量轻，摩擦小等特点。2.间隙对传动系统的影响由于齿轮间隙的影响将会对调速系统带来不稳定性，或者这种影响相当于一种滞后扰动，这在机械方面是无法克服的。由于这种扰动的影响将会使调速系统的电气性能受到影响，所以需要加强抗扰措施，使这种影响减少到最小，以达到允许的范围之内。电机通过减速齿轮传动驱动离合器拉杆时，齿间间隙冲击对传动的影响非常复杂。一般地认为，由于齿轮间隙的影响会给系统带来滞后效应。齿隙非线性广泛存在于各种机电伺服系统中，会造成系统极限环振荡、低速不平稳和换向误差跳变，具有非线性、非解析描述和不可微的特性，难以建模与控制。3.2 控制策略分析迄今为止还没有一种控制策略是对所有的被控对象都适用。对于特定的控制系统，选择良好的控制算法，使被控系统的特性达到最佳，这是每个研究控制的人员的主要问题。线控离合器控制是一个复杂的快速变化过程，离合器受到非线性力矩及不稳定因素的影响，要想实现对离合器预期位置的精确控制，一是要了解系统的动态特性，二是要运用恰当的控制理论和方法。单输入单输出定常控制系统，是比较简单而又比较成熟的控制方法。控制一般用校正网络对系统进行综合校正，常用的有滞后、超前校正网络，另一种应用最广而又非常有效的方法是PID校正网络。PID控制器具有结构简单，参数易于调整，算法较灵活等优点，但对外界适应能力较差。本章对线控离合进行了PID控制设计，以便在某些线性区域加以运用。在对线控离合器控制策略的研究中，更多的是运用现代控制理论。现代控制理论是在状态空间中，利用状态方程和输出方程来描述动态系统的运动规律。现代控制理论既适用于单输入单输出、线性、定常、集中参数控制系统，又适用于多输入多输出、非线性、时变、分布参数控制系统，应用范围很广。目前较成熟的现代控制理论有自适应控制、鲁棒控制、变结构控制和智能控制等。（1） 自适应控制。自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境的变化并自动校正控制动作，使系统达到或接近最优的效果。自适应控制在线控离合器控制中已有一些研究，包括比例、微分和前馈的自适应控制，是基于对线控离合器系统辨识得到的参数模型进行自适应控制。要使用驱动系统。驱动芯片的主要特点是:工作电压高，本驱动系统最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含有H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。H桥的工作原理：PWM0和PWM1控制电机的输出转矩和转速图4.13为H桥驱动电路。 4.13 H桥驱动电路4.4.3 PID控制原理将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用该控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。PID控制器是控制系统中技术比较成熟，而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数学模型，因此在工业领域中广泛应用。数字PID控制器有两种，一种是控制器输出值与被控量一一对应的，叫位置型PID，另一种是控制器第k次输出值为第k次与第k1次的差值的，叫增量型PID。因为本设计采用闭环控制，有两路信号。一路为踏板位置信号，另一路为离合器位置信号，并且两路信号输出量与位置偏差是一一对应的，所以选择了位置型PID。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量。由于这一特点式4.2中的积分项和微分项不能直接使用，必须离散化处理，离散PID的表达式如下： (4.2)式中T为采样周期，T必须足够小系统才具有一定精度，为第k次采样时的偏差值，可为采样序号，为第k次采样时控制器的输出。其简化式为： (4.3)式中k采样序号，k=0,1,2，； 第k次采样时刻的计算机输出值 第k次采样时刻输入的偏差值 第k-1次采样时刻输入的偏差值 比例系数 积分系数=T/ 微分系数=/ 开始进行PID控制时的原始初值1、比例（P）控制在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数，越大，控制越强；但过大的会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。只有当偏差存在时，第一项才有控制量输出。所以，对大部分被控制的对象（如直流电动机的调压调速），要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量，否则，比例环节将会产生静态误差。2、 积分（I）控制积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差等于0，输出的u（t）才可能维持在某一常量，使系统在给定值r（t）不变的条件下趋于稳态。因此，即使不加控制常量，也能消除系统输出的静态误差。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的反应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱、增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统稳定性，所以，必须根据实际控制的具体要求来确定。实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间或在偏差变化的瞬间，不但要立即对偏差量作出响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。3、微分（D）控制微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正，微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。适当地选择微分常数，可以使微分的作用达到最优。PID控制流程图如图4.14：4.5 本章小结本章对线控离合器控制系统的硬件电路进行了总体设计。主要内容和结论有：1.以飞思卡尔9S12XS128单片机作为主芯片设计线控离合器的电控单元，并设计了信号处理电路、功率驱动电路。2.分析了 PWM 方式控制直流电机的原理。 开始 初始化 A/D取4次平均值P控制算法PWM输出延时10ms图4.14 PID控制流程图第5章 控制系统软件设计5.1 软件系统总体分析基于汇编语言编程难度大，程序可读性差，可继承性差。用 C 语言开发系统可以大大缩短开发周期，程序明显增强的可读性，便于改进和扩充，加快了软件开发的速度。因此本系统软件采用单片机 C 语言编写。线控离合器控制系统中要求离合器具有较快的响应性、良好的稳定性和良好的位置跟随性。控制系统的软件设计要综合考虑以上要求，因此软件设计是线控离合器控制系统的一个重要组成部分，对控制结果有决定性影响。系统软件主要包括控制功能和通信功能。控制程序的结构和控制算法的设计直接影响控制效果。控制过程中，为了提高响应性，就需要提高采样频率，加快运算速度；提高稳定性就要求采样信号准确可靠，减少干扰的影响；提高控制的精确性需要闭环控制，对控制结果进行反馈。图5.1为系统程序的软件功能结构图。计算机实时监控通信协议控制算法驱动信号PWM输出A/D转换TPS输入信号PPS输入信号A/D转换离合器位置信号图5.1 控制系统软件功能结构图5.2 控制功能软件设计5.2.1 功能子程序设计 1. PWM 输出子程序流程图线控离合器直流电机通过 PWM 控制，因此 PWM 输出十分重要。系统采用的 PWM 周期为 1ms，脉宽由控制量确定。图5.2是 PWM 输出子程序流程图。中断时首先要关闭中断，以避免其他中断的影响。然后判断当前输出电平的高低，若为高电平，则下次中断时应输出低电平，同时要装入高电平的持续时间。若当前输出为低电平则相反。返回之前要打开中断。开始关中断当前输出为1？下次中断输出为0装入高电平时间开中断返回下次中断输出为1装入低电平时间图5.2 PWM输出子程序流程图2.定时器中断子程序系统信号采集的频率通过定时器 T0中断确定，定时器 T0每 10ms 中断一次，调用 A/D 转换子程序进行信号采样。同时要重新给定时器赋值以确定下次中断时间。 3.信号采集子程序控制系统共需采集两个信号，踏板的输入位置信号和离合器的反馈位置信号。踏板位置传感器和离合器位置传感器输入的皆为电压信号，需要通过A/D 转换，把模拟量的电压信号转变为数字量。因此应用 2通道。4.角度计算子程序流程图程序运行中，需要计算踏板的给定角度和离合器的反馈位置。根据 TPS 和PPS 的输入信号，和各自的电压角度关系，可以计算出输入角度和反馈位置。此外，需要将踏板输入的角度进行换算，以保证踏板的角度与离合器的反馈位置相对应。图 5.3 为离合器踏板角度计算子程序流程图，图5.4离合器反馈位置计算子程序流程图。开始由AD值计算离合器位置传感器输入电压由电压角度关系计算出踏板角度返回开始由AD值计算出踏板位置传感器输入电压由电压角度关系计算出踏板角度计算踏板相对角度返回 图5.3 踏板角度计算子程序流程图 图5.4 离合器反馈位置计算子程序流程图5.2.2 控制功能程序编写#include /* common defines and macros */#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12xs128 void SetBusCLK_16M(void) /设置总线频率 CLKSEL=0X00; PLLCTL_PLLON=1; SYNR=0x00 | 0x01; REFDV=0x80 | 0x01; POSTDIV=0x00; _asm(nop); _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL =1; /engage PLL to system; void PWM_Init(void) /设置PWM PWME=0x0