智能离合控制系统电路设计

刘存香+林土淦+张浩雨

摘 要：結合手动变速箱的经济性与自动变速箱的舒适性便利性，开发出以手动变速箱为基础的智能离合控制系统控制电路。控制电路以STM32为处理器，包含了系统电源处理电路、节气门信号处理电路、刹车信号处理电路、发动机转速信号处理电路及车速信号处理电路等。经试验验证，所开发的智能离合控制系统控制电路性能稳定，并确保了智能离合控制系统可靠运行。

关键词：智能；离合控制系统；电路设计

0 引言

随着许许多多全新车型的不断涌现，作为汽车传动系统中的重要一环，离合器也必须适应汽车工业的飞速发展。现如今汽车上搭载的发动机的功率越来越大，转速越来越高，面对这样的发展趋势，离合器传递转矩的能力势必也要相应地有所提升才能顺应时代的发展。此外，频繁的车辆启停和换挡操作，对于驾驶员而言绝非一个轻松的工作。因此，消费者的关注重点明显向操作简单化和控制自动化的方向转移。驾驶手动变速器的驾驶员强烈呼吁智能离合器的诞生。

结合手动变速箱的经济性与自动变速箱的舒适性便利性，开发出一种以手动变速箱为基础的智能离合控制系统，成为很多汽车使用者强烈的呼声。

而对于智能离合控制系统而言，其控制电路的稳定性将影响系统的可靠运行。本文将着重阐述智能离合控制系统的电路设计。

1 智能离合控制系统电路设计

图1所示本系统采用STM32作为处理器。STM32采用ARM 32位Cortex-3M内核，采用执行方式为Thumb2指令。STM32芯片有100个端子，其中的15号端子接收节气门位置信号，35号端子接收刹车信号，24号端子接收发动机转速信号，93号端子接收汽车车速信号。

经过对比，STM32系列的处理速度比同级别的基于ARM7TDMI的产品快30%，在相同的处理性能下，STM32系列的功耗比同级别产品底75%。

STM32有一套完整的固件开发包，包含了在STM32开发过程中所涉及的所有底层操作，在开发过程中引用这些固件开发包能够减少甚至避免复杂冗余的底层寄存器操作，提高开发效率。

基于以上特点，本系统选用STM32系列的ARM芯片进行设计。

图2为系统电源处理电路。通过将车用蓄电池12V电压经R14电阻降压，电容C2滤波后输入7805三端稳压管降为5V稳压直流电。5V直流电再经U4AMS1173.3V三端稳压管成3.3V稳压直流电，再经C5、C6、E1、E3重重滤波后供给主控电脑板STM32，以及角度传感器使用。

图3为节气门信号处理电路。节气门信号是一个从0.5～4.7V连续变化的模拟信号，该信号易受原车发电机、继电器等干扰源干扰，因此该信号需要经过由C23、R48、C32组成的滤波处理电路后，成为较稳定的、能真实、准确反映节气门开度的稳定模拟信号，该信号传递给STM32的A/D模块进行采样分析后，单片机能准确获知发动机的负荷值，为离合器结合速度控制提供可靠数据。由于R48阻值非常大，因此可大大减小智能离合控制系统主控电路板对原车节气门信号的影响。经多种工况试验表明，该电路稳定可靠，可满足离合控制系统信息采集要求。

刹车信号是离合控制系统控制离合器结合、分离的重要依据，但是刹车信号本身会有较大的干扰信号，需要进行电磁隔离处理。电磁隔离电路如图4所示。当踩下刹车时该信号电压为12V，不踩刹车时为0V。在信号调理中，该信号经C14、R39、R42构成的电路滤波后，控制D7二极管的通与断。当踩下刹车时，刹车信号为12V，由于D7阳极为3.3V，阴极为刹车信号电压12V，D7处于反向截至状态，因此D7不导通。由于R34上拉电阻作用，使得图中STM35节点处的电压为3.3V，该电压经过C25滤波后传送给STM32单片机，单片机采集到高电平信号后，得知此时处于刹车状态。当不踩刹车时，刹车信号为0V，经由C4、R39、R42构成的滤波电路传送到D7阴极，此时由于R43上拉电阻的存在，二极管阳极电位比阴极电位高，二极管处于正向导通状态，故此图4中STM35节点电压变为低电平，该低电平信号经C25滤波后传送给单片机STM32，当STM32检测到低电平时，即可判断此时驾驶员没踩刹车，该电路由于D7二极管的单向导电特性，使得刹车信号与单片机I/O引脚实现隔离，刹车信号的干扰源无法窜扰到单片机，该电路经多种工况试验该电路稳定可靠符合设计标准。

图5为发动机转速信号处理电路。经过电容C16，C4滤波后传送给由U1运算放大器，R4、R2、R6构成的同相放大电路进行信号放大，成为峰值约3V的正弦波信号，该信号经由D1运算放大器，R12、R16构成的电压比较器进行整形、限幅处理成为标准3.3V方波，该方波频率与发动机转速成线性关系。该方波信号传送到单片机STM32分析，将获知方波频率，从而计算得到发动机对应转速。发动机转速信号是本系统实现离合器结合、分离控制的重要依据，经多种工况试验表明，该电路稳定可靠，符合设计标准。

图6为车速信号处理电路，其信号调理原理与发动机转速信号处理电路原理相似。

2 结语

结合手动变速箱的经济性与自动变速箱的舒适性便利性，开发出以手动变速箱为基础的智能离合控制系统控制电路。其特点如下：

（1）控制电路采用32位的嵌入式芯片，处理能力是8位处理器的4倍；

（2）有效控制驱动芯片的通电电流，有效降低驱动芯片的发热量、提升了对电机的控制速度、优化离合器的离合速度；

（3）使得驾驶者的驾驶感受更佳，有效提高汽车的经济性能。

基金项目：2015年广西交通科技项目（桂教科教2015-261-8）。

参考文献

[1]张尔利，刘学军，刘存香.多技术融合的车用传感器与执行器实训系统研制[J].西部交通科技，2010（01）：71-74+83

[2]刘存香，何仁.摩擦式制动器与非接触式轮边缓速器系统结构分析[J].农业机械学报，2010（6）：25-30.

[3]刘存香，何仁.电磁制动与摩擦制动集成系统测试台架设计及试验研究[J].汽车技术，2012（1）：51-55.

作者简介

刘存香（1981-），男，教授，研究方向：汽车机电一体化技术。