CN107387593A - 电机直驱式离合器电控液压执行机构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电机直驱式离合器电控液压执行机构及其控制方法，所述执行机构由机械组件和电控组件组成，机械组件中离合器分离轴承安装在液压缸左侧的活塞杆上，回位弹簧安装在液压缸右侧的活塞杆上，离合器分离轴承两端与离合器膜片弹簧的分离指以及液压缸活塞的端面紧密贴合，直流电机、齿轮泵、开关阀液压缸的右侧腔体依次连接；电控组件中的控制器分别与开关阀和直流电机信号连接，控制器内烧录电机控制程序。所述控制方法是控制器根据当前车辆运行信号，应用电机控制程序向直流电机输送控制信号，进而控制齿轮泵对液压缸中的液压缸活塞的位移进行控制，最终控制离合器。本发明结构简单，可靠性好，能平稳、快速且准确控制离合器。
Description
技术领域
本发明属于汽车传动技术领域，具体涉及电机直驱式离合器电控液压执行机构及其控制方法。
背景技术
在汽车行驶过程中，驾驶员频繁踩踏离合器踏板进行车辆的起停、换挡操作，会造成驾驶员疲劳。安装自动离合器执行机构是解决这一问题的有效途径，其主要分为电控电动、电控液动和电控气动，其中液动执行机构以其能容量大、控制精度高的优点而广泛应用于汽车离合器。
中国专利申请“液压式自动离合器装置”(专利申请号201510372510.6)和“一种汽车电控自动离合器”(专利申请号201410553564.8)在机构中安装相关阀体，结构相对复杂、生产困难、成本较高，其可靠性存在一定的安全隐患。同时，集成式液压离合器因高速电磁阀和油路面板等的应用，导致在中低端汽车上应用受到限制。油路接头中漏油现象的存在，需要在离合器操作时进行泄露补偿；基于位移控制的离合器控制，由于摩擦片的磨损，需要在位移控制时进行位移补偿。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供一种结构简单，空间占用体积小，成本低廉，可靠性良好的电机直驱式离合器电控液压执行机构及其控制方法来减轻驾驶员的驾驶强度，使离合器平稳、快速且准确的结合或分离。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
电机直驱式离合器电控液压执行机构，由机械组件和电控组件组成，所述机械组件由离合器分离轴承2、液压缸5、回位弹簧6、直流电机10、齿轮泵11、储油器12以及开关阀13组成；所述液压缸5为双活塞杆液压缸；所述离合器分离轴承2安装在液压缸5左侧腔体内的活塞杆上，所述回位弹簧6安装在液压缸5右侧腔体内的活塞杆上，在回位弹簧6和离合器膜片弹簧3的共同作用下，离合器分离轴承2两端分别与离合器膜片弹簧3的分离指以及液压缸活塞1的端面紧密贴合。所述直流电机10与齿轮泵11同轴连接，齿轮泵11的进油口与储油器12油管连接，齿轮泵11的出油口与所述开关阀13的入口油管；所述开关阀13的出口与液压缸5的右侧腔体油管连接；
所述电控组件由控制器8和传感器组件组成；所述控制器8由单片机、CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块组成；所述控制器8的控制端与开关阀13信号连接；所述电机驱动模块与直流电机10信号连接；所述电源处理模块与汽车蓄电池9电路连接；所述单片机分别与控制器8中的CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块信号连接；所述单片机内烧录电机控制程序。
进一步地，所述传感器组件中包括位移传感器4，所述位移传感器4安装在液压缸活塞1上，且位移传感器4的信号输出端通过线束7与控制器8的传感器接口相连，位移传感器4通过直接测量液压缸活塞1的位移来间接测量离合器的位移，并将所测得的位移信号从传感器接口传输至控制器8中。
更进一步地，在所述位移传感器4信号传输端的下游安装有滤波器，检测到的位移信号经滤波器处理后输送给控制器8。
进一步地，所述单片机内烧录的电机控制程序由前馈控制和反馈控制组成，所述前馈控制利用微分平坦构成非线性控制器，并根据直流电机10、齿轮泵11和液压缸5的摩擦阻力，离合器膜片弹簧3的弹性特性以及齿轮泵11的特性作为前馈控制量；所述反馈控制以位移传感器4的测量量与跟踪控制输入的目标量之间的差值为反馈控制量，并以增量式PID控制为控制算法。
更进一步地，所述离合器膜片3的弹簧特性是以图表的形式编译到电机控制程序中。
电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制方法，所述控制方法包括离合器常规控制、离合器位置锁止控制以及油路泄露情况下离合器位置保持控制；
所述离合器常规控制过程如下:
控制器8的传感器接口通过传感器组件和CAN总线获取车辆运行信号，根据检测到的车速信号和油门踏板信号由电机控制程序计算获得预期的档位值，并根据检测到的当前的档位信号，控制器8向电机驱动模块输出控制信号，与此同时，控制器8的控制信号输出端向开关阀13输出控制信号，控制开关阀13打开，实现开关阀13联通，电机驱动模块驱动电机10，电机10带动齿轮泵11正向或反向旋转，进而控制对液压缸5腔体内的液油的泵入或泵出，使液压缸活塞1在膜片弹簧3分离指的弹力作用下左右移动，进而实现离合器的分离或结合。
所述离合器位置锁止控制过程如下：
当位移传感器4检测液压缸活塞1的位移量达到预期值时，离合器位移到达预定位置，此时，控制器8的控制信号输出端向开关阀13输出控制信号，控制开关阀13关闭，开关阀13断开，直流电机10和齿轮泵11停止运行，此时整个液压系统回路处于保压状态，离合器位置锁止。
所述油路泄露情况下离合器位置保持控制过程如下：
当油路存在漏油现象或泄压现象时，控制器8控制开关阀13打开，电机10带动齿轮泵11旋转，并向液压缸5的右侧腔体内泵油，使液压缸5内压力不变，进而实现离合器位置保持不变。
结合说明书附图，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构中，采用普通的开关阀代替高速电磁阀，使用液压油管代替油路面板，可以大大降低成本，并减小系统控制难度，提高了工作的效率，实现节能环保；
2、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构中，将实际离合器膜片弹簧特性以map图形式编译到控制程序中，通过位移传感器实时采集离合器的位置情况，采用查表的方式计算出离合器在磨损之后的分离行程，从而避免了分离不彻底的情况；
3、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构中，建立了以运动部件的摩擦阻力、膜片弹簧的弹性特性、齿轮泵的特性作为前馈控制量，以离合器位移作为反馈的增量式PID控制算法，将电机控制程序完成后烧录到单片机中，以提高离合器的控制精度和速度；
4、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构，通过控制电机的转速可以实现在任何时刻齿轮泵的泵油量和压力的变化，间接实现离合器结合分离速度的变化，从而实现离合器结合平稳、分离迅速；
5、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构可根据离合器尺寸、膜片弹簧力矩特性、离合器结合分离速度等匹配出最优的齿轮泵的压力、排量和液压缸的规格，以提高工作效率；
6、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构摒弃蓄能器，转而采用齿轮泵，使机构的整体尺寸减小，安装更灵活；
7、本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构中，回位弹簧和控制算法的应用，补偿了摩擦片的磨损、漏油现象和系统中控制的非线性项，使得离合器的控制更加方便。
附图说明
图1为本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构的结构示意图；
图2为本发明所述电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制过程逻辑框图。
图中：
1液压缸活塞， 2离合器分离轴承， 3离合器膜片弹簧， 4位移传感器，
5液压缸， 6回位弹簧， 7线束， 8控制器，
9汽车蓄电池， 10直流电机， 11齿轮泵， 12储油器，
13开关阀， 14液压油管， 15支座。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明提供了电机直驱式离合器电控液压执行机构，所述执行机构由机械组件和电控组件组成。
所述机械组件包括离合器分离轴承2，液压缸5，回位弹簧6，直流电机10，齿轮泵11，储油器12，开关阀13，液压油管14和支座15。
所述直流电机10通过紧固螺栓固定在支座15上；所述齿轮泵11也通过紧固螺栓固定在支架上，所述齿轮泵11为中低压小排量齿轮泵。
所述直流电机10的输出轴与齿轮泵11的输入轴之间通过花键同轴连接，所述齿轮泵11的进油口与储油器12通过液压油管14连接，所述储油器12中液压油管14的接头处安装有滤网，对储油器12中液压油里的杂质进行过滤，以避免杂质进入齿轮泵11；所述齿轮泵11的出油口与开关阀13的入口通过液压油管14连接，所述开关阀13的出口通过液压油管14与液压缸5右侧腔体的进油口相连，所述开关阀13控制信号端通过线束7连接到电控电路的控制器8，本发明中采用普通的开关阀代替高速电磁阀，可以大大降低成本，并减小系统控制难度。
所述液压缸5为双活塞杆液压缸，在液压缸5右侧的腔体内安装有一个预紧的回位弹簧6，所述回位弹簧6套装在液压缸5右侧的活塞杆上，回位弹簧6的一端支撑在液压缸活塞1的右端面上，回位弹簧6的另一端支撑在液压缸5右侧的缸体内端面上；在液压缸5左侧的腔体内安装有一个离合器分离轴承2，所述离合器分离轴承2安装在离合器膜片弹簧3的分离指与液压缸活塞1的左端面之间，液压缸5左侧的活塞杆安装在离合器分离轴承2内，液压缸5左侧的活塞杆通过所述离合器分离轴承2接触离合器膜片弹簧3的分离指，在液压缸5右侧腔体内的回位弹簧6和液压缸5左侧腔体内的膜片弹簧3的共同作用下，离合器分离轴承2分别与左侧的离合器膜片弹簧3的分离指，以及右侧的液压缸活塞1紧密贴合。
离合器在由分离到结合的过程中，液压缸活塞1在液压缸5内从左向右运动，液压缸5中的液压油将被排出，为保证在离合器从分离到结合的整个过程中液压缸活塞1始终与离合器分离轴承2紧密接触，故，在液压缸5的右腔内安装回位弹簧6，回位弹簧6的两端顶靠在液压缸5的内壁与液压缸活塞1的右端面之间，回位弹簧6的压缩恢复力使液压缸活塞1与离合器分离轴承2紧紧的贴合在膜片弹簧分离指上，从而消除间隙带来的测量误差。
所述电控组件主要由控制器8和相关传感器组成传感器组件组成，所述控制器8由单片机、CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块组成；所述传感器组件包括位移传感器4，所述位移传感器4安装在液压缸活塞1上，且位移传感器4的信号输出端通过线束7与控制器8的传感器接口相连，位移传感器4通过直接测量液压缸活塞1的位移来间接测量离合器的位移，然后通过线束7将所测得的位移数据信号从传感器接口传输至控制器8中。
所述传感器信号接口所接收的传感器信号除位移传感器4所检测到的液压缸活塞1的位移信号外，还包括档位传感器、坡路传感器、发动机转速传感器、车速传感器以及油门踏板位置传感器等所检测到的车辆运行信号。
所述电源处理模块通过线束7与汽车蓄电池9相连，并通过滤波电路处理后为整个电控电路提供电源；
所述CAN收发器与汽车CAN总线相连，并通过CAN总线与开关阀13和直流电机10等其他控制元件以及传感器组件中的各传感器交互信息；
所述单片机烧录电机控制程序，通过传感器信号接口和CAN收发器采集传感器组中各传感器检测到的数据信息和车辆运行信号，根据电机控制程序获取直流电机10需要旋转的速度和方向，并向所述电机驱动模块发送控制指令，电机驱动模块通过线束7与直流电机10控制连接，直流电机10驱动齿轮泵11运行，进而控制流向液压缸5腔体内的液油流量带动液压缸活塞1的运动，最终实现对离合器的控制。
因为离合器在长时间使用的过程中会出现磨损，在本发明技术方案中，离合器的离合器分离指会向右移动一定的距离，离合器膜片弹簧3形变量变小，从而使操纵离合器分离的位移增大。传统的离合器执行机构在与离合器安装后便设定当下位置为离合器运动的初始位置，但随着汽车行驶里程的增加，离合器频繁的结合/分离，离合器的摩擦片会因为磨损而变薄的，从而使离合器运动的实际初始位置偏离原来设定的初始位置，并且离合器分离的行程变大，但传统离合器执行机构设定的运动初始位置和行程并不随之改变，所以存在离合器分离不彻底和滑磨现象。本发明将实际离合器膜片3的弹簧特性以图表形式编译到电机控制程序中，通过位移传感器实时采集离合器的位置情况，根据电机控制程序中保存的膜片弹簧特性曲线计算出离合器在磨损之后的分离行程，从而避免了分离不彻底和滑磨现象。
上述直流电机10、齿轮泵11和液压缸5等零部件的运动有摩擦阻力，膜片弹簧3的弹簧力随位移的非线性变化，齿轮泵11的效率和排量随压力和转速的变化而变化，这些参数对离合器的响应速度和精度影响较大，为提高离合器的控制精度和速度，根据物理模型提出数学模型，以数学模型设计电机控制程序。
如图2所示，所述电机控制程序的控制过程分为前馈控制和反馈控制两个部分。所述前馈控制利用微分平坦构成非线性控制器，其中根据运动部件的摩擦阻力、膜片弹簧的弹性特性以及齿轮泵的特性作为前馈控制量；所述反馈控制以位移传感器4的测量量与跟踪控制输入的目标量之间的差值为反馈控制量，以增量式PID控制为控制算法。
将电机控制程序完成后烧录到单片机中。
所述控制器8中的单片机采用飞思卡尔MC9S12G128以及外围电路，将电机控制程序烧录到芯片中，实现本发明所述的执行机构的运动分析与控制；所述控制器8中的CAN收发器的芯片采用TJA1040，并与HCPL0630等相关外围电路配合使用；所述控制器8中的电机驱动模块是选用专用的电机驱动芯片VNH2SP30以及外围电路；
此外，由于车辆在运行过程中存在大量的干扰，因此，在所述位移传感器4信号传输的下游安装一个滤波器，使检测到的位移信号经过滤波器的处理后再输入给控制器8，这样干扰信号就可以很大程度上被滤出；该电路经过长期测试以及使用反馈，具有良好的稳定性。
所述控制器8的控制信号输出端与开关阀13的控制信号接收端通过CAN总线相连；控制器8中的电机驱动模块的控制信号输出端与直流电机10的控制信号接收端通过CAN总线相连；控制器8中的电源处理模块与汽车蓄电池9电路连接，实现为控制器8供电；控制器8中的单片机分别与控制器8中的CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块信号连接，实现对信号的分析、处理及发送。
如图2所示，结合前述执行机构的具体结构，本发明还提供了一种电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制方法，具体控制过程如下：
控制器8的传感器接口通过传感器组中各传感器和CAN总线接收获取车辆数据信息和车辆运行信号，根据检测到的车速信号和油门踏板信号由电机控制程序计算获得合理的预期档位值，并根据检测到的当前的档位信号，控制器8给出控制离合器动作的指令。
当电机控制程序计算获得离合器所需动作，控制器8输出控制信号给电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机10，通过齿轮泵11，实现对液压缸5中的液压缸活塞1的位移控制，进而控制离合器。
与此同时，控制器8的控制信号输出端向开关阀13输出控制信号，控制开关阀13打开，实现开关阀13联通，当电机10带动齿轮泵11按照图1所示得旋转方向进行转动时，齿轮泵11将液压油从储油器12吸出，并泵到液压缸5的右侧腔体内，液压缸活塞1将向左移动，进而克服膜片弹簧3的弹簧力带动离合器分离指向外侧运动，实现离合器的分离；当开关阀13打开后，直流电机10带动齿轮泵12按照图1所示的相反方向旋转时，带动齿轮泵11将液压油从液压缸5中排回到储液器12中，液压缸5右侧的腔体因失压，液压缸活塞1将在左侧的膜片弹簧3分离指的弹力作用下向右移动，进而实现离合器的结合。当位移传感器4检测液压缸活塞1的位移量，即间接检测离合器位移到达预定位置之后，控制器8的控制信号输出端向开关阀13输出控制信号，控制开关阀13关闭，实现开关阀13断开，同时，直流电机10和齿轮泵11也停止运行，此时即可实现整个液压系统回路的保压，离合器位置锁止；
当存在漏油现象或泄压现象时，为保持离合器的位置不变，只需控制使开关阀13打开，电机10带动齿轮泵11向液压缸5的右侧腔体内泵油即可。
上述过程中，通过控制直流电机10的转速可以在任何时刻改变齿轮泵11的泵油量和内部液油压力，进而间接改变离合器结合或分离的速度，从而实现离合器的准确、快速控制。
Claims (8)
1.电机直驱式离合器电控液压执行机构，由机械组件和电控组件组成，其特征在于：
所述机械组件由离合器分离轴承(2)、液压缸(5)、回位弹簧(6)、直流电机(10)、齿轮泵(11)、储油器(12)以及开关阀(13)组成；所述液压缸(5)为双活塞杆液压缸；所述离合器分离轴承(2)安装在液压缸(5)左侧腔体内的活塞杆上，所述回位弹簧(6)安装在液压缸(5)右侧腔体内的活塞杆上，在回位弹簧(6)和离合器膜片弹簧(3)的共同作用下，离合器分离轴承(2)两端分别与离合器膜片弹簧(3)的分离指以及液压缸活塞(1)的端面紧密贴合。所述直流电机(10)与齿轮泵(11)同轴连接，齿轮泵(11)的进油口与储油器(12)油管连接，齿轮泵(11)的出油口与所述开关阀(13)的入口油管；所述开关阀(13)的出口与液压缸(5)的右侧腔体油管连接；
所述电控组件由控制器(8)和传感器组件组成；所述控制器(8)由单片机、CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块组成；所述控制器(8)的控制端与开关阀(13)信号连接；所述电机驱动模块与直流电机(10)信号连接；所述电源处理模块与汽车蓄电池(9)电路连接；所述单片机分别与控制器(8)中的CAN收发器、电机驱动模块、传感器接口和电源处理模块信号连接；所述单片机内烧录电机控制程序。
2.如权利要求1所述电机直驱式离合器电控液压执行机构，其特征在于：
所述传感器组件中包括位移传感器(4)，所述位移传感器(4)安装在液压缸活塞(1)上，且位移传感器(4)的信号输出端通过线束(7)与控制器(8)的传感器接口相连，位移传感器(4)通过直接测量液压缸活塞(1)的位移来间接测量离合器的位移，并将所测得的位移信号从传感器接口传输至控制器(8)中。
3.如权利要求2所述电机直驱式离合器电控液压执行机构，其特征在于：
在所述位移传感器(4)信号传输端的下游安装有滤波器，检测到的位移信号经滤波器处理后输送给控制器(8)。
4.如权利要求1所述电机直驱式离合器电控液压执行机构，其特征在于：
所述单片机内烧录的电机控制程序由前馈控制和反馈控制组成，所述前馈控制利用微分平坦构成非线性控制器，并根据直流电机(10)、齿轮泵(11)和液压缸(5)的摩擦阻力，离合器膜片弹簧(3)的弹性特性以及齿轮泵(11)的特性作为前馈控制量；所述反馈控制以位移传感器(4)的测量量与跟踪控制输入的目标量之间的差值为反馈控制量，并以增量式PID控制为控制算法。
5.如权利要求4所述电机直驱式离合器电控液压执行机构，其特征在于：
所述离合器膜片(3)的弹簧特性是以图表的形式编译到电机控制程序中。
6.如权利要求1所述的电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制方法，其特征在于：
所述控制方法包括离合器常规控制、离合器位置锁止控制以及油路泄露情况下离合器位置保持控制；
所述离合器常规控制过程如下:
控制器(8)的传感器接口通过传感器组件和CAN总线获取车辆运行信号，根据检测到的车速信号和油门踏板信号由电机控制程序计算获得预期的档位值，并根据检测到的当前的档位信号，控制器(8)向电机驱动模块输出控制信号，与此同时，控制器(8)的控制信号输出端向开关阀(13)输出控制信号，控制开关阀(13)打开，实现开关阀(13)联通，电机驱动模块驱动电机(10)，电机(10)带动齿轮泵(11)正向或反向旋转，进而控制对液压缸(5)腔体内的液油的泵入或泵出，使液压缸活塞(1)在膜片弹簧(3)分离指的弹力作用下左右移动，进而实现离合器的分离或结合。
7.如权利要求6所述的电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制方法，其特征在于：
所述离合器位置锁止控制过程如下：
当位移传感器(4)检测液压缸活塞(1)的位移量达到预期值时，离合器位移到达预定位置，此时，控制器(8)的控制信号输出端向开关阀(13)输出控制信号，控制开关阀(13)关闭，开关阀(13)断开，直流电机(10)和齿轮泵(11)停止运行，此时整个液压系统回路处于保压状态，离合器位置锁止。
8.如权利要求6所述的电机直驱式离合器电控液压执行机构的控制方法，其特征在于：
所述油路泄露情况下离合器位置保持控制过程如下：
当油路存在漏油现象或泄压现象时，控制器(8)控制开关阀(13)打开，电机(10)带动齿轮泵(11)旋转，并向液压缸(5)的右侧腔体内泵油，使液压缸(5)内压力不变，进而实现离合器位置保持不变。
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