(window.slotbydup=window.slotbydup || []).push({
id: '2014386',
container: s,
size: '234,60',
display: 'inlay-fix'
&&|&&0次下载&&|&&总161页&&|
您的计算机尚未安装Flash，点击安装&
阅读已结束，如需下载到电脑，请使用积分（）
下载：50积分
0人评价161页
0人评价162页
3人评价65页
所需积分：（友情提示：大部分文档均可免费预览！下载之前请务必先预览阅读，以免误下载造成积分浪费！）
（多个标签用逗号分隔）
文不对题，内容与标题介绍不符
广告内容或内容过于简单
文档乱码或无法正常显示
文档内容侵权
已存在相同文档
不属于经济管理类文档
源文档损坏或加密
若此文档涉嫌侵害了您的权利，请参照说明。
我要评价：
下载：50积分 上传我的文档
 下载
 收藏
该文档贡献者很忙，什么也没留下。
 下载此文档
正在努力加载中...
CVT起步离合器的特性研究
下载积分：1800
内容提示：CVT起步离合器的特性研究
文档格式：PDF|
浏览次数：86|
上传日期： 21:18:03|
文档星级：
全文阅读已结束，如果下载本文需要使用
 1800 积分
下载此文档
该用户还上传了这些文档
CVT起步离合器的特性研究
官方公共微信汽车无级变速传动系统的电子控制单元的研究_甜梦文库
汽车无级变速传动系统的电子控制单元的研究
重庆大学 硕士学位论文 汽车无级变速传动系统的电子控制单元的研究 姓名：查晓辉 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：刘晓明
重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要汽车无级变速器ＣＶＴ一直是人们追求的理想的汽车变速器。采用无级自动变速 传动系统，通过速比的连续调节，能够确保发动机沿最佳燃油经济线工作，提高燃油经济性，节省燃油，降低有害气体排放；同时，无级变速系统可使汽车变速更加平稳，提高了乘坐舒适性。本文正是研究无级变速器系统电子控制单元ＥＣＵ， 它是ＣＶＴ的核心组件。本文结合国家自然科学基金重点项目（编号：５９８３５１６０）， 国家教委重点项目（教技司（９８）１２１号），重庆市科委攻关等项目的研究任务。本文在全面考虑了ＣＶＴ的基本原理和工作特性的基础上，提出了ＥＣＵ和笔记本Ｐｃ结合逐步完成ＥＣＵ各种控制的系统方案。该方案中ＥＣＵ仅做数据采集和控制量 执行的工作，而ＣＶＴ的复杂的控制规律由Ｐｃ机程序来实现，并且在Ｐｃ机程序直 观的显示汽车的各种参数，如当前主动带轮转速、中间轴转速、从动带轮转速、 水温、油压、档位信号等以及绘出一些重要参数的实时曲线。这样能充分利用Ｐｃ 机程序方便的调试环境，不断的修改、完善ＣＶＴ的控制规律。当整定出ＣＶＴ的控 制规律后，将Ｐｃ机程序控制部分转化为单片机汇编程序，集成到原来单片机程序中，使汽车脱离笔记本ＰＣ独立运行。本文详细叙述了该系统的硬件设计和软件设计。软件设计包括单片机汇编程序 设计和ＰＣ机程序设计。本文也较详细介绍了系统闭环控制策略，设计了模糊控制 器和ＰＩＤ控制器，并比较了它们的优缺点，选择了模糊控制作为本系统的控制算法。该项目以小羚羊轿车为装车对象，与机械传动国家重点实验室、青山公司合作 成功的完成了ＣＶＴ装车。样车通过匹配台架实验和道路实验、专业驾驶员的评价， 结果表明实验样机匹配正确、功能完善，换挡性能良好，结果表明，样车研制达 到了预期目标。本文所在的项目通过重庆市科学技术委员会的验收，专家给予了高度评价。关键词：无级变速器电子控制单元汽车微控制器复杂可编程逻辑器件重庆大学硕士学位论文英文摘要ＣｖＴ ｈａｓ ｌｏｎｇ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｄｅａｌ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅｏｐｌｅ ｗａｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅｉｒ Ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ＣＶＴ ｓｙｓｔｅｍａｃａｒｓｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＣＶＴ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｅｄｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ａｔａＯｉｌｒａｔｉｏ，ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ．ｃａｎｃａｌｌ ｅｎｓｕｒｅｌｏｗ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ－ｏｆ－ｆｕｅｌＴｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ａｓ ｗｅｌｌ嬲ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｓｔｅ ｇａｓ ｇｒｅａｔｌｙｂｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ｗｈａｔ＇ｓｍｏｒｅ，ｔｈｅ ＣＶＴ ｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｎａｂｌｅ ｔｈｅｅａｒｓｔｏｒｕｎ ｏｎｅｓｍｏｏｔｈｌｙｏｆ ｔｈｅａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｍａｋｅ ｐｅｏｐｌｅ ｆｅｅｌ ｍｏｒｅｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｙ．ｎｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈＵｎｉＯ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅｏｎｅｉｓａｔｔｅｍｐｔｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｒｕｌｏｆ ｔｈｅ ＣＶＴ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ａｌｓｏＳｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｎａｔｉｏｎａｌ ＮａｔｕｒｅＯｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＶＴｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｏｆ ｔｉｆｆｓｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｐｌａｎ ｏｆ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ＥＣＵａｎｄ ＰＣ．ＥＣＵ ｉｓ ｊｕｓｔ ｕｓｅｄｓｙｓｔｅｍ ｓｔｅｐｂｙ ｓｔｅｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＣＵ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｄａｔａ ａｎｄ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅｔｏ ｄｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗｓ ｏｆｔｈｅ ＣＶＴ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ＰＣ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒ，ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｓｃｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅｃｕｒｖｅｏｆ ｓｏｍｅｃａｎａｒｃｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＰＣ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ，ｗｅｍａｋｅ ｆｕｌｌｏｆ ｔｈｅ ＰＣ ｔｏ ｒｅｖｉｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｓａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ＣＶＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗｓ ｐｅｒｆｅｃｔ．Ａｆｔｅｒｃａｎｌａｙｉｎｇ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ＣＶＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗｓ．ｗｅｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｈｅ ｐａｒｔ ｏｆ ＰＣｐｒｏｇｒａｍｍｅｓ ｔｏｓｉｎｇｉｅｃｈｉｐｐｒｏｇｒａｍｍｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃａｌｓ ｒｕｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ＰＣ．ｍａｋｅｓａＴｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏｔｈｏｒｏｕｇｈ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｄｅｖｉｓｅｓ ｔｈｅ Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｉｒ ｍｅｒｉｔｓ ａｎｄ ｄｅｍｅｒｉｔｓａｎｄ ｐｉｃｋｏｕｔＦｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ踮ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ａｌｓｏ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔａｋｅ ＸｉａｏｌｉｎｇＹａｎｇａｓ ｏｕｒＣＶＴ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ａｎｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｅｑｕｉｐｐｅｄｏｎｔｈｅｃａｒｗｈｉｃｈ ｂｒａｎｄ ｉｓ ｄｕｉｋｅｒ．Ｓｏｍｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｅｎｃｈ ｔｅｓｔ ａｎｄｒｏａｄ ｔｅｓｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆ＇ｍｉｓｈｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｄｃｓｉｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｊｅｃｔｈａｓｂｅｅｎｃｈｅｃｋｅｄａｎｄ ａｃｃｅｐｔｅｄｂｙｔｈｅ ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ Ｋｅｙａｎｄ ｐａｉｄ ｈｉｇｈ ｔｒｉｂｕｔｅ ｂｙ ｔｈｅＶａｒｉａｂｌｅｅｘｐｅｒｔｓ．ｗｏｒｄｓ：ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ，Ｃａｒ，ＭＣＵ，ＣＰＬＤＵ重庆大学硕士学位论文１绪论１绪论１．１研究的意义汽车ＣＶＴ一直是人们追求的汽车理想变速器，１８８６年戴姆勒．本茨（ＤａｉｍｌｅｒＢｅｎｚ）在首辆采用汽油机的汽车上装用了橡胶带ＣＶＴ，１９０６年美国卡特车上（ＣａｒｔｅｒＣａｒ）装用了简单的金属盘（及与纤维覆盖的滚轮）摩擦传动无级变速器，１９３０年在 ＡｕｓｔｉｎＳｉｘｔｅｅｎ车上，装用了牵引式ＣＶＴ，１９５８年Ｄｒ．ＨｕｂｖａｌｌＤｏｏｍｅ设计了橡胶带无级变速器Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ，装用在ＤＡＦ ６６（ＶＯＬＶＯ ３４０）轿车上……早期的汽车无 级变速器由于结构限制及本身传动原理的原因，传递的功率有限，一直没有得到 广泛的应用。取而代之的是适合大功率传动的有级齿轮变速器占据了主导地位。 １９８７年富士重工采用金属钢带式无级变速器ＥＣＶＴ用于ＪＵｓｌ＿Ｙ轿车，汽车无级变 速器在应用上才取得了实质性的突破。金属带式ＣＶＴ性能优良，主要以金属传动 带组件的推力而不是拉力传递动力，传动机理独特，是一种新型的传动形式，世 界上针对金属带无级变速传动的研究方兴未艾【”。 金属带式无级变速器的速比连续变化，能实现发动机和变化的道路载荷良好匹 配，提高汽车的动力性与燃油经济性。ＶＤＴ、ｚＦ、铃木等公司的实验及应用均表 明，ＣＶＴ的燃油经济性及动力性优于常用的三挡及四挡自动变速器３ＡＴ、图１．１ＳＵＺＵＫＩ公司ＣＶＴ、３ＡＴ相对５ＭＴ燃油经济性，动力性比较【１冽Ｆｉｇ．１．１ Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆＣＶＴ，３ＡＴ，５ＭＴ ｏｆ ＳＵＺＵＫＩ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．４ＡＴ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ），接近于五挡手动变速器的性能（图１．１）。ＣＶＴ换挡 连续平稳，减少了换挡冲击，试验表明，在最坏的路面上行驶时，装用ＣＶＴ的车 辆传动轴所承受的最大力矩峰值只相当于手动换挡的２０～４０％，原地起步时力矩峰 值只相当于手动换挡的５０－７０％，使发动机的寿命提高了１．５倍，变速器寿命提高２―３倍，其它零部件寿命提高１．５之．５倍，换挡冲击的减小也提高了乘坐舒适性【２１。金属带式无级自动变速器体现了汽车电子技术发展的潮流，汽车动力传动系的重庆大学硕士学位论文１绪论自动化推进了汽车电子化水平的提高。１９６９年，法国雷诺公司在Ｒ１６ＴＡ轿车自动 变速器上首次应用了电子自动控制技术，随后汽车电子得到了蓬勃的发展：主动 悬挂、ＡＢＳ、电子导航……如今，电子产品已占汽车价格的３０％以Ｉ－，已成为拉 动汽车销售及性能提高的主导力量【３１。 汽车无级变速器技术的应用是与世界可持续发展，以及与环保与节能要求是 一致的。能源与环境保护正日益成为影响人类可持续发展的两大主题，当今，世 界范围的环境污染和能源消耗日趋严重，其中汽车每年消耗４６％的石油，欧美城 市空气污染的６０％来自汽车废气排放。发动机的使用条件影响了汽车废气排放中 有毒物质的含量：（１）发动机稳定工作有毒气体排放量小，非稳定工况则有毒气 体排放量大；（２）汽油机接近怠速时ＣＯ浓度高，而ＣＨ则与发动机转速成正比， 随转速升高浓度也提高。由于汽车无级自动变速器是动力换挡，避免了手动换挡 时动力中断所造成的发动机转速大起大落、供油量急剧变动，有毒气体排放加大、 污染加重等弊端。 ＣＶＴ传动比无级连续变化，可使发动机与交化的外负荷良好匹配，发动机经 常工作在经济工作区，有效地提高了汽车燃油经济性。同时，无级变速传动的超 速挡（速比可达０．５）扩大了汽车的变速范围，使汽车可以在发动机低转速、高转矩 的工况下输出功率，这样不仅减少噪声，增加动力传动系统效率，降低辅助装置 的动力损耗，还使发动机转矩增加，燃烧效率提高，排气中的ＣＯ、ＣＨ与ＮＯ减 少，排气总量减少与温度升高使催化转换反应条件也得到改善，研究表明，因燃 烧完全可使有害气体排放减少达２０％左右【４Ｊ。 自动变速器的采用和装车率的扩大是汽车发展的必然趋势。长期以来，传动系 的操纵在汽车驾驶中占很大比重，据统计，在交通负荷大的市区，手动换挡汽车 每行驶１００公里，驾驶员需换挡４００一６００次，踏离合器６００－７００次，平均每分钟驾驶员要连续完成２睢柏个手脚协调动作，频繁的劳作增加了不安全的因素。自动变速器顺应了简化驾驶、提高安全性的要求。大量非熟练驾驶员的出现，更促 进了驾驶自动化技术的发展。自从美国通用汽车公司１９３９年在汽车上首次装用了 自动变速器以来，自动变速器在国外已有相当高的装车率（表１．１１，日本轿车自动 变速器装车率在８０％以上，北美地区轿车自动变速器装车率几乎是１００％，预计 ２０００年，全球自动变速器产量将达到２６００万台，其中一半以上新出厂的轿车将装 用自动变速器。而我国迄今为止，自主批量生产的自动变速器几乎为零，国内外 的差距甚太。 国民经济的发展客观上需要汽车产业的支持。发达国家的经验表明，汽车工业 每增值１元，会给上游产业带来０．６５元的增值，给下游产业带来２．６３元的增值， 同时汽车产业发展将带动大量人口的就业。迄今为止，大国经济发展到一定阶段２重庆大学硕士学位论文１绪论表１．１Ｔａｂｌｅ １．１１９９０～２０００年全球自动变速器与手动变速器生产量对照表ａｎｄ ｍａｎｕａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｔｈｅＴｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔａｂｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＷＯｒｌｄｗｉｄｅａｒｅａｉｎ １９９０―２０００年份１９９０ １９９５ ２０００自动变速器（百万台）１９．２ｆ４６％）手动变速器（百万台）２２．８（５４％、２１．７（４９％、 ２４．０（４８％１总计４２．ｏ（１００％）２２．１（５ｌ％、２６．０（５２％、４３．８（１００％） ５０．ｏ（１００％）后无不依靠轿车进入家庭而拉动国民经济的增长。在这样的背景下，我国加快发 展汽车产业的条件已基本成熟，汽车工业在我国无疑是极具潜力的战略产业，必 将成为国民经济的支柱。在缺乏外界资金、技术支持条件下，我国经历了一段较 长时间的自主建设，目前，我国的轿车大多是在引进国外八、九十年代技术基础 上开发的，仍以传统的产品为主，其技术和性能水平与同期国际同类型轿车相比， 还存在很大差距。本项目的开展符合迎接我国加入ＷＴＯ的挑战以及西部大开发的 建设的要求，有利于提高我国汽车电子技术水平、缩小国内外汽车技术差距，因 此具有重要的理论价值和积极的实际意义。１．２国内外研究现状自１９８７年金属带ＣＶＴ首次装用在ＪＵＳＴＹ轿车上以来，人们对ＣＶＴ的研究 已经开展了二十多年，在研究方向上可分为以传动机理研究等为主线的基础性研 究和以ＣＶＴ变速器应用开发为背景的应用性研究。 ＣＶＴ基础性研究主要包括ＣＶＴ的受力分析、传动滑移、承载能力等方面。按 研究方法不同，可以分为三个流派。一是以瑞典的Ｇｅｒｂｅｒｔ教授和意大利Ｓｏｒｇｅ教 授为代表橡胶带学派，他们以前一直从事橡胶带传动的研究，在金属带口丌的研 究过程中，他们承袭了橡胶Ｖ带的研究方法对金属带ＣＶＴ进行研究。二是以英国 Ｂａｔｈ大学Ｍｉｃｌｄｅｍ，Ｌｏｎｇｍｏｒｅ和Ｂｕｒｒｏｗｓ为代表的弹流学派，他们认为ＣＶＴ钢带 与带轮之间的接触形态是一种弹性流体润滑，并用弹流的经典理论对ＣＶＴ传动进 行了分析。三是以日本同志社大学藤井透ｆｌｏｒａ Ｆｕｊｉｉ）、日本本田技术研究所金原茂 （Ｓｈｉｇｅｍ Ｋａｎｅｈａｒａ）为代表的经典摩擦学派，用经典的Ｅｕｌｅｒ摩擦传动原理对金属带 ＣＶＴ传动进行研究【５ｌ。 在基础性研究方面，瑞典Ｇｅｒｂｅｒｔ认为带的变形造成了带运行过程中在带轮上 的径向滑移，带轮的轴线与钢带的运动轴线不重合，并在此假设基础上用一系列 的微分方程描述了ＣＶＴ传动的模型，并计算了钢带滑移角沿接触弧的变化情况。韩国Ｈｙｕｎｓｏｏ Ｋｉｍ采用了传统的橡胶带传动理论对钢带滑移角进行了分析，并搭３重庆大学硕士学位论文１绪论建了传动实验台，测量了由于钢带变形、滑移造成钢带在带轮上位置径向变动， 由于钢带径向位移在１０－３＿１０＂ｍｍ数量级，超过了传感器的测量精度而没有被测到 ［６１［ｖｌ。英国ＭｉｃＨｅｍ认为钢带与带轮之间的接触状态是弹流润滑，并用经典的弹流 公式和赫兹接触公式建立了ＣＶＴ的传动模型，并搭建了以发动机为动力、ＦｏｒｄＣＴＸ 无级自动变速器为测试变速箱的传动实验台，对实验过程中转矩、转速、油门、 带速、钢带运行半径、油缸压力等参数进行实时采集，并将两次测量结果带入传 动模型，通过联立方程对弹流参数进行整定，分析了ＣＶＴ传动过程中钢片间隙的产生位置和钢片间隙对传动滑移的影响。Ｇｕｅｂｅｌｉ在Ｍｉｃｌ【ｌｅｍ弹流理论的基础上建立了钢带传动损失和油泵损失的模型，若损失最低，则模型的一阶导数为零，由 此提出了对效率的优化控制，即通过优化控制系统压力，用油门柔性控制方法降 低系统对油泵排量的要求，实现对ＣＶＴ传动效率的优化控制。Ｍｉｃｌ【ｌｅｍ假设带连 续地进入和退出带轮，产生钢带在带轮上的径向滑移，假设钢带进入带轮时的作用半径总是大于退出带轮时钢带的作用半径，因此产生了钢带的转矩损失，并结合实验结果，提出了一个转矩损失计算的经验公式，并对参数进行了标定【８】。本田公司的Ｈｉｄｅａｋｅ Ｙｏｓｈｉｄａ只用一层钢环对高速下钢环的受力分布进行了实验研究，发现高速与低速时钢环的受力分布不一致，钢片肩部两边钢环的受力分布也有区 别。日产公司的清水宏文（Ｈｉｒｏｆｕｍｉ Ｓｈｉｍｉｚｕ）考虑钢带中钢片间的间隙，建立了ＣＶＴ 的三维有限元模型，并进行了运动工况下的受力解析。日本同志社大学的藤村修（Ｏｓａｍｕ Ｆｕｊｉｍｕｒａ）和本田公司的金原茂（Ｓｈｉｇｃｒｕ Ｋａｎｅｈａｒａ）认为钢带在带轮上的整个接触弧上都传递动力，引进平均摩擦系数（或名义摩擦系数）对ＣＶＴ动力传动进行 解析，并与实验结果进行了对比论证。同志社的Ｓｈｉｎｙａ Ｋｕｗａｂａｒａ和Ｙｏｓｈｉｋｉ Ｆｕｓｈｉｍｉ 将钢带与带轮、钢环与钢带之间的接触均简化成弹簧连接模型，并对钢环的张力 和钢片间的挤压力进行了解析和实验验证。日产公司的大林大介（ＤａｉｓｕｋｅＫｏｂａｙａｓｈｉ）认为钢片的间隙是造成钢带滑移的主要原因，分析了钢片间隙产生的原因及部位，用高速摄像机摄像的方法证实了间隙的存在，并推导了由于钢带间隙 所造成传动滑移的计算公式，分析了传动失效与滑移率变化的关系。在金属带ＣＶＴ的应用性研究方面，荷兰ＶＤＴ公司的Ｅ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓ介绍了ＶＤＴ公司ＣＶＴ变速箱的型号及技术特性，介绍了３．３升大功率ＣＶＴ变速箱的开发情况 及提高ＣＶＴ传递功率的主要技术特点，指出采用电子控制的ＣＶＴ是降低汽车废 气排放、提高动力性和乘坐舒适性的重要手段。日本富士重工的内山博一（Ｈｉｒｏｋａｚｕ Ｕｃｈｉｙａｍａ）对带轮变形对ＣＶＴ换挡特性的影响进行了实验研究，表明带轮变形所 造成的钢带径向滑移不是速比改变的主要原因。日本大阪大学的福场秀和建立了 汽车动力传动的多输入和多输出的状态方程，采用解耦控制的方法控制发动机的 油门和变速器速比，实验表明该方法提高了车辆的燃油经济性。韩国成均馆大学４重庆大学硕士学位论文１绪论的Ｈｙｕｎｓｏｏ Ｋｉｍ采用了三通的脉宽调制阀ＰＷＭ，搭建了ＣＶＴ匹配控制实验台，同时在计算机中存储了汽车车速一油门一速比的三维控制曲面和从动油缸压力控制的二维优化曲线，采用了模糊控制的方法进行速比和压力的控制，在不同的油 门开度和实验工况下，实验结果表明发动机被控制在优化特性曲线ＯＬＥ上工作，证实了模糊控制和匹配控制方案的有效性。韩国Ｈｙｕｎｓｏｏ Ｋｉｍ还对速比变化率和液压系统的实现，ＣＶＴ的优化匹配等方面进行了研究。日本富士重工的Ｔｏｈｒｕ只ｚ． ＥｌＩＤＥ虬建立了ＣＶＴ传动系统和液压控制系统的数学模型，用实验的方法建立了转矩比―速比一夹 紧力比之间的关系，研究了传动速比变化率及影响关系，实验表明，速比变化率正比于输入 转速以及带轮夹紧压力与平衡压力的压力差。ＴｏｈｒｕＩＤＥ还在主动带轮压力脉动的情况下进行了实验，证实了图１．３所示关系的正确性。 将图１．３所示的关系带入动力传动系统仿真，Ｋｉｃｋｄｏｗｎ降挡加速和ＷＯＴ全油门加速条件下的实验和仿真结果表明，仿真结果与实验结果图１．３速比变化率及影响因素Ｆｉｇ．１．３ ｒａｔｉｏ ｃｈａｎｇｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ一致，进一步证实了图１．３所示关系的正确性。 Ｔｏｈｒｕ的实验表明，速比改变有两种方式，一 种是当有足够的夹紧力时，钢带以一种爬行方式变速，带轮每转动一圈，钢带在带轮径向的改变量取决于带轮夹紧力与平衡压 力的压力差，与转速无关，此时换挡速度与夹紧力差及输入转速成正比。当夹紧 力不够时，速比变化处于滑移模式，速比变化率主要取决于从动缸压力和主动缸 的液阻特性，与输入转速无关，钢带在带轮整个接触弧上产生较大的径向滑移， 因此，要避免降挡时主动油缸压力下降过快，造成钢带在带轮整个接触弧上打滑， 使传递转矩减小，传动失效。Ｔｏｈｒｕ还对ＣＶＴ的传动效率进行了研究，Ｔｏｈｒｕ认为 ＣＶＴ的传动损失主要包括两部分：一部分是带传动本身的损失，一部分是液压系 统的损失。其中带传动损失与从动油缸压力、传动速比、输入转速等有关，当传 动速比小，输入转速大，从动油缸压力大，带的损失也越大，带损失与从动油缸 压力成线性增长关系。液压系统损失与发动机转速、从动油缸压力、传动速比等 有关，从动油缸压力越高、发动机转速越高，液压系统损失越大，相对而言，从 动油缸压力的影响更大。当传递一定的转矩值时，传动速比越大，液压系统效率 越低。利用实验结果，Ｔｏｈｒｕ对东京典型４工况、日本１０．１５工况进行了仿真研究， 结果表明，车辆低速时，液压系统损失较大，车辆高速时，带传动损失较大。通 过减小从动带轮压力安全系数、提高带与带轮间的摩擦系数、改进结构等方式可５重庆大学硕士学位论文１绪论以提高ＣＶＴ传动系统的整体效率。 从金属带ＣＶＴ的应用研究情况和ＣＶＴ变速器已装用数百万台的事实可以看 出，金属带ＣＶＴ传动技术己逐步成熟，人们主要从两个方面对金属带ＣＶＴ进行 研究，以进一步提高ＣＶＴ的性能。一方面是传动性能的实验研究和金属带ＣＶＴ 部件的改进设计，以提高变速器本身的承载能力和传动效率的研究：另一方面是金属带Ｃ、，Ｔ＿一发动机一道路载荷大系统的匹配控制研究，通过实验标定结合仿真 研究得到系统的优化匹配规律，以提高汽车动力传动系统的整体效率、降低排放及充分发挥动力。在金属带ＣＶＴ应用研究方面以汽车公司、研究所的研究成果最 为突出、实用，以应用为背景，以实验研究为主要手段，金属带ｃｖＴ应用技术己日臻成熟。国内对汽车无级变速器的研究最早可追述到６０年代，清华大学的宋镜瀛教授 对汽车橡胶带无级变速器进行了研究，用传统的Ｅｕｌｃｒ理论对橡胶ｖ带无级变速传 动进行了分析，对弯曲、拉伸所产生的带应力及应力对带疲劳寿命的影响进行了分析，并提出了相应结构上的改进措施，以及汽车车速一油门两参数匹配控制的简单原理。８０年代中期哈尔滨工业大学载人航天器设计教研室的杨涤教授在美国 作访问学者期间，与美国Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ．Ｄａｖｉｓ大学的ＡｎｄｒｅｗＡ．Ｆｒａｎｋ教授合作，从纯 控制理论的角度，对ＣＶＴ非线性动力传动系统进行了实验和仿真研究。８０年代末 东北大学的程乃士教授从德国回国后，开始了ＣＶＴ钢带的试制工作，并有了一定 的初步结果，应用键合图理论，推导了ＶＤＴ公司Ｐ８１１变速器液压控制系统的状 态方程，但没有具体的参数和仿真结果。９０年代初北京理工大学的姜正根教授在 兵器工业部的资助下，开展了ＣＶＴ的研究，在购买了国外的钢带后，设计制造了 简单的实验装置，但由于同为兵器工业部的长安集团对该项目不认可，ＣＶＴ项目 没有进一步的进展。姜教授也对离心飞锤式ＣＶＴ进行了实验研究，张滨刚在 Ｄ．Ｃ．ＳＵＮ教授分析的基础上对金属带ＣＶＴ的受力进行了分析。清华大学曾尝试对 金属带ＣＶＴ进行研究，武汉工学院也试图对汽车牵引式ＣＶＴ进行研究。９０年代 初，华南理工大学黄向东教授从意大利学成归国，在国家自然科学基金青年基金 的资助下，开展了金属带ＣＶＴ的研究。试制了Ｈ型金属钢带，对ＣＶＴ的匹配控 制规律进行了研究，并推导了ＣＶＴ过渡状态的理想调速率，指出了速比调节的方 向和速率，该调节规律申请了国家专利。上海交通大学花家寿教授在上海齿轮箱 厂的资助下，以ＶＤＴ公司的Ｐ８１１样机为实验件搭建了ＣＶＴ传动实验台。同济大 学工程机械系黄宗益教授在上海市科委的资助下对自动变速器进行了一些理论分析【９】。总之，从国内外对金属带ＣＶＴ的研究状况来看，金属带ＣＶＴ是一项实践性 非常强的研究，国内外对金属带ＣＶＴ的研究方兴未艾。重庆大学硕士学位论文１绪论１．３自动变速器发展展望 １．３．１自动变速器的研究开发现状汽车自动变速器的应用已有６０多年的历史，批量生产的汽车自动变速器共有三种形式：机械自动变速器ＡＭＴ、液力机械自动变速器ＡＴ、金属带式无级自动变速器ＣⅥ俐。①机械自动变速器ＡＭＴ 机械自动变速器是在现有的手动变速器基础上，增加了一套自动换挡机构而 成。自动换挡机构已成功应用的有两类，一是以电机为主的电控换挡机构，二是 以油缸为主的电液控制系统，如图１．４所示，整个液压系统有三个油缸，分别实现离合器结合控制、选挡一换挡控制。图１．４汽车机械自动变速器液压控制系统Ｆｉｇ．１．４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ａｕＩｏｍａｔｉｃ ｓｈｉｆｔ ｍａｎｕａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＡＭＴ的研究始于上世纪７０年代，瑞典Ｓｃａｎｉａ系统、德国Ｄａｉｍｌｅｒ Ｂｅｎｚ的ＥＰＳ 系统、美国Ｅａｔｏｎ的ＳＡＭＴ系统、德国ｚＦ的Ｓｅｍｉｓｈｉｆｔ，都是代表性的半自动变速 系统，１９８３年，日本五十铃公司在世界上最先研制成功电子控制全机械式有级自 动变速器ＮＡＶＩ－５，装于ＡＳＫＡ轿车投放市场，日野的蓝带大客车也装上了这种类 型的ＥＥ传动（Ｅａｓｙ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｄｒｉｖｅ）系统，美国Ｅａｔｏｎ公司在１９８３年宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化，德国ｚＦ公司对“Ｅｃｏｓｐｌｉｔ”变速器的１６７重庆大学硕士学位论文１绪论挡也完全实现了自动换挡，称为“Ａｕｔｏｓｈｉｆｌ”装置，１９８８年装于Ｇｅｎｅｖａ货车上。ＡＭＴ 是动力中断情况下的换挡，需要频繁地控制离合器，由于轿车的惯量较小，离合 器的控制好坏直接影响起步和换挡控制的平顺性，同时，每辆汽车的离合器行程 存在差异，因此，离合器起步控制和换挡操纵规律是困扰ＡＭＴ技术发展的难点， 造成ＡＭＴ自动离合器磨损和坡道、弯道意外换挡等不良现象，难于正确反映驾驶 员操纵意图，相对广泛应用的ＡＴ来说，ＡＭＴ换挡品质较差。这一阶段主要是研 究自动离合器，换挡控制与换挡控制策略，ＡＭＴ还不十分成熟， 如今，随着控制技术的发展和对ＡＭＴ技术认识的逐步加深，ＡＭＴ技术日益 成熟，性能逐步提高，功能更加完善。ＡＭＴ在欧洲玛瑞利公司量产是ＡＭＴ技术 初步成熟的标志。 ②液力机械自动变速器ＡＴ 液力机械自动变速器ＡＴ由液力变矩器和行星齿轮变速箱构成，液力变矩器既 可以增加转矩，吸收冲击振动，也可以在较小范围内无级变速。ＡＴ属于动力换挡， 行星变速箱有多个自由度，通过控制行星变速箱的离合器和制动器，就可实现ＡＴ 的挡位切换。ＡＴ的结构如图１．５所示。ＡＴ最早见于１９３９年美国通用汽车公司ｏｌｄｓｍｏｂｉｌｅ轿车上但ｙｄｒ锄ａｔｉｃ变速器），ｊ ‘合罢Ａ１ Ｂｒ日动皇Ｅ，传动比ＦＣＤ● ● ● ● ● ● ●● ●２．７１８２ ３４１．聃ｌ １．Ｏ∞●●●●０．７２０Ｒ●．２脚８图１．５ ＺＦ公司Ｇｅｔｒｌｅｂｅ４ＨＰ２０自动变速器Ｆｉｇ．１．５ Ｇｅｔｆｉｅｂｅ ４ ＨＰ ２０ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ＺＦ重庆大学硕士学位论文１绪论１９６９年法国雷诺公司推出了带电子控制的３挡ＡＴ，１９８９年日产公司推出了５挡电子控制的ＡＴ，经过数十年的发展，ＡＴ得到广泛应用，技术日臻成熟。如今， 美国轿车ＡＴ的装车率已高达９５％，日本大中型轿车达到８０％以上，欧洲发达国家５０％，大客车美国１００％，西欧９５％，工程机械美国７０％，西欧３０％，在拖拉机、 军用车辆、内燃机车等上的应用也相当广泛。ＡＴ由于采用了非机械直接连接的液 力变矩器，起步平稳，舒适。液力变矩器中的油液具有吸振作用，使车辆加速均 匀、柔和、提高了零部件寿命。液力变矩器具有增扭作用，提高了汽车的爬坡能 力。行星变速箱体积小、结构也较紧凑。但液力传力效率较低、比较耗油。行星 捧和液力变扭器加工工艺复杂、成本较高。为了降低成本，必须大规模生产，ＡＴ 的经济规模至少应在年产３０万台以上。 ⑨金属带无级自动变速器ＣＶＴ 金属带无级自动变速器ＣＶＴ由可轴向分合的楔形带轮和钢带组件构成，变速 原理类似于ｖ形橡胶带无级变速传动。金属钢带由三百多片厚１．４．１．５ｍｍ，宽２４ｍｍ 的钢片和两匝各６―１２层，厚度约０．１８ｒａｍ的钢环构成。 金属带ＣＶＴ技术的发展可追述到Ｖ形橡胶带传动。１９２８年，荷兰Ｄｒ．Ｈｕｂ Ｄｏｏｍｃ兄弟创立了Ｖａｎ Ｄｏｏｍｅ＇ｓＡｕｔｏｍｏｂｉｅｌｆａｂｒｉｅｋ ＮＶ汽车厂，１９５８在Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ 制造了橡胶带自动变速器Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ，Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ（１．４Ｌ，５１ＫＷ）采用了离心式离合器， 橡胶Ｖ形带，整个装置比较笨重，在后桥需要较大的安装空间，尽管如此， Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ仍然销售了１２０万台。１９７０年，装用了Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ的ＤＡＦ５５汽车在伦 敦．悉尼（Ｌｏｎｄｏｎ―Ｓｙｎｄｅｙ）汽车马拉松１．５升以下级别的比赛中获得胜利，声名大噪。 但由于传递转矩所限，Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ只能用于１．４升以下的汽车。Ｖａｒｉｏｍａｔｉｃ商业上 的成功使Ｖａｎ ｎｏｏｒｎｃ先生认为无级变速器是汽车唯一的最佳解决方案。 ６０年代荷兰的汽车设计者开始研究结构更紧凑，传递功率更大的ＣＶＴ，经过 分析，他们认为金属带可以传递更大的功率密度。１９６５年Ｖａｎ Ｄｏｏｍｃ退休，随后 开展了对金属钢带的研究，Ｖａｎ Ｉ）（）ｏｒｎｃ组建了一个设计和测试工程小组，研制大 功率的ＣＶＴ技术，至１９７１年Ｅｍｅｒｙ Ｈｅｎｄｆｉｋｓ加入，研究小组已有２０个工程师。 具有推力性能金属钢带的发现纯属偶然，Ｖａｎ ＤＯＯｌ＇ｎｃ为了使钢带具有更好的柔韧 性，钢带做得很薄，但在带轮侧向夹紧力的作用下，钢带很容易弯曲，所以增加 了一些活动辅助支撑块，实验发现钢带主要靠钢片的推力传递动力，这就是现代 ＣＶＴ金属带的雏形。１９７３年，第一台装用钢带的ＣＶＴ变速器装用在ＤＡＦ６６汽车 上，因为耐久性、可靠性，噪声及高的制造成本，没有大批量生产，之后，钢带 又重新作了设计，即应用比较成功的ＶＤＴ金属钢带，由于Ｖａｎ Ｄｏｏｍｅ先生的去世， ＣＶＴ技术的发展受到了挫折，在芬兰Ｔｉｌｂｕｒｇ的ＣＶＴ工厂，在大规模生产方面遇９重庆大学硕士学位论文１绪论到了困难，在荷兰政府的资助下度过了难关。如今，ＶＤＴ取得了巨大的发展，１９９５ 年并入德国Ｒｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈｅ集团，９６年年产ＶＤＴ钢带２３万套，到２００１年中期，全球ＣＶＴ增长到年产１百万套，２００４年将达到年产３百万套。随着越来越多的汽车生产厂家对ＣＶＴ技术产生了兴趣，１９９９年下半年，Ｔｉｌｂｕｒｇ诞生了第二个ＣＶＴ 制造厂，２００４年，在日本，将建立另一个ＶＤＴ工厂。 如今，在２．０升以下的中小排量ＣＶＴ变速传动技术已经成熟，１９８７―１９９３年 ＶＤＴ累计生产的６０万台ＣＶＴ变速器中，如图１．６所示，钢带故障率只有十万分 之八。同时，ＺＦ公司开发成功发动机纵置前驱ＣＴＴ、发动机纵置后驱ＣＲＴ、发动 机横置前驱ＣＦＴ等各种形式的ＣＶＴ，ＣＶＴ的应用范围逐步扩大。”万套中出故障１”套‘故障率‘ｏ?ｏ“’ＣＶＴ传动速比可以无级调节，使 在更大范围内控制发动机的工作点成为可能，可以真正实现发动机一变图１．６ １９８７＿１９９３年ｖＤＴ公司ｃｖＴ故障率。速器一道路载荷的最佳匹配，是汽车理想的变速器。ＣＶＴ挡位无级调节， 换挡过程中没有动力中断，可以充分发挥发动机的动力性，提高换挡的平顺性，减少换挡冲击。同时，ＣＶＴ提供了达 ０．５的超速比，扩大了车辆变速的范围，使车辆可在发动机较低转速与较高转矩工 况下输出功率，不仅减少噪声，增加动力传动系统效率，降低辅助装置的动力损 耗，同时使发动机转矩增加，燃烧效率提高，排气中的ＣＯ与ＣＨ减少。发动机排 气总量减少与温度升高使催化转换反应条件也得到改善【１０ｌ。ＣＶＴ具有以下技术特 性： （１）经济性 ＣＶＴ可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最 佳匹配，提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的Ｇｏｌｆ ＶＲ６轿车上分别 安装了４一ＡＴ和ＣＶＴ进行ＥＣＥ市区循环和ＥＣＥ郊区循环测试，证明ＣＶＴ能够有效节 约燃油（如表１．２）表１．２燃油消耗对比１’ａｂｌｅ １．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ试验油耗 ＥＣＥ市区循环，Ｌ／１００ｋｍ ＥＣＥ郊区／远程循环，Ｌ／ｌＯＯｋｍ ９０ｋｍ／ｈ匀速，Ｌ／１００ｋｍ１２０ｋｍ／ｈ，Ｌ／ｌＯＯｋｍ４―ＡＴ１４．４ １０．８ ８．３ １０．３ＣＶＴ１３．２ ９．８ ７．Ｏ ９．２１０重庆大学硕士学位论文１绪论（２）动力性 汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大， 汽车的动力性愈好。由于ＣＶＴ的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比， 所以ＣＶＴ的动力性能明显优于机械变速器（ＡＭＴ）和自动变速器（ＡＴ）。表】．３为分别 安装４一ＡＴ和ＣＶＴ的克莱斯勒的Ｖｏｙａｇｅｒ轿车的动力性比较，安装ＣＶＴ的汽车拥有 更佳的动力性能。表１．３动力性对比Ｔａｂｌｅ １．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆｐｏｗｅｒ项目０―３０ｋｍ／ｈ４一ＡＴ１４．４ １０．８ＣＶＴ１３．２ ９．８加速时间（ｓ）０－１００ｋｍ／ｈ（３）低排放 ＣＶＴ的速比工作范围宽，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过程， 降低了废气的排放量。ｚＦ公司将自己生产的ＣＶＴ装车进行测试，其废气排放量比 安装４一ＡＴ的汽车减少了大约１０％。 （４）低成本 ＣＶＴ系统结构简单，零部件数目比ＡＴ（约５００个）少（约３００个），一旦汽车制 造商开始大规模生产，ＣＶＴ的成本将会比ＡＴ小。由于采用该系统可以节约燃油， 随着大规模生产以及系统、材料的革新，ＣＶＴ零部件（如传动带或传动链、主动轮、 从动轮和液压泵）的生产成本，将降低２０％－３０％。１．３．２发展展望 由于ｃ＇ｘｒｒ能实现发动机一变速器―道路载荷的最佳匹配，实现汽车动力传动系统最佳的燃油经济性和动力性，同时，ＣＶＴ连续无级换挡，大大减小了换挡冲 击，是汽车理想的变速器。Ｃ、，ｒ以上的优异性能逐步获得了市场的认可，越来越 多的汽车生产商开始装用ｃｘｒｒ，由表１．４和图１．７可以看出，全球ＣＶＴ的产量和 市场占有率逐渐增加，已经有超过十个的主要汽车生产商，超过５０多个汽车品牌 装用了ＣＶＴ。（如表１．４所示） 福特公司己计划和德国的ｚＦ公司在俄亥俄州的巴塔维亚建立合资企业，从 ２００３年开始生产ＣＶＴ无级变速箱。届时，２００３年生产的福特紧凑型轿车中的 ２０％一３０％将装备ｃＶＴ，到２００５年工厂的年产量将达到一百万台ＣＶＴ无级变速箱。 ＶＤＴ公司的Ｅ。Ｈｅｎｄｒｉｋ因此有理由对ｃｘｒｒ的发展做出乐观的估计【¨】，如图１．７所 示，Ｈｃｎｄｒｉｋ认为ＡＴ靠增加挡位来提高性能，由于性价比的限制，带锁止离合器的５ＡＴ已经到了ＡＴ发展的极限，具有接近５挡手动变速器的性能。而通过扩展ＣＶＴ的速比范围，增加液力变矩器，采用电子控制系统，ＣＶＴ可以获得超过５挡重庆大学硕士学位论文１绪论表１．４历年各种自动变速器市场占有率概况Ｔａｂｌｅ １．４ Ｏｃｃｕｐａｎｃｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｍａｒｋｅｔ ｉｎ １９９０―２０００年份１９９０三挡Ａ１’（百万台） ７．０（３６％） ２．６（１２％） １．４（５％）四挡ＡＴ五挡ＡＴ无级变速ＣＶＴ总计１２．２∽％）１９．０（８６％） ２２．７（８７％） ０．２５（１％） １．３（５％） ０．２５（５％） ０．６（３％）１９．２（１００％） ２２．１（１００％）２６．１１９９５２咖０００％）翻１．７各国ＣＶＴ的生产情况Ｆｉｇ．１．７ ＣＶＴ ｐｒｏｄｕｃｔ ｓｔａｔｅ ｏｆＪａｐａｎ，Ｅｕｒｏｐｅ，ＵＳＡ ａｎｄ Ｋｏｒｅａ手动变速器的性能，而采用ＣＶＴ的混合动力系统，则可以进一步改善汽车动力传 动系统的性能。 据美国环保局公布的２０００年美国市场省油轿车的数据，装用了ＣＶＴ变速器 的本田思域Ｈｘ位居第七位，而本田Ｉｎｓｉｇｈｔ混合动力轿车则为２０００年美国市场最 省油的轿车。其综合油耗为６５英里，加仑（２７．６ｋｍ／Ｌ），实际燃油消耗已经与国内 １２５ｃｅ等中等排最的摩托车差不多。根据今年初美国油价，假定每年行驶１５０００英 里（约２４１３５ｋｍ），且５５％里程在市内行驶，其余里程在公路行驶，每年用于燃油的 花费仅为２７７美元。由于电动汽车和燃料电池汽车造价高，技术还未成熟，因此， 有理由相信混合动力系统是未来自动变速系统的最终发展方向。１．４本文的研究目的和研究内容本文是国家自然科学基金重点项目（编号：５９８３５１６０）《机械／流体传动系统的 节能及新型传动方式的基础性研究》，国家教委重点项目（教技司（９８）１２１号１《汽车 无级自动变速器的关键技术研究》，重庆青山机械有限公司、重庆长安汽车有限公 司（ＭＩＩ汽车无级自动变速器ＣＶＴ样车的研制》项且的重要组成部分。本项目是 与重庆大学机械传动国家重点实验室及重庆青山机械有限公司合作研制，本文研 究的主要目的： ①根据系统要求，提出切实可行的ＣＶＴ电子控制单元的整体方案；１２重庆大学硕士学位论文１绪论②根据系统方案，设计一套符合项目要求的ＣＶＴ电子控制单元，即完成电子控制单元软、硬件设计，设计ＣＶＴ的控制算法，并编制ＣＶＴ的控制流程和控制策 略； ③以小羚羊轿车为装车对象，完成对样车的各种测试，并最终通过国家科学 委员会的鉴定。 本文研究的主要研究内容包括以下几个方面： ①查阅资料，了解ＣＶＴ的基本原理，在此基础上提出ＣＶＴ的电子控制单元的系 统设计方案；②根据所提出的方案，完成ＣＶＴ电子控制单元硬件的设计； ⑧用ＶＨＤＬ、Ｖｃｄｌｏｇ ＨＤＬ和ＡＨＤＬ语言以及原理图输入等方式完成ＣＰＬＤ的设计；④根据ＣＶＴ的控制特性，设计基于Ｆｕｚｚｙ控制算法和ＰＩＤ控制算法的Ｆｕｚｚｙ控制器和ＰＩＤ控制器，在ＣＶＴ匹配控制实验台上对控制参数进行了初步整定。比较 它们之间的优缺点，选择了Ｆｕｚｚｙ控制算法作为ＣＶＴ的控制算法。在此基础上初 步完成ＣＶＴ控制流程的设计： ⑤应用软件工程学的知识完成单片机汇编程序和Ｐｃ机程序的设计，并实现两 者的紧密配合以完成对汽车上各种参数的监控和ＣＶＴ的整个控制流程；＠以小羚羊轿车为装车对象，完成对样车的匹配台架实验和道路实验，并请专业驾驶员评价，在此过程中逐步完善ＣＶＴ控制流程。完善ＣＶＴ控制流程后将 ＰＣ机程序控制部分修改为单片机汇编程序，固化到单片机中实现样车脱离笔记本 ＰＣ而独立运行。重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本Ｔ作原理２方案设计与基本工作原理２．１引言为了设计汽车ＣＶＴ的电子控制单元，首先需要了解汽车上的电子控制单元ＥＣＵ的结构和工作原理。目前在一些中高级轿车上，不但无级变速传动系统上应用ＥＣＵ，在其它许多地 方也使用ＥＣＵ。例如防抱死制动系统、发动机、主动悬架系统、安全气囊系统、多 向可调电控座椅等都配置有各自的ＥＣＵ。随着轿车电子化自动化的提高，ＥｃＵ将会 日益增多，线路会日益复杂。为了简化电路和降低成本，汽车上多个ＥＣＵ之间的 信息传递就要采用一种称为多路复用通信网络技术，将整车的ＥＣＵ形成一个网络 系统，也就是ＣＡＮ数据总线【１２ｌ。 简单地说，ＥＣＵ由微机和外围电路组成。而微机就是在一块芯片上集成了微处 理器（ＣＰＵ），存储器和输入／输出接口的单元。ＥＣＵ的主要部分是微机，而核心 件是ＣＰＵ。ＥＣＵ将输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工， 计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例如继电器 和开关等。因此，ＥＣＵ实际上是一个“电子控制单元”，它是由输入电路、微机和 输出电路等三部分组成。 输入电路接受传感器和其它装置输入的信号，对信号进行过滤处理和放大， 然后转换成一定电压大小的输入电平。从传感器送到ＥＣＵ输入电路的信号既有模｛辅韵箍屯嚣】曩刁￡≥：捌摊幕瓣 图２．１电控燃油喷射系统Ｆｉｇ．２．１ ｔｈｅ ｓｐｕｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｅｌ１４重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本工作原理拟信号也有数字信号，输入电路中的模／数转换器可以将模拟信号转换为数字信 号，然后传递给微机。微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理 数据送至输出电路。输出电路将数字信息的功率放大，有些还要还原为模拟信号， 使其驱动被控的调节伺服元件工作。 这里应用电控燃油喷射系统的ＥＣＵ简单介绍一下ＥＣＵ的基本结构和工作原 理。图２．１为电控燃油喷射系统结构图。它的ＥＣＵ的主要功能是根据发动机运转 状况和车辆运行状态确定燃油最佳喷射量，以此控制发动机的最佳空燃比。 通常，ＥＣＵ首先根据进气管压力传感器或空气流量计的进气量信号及发动机 的转速信号，计算基本喷油时间，然后再根据发动机的水温、节气门开度等工作 参数信号对其进行修正，确定出当前工况下的最佳喷油持续时间，从而控制发动及的空燃比。根据发动机的要求，ＥＣＵ还具有控制发动机的最佳点火时问，怠速转速、废 气再循环率、故障自诊断等功能。传感器ＥＣＵ模 拟 信号Ｉ。、输入 回 路口输 回 路出器鬟执 行 器数 字 信 号输 入 回 路生Ｌ＼ｏｌ卉健翼 １１于ｌ怕币哥一Ｊｏ――一Ｌ―――１ＣＰＵ图２．２ＥＣＵ的基本结构Ｆｉｇ．２．２ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＥＣＵ图２．２为ＥＣＵ的基本结构图，其主要由输入回路、Ａ／Ｄ转换器、微型计算机 和输出回路等四部分组成。其控制核心就是微型计算机（ｃＰｕ），所以人们习惯把 ＥｃＵ称为汽车的大脑。（１）输入回路如图２３所示，从传感器传递的输入信号一般都要经过输入回路滤波、整形、 放大等处理后，才能送至中央处理器（ＣＰＵ）进行运算控制。 例如磁电式曲轴位置传感器客输出曲轴位置或发动机转速信号，其信号幅值随 发动机转速变化。当转速较低时，信号较弱，一般可将信号通过整形及放大处理 成标准的方波后，再送入微型处理器（ＣＰＵ）进行运算和控制，可提高信号的识重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本工作原理别能力。此外，曲轴位置传感器信号转子的齿数一般只有几十个，为了精确控制发动机点火时间需要得到０．５０或１０曲轴转角信号，通过输入回路进行处理后可 达到此目的，使得曲轴每转一圈，输入回路相应产生 ７２０个或３６０个脉冲，ＣＰＵ便可得到０．５０或１０曲轴转角信号。 （２）Ａ／Ｄ转换器麓＾撤蠹传感器的输出信号根据其信号特征一般可分为模 拟信号、开关量信号和连续脉冲信号等类型，如水温 信号（模拟）、怠速信号（开关量）及发动机转速信号 （连续脉冲）。信号的性质不同时，输入ＥＣＵ后处理的方法也不相同。 由于ＣＰＵ只能识别数字信号，故图２．３输入回路作用Ｆｉｇ．２．３ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｏｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ当传感器的输出信号为数字信号时，可直接送至ＣＰＵ，而传感器的输出信号为 模拟信号时，必须通过Ａ／Ｄ转换将其转◆霎＾％ｔ童嘉◆襄图２．４ Ａ／Ｄ转换器工作过程示意图Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ换成数字信号后，才能输至ＣＰＵ中进行 运算处理，进而控制各种执行器的动 作。例如，空气流量计的输出信号时随 发动机的负荷变化且连续可变，其信号 编号范围为ｏ＿＿５ｖ。将该信号通过图２．４送至ＣＰＵ中进行运算处理。Ｆｉｇ．２．４ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ（３）微型计算机 微型计算机是ＥＣＵ的核心部分，主要是由中央处理器、存储器及输入／输出接 口等部分组成。 中央处理器通常叫ＣＰＵ是整个控制系统的核心，主要由可进行数据运算和逻 辑运算的运算器、暂时存储的寄存器和控制器组成。其作用是根据传感器输出的 发动机运行工况中各种参数信号的变化进行运算处理，并找出最优控制目标，对 执行器进行适时控制。 存储器是具有保存和存取数据的功能。存储器又可分为随机存储器（ＲＡＭ） 和只读存储器（ＲＯＭ）。ＲＡＩＶｌ可随时存取计算机工作中产生的过程参数，如发动 机运行时故障码、空燃比学习修正值及怠速学习修正值等。一般这些ＲＡＭ读可用 专用的后备电路和蓄电池的电源线直接连接，使它不受点火开关波内阁制，但当 电源专用后备电路断开时或蓄电池电源线拔掉时，存入ＲＡＭ中的数据将会因此而丢失。１６重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本工作原理ＲＯＭ在计算机工作时，只能进行读操作，写入操作只能是在脱机情况下事先 进行的。ＲＯＭ中的内容不会因断电而消失，可永久保存已写入的信息。在发动机 控制系统的ＲＯＭ中保存数据一般是控制程序软件、喷油量控制和点火控制的数学 模型和一些控制序列参数。 输入，输出（Ｉ／Ｏ）接口电路是ＣＰＵ与传感器及控制器进行正常通信的控制电路。 Ｉ／Ｏ接口是微机中不可缺少的部分，它起着数据缓冲、电平匹配及时序控制等多种功能。 （４）输出回路一般微机输出的数字信号，而且信号的输出功率较小，通常无法直接驱动执行 器动作。因此，必须采用输出驱动回路，将数字信号转换成可以驱动执行器工作的输出信号。随着电子技术的发展，发动机集中控制系统除了一些基本控制装置外，还增设 了抗电磁干扰的保护装置、自检装置和后备系统等，组装成电子控制盒，安装在汽车上。２．２方案设计ＥＣＵ是ＣＶＴ的核心组件。在讲述方案设计之前，先介绍一下该系统具有的输入、输出信号：输入信号：（１）与其他电控单元的通讯信号； （２）从动带轮油缸压力信号； （３）主动带轮转速、从动带轮转速信号、发动机转速信号； （４）变速器油温信号： （５）制动踏板（开关量）输入信号； （６）挡位传感器输入（开关量）信号；∽换挡模式输入（动力性模式换挡，经济性模式换挡）信号；输出信号：（１）主动油缸压力控制阀信号； （２）从动油缸压力控制阀信号； （３）前进／后退离合器、变矩器闭锁离合器控制阀信号；（４）Ｐ、Ｒ、Ｎ、Ｄ、Ｌ挡位指示；（５）换挡模式显示； （６）诊断接口及出现故障时的报警警示灯： 根据上面的要求，该系统方案的总体框架如下图２．５所示：１７重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本工作原理电鳓厂＝＝］ ｜主僦ＬＩ―堕．／【转速Ｊ Ｉ发动机１笔记本电脑八燮Ｊ．ｒ＝二］Ｉ从动带轮Ｌ－千上 驯鲫卜＼ ／一 ７【黼Ｊｊ１， 叱鳖）气彰＿－一ＰＭＷｊ弋。？ ，上ｄ揣卜１｛磊、）ｆ上、【转速广▲厂――一、Ｔ≮巫）Ｉ竺Ｊｆ育锨挂和］Ｉ发动饥ＬＩ油门开度】世二竺７其它参数７刨◆【加Ｊ，］ｌ紫Ｊ７ｌ删几划硼 、、、．．．．．．．．．．．．．．．／、、～，７ｌ图２．５系统的结构框图Ｈｇ．２．５ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍＥＣＵ有两大主要功能：检测和控制。考虑到汽车上需要测量的参数多，干扰大 以及使系统保持较好的实时性能，我们采用了ＭＣＵ与ＣＰＬＤ配合的作为ＥＣＵ的控制核心。由于本系统中大部分实验都要在汽车上进行，而修改和查看单片机中固化的程 序极不方便；也由于ＣＶＴ汽车的控制规律是本项目的难点，需要在实际的测试中 不断的摸索和完善，经常需要对程序进行修改，直接编制汇编程序不便于我们调 试，更不便于我们整定ＣＶＴ的控制规律，所以我们将ＣＶＴ控制部分从单片机程序 中移出，单片机程序只傲数据采集，控制量执行的工作，而ＣＶＴ复杂的控制规律 由Ｐｃ机程序来实现。这样能够充分利用Ｐｃ机程序方便的调试环境和可视化的界 面，大大的提高了开发效率，缩短开发时间。ＰＣ机程序通过串口与ＥＣＵ交换的数 据；Ｐｃ机程序对接收到的数据进行处理转换成实际值显示在程序界面上，并做出 一些重要参数的实时曲线。这样我们能方便、直观的查看汽车上的各种参数，而 且能够查看一些重要参数的变化趋势。同时ＰＣ机程序的控制部分根据事先拟定好 的控制规律计算出控制量回送给ＥＣＵ，ＥＣＵ再根据这些控制量控制汽车运行。 为了与汽车上其他ＥＣＵ实现数据共享，本系统中增加ＣＡＮ控制芯片，通过汽 车上标准的ＣＡＮ总线与其他ＥＣＵ交换数据。２．３基本工作原理汽车ＣＶＴ的ＥＣＵ的基本工作原理是：首先汽车上各种参数通过各自的传感器１８重庆大学硕士学位论文２方案设计与基本工作原理转换为相应的电信号。传感器包括主动带轮转速传感器、从动带轮转速传感器、 发动机转速传感器、温度传感器、压力传感器等。传感器监测的参数包括主动带 轮转速、从动带轮转速、发动机输出转速、散热器水温、变速器油温、节气门开 度、从动带轮压力等。当汽车运行异常时，系统还可根据具体情况发出相应的报 警信号。 转速传感器输出的脉冲量信号经Ｒｃ滤波、光电隔离后通过旖密特触发器整形 后送入复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）处理。传感器输出的模拟量信号经过滤波后 送入Ａ／Ｄ转换器转换成数字量直接送入ＭＣＵ处理。开关量信号经过光电隔离后 送入ＣＰＬＤ处理。 ＣＰＬＤ完成对信号的数字滤波和对数据的初步处理后，将数据送入ＭＣＵ。ＭＣＵ主 要控制对输入信号的采样，然后将采集的各种数据打包并通过串口发送给Ｐｃ机。 ＰＣ机程序对数据进行最终处理，将处理的结果显示在程序界面上，以及绘制出重 要参数的实时曲线。Ｐｃ机程序的控制部分根据事先拟定好的控制规律计算出控制 量，并将控制量通过串口回送给ＭＣＵ。ＭＣＵ根据这些控制量控制ＣＶＴ的执行机构， 使ＣＶＴ完成各种动作。同时对一些量如散熟器温度、油温等量设置报警值，一旦 数据达到预先设置值，报警电路启动，提醒司机及时处理和采取对策。 系统设有看门狗电路，当电源干扰等原因造成系统故障时，看门狗电路启动， 系统自动恢复运行。系统所用看门狗芯片带有非易失性存储器，可实现重要数据的掉电保存。ＥＣＵ的供电电源采用的是汽车上专用电瓶为直流电１２Ｖ，经整形滤波输出更稳 定的１２Ｖ和５Ｖ，供ＥＣＩＪ及各传感器使用。１９重庆大学硕士论文３系统的硬件设计３系统的硬件设计３．１引言硬件和软件是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该系统的硬件电路 设计。本系统在硬件电路设计时，主要从以下原则出发： （１）硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可 用软件来实现，反过来～些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现 硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用ＭＣＵ时间。但是用软件实现 硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本，因此在 本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软 件来实现。而且本系统在设计中使用了复杂可编程逻辑器件，吸收了硬件和软件 的优点㈣。 （２）可靠性及抗干扰设计。由于汽车在运行过程中工况复杂，工作环境恶 劣，ＥＣＵ不仅要承受不良路面所引起的振动和冲击，而且要承受汽车内部 电器系统的电磁干扰。汽车是一种直接关系人们生命安全的交通工具，因 此对电路的可靠性及抗干扰性提出了相当高的要求。根据可靠性设计理论， 系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少， 地址数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越少，因此单片机系统的设计思想 是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。本系统采用了单片机与复杂可 编程逻辑器件配合，因此从元件数、电路板空间、功耗、抗干扰及系统成本上都 得以大幅度改善㈤。 （３）灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需 要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改 变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活 是衡量一个系统优劣的重要指标。 （４）紧凑的电路设计。由于汽车可用空间狭小，对电路板的大小有严格的限制。 本文所述系统的数字电路板规模大，尺寸小，因此在设计中尽量采用贴片式封装 的芯片和元件，电路布线较为密集。当然这也对电路的抗干扰性提出了更高的要求。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，确定系统硬件如图３．１所示。重庆大学硕士论文３系统的硬件设计主动油缸压力控制阀 从动油缸压力控制阔 前进，后退离台器 变矩器闭锁离台器指示灯声音灯光Ｐｃ机其他设备图３．ｉ系统硬件电路结构框图Ｆｉｇ ３．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ３．２系统硬件设计３．２．１ＭＣＵ与ＣＰＬＤ配合本系统采用ＭＣＵ与ＣＰＬＤ配合组成控制单元的核心，ＭＣＵ主要完成与 ＰＣ机通讯和控制ＣＰＬＤ采集数据和执行控制量的工作，ＣＰＬＤ主要负责数字 滤波，测转速信号和ＰＷＭ波形的实现。 该系统要求测量和控制的参数较多，控制规律复杂，实现其控制规律需要占 用大量的ＣＰＵ时间，但系统又要求尽可能高的实时性，故ＭＣＵ选用了华邦（Ｗｉｎｂｏｎｄ） 公司的Ｗ７７Ｅ５８芯片【”】。Ｗ７７Ｅ５８是一种快速的５ｌ系列微控制器。它不但具有８０５１ 的所有功能还采用了经过优化的处理内核，使其机器周期由原来的１２个时钟周期 缩减为４个，在同样晶振振荡周期下，程序执行速度为一般５ｌ系列微控制器的三 倍，可较好的满足该系统实时性的要求【“】【”】。每片Ｗ７７Ｅ５８有两个全双工串行接口， 满足了该系统的串行通信的要求。该芯片还集成了１０２４个字节的静态存储器 （ＳＲＡＭ），可直接用ＭＯＶＩ指令访问，大大方便了本系统中大量数据的存储、处理重庆大学硕士论文３系统的硬件设计和转移工作。由于信号多、数据量大，Ｗ７７Ｅ５８无法单独完成这么多的工作。因此本 系统中采用了ＣＰＬＤ与Ｗ７７Ｅ５８配合组成控制单元的核心，以Ｗ７７Ｅ５８来实现 实时控制，完成汽车无级变速系统的各种自动控制规律的实现，通过串口 与ＰＣ机交换数据，控制ＣＡＮ芯片与其它ＥＣＵ交换数据；而ＣＰＬＤ作为辅助 处理器，以ＣＰＬＤ来实现数字滤波和测转速信号，执行机构的ＰＷＭ波形的产生也由ＣＰＬＤ来实现。３．２．２脉冲量信号转换单元汽车上有３个转速信号（车速、发动机输出转速、中间轴转速）需要 测量，他们分别接上一个转速传感器检测转速，下面取车速传感器这一路 来论述。 本系统中采用的转速传感器为霍尔效应传感器，它由一个几乎完全闭 合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁 和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍 尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场，因此，叶片转子窗口的作 用是开关磁场，使霍尔效应象开关一样地打开或关闭［ｔ８１。霍尔传感器是依据霍尔效应制成的 传感器，其结构如图３．２所示。当电流Ｉ 通过放在磁场中的半导体电基片（称霍尔 元件）且电流方向与磁通Ｂ方向垂直时，电荷在洛伦兹力作用下沿电流方向的一侧发生漂移。因此在垂直于电流与磁通的 霍尔元件的横向截面上会产生一个与电 流和磁场强度成正比的电压，称为霍尔电压Ｕｎ，霍尔电压可用下式表达：图３．２霍尔传感器的结构Ｆｉｇｃ３．２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅｌｌｓｏｒＵ。一盟膪 。’ｄ式中ＤＲＨ～一霍尔系数；ｄ一一基片厚度：Ｉ一一磁场电流；Ｂ一一磁场强度。可以肯定，当结构一定且电流Ｉ为定值时， 霍尔电压ＵＨ与磁场强度成正重庆大学硕士论文３系统的硬件设计比。转速传感器将转速信号转换成脉冲波形，并且脉冲波形的周期随着转 速的升高而成比例的减小。传感器输出的脉冲波高电平为０．４８Ｖ，低电平 为０Ｖ。当然输入信号不能直接送入ＣＰＬＤ进行处理，还应设置电压比较 器进行电平转换。本系统中采用ＬＭ３３９芯片。 ＬＭ３３９芯片内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：１）失调电压小，典型值为２ｍＶ；２）电源电压范围宽，单电源为２―３６Ｖ，双电源电压为±１Ｖ一±１８Ｖ：３）对比较信号源的内阻限制较宽；４）共模范围很大，为Ｏ一（Ｕｃｃ一１．５Ｖ）７０：５）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压：６）输出端电位可灵活方便地选用。ＬＭ３３９类似于增益不可调 的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个 称为同相输入端，用“＋”表示，另一个称为反相输入端，用“一”表示。 用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称 为门限电平，它可选择ＬＭ３３９输入共模范围的任何一点），另一端加一个 待比较的信号电压。当“＋”端电压高于“一”端时，输出管截止，相当于 输出端开路。当“一”端电压高于“＋”端时，输出管饱和，相当于输出端 接低电位。两个输入端电压差别大于１０ｍＹ就能确保输出能从一种状态可 靠地转换到另一种状态【１９Ｉ。 脉冲信号的输入接口电路图如图３．３。转速传感器输出信号ｖｉ。经Ｒ３ 与ｃ１组成的ＲＣ滤波电路，滤出高频噪音后送入电压比较器的同相输入 端。比较器的反相输入端接参考电压，这里参考电压有Ｒ２与Ｒ３串联分压 得到，Ｒ２与Ｒ３选择不同的电阻值可得到不同的参考电压。本系统中比较 电压设置为０．２７ｙ可满足要求。当输入信号ｓＰｌ为高电平０．４８Ｖ时，同相 输入端电压大于反相输入端电压，输出端输出高电平１２Ｖ；当输入信号ＳＰｌ 为低电平ＯＶ时，同相输入端电压小于反相输入端电压，输出端输出低电 平ＯＶ。最后将输出端输出信号接入光电隔离器进行电平转换，转换为ＣＰＬＤ图３．３转速信号输入电路Ｆｉｇ．３．３ Ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ重庆大学硕士论文３系统的硬件设计能够处理的ＴＴＬ电平。３．２．３模／数转换单元系统中有８路输入信号为模拟量信号，而微控制器只能处理数字信号 因此必须设置模／数转换单元。下面取温度传感器这一路来论述。 本系统中温度传感器采用的是热敏电阻式温度传感器，它是利用半导 体的电阻随温度变化而改变的特性，其灵敏度高。有ＮＴＣ（负温度系数） 和ＰＴＣ（正温度系数）两种。但是其输出特性线性差，使用温度限于３００。Ｃ 以内。热敏式传感器的相应特性比较好，因而被广泛地用于检测冷却水和 进气温度。图３．４为热敏式温度传感器结构。 为了得到温度传感器电阻与温度的对应关系，首先对温度传感器进行 现场标定掌握其特性。标定结果如图３．５１∞１６０一、１４０ｐ―１２０ 越１６０ 孵∞６０ ４０热ｔ电组２０温度传癌器电阻（千欧）图３．４温度传感器结构Ｆｉｇｃ３．４ Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图３．５温度传感器标定结果Ｆｉｇ．３．５ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ－ｔｈｒｏｔｔｌｅｓｅｎｓｏｒｏｆｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ图３．６为模拟信号的输入处理电路，热敏电阻传感器是电阻值随温度 变化而变化。电路中热敏电阻与电阻Ｒ２串连分压使ｖｉ。处的电压值随温度 变化而变化。电压信号再经Ｒ１与ｃ１组成的ＲＣ滤波电路，滤除高频噪音 后送入ＬＭ３２４输入端。ＬＭ３２４与Ｒ４组成一个电压跟随器，ｖｉ。处电压与 Ｖｏｕｔ处电压相等，其输入阻抗高而输出阻抗低，可以实现阻抗变换的作用。 采用适当的反馈，不但可以获得必要的闭环增益，还可以提高信噪比，扩 展工作频率和减小非线性。最后将输出电压送入ＡＩＤ转换器转换成数字信号以便ＭＣＵ处理。本系统中ＡＩＤ转换器选用的是美信（ＭＡＸＩＭ）公司的ＭＡＸｌ９７芯片刚。重庆大学硕士论文３系统的硬件设计ＭＡＸｌ９７芯片是美国ＭＡＸＩＭ公司近年的新产品。是多量程（±１０Ｖ，±５Ｖ，０～ １０Ｖ，Ｏ～５Ｖ）、８通道、１２位高精度的Ａ／Ｄ转换器。它采用逐次逼近工作 方式，有标准的微机接口。三态数据Ｉ／０口用做８位数据总线，数据总 线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与ＴＴＬ／ ＣＭＯＳ电平兼容。新型Ａ／Ｄ转换器芯片ＭＡＸｌ９７与一般Ａ／Ｄ转换器芯片相比， 具有极好的性能价格比，仅需单一＋５Ｖ供电，且外围电路简单，可简化电路设计【２０１１２１１。图３．６模拟信号的电路图Ｆｉｇ．３．６ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ３．２．４开关信号接口单元该系统中有许多路开关量需要监测。下面取一路来论述。 图３．７为一路开关量信号输入处理电路。汽车上的开关量信号都是直接使用电 瓶电压信号，即电压信号的低电平为０Ｖ，高电平为１２Ｖ。而ＭＣＵ和ＣＰＬＤ等其他芯 片都采用的是ＴＴＬ电平不能处理直接处理１２Ｖ电平。为此必须使用光电隔离器将 外部１２Ｖ电平隔离，转换成ＴＴＬ电平。如图３．７所示，当开关量信号为低电平Ｏｖ， 光电隔离器不导通，输出为高电平５Ｖ；当开关量信号为低电平１２Ｖ，光电隔离器 导通，输出低电平ＯＶ。这样就将外部１２Ｖ电平的开关量信号转换为ＴＴＬ电平的开关量信号。图３．７开关量信号单元 Ｆｉ９３．７ Ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｏｎ－ｏｆｆ ｓｉｇｎａｌｉｎｐｕｔ重庆大学硕士论文３系统的硬件设计３．２．５控制阀驱动电路ＭＣＵ和ＣＰＬＤ输出为数字信号，而且输出功率很小无法直接驱动ＣＶＴ的 控制阀，为此必须设置控制阀的驱动电路。ＣＶＴ的控制阀主要采用了比例 阀，比例阀输出压力与输入电流的关系有较强的再现性、和一定范围内良 好的线性特性，本文采用了如图３．８所示的比例阀驱动放大电路。 由于驱动电路输出电流很大，为了保护ＣＰＬＤ免受外部大电流的 影响，在ＣＰＬＤ与驱动放大电路之间 设置光电隔离器。同时光电隔离器 还能够滤出控制信号中的高频噪 音，防止控制阀误动作。三极管Ｔｌ 基极输入端接受光电隔离器输出的图３．８控制阀驱动放大电路Ｆｉｇ．３．８ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅｓ控制信号Ｖ帕这里三极管Ｔｌ起电流放大作用。由于功率管Ｔ２为基极 电流驱动型的功率管，光电隔离器输出电流不能够直接驱动功率管Ｔ２。当Ｖ抽输出高电平时Ｔ１导通，集电极 输出电流驱动功率管Ｔ２导通，ｖ。。，输出高电平；当Ｖｈ输出低电平时Ｔ１ 关断，集电极不输出电流，功率管Ｔ２截止，ｖ。输出低电平。图中二极管 Ｄ起续流作用，当功率管Ｔ２导通时有大电流通过。由于驱动放大电路只在 完全导通和完全截止两种工况下工作，所以管功耗很小，是一种节能电路。３．３复杂可编程逻辑器件的应用可编程逻辑器件是指用户根据实际应用的需要，利用编程的方式确定 器件逻辑功能的集成电路芯片。根据其两大主流生产厂商Ａ１ｔｅｒａ和ｘｉｌｉｎｘ 对器件的不同划分，常把可编程逻辑器件划分为复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ和现场可编程门阵列ＦＰＧＡ两类【２２１１２３１。ＣＰＬＤ是在ＰＡＬ，ＧＡＬ等逻辑器件的基础之上发展起来的大规模集成电路 芯片。它的基本结构主要由三部分所组成： （１）一个二维的逻辑块阵列，构成了ＣＰＬＤ的逻辑核心： （２）输入／输出块； （３）连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段所组成， 其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间，逻辑块与输入／输出块之间的连接。重庆大学硕士论文３系统的硬件设计用ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ进行电子线路设计，具有以下显著的优点［７１： （１）随着超大规模集成电路ＶＬＳＩ工艺的不断提高，单一芯片内部可以容 纳上百万个晶体管，ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数 已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强。（２１ ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ芯片在出厂前都百分之百的做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的 软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ的资金投入小， 节省了许多潜在的花费。 （３）用户可以反复地编程、擦除、使用、或者在外围电路不动的情况下 用不同软件实现不同的功能。电路设计人员在很短的时间内就可完成电路 的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有较多改动时， 更能显示出ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ的优势。 （４）电路设计人员使用ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ进行电路设计时，不需要具备专门的 集成电路Ｉｃ深层次的知识，ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ软件易学易用，可以使设计人员更 能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 （５）由于ＰＬＤ可以在同一器件上编程实现所需功能，可以实现功能模块 ＩＰ核的通用化应用，有助于电子设计公司进行商品化ＩＰ核的推广，同时， 可以对器件进行加密处理，有利于知识产权的保护。 由于ＰＬＤ的显著优越性，使得ＰＬＤ可以广泛的运用于从普通的电子类 玩具设计、工业过程控制、到复杂的通信、雷达系统设计、实时图像信号 处理，高性能ＡＳＩＣ芯片的功能模拟验证等几乎所有的电子工程应用领域。３．３．１复杂可编程逻辑器件的设计思路本文所研究系统的ＣＰＬＤ设计采用了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ集成开发 系统。是一个完全集成、易学易用的可编程逻辑器件设计环境，它可以在 多种平台上运行。ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ提供高灵活性和高效率硬件设计方法，其丰 富的图形界面，辅之以完整的、可即时访问的在线文档，使设计人员能够 轻松、愉快地掌握和使用ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ软件。应用ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ软件开发复杂 可编程逻辑器件的工作的流程图应包括以下几个部分，如图３．９所示。 （１）设计输入。可以采用原理图输入，ＨＤＬ语言描述、ＥＤＩＦ网表读入 和波形输入等方式。用软件ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ提供的各种原理图库进行设计输 入是一种最为直接的输入方式。用这种方式输入时，为提高效率，应采用 自顶而下逻辑分块，把大规模的电路划分为若干小块的办法。～般而言， 如果对系统很了解，并且速率较高，或在大系统中对时间特性要求较高的重庆大学硕士论文３系统的硬件设计图３．９ ＭＡＸ＋ＰＬＵＳ ｌＩ设计流程图Ｆｉｇ．３．９．Ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｗｉｔｈＭＡＸ＋ＰＬＵＳ ＩＩ部分，可以采用这种办法。原理图输入效率较低，但容易实现仿真，便于 信号观察及电路调整。ＭＡＸ＋ＰＬＵＳｌＩ软件包含了一个集成的ＴｅｘｔＥｄｉｔｏｒ（文 本编辑器），适用于输入和编辑ＡＨＤＬ、ＶＨＤＬ或Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ编写的ＨＤＬ设 计文件。ＡＨＤＬ是ＡＬＴＥＲＡ公司发明的ＨＤＬ，特点是非常易学易用，学过高 级语言的人可以在很短的时间（如几周）内掌握ＡＨＤＬ。它的缺点是移植 性不好，通常只用于ＡＬＴＥＲＡ自己的开发系统。ＶＨＤＬ发展的较早，语法严 格，而Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ是在ｃ语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语法 较自由，目前ＡＣＳＩ设计多采用Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ语言。ＶＨＤＬ和Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ两者相比，学习ＶＨＤＬ比学习Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ难一些，但Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ自由的语法也使得初学者容易上手但也容易出错。国外电子专业很多在本科阶段教授 ＶＨＤＬ，在研究生阶段教授ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ。从国内来看，ＶＨＤＬ的参考书很多， 便于查找资料，而ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ的参考书则相对较少，这给学习ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ 带来一些困难。从ＥＤＡ技术的发展趋势上看，直接采用ｃ语言设计 ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ将是一个发展方向，现在已出现用于ＣＰＬＤ，ＦＰＧＡ设计的ｃ语言 编译软件，可以预见，在５．１０年之内Ｃ语言很可能将逐渐成为继ＶＨＤＬ和ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ之后设计大规模ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ的又一种手段。ＭＡＸ＋ＰＬＵＳ ＩＩ的编译器可以对ＶＨＤＬ和Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ表达的逻辑进行综合，并将其映射到重庆火学硕士论文３系统的硬件设计ＡＬＴＥＲＡ公司的任何器件中。ＨＤＬ和传统的原理图输入方法的关系就好比 是高级语言和汇编语言的关系。ＨＤＬ的可移植性好，使用方便，但效率不 如原理图；原理图输入的可控性好，效率高，比较直观，但设计大规模 ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ时显得比较烦琐。在真正的ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ设计中，通常建议采 用原理图和ＨＤＬ结合的方法来设计，适合用原理图的地方就用原理图，适 合用ＨＤＬ的地方就用ＨＤＬ，并没有强制的规定。在最短的时间内，用自己 最熟悉的工具设计出高效，稳定，符合设计要求的电路才是最终目的。 （２）功能仿真。功能仿真的目的是检查逻辑功能是否正确（也叫前仿 真，对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以后，进行时序仿真１。 （３）逻辑综合。将源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把语言综合 成最简的布尔表达式。逻辑综合软件会生成．ｃｄｆ（ｅｄｉｆ）的ＥＤＡ工业标准文件。（４）布局布线。将．ｅｄｆ文件调入ＰＬＤ厂家提供的软件中进行布局布线， 即把设计好的逻辑安放到ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ内。 （５）时序仿真。需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路的时序，也被称为后仿真【２４１１２５】【２们。３．３．２信号数字滤波的实现数字滤波模块如图３．１０所示ＣＬＫ为时钟输入端，输入滤波基准时钟．土…? ．信号；ＩＮ为信号输入端；ＯＵＴ为信号输出端。 该滤波模块为低通滤波。 滤波模块的仿真波形如图３．１１所示， 图中以一个正脉冲作为示例。从输入端ＩＮ图３．１０数字滤波模块Ｆｉｇ ３．１０ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ输入一个正脉冲信号，在正脉冲上升沿、持续阶段、下降沿以及低电平持 续阶段分别加入干扰，如图３．１１中第一排波形所示，以模拟实际情况。 ＣＬＫ端为仿真时人为设置的时钟信号。ＯＵＴ图３．１１滤波模块仿真波形重庆大学硕士论文３系统的硬件设计Ｆｉ９３．１１ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗａｖｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ端输出经滤波后的波形。数字滤波模块中有个很重要的计数器，它的数值 变化情况在图中一并给出，以便于后面的分析。 该模块采用ＶＨＤＬ语言设计。包含了一个过程，过程的触发条件是时钟 的上升沿，每次时钟端ＣＬＫ有一个正的跳变，该过程就被重新执行一次。 下面给出了程序的核心部分，以便于论述。ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＴＴ ＯＦ ＦＩＬＴＥＲ ＳＩＧＮＡＬ ＢＥＧＩＮ ＩＳ ＤＯＷＮＴＯＣＯＵＮＴ：ＳＴＤ―ＬＯＧＩＣ―ＶＥＣＴＯＲ（４０）；ＰＲＯＣＥＳＳ（ＣＬＫ）ＢＥＧＩＮ ＩＦ ＣＬＫ’ＥＶＥＮＴ ＡＮＤ ＩＦＣＬＫ＝’１’ＴＨＥＮ一在每个时钟上升沿动作 一计数器未达到要求，信号未杯确认有效ＣＯＵＮＴ（４）＝’０’ＴＨＥＮＢＯＵＴ＜＝’０’： ＩＦ ＢＩＮ＝’１’ＴＨＥＮ ＣＯＵＮＴ＜＝ＣＯＵＮＴ＋”００００１” ＥＬＳＥ ＣＯＵＮＴ＜＝’０００００’：一信号为高电平 一计数嚣增１ 一信号为低电平，计数器复位为ＯＯＨＥＮＤ ＩＦ ＥＬＳＥ一计数值达到要求，信号被确认有效ＩＦ ＢＩＮ＝’０’ＴＨＥＮ ＣＯＵＮＴ（＝ＣＯＵＮＴ＋’００００１” ＥＬＳＥ ＣＯＵＮＴ＜＝’１ ００００’：～信号为低电平 ～计数器增１一信号为低电平，计数器复位为ＯＯＨＢＯＵＴ＜＝’１ ＥＮＤ ＥＮＤ ＩＦ： ＥＮＤ ＩＦ： ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ： ＥＮＤ ＴＴ； ＩＦ：重庆大学硕士论文３系统的硬件设计在２５３ｎｓ处，ＢＩＮ端信号有一个正的跳变。此跳变启动模块内部计数器 ＣＯＵＮＴ由初值ＯＯＨ开始计数，ＣＯＵＮＴ在每个时钟的上升沿加１。ＢＩＮ端正脉 冲只持续了大约两个时钟周期后就跳变为低电平，由于计数值未达到要 求，滤波模块认为此脉冲为干扰，将ＣＯＵＮＴ直接清零并停止计数。紧接着 ＩＮ端又出现一个短的正脉冲，根据同样的规则被判定为干扰。而后出现一 个较长时间的高电平，计数器经过一定时间后，大约在５７３ｎｓ处，计数值 达到ＩＯＨ，滤波模块认定此脉冲为有效的信号。计数器停止计数，保持在 ＩＯＨ，ＢＯＵＴ端输出高电平。在２．３ｌｕｓ和３．２ｕｓ之间出现一些低脉冲，但此 时输入信号已被判定有效，处理方式就与上面讲过的不同。信号出现低跳 变，计数器ＣＯＵＮＴ由ＩＯＨ开始计数，同样在每个时钟的上升沿加ｌ。但低 脉冲较短，未达到滤波模块规定的时间，被认定为干扰。计数器ＣＯＵＮＴ恢 复为ＩＯＨ并停止计数。下降沿的前几个脉冲也是这样处理的。但当最后一 个低跳变后，计数器自ＩＯＨ开始计数。一直计到１ＦＨ，再加ｌ，计数器ｃｏｕｎｔ 溢出，计数值变为ＯＯＨ，此时滤波模块判定低跳变有效。ＢＯＵＴ端跳变为低 电平。低电平持续阶段的干扰分析与输入信号上升沿处的干扰分析类似。 滤波参数可根据实际需要通过调整时钟信号的频率来设定。例如本文 所论述的系统，转速传感器输出的脉冲量信号变化的正常范围是从ＯＨｚ到 ５０００Ｈｚ。但汽车运行中所遇到的各种恶劣情况使信号频率大大超过正常范 围。根据汽车实际行驶速度等情况。信号频率一般不会超过７０００Ｈｚ。将截 止频率设为８０００Ｈｚ，则周期就为ｒ。三。上．Ｏ．１２５ｍｓ，８０００实际中，方波占空比为１：１，这样～个周期中高电平宽度为０．０６２５ｍｓ。 时钟周期应不大于―０．０６２―５ｍｓ．４．Ｏ淞１６最终将时钟周期设定为４．Ｏｕｓ。３．３．３测周期宽度实现转速的测量脉冲量输入信号经过整形滤波 后送入ＣＰＬＤ，ＣＰＬＤ通过测周期宽 度的方法可实现转速的测量。一般 的测周期的方法有两种，对于高频舟．．．． ．． ．信号可采用基准信号固定计周期个 数的方法，而对应低频信号可采用图３．１２周期测量模块Ｆｉｇ ３．１２ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ３１重庆大学硕士论文３系统的硬件设计高频率的基准信号测被测信号的宽度的方法。而对于如本文所述转速信号的频率在０Ｈｚ－－５０００Ｈｚ之间，较适用于采用测周期宽度的办法。周期测量模块如图３．１２所示，其中ＣＬＲ为清零端，当要开始监测新一 路频率信号前使ＣＬＲ信号有效，将模块初始化：Ｓ为脉冲量信号输入端； ＣＬＫ为时钟端：Ｑ［２３．．０１为数据输出端，输出周期测量计数值，为了得到 高的计数精度和宽的计数范围，本系统中采用２４位二进制数计数值。 周期测量模块的ＶＨＤＬ程序的核心部分如下ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＴＴ ＯＦ ＪＳＱ ＩＳ ＳＩＧＮＡＬ ＣＯＵＴ：ＳＴＤ―ＬＯＧＩＣ―ＶＥＣＴＯＲ（２３ ＢＥＧＩＮＤＯＷＮＴＯ Ｏ）；ＰＲＯＣＥＳＳ（ＣＬＫ，ＣＬＲ）ＢＥＧＩＮ ＩＦ ＣＬＲ＝…１ ＴＨＥＮ Ｃ０ｕＴ《＝Ｘ”００００００”；一复位信号有效 一计数初值为０ 一计数输出为０ ＣＬＫ－－～１ＴＨＥＮＱ．ｃ＝ｘ”００００００”；ＥＬＳＩＦ ＣＬＫ’ＥＶＥＮＴ ＡＮＤ一复位无效且时钟ＣＬＫ 上升沿时ＩＦ ｓ＝…１ＴＨＥＮ―Ｓ信号为高 一计数器增１ ～Ｓ信号为低 ～将最后计数值输出ＣＯＵＴ‘＝ＣＯＵＴ＋Ｘ”０００００１”： ＥＬＳＥＱ＜＝ＣＯＵＴ；ＥＮＤＩＦ； ＥＮＤＩＦ； ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ； ＥＮＤＴＴ；设ｓ端输入信号为方波。当ｓ端出现上升沿时计数器开始计数，时钟 信号一个上升沿计数器增１。当Ｓ端出现下降沿时计数器停止计数，并将 计数值ＣＯＵＴ送０［２３．．０】输出并保持。直到清零信号ＣＬＲ有效，将内部 计数器和输出同时清零。仿真波形如图３．１３所示。模块输入信号ｓ高电平开始计数，在ｓ信号下降沿将停止计数并将计数值送Ｑ［２３．．Ｏ】输出并保持。直到清零信号ＣＬＲ 有效，将内部计数器和输出同时清零。 在设计时ＣＰＬＤ与ＭＣＵ配合工作，ｓ信号在ＭＣＵ外部中断管脚相连， Ｓ信号下降沿时产生中断，ＭＣＵ在中断程序中读出周期测量模块的计数重庆大学硕士论文３系统的硬件设计值，并且产生ＣＬＲ清零信号将计数器清零，准备下一次计数。同时为了测 量转速为零或者极其小的情况，ＭＣＵ设置一个定时周期，当ｓ信号上升 沿时定时开始，如果在这个周期之内还没有产生ｓ信号下降沿，则认为转 速为零。图３．１３周期测量模块仿真波形Ｆｉｇ ３．１３ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗａｖｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ得到计数值后还应该转换为便于查看的转速值（转／分），本系统中与转 速传感器配合的齿轮有７９个齿，根据前面的叙述每个齿经过传感器时将 产生一个脉冲信号，则汽车轮子每转一圈将产生７９个脉冲信号，为了提 高精度在ＣＰＬＤ中对原始的脉冲信号进行了５分频，假设计数值为ｘ，则 可得汽车轮子转一圈所用时间ｔ：ｘ７９ｈ面五矿。了５由汽车轮子转一圈所用时间ｔ很容易求出转速大小： 转速．６０转／９ｆ若ＣＬＫ端时钟频率为２４ＭＨｚ，则此二十四位计数器可计的最长信号周 期为ＴＥ―Ｔ１６７７７２１５―６９９０５０．６２５删ｓ－。．７ｊＰＷＭ波形的实现……而可以求出能测得的最小转速大小为５．４转／分，此转速大小可视为汽车没 有运行即转速为Ｏ。对于使用的２４ＭＨｚ时钟信号ＣＬＫ每次计数的误差在一０．０４ｍｓ一０．０４ｍｓ之间，可见误差是很小的，完全能够满足系统对转速测量误差为０．５％的要求。３．３．４本文所述系统要求有四路占空比可调的ＰＷＭ波 形输出其模块框图如图３．１４。 ＣＬＫ为时钟输入端；ＣＬＲ为清零信号，当ＣＬＲ妇。郾哪 三 姗㈨ ＝ＭＨ重庆大学硕士论文３系统的硬件设计为高电平时ＰＷＭ始终输出低电平。Ｄ［７一Ｏ】连接于数据总线；接收单片机 发送来的占空比。ＰＷＭ为信号的输出端。 ＰＷＭ波形模块的ＶＨＤＬ程序的核心部分如下ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ａ ＯＦ ＳＩＧＮＡＬ ＢＥＧｌＮＰＷＭＩＳＣＯＵＮＴ，ＣＡＣＨ：ＳＴＤ―ＬＯＧＩＣ―ＶＥＣＴＯＲ（７ ＤＯＷＮＴＯ ０）；ＰＲＯＣＥＳＳ（ＣＬＫ、ＢＥＧＩＮ ＩＦＣＬＲ＝’１’ＴＨＥＮ ＣＯＵＮＴ＜＝Ｘ”００”； ＥＬＳＩＦ ＣＬＫ‘ＥＶＥＮＴＡＮＤ一设置复位计数初值ＣＬＫ＝’１’ＴＨＥＮ一时钟上升沿 一计数值增１ＣＯＵＮＴ‘＝ＣＯＵＮＴ＋ｘ”０１”； ＩＦ ＣＯＵＮＴ＝Ｘ”００”ＴＨＥＮ ＣＡＣＨ＜＝Ｄ； ＥＬｓＩＦ Ｃ０ｕＮＴ《ＣＡＣＨ ＴＨＥＮ一将输入脉冲宽度存入ＣＡＳＨ 一在输入脉宽内 一ＰｗＭ为高电平ＰＷＭ．（＝。１’；ＥＬＳＥＰＷＭ＜＝一０；ＥＮＤＩＦ； ＥＮＤＩＦ； ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ； ＥＮＤＡ：一ＰＷＭ为低电平模块内部设置了一个计数器，ＣＬＫ上升沿计数器增１，当计数器值小于输入占空比Ｄ时，ＰＷＭ输出为低电平；当计数器值大于输入占空比Ｄ 时，ＰＷＭ输出为高电平。ＣＬＲ输入信号为ＰＷＭ允许输出信号，当ＣＬＲ 为高电平时，ＰＷＭ始终输出低电平。仿真波形如图３．１５所示。图３．１５ ＰＷＭ模块仿真波形Ｆｉｇ ３．１５ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗａｖｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ重庆大学硕士论文３系统的硬什设计３．５硬件系统抗干扰措施３．５．１去耦电容数字电路中，信号在电平转换过程中会产生较大的冲击电流，因而会在传输 线和供用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。本文所述系统的电路板 规模较大，尺寸小，数字电路布线较为密集，因此，去耦作用就显得十分重要了。 数字电路中，尖峰电流主要由以下两个原因所引起。其一是由于输出级两个晶体管（场效应管）同时导通，有一股尖峰电流从电源通过两个晶体管（场效应管）流向地。实验证明，产生尖蜂电流的最主要原因是由于负载电容的影响。在与非门 输出端实际上存在着电容ｃ。。当门的输出由逻辑“０”转换至“１”时，电源电压对电容充电，因而形成尖峰电漉【２７】。 尖峰电流取值为Ｉ。一ＣＬ学工程实践证明电源尖峰电流可达４０－－５０ｍＡ，（３．３）假定尖峰电流的变化为出＝５０ｎｔｈ，持续时间为Ａｆ＝２０ｎｓ，若要求电源端电压的跳动Ａｅ。≤０．ＩＶ，则ｃ．Ｉ‰．下５０ｘｌＯ－３Ｈ。。丽。――１ｉ『一。川１耻ｘ２０ｘ１０－９