【文章內(nèi)容簡介】 編碼器輸出脈沖相連接的能力，防止擊穿故障的可編程PWM死區(qū)控制；(5)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共有192K字16位的空間，分為64K字程序存儲(chǔ)空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和64K字的I/O空間；(6)看門狗(WD)定時(shí)器模塊；(7)雙8路或單16路10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動(dòng)排序功能，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns；(8)，即控制器局域網(wǎng)模塊；(9)串行通訊接口(SCI)和16位串行外部設(shè)備接口(SPI)；(10)7個(gè)專用于串行掃描仿真口 (JTAG口)的引腳，允許對器件進(jìn)行非侵入式的仿真，即無需使用連接至器件的全部引腳的插入式電纜。 基于以上特點(diǎn)，本文中純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的核心部分選用LF2407A DSP作為電動(dòng)汽車的控制芯片如圖22為TMS320LF2407A引腳圖圖22 TMS320LF2407A引腳圖由框圖可知可知，本文以TMS320LF2407A作為電動(dòng)汽車的控制芯片，而要很好的控制電動(dòng)汽車，除了芯片自身需要的外部供應(yīng)電路以外，對于電動(dòng)汽車還有很多的電路，比如燈光、轉(zhuǎn)向、電動(dòng)車窗等，還有很多的需要檢測及保護(hù)的電路的設(shè)計(jì)，而本文的設(shè)計(jì)只是電動(dòng)汽車電路設(shè)計(jì)的一小部分的電路。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，需要對以下的電路進(jìn)行設(shè)計(jì):1．LF2407A DSP及其外圍電路；2．電動(dòng)機(jī)三相電流檢測及過電流保護(hù)電路；3．控制器溫度檢測及溫度保護(hù)電路；4．蓄電池電壓檢測及過壓、欠壓保護(hù)電路；5．電動(dòng)汽車速度檢測電路；6．加速踏板給定信號轉(zhuǎn)換電路；7. RS232通訊接口（手持編程器接口）應(yīng)任務(wù)書的要求，在設(shè)計(jì)中以TMS320LF2407A作為電動(dòng)汽車的控制芯片，用無源晶振作為單片機(jī)的時(shí)鐘供應(yīng)，再加上四倍頻電路，使得芯片的運(yùn)行速度加快；同時(shí)用TPS7333芯片為單片機(jī)提供一個(gè)可靠穩(wěn)定的電源()；又用MAX811設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的復(fù)位電路，使得出現(xiàn)較小問題（加電、掉電、降壓、輕微抖動(dòng)）時(shí)，單片機(jī)能夠快速復(fù)位；用MAX232構(gòu)成PC機(jī)與TMS320LF2407A之間的通信接口，通過接口將程序從PC機(jī)輸入到單片機(jī)中，是一個(gè)雙向的通信；用增量式光電編碼器及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成速度檢測電路，將處理好的脈沖信號送入事件管理器中，根據(jù)相應(yīng)的中斷及程序判斷方向及轉(zhuǎn)速；電動(dòng)加速踏板是根據(jù)踏板踏下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同大小的電壓值，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，DSP芯片便可以根據(jù)采樣得到的數(shù)字量大小判斷油門踩下的程度，輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩；再有就是芯片溫度、電源電壓、電機(jī)電流的檢測，利用相應(yīng)的傳感器及信號處理電路經(jīng)芯片顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，判斷電動(dòng)汽車相應(yīng)的情況是否正常，然后將信號處理電路的電壓值與設(shè)定的保護(hù)值相比較，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí)，在有相應(yīng)的故障顯示時(shí)，把故障信號經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)電路輸入DSP的引腳(功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳)，當(dāng)引腳被拉低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，這時(shí)所有的DSP的事件管理器輸出引腳(PWM輸出引腳)將被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，芯片停止工作，達(dá)到保護(hù)的目的。第三章 電動(dòng)汽車重要物理量的檢測及保護(hù)第三章 電動(dòng)汽車重要物理量的檢測及保護(hù) 檢測電路的目的就是將要檢測的各種信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成DSP可以識別的數(shù)字信號。本章主要對電流檢測、電壓檢測、溫度檢測這三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)以及說明，電流、電壓、溫度檢測出的模擬量信號均是通過外圍設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換﹑放大﹑濾波﹑整形等電路轉(zhuǎn)換后直接接到處理器TMS320LF2407A的接口電路上，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)及設(shè)置，做出保護(hù)等。電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中，各部分溫度，電壓等要保持在一定范圍內(nèi)。 三相電動(dòng)機(jī)電流的檢測保護(hù) 作為汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電流必須保持在允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)各部分才能正常運(yùn)行。否則電動(dòng)機(jī)中發(fā)生短路故障或電流過大時(shí)，會(huì)對汽車各部分的機(jī)械及電氣設(shè)備帶來危害，因此對電流進(jìn)行檢測和保護(hù)是極其重要的。 基于霍爾電流傳感器的電流采樣電路 閉環(huán)霍爾電流傳感器是利用霍爾器件為核心敏感元件用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，它的工作原理是霍爾磁平衡式的。當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件的測得的輸出信號，直接反應(yīng)出導(dǎo)線中的電流大?。? I ∝ B ∝ VH （1） 式中：B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為通過導(dǎo)線中的電流；VH為霍爾器件在磁場B中產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可以表示為等式。 對于霍爾輸出電壓信號VH的處理，人們設(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來講可分為兩類，一類為開環(huán)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)霍爾電流傳感器。 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的，即原邊電流（IN）所產(chǎn)生的磁場，通過一個(gè)副邊線圈的電流（IM）所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)： NIN= nIM （2） 式中：N為原邊線圈的匝數(shù)；IN為原邊電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。IM為副邊補(bǔ)償電流。 　　由上式看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過測量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)了原邊電流的隔離測量。示意圖如圖31。圖31 霍爾效應(yīng)電流傳感器 由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)三相電流平衡，因此只需檢測其中兩相定子電流，第三相電流可計(jì)算得到。系統(tǒng)試驗(yàn)電機(jī)額定電流153A。 檢測電路的電流采樣元件選用霍爾電流傳感器LT308—S6。LT308—S6是閉環(huán)霍爾電流傳感器，可用于測量直流、交流和脈沖電流。原邊額定有效值電流為300A，副邊額定有效值電流為100mA，最大測量電流為500A，轉(zhuǎn)換率為1:3000。其主要優(yōu)點(diǎn)有出色的精度， 良好的線性度，低溫漂，寬頻帶，抗干擾能力強(qiáng)，過載能力強(qiáng)等。電流采樣電路如圖32所示。 圖32 電流采樣電路圖　電流信號處理電路 當(dāng)測量電阻取10Ω時(shí)， V～+。利用兩門運(yùn)算放大器構(gòu)建求和電路,實(shí)現(xiàn)輸入電壓和 +2V基準(zhǔn)電壓累加， ～。再由U3做一次反向跟隨放大，實(shí)現(xiàn)電壓反向功能, ～。而因?yàn)橛羞^電流的保護(hù)。 ～，再通過二極管的限幅保護(hù)后送到DSP的AD轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)行電流檢測。圖33為信號處理電路。 圖33信號處理電路 過電流保護(hù)過流是引起功率驅(qū)動(dòng)器被燒壞和損壞的主要原因之一。功率開關(guān)期間雖然可以承受短時(shí)間的過流，但一旦超出安全區(qū)，則會(huì)永久地?fù)p壞，所以要設(shè)置快速的過流保護(hù)電路。在主電路進(jìn)行電流檢測時(shí)，一旦檢測到主電路的電流過流時(shí)，應(yīng)該立即封鎖控制信號輸出，通知DSP關(guān)斷所有控制信號并報(bào)警，關(guān)斷開關(guān)器件并采取相應(yīng)的措施。圖34為過流保護(hù)電路圖,經(jīng)過電流檢測電路處理后的電壓與設(shè)置的電壓信號（1V和3V）進(jìn)行比較，電壓比較器LM339輸出高低電平信號，一路信號送入系統(tǒng)保護(hù)中的雙四輸入端或門7432中，另一路經(jīng)光電耦合后送入DSP芯片的數(shù)據(jù)輸入端。圖34為過流保護(hù)電路要求控制器的上限溫度為65℃，在70℃時(shí)保護(hù)系統(tǒng)作用。本文選用LM35溫度傳感器作溫度采樣，此傳感器采用己知溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源作為溫敏元件。芯片內(nèi)部則采用差分對管等線性化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫敏傳感器的線性化，也提高了傳感器的精度。與熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)傳感器相比，具有線性好、精度高、 體積小、校準(zhǔn)方便、價(jià)格低等特點(diǎn)，非常適合溫度的測量工作。它的主要性能指標(biāo)如下： 1) 輸出電壓與攝氏溫度成正比：+10mV/℃； 2) 寬溫度測量范圍：55℃至+150℃； 3) 寬供電電壓：4～30V； 4) 低功耗，一般小于 60A，℃ ． 5) 非線性數(shù)值:小于177。1/4℃．℃該傳感器能夠?qū)y得的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，輸出電壓與環(huán)境攝氏溫度成正比耗電極少，輸出阻抗低。電路如圖35所示.為了實(shí)現(xiàn)溫度精確測量，采用LM35的全溫度測量接線方法，取Vcc=5Ｖ，圖中： 電阻R的阻值按照 R=Vcc/50uA來選擇。電路的輸出電壓與溫度的線性關(guān)系，則電阻R=100K，電路的輸出電壓與溫度的線性關(guān)系為:（1）環(huán)境溫度150℃，Vo=1500mV；（2）環(huán)境溫度25℃，Vo=250mV；（3）環(huán)境溫度55℃，Vo=550mV。圖35 溫度信號采集電路 溫度信號處理電路如圖36所示， 傳感器LM35得到的電信號是與攝氏溫度成正比的電壓信號，且正負(fù)電壓可能均有，故必須給傳感器進(jìn)行正負(fù)電源供電。由于電壓的輸出值較小，在線路中傳輸?shù)倪^程中會(huì)有衰減，造成測量誤差，故要對信號的即時(shí)進(jìn)行處理，首先要對信號放大,由于所測量的溫度將信號限定最大到70℃，電路中的電壓信號的輸出最大到700mV，因?yàn)闀?huì)有負(fù)值，為了方便下一級的處理，需要將信號進(jìn)行正負(fù)的變換。具體的轉(zhuǎn)換電路如圖所示,在圖中，輸入電壓經(jīng)過U9的判斷后，選擇導(dǎo)通Q1或Q2，當(dāng)采集輸出電壓大于0時(shí)，經(jīng)放大器（U7)放大輸出反相器后, Q2導(dǎo)通 ，輸出的負(fù)電壓值經(jīng)過U8反向到DSP ADCIN02；當(dāng)放大輸出電壓大于0時(shí)，Q1導(dǎo)通，放大的電壓輸入到DSP ADCIN05。 圖36溫度信號處理電路 溫度保護(hù)電路溫度保護(hù)是利用設(shè)定好的電阻進(jìn)行電壓分壓，如果溫度高于某一設(shè)定值，（對應(yīng)70℃）電壓進(jìn)行比較，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)，就發(fā)送信號給DSP芯片，DSP芯片就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，關(guān)閉相應(yīng)的程序，以免系統(tǒng)受損。如圖37所示，（對應(yīng)70℃）電壓進(jìn)行比較，比較器輸出高低電平信號如電壓，一路送入DSP的數(shù)據(jù)信號輸入端，另一路送入系統(tǒng)保護(hù)中的芯片。 圖37 溫度保護(hù)電路 蓄電池電壓檢測與保護(hù)一輛設(shè)計(jì)優(yōu)良的電動(dòng)汽車，除了有良好的機(jī)械性能、良好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，選擇適當(dāng)?shù)哪芰吭?即電池)以外，還應(yīng)該有一套協(xié)調(diào)、管理和監(jiān)控電池功能的電池管理系統(tǒng)，使有限的能量源最大限度得以利用。因此，在電動(dòng)汽車的整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文僅對蓄電池組電壓的檢測保護(hù)作出說明。 基于的光耦器件HCNR201電壓采樣電路 在純電動(dòng)汽車運(yùn)行中， 經(jīng)常需要將儲(chǔ)能設(shè)備的直流電壓信號采集到控制系統(tǒng)。使用霍爾電壓傳感器來實(shí)現(xiàn)直流電壓的隔離和轉(zhuǎn)換是常用方法，但國外生產(chǎn)的高性能電壓傳感器件的造價(jià)較高，而國產(chǎn)傳感器在轉(zhuǎn)換精度和電氣隔離等性能上比較欠缺，并且價(jià)格也不低。 一種性價(jià)比較高的直流電壓檢測方法就是使用線性光耦轉(zhuǎn)換電路，由于線性光耦輸入端和輸出端是通過光耦進(jìn)行耦合的，并且芯片本身的電氣隔離性能比較可靠，因此不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的高精度檢測，而且不會(huì)將強(qiáng)電側(cè)電磁干擾耦合到控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)直流電壓側(cè)和控制系統(tǒng)的高強(qiáng)度電氣隔離。 在本文的電壓檢測中采用線性光耦 HCNR20l 實(shí)現(xiàn)了被測模擬信號與控制系統(tǒng)之間的線性隔離。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有太大差別，只是將改變了普通光耦的單發(fā)單收模式，增加一個(gè)用于反饋的光電二極管并且增大 了線性區(qū)域。兩個(gè)光電二極管都是非線性的，但其非線性特性都是一樣的 ，所以可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而實(shí)現(xiàn)了信號的線性傳遞。 HCNR201光電耦合器是一種由三個(gè)光電元件組成的器件，主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1：具有 土5％的傳輸增益誤差和 ％的線性誤差； 2：具有 DC一1MHz的帶寬； 3