【文章內(nèi)容簡介】 控制器總體結(jié)構(gòu)框圖 。自動(dòng)汽車踏板控制器由五大模塊組成，即CAN總線通訊模塊、MCU微控制器模塊、電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、踏板收放終點(diǎn)檢測(cè)模塊以及汽車電源供電模塊。本章將介紹這五大模塊的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各方案進(jìn)行論證，最終確定最合理的設(shè)計(jì)方案。 各模塊方案設(shè)計(jì)與論證 MCU控制器模塊 MCU微控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制總線通信模塊接收并存儲(chǔ)來自CAN總線的報(bào)文數(shù)據(jù)；運(yùn)行算法程序完成對(duì)踏板終點(diǎn)位置的檢測(cè)。 由于汽車環(huán)境的溫度變化大，電磁干擾強(qiáng)，控制器的MCU不僅需要實(shí)現(xiàn)基本控制功能，又必須具有強(qiáng)抗干擾性。MCU選擇STC12C5A60S2系列單片機(jī)。它是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，完全兼容51單片機(jī)指令。它的一個(gè)機(jī)器周期就是一個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)行速度是傳統(tǒng)單片機(jī)的812倍。片內(nèi)集成1280字節(jié)RAM和8K ROM，完全滿足本設(shè)計(jì)程序大小。內(nèi)置8路高速AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250KHz(25萬次方每秒。STC12C5A60S2含有兩路PCA端口，即可用作16位定時(shí)器，又可作為PWM信號(hào)輸出端口，適用于對(duì)電機(jī)控制以及強(qiáng)干擾的場(chǎng)合[13] CAN總線通信模塊CAN總線通訊模塊作為總線接口，介于CAN總線與MCU之間，完成總線驅(qū)動(dòng)和報(bào)文處理的功能。CAN總線接口包含CAN總線收發(fā)器與CAN總線控制器。其中，CAN收發(fā)器是CAN控制器和物理總線之間的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收的驅(qū)動(dòng)功能；CAN總線控制器通常用于CAN的報(bào)文緩沖與驗(yàn)收濾波，執(zhí)行 CAN規(guī)定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和微控制器接口部分的電路組成[2]。 CAN收發(fā)器的選擇目前常用的CAN收發(fā)器有PHILIPS公司生產(chǎn)的PCA82C250、TJA1040,TI公司生產(chǎn)的SN65HVD230等系列。這些CAN收發(fā)器大多數(shù)結(jié)構(gòu)與功能類似。本文采用目前應(yīng)用最廣泛的PCA82C250 高速CAN收發(fā)器。它具有如下特征與優(yōu)勢(shì)[14]：特征：l 完全符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)l 高速(可達(dá)1Mbps)l 可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)l 低電流待機(jī)模式l 未供電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾總線 l 斜率控制以降低射頻干擾(RFI) l 差動(dòng)接收器具有寬共模范圍，有很強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)的能力[9]優(yōu)勢(shì)： l 在汽車環(huán)境中，對(duì)總線提供瞬變保護(hù)l 對(duì)電源和地的短路保護(hù)l 熱保護(hù) CAN總線協(xié)議控制器的選擇 CAN控制器芯片產(chǎn)品分兩類：一類是獨(dú)立的CAN總線控制器芯片，如Philips公司生產(chǎn)的PCA82C200、SJA1000、SJF1000系列，另一類是集成CAN控制器的單片機(jī)，如Philips公司的P8Xc591,ATMEL的AT89C51CC03，Motorola的MC68HC705X4。由于本文中MCU選擇了STC12C5A60S2單片機(jī)，芯片內(nèi)部不帶有CAN控制器，因此選擇常用的獨(dú)立CAN總線控制器——SJA1000，實(shí)現(xiàn)CAN通信協(xié)議。 SJA1000是目前應(yīng)用最廣泛的CAN控制器，通常與CAN收發(fā)器PCA82C250配合使用。它在汽車和普通的工業(yè)應(yīng)用上有先進(jìn)的特征。SJA1000完全兼容PCA82C200的軟件與硬件，在PCA82C200的基礎(chǔ)上增加了PeliCAN模式，；具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力[15]。 CAN總線接口結(jié)構(gòu)。SJA1000介于CAN總線收發(fā)器與MCU之間，其接口管理邏輯單元的每一個(gè)寄存器都可由MCU通過地址/數(shù)據(jù)總線訪問。發(fā)送緩沖去可儲(chǔ)存13字節(jié)數(shù)據(jù)，MCU可將總長度為13字節(jié)的標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)發(fā)送至SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，由SJA1000自動(dòng)按照協(xié)議將數(shù)據(jù)組裝成幀送至總線。接收濾波器對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行濾波校驗(yàn)，通過校驗(yàn)的報(bào)文且無差錯(cuò)才把該報(bào)文送至接收緩沖區(qū)，并產(chǎn)生中斷通知MCU讀取數(shù)據(jù)。CAN收發(fā)器差動(dòng)接收總線報(bào)文。 總線接口結(jié)構(gòu)圖 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式單片機(jī)控制系統(tǒng)的輸出功率太小，不足以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，因此必須使用半導(dǎo)體功率器件配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)。常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有以下兩種：Ⅰ.功率管線性放大驅(qū)動(dòng)方式開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使晶體管處于線性工作區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，輸出波動(dòng)小，對(duì)鄰近電路干擾小。，采用MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。這種電路無法調(diào)速，也不能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。使晶體管工作在線性工作區(qū)將增大器件的電功率，降低驅(qū)動(dòng)效率，因此只適合用于小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。顯然線性驅(qū)動(dòng)不滿足本設(shè)計(jì)的要求。 線性放大驅(qū)動(dòng)方式Ⅱ.功率管開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式就是半導(dǎo)體功率器件工作在導(dǎo)通區(qū)與截止區(qū)。向晶體管施加一個(gè)高電平，晶體管導(dǎo)通；向晶體管施加一個(gè)低電平或反向電平，晶體管截止。晶體管導(dǎo)通時(shí)間越長，電動(dòng)機(jī)受到的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。改變導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間之比即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。這種具有一定頻率的、高低電平交替出現(xiàn)的信號(hào)即PWM信號(hào)。PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，而且可以減小晶體管功耗，是目前常用的電機(jī)調(diào)速方法。MCU選擇的STC12C5A60S2單片機(jī)有兩路PWM信號(hào)自動(dòng)輸出端，與傳統(tǒng)51單片機(jī)只能通過定時(shí)或軟件查詢方式輸出PWM相比，自動(dòng)輸出PWM的方式大大減小了CPU資源，效率更高。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制方式 電機(jī)反轉(zhuǎn)即改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，只需改變勵(lì)磁磁通方向或電樞電流方向即可。 由于絕大多數(shù)小型直流電機(jī)都采用鋁鎳鈷永磁體勵(lì)磁的磁路系統(tǒng)，與他勵(lì)、并勵(lì)直流電機(jī)相比除了定子部分沒有勵(lì)磁繞組外，其余部分完全相同[16]。永磁直流電機(jī)磁場(chǎng)方向固定不變，因此針對(duì)小型直流電機(jī)的方向控制，應(yīng)采取改變電樞繞組電壓的方法。 為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，采用由功率半導(dǎo)體器件組成的H橋控制電路。該控制電路由Q1，Q2，Q3，Q4 四個(gè)半導(dǎo)體功率器件組成，Q1與Q3，Q2與Q4分別組成兩個(gè)橋臂，同一橋臂的兩個(gè)功率管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將導(dǎo)致電路電流過大而擊穿功率管，燒壞電路。直流電機(jī)跨接在兩橋臂的中間。（a）中，當(dāng)功率管Q1與Q4導(dǎo)通，Q2與Q3截止時(shí)，電流流經(jīng)Q1，Q4，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；（b）中，當(dāng)功率管Q2與Q3導(dǎo)通、Q1與Q4截止時(shí)，電流流經(jīng)Q2，Q3，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)四個(gè)功率管全部截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。可見，利用單片機(jī)輸出信號(hào)來控制對(duì)角線上的功率管的導(dǎo)通情況，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。 (a) 電機(jī)正轉(zhuǎn)電流流向圖 (b) 電機(jī)反轉(zhuǎn)電流流向圖 功率放大器件的選擇Ⅰ.場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET） 優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快 、工作頻率高、適用于低壓中小功率場(chǎng)合 缺點(diǎn)：擊穿電壓低、工作電流?、?絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGBT）優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)容量大、通態(tài)損耗低、開關(guān)損耗低 、適用于高壓大功率場(chǎng)合缺點(diǎn)：開關(guān)速度慢、存在電流拖尾現(xiàn)象、價(jià)格相對(duì)MOS管要高IGBT由MOSFET發(fā)展而來，結(jié)合了BJT與MOSFET的許多優(yōu)點(diǎn)，解決了MOS管高壓時(shí)通態(tài)電阻較大的問題，因此IGBT特別使用在高壓場(chǎng)合，擊穿電壓可達(dá)1200V[17]。在低壓場(chǎng)合下，MOS管與IGBT的性能差異不大，且MOS管的開關(guān)速度更快。本設(shè)計(jì)的電機(jī)電壓為12V，功率小于100W，屬于低壓小功率場(chǎng)合，因此使用MOS管完全滿足設(shè)計(jì)需要，在成本上更具優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)選擇MTP20N08系列MOS管，它的漏源飽和電壓達(dá)60V，漏極電流最大為20A，并且具有較小的漏源電阻，滿足本設(shè)計(jì)條件。 踏板收放終點(diǎn)檢測(cè)模塊對(duì)踏板收放終點(diǎn)的檢測(cè)主要有三種方法：（1）在終點(diǎn)位置裝上機(jī)械式的開關(guān)這種方法控制簡單，但是在汽車環(huán)境下這種開關(guān)經(jīng)過碰撞、磨損，非常容易產(chǎn)生故障。（2）定時(shí)收放時(shí)間的方式踏板的在收放過程中受到各種阻力的影響可能會(huì)改變收放時(shí)間，這個(gè)方法只有在踏板無負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才有效。（3）對(duì)電機(jī)電流狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合判斷算法程序保證正確的判斷收放終點(diǎn)。踏板轉(zhuǎn)動(dòng)至終點(diǎn)后電機(jī)會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在堵轉(zhuǎn)的情況下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)很小，由轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)速公式可知，此時(shí)電機(jī)電流最大?？蛇_(dá)額定電流的38倍[13]。因此通過檢測(cè)電機(jī)電流是否過大來判斷踏板是否轉(zhuǎn)動(dòng)到終點(diǎn)是一種可靠的方法?？刂破鲗?duì)電流的檢測(cè)必須具有可靠性和高效性，以達(dá)到準(zhǔn)確、迅速發(fā)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、關(guān)閉電機(jī)的功能。因此必須從直流電機(jī)電流的特性著手，設(shè)計(jì)一套合理有效的堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)電路和算法程序。 電機(jī)電流波形分析 ，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流峰值很大，但啟動(dòng)峰值電流持續(xù)時(shí)間很短，而堵轉(zhuǎn)電流持續(xù)直到電機(jī)被關(guān)閉。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)若受到阻尼作用，電機(jī)電流將迅速增大，(b)可知，電機(jī)電流隨著轉(zhuǎn)矩的增大而增大。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，電流波形始終圍繞某一平均值層脈沖狀上下波動(dòng)，而不是某一確定的值。特別是汽車環(huán)境下，存在著諸多的干擾因素，如電磁干擾、汽車電源電壓的波動(dòng)，因此直流電機(jī)在工作時(shí)會(huì)表現(xiàn)出具有很大的不穩(wěn)定性。(a) 電機(jī)無阻力轉(zhuǎn)動(dòng)電流波形圖(b) 電機(jī)遇阻力轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的波形 電機(jī)電流檢測(cè)方法Ⅰ.集成電路檢測(cè)法。采用霍爾電流傳感器、電流檢測(cè)芯片（如MAX471）可以檢測(cè)電機(jī)電流大小。這類器件的特點(diǎn)是，輸入為電機(jī)直流電流，輸出與電流大小成一定比例的電壓值，電壓值經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入MCU，可以獲得電流的數(shù)值大小。Ⅱ.使用采樣電阻的方法。，將直流電機(jī)串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，由于電阻電壓與電流的存在的線性關(guān)系，流過采樣電阻的電流越大，則輸出的采樣電壓也越大。該采樣電阻兩端的電壓值與設(shè)定的超限電壓值通過電壓比較器相比較，若采樣電壓比超限電壓大，則比較器輸出高電平，反之輸出低電平。 采樣電阻測(cè)電流這兩種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。方法Ⅰ雖然可以得到精確的電流值，可用于精確控制場(chǎng)合，但是AD轉(zhuǎn)換器增加了硬件成本，而模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間使得處理開銷增大。方法Ⅱ硬件成本較低、能對(duì)設(shè)定大小的電流經(jīng)行區(qū)分，但是在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)期間采樣電阻對(duì)電機(jī)造成了分壓和耗能。本文對(duì)電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，采用內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)——STC12C5A60SE和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片——MC33486，MC33486芯片不僅能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，而且能輸出與電機(jī)電流成比例關(guān)系的電壓。將該電壓送至單片機(jī)的AD中獲得電流的大小，從而可以判斷電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況。由于電機(jī)電流的波動(dòng)性以及汽車環(huán)境的干擾存在，對(duì)電機(jī)電流狀態(tài)的檢測(cè)不能只采樣一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，而應(yīng)連續(xù)采樣多個(gè)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)大小進(jìn)行判斷。因此對(duì)踏板終點(diǎn)位置的檢測(cè)，必須將硬件檢測(cè)和判斷算法結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)踏板轉(zhuǎn)動(dòng)終點(diǎn)準(zhǔn)確的判斷。 踏板遇阻控制策略踏板在收放過程中，會(huì)遇到各種阻力或者阻擋物，若阻力小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)依然能拖動(dòng)踏板負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。但是長期保持電機(jī)帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，或者對(duì)障礙物不采取“避讓”措施，會(huì)增大電機(jī)和踏板的損耗，電流過大的場(chǎng)合降低控制器的安全性。本文對(duì)踏板采取的控制策略是通過電流檢測(cè)電路和算法程序判斷電機(jī)是遇阻還是堵轉(zhuǎn)。，如果控制器判斷踏板堵轉(zhuǎn)，則關(guān)閉電機(jī)，此次收放完成；如果控制器判斷出踏板遇阻狀態(tài)，即受到阻力作用，但不足以使電機(jī)堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)?？刂破髂J(rèn)遇阻狀態(tài)時(shí)，踏板收放未完全，須通過不斷開閉電機(jī)檢測(cè)阻力是否撤去，若阻力撤銷，踏板繼續(xù)完成轉(zhuǎn)動(dòng)。 汽車供電電源模塊 一般來說，使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，如SUV，汽車直流供電電壓是12V，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，如大客車，供電電壓是24V。本控制器的設(shè)計(jì)針對(duì)12V電源供電的小型汽車，其蓄電池的電壓范圍一般為9~15V[4]。12V電源可對(duì)直流電機(jī)直接供電。由于控制器部分芯片的供電電壓在5V左右，因此必須通過直流電壓轉(zhuǎn)換電路將12V電壓將至5V。 常用的LM7805穩(wěn)壓芯片可產(chǎn)生5V的電壓。但LM7805的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是，當(dāng)輸入在12V以上的電壓時(shí)，芯片發(fā)熱會(huì)很厲害，最大的輸入電壓也就只能12伏左右。原因在于7805屬于線性穩(wěn)壓，輸入與輸出相差電壓就完全發(fā)熱浪費(fèi)掉。 本文采用開關(guān)式穩(wěn)壓集成器件LM2575，它內(nèi)部集成一個(gè)固定的振蕩器，可大大減小散熱片的體積，內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，穩(wěn)定輸出5V電壓，是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代品。 抗干擾措施汽車不僅工作在高低溫、灰塵和雨水等惡劣的環(huán)境下，車內(nèi)外的電磁干擾會(huì)對(duì)汽車電子系統(tǒng)的運(yùn)行造成巨大的影響。汽車踏板自動(dòng)收放控制器應(yīng)用在汽車環(huán)境，必須采取措施降低或者防范一切干擾因素。由于CAN總線上存在較大的共模干擾，為防止噪聲通過電源線或電線串入控制器電路中，必須將CAN收發(fā)器的供電電源和后續(xù)電路的電源進(jìn)行DCDC隔離。而且CAN控制器與收發(fā)器之間須采用光耦隔離器件避免干擾的引入。光耦的輸入和輸出部分采用隔離的電源，否則光耦將失去意義[4]。第四章 控制器硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件結(jié)構(gòu)框圖 汽車踏板自動(dòng)收放控制器硬件電路按照控制器總體設(shè)計(jì)所論述的方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。遵照模塊化設(shè)計(jì)方法，先選擇各模塊所需硬件，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)出合理的硬件連接電路，再將模塊的硬件連接起來，連接時(shí)必須保證各端口的驅(qū)動(dòng)能力足夠并注意必要的電氣隔離。本系統(tǒng)硬件電路包括由PCA82C250、SJA1000組成的CAN總線通信模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的MCU微控制器、MC33486電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源轉(zhuǎn)換電路。其中MC3486具有反饋電機(jī)電流的特點(diǎn)并由單片機(jī)AD采樣獲得電流值。在CAN總線通信模塊中還加入了光耦隔離，以增強(qiáng)電路的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡潔、可靠。 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖 CAN總線通信模塊 CAN總線收發(fā)器——PCA82C250 PCA82C250是CAN協(xié)議控制器（SJA1000）和物理總線之間的接口。它對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。PCA82C250引腳功能介紹： PCA82C250封裝圖① CANH/CANL是高/低電平CAN總線輸入輸出引腳，與CAN總線的兩根物理接線CANH與CANL直接相連。② Rs為斜率電阻輸入引腳。該管腳有三種工作模式： 表4 PCA82C2