汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-08-03 15:00 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 外圍擴(kuò)展電路本系統(tǒng)中，DSP最下系統(tǒng)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)如圖所示。主要引腳的接法如下： ●與時(shí)鐘源模塊相關(guān)的引腳。我們使用DSP的內(nèi)部振蕩器，此時(shí)引腳/OSCBYP接高電平。而使用內(nèi)部振蕩器，引腳XTAL1/CLKIN和XTAL2分別接外部晶振的一端。時(shí)鐘源模塊采用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，對(duì)外部時(shí)鐘頻率進(jìn)行備頻。得到非常穩(wěn)定的內(nèi)部時(shí)鐘?！衽c存儲(chǔ)器擴(kuò)展相關(guān)的引腳。存儲(chǔ)器擴(kuò)展主要是TMS320F240內(nèi)部存儲(chǔ)容量有限，同時(shí)也考慮到調(diào)試過(guò)程中可以方便將程序下載到片外高速SRAM中，不用頻繁的寫(xiě)片內(nèi)EPPROM。存儲(chǔ)器擴(kuò)展采用的是高速靜態(tài)RAM芯片CY7C199，它的存儲(chǔ)容量為32k bytes，地址總線為15位，數(shù)據(jù)總線為8位。在本系統(tǒng)中，使用了兩片CY7C199，組成32k words的高速存儲(chǔ)器。CY7C199的數(shù)據(jù)存取周期是lOns，而TMS320F240的CPU周期是50ns，因此，用于產(chǎn)生等待信號(hào)的ready引腳無(wú)需連接到存儲(chǔ)器，直接經(jīng)電阻接到高電平?！?系統(tǒng)復(fù)位引腳。電源復(fù)位使用/PORFSFT引腳，將其接在阻容電路中，引腳上產(chǎn)生由低到高變化時(shí)系統(tǒng)復(fù)位。/ RS在作為輸入時(shí)作用和/ PORFSFT是相同的，因此將其直接拉高。圖中VCCP編程電壓接為高，用于調(diào)試和燒寫(xiě)flash，因此看門(mén)狗復(fù)位功能可以禁止。在調(diào)試完成后，VCCP接地，以防止干擾對(duì)程序及看門(mén)狗的意外操作。TMS320F240最小系統(tǒng)及其擴(kuò)展電路●與JTAG（Joint Test Action Group）接口相關(guān)的引腳。程序的下載是通過(guò)JTAG接口完成的。這個(gè)接口經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路（仿真器）與PC機(jī)的并行口相連。除了電源，地之外，DSP的JTAG接口還有7個(gè)引腳。其中，EMVO，EMV1需要拉高，其他引腳TDI，TDO，TMS，TCK，/TRST直接與仿真器相連?！馜SP工作方式選擇引腳（MP和/MC）。該引腳是決定DSP是工作在微處理器模式還是微計(jì)算機(jī)模式。若為低電平，選擇內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；若為高電平，選擇外部程序存儲(chǔ)器?！衽cA/D轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)的引腳。（1）ADC0ADC15為16個(gè)模擬輸入通道。其中，ADC0ADC7屬于第一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器；ADC8ADC15屬于第二個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0，ADC1，ADC8，ADC9與I/O復(fù)用。（2）VREFHI和VREFLO為模擬基準(zhǔn)電壓引腳（3）VCCA和VSSA，模擬電源引腳。VCCA和VSSA，分別接到5V直流電源和模擬地上。●與外部中斷有關(guān)的引腳，TMS320F240的事件管理器提供了外部中斷PDPINT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。過(guò)流保護(hù)首先通過(guò)電流檢測(cè)電路檢測(cè)電流，轉(zhuǎn)化為DSP需要的5V電壓ADCIN2,然后通過(guò)比較器LM393設(shè)定允許最大電流值，當(dāng)母線電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出低電平的故障信號(hào)APROTFCT，接DSP的PDPINT引腳。 扭矩傳感器 它是用來(lái)測(cè)量駕駛員作用在方向盤(pán)上面的力矩大小和方向。在這里采用的是電位式傳感器，它輸出兩個(gè)彼此獨(dú)立的主副信號(hào)，控制單元用副信號(hào)來(lái)檢查主信號(hào)是否正確。利用扭桿連接的輸入、輸出軸間的相對(duì)位移，使點(diǎn)位表產(chǎn)生位移。 如圖所示： 霍爾傳感器霍爾位置傳感器是一種檢測(cè)物體位置的磁場(chǎng)傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻栁恢脗鞲衅饕曰魻栃?yīng)原理為其工作基礎(chǔ)。采用霍爾元件、霍爾開(kāi)關(guān)電路、霍爾線性電路以及各種補(bǔ)償和保護(hù)電路和磁路組件組合成霍爾位置傳感器。包括：霍爾位置基準(zhǔn)傳感器、霍爾零位傳感器、霍爾行程傳感器、霍爾齒輪傳感器、霍爾接近開(kāi)關(guān)等等?；魻栁恢脗鞲衅鞅仨殱M(mǎn)足以下兩個(gè)條件：位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)應(yīng)。 位置傳感器輸出的開(kāi)關(guān)狀態(tài)能滿(mǎn)足以上條件，那么總可以通過(guò)一定的邏輯變換將位置傳感器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)而完成換相。對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍爾元件的數(shù)量是3，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔120 電角度，其輸出信號(hào)是Ha、Hb、Hc。 車(chē)速傳感器 車(chē)速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車(chē)速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車(chē)速信號(hào)由車(chē)速傳感器測(cè)得，車(chē)速傳感器也有多種類(lèi)型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見(jiàn)的車(chē)速傳感器工作原理如圖所示，車(chē)速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。由于傳感器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖為車(chē)速傳感器的工作原理。 車(chē)速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給控制系統(tǒng)。在本文的研究中，采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的車(chē)速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。 換相邏輯電路的設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過(guò)用反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)改變MOSFET功率管的開(kāi)通和關(guān)斷的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TMS320F240有3個(gè)16位的通用定時(shí)器。用通用定時(shí)器產(chǎn)生控制電機(jī)電壓調(diào)制的PWM波，同時(shí)用硬件電路實(shí)現(xiàn)電子換相。其電路如圖所示：用GAL16V8實(shí)現(xiàn)電子換相電路圖該電路圖要用到一GAL16V8這一芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。GAL16V8的建議工作電平為5V。具有6432邏輯與門(mén)陣列和8個(gè)可編程輸出邏輯單元。也可以對(duì)各個(gè)輸入端口的邏輯信號(hào)及其非信號(hào)按邏輯與連接實(shí)現(xiàn)譯碼功能。將根據(jù)DSP捕獲的霍爾信號(hào)（Ha1，Hb1，Hc1），DSP輸出的六個(gè)狀態(tài)信號(hào)PHASE1～PHASE6，DSP輸出的PWM調(diào)制信號(hào)PWM1和電流保護(hù)電路輸出的保護(hù)信號(hào)APROTECT行邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)（PWM11——PWM16）。在前面我們?cè)?jīng)對(duì)電機(jī)的工作原理做過(guò)描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組合成磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)的相互作用下沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)霍爾傳感器交替輸出三個(gè)寬為180度電角度，相位互差為120度電角度的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)DSP邏輯變換后與PWM調(diào)制信號(hào)和電流保護(hù)信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯組合變換得到使逆變器功率管按V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，V6V1…….的順序?qū)ǖ挠|發(fā)信號(hào)。 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，DSP控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出相應(yīng)的控制字，通過(guò)改變PWM脈沖信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測(cè)出來(lái)的。在本設(shè)計(jì)方案中，采用了三個(gè)磁敏式位置傳感器（霍爾元件）。常見(jiàn)的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成的，世界上第一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器。霍爾元件式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠且成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。對(duì)于本系統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，兩相導(dǎo)通Y型三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，我們將三個(gè)霍爾組件以彼此間隔120o 空間電角度安裝在電機(jī)定子上，由于電機(jī)永磁體的極弧寬度為180o電角度，這樣當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾組件便交替輸出三個(gè)寬為180o電角度、相位互差120o 電角度的方波信號(hào)。而此時(shí)得到的位置信號(hào)是有毛刺和諧波干擾的脈沖信號(hào)，我們要經(jīng)過(guò)整形電路才能得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖信號(hào)。位置信號(hào)整形電路整形電路如圖所示?；魻栐a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，我們要加上拉電阻以提高其輸出電壓。LM324比較器具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中，本系統(tǒng)整形
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