【正文】 和單片機供電。MC33989 的 VDD1 電流在200~350mA 之間，典型值為 280mA。它包括一個帶復(fù)位功能的電壓監(jiān)視電路，適合為單片機供電，如圖 所示。VPWR 輸出電壓為 5V，輸出電流由 PNP型三極管 TIP32C1 決定，具有自可調(diào)功能，其電流連續(xù)值為 3A，峰值為 5A，而單片機及傳感器工作電流遠(yuǎn)小于 3A。 24 / 451 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:Vdd13WD0GB28 INTB5CSB27 MOSI26MISO25 SCLK24RX1 TX2GND6 GND7GND8Vsup 12HS1 13GND 23GND 22GND 21GND 20GND 9L1 15L0 14L2 16CANL 18CANL 19L3 17V210V2ctrl11RESET4MC33989R20GNDRESET(12)IOC3/PT3(10)IOC1/PT1(94)PS5/MOSI(93)PS4/MISO(96)PS6/SCLK0GNDC247uFC6106 C447uF T1 TIP32C_1R32K2++圖 44 MC33989 供電示意圖通過 MC9S12DG128 的 SPI 模塊啟動 MC33989，該芯片的啟動使用了MC33989 將單片機和傳感器電源的分離，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了增強，也使硬件電路變得簡單。 電機驅(qū)動電路的設(shè)計直流電機 PWM 控制系統(tǒng)有不可逆和可逆系統(tǒng)之分。本文應(yīng)用 H 橋驅(qū)動芯片 MC33886 設(shè)計了電機的不可逆 PWM 控制系統(tǒng)和可逆 PWM 控制系統(tǒng)。首先要了解 H 橋驅(qū)動芯片 MC33886 的結(jié)構(gòu)和特點。(1) H 橋驅(qū)動芯片 MC33886電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中，直流電動機不可避免會以正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài)工作，這時需要使用 H 型 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)。其工作原理如圖 所示：4 個開關(guān)管QQ4 為一組，QQ3 為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。當(dāng) QQ4 同時導(dǎo)通時，電流方向如 A 所示，電機產(chǎn)生正向扭矩；QQ3 導(dǎo)通時，電流方向如 B 所示，電機產(chǎn)生反相扭矩。因此采用 H 橋驅(qū)動電路可以控制直流電機的正反轉(zhuǎn)。試驗中采用的 H 橋驅(qū)動芯片為 MC33886，圖 為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，左側(cè)為邏輯控制部分，右側(cè)為功率驅(qū)動部分。MC33886 持續(xù)驅(qū)動電流可達到 25 / 455A，驅(qū)動的最高頻率可以達到 30KHz。該芯片具有監(jiān)測低壓、短路、溫度過高等功能。其工作環(huán)境溫度變化范圍在40176。C 到＋125176。C 之間，工作電壓在 5V 到28V 之間，完全能夠勝任汽車環(huán)境中的工作。圖 45 直流電機 H 橋控制原理表 MC33886 邏輯真值表 IN1 IN2 OUT1 OUT2 電機工作狀態(tài) H L H L 電機正轉(zhuǎn) L H L H 電機反轉(zhuǎn) L L L H 電機慣性滑行（低速） H H H H 電機慣性滑行（高速）圖 46 MC33886 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在圖 中，DD2 是 MC33886 的使能端，ININ2 為輸入端，OUT OUT2 為其輸出端。將 MC33886 的輸入端接到 DG128 的 PWM 輸出口， 26 / 45在其輸出端可以得到與單片機 PWM 輸出口相應(yīng)的并可以驅(qū)動直流電機的PWM 信號。通過 MC33886 的兩個輸出端口，就能實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制、方向控制及制動等。其邏輯真值表如表 所示 [17]：(2) 直流電機不可逆 PWM 控制電路本文首先設(shè)計了不可逆 PWM 驅(qū)動電路對電子節(jié)氣門進行了控制，如圖 所示。ECU 產(chǎn)生的 PWM5 通過 IN1 引腳輸入，以調(diào)節(jié) MC33886 的 OUT1 口的輸出電壓，并且在 IN2 接地使 OUT2 輸出為 0，這樣 OUT1 和 OUT2 之間就有了一個電壓差，ECU 通過改變 PWM5 的占空比就可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的快慢。電機電樞平均電壓與占空比成正比，從而實現(xiàn)電機的控制。(3) 直流電機的可逆 PWM 控制電路MC33886 芯片可靠性和保護功能都比較強，但使用時 H 橋驅(qū)動信號需要兩路 PWM 信號控制電機的轉(zhuǎn)動，方向位控制也比較麻煩。該控制系統(tǒng)硬件電路中，需要單片機產(chǎn)生兩路 PWM 分別控制 MC33886 的 IN1 和 IN2，以分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。因此，系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制算法保證兩路 PWM 信號的配合，以避免電機與電源短路，控制的靈活性降低，控制難度加大。為了解決兩路 PWM 輸入和方向控制問題，采用與門 CD4049UB 和三極管設(shè)計了專門電路，如圖 所示。其中左半部分為控制電機正反轉(zhuǎn)的邏輯電路原理圖，原先兩路ININ2 輸入的 PWM 信號經(jīng)由邏輯電路轉(zhuǎn)換為一路方向控制位和一路 PWM輸入，這樣我們就解決了 MC33886 芯片需要兩路 PWM 信號控制電機的轉(zhuǎn)動、方向位控制比較麻煩的問題。MOTOROLA33886 芯片 ININ2 引腳分別與控制電機正反轉(zhuǎn)的邏輯電路相連，由其改變兩路 PWM 為一路 PWM 與一路方向位，以上兩電路分別由電源管理芯片提供 12V 和 5V 電源。 27 / 451 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:AGND1 FS2IN13 V+4V+5 OUT16OUT17 DNC8PGND9 PGND10DNC 20IN2 19D1 18V+ 16Ccp17OUT2 15OUT2 14D2 13PGND 12PGND 111 2VCCPWM5 VCC 33nFC647uFVCCJMOTOR33886MC33886_CON+圖 47 直流電機不可逆 PWM 控制電路圖1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:IN1IN2FSD1D2OUT2V+Ccp PGNDOUT1AGND338862 1C133uF+C247uF+VCCMOTORQ2Q1Q3Q4R?10K23454049U2B4049U1AR210KPort2Port1PWM圖 48 直流電機可逆 PWM 控制電路圖 本章小結(jié)本章設(shè)計了電子節(jié)氣門控制器的硬件電路主要結(jié)論有：選取 MC9S12DG128 作為主控芯片，實現(xiàn)控制算法中的模糊推理部分。并設(shè)計電源管理電路、串行通信電路、功率驅(qū)動電路等，并分析了 PWM 方式控制直流電機的原理。應(yīng)用 H 橋驅(qū)動芯片設(shè)計了不可逆 PWM 和可逆 PWM 控制電路。采用不可逆 PWM 驅(qū)動電路，電機只能單向驅(qū)動。而采用可逆 PWM 控制，電機能雙向驅(qū)動。 28 / 45第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件的總體功能分析電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中要求節(jié)氣門閥具有較快的響應(yīng)性、良好的穩(wěn)定性和良好的位置跟隨性。系統(tǒng)軟件主要包括控制功能和通信功能。系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。TPS 輸入信號PPS 輸入信號計算機實時監(jiān)控電子節(jié)氣門驅(qū)動信號PWM 輸出通信協(xié)議控制算法A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換圖 51 系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)圖 29 / 45開始常量變量初始化定時器初始化串行口初始化PWM 初始化允許 T2 和 PWM 中斷PWM 中斷子程序T2 中斷子程序TPS 故障診斷子程序PPS 故障診斷子程序角度計算子程序控制算法子程序串行通信子程序圖 52 控制軟件整體流程控制軟件總體上分為初始化部分和工作循環(huán)部分。其整體流程如圖 52 所示。初始化部分主要用于完成常量和變量的初始化；定時器 T2 中斷的初始化；MC9S12DG128 輸出 PWM 初始化和串行口收、發(fā)數(shù)據(jù)初始化?？刂栖浖墓ぷ餮h(huán)部分包括信號的采集、傳感器的故障判斷、電子節(jié)氣門角度和踏板角度計算，根據(jù)控制算法計算控制量以及串行通信等 [18]。 軟件子程序流程圖(1) PWM 輸出子程序流程圖電子節(jié)氣門直流電機通過 PWM 控制，MC9S12DG128 單片機內(nèi)部的 PWM模塊通過中斷方式可以產(chǎn)生周期和脈寬可調(diào)的連續(xù)方波。系統(tǒng)采用的 PWM 周期為 1ms，脈寬由控制量確定。圖 53 是 PWM 輸出子程序流程圖。當(dāng) PWM中斷時首先要關(guān)閉中斷，以避免其他中斷的影響。然后判斷當(dāng)前輸出電平的高低，若為高電平，則下次中斷時應(yīng)輸出低電平，同時要裝入高電平的持續(xù)時間。若當(dāng)前輸出為低電平則相反。返回之前要打開中斷。 30 / 45關(guān)中斷當(dāng)前輸出為 1？下次中斷輸出為 0裝入高電平時開中斷返回下次中斷輸出為 1裝入低電平時YN開始 開始關(guān)中斷開中斷調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序定時器 T2 賦值返回圖 53 PWM 輸出子程序流程 圖 54 定時器中斷子程序流程(2) 定時器中斷子程序流程圖系統(tǒng)信號采集的頻率通過定時器 T2 中斷確定，定時器 T2 每 10ms 中斷一次，調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序進行信號采樣。同時要重新給定時器賦值以確定下次中斷時間。圖 54 為定時器中斷子程序流程圖 [19]。(3) 信號采集子程序流程圖信號采集子程序流程如圖 55 所示?？刂葡到y(tǒng)共需采集四個信號，踏板的輸入位置信號和電子節(jié)氣門的反饋位置信號。踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器輸入的皆為電壓信號，需要通過A/D 轉(zhuǎn)換，把模擬量的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門位置傳感器皆有兩個，因此應(yīng)用 4 通道。 31 / 45開始哦Channel=0采集第 Channel 通道啟動 A/D 轉(zhuǎn)換A轉(zhuǎn)換完畢？暫存替換結(jié)果Channel++4返回NYYN圖 55 信號采集子程序流程圖(4) 角度計算子程序流程圖程序運行中，需要計算踏板的給定角度和節(jié)氣門的反饋角度。根據(jù) TPS 和PPS 的輸入信號，和各自的電壓角度關(guān)系，可以計算出輸入角度和反饋角度。此外，需要將踏板輸入的角度進行換算，以保證踏板的開度與節(jié)氣門的開度相對應(yīng)。圖 56 為踏板角度計算子程序流程圖，圖 57 為節(jié)氣門角度計算子程序開始由 AD 值計算 PPS 輸入值由電壓角度關(guān)系計算踏板角度 由電壓角度關(guān)系計算踏板角度開始計算踏板相對角度返回返回有 AD 值計算出 TPS 值圖 56 踏板角度計算子程序流程圖 圖 57 節(jié)氣門角度計算子程序流程圖 32 / 45流程圖。 串行通信系統(tǒng)的開發(fā) 串行通信協(xié)議設(shè)計為使計算機與單片機之間的數(shù)據(jù)無差錯地傳送，必須采用通信協(xié)議來規(guī)定數(shù)據(jù)的傳輸方式。計算機和單片機之間的通信過程如圖 58 所示。通信時，計算機首先向單片機發(fā)送一個連接命令，單片機接到該連接命令后回送一個相同的連接命令給計算機，計算機收到單片機回送的連接命令則表示連接成功。計算機接收數(shù)據(jù)時，先向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，單片機響應(yīng)該命令，將測量數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀的形式依次發(fā)往計算機，數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)為節(jié)氣門角度，第二個字節(jié)為踏板角度，第三個字節(jié)為占空比，第四個字節(jié)為傳感器故障碼，最后一個字節(jié)為校驗碼，以確保數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中沒有錯誤。計算機接收到一個數(shù)據(jù)幀時會對該數(shù)據(jù)幀進行校驗，如果校驗失敗，計算機發(fā)出警告，表明圖 58 計算機和單片機之間的通信過程發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤，同時斷開連接。如果校驗成功，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，單片機接收到命令則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀 [20]。 33 / 45 單片機串行通信子程序流程圖單片機串行通信程序主要功能包括：把控制系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送至計算機，同時接收計算機發(fā)送的命令并響應(yīng)命令。單片機串口通信采用查詢工作方式，程序流程如圖 59 所示。在單片機通信程序中設(shè)置了一個全局標(biāo)志 Commflag，用來表示通信是否連接。單片機初始化時，把 Commflag 置為“0” ，表示沒有連