汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)控制器設計

《汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)控制器設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)控制器設計（42頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 第一章 緒 論 電動助力轉向系統(tǒng)（ Electric Power Steering ，縮寫 EPS ）是一種 直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向系統(tǒng)， EPS 主要由扭矩傳感器、 車速傳感器、電動機、減速機構和電子控制單元（ ECU ）等組成。它是 近代各種先進汽車上所必備的系統(tǒng)之一。 1.1 電動助力轉向的發(fā)展 從最初的機械式轉向系統(tǒng)（ Manual Steering ，簡稱 MS）發(fā)展為液 壓助力轉向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering ，簡稱 HPS ），然后又出現(xiàn)了電控

2、液壓助力轉向系統(tǒng)（ Electro Hydraulic Power Steering ，簡稱 EHPS ）和電動助力轉向系統(tǒng)（ Electric Power Steering ，簡稱 EPS ）。 裝配機械式轉向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉向操 縱負擔過于沉重，為了解決這個問題，美國 GM 公司在 20 世紀 50 年代 率先在轎車上采用了液壓助力轉向系統(tǒng)。但是，液壓助力轉向系統(tǒng)無法 兼顧車輛低速時的轉向輕便性和高速時的轉向穩(wěn)定性 ，因此在 1983 年日 本 Koyo 公司推出了具備車速感應功能的電控液壓助

3、力轉向系統(tǒng) 。這種新型的轉向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉向助力，但是結構 復雜、造價較高，而且無法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點，是一 種介于液壓助力轉向和電動助力轉向之間的過渡產品。到了 1988 年，日 本 Suzuki 公司首先在小型轎車 Cervo 上配備了 Koyo 公司研發(fā)的轉向柱助力式電動助力轉向系統(tǒng)； 1990 年，日本 Honda 公司也在運動型轎車 NSX 上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉向系統(tǒng)，從此揭開了電 · 1 · 動助力轉向在汽車上應用的歷史。

4、 1.2 電動助力轉向的分類： 機械液壓助力 機械液壓助力是我們最常見的一種助力方式，它誕生于 1902 年，由 英國人 Frederick W. Lanchester 發(fā)明，而最早的商品化應用則推遲到了 半個世紀之后， 1951 年克萊斯勒把成熟的液壓轉向助力系統(tǒng)應用在了 Imperial 車系上。由于技術成熟可靠，而且成本低廉，得以被廣泛普及。 機械液壓助力系統(tǒng)的主要組成部分有液壓泵、油管、壓力流體控制閥、 V 型傳動皮帶、儲油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動機動力輸出轉 化成液壓泵壓力，對轉

5、向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉向。 電子液壓助力 由于機械液壓助力需要大幅消耗發(fā)動機動力，所以人們在機械液壓助力的基礎上進行改進 ，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉向系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的轉向油泵不再由發(fā)動機直接驅動，而是由電動機來驅動，并且在之前的基礎上加裝了電控系統(tǒng)，使得轉向輔助力的大小不光與轉向角度有關，還與車速相關。機械結構上增加了液壓反應裝置和液流分配閥，新增的電控系統(tǒng)包括車速傳感器、電磁閥、轉向 ECU 等。 電動助力 EPS 就是英文 Electric Power Steering 的縮寫，即電動助力轉向系

6、統(tǒng)。電動助力轉向系統(tǒng)是汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力 機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油 · 2 · 泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉向系統(tǒng)作為一種 新的轉向技術，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有 50 多年歷史的液壓轉向系統(tǒng)。 駕駛員在操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控

7、制單元根據(jù)轉矩傳感器檢測到的轉矩電壓信號、轉動方向和車速信號等，向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩，從而產生輔助動力。汽車不轉向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，電動機不工作。 1.3 電動助力轉向系統(tǒng)特點 液壓助力轉向系統(tǒng)已發(fā)展了半個多世紀，其技術已相當成熟。但隨著汽車微電子技術的發(fā)展，對汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時代發(fā)展的要求。 電動助力轉向系統(tǒng)將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提

8、高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發(fā)和研究，未來的轉向系統(tǒng)中電動助力轉向將成為轉向系統(tǒng)主流，與其它轉向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在： · 3 · 1、降低了燃油消耗 液壓動力轉向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流 動，浪費了部分能量。相反電動助力轉向系統(tǒng)（ EPS ）僅在需要轉向操作時才需要電機提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動機。而且 ,能量的消耗與轉向盤的轉向及當前的車速有關。當轉向盤不轉向 時，電

9、機不工作，需要轉向時，電機在控制模塊的作用下開始工作 ,輸出相應大小及方向的轉矩以產生助動轉向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉向時輸出最大轉向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改 變。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了 "按需供能 "，是真正的 "按需供能型 "（on-demand ）系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動時，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應緩慢，直至液壓油預熱后才能正常工作。由于電動助力轉向系統(tǒng)設計時不依賴于發(fā)動機 而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在 -40℃時也能工作，所以提供了快速的冷起動。由于該系統(tǒng)沒有起動時的預熱，節(jié)省了能量。

10、 不使用液壓泵，避免了發(fā)動機的寄生能量損失，提高了燃油經濟性，裝有電動助力轉向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉向系統(tǒng)的車輛對比實驗表明，在不轉向情況下，裝有電動助力轉向系統(tǒng)的國輛燃油消耗降低 2.5% ，在使用轉向情況下，燃油消耗降低了 5.5% 。 2、增強了轉向跟隨性 在電動助力轉向系統(tǒng)中，電動助力機與助力機構直接相連可以使其 能量直接用于車輪的轉向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反 轉和轉向前輪擺振大大減水。因此轉向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強和液 壓助力轉向系統(tǒng)相比，旋轉力矩產生于電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉向 ·

11、 4 · 遲滯效應，增強了轉向車輪對轉向盤的跟隨性能。 3、改善了轉向回正特性 直到今天，動力轉向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經到了極限 ,電動助力轉向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當駕駛員使轉向盤轉動一角度后松開時， 該系統(tǒng)能夠自動調整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內調整設計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉矩特性，這種轉矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機匹配的轉向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制

12、系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結構，實現(xiàn)起來有一定困難。 4、提高了操縱穩(wěn)定性 通過對汽車在高速行駛時過度轉向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛 （100km/h ）的汽車一個過度的轉角迫使它側傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。 1.4 電動助力轉向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 上個世紀 80 年代開始，人們開始研究電子控制式電動助力轉向，簡 稱 EPS(Electric Power Steering) 。EPS 是在 EHPS( 電控液壓助力轉向 )

13、的基礎上發(fā)展起來的，其結構簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強， 它取消 EHPS 的液壓油泵、液壓管路、液壓油缸和密封圈等配件，純粹 依靠電動機通過減速機構直接驅動轉向機構，解決了長期以來一直存在 · 5 · 的液壓管路泄漏和效率低下的問題。 電動助力轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。它 利用電動機產生的動力來幫助駕駛員進行轉向操作，系統(tǒng)主要由三大部 分構成，信號傳感裝置 (包括扭矩傳感器、轉角傳感器和車速傳感器 )，轉 向助力機構 (電機、離合器、減速傳動

14、機構 )及電子控制裝置。電動機僅在 需要助力時工作，駕駛員在操縱轉向盤時，扭矩轉角傳感器根據(jù)輸入扭 矩和轉向角的大小產生相應的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號， 控制單元根據(jù)電壓和車速的信號，給出指令控制電動機運轉，從而產生 所需要的轉向助力。從國內外的研究來看， EPS 今后的研究主要集中在 以下幾方面： (1)EPS 助力控制策略。助力控制策略的主要目的是根據(jù)轉向助力特 性曲線確定助力電動機的助力大小，輔助駕駛員實現(xiàn)汽車轉向。控制策 略是 EPS 研究的重點。 (2) 系統(tǒng)匹配技術。助力特性的匹配

15、、電機及減速機構的匹配、傳感器的匹配以及 EPS 系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進行匹配，是使整車性能達到最優(yōu)的關鍵。 (3) 可靠性。轉向系統(tǒng)是駕乘人員的“生命線”之一，必須保證高度可靠性。 EPS 除了應有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件做支撐，因此對 EPS 的可靠性提出了很高的要求。 由于技術、制造和維修成本等原因，目前大部分汽車轉向系統(tǒng)仍以液壓助力的 HPS( 包括 ECHPS 、EHPS) 為主。線控轉向系統(tǒng)由于成本高以及現(xiàn)有法規(guī)限制等原因，在近期很難在車輛上裝配。 EPS 具有節(jié)能與 · 6 · 環(huán)保等諸多優(yōu)

16、點 ，EPS 取代 HPS 是今后一段時間內汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展的 趨勢。 第二章 硬件電路設計 汽車電動助力轉向系統(tǒng) （Electric Power Steering ）結構的工作原理 : 當汽車的方向盤開始轉動時，扭矩傳感器開始檢測其輸入軸，并把扭矩 信號傳輸給控制中心， 此時的波形有毛刺，并不是能夠用來調制的 PWM 波。而整形電路的作用便是把毛刺去掉，得到矩形波。然后無刷直流電 機里面對應的三個霍爾傳感器檢測出電機轉子的位置，以及在汽車變速 箱上面安裝的車速傳感器傳給的模擬量，

17、 經過 ECU 分析處理這些模擬量， 按程序指令的方式對控制對象進行控制，通過改變輸出 PWM 來控制三 相橋中的 MOS 管的導通順序控制電機， 來實現(xiàn)對控制對象進行控制動力 轉向的目的。 扭矩傳感器 位置信號整形電路 轉子位置檢測電 無 刷 換相邏輯電 功率驅動電 逆變器電 直 流 電 DSP 車速傳感 動 機 (TMS320F24 系統(tǒng)硬件模塊連接圖

18、 0) 如圖系統(tǒng)硬件模塊框圖所示，硬件系統(tǒng)主要由 DSP 最小系統(tǒng)及擴展 · 7 · 電路、換相邏輯電路、功率驅動電路、逆變器電路、轉子位置檢測電路等部分組成。電動機的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助 扭矩，是 EPS 的動力源，電機對 EPS 的性能有很大影響，是 EPS 的關鍵部件之一。作為 EPS 系統(tǒng)助力的提供者，根據(jù)系統(tǒng)要求，我們選擇直流無刷電機。 2.1 直流無刷電機 直流無刷電機 :又稱“無換向器電機交一直一交系統(tǒng)”或“直交系統(tǒng)”。是將交流電源整流后變成直

19、流，再由逆變器轉換成頻率可調的交流電 ,但是 , 注意此處逆變器是工作在直流斬波方式。 無刷直流電動機 Brushless Direct Current Motor ,BLDC, 采用方波自控式永磁同步電機 ,以霍爾傳感器取代碳刷換向器 , 以釹鐵硼作為轉子的永磁材料 ;產品性能超越傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點 , 同時又解決了直流電機碳刷滑環(huán)的缺點 ,數(shù)字式控制 ,是當今最理想的調速電機。 主電路是一個典型的電壓型交—直—交電路，逆變器提供等幅等寬 5-26kHz 調制波的對稱交變矩形波 。永磁體 n-s 交替交換使位置傳感器產生相位差 120 °的u、v、w

20、 方波，結合正 /反轉信號產生有效的 6 狀態(tài)編碼信號： 101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產生 t1— t4 導通、 t1—t6 導通、 t3—t6 導通、 t3—t2 導通、 t5—t2 導通、 t5—t4 導 通，也就是說將直流母線電壓依次加在 a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a- 、 c+b- 上，這樣轉子每轉過一對 n-s 極， t1—t6 功率管即按固定組合成 6 種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀 態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動 60 電角度，轉子跟隨定子

21、磁場 · 8 · 轉動相當于 60 電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器 u、v、 w 按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定 子繞組產生的磁場軸再前進 60 電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。正因為無刷直流電動機的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。 電動機在這里受到控制單元的指令控制輸出適宜的扭矩，進而控制車輪的轉向，它是本系統(tǒng)實現(xiàn)功能最重要的器件之一，所以需要可靠性比較強，而且對應的性價比比較

22、好的器件，在這里我們采用的直流無刷直流電機的參數(shù)如下表所示： 型式 直流無刷電動機 額定時間 S22 分鐘 標稱輸出 150W 額定轉速 1200r/min/DC12V/30A 額定轉矩 1.2N/30A 額定電流 30A 旋轉方向 正反轉 允許最大電流 35A · 9 · 2.2 DSP 芯片結構與性能的介紹

23、DSP(Digital Signal Processor) 實際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元 、控制單元和外圍設備集成到一塊芯片上 。DSP 最早是針對數(shù)字處理，特別是語音、圖象信號的各種處理而開發(fā)的。由于這類 信號處理的算法復雜， 要求 DSP 必須具有強大快速的運算能力。 因此， DSP 有別與普通的單片機，它采用了多組總線技術實現(xiàn)并行運行機制， 從而極大的提高了運行速度， 也提供了非常靈活的指令系統(tǒng)。 近些年來，各種集成化單片 DSP 的性能不斷得以改進，相應的軟件和開發(fā)工具日臻完善，價格迅速下降，使得 DSP 在控制領域的應用備受關注。在本論文里面我們主

24、要用的是 TMS320LF240 這一芯片 ,就這一芯片做以下的介紹 : TMS320LF240 是 TI 公司在 TMS320C2XX 的基礎上推出的一種專 用定點 DSP 芯片，該器件利用了 TI 的可重用 DSP 核心技術，顯示出 TI 的特殊能力——通過在單一芯片上集成一個 DSP 內核和各種外設器 件，從而制造出面向各種工程應用的 DSP 方案。 作為第一個數(shù)字電機控制器的專用 DSP ，TMS320C240 和 TMS320F240 確立了單片數(shù)字電機控制器的標準，可支持電機的轉向、 指令的產生、

25、控制算法的處理、數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制監(jiān)控等功能?？? ·10· 廣泛應用于廠房自動化系統(tǒng)、工業(yè)化電機驅動和功率轉換、供熱、通風 和空調（ HAVC ）系統(tǒng)。其主要特性如下： ●采用TMS320C2XX CPU 內核：有 32 位中央邏輯運算單元 （CALU ）；內含 32 位累加器（ ACC ）；16 位×16 位并行乘法器； 8 個 16 位輔助寄存器； ●具有50ns(20MIPS) 指令周期； ●含544 字節(jié) 16 位在片數(shù)據(jù) /程序雙向 RAM ；

26、 ●帶有16k 字節(jié) Flash EEPROM ： ●雙向10 位串行數(shù)模轉換器的采樣速率可達 166kHz ； ●具有28 個獨立可編程、復用 I/O 腳； ●有串行外設接口（ SPI ）和 SCI 接口； ●自帶強大的事件管理器； （1） 12 路比較 /PWM 通道，其中 9 路為獨立 （2） 3 個 16 位通用定時器，共有 6 種模式。 （3） 3 個具有死區(qū)功能的全比較單元。 （4） 4 個捕獲單元。 其中兩個具有直接連接正交編碼器脈沖的能 力。 ●帶有實時中

27、斷的看門狗電路； ●支持硬件 JTAG 硬件仿真。 TMS320F240 采用哈佛結構 ,流水線操作 ,大大提高了指令執(zhí)行速度。優(yōu)化的 CPU 結構 ,更加快了指令執(zhí)行速度。 TMS320F240 的指令系統(tǒng)是與其它數(shù)字信號處理器一脈相承 的 , 它提供了豐富的“乘累加”指令 ; 這使電機控制中的數(shù)字濾波 ,如 ·11· IIR 、FIR 等 ,實現(xiàn)方便快速 . 2.3 最小系統(tǒng)及外圍擴展電路 本系統(tǒng)中，DSP 最下

28、系統(tǒng)擴展電路設計如圖所示 。主要引腳的接法如下： ●與時鐘源模塊相關的引腳。我們使用 DSP 的內部振蕩器，此時引腳 /OSCBYP 接高電平。而使用內部振蕩器，引腳 XTAL1/CLKIN 和 XTAL2 分別接外部晶振的一端。時鐘源模塊采用鎖相環(huán)（ PLL ）技術，對外部時鐘頻率進行備頻。得到非常穩(wěn)定的內部時鐘。 ●與存儲器擴展相關的引腳。存儲器擴展主要是 TMS320F240 內部存儲 容量有限，同時也考慮到調試過程中可以方便將程序下載到片外高速 SRAM 中，不用頻繁的寫片內 EPPROM 。存儲器擴展采用的是高速靜態(tài) RA

29、M 芯片 CY7C199 ，它的存儲容量為 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，用于產生等待信號的 ready 引腳無需連接到存 儲器，直接經電阻接到高電平。 ● 系統(tǒng)復位引腳 。電源復位使用 /PORFSFT 引腳，將其接在阻容電路中， 引腳上產生由低到高變化時系統(tǒng)復位。 / RS 在作為輸入時作用和 /

30、 PORFSFT 是相同的，因此將其直接拉高 。圖中 VCCP 編程電壓接為高， ·12· 2 3 4 用于調試和燒寫 flash ，因此看門狗復位功能可以禁止。在調試完成后， VCCP 接地，以防止干擾對程序及看門狗的意外操作。 1 1 7 17 0 14 10 2 1 71 24 6 61 91 1  5 VCC K 0 1 R1 R2 R3 R4

31、 C1 C2 VCC 1 2 3 ADCIN2 VCC  D00 9 D0 D01 10 D1 D02 11 D2 D03 12 D3 D04 13 D4 D05 14 D5 D06 15 D6 D07 16 D7 D08 17 D8 D09 18 D9 D10 19 D10 D11 20 D11 D12 21 D12 D13 22 D13 D14 23 D14 D15 24 D15

32、RS 35 RS 41 PORESET 40 NM1 53 XINT1 54 XINT2/IO 55 XINT3/IO 52 PDPINT 37 MP/MC 36 READY 85 VREFHI 86 VREFLO 74 ADCIN2 75 ADCIN3 76 ADCIN4 77 ADCIN5 78 ADCIN6 79 ADCIN7 89 ADCIN10 88 ADCIN11 83 ADCIN12 82 ADCIN13 81 ADCIN14 80 ADCIN15 63 ADCSOC

33、/PC0 64 CLKOUT/PC1 65 XF/PC2 66 BIO/PC3  DDDDDDDA DDD DDDDDDDCDDD VVVVVVVCVVV DDDDDDDVDDD TMS320F240  J? A0 110 A00 A00 1 111 A01 A01 2 A1 112 A02 A02 3 A2 113 A03 A03 4 A3 114 A04 A04 5 A4 115 A05 A05 6 A5 116

34、A06 A06 7 A6 117 A07 A07 8 A7 118 A08 A08 9 A8 119 A09 A0910 A9 120 A10 A1026 A10 121 A11 A1125 A11 122 A12 A1224 A12 123 A13 A1323 A13 124 A14 A1421 A14 125 A15 A15 /CS 20 PS 131 /RD 22 129 /WR

35、27 DS 130 IS 5 BR 4 R/W 6 STRB 1 A00 1 WE 132 A01 2 R/W A02 3 SCITXD/IO 44 TXD A03 4 43 RXD A04 5 SCITXD/IO 45 A05 6 SPISIMO/IO 48 A06 7 SPISOMI/IO 49

36、 A07 8 SPICLK/IO 51 A08 9 SPISTE/IO ADCIN0/PA0 72 PHASE1 A0910 73 PHASE2 A1026 ADCIN1/PA1 90 PHASE3 A1125 ADCIN9/PA2 91 PHASE4 A1224 ADCIN8/PA3 70 PHASE5 A1323 CAP4/IOPC7 TMRDIR/PB6 108 PHASE6 A1421 輸出 T1PWM/T1CPM/PB3 105 PWM /CS

37、 20 /RD 22 /WR 27 PWM7/CMP7/PB0 100 HA1 (CAP3) 101 HB1 (CAP2) PWM8/CMP8/PB1 102 HC1 (CAP1) PWM9/CMP9/PB2 CAP1/QEP1/PC4 67 CAP2/QEP2/PC5 68 CAP3/IOPC6 69  A14 I/O0 11 D00 12 D01 A12 I/O1 1

38、3 D02 A7 I/O2 15 D03 A6 I/O3 16 D04 A5 I/O4 17 D05 A4 I/O5 18 D06 A3 I/O6 19 D07 A2 I/O7 A1 A0 A13 A8 A9 A11 A10 CS OE WR CY7C199 A14 I/O0 11 D0

39、8 12 D09 A12 I/O1 13 D10 A7 I/O2 15 D11 A6 I/O3 16 D12 A5 I/O4 17 D13 A4 I/O5 18 D14 A3 I/O6 19 D15 A2 I/O7 A1 A0 A13 A8 A9 A11 A10 CS OE WR CY7C199 31 TDI

40、 K 34 TDO 0 33 1 R5 R6 TMS 30 TCK 32 D TRST 36

41、 E EMUO V 39 R EMO1/OFFS S S S S S A E S S SS SS SSS SV S S S S S SS SES S S VC VVVVVVV VRVVV 3 4 0 9 6 9 1 1 2 3 0 8 2 2 4 5 6 7 4

42、 1 90 1 2 1 1 1  VCC VCCP 50 42 PMTMODE 10K 56 OSCBYP 57 R7 X2 X1/CLKIN 58 CRYSTAL C3 2 4 C4 TMS320F240最小系統(tǒng)及其擴展電路 ●與JTAG（Joint Test Action Group ）接口相關

43、的引腳。程序的下載是通 ·13· 2 3 4  Title Size B Date: 1 File: C 5 過 JTAG 接口完成的。這個接口經過轉換電路（仿真器）與 PC 機的并 行口相連。除了電源，地之外， DSP 的 JTAG 接口還有 7 個引腳。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。 ●DSP 工作方式選擇引腳（ MP 和/MC ）。

44、該引腳是決定 DSP 是工作在 微處理器模式還是微計算機模式。若為低電平，選擇內部程序存儲器； 若為高電平，選擇外部程序存儲器。 ●與A/D 轉換模塊相關的引腳。（ 1）ADC0-ADC15 為 16 個模擬輸入通道。其中， ADC0-ADC7 屬于第一個 A/D 轉換器； ADC8-ADC15 屬于第二個 A/D 轉換器。ADC0，ADC1，ADC8，ADC9 與 I/O 復用。（2）VREFHI 和 VREFLO 為模擬基準電壓引腳 （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

45、上。 ●與外部中斷有關的引腳， TMS320F240 的事件管理器提供了外部中斷 PDPINT 來實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。過流保護首先通過電流檢測電路檢測電 流，轉化為 DSP 需要的 5V 電壓 ADCIN2, 然后通過比較器 LM393 設定 允許最大電流值，當母線電流超過設定值時，輸出低電平的故障信號 APROTFCT ，接 DSP 的 PDPINT 引腳。 2.4 扭矩傳感器 它是用來測量駕駛員作用在方向盤上面的力矩大小和方向。在這里 采用的是電位式傳感器，它輸出兩個彼此獨立的主副信號，控制單元用 副

46、信號來檢查主信號是否正確。利用扭桿連接的輸入、輸出軸間的相對 位移，使點位表產生位移。 ·14· 如圖所示： 2.5 霍爾傳感器 霍爾位置傳感器是一種檢測物體位置的磁場傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻栁恢脗鞲衅饕曰魻栃頌槠涔ぷ骰A。 采用霍爾元件、霍爾開關電路、霍爾線性電路以及各種補償和保護電路和磁路組件組合成霍爾位置傳感器。包 括：霍爾位置基準傳感器、霍

47、爾零位傳感器、霍爾行程傳感器、霍爾齒輪傳感器、霍爾接近開關等等。 霍爾位置傳感器必須滿足以下兩個條件： 位置傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態(tài)是不重復的，每一個開關狀態(tài)所占的電角度相等。 位置傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態(tài)數(shù)應和電動機的工作狀態(tài)數(shù)相對應。 位置傳感器輸出的開關狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關狀態(tài)與電動機的換相狀態(tài)對應起來，進而完成換相。對于三相無刷直流電動機，其位置傳感器的霍爾元件的數(shù) 量是 3，安裝位置應當間隔 120 電角度，其輸出信號是 Ha 、Hb 、Hc。

48、 ·15· 2.6 車速傳感器 車速信號也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉矩信號結合用以確定系統(tǒng)控制的目標電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當車速超出系統(tǒng)設定的助力范圍時，系統(tǒng)將停止助力，改為手動操作。車速信號由車速傳感器測得，車速傳感器也有多種類型，主要是利用電磁原理和光學原理制成。常見的車速傳感器工作原理如圖所示，車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置在附有齒的轉子附近，當附有齒的轉子旋轉時，從傳感器的永久磁鐵出來的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會產生交流電流。圖為車速傳感器的工

49、作原理。 1. 輪毅 2. 轉子 3. 永久磁鐵 4. 輸出信號電壓 5. 高速時 6. 低速時 車速傳感器的輸出信號一般是經里程表處理后，變成方波信號送給 控制系統(tǒng)。在本文的研究中，采用脈沖發(fā)生器來模擬實際的車速信號， 用于對控制策略的研究。 2.7 換相邏輯電路的設計 無刷直流電機的定子電樞繞組換相和正反轉控制是通過用反映電機 轉子位置的霍爾信號改變 MOSFET 功率管的開通和關斷的順序來實現(xiàn)

50、 ·16· 的。 TMS320F240 有 3 個 16 位的通用定時器。用通用定時器產生控制 電機電壓調制的 PWM 波，同時用硬件電路實現(xiàn)電子換相。其電路如圖 所示： 用 GAL16V8實現(xiàn)電子換相電路圖 該電路圖要用到一 GAL16V8 這一芯片來實現(xiàn)。 GAL16V8 的建議工作電平為 5V ，也可以工作在 3.3V 以

51、下。具有 64×32 邏輯與門陣列和 8 個可編程輸出邏輯單元。也可以對各個輸入端口的邏輯信號及其非信號 按邏輯與連接實現(xiàn)譯碼功能。其最大傳輸延時為 3.5ns 。 將根據(jù) DSP 捕獲的霍爾信號（ Ha1 ，Hb1 ，Hc1 ）， DSP 輸出的六個狀態(tài)信號 PHASE1 ～PHASE6 ，DSP 輸出的 PWM 調制信號 PWM1 和電流保護電路輸出的保護信號 APROTECT 行邏輯組合變換后得到控 制 6 個功率管的觸發(fā)信號（ PWM11 —— PWM16 ）。 在前面我們曾經對電機的工作原理做過描述，轉子在定子電樞繞組

52、 合成磁場和永磁磁場的相互作用下沿順時針方向連續(xù)轉動，三個霍爾傳 ·17· 感器交替輸出三個寬為 180 度電角度，相位互差為 120 度電角度的方波信號，該信號經 DSP 邏輯變換后與 PWM 調制信號和電流保護信號經過邏輯組合變換得到使逆變器功率管按 V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6， V6V1 ?? .的順序導通的觸發(fā)信號。 2.8 位置檢測電路設計 控制無刷直流電動機時， DSP 控制器主要是根據(jù)轉子當前的轉動位置，發(fā)出相應的控制字，通過改變 PWM脈沖信號的占空比來實現(xiàn)對電機的控制。

53、無刷直流電動機的轉子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本 設計方案中，采用了三個 磁敏式位置傳感器（霍爾元件）。常見的 磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構成的，世界上第一臺無刷 直流電動機就使用了霍爾元件式位置傳感器?；魻栐轿恢脗鞲衅饔捎诮Y構簡單、性能可靠且成本低，是目前在無刷直流電動機上應用最多的一種位置傳感器。 對于本系統(tǒng)反電動勢為梯形波，兩相導通 Y 型三相六狀態(tài)無刷直流 電機，我們將三個霍爾組件以彼此間隔 120 o 空間電角度安裝在電機定子 o 上，由于電機永磁體的極弧寬度為 180 電角度，這樣當電機旋轉時，三 o o

54、 個霍爾組件便交替輸出三個寬為 180 電角度、相位互差 120 電角度的 方波信號。而此時得到的位置信號是有毛刺和諧波干擾的脈沖信號，我 們要經過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。 ·18· 位置信號整形電路 整形電路如圖所示。霍爾元件產生的電動勢很低，我們要加上拉電

55、 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、價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中，本系 統(tǒng)整形電路首先經 LM324 比較器進行簡單整形，再經施密特觸發(fā)器得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖信號。 整形電路所用施密特觸發(fā)器輸入與輸出為反相關系，又稱作施密特觸發(fā)器與非門，其特點如下： ⑴ 施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，其維持和轉換完全取決于輸入電壓的大小。 ⑵ 電壓傳輸特性特殊，有兩個不同的閾值電壓（正向閾值電壓 和負向閾值電壓 ） ⑶ 狀態(tài)翻轉時有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。

56、 ·19· 整形電路輸出脈沖信號 我們知道，門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾

57、值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓，普通門電路的電壓傳輸特性曲線是單調的，施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性曲線則是滯回的，我們稱之為回差特性。當傳輸?shù)男盘柺艿礁蓴_而發(fā)生畸變時，可利用施密特觸發(fā)器的回差特性，將受到干擾的 信號整形成較好的矩形脈沖。 如整形電路輸出脈沖信號 所示，我們在每個機械轉中得到共計 6 個上升沿或下降沿，它們正好對應著 6 個換向時刻。通過將 DSP 設置為雙 ·20· 沿觸發(fā)捕捉中斷

58、功能，可以獲得正確的換相時刻。通過將 DSP 的捕捉口 CAP1～CAP3 設置為 I/O 口，并檢測該口的電平狀態(tài)，來得到具體的捕 捉中斷。 2.9 電流保護電路的設計 設計保護電路，我們要用到 HNCR025A 這一芯片。在以下部分里， 我們會對其做簡要的介紹。 （1）HNCR025A 簡介 HNC025A 電流傳感器是南京中旭電子科技有限公司中一種量程很 小的傳感器，所能測量的額定電流為 5、6、8、12、25A。原邊管腳的不 同接法可確定額定測量電流為多少。 HNCR025A 是利用霍爾效應

59、和平衡 原理的一種多量程電流傳感器，能夠測量直流、交流以及各種脈沖電流， 同時在電氣上是高度絕緣的。 （2）工作原理 用磁檢測器檢測磁芯中次極電流所產生的磁場初級電流所產生的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作。因此有等式： NP .IP =NS .IS IP 初級電流 NP 初級匝數(shù) NS 次極電流 IS 次極匝數(shù) 由于要進行矢量控制，必須檢測電機三相的繞組電流，從而實現(xiàn)驅 動電機和補償電機電流環(huán)的控制。電機的三相電流是通過開關管逆變而 來的，故實際上檢測時只需要測量電機逆變橋前端的直流母線電流就

60、可 以反映電機電流，如圖 6 所示。用霍爾直流電流傳感器 HNCR025A 檢測母線電流，再采用電阻和 AD260 放大器放大。RC 低通濾波與 ·21· TMS320F240 內 A/D 轉換引腳相連。 電流檢測電路 過流保護首先通過電流檢測電路檢測電流，轉化為 DSP 需要的 0～ 5V 電壓 ADCIN2 。然后通過比較器 LM393 設定允許最大電流值。當母 線電流超過

61、設定值時，輸出的低電平控制信號 APROTCECT 接 GAL 邏輯控制電路的輸入引腳 CCMP1 。當系統(tǒng)出現(xiàn)過流的時候， GAL 邏輯電路快速封鎖 PWM 的輸出。為了對輸出給 GAL 的保護信號 APROTECT 的可靠輸出和有效保護，系統(tǒng)要求保護信號延長一段時間，在比較器的 輸出加延遲電路。信號延遲電路由電阻、電容和二極管組成。電流保護 電路如圖 7 所示： ·22·

62、電流保護電路 2.10 功率驅動電路設計 驅動電路將控制器的輸出信號進行功率放大后，向逆變器電路中各功率開關管送去使其能飽和導通和可靠關斷的驅動信號。驅動電路的工作方式直接影響著開關管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電機控制 系統(tǒng)的正常工作。 本電路即選用專用的集成驅動芯 IR2130 ，其主要指標如下： ·最大偏置電壓：600V ； ·輸出的門極驅動電壓范圍： 10 ～20V ； ·輸出電流Io+/- ：200mA/420mA ； ·導通/關斷時間

63、： 675&425ns ； ·死區(qū)時間典型值：2.5 μs 。 IR2130 是一種高電壓 、高速度的功率 MOSFET和 IGBT 驅動器，工作電壓為 10 ～20V ，分別有三個獨立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入 與 CMOS或 LSTTL 輸出兼容，最小可以達到 2.5V 邏輯電壓。外圍電路中的參考地運行放大器通過外部的電流檢測電位器來提供全橋電路電流 的模擬反饋值，如果超出設定或調整的參考電流值， IR2130 驅動器的內 部電流保護電路就啟動關斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護的作用。 IR2130 驅動器反映高脈

64、沖電流緩沖器的狀態(tài)，傳輸延遲和高頻放大器相匹配， 浮動通道能夠用來驅動 N 溝道功率 MOSFET和 IGBT ，最高電壓可達到 600V ，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲。它自帶死區(qū)，內部設計有過 ·23· 流、過壓和欠壓等完善的保護功能，一旦發(fā)生故障，將自動關斷全部六 路輸出信道，芯片內部自舉技術的巧妙運用使其節(jié)約了多路輔助觸發(fā)電 源，大大降低了電路設計的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

65、 功率驅動電路 如功率驅動電路所示 ：IR2130 芯片可同時控制六個大功率管的導通 和關斷順序，通過輸出 HO1，2，3 分別控制三相全橋驅動電路的上半橋 Q7、Q9、Q11 的導通關斷，而 IR2130 的輸出 LO1，2，3 分別控制三 相全橋驅動電路的下半橋 Q8、Q10、Q12 的導通關斷，從而達到控制電 機轉速和正反轉的目的。 在功率驅動電路中， IR2130 使用時還應注意如下事項 :

66、 (1) 為滿足自舉電容充電及電容負載接通與斷開的需要，通常在 ·24· IR2130 的 VCC與 VSS 端并接一個容量為自舉電容 10 倍以上的電容， 我們選了 220 μF 的電解電容。 (2) 由于 IR2130 內部的六個驅動器輸出阻抗較低，直接用它來驅動功率 MOSFET 器件會引起該器件的快速開通和關斷，這可能造成功率 器件漏源極之間的振蕩。這樣，一則會引起射頻干擾；二則有可能造成 功率器件因承受過高的 dv/dt 而被擊穿。解決的辦法是在功率管的柵極 與 IR2130

67、 的輸出之間串聯(lián)一個阻值為 30 Ω的無感電阻。 (3) 在 IR2130 用于電機調速時，由于負載電感較大，當逆變器中的某個功率管關斷時，負載電流會通過逆變器中與此功率管并聯(lián)的二極管續(xù)流。若在此時與該二極管同一橋臂的另一個功率管導通，則在該續(xù)流二極管反向恢復關斷的時間內，將有一寬度很窄而幅度很大的短路電流，會產生射頻干擾，并引起兩個功率管的漏極兩端的振蕩，導致過高 的 dv/dt 而損壞功率管。 解決的辦法同樣是在功率管的柵極與 IR2130 的輸出之間并聯(lián)一個合適的無感電阻。 2.11 電源電路的設計 ·25· 最后介紹一下本系統(tǒng)所用的電源設計。 12V 電壓電源是車載電源 ?？? 制系統(tǒng)需要 5V 的供電