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1 引言 賽車(chē)剎車(chē)系統是賽車(chē)系統上具有相對獨立功能的子系統,其作用是承受賽車(chē)的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車(chē)剎車(chē)時(shí)的動(dòng)能,實(shí)現賽車(chē)的制動(dòng)與控制。其性能的好壞直接影響到賽車(chē)的快速反應、安全制動(dòng)和生存能力,進(jìn)而影響賽車(chē)的整體性能。本文設計了賽車(chē)全電防滑剎車(chē)控制器的硬件和軟件,最后研究了適合于賽車(chē)剎車(chē)的控制律。 2 系統硬件電路設計 本賽車(chē)剎車(chē)控制器是由防滑控制器和電機驅動(dòng)控制器組成。兩個(gè)控制器都是以DSP芯片為核心。防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,輸出給定的剎車(chē)壓力,以DSP芯片為CPU,外加賽車(chē)和機輪速度信號調理電路等。電機驅動(dòng)控制器主要是調節剎車(chē)壓力大小,并且控制電動(dòng)機電流大小,也是以DSP芯片為CPU,再加外圍電路電動(dòng)機電流反饋調理電路、過(guò)流保護電路、剎車(chē)壓力調理電路、四組三相全橋逆變電路等構成電機驅動(dòng)控制器。 2.1 DSP的最小系統 DSP的最小系統主要涉及存儲器擴展、JTAG接口配置、復位電路、ADC模塊的設置以及時(shí)鐘電路的設計等。 1、片外存儲器擴展。 片外存儲器是為了彌補DSP內部RAM的不足,同時(shí)也考慮到調試過(guò)程中可以方便將程序下載到片外高速Static RAM中。外部的靜態(tài)隨機存儲器采用CY7C1041CV33。DSP既可以使用片內程序存儲器,也可以使用片外程序存儲器,這由引腳XMP刀MC決定的。JTAG接口。在程序需要調試時(shí),程序下載是通過(guò)JTAG接口完成的,這個(gè)接口經(jīng)過(guò)仿真器與PC機的并行口相連。 2、復位電路與時(shí)鐘源模塊。 用阻容電路產(chǎn)生上電復位和手動(dòng)復位的低電平復位電路,產(chǎn)生復位信號。外加一個(gè)硬件看門(mén)狗,其輸出端產(chǎn)生復位信號WDRST。電源芯片的兩個(gè)輸入都為+5V,輸出為+1.9V和+3.3V電源為DSP供電,輸出電源分別有兩個(gè)復位信號,當電源不穩或過(guò)低時(shí),將產(chǎn)生復位信號。 3、模數轉換ADC模塊的硬件配置。 模數轉換ADC輸出電壓2V,要求輸出端接一個(gè)低的ESR容量為10μF的陶瓷電容到模擬地。如果軟件設置在外部參考模式下,ADCREFP能夠接外部輸入為2V的參考電壓,并且接一個(gè)低的ESR容量為1μF到10μF的電容。否則,AD的內部參考源的精度將受到影響。 2.2賽車(chē)前輪與剎車(chē)機輪速度信號處理電路 賽車(chē)防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,防止賽車(chē)打滑,由滑移率的偏差大小調節后輸出壓力參考值,以跟蹤給定的滑移率大小。防滑控制器上必須有賽車(chē)前輪和剎車(chē)機輪速度信號的調理電路,主要是為了得到反饋的滑移率。賽車(chē)速度信號是以自由滾動(dòng)的賽車(chē)前輪速度信號代替。在賽車(chē)的前輪與剎車(chē)機輪上都裝有測速傳感器,當輪子轉動(dòng)時(shí),測速傳感器會(huì )產(chǎn)生正弦波形式的交流信號,機輪每轉動(dòng)一圈,測速傳感器發(fā)出50個(gè)周期的正弦交流信號。正弦交流信號的振幅隨輪子速度的變化而變化,其信號為偏壓2.5V,峰值為0.3V,最大信號幅值不超過(guò)5V的正弦波信號。將此正弦波信號轉換成同頻率的方波后送入DSP的捕獲單元,捕獲方波相鄰上升沿的計數值間隔ncapture,即可計算得到輪子的轉速值V。 調理電路如圖1所示: 圖1 速度調理電路 2.3 邏輯信號電路 電機驅動(dòng)器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對電機的轉子位置等信號進(jìn)行邏輯處理,選用多達有76路可編程I/0口和100引腳的EPM7128AE,該CPLD能夠滿(mǎn)足系統設計要求。器件EPM7128AE實(shí)現了電機的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號、過(guò)流保護、正反轉、三相全橋的開(kāi)通與關(guān)斷等功能。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個(gè)電機的邏輯信號。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開(kāi)路結構,故上拉2KΩ電阻,再把霍爾信號SA, SB, SC送到CPLD的輸入端口。其JTAG接口的TMS, TCK, TDI, TDO四個(gè)端子必須接上拉電阻,再接+5V電源。 2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機的功率驅動(dòng)電路 無(wú)刷直流電動(dòng)機的功率驅動(dòng)電路采用以IR公司的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片IR2130為中心的6個(gè)N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路。其輸入為以功率地為地的PWM波,送到IR2130的輸入端口,輸出控制N溝道的功率驅動(dòng)管MOSFET,由此驅動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機。采用這種驅動(dòng)方式主要是功率驅動(dòng)芯片IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側電源的巧妙運用,簡(jiǎn)化了整個(gè)驅動(dòng)電路的設計,提高了系統的可靠性。而且IR2130驅動(dòng)芯片內置死區電路,以及過(guò)流保護和欠壓保護等功能,大大降低了電路設計的復雜度,進(jìn)一步提高了系統的可靠性。 2.5 電流采樣及過(guò)流保護電路 無(wú)刷直流電動(dòng)機的電流是通過(guò)功率驅動(dòng)電路母線(xiàn)上的電阻進(jìn)行檢測的。母線(xiàn)上面的電阻是由兩個(gè)0.01Ω的功率電阻并聯(lián),采樣電路是通過(guò)這兩個(gè)并聯(lián)的采樣電阻進(jìn)行電流采樣的,采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號,電壓信號送到電流監控芯片進(jìn)行放大,然后經(jīng)過(guò)由OPA2344構成二階有源濾波電路濾波,最后得電流反饋信號,直接送到A/D轉換器。 圖2 電流采樣電路 硬件過(guò)流保護電路,對系統的正常工作起到很重要的作用,主要是對功率器件MOSFET和電動(dòng)機的保護。系統還帶有軟件保護功能,過(guò)流信號OVCURX送到DSP的輸入引腳,當OVCUR為高電平時(shí),DSP會(huì )產(chǎn)生電機控制轉動(dòng)信號ENABLE關(guān)斷邏輯信號,使電機停轉。芯片IR2130自身帶有過(guò)流保護功能。 2.6 壓力信號放大電路及其調理電路 壓力信號放大器采用差分式實(shí)現的減法運算的放大電路,以超低漂移電壓運算放大器為核心,放大倍數為40倍,放大器還配有調零位和靈敏度調節的功能。其中芯片7809為電源芯片7660提供+9V電壓的,芯片7660將+9V的電壓變?yōu)?9V,這兩個(gè)電壓+9V和-9V同時(shí)為OP07供電。 由于從電壓信號放大器出來(lái)的電壓信號范圍為+1V"+5V,而DSP的A/D模塊的參考電壓為+3.3V,則采樣的電壓信號的最大值不能超過(guò)+3.3V。因此電壓信號要經(jīng)過(guò)調理電路將電壓信號減小到+3.3v以下。調理電路采用精密的運算放大器OPA2344,將電壓信號由+1V"+5V調理到+3V以下,需要設定放大倍數為0.6,以便于DSP進(jìn)行采樣。 3 控制器軟件設計 本賽車(chē)剎車(chē)控制器的軟件以C語(yǔ)言為主體,適當的采用匯編語(yǔ)言,這樣的軟件編寫(xiě)給整個(gè)系統軟件帶來(lái)了方便。C語(yǔ)言使DSP程序的開(kāi)發(fā)速度加快,而且可讀性和可移植性也大大增加,在TI公司的C2000 Code Composer Studio(CCS)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序調試。由于篇幅限制,此處僅介紹系統程序初始化以及主程序流程。 1、系統程序初始化。 系統的程序在運行前,必須對DSP的時(shí)鐘源、定時(shí)器、看門(mén)狗、AD模塊、I/O口、捕獲單元、中斷等等進(jìn)行初始化設置,使系統的內部資源、外圍設備和硬件電路相匹配。系統在運行前,必須關(guān)掉所有的中斷,以防止程序運行時(shí)產(chǎn)生不必要的中斷或者程序跑飛等現象。因此在初始化后,系統才啟動(dòng)中斷,使程序正常運行。 2、系統主程序流程。 賽車(chē)全電剎車(chē)系統的主程序包括程序初始化模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)、模擬量定時(shí)采樣模塊、速度信號的捕獲模塊、滑移率控制模塊、壓力調節模塊、電流調節模塊等等。其中,定時(shí)器中斷服務(wù)程序給電流、壓力、滑移率模塊提供固定的時(shí)鐘觸發(fā),以此時(shí)間作為各個(gè)模塊的調節基準。當程序運行時(shí),首先關(guān)斷系統的總中斷,完成初始化,接收到剎車(chē)命令后,開(kāi)啟總中斷,進(jìn)入程序調節的死循環(huán),直到程序運行結束。電流環(huán)調節的時(shí)間最短,反映最快,其調節時(shí)間長(cháng)短與電流信號濾波參數、DSP采樣速度、CPU時(shí)鐘周期、軟件濾波程序等都有關(guān)系,一般時(shí)間為零點(diǎn)幾個(gè)毫秒。而壓力調節環(huán)的時(shí)間設定為電流調節環(huán)的N倍,電流調節環(huán)和壓力調節環(huán)的調節次數可以現場(chǎng)測定調節時(shí)間而確定,滑移率調節時(shí)間更長(cháng)。系統的主程序流程圖如圖3所示。 圖3 程序主程序流程圖 4 系統模糊控制策略 模糊控制器是模糊控制在控制系統中應用的關(guān)鍵部分,其主要過(guò)程為將取到的系統控制回路中被控過(guò)程輸出的精確量進(jìn)行模糊化,并且作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的輸入和輸出都是實(shí)際的精確量。然后進(jìn)行模糊推理,在內部建立語(yǔ)言型的模糊控制規則,由輸入條件判斷模糊輸出。最后將模糊量轉化為實(shí)際的精確量,即去模糊化。模糊控制器設計的具體過(guò)程如下圖4所示。 圖4 模糊控制器原理圖 本文作者創(chuàng )新點(diǎn) 本文主要完成了賽車(chē)剎車(chē)控制系統的設計,主要是硬件設計、軟件設計和控制策略研究。硬件設計方面采用高速的DSP芯片和CPLD并設計其外圍的電路。系統還設計了以IR2130為核心的驅動(dòng)電路,電流信號硬件放大電路、濾波電路和保護電路,壓力信號的放大電路和濾波電路,賽車(chē)速度和機輪速度的處理電路等等�？刂撇呗苑矫娌捎媚：刂普{節PID參數。 |
