1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制器設(shè)計.精品文檔. 第一章 緒 論 電動助力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)向的發(fā)展從最初的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡稱MS）發(fā)展為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS），然后又出現(xiàn)了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electro Hydr

2、aulic Power Steering，簡稱EHPS）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）。裝配機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)。但是，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車速的升高提供逐漸減小的轉(zhuǎn)向助力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)向和電

3、動助力轉(zhuǎn)向之間的過渡產(chǎn)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(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。1.2 電動助力轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)向助力系統(tǒng)應(yīng)用在了Imperial車系上。由于技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得以被廣泛普

4、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(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉(zhuǎn)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(chǔ)上進行改進，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 這套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再由發(fā)動機直接驅(qū)動，而是由電動機來驅(qū)動，并且在之前的基礎(chǔ)上加裝了電控系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)向輔助力的大小不光與轉(zhuǎn)向角度有關(guān)，還與車速相關(guān)。機械結(jié)構(gòu)上增加了液壓反應(yīng)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(zhuǎn)向ECU等。電動助力EPS就是英文Electr

5、ic Power Steering的縮寫，即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、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(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛員在操縱方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩電壓信號、轉(zhuǎn)動方向和

6、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(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動力。汽車不轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)特點液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個多世紀，其技術(shù)已相當成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)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(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提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(jīng)提出，就受到許多大汽車

7、公司的重視，并進行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1、降低了燃油消耗液壓動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）僅在需要轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當前的車速有關(guān)。當轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機不工作，需要轉(zhuǎn)向時，電機在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時輸出最大轉(zhuǎn)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&qu

8、ot;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(yīng)緩慢，直至液壓油預(yù)熱后才能正常工作。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)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(yù)熱，節(jié)省了能量。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(jīng)濟性，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實驗表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國輛燃油消耗降低2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5.5%。2、增強了轉(zhuǎn)向跟隨性在電

9、動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機與助力機構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。3、改善了轉(zhuǎn)向回正特性直到今天，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)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(nèi)調(diào)整設(shè)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

10、程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)角迫使它側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向，簡稱EPS(Electric Power

11、 Steering)。EPS是在EHPS(電控液壓助力轉(zhuǎn)向)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)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(gòu)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用電動機產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器)，轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)(電機、離合器、減速傳動機構(gòu))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(zhuǎn)向盤時，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)

12、向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)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(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。從國內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向。控制策略是EPS研究的重點。(2)系統(tǒng)匹配技術(shù)。助力特性的匹配、電機及減速機構(gòu)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(guān)鍵。(3)可靠性。轉(zhuǎn)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(yīng)有良好的硬件保證外，還需要良好的軟件做支

13、撐，因此對 EPS的可靠性提出了很高的要求。由于技術(shù)、制造和維修成本等原因，目前大部分汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍以液壓助力的HPS(包括 ECHPS、EHPS)為主。線控轉(zhuǎn)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)能與環(huán)保等諸多優(yōu)點，EPS取代HPS是今后一段時間內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 第二章 硬件電路設(shè)計 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering）結(jié)構(gòu)的工作原理:當汽車的方向盤開始轉(zhuǎn)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(diào)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

14、無刷直流電機里面對應(yīng)的三個霍爾傳感器檢測出電機轉(zhuǎn)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，經(jīng)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(dǎo)通順序控制電機，來實現(xiàn)對控制對象進行控制動力轉(zhuǎn)向的目的。扭矩傳感器無刷直流電動機DSP(TMS320F240)控制器轉(zhuǎn)子位置檢測電路位置信號整形電路逆變器電路功率驅(qū)動電路換相邏輯電路車速傳感器系統(tǒng)硬件模塊連接圖如圖系統(tǒng)硬件模塊框圖所示，硬件系統(tǒng)主要由DSP 最小系統(tǒng)及擴展電路、換相邏輯電路、功率驅(qū)動電路、逆變器電路、轉(zhuǎn)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

15、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(guān)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流，再由逆變器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)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(zhuǎn)子的永磁材料;產(chǎn)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

16、,是當今最理想的調(diào)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(diào)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(chǎn)生相位差120°的u、v、w方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)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(chǎn)生t1t4導(dǎo)通、t1t6導(dǎo)通、t3t6導(dǎo)通、t3t2導(dǎo)通、t5t2導(dǎo)通、t5t4導(dǎo)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(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對n-s極，t1t6功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種

17、狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于60電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器u、v、w按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)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(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)的性價比比較好的器件，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

18、無刷電動機額定時間S22分鐘標稱輸出150W額定轉(zhuǎn)速1200r/min/DC12V/30A額定轉(zhuǎn)矩1.2N/30A額定電流30A旋轉(zhuǎn)方向正反轉(zhuǎn)允許最大電流35A2.2 DSP芯片結(jié)構(gòu)與性能的介紹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(shè)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(fù)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(shù)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，

19、各種集成化單片DSP的性能不斷得以改進，相應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。在本論文里面我們主要用的是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(chǔ)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(shù)，顯示出TI的特殊能力通過在單一芯片上集成一個DSP內(nèi)核和各種外設(shè)器件，從而制造出面向各種工程應(yīng)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(zhuǎn)向、指令的產(chǎn)生、控制算法的處理

20、、數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制監(jiān)控等功能。可廣泛應(yīng)用于廠房自動化系統(tǒng)、工業(yè)化電機驅(qū)動和功率轉(zhuǎn)換、供熱、通風(fēng)和空調(diào)（HAVC）系統(tǒng)。其主要特性如下：采用TMS320C2XX CPU內(nèi)核：有32位中央邏輯運算單元（CALU）；內(nèi)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；帶有16k字節(jié)Flash EEPROM：雙向10位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達166kHz；具有28個獨立可編程、復(fù)用I/O腳；有串行外設(shè)接口（SPI）和SCI接口；自帶強大的事件管理器；（1） 12 路比較/PWM

21、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。帶有實時中斷的看門狗電路；支持硬件JTAG硬件仿真。TMS320F240 采用哈佛結(jié)構(gòu) ,流水線操作 ,大大提高了指令執(zhí)行速度。優(yōu)化的 CPU結(jié)構(gòu) ,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 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最下系統(tǒng)擴展電路設(shè)計如圖所示。主要引

22、腳的接法如下： 與時鐘源模塊相關(guān)的引腳。我們使用DSP的內(nèi)部振蕩器，此時引腳/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。時鐘源模塊采用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)，對外部時鐘頻率進行備頻。得到非常穩(wěn)定的內(nèi)部時鐘。與存儲器擴展相關(guān)的引腳。存儲器擴展主要是TMS320F240內(nèi)部存儲容量有限，同時也考慮到調(diào)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(nèi)EPPROM。存儲器擴展采用的是高速靜態(tài)RAM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

23、 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(chǎn)生等待信號的ready引腳無需連接到存儲器，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)生由低到高變化時系統(tǒng)復(fù)位。/ RS在作為輸入時作用和/ 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flash，因此看門狗復(fù)位功能可以禁止。在調(diào)試完成后，VCCP接地，以防止干擾對程序及看門狗的意外操作。TMS320F240最小系統(tǒng)及其擴展電路與JTAG（Joint Test Action

24、Group）接口相關(guān)的引腳。程序的下載是通過JTAG接口完成的。這個接口經(jīng)過轉(zhuǎn)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）。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(nèi)部程序存儲器；若為高電平，選擇外部程序存儲器。與A/D轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)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(zhuǎn)換器；ADC8-ADC15屬于第二個A/D轉(zhuǎn)換器。A

25、DC0，ADC1，ADC8，ADC9與I/O復(fù)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(zhuǎn)化為DSP需要的5V電壓ADCIN2,然后通過比較器LM393設(shè)定允許最大電流值，當母線電流超過設(shè)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

26、器，它輸出兩個彼此獨立的主副信號，控制單元用副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(chǎn)生位移。 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(guān)的場合中使用。霍爾位置傳感器以霍爾效應(yīng)原理為其工作基礎(chǔ)。 采用霍爾元件、霍爾開關(guān)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(guān)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(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個

27、開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機的工作狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。 位置傳感器輸出的開關(guān)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(guān)狀態(tài)與電動機的換相狀態(tài)對應(yīng)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(yīng)當間隔120 電角度，其輸出信號是Ha、Hb、Hc。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(zhuǎn)矩信號結(jié)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(shè)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

28、種類型，主要是利用電磁原理和光學(xué)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(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生交流電流。圖為車速傳感器的工作原理。 1.輪毅 2.轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)計無刷直流電機的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過用反映電機轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號改變MOSF

29、ET功率管的開通和關(guān)斷的順序來實現(xiàn)的。TMS320F240有3個16位的通用定時器。用通用定時器產(chǎn)生控制電機電壓調(diào)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PHASE1PHASE6，DSP輸出的PWM調(diào)制信號

30、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（PWM11PWM16）。在前面我們曾經(jīng)對電機的工作原理做過描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組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(zhuǎn)動，三個霍爾傳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(jīng)DSP邏輯變換后與PWM調(diào)制信號和電流保護信號經(jīng)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?qū)ǖ挠|發(fā)信號。2.8 位置檢測電路設(shè)計控制無刷直流電動機時，DSP控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當前的轉(zhuǎn)動位置，發(fā)出相應(yīng)的控制字，通過改變

31、PWM脈沖信號的占空比來實現(xiàn)對電機的控制。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本設(shè)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(gòu)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。霍爾元件式位置傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠且成本低，是目前在無刷直流電動機上應(yīng)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(dǎo)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120o 空間電角度安裝在電機定子上，由于電機永磁體的極弧寬度為180o電角度，這樣當電機旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾組件便交替輸出三個寬為180o電角度、相

32、位互差120o 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(jīng)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。位置信號整形電路整形電路如圖所示。霍爾元件產(chǎn)生的電動勢很低，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、價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中，本系統(tǒng)整形電路首先經(jīng)LM324比較器進行簡單整形，再經(jīng)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(guān)系，又稱作施密特觸發(fā)器與非門，其特點如下： 施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，其維持和轉(zhuǎn)換完全取決于輸入電壓

33、的大小。 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 ） 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。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

34、門電路的電壓傳輸特性曲線是單調(diào)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?到干擾而發(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(zhuǎn)中得到共計6個上升沿或下降沿，它們正好對應(yīng)著6個換向時刻。通過將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時刻。通過將DSP的捕捉口CAP1CAP3設(shè)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(shè)計設(shè)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

35、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(yīng)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(chǎn)生的磁場初級電流所產(chǎn)生的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作。因此有等式：NP .IP=NS .ISIP 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(qū)動電機和補償電機電流環(huán)的控制。電機的三相電

36、流是通過開關(guān)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TMS320F240內(nèi)A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為DSP需要的05V電壓ADCIN2。然后通過比較器LM393設(shè)定允許最大電流值。當母線電流超過設(shè)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

37、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： 電流保護電路2.10 功率驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)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(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著開關(guān)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(qū)動芯IR2130，其主要指標如下：·最大偏置電壓：600V； ·輸出的門極驅(qū)動電壓范圍：1020V；·輸出電流 Io+/-：200mA/420mA； ·導(dǎo)通/關(guān)斷時間

38、：675&425ns；·死區(qū)時間典型值：2.5s。IR2130是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動器，工作電壓為1020V，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(shè)定或調(diào)整的參考電流值，IR2130驅(qū)動器的內(nèi)部電流保護電路就啟動關(guān)斷輸出通道，實現(xiàn)電流保護的作用。IR2130驅(qū)動器反映高脈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(qū)動N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達到6

39、00V，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲。它自帶死區(qū)，內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓和欠壓等完善的保護功能，一旦發(fā)生故障，將自動關(guān)斷全部六路輸出信道，芯片內(nèi)部自舉技術(shù)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(shè)計的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。功率驅(qū)動電路如功率驅(qū)動電路所示：IR2130芯片可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋Q7、Q9、Q11的導(dǎo)通關(guān)斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋Q8、Q10、Q12的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。在功率驅(qū)動電路中，IR2130 使用時還應(yīng)注意如下事項

40、:(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 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 220F 的電解電容。(2) 由于IR2130內(nèi)部的六個驅(qū)動器輸出阻抗較低，直接用它來驅(qū)動功率MOSFET 器件會引起該器件的快速開通和關(guān)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的輸出之間串聯(lián)一個阻值為30的無感電阻。(3) 在IR2130用于電機調(diào)速時，由于負載電感較大，當逆變器中的某個功率管關(guān)斷時，負載電流會通過逆變器中與此

41、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(dǎo)通，則在該續(xù)流二極管反向恢復(fù)關(guān)斷的時間內(nèi)，將有一寬度很窄而幅度很大的短路電流，會產(chǎn)生射頻干擾，并引起兩個功率管的漏極兩端的振蕩，導(dǎo)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(shè)計最后介紹一下本系統(tǒng)所用的電源設(shè)計。12V電壓電源是車載電源。控制系統(tǒng)需要5V的供電電壓，7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)換。由ICL7660產(chǎn)生所需的電壓。ICL7660是美國哈里斯公司生產(chǎn)的變極性DGDC變換器。通過該DC/DC變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨撾妷狠敵觯?/p>

42、即Vi與Vo的極性相反。這種變換器利用振蕩器和多路模擬開關(guān)實現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。另外，ICL7660還具有如下特點:1.工作電壓范圍寬(+1.5V至10.5V);2.可將CMOS或TTL的+5V電壓轉(zhuǎn)換成-5V;3.空載時沒有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達99.7% ;4.可采用串聯(lián)方式實現(xiàn)倍壓輸出。 第三章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，軟件是實現(xiàn)控制策略的核心之一。在本系統(tǒng)中，我們采用的微處理器是TMS320F240，對它的軟件編程包括主電路的電流的檢測，電機轉(zhuǎn)速的計算，PWM信號的產(chǎn)生和輸出，換相電路的設(shè)計等。整個程序包括對DSP程序空間，數(shù)據(jù)空間，外部I/O

43、空間，A/D轉(zhuǎn)換模塊等。DSP320F240PWM信號的產(chǎn)生可以有多種方式，全比較單元，單比較單元和通用定時器都可以輸出PWM信號，它們的功能完全類似，可以獨立的提供PWM波的輸出。3.1 主程序流程圖main（） disable( ); /禁止總中斷 initial（）； /系統(tǒng)初始化 A/Dinitial(); /A/D初始化子程序 enable(); /開總中斷 ADSOC(); /啟動A/D轉(zhuǎn)換 while（1）if（i=0x10） break； /如果已發(fā)生中斷，則停止等待（發(fā)生中斷后，i=0x10） /等待中斷發(fā)生T1CON=T1CON&0x0FFFF; /停止定時器1，即

44、間接停止A/D轉(zhuǎn)換while（1）3.2 A/D轉(zhuǎn)換的初始化啟動A/D轉(zhuǎn)換子程序（通過啟動定時器1的方式間接啟動） void ADSOC()T1CON=T1CON|0x40; /啟動定時器1A/D中斷服務(wù)子程序 void interrupt adint() asm(“CLRC SXM”); /抑制符號位擴展 j=RESULT0; /取得RESULT0的地址 for(i=0;i<=2;i+,j+) ADRSULTi=*j>>6; /把A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果右移六位后存入規(guī)定的數(shù)組 cesi=ADSULTi； /檢驗每個A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果ADCTRL2=ADCTRL2|0x4200； /

45、 復(fù)位SEQ1，且清除INT FLAG SEQ1標志寫1清0enable（）； /開總中斷，因為一進入中斷總中斷就自動關(guān)閉3.3 捕捉單元初始化為使捕獲單元能正常工作，需要對以下寄存器進行設(shè)置:初始化捕獲FIFO狀態(tài)寄存器(CAPFIFOX)，并將相應(yīng)的狀態(tài)位清零;設(shè)置通用定時器的一種操作模式;如有必要，則應(yīng)設(shè)置相關(guān)通用定時器的比較寄存器和周期寄存器;設(shè)置相應(yīng)的捕獲控制寄存器(CAPCONX)等。int CAP initial() CAPFIFOA=0x00; /初始化捕捉單元1的FIFO堆棧狀態(tài) CAPFIFOB=0x00; /初始化捕捉單元4、5、6的FIFO堆棧狀態(tài) T2PR=0x0FFFF; /設(shè)置定時器2的周期寄存器為0xFFFF T2CNT=0x0000; /T2計數(shù)器清0 T2CON=0x170C; /通用定時器2為連續(xù)增計數(shù)模式、128分頻，且選用內(nèi)部時鐘源 WSGR=0x0000; /禁止所有等待狀態(tài) 清除全部中斷標志，寫1清0 CAPCONB=0x038FF;/設(shè)置捕捉單元1、2、3為檢測上升下降沿，且選擇通用定時器2為它們的選擇位asm(“clrc INTM”); /開總中斷 IMR=0x08; /允許中斷優(yōu)先級4的中斷 EVBIMRC=EVBIMRC|0x0007; /允許CAP1、