基于CPLD/DSP的賽車全電防滑剎車控制器設(shè)計

1 引言

賽車剎車系統(tǒng)是賽車系統(tǒng)上具有相對獨立功能的子系統(tǒng),其作用是承受賽車的靜態(tài)重量、動態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車剎車時的動能,實現(xiàn)賽車的制動與控制。其性能的好壞直接影響到賽車的快速反應(yīng)、安全制動和生存能力,進而影響賽車的整體性能。本文設(shè)計了賽車全電防滑剎車控制器的硬件和軟件,最后研究了適合于賽車剎車的控制律。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本賽車剎車控制器是由防滑控制器和電機驅(qū)動控制器組成。兩個控制器都是以DSP芯片為核心。防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,輸出給定的剎車壓力,以DSP芯片為CPU,外加賽車和機輪速度信號調(diào)理電路等。電機驅(qū)動控制器主要是調(diào)節(jié)剎車壓力大小,并且控制電動機電流大小,也是以DSP芯片為CPU,再加外圍電路電動機電流反饋調(diào)理電路、過流保護電路、剎車壓力調(diào)理電路、四組三相全橋逆變電路等構(gòu)成電機驅(qū)動控制器。

2.1 DSP的最小系統(tǒng)

DSP的最小系統(tǒng)主要涉及存儲器擴展、JTAG接口配置、復(fù)位電路、ADC模塊的設(shè)置以及時鐘電路的設(shè)計等。

1、片外存儲器擴展。片外存儲器是為了彌補DSP內(nèi)部RAM的不足,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(nèi)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(diào)試時,程序下載是通過JTAG接口完成的,這個接口經(jīng)過仿真器與PC機的并行口相連。

2、復(fù)位電路與時鐘源模塊。用阻容電路產(chǎn)生上電復(fù)位和手動復(fù)位的低電平復(fù)位電路,產(chǎn)生復(fù)位信號。外加一個硬件看門狗,其輸出端產(chǎn)生復(fù)位信號WDRST。電源芯片的兩個輸入都為+5V,輸出為+1.9V和+3.3V電源為DSP供電,輸出電源分別有兩個復(fù)位信號,當電源不穩(wěn)或過低時,將產(chǎn)生復(fù)位信號。

3、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊的硬件配置。模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸出電壓2V,要求輸出端接一個低的ESR容量為10μF的陶瓷電容到模擬地。如果軟件設(shè)置在外部參考模式下,ADCREFP能夠接外部輸入為2V的參考電壓,并且接一個低的ESR容量為1μF到10μF的電容。否則,AD的內(nèi)部參考源的精度將受到影響。

2.2賽車前輪與剎車機輪速度信號處理電路

賽車防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,防止賽車打滑,由滑移率的偏差大小調(diào)節(jié)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前輪和剎車機輪速度信號的調(diào)理電路,主要是為了得到反饋的滑移率。賽車速度信號是以自由滾動的賽車前輪速度信號代替。在賽車的前輪與剎車機輪上都裝有測速傳感器,當輪子轉(zhuǎn)動時,測速傳感器會產(chǎn)生正弦波形式的交流信號,機輪每轉(zhuǎn)動一圈,測速傳感器發(fā)出50個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5V的正弦波信號。將此正弦波信號轉(zhuǎn)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(shù)值間隔ncapture,即可計算得到輪子的轉(zhuǎn)速值V。由于CPUCLK為150MHz,捕獲時基為其中的一個定時器,n為CPUCLK的分頻系數(shù),凡為輪子的滾動半徑,那么輪子速度的計算式為:

2.3 邏輯信號電路

電機驅(qū)動器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對電機的轉(zhuǎn)子位置等信號進行邏輯處理,選用多達有76路可編程I/0口和100引腳的EPM7128AE,該CPLD能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。器件EPM7128AE實現(xiàn)了電機的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號、過流保護、正反轉(zhuǎn)、三相全橋的開通與關(guān)斷等功能。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個電機的邏輯信號。由于無刷直流電動機的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開路結(jié)構(gòu),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四個端子必須接上拉電阻,再接+5V電源。

2.4 無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路

無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路采用以IR公司的專用驅(qū)動芯片IR2130為中心的6個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(qū)動管MOSFET,由此驅(qū)動無刷直流電動機。采用這種驅(qū)動方式主要是功率驅(qū)動芯片IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運用,簡化了整個驅(qū)動電路的設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性。而且IR2130驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路,以及過流保護和欠壓保護等功能,大大降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度,進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.5 電流采樣及過流保護電路

無刷直流電動機的電流是通過功率驅(qū)動電路母線上的電阻進行檢測的。母線上面的電阻是由兩個0.01Ω的功率電阻并聯(lián),采樣電路是通過這兩個并聯(lián)的采樣電阻進行電流采樣的,采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,電壓信號送到電流監(jiān)控芯片進行放大,然后經(jīng)過由OPA2344構(gòu)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(zhuǎn)換器。

硬件過流保護電路,對系統(tǒng)的正常工作起到很重要的作用,主要是對功率器件MOSFET和電動機的保護。系統(tǒng)還帶有軟件保護功能,過流信號OVCURX送到DSP的輸入引腳,當OVCUR為高電平時,DSP會產(chǎn)生電機控制轉(zhuǎn)動信號ENABLE關(guān)斷邏輯信號,使電機停轉(zhuǎn)。芯片IR2130自身帶有過流保護功能。