基于DSP的智能剎車控制系統(tǒng)研究
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1 引言
賽車剎車系統(tǒng)是賽車系統(tǒng)上具有相對獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，其作用是承受賽車的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車剎車時(shí)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)賽車的制動(dòng)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(dòng)和生存能力，進(jìn)而影響賽車的整體性能。本文設(shè)計(jì)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(jì)
本賽車剎車控制器是由防滑控制器和電機(jī)驅(qū)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，輸出給定的剎車壓力，以DSP芯片為CPU，外加賽車和機(jī)輪速度信號調(diào)理電路等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要是調(diào)節(jié)剎車壓力大小，并且控制電動(dòng)機(jī)電流大小，也是以DSP芯片為CPU，再加外圍電路電動(dòng)機(jī)電流反饋調(diào)理電路、過流保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(kuò)展、JTAG接口配置、復(fù)位電路、ADC模塊的設(shè)置以及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)等。
1、片外存儲器擴(kuò)展
片外存儲器是為了彌補(bǔ)DSP內(nèi)部RAM的不足，同時(shí)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(jī)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(shí)，程序下載是通過JTAG接口完成的，這個(gè)接口經(jīng)過仿真器與PC機(jī)的并行口相連。
2、復(fù)位電路與時(shí)鐘源模塊
用阻容電路產(chǎn)生上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的低電平復(fù)位電路，產(chǎn)生復(fù)位信號。外加一個(gè)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(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(fù)位信號，當(dāng)電源不穩(wěn)或過低時(shí)，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(gè)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(gè)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(jī)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(jī)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(dòng)的賽車前輪速度信號代替。在賽車的前輪與剎車機(jī)輪上都裝有測速傳感器，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測速傳感器會產(chǎn)生正弦波形式的交流信號，機(jī)輪每轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)值間隔ncapture，即可計(jì)算得到輪子的轉(zhuǎn)速值V。由于CPUCLK為150MHz，捕獲時(shí)基為其中的一個(gè)定時(shí)器，n為CPUCLK的分頻系數(shù)，凡為輪子的滾動(dòng)半徑，那么輪子速度的計(jì)算式為：
調(diào)理電路如圖1所示：
2.3 邏輯信號電路
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置等信號進(jìn)行邏輯處理，選用多達(dá)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(jì)要求。器件EPM7128AE實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號、過流保護(hù)、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(gè)電機(jī)的邏輯信號。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)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(gè)端子必須接上拉電阻，再接+5V電源。
2.4 無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路
無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用以IR公司的專用驅(qū)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(qū)動(dòng)管MOSFET，由此驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)。采用這種驅(qū)動(dòng)方式主要是功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運(yùn)用，簡化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。而且IR2130驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過流保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能，大大降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.5 電流采樣及過流保護(hù)電路
無刷直流電動(dòng)機(jī)的電流是通過功率驅(qū)動(dòng)電路母線上的電阻進(jìn)行檢測的。母線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(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號送到電流監(jiān)控芯片進(jìn)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(hù)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(dòng)機(jī)的保護(hù)。系統(tǒng)還帶有軟件保護(hù)功能，過流信號OVCURX送到DSP的輸入引腳，當(dāng)OVCUR為高電平時(shí)，DSP會產(chǎn)生電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)信號ENABLE關(guān)斷邏輯信號，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。芯片IR2130自身帶有過流保護(hù)功能。
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