TMS320F2812在車輛四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,簡(jiǎn)稱DSP), 是一種適合于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速的數(shù)字信號(hào)處理算法。通常，由一個(gè)以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以測(cè)量控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使芯片價(jià)格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。因此，集成DSP芯片的多功能板是電機(jī)應(yīng)用、勵(lì)磁脈沖控制系統(tǒng)、電力保護(hù)系統(tǒng)的理想選擇。本文采用了超拓工控的CS4U9813可編程智能多功能板作為伺服電機(jī)的控制器來實(shí)現(xiàn)汽車后輪轉(zhuǎn)向功能，該板集成有TI公司的高性能 DSP芯片TMS320F2812。

　　1 TMS320F2812的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1][4]

　　TMS320F2812是TI公司最新推出的目前市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)。TMS320F2812芯片結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，8級(jí)流水線作業(yè)，128位的密匙保護(hù)，幾乎所有指令都在6.67ns(150MHZ)內(nèi)完成,高達(dá)1MB的外部存儲(chǔ)器接口，最多有56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途的輸入 /輸出(GPIO)引腳,是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳選擇。功能框圖如圖1所示，其主要性能如下:

圖1 功能框圖

　　(1) 高性能的32位中央處理器

• 主頻150MHZ(時(shí)鐘周期6.67ns)，低功耗(核心低壓1.8V,I/O口3.3V)
• 16位×16位和32位×32位乘且累加操作以及16位×16位的兩個(gè)乘且累加
• 統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達(dá)4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址

　　(2) 片內(nèi)存儲(chǔ)器

• 8Kx16位的Flash存儲(chǔ)器
• 1Kx16位的OTP型只讀存儲(chǔ)器
• L0和L1:兩塊4Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器(SARAM)
• H一塊8Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器
• M0和M1:兩塊1Kx16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器

　　(3) 時(shí)鐘與系統(tǒng)控制

• 支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
• 片內(nèi)振蕩器
• 看門狗定時(shí)器模塊
• CPU級(jí)和外設(shè)級(jí)中斷相結(jié)合的控制系統(tǒng)

　　(4) 豐富的外圍設(shè)備

• 兩個(gè)事件管理器(EVA、EVB)
• 串行外圍接口(SPI)
• 兩個(gè)串行通信接口(SCI),標(biāo)準(zhǔn)的UART
• 改進(jìn)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ECAN)
• 多通道緩沖串行接口(MCBSP)
• 16通道12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)

　　3  四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　四輪轉(zhuǎn)向(Four-Wheel Steering，簡(jiǎn)稱4WS) 系統(tǒng)是指車輛在轉(zhuǎn)向過程中，前后兩組四個(gè)車輪都能夠根據(jù)需要起轉(zhuǎn)向作用，能有效改善車輛的機(jī)動(dòng)靈活性和操縱穩(wěn)定性，正在得到不斷發(fā)展和應(yīng)用。4WS汽車在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后車輪逆相位轉(zhuǎn)向，可以減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑;在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后輪主要作同相位轉(zhuǎn)向，能夠減少車輛質(zhì)心側(cè)偏角β，降低車輛橫擺率的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量等，進(jìn)一步提高車輛操縱穩(wěn)定性。

　　本文搭建的四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)是由一個(gè)帶有渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的直流伺服電機(jī),電磁離合器和普通的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。其中電機(jī)電源為DC12V,減速比設(shè)定10: 1(可調(diào)),電磁離合器電源:DC48V，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。控制策略采用前饋和反饋相結(jié)合的直接橫擺率閉環(huán)控制，其中由絕對(duì)式角位移傳感器采集前輪轉(zhuǎn)角信號(hào);后輪轉(zhuǎn)角由精度較高的增量式光電編碼器得到;車速由五輪儀獲得;后輪轉(zhuǎn)向由直流伺服電機(jī)經(jīng)過電磁離合器連接機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn);ECU硬件電子系統(tǒng)核心由TMS320F2812構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 結(jié)構(gòu)框圖 [!--empirenews.page--]

　　4  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與仿真

　　根據(jù)上文設(shè)計(jì)的控制策略，ECU單元要采集前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)、后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)、輪速信號(hào)并經(jīng)過CPU運(yùn)算輸出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)后輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向。本文用C語言編制程序來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制算法，并在仿真器連接的情況下，在CCS(Code Compose Studio)環(huán)境下完成硬件在環(huán)仿真調(diào)試。CCS2000是TI公司針對(duì)TMS320C2000系列DSP提供了一套基于Windows的DSP集成開發(fā)環(huán)境，也是目前最優(yōu)秀的DSP開發(fā)軟件。在CCS環(huán)境下，可進(jìn)行程序開發(fā)、調(diào)試、編譯、鏈接，支持匯編及C/C++進(jìn)行軟件開發(fā)，強(qiáng)大的調(diào)試工具如斷點(diǎn)、探針、剖析及圖形顯示等，并最終可以進(jìn)行輸出目標(biāo)文件的燒錄。

　　4.1  前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)采集

　　前輪轉(zhuǎn)角由絕對(duì)式角位移傳感器得到，輸出電壓與前輪轉(zhuǎn)角成線性正比例關(guān)系，范圍0~12V。本文采用CS4U9806板的ADCHA0引腳采集，采樣外圍電路DSP芯片內(nèi)部集成。此板單通道采樣時(shí)間200nS，輸入信號(hào)范圍可通過跳線選擇-5～+5V,0～10V,0～20V，默認(rèn)－5～＋5V。由于前輪轉(zhuǎn)角范圍有限，故跳線選擇0～10V，采樣頻率設(shè)為96HZ。部分程序設(shè)計(jì)過程如下:

　　4.2  后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)采集

　　后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)由高精度的增量式光電編碼器獲得。它將蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向變?yōu)橄鄳?yīng)的增、減計(jì)數(shù)脈沖，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2048個(gè)脈沖，輸出量為一時(shí)鐘信號(hào)和一方向信號(hào)。本文采用DICH0(CAP2)引腳捕捉時(shí)鐘信號(hào)，輸入引腳DICH19(GPIOF12)取得方向信號(hào)。帶光藕的開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)如圖4，捕獲單元電路DSP芯片內(nèi)部集成。

圖4 輸入電路框圖

　　部分程序設(shè)計(jì)過程如下:

　　4.3  算法設(shè)計(jì)與D/A輸出

　　算法的基本思路是:4WS啟動(dòng)時(shí)，輸入一前輪轉(zhuǎn)角，通過橫擺率反饋，將其與速度相關(guān)的理想橫擺率穩(wěn)態(tài)響應(yīng)增益G0進(jìn)行比較，然后經(jīng)控制器G1控制后輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，輸出質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺率、側(cè)向加速度用于監(jiān)測(cè)，控制框圖如圖5所示。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓由DSP的比較寄存器產(chǎn)生PWM信號(hào)，在通過D/A 轉(zhuǎn)換電路輸出。本文采用定時(shí)器4產(chǎn)生PWM,由DA4引腳輸出，一級(jí)放大的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖5 控制框圖

圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路

　　部分程序設(shè)計(jì)過程如下: [!--empirenews.page--]

　　本文應(yīng)用上面設(shè)計(jì)的控制算法對(duì)4WS車輛進(jìn)行了基于TMS320F2812型DSP硬件在環(huán)仿真，車輛參數(shù)選為:m=1740kg;I= 3214kg.m2;a=1.058m;b=1.756m;K1=29000N/rad;K2=60000N/rad;同時(shí)為簡(jiǎn)便起見，截取速度u= 30m/s，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明橫擺率跟蹤控制的4WS車輛在高速范圍的轉(zhuǎn)向操控時(shí)其質(zhì)心橫擺率、側(cè)偏角和側(cè)向加速度響應(yīng)相比兩輪轉(zhuǎn)向能夠保持較好動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)采用CCS2000進(jìn)行調(diào)試開發(fā)，周期短、成本低。因此，基于DSP的硬件控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和汽車控制領(lǐng)域具有廣闊前景。

圖7 仿真結(jié)果