基于CPLD/DSP的賽車全電防滑剎車控制器設(shè)計(jì)

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、動態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車剎車時的動能,實(shí)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(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(jī)輪速度信號調(diào)理電路等。電機(jī)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(jī)電流大小,也是以DSP芯片為CPU,再加外圍電路電動機(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,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(jī)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(dāng)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(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)動時,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(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(jì)算式為:

2.3 邏輯信號電路

電機(jī)驅(qū)動器選用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上有兩個電機(jī)的邏輯信號。由于無刷直流電動機(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四個端子必須接上拉電阻,再接+5V電源。

2.4 無刷直流電動機(jī)的功率驅(qū)動電路

無刷直流電動機(jī)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(jī)。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(yùn)用,簡化了整個驅(qū)動電路的設(shè)計(jì),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(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

無刷直流電動機(jī)的電流是通過功率驅(qū)動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(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,DSP會產(chǎn)生電機(jī)控制轉(zhuǎn)動信號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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2.6 壓力信號放大電路及其調(diào)理電路

壓力信號放大器采用差分式實(shí)現(xiàn)的減法運(yùn)算的放大電路,以超低漂移電壓運(yùn)算放大器為核心,放大倍數(shù)為40倍,放大器還配有調(diào)零位和靈敏度調(diào)節(jié)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,這兩個電壓+9V和-9V同時為OP07供電。

由于從電壓信號放大器出來的電壓信號范圍為+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+3.3V。因此電壓信號要經(jīng)過調(diào)理電路將電壓信號減小到+3.3v以下。調(diào)理電路采用精密的運(yùn)算放大器OPA2344,將電壓信號由+1V~+5V調(diào)理到+3V以下,需要設(shè)定放大倍數(shù)為0.6,以便于DSP進(jìn)行采樣。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

本賽車剎車控制器的軟件以C語言為主體,適當(dāng)?shù)牟捎脜R編語言,這樣的軟件編寫給整個系統(tǒng)軟件帶來了方便。C語言使DSP程序的開發(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)集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序調(diào)試。由于篇幅限制,此處僅介紹系統(tǒng)程序初始化以及主程序流程。

1、系統(tǒng)程序初始化。系統(tǒng)的程序在運(yùn)行前,必須對DSP的時鐘源、定時器、看門狗、AD模塊、I/O口、捕獲單元、中斷等等進(jìn)行初始化設(shè)置,使系統(tǒng)的內(nèi)部資源、外圍設(shè)備和硬件電路相匹配。系統(tǒng)在運(yùn)行前,必須關(guān)掉所有的中斷,以防止程序運(yùn)行時產(chǎn)生不必要的中斷或者程序跑飛等現(xiàn)象。因此在初始化后,系統(tǒng)才啟動中斷,使程序正常運(yùn)行。

2、系統(tǒng)主程序流程。賽車全電剎車系統(tǒng)的主程序包括程序初始化模塊、定時器中斷服務(wù)、模擬量定時采樣模塊、速度信號的捕獲模塊、滑移率控制模塊、壓力調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊等等。其中,定時器中斷服務(wù)程序給電流、壓力、滑移率模塊提供固定的時鐘觸發(fā),以此時間作為各個模塊的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)。當(dāng)程序運(yùn)行時,首先關(guān)斷系統(tǒng)的總中斷,完成初始化,接收到剎車命令后,開啟總中斷,進(jìn)入程序調(diào)節(jié)的死循環(huán),直到程序運(yùn)行結(jié)束。電流環(huán)調(diào)節(jié)的時間最短,反映最快,其調(diào)節(jié)時間長短與電流信號濾波參數(shù)、DSP采樣速度、CPU時鐘周期、軟件濾波程序等都有關(guān)系,一般時間為零點(diǎn)幾個毫秒。而壓力調(diào)節(jié)環(huán)的時間設(shè)定為電流調(diào)節(jié)環(huán)的N倍,電流調(diào)節(jié)環(huán)和壓力調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)次數(shù)可以現(xiàn)場測定調(diào)節(jié)時間而確定,滑移率調(diào)節(jié)時間更長。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)模糊控制策略

模糊控制器是模糊控制在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵部分,其主要過程為將取到的系統(tǒng)控制回路中被控過程輸出的精確量進(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(nèi)部建立語言型的模糊控制規(guī)則,由輸入條件判斷模糊輸出。最后將模糊量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的精確量,即去模糊化。模糊控制器設(shè)計(jì)的具體過程如下圖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剎車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主要是硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和控制策略研究。硬件設(shè)計(jì)方面采用高速的DSP芯片和CPLD并設(shè)計(jì)其外圍的電路。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了以IR2130為核心的驅(qū)動電路,電流信號硬件放大電路、濾波電路和保護(hù)電路,壓力信號的放大電路和濾波電路,賽車速度和機(jī)輪速度的處理電路等等。控制策略方面采用模糊控制調(diào)節(jié)PID參數(shù)。