汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

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1、 第一章 緒 論 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electric Power Steering ，縮寫(xiě) EPS ）是一種 直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， EPS 主要由扭矩傳感器、 車(chē)速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元（ ECU ）等組成。它是 近代各種先進(jìn)汽車(chē)上所必備的系統(tǒng)之一。 1.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展 從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Manual Steering ，簡(jiǎn)稱(chēng) MS）發(fā)展為液 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering ，簡(jiǎn)稱(chēng) HPS ），然后又出現(xiàn)了電控

2、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electro Hydraulic Power Steering ，簡(jiǎn)稱(chēng) EHPS ）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electric Power Steering ，簡(jiǎn)稱(chēng) EPS ）。 裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車(chē)，在泊車(chē)和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操 縱負(fù)擔(dān)過(guò)于沉重，為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó) GM 公司在 20 世紀(jì) 50 年代 率先在轎車(chē)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(wú)法 兼顧車(chē)輛低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性 ，因此在 1983 年日 本 Koyo 公司推出了具備車(chē)速感應(yīng)功能的電控液壓助

3、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車(chē)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(jià)較高，而且無(wú)法克服液壓系統(tǒng)自身所具有的許多缺點(diǎn)，是一 種介于液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向之間的過(guò)渡產(chǎn)品。到了 1988 年，日 本 Suzuki 公司首先在小型轎車(chē) Cervo 上配備了 Koyo 公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)； 1990 年，日本 Honda 公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車(chē) NSX 上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開(kāi)了電 · 1 · 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在汽車(chē)上應(yīng)用的歷史。

4、 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的分類(lèi)： 機(jī)械液壓助力 機(jī)械液壓助力是我們最常見(jiàn)的一種助力方式，它誕生于 1902 年，由 英國(guó)人 Frederick W. Lanchester 發(fā)明，而最早的商品化應(yīng)用則推遲到了 半個(gè)世紀(jì)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(chē)系上。由于技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得以被廣泛普及。 機(jī)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(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等等。這種助力方式是將一部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn) 化成液壓泵壓力，對(duì)轉(zhuǎn)

5、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(jī)械液壓助力需要大幅消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，所以人們?cè)跈C(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn) ，開(kāi)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(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，而是由電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，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(chē)速相關(guān)。機(jī)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(chē)速傳感器、電磁閥、轉(zhuǎn)向 ECU 等。 電動(dòng)助力 EPS 就是英文 Electric Power Steering 的縮寫(xiě)，即電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系

6、統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力 機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油 · 2 · 泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)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(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)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(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號(hào)輸送到電子控制單元，電子控

7、制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車(chē)速信號(hào)等，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)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(dòng)力。汽車(chē)不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作。 1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn) 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車(chē)微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車(chē)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(duì)環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來(lái)越明顯，不能完全滿(mǎn)足時(shí)代發(fā)展的要求。 電動(dòng)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(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車(chē)動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能、提

8、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(chē)公司的重視，并進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，未來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)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(shì)體現(xiàn)在： · 3 · 1、降低了燃油消耗 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不停地流 動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。相反電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS ）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來(lái)自蓄電池，也可來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)。而且 ,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車(chē)速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)不轉(zhuǎn)向 時(shí)，電

9、機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開(kāi)始工作 ,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車(chē)原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車(chē)速度的改變，輸出的力矩也跟隨改 變。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了 "按需供能 "，是真正的 "按需供能型 "（on-demand ）系統(tǒng)。汽車(chē)在較冷的冬季起動(dòng)時(shí)，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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī) 而且沒(méi)有液壓油管，對(duì)冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在 -40℃時(shí)也能工作，所以提供了快速的冷起動(dòng)。由于該系統(tǒng)沒(méi)有起動(dòng)時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。

10、 不使用液壓泵，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國(guó)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(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性 在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其 能量直接用于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車(chē)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(dòng)能力大大增強(qiáng)和液 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向 ·

11、 4 · 遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。 3、改善了轉(zhuǎn)向回正特性 直到今天，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限 ,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度后松開(kāi)時(shí)， 該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車(chē)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(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車(chē)速到最高車(chē)速，可得到一簇回正特性曲線。通過(guò)靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車(chē)速及不同車(chē)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(chē)輛動(dòng)態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制

12、系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定困難。 4、提高了操縱穩(wěn)定性 通過(guò)對(duì)汽車(chē)在高速行駛時(shí)過(guò)度轉(zhuǎn)向的方法測(cè)試汽車(chē)的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛 （100km/h ）的汽車(chē)一個(gè)過(guò)度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過(guò)程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車(chē)具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺(jué)。 1.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 上個(gè)世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，人們開(kāi)始研究電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，簡(jiǎn) 稱(chēng) EPS(Electric Power Steering) 。EPS 是在 EHPS( 電控液壓助力轉(zhuǎn)向 )

13、的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強(qiáng)， 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(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)一直存在 · 5 · 的液壓管路泄漏和效率低下的問(wèn)題。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它 利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部 分構(gòu)成，信號(hào)傳感裝置 (包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車(chē)速傳感器 )，轉(zhuǎn) 向助力機(jī)構(gòu) (電機(jī)、離合器、減速傳動(dòng)

14、機(jī)構(gòu) )及電子控制裝置。電動(dòng)機(jī)僅在 需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭 矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，車(chē)速傳感器檢測(cè)到車(chē)速信號(hào)， 控制單元根據(jù)電壓和車(chē)速的信號(hào)，給出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生 所需要的轉(zhuǎn)向助力。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)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(dòng)機(jī)的助力大小，輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向?？刂撇? 略是 EPS 研究的重點(diǎn)。 (2) 系統(tǒng)匹配技術(shù)。助力特性的匹配

15、、電機(jī)及減速機(jī)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(jìn)行匹配，是使整車(chē)性能達(dá)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撐，因此對(duì) 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(chē)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(chē)輛上裝配。 EPS 具有節(jié)能與 · 6 · 環(huán)保等諸多優(yōu)

16、點(diǎn) ，EPS 取代 HPS 是今后一段時(shí)間內(nèi)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的 趨勢(shì)。 第二章 硬件電路設(shè)計(jì) 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （Electric Power Steering ）結(jié)構(gòu)的工作原理 : 當(dāng)汽車(chē)的方向盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器開(kāi)始檢測(cè)其輸入軸，并把扭矩 信號(hào)傳輸給控制中心， 此時(shí)的波形有毛刺，并不是能夠用來(lái)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。然后無(wú)刷直流電 機(jī)里面對(duì)應(yīng)的三個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，以及在汽車(chē)變速 箱上面安裝的車(chē)速傳感器傳給的模擬量，

17、 經(jīng)過(guò) ECU 分析處理這些模擬量， 按程序指令的方式對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，通過(guò)改變輸出 PWM 來(lái)控制三 相橋中的 MOS 管的導(dǎo)通順序控制電機(jī)， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制動(dòng)力 轉(zhuǎn)向的目的。 扭矩傳感器 位置信號(hào)整形電路 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電 無(wú) 刷 換相邏輯電 功率驅(qū)動(dòng)電 逆變器電 直 流 電 DSP 車(chē)速傳感 動(dòng) 機(jī) (TMS320F24 系統(tǒng)硬件模塊連接圖

18、 0) 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(kuò)展 · 7 · 電路、換相邏輯電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、逆變器電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路等部分組成。電動(dòng)機(jī)的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助 扭矩，是 EPS 的動(dòng)力源，電機(jī)對(duì) 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(wú)刷電機(jī)。 2.1 直流無(wú)刷電機(jī) 直流無(wú)刷電機(jī) :又稱(chēng)“無(wú)換向器電機(jī)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

19、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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) Brushless Direct Current Motor ,BLDC, 采用方波自控式永磁同步電機(jī) ,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(jī)的所有優(yōu)點(diǎn) , 同時(shí)又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點(diǎn) ,數(shù)字式控制 ,是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。 主電路是一個(gè)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(duì)稱(chēng)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

20、 方波，結(jié)合正 /反轉(zhuǎn)信號(hào)產(chǎn)生有效的 6 狀態(tài)編碼信號(hào)： 101、100、110、010、011、001，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生 t1— t4 導(dǎo)通、 t1—t6 導(dǎo)通、 t3—t6 導(dǎo)通、 t3—t2 導(dǎo)通、 t5—t2 導(dǎo)通、 t5—t4 導(dǎo) 通，也就是說(shuō)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(guò)一對(duì) n-s 極， t1—t6 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，依次改變一種狀 態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng) 60 電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子

21、磁場(chǎng) · 8 · 轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)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(chǎng)軸再前進(jìn) 60 電角度，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱(chēng)作自控式同步電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)在這里受到控制單元的指令控制輸出適宜的扭矩，進(jìn)而控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)向，它是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能最重要的器件之一，所以需要可靠性比較強(qiáng)，而且對(duì)應(yīng)的性?xún)r(jià)比比較

22、好的器件，在這里我們采用的直流無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)如下表所示： 型式 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 額定時(shí)間 S22 分鐘 標(biāo)稱(chēng)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 35A · 9 · 2.2 DSP 芯片結(jié)構(gòu)與性能的介紹

23、DSP(Digital Signal Processor) 實(shí)際上也是一種單片機(jī)，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(duì)數(shù)字處理，特別是語(yǔ)音、圖象信號(hào)的各種處理而開(kāi)發(fā)的。由于這類(lèi) 信號(hào)處理的算法復(fù)雜， 要求 DSP 必須具有強(qiáng)大快速的運(yùn)算能力。 因此， DSP 有別與普通的單片機(jī)，它采用了多組總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行機(jī)制， 從而極大的提高了運(yùn)行速度， 也提供了非常靈活的指令系統(tǒng)。 近些年來(lái)，各種集成化單片 DSP 的性能不斷得以改進(jìn)，相應(yīng)的軟件和開(kāi)發(fā)工具日臻完善，價(jià)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

24、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(zhuān) 用定點(diǎn) 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(guò)在單一芯片上集成一個(gè) 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(gè)數(shù)字電機(jī)控制器的專(zhuān)用 DSP ，TMS320C240 和 TMS320F240 確立了單片數(shù)字電機(jī)控制器的標(biāo)準(zhǔn)，可支持電機(jī)的轉(zhuǎn)向、 指令的產(chǎn)生、

25、控制算法的處理、數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制監(jiān)控等功能?？? ·10· 廣泛應(yīng)用于廠房自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)算單元 （CALU ）；內(nèi)含 32 位累加器（ ACC ）；16 位×16 位并行乘法器； 8 個(gè) 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 ；

26、 ●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(dá) 166kHz ； ●具有28 個(gè)獨(dú)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(qiáng)大的事件管理器； （1） 12 路比較 /PWM 通道，其中 9 路為獨(dú)立 （2） 3 個(gè) 16 位通用定時(shí)器，共有 6 種模式。 （3） 3 個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元。 （4） 4 個(gè)捕獲單元。 其中兩個(gè)具有直接連接正交編碼器脈沖的能 力。 ●帶有實(shí)時(shí)中

27、斷的看門(mén)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(hào)處理器一脈相承 的 , 它提供了豐富的“乘累加”指令 ; 這使電機(jī)控制中的數(shù)字濾波 ,如 ·11· IIR 、FIR 等 ,實(shí)現(xiàn)方便快速 . 2.3 最小系統(tǒng)及外圍擴(kuò)展電路 本系統(tǒng)中，DSP 最下

28、系統(tǒng)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)如圖所示 。主要引腳的接法如下： ●與時(shí)鐘源模塊相關(guān)的引腳。我們使用 DSP 的內(nèi)部振蕩器，此時(shí)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(shí)鐘源模塊采用鎖相環(huán)（ PLL ）技術(shù)，對(duì)外部時(shí)鐘頻率進(jìn)行備頻。得到非常穩(wěn)定的內(nèi)部時(shí)鐘。 ●與存儲(chǔ)器擴(kuò)展相關(guān)的引腳。存儲(chǔ)器擴(kuò)展主要是 TMS320F240 內(nèi)部存儲(chǔ) 容量有限，同時(shí)也考慮到調(diào)試過(guò)程中可以方便將程序下載到片外高速 SRAM 中，不用頻繁的寫(xiě)片內(nèi) EPPROM 。存儲(chǔ)器擴(kuò)展采用的是高速靜態(tài) RA

29、M 芯片 CY7C199 ，它的存儲(chǔ)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 words 的高速存儲(chǔ)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(hào)的 ready 引腳無(wú)需連接到存 儲(chǔ)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(shí)系統(tǒng)復(fù)位。 / RS 在作為輸入時(shí)作用和 /

30、 PORFSFT 是相同的，因此將其直接拉高 。圖中 VCCP 編程電壓接為高， ·12· 2 3 4 用于調(diào)試和燒寫(xiě) flash ，因此看門(mén)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(duì)程序及看門(mén)狗的意外操作。 1 1 7 17 0 14 10 2 1 71 24 6 61 91 1  5 VCC K 0 1 R1 R2 R3 R4

31、 C1 C2 VCC 1 2 3 ADCIN2 VCC  D00 9 D0 D01 10 D1 D02 11 D2 D03 12 D3 D04 13 D4 D05 14 D5 D06 15 D6 D07 16 D7 D08 17 D8 D09 18 D9 D10 19 D10 D11 20 D11 D12 21 D12 D13 22 D13 D14 23 D14 D15 24 D15

32、RS 35 RS 41 PORESET 40 NM1 53 XINT1 54 XINT2/IO 55 XINT3/IO 52 PDPINT 37 MP/MC 36 READY 85 VREFHI 86 VREFLO 74 ADCIN2 75 ADCIN3 76 ADCIN4 77 ADCIN5 78 ADCIN6 79 ADCIN7 89 ADCIN10 88 ADCIN11 83 ADCIN12 82 ADCIN13 81 ADCIN14 80 ADCIN15 63 ADCSOC

33、/PC0 64 CLKOUT/PC1 65 XF/PC2 66 BIO/PC3  DDDDDDDA DDD DDDDDDDCDDD VVVVVVVCVVV DDDDDDDVDDD TMS320F240  J? A0 110 A00 A00 1 111 A01 A01 2 A1 112 A02 A02 3 A2 113 A03 A03 4 A3 114 A04 A04 5 A4 115 A05 A05 6 A5 116

34、A06 A06 7 A6 117 A07 A07 8 A7 118 A08 A08 9 A8 119 A09 A0910 A9 120 A10 A1026 A10 121 A11 A1125 A11 122 A12 A1224 A12 123 A13 A1323 A13 124 A14 A1421 A14 125 A15 A15 /CS 20 PS 131 /RD 22 129 /WR

35、27 DS 130 IS 5 BR 4 R/W 6 STRB 1 A00 1 WE 132 A01 2 R/W A02 3 SCITXD/IO 44 TXD A03 4 43 RXD A04 5 SCITXD/IO 45 A05 6 SPISIMO/IO 48 A06 7 SPISOMI/IO 49

36、 A07 8 SPICLK/IO 51 A08 9 SPISTE/IO ADCIN0/PA0 72 PHASE1 A0910 73 PHASE2 A1026 ADCIN1/PA1 90 PHASE3 A1125 ADCIN9/PA2 91 PHASE4 A1224 ADCIN8/PA3 70 PHASE5 A1323 CAP4/IOPC7 TMRDIR/PB6 108 PHASE6 A1421 輸出 T1PWM/T1CPM/PB3 105 PWM /CS

37、 20 /RD 22 /WR 27 PWM7/CMP7/PB0 100 HA1 (CAP3) 101 HB1 (CAP2) PWM8/CMP8/PB1 102 HC1 (CAP1) PWM9/CMP9/PB2 CAP1/QEP1/PC4 67 CAP2/QEP2/PC5 68 CAP3/IOPC6 69  A14 I/O0 11 D00 12 D01 A12 I/O1 1

38、3 D02 A7 I/O2 15 D03 A6 I/O3 16 D04 A5 I/O4 17 D05 A4 I/O5 18 D06 A3 I/O6 19 D07 A2 I/O7 A1 A0 A13 A8 A9 A11 A10 CS OE WR CY7C199 A14 I/O0 11 D0

39、8 12 D09 A12 I/O1 13 D10 A7 I/O2 15 D11 A6 I/O3 16 D12 A5 I/O4 17 D13 A4 I/O5 18 D14 A3 I/O6 19 D15 A2 I/O7 A1 A0 A13 A8 A9 A11 A10 CS OE WR CY7C199 31 TDI

40、 K 34 TDO 0 33 1 R5 R6 TMS 30 TCK 32 D TRST 36

41、 E EMUO V 39 R EMO1/OFFS S S S S S A E S S SS SS SSS SV S S S S S SS SES S S VC VVVVVVV VRVVV 3 4 0 9 6 9 1 1 2 3 0 8 2 2 4 5 6 7 4

42、 1 90 1 2 1 1 1  VCC VCCP 50 42 PMTMODE 10K 56 OSCBYP 57 R7 X2 X1/CLKIN 58 CRYSTAL C3 2 4 C4 TMS320F240最小系統(tǒng)及其擴(kuò)展電路 ●與JTAG（Joint Test Action Group ）接口相關(guān)

43、的引腳。程序的下載是通 ·13· 2 3 4  Title Size B Date: 1 File: C 5 過(guò) JTAG 接口完成的。這個(gè)接口經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路（仿真器）與 PC 機(jī)的并 行口相連。除了電源，地之外， DSP 的 JTAG 接口還有 7 個(gè)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 ）。

44、該引腳是決定 DSP 是工作在 微處理器模式還是微計(jì)算機(jī)模式。若為低電平，選擇內(nèi)部程序存儲(chǔ)器； 若為高電平，選擇外部程序存儲(chǔ)器。 ●與A/D 轉(zhuǎn)換模塊相關(guān)的引腳。（ 1）ADC0-ADC15 為 16 個(gè)模擬輸入通道。其中， ADC0-ADC7 屬于第一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器； ADC8-ADC15 屬于第二個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。ADC0，ADC1，ADC8，ADC9 與 I/O 復(fù)用。（2）VREFHI 和 VREFLO 為模擬基準(zhǔn)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

45、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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。過(guò)流保護(hù)首先通過(guò)電流檢測(cè)電路檢測(cè)電 流，轉(zhuǎn)化為 DSP 需要的 5V 電壓 ADCIN2, 然后通過(guò)比較器 LM393 設(shè)定 允許最大電流值，當(dāng)母線電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，輸出低電平的故障信號(hào) APROTFCT ，接 DSP 的 PDPINT 引腳。 2.4 扭矩傳感器 它是用來(lái)測(cè)量駕駛員作用在方向盤(pán)上面的力矩大小和方向。在這里 采用的是電位式傳感器，它輸出兩個(gè)彼此獨(dú)立的主副信號(hào)，控制單元用 副

46、信號(hào)來(lái)檢查主信號(hào)是否正確。利用扭桿連接的輸入、輸出軸間的相對(duì) 位移，使點(diǎn)位表產(chǎn)生位移。 ·14· 如圖所示： 2.5 霍爾傳感器 霍爾位置傳感器是一種檢測(cè)物體位置的磁場(chǎng)傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻栁恢脗鞲衅饕曰魻栃?yīng)原理為其工作基礎(chǔ)。 采用霍爾元件、霍爾開(kāi)關(guān)電路、霍爾線性電路以及各種補(bǔ)償和保護(hù)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(zhǔn)傳感器、霍

47、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(kāi)關(guān)等等。 霍爾位置傳感器必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件： 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。 位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)應(yīng)。 位置傳感器輸出的開(kāi)關(guān)狀態(tài)能滿(mǎn)足以上條件，那么總可以通過(guò)一定的邏輯變換將位置傳感器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)而完成換相。對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其位置傳感器的霍爾元件的數(shù) 量是 3，安裝位置應(yīng)當(dāng)間隔 120 電角度，其輸出信號(hào)是 Ha 、Hb 、Hc。

48、 ·15· 2.6 車(chē)速傳感器 車(chē)速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車(chē)速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車(chē)速信號(hào)由車(chē)速傳感器測(cè)得，車(chē)速傳感器也有多種類(lèi)型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見(jiàn)的車(chē)速傳感器工作原理如圖所示，車(chē)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(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖為車(chē)速傳感器的工

49、作原理。 1. 輪毅 2. 轉(zhuǎn)子 3. 永久磁鐵 4. 輸出信號(hào)電壓 5. 高速時(shí) 6. 低速時(shí) 車(chē)速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給 控制系統(tǒng)。在本文的研究中，采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的車(chē)速信號(hào)， 用于對(duì)控制策略的研究。 2.7 換相邏輯電路的設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電機(jī)的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過(guò)用反映電機(jī) 轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)改變 MOSFET 功率管的開(kāi)通和關(guān)斷的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)

50、 ·16· 的。 TMS320F240 有 3 個(gè) 16 位的通用定時(shí)器。用通用定時(shí)器產(chǎn)生控制 電機(jī)電壓調(diào)制的 PWM 波，同時(shí)用硬件電路實(shí)現(xiàn)電子換相。其電路如圖 所示： 用 GAL16V8實(shí)現(xiàn)電子換相電路圖 該電路圖要用到一 GAL16V8 這一芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。 GAL16V8 的建議工作電平為 5V ，也可以工作在 3.3V 以

51、下。具有 64×32 邏輯與門(mén)陣列和 8 個(gè)可編程輸出邏輯單元。也可以對(duì)各個(gè)輸入端口的邏輯信號(hào)及其非信號(hào) 按邏輯與連接實(shí)現(xiàn)譯碼功能。其最大傳輸延時(shí)為 3.5ns 。 將根據(jù) DSP 捕獲的霍爾信號(hào)（ Ha1 ，Hb1 ，Hc1 ）， DSP 輸出的六個(gè)狀態(tài)信號(hào) PHASE1 ～PHASE6 ，DSP 輸出的 PWM 調(diào)制信號(hào) PWM1 和電流保護(hù)電路輸出的保護(hù)信號(hào) APROTECT 行邏輯組合變換后得到控 制 6 個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)（ PWM11 —— PWM16 ）。 在前面我們?cè)?jīng)對(duì)電機(jī)的工作原理做過(guò)描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組

52、 合成磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)的相互作用下沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)霍爾傳 ·17· 感器交替輸出三個(gè)寬為 180 度電角度，相位互差為 120 度電角度的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng) DSP 邏輯變換后與 PWM 調(diào)制信號(hào)和電流保護(hù)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)。 2.8 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)， DSP 控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出相應(yīng)的控制字，通過(guò)改變 PWM脈沖信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

53、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測(cè)出來(lái)的。在本 設(shè)計(jì)方案中，采用了三個(gè) 磁敏式位置傳感器（霍爾元件）。常見(jiàn)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(tái)無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器?；魻栐轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠且成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。 對(duì)于本系統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，兩相導(dǎo)通 Y 型三相六狀態(tài)無(wú)刷直流 電機(jī)，我們將三個(gè)霍爾組件以彼此間隔 120 o 空間電角度安裝在電機(jī)定子 o 上，由于電機(jī)永磁體的極弧寬度為 180 電角度，這樣當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三 o o

54、 個(gè)霍爾組件便交替輸出三個(gè)寬為 180 電角度、相位互差 120 電角度的 方波信號(hào)。而此時(shí)得到的位置信號(hào)是有毛刺和諧波干擾的脈沖信號(hào)，我 們要經(jīng)過(guò)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(hào)。 ·18· 位置信號(hào)整形電路 整形電路如圖所示。霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，我們要加上拉電

55、 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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行簡(jiǎn)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(hào)。 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(chēng)作施密特觸發(fā)器與非門(mén)，其特點(diǎn)如下： ⑴ 施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其維持和轉(zhuǎn)換完全取決于輸入電壓的大小。 ⑵ 電壓傳輸特性特殊，有兩個(gè)不同的閾值電壓（正向閾值電壓 和負(fù)向閾值電壓 ） ⑶ 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過(guò)程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。

56、 ·19· 整形電路輸出脈沖信號(hào) 我們知道，門(mén)電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)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(shí)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(mén)電路，與普通的門(mén)電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱(chēng)為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為正向閾

57、值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱(chēng)為回差電壓，普通門(mén)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(chēng)之為回差特性。當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)受到干擾而發(fā)生畸變時(shí)，可利用施密特觸發(fā)器的回差特性，將受到干擾的 信號(hào)整形成較好的矩形脈沖。 如整形電路輸出脈沖信號(hào) 所示，我們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中得到共計(jì) 6 個(gè)上升沿或下降沿，它們正好對(duì)應(yīng)著 6 個(gè)換向時(shí)刻。通過(guò)將 DSP 設(shè)置為雙 ·20· 沿觸發(fā)捕捉中斷

58、功能，可以獲得正確的換相時(shí)刻。通過(guò)將 DSP 的捕捉口 CAP1～CAP3 設(shè)置為 I/O 口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，來(lái)得到具體的捕 捉中斷。 2.9 電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)保護(hù)電路，我們要用到 HNCR025A 這一芯片。在以下部分里， 我們會(huì)對(duì)其做簡(jiǎn)要的介紹。 （1）HNCR025A 簡(jiǎn)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(cè)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(cè)量電流為多少。 HNCR025A 是利用霍爾效應(yīng)

59、和平衡 原理的一種多量程電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流以及各種脈沖電流， 同時(shí)在電氣上是高度絕緣的。 （2）工作原理 用磁檢測(cè)器檢測(cè)磁芯中次極電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)初級(jí)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 .IS IP 初級(jí)電流 NP 初級(jí)匝數(shù) NS 次極電流 IS 次極匝數(shù) 由于要進(jìn)行矢量控制，必須檢測(cè)電機(jī)三相的繞組電流，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)和補(bǔ)償電機(jī)電流環(huán)的控制。電機(jī)的三相電流是通過(guò)開(kāi)關(guān)管逆變而 來(lái)的，故實(shí)際上檢測(cè)時(shí)只需要測(cè)量電機(jī)逆變橋前端的直流母線電流就

60、可 以反映電機(jī)電流，如圖 6 所示。用霍爾直流電流傳感器 HNCR025A 檢測(cè)母線電流，再采用電阻和 AD260 放大器放大。RC 低通濾波與 ·21· TMS320F240 內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換引腳相連。 電流檢測(cè)電路 過(guò)流保護(hù)首先通過(guò)電流檢測(cè)電路檢測(cè)電流，轉(zhuǎn)化為 DSP 需要的 0～ 5V 電壓 ADCIN2 。然后通過(guò)比較器 LM393 設(shè)定允許最大電流值。當(dāng)母 線電流超過(guò)

61、設(shè)定值時(shí)，輸出的低電平控制信號(hào) APROTCECT 接 GAL 邏輯控制電路的輸入引腳 CCMP1 。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流的時(shí)候， GAL 邏輯電路快速封鎖 PWM 的輸出。為了對(duì)輸出給 GAL 的保護(hù)信號(hào) APROTECT 的可靠輸出和有效保護(hù)，系統(tǒng)要求保護(hù)信號(hào)延長(zhǎng)一段時(shí)間，在比較器的 輸出加延遲電路。信號(hào)延遲電路由電阻、電容和二極管組成。電流保護(hù) 電路如圖 7 所示： ·22·

62、電流保護(hù)電路 2.10 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路將控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大后，向逆變器電路中各功率開(kāi)關(guān)管送去使其能飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著開(kāi)關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電機(jī)控制 系統(tǒng)的正常工作。 本電路即選用專(zhuān)用的集成驅(qū)動(dòng)芯 IR2130 ，其主要指標(biāo)如下： ·最大偏置電壓：600V ； ·輸出的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓范圍： 10 ～20V ； ·輸出電流Io+/- ：200mA/420mA ； ·導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間

63、： 675&425ns ； ·死區(qū)時(shí)間典型值：2.5 μs 。 IR2130 是一種高電壓 、高速度的功率 MOSFET和 IGBT 驅(qū)動(dòng)器，工作電壓為 10 ～20V ，分別有三個(gè)獨(dú)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(dá)到 2.5V 邏輯電壓。外圍電路中的參考地運(yùn)行放大器通過(guò)外部的電流檢測(cè)電位器來(lái)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(dòng)器的內(nèi) 部電流保護(hù)電路就啟動(dòng)關(guān)斷輸出通道，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)的作用。 IR2130 驅(qū)動(dòng)器反映高脈

64、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(dòng)通道能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng) N 溝道功率 MOSFET和 IGBT ，最高電壓可達(dá)到 600V ，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(jì)有過(guò) ·23· 流、過(guò)壓和欠壓等完善的保護(hù)功能，一旦發(fā)生故障，將自動(dòng)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(yùn)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(jì)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

65、 功率驅(qū)動(dòng)電路 如功率驅(qū)動(dòng)電路所示 ：IR2130 芯片可同時(shí)控制六個(gè)大功率管的導(dǎo)通 和關(guān)斷順序，通過(guò)輸出 HO1，2，3 分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的下半橋 Q8、Q10、Q12 的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電 機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。 在功率驅(qū)動(dòng)電路中， IR2130 使用時(shí)還應(yīng)注意如下事項(xiàng) :

66、 (1) 為滿(mǎn)足自舉電容充電及電容負(fù)載接通與斷開(kāi)的需要，通常在 ·24· IR2130 的 VCC與 VSS 端并接一個(gè)容量為自舉電容 10 倍以上的電容， 我們選了 220 μF 的電解電容。 (2) 由于 IR2130 內(nèi)部的六個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗較低，直接用它來(lái)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 器件會(huì)引起該器件的快速開(kāi)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(huì)引起射頻干擾；二則有可能造成 功率器件因承受過(guò)高的 dv/dt 而被擊穿。解決的辦法是在功率管的柵極 與 IR2130

67、 的輸出之間串聯(lián)一個(gè)阻值為 30 Ω的無(wú)感電阻。 (3) 在 IR2130 用于電機(jī)調(diào)速時(shí)，由于負(fù)載電感較大，當(dāng)逆變器中的某個(gè)功率管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流會(huì)通過(guò)逆變器中與此功率管并聯(lián)的二極管續(xù)流。若在此時(shí)與該二極管同一橋臂的另一個(gè)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(shí)間內(nèi)，將有一寬度很窄而幅度很大的短路電流，會(huì)產(chǎn)生射頻干擾，并引起兩個(gè)功率管的漏極兩端的振蕩，導(dǎo)致過(guò)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(gè)合適的無(wú)感電阻。 2.11 電源電路的設(shè)計(jì) ·25· 最后介紹一下本系統(tǒng)所用的電源設(shè)計(jì)。 12V 電壓電源是車(chē)載電源 ?？? 制系統(tǒng)需要 5V 的供電