基于DSP嵌入式技術(shù)的智能剎車控制系統(tǒng)研究

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,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。

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

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)計的具體過程如下圖4所示。

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,主要是硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和控制策略研究。硬件設(shè)計方面采用高速的DSP芯片和CPLD并設(shè)計其外圍的電路。系統(tǒng)還設(shè)計了以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)。