基于DSP的電動車兩輪差速器設計

1、基于DSP的電動車兩輪差速控制器設計摘 要：為了提高電動車動力系統(tǒng)性能，在常規(guī)的電動機PWM調速基礎上，協調兩個電機轉速，本課題設計了基于DSP的電動車兩輪差速控制器。本文遴選了L298N驅動芯片搭建電動機的驅動模塊， ST188以及光電編碼盤組成電動車測速模塊，方向盤轉角傳感器與DSP串口通信選擇RS232總線搭建。核心的DSP芯片選用TMS320F2808，主要運用其中的事件管理器以及政教編碼電路等外設。將行進方向和轉角作為輸入，左右兩后輪速度作為輸出，應用閉環(huán)PID反饋控制，使得對電動車的控制更為穩(wěn)定和準確。在CCS開發(fā)平臺和Matlab的Simulink模塊中，對該設計進行了調試與仿真

2、。關鍵詞：差速控制器；電動車；DSP；電機驅動；PID控制THE DESIGN OF DSP-BASED ELECTRIC VEHICLE DIFFERENTIAL CONTROLLERAbstract: To improve the electric vehicle system performance, and coordinate both motor speed on the basis of the conventional motor PWM speed control, a DSP-based electric vehicle differential controller ha

3、s been designed in this subject. The L298N driver chip is selected to build a motor driver module, and the ST188 and the optical encoder disk are selected to compose speed measurement module of the electric car. TMS320F2808 is selected as The core of the DSP chip. Its on-chip integrated with this ev

4、ent manager of the design, quadrature encoder circuit, and other peripherals. the direction of travel and corners are selected as the input, the speed of right and left rear wheel is selected as the output. Caster is used as the front wheel to simplify the design. On this basis application of the cl

5、osed-loop PID feedback control make the control of the electric car more stable and accurate. And the design is debugged and simulated on CCS development platform and Matlab Simulink module.Key words: Differential controller；electric car；DSP；motor drive；PID電動車以電能為能源，其具有零排放及無污染等突出優(yōu)點，開發(fā)前景非常廣闊。這其中，驅動電機

6、和其控制系統(tǒng)是電動汽車動力系統(tǒng)的核心部分。目前，電動汽車的主要驅動方式有集中驅動方式、雙電機獨立驅動方式（前驅式和后驅式）以及四電機四輪獨立驅動方式等等形式。無論是采用任何一種驅動方式，當電動車在不平的路面上行駛或轉向時，為了達到轉向的目的，電動車轉向時內輪和外輪應具有一定的速度差，即差速。其目的是為了使電動車轉向時車輪的線速度能與其輪心速度相互協調，以免因車輪的拖滑或滑轉而導致功率循環(huán)不平衡或電動車不能正常行進等問題。由于各種電動車所采用的驅動形式和控制策略各有不同，相應的差速器設計也不盡相同1。所以，相對于機械差速器，目前正在積極研究和推廣中的電動差速器有著更可靠的控制效果，本文中將采用電

7、子差速的控制方法，在電動小車模型的基礎上對電機控制，差速控制器進行設計。1電動車差速器的整體設計本文的整體設計方案為以電動車的結構為基礎，設計并安裝電動小車為模型，在此基礎上進行電動機驅動、差速控制等功能的設計與建立，達到以小見大的目的。通過對目前所能夠運用的材料對比，本設計的整體控制器框圖如下：圖1整體控制器框圖核心部分是DSP控制器，其輸入為所要行進的方向，進過計算和邏輯電路，提供兩輪的驅動信號和接收測速傳感器返回的速度信號并進行PID的反饋控制。驅動電路部分接收DSP控制器提供的驅動信號，進行放大并輸出驅動功率提供給兩輪。左右輪分別安裝測速傳感器，提供給DSP以進行PID閉環(huán)反饋控制，達

8、到控制左右輪差速的目的。2電路硬件部分設計2.1電機驅動本文中的電機驅動芯片采用SGS公司的L298，比較常見的是15腳的Multiwatt封裝的恒壓恒流橋式L298N，其內部包含了4通道邏輯驅動電路，能夠方便地驅動兩個直流電機或者一個兩相步進電機。L298N芯片可驅動一個四相電機，也可驅動兩個兩相電機，其輸出電壓最高可達50V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W，內部包括兩個H橋的高電壓大電流的全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；其采用邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一

9、個邏輯電源輸入端，使內部的邏輯電路部分能夠在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，并將變化量反饋給控制電路。另外，L298N可以直接通過電源調節(jié)輸出電壓；可以直接由單片機的I/O口提供信號，而且電路較為簡單，使用比較方便。本設計中要使用L298N驅動兩臺直流電機，其引腳A、B可用于輸入PWM脈寬調制信號對電機進行調速控制。為實現電機的正反轉，若輸入信號端IN1接高電平，輸入端IN2接低電平，則電機M1正傳，若信號端IN1接低電平，IN2接高電平，則電機M1反轉?？刂屏硪慌_電機也是同樣的方式，輸入信號端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，則電機M2正傳，若信號端IN3接低電平，IN4接高電平，則電機

10、M2反轉。其protel電路接線圖如下：圖2 L298N電路原理圖2.2轉角控制信號的輸入這里將方向盤對應的轉角傳感器采集到的信號進行采集，然后其與DSP的通信通過傳感器自帶的正交編碼脈沖電路和RS232總線接口完成。方向盤的輸出為正交編碼脈沖。通過檢測這兩路信號的相位關系可以判斷其順時針和逆時針的方向，并據此對信號進行加/減計數，從而得到當前的計數累計值，也即方向盤的轉角。方向盤轉角傳感器與DSP的串行接口通過RS232總線連接電路設計如下：圖3方向盤接口電路圖2.3測速模塊設計本文所選用的光電編碼器是ST公司的反射式紅外光電傳感器ST188，其特點是：1.采用高發(fā)射功率的紅外光電二極管和高

11、靈敏度光電晶體管組成。2.檢測距離可調整范圍大，4-13mm可用。3.采用非接觸檢測方式 ST188光電傳感器可以在電動車輪轂上安裝編碼盤的基礎上，進行速度檢測，并將反饋信號發(fā)送給DSP芯片。利用光電管ST188對準電機專門的測速部分的編碼盤反光細條部分，要求該部分的其余部分為深色，（也可以用專門的測電機轉速的編碼盤，不過這樣的話有效電平就應該是檢測到深色）如果反光部分亮度不夠或者深色部分顏色不夠深，可以調節(jié)電路中的電位器，以使測到白色部分DSP接收到低電平，測到深色部分DSP芯片接收到高電平。光電傳感器ST188輸出接電壓比較器，其比較輸出接至DSP的通用輸入輸出口。當DSP芯片接收到有效電

12、平時啟動內置計時器開始計時計算得出電機的轉速（r/min）。推導出的轉速公式： （1）其中，n為轉速，Z為編碼盤反光齒數，f為計數器計得的數或頻率。其電路圖如圖：圖4光電傳感器電壓比較原理圖2.4 DSP最小系統(tǒng)設計TMS320F2000系列的DSP控制器具有強大的性能，可實現復雜的控制算法。其芯片上集成有Flash存儲器、增強的CAN模塊、高速A/D轉換器、事件管理器、多通道緩沖串口、正交編碼電路等外設，主要應用于各種數字化控制。本文選用的是TI公司的TMS320F2808的DSP控制器，其最小系統(tǒng)設計如下：圖5 TMS320F2808最小系統(tǒng)原理圖3控制模型建立3.1轉彎模型的建立首先繪制

13、出小車轉彎的原理圖：圖6 小車轉彎原理圖根據內外側后輪的角速度相等，可以得到： (2)其中，內輪角速度為 ，外輪角速度為 。又知，線速度為角速度與半徑的積，帶入式中： (3)為了方便表示，式中的后輪距用2r表示，內側車輪線速度為V，內外側車輪速度差為，則外側車輪的線速度為。又，根據三角形相似的原理可知： (4)其中，L表示軸距，為前輪萬向輪的轉角，即小車的轉角。根據上式可以推導出內外側輪的差速度為： (5)其中，后側車輪的輪距、小車軸距均可測量得到，內側車輪的線速度為驅動電機默認提供，而轉角為設計模塊的輸入之一。3.2 PID控制模型建立首先給出的PID設計控制過程的方案。圖7 PID控制原理

14、圖如圖所示直流電機PID控制過程中，采用閉環(huán)速度調節(jié)器采用比例、積分、微分控制（即PID控制）。其整個控制工作過程如下：測速裝置通過測定的輸入量的偏差值以進行PID的元素計算，然后，將所得的結果返回調節(jié)器（即DSP芯片），通過反饋作用達到電機控制的目的。將上述的控制關系運用公式的方法來進行表達如下： (6)式中的變量具體屬性如下：e(t)：控制調節(jié)器的輸入，即控制系統(tǒng)的給定量與輸出量的偏差；u(t)：控制調節(jié)器的輸出，即提供給功率驅動的電平信號；TP：比例時間常數；TI：積分時間常數；TD：微分時間常數。PID控制程序流程圖：圖8 PID控制原理圖4軟件部分設計以DSP事件管理器A（EVA）中

15、的定時器1作為產生PWM信號的時基，通過控制寄存器（T1CON）和定時周期（T1PR）對時鐘周期進行設置。假設將定時器的計數模式設為連續(xù)增減模式。比較單元的每一個參數通過寄存器（COMCONA）設置，來產生對稱的三角波信號，比較輸出方式和閾值分別在寄存器ACTR1和CMPR1中進行設置，設定的閾值實時與三角波信號進行比較，得到相應的占空比的PWM信號。其中，將ACTR1設置為高電平有效，即在寄存器CMPR1中設置閾值。當閾值設置小于三角波的值時，輸出為無效的低電平，而設置大于三角波的值時，輸出的為有效的高電平。因為直流電源電壓恒定，所以轉子轉速與占空比d成正比，因而可以通過調整d的大小，即控制

16、調整PWM信號的有效電平寬度來達到控制轉速的目的。DSP產生的PWM信號是根據相應的寄存器設置的，由于定時器1采用的是連續(xù)增減計數模式，因此，有效電平的占空比d的表達式：d=(T1PR-CMPR1)/T1PR (7)根據之前模型的建立，所需用到的三角函數計算不能直接在C語言中實現，因此在Matlab中進行曲線擬合，得到正切函數的擬合曲線：圖9三角函數擬合曲線得到擬合曲線公式為F(x)=57.6066x5-88.4541x4+77.4575x3+16.4081x2+59.0088x+0. (8)程序流程圖：圖10程序流程圖5調試與仿真這里對其使用進行簡化，只用到與PID有關的模塊來對電機進行仿真

17、。仿真結構如圖：圖11 電機PID控制仿真圖其中，kp=0.5，ki=0.08，kd=0.15。Simulink對電機PID控制的仿真結果如圖：圖12仿真結果圖 仿真結果表明，該仿真模型對本文所設計的差速控制器具有可適應的模型化的作用。電動車兩輪差速控制器由電動車機械部分、電機驅動部分、直流電機、DSP數據處理器以及光電編碼測速器組成。選擇了當下比較流行的數字信號處理器TMS系列的TMS320F2808處理器作為核心控制器，其穩(wěn)定性良好，處理速度快，模塊功能清晰。電機驅動部分選用L298M作為驅動芯片，其工作電壓范圍廣，驅動功率大，且同時可以驅動兩臺直流電機，作為本設計的驅動模塊較為合理。測速

18、器部分選用光電編碼盤和ST188光電傳感器組成，它們結構簡單，安裝在電動車輪轂附近進行測速的可行性和可操作性均符合設計的要求。參考文獻1 葛英輝，倪光正.新的輪式驅動電動車電子差速控制算法的研究.汽車工程.2005，27(3):3403432 程偉，徐國卿，馮江華，楊洪智，張舟云.基于BP網絡的電動汽車用無刷直流電機轉矩角控制技術研究.電工技術學報.2006，21(3):62653 劉宗鋒.雙電機獨立驅動電動汽車的電子差速自調節(jié)功能分析研究.微電機.2008，41(9):74774 高萬兵，王忠慶，任一峰，趙敏.基于TMS320F2808異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的硬件實現.機床電機.2010，

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