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

1、第一章 緒 論電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering ,縮寫EP9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 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)汽車上所必備的系統(tǒng)之一。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 ,簡稱MS發(fā)展為液壓 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering ,簡稱HPS ,然后又出現(xiàn)了 電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electro Hydraulic Power Steering ， 簡稱 EHPS）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Electr

2、ic Power Steering ，簡稱EPS）。裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，為了解決這個(gè)問題，美國G必司在20世紀(jì)50年代率先在轎車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)無法兼顧車輛低速時(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 公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以隨著車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)向之間的過渡產(chǎn)品。到了 1988 年，日本Suzuki公司首先在小型轎車Ce

3、rvo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NSXL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)，從此揭開了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的分類：機(jī)械液壓助力機(jī)械液壓助力是我們最常見的一種助力方式，它誕生于 1902 年，由英國人 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、

4、 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，對轉(zhuǎn)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，所以人們在機(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)， 開發(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)包括車速傳感器、電磁閥、轉(zhuǎn)向ECUI?。電動(dòng)助力EPS就是英文Electric Power Steering的縮寫，即電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

5、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(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進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(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，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速信號(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

6、向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車不轉(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。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。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時(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)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能、提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，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系

7、統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在：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，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動(dòng)機(jī)。而且 , 能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(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)在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，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)。汽車在較

8、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)不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，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)沒有起動(dòng)時(shí)的預(yù)熱，節(jié)省了能量。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)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實(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)的國輛燃油消耗降低%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了%。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輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反

9、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)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。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)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一角度后松開時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回到正中。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。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(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，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性

10、能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來有一定困難。4、提高了操縱穩(wěn)定性通過對汽車在高速行駛時(shí)過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個(gè)過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢上個(gè)世紀(jì) 80 年代開始，人們開始研究電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，簡稱 EPS（Electric Power Steering） 。 EPS是在 EHPS但控液壓助力轉(zhuǎn)向）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量大大減少、

11、可靠性增強(qiáng)，它取消EHPS勺液壓油泵、液壓管路、液壓油缸和密封圈等配件，純粹依靠電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。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)展起來的。它利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來幫助駕駛員進(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)角傳感器和車速傳感器 )， 轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)(電機(jī)、離合器、減速傳動(dòng)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)，車速傳感器檢測到車速信 號(hào)，控制單元根據(jù)電壓和車速的信號(hào)，給出指令控制

12、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而 產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。從國內(nèi)外的研究來看，EPS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)汽車轉(zhuǎn)向。控制策 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、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。EP瀚了應(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

13、車轉(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，在近期很難在車輛上裝配。EPSM有節(jié)能與環(huán)保等 諸多優(yōu)點(diǎn)，EPSmt HPSM今后一段時(shí)間內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢第二章硬件電路設(shè)計(jì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering )結(jié)構(gòu)的工作原 理：當(dāng)汽車的方向盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器開始檢測其輸入軸，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。然后無刷直流電 機(jī)里面對應(yīng)的三個(gè)霍爾傳感器檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，以及在汽車變速 箱上面安

14、裝的車速傳感器傳給的模擬量，經(jīng)過 ECL析處理這些模擬量， 按程序指令的方式對控制對象進(jìn)行控制，通過改變輸出PW味控制三相橋中的MOSf的導(dǎo)通順序控制電機(jī)，來實(shí)現(xiàn)對控制對象進(jìn)行控制動(dòng)力轉(zhuǎn) 向的目的。系統(tǒng)硬件模塊連接圖DSP (TMS320F240) 控制器無刷直流電動(dòng)機(jī)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，我們選擇直流無刷電機(jī)。

15、直流無刷電機(jī)直流無刷電機(jī): 又稱 “無換向器電機(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)制波的對稱交變矩形波。 永磁體

16、 n-s 交替交換使位置傳感器產(chǎn)生相位差120的u、v、w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)過一對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)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng) 60 電角度，轉(zhuǎn)

17、子跟隨定子磁場轉(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)生的磁場軸再前進(jìn) 60電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動(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)，而且對應(yīng)的性價(jià)比比較好的器件，在這里我們采用的直流無刷 直流電機(jī)的參數(shù)如下表所示：型式直流無刷電動(dòng)機(jī)額定時(shí)間S22分鐘標(biāo)稱輸

18、出150W額定轉(zhuǎn)速1200r/min/DC12V/30A額定轉(zhuǎn)矩30A額定電流30A旋轉(zhuǎn)方向正反轉(zhuǎn)允許取大電流35ADSP 芯片結(jié)構(gòu)與性能的介紹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。DSPt早是針對數(shù)字處理，特別是語音、圖象信號(hào)的各種處理而開發(fā)的。由于這類信號(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，各種集成化單片DSP勺性能不斷得以改進(jìn)，相

19、應(yīng)的軟件和開發(fā)工具日臻 完善，價(jià)格迅速下降，使得DS喳控制領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。在本論文里面我們主要用的是TMS320LF24這一芯片，就這一芯片做以下的介紹：TMS320LF24薨TI公司在TMS320C2XX基礎(chǔ)上推出的一種專用定點(diǎn)DSPK片，該器件利用了 TI的可重用DS限心技術(shù)，顯示出TI的特殊能力一一通過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DS昉案。作為第一個(gè)數(shù)字電機(jī)控制器的專用 DSP TMS320C24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、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?？蓮V泛

20、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TMS320C2XXPUft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X 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；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；12路比較/PWM通道，其中9路為獨(dú)立3 個(gè)

21、 16 位通用定時(shí)器，共有6 種模式。3 個(gè)具有死區(qū)功能的全比較單元。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)中斷的看門狗電路；支持硬件JTAGM件仿真。TMS320F24睬用哈佛結(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。TMS320F24期指令系統(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 IIR 、FIR 等 , 實(shí)現(xiàn)方便快速.最小系統(tǒng)及外圍擴(kuò)展電路本系統(tǒng)中，DSP下系統(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

22、蕩器，此時(shí)引腳/OSCBY捱高電平。而使用內(nèi)部振蕩器，弓I腳 XTAL1/CLKIN和XTAL冽另U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TMS320F2403部存儲(chǔ)容量有限，同時(shí)也考慮到調(diào)試過程中可以方便將程序下載到片外高速SRAM中，不用頻繁的寫片內(nèi)EPPROM存儲(chǔ)器擴(kuò)展采用的是高速靜態(tài) RAME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勺數(shù)據(jù)存取周期是l

23、Ons,而TMS320F240勺CPUW期是50ns,因此，用于產(chǎn)生等待信號(hào)的 ready 引腳無需連接到存儲(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/PORFSFTH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 /PORFSF是相同的，因此將其直接拉高。圖中 VCC蹄程電壓接為高，用于調(diào)試和燒寫 flash ， 因此看門狗復(fù)位功能可以禁止 。 在調(diào)試完成后， VCCP接地，以防止干擾對程序及看門狗的意外操作。TMS320F240最小系統(tǒng)及其擴(kuò)展電路與JTAG(Joint Test Action Group)接口相關(guān)的引腳。程序的下載是通

24、過JTAG接口完成的。這個(gè)接口經(jīng)過轉(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， EMVOEMV儒要拉高，其他弓卿 TDI, TDQ TMS TCK /TRST直接與仿 真器相連。DSP工作方式選擇引腳（M所口/MC）。該弓I腳是決定DSPM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 16個(gè)模擬輸入通道。其中，ADC0-ADC7S于第一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器；ADC8-ADC1耨于第二個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。ADC0 ADC1 ADC8 A

25、DC9W I/O 復(fù)用。（2） VREFH和 VREFLO 為模擬基準(zhǔn)電壓引腳（3） VCC街口 VSSA模擬電源引腳。VCC街口 VSSA 分別接到 5V 直流電源和模擬地上。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來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。過流保護(hù)首先通過電流檢測電路檢測電 流，轉(zhuǎn)化為DS嘀要的5V電壓ADCIN2然后通過比較器LM393設(shè)定允許 最 大電流值 ，當(dāng) 母 線電流超 過設(shè)定 值時(shí)，輸 出低電 平的故障 信號(hào) APROTFCT接 DSP勺 PDPINT5I腳。扭矩傳感器它是用來測量駕駛員作用在方向盤上面的力矩大小和方向。在這里采用的是電位式傳感

26、器，它輸出兩個(gè)彼此獨(dú)立的主副信號(hào)，控制單元用副信號(hào)來檢查主信號(hào)是否正確。利用扭桿連接的輸入、輸出軸間的相對 位移，使點(diǎn)位表產(chǎn)生位移。如圖所示:霍爾傳感器霍爾位置傳感器是一種檢測物體位置的磁場傳感器。用它們可以檢測 磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻栁恢脗鞲衅饕?霍爾效應(yīng)原理為其工作基礎(chǔ)。采用霍爾元件、霍爾開關(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、霍爾接近開關(guān)等等?；魻栁恢脗鞲衅鞅仨殱M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)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個(gè)開關(guān) 狀態(tài)所

27、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)相對應(yīng)。位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定 的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換相狀態(tài)對應(yīng)起來，進(jìn) 而完成換相。對于三相無刷直流電動(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。2.6 車速傳感器車速信號(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。車速信號(hào)由車速傳感器測得，車速傳感器也有多種類型

28、，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見的車速傳感器工作原理如圖所示，車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。圖為車速傳感器的工作原理。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)生器來模擬實(shí)際的車速信號(hào)，用于對控制策略的研究。換相邏輯電路的設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過用反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)改變 MOSFE T率

29、管的開通和關(guān)斷的順序來實(shí)現(xiàn)的。 TMS320F240t 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PWMt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 GAL16V腦一芯片來實(shí)現(xiàn)。GAL16V8勺建議工作電 平為5V也可以工作在以下。具有64X 32邏輯與門陣列和8個(gè)可編程輸 出邏輯單元。也可以對各個(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。將根據(jù)DSP甫獲的霍爾信號(hào)(Ha1, Hb1, Hc1) , DS隘出的六個(gè)狀 態(tài)信號(hào)PHASE1 PHASE6 DS喻出的PWMH制彳言號(hào)PWM和電流保護(hù)

30、電路 輸出的保護(hù)信號(hào)APROTECT邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)(PWM PWM1)6在前面我們曾經(jīng)對電機(jī)的工作原理做過描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組合成磁場和永磁磁場的相互作用下沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)霍爾傳感器交替輸出三個(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)DS度輯變換后與PW耐制信號(hào)和電流保護(hù)信號(hào)經(jīng)過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)。位置檢測電路設(shè)計(jì)控制無刷直流電動(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，通過改變PWM永沖信號(hào)的占

31、空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測出來的。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)簡單、性能可靠且成本低，是目前在無刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。對于本系統(tǒng)反電動(dòng)勢為梯形波，兩相導(dǎo)通Y 型三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，我們將三個(gè)霍爾組件以彼此間隔120o 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)，三個(gè)霍爾組件便交替輸出三個(gè)寬為180o電角度、相位互差

32、120o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)。位置信號(hào)整形電路整形電路如圖所示?；魻栐a(chǎn)生的電動(dòng)勢很低，我們要加上拉電 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，又稱作施密特觸發(fā)器與非門，其特點(diǎn)如下：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

33、的大小。 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） 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。整形電路輸出脈沖信號(hào)我們知道，門電路有一個(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)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè) 閾值電壓，分別稱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程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值 電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化 的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為 回差

34、電壓，普通門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，我們在每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中得到共計(jì) 6個(gè) 上升沿或下降沿，它們正好對應(yīng)著 6個(gè)換向時(shí)刻。通過將 DSP設(shè)置為雙 沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時(shí)刻。通過將DSP的捕捉口CAPFCAP破置為I/O 口，并檢測該口的電平狀態(tài)，來得到具體的捕捉 中斷。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一芯片。在以下部分里，我 們會(huì)對其做簡要的介紹。HN

35、CR025A介HNC025At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 接法可確定額定測量電流為多少。HNCR025Ab利用霍爾效應(yīng)和平衡原理 的一種多量程電流傳感器，能夠測量直流、交流以及各種脈沖電流，同 時(shí)在電氣上是高度絕緣的。(2)工作原理用磁檢測器檢測磁芯中次極電流所產(chǎn)生的磁場初級電流所產(chǎn)生的程 度，使之在零磁通狀態(tài)下工作。因此有等式：NP.I p=NS .I sIp初級電流 N P初級匝數(shù)N次極電流I S次極匝數(shù)由于要進(jìn)行矢量控制，必須檢測電機(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

36、三相電流是通過開關(guān)管逆變而來的，故實(shí)際上檢測時(shí)只需要測量電機(jī)逆變橋前端的直流母線電流就可以反映電機(jī)電流，如圖6所示。用霍爾直流電流傳感器 HNCR025檢測母 線電流，再采用電阻和AD26阪大器放大。RC低通濾波與TMS320F2403 A/D 轉(zhuǎn)換引腳相連。電流檢測電路過流保護(hù)首先通過電流檢測電路檢測電流，轉(zhuǎn)化為DS哺要的05V 電壓ADCIN2然后通過比較器LM393S定允許最大電流值。當(dāng)母線電流 超過設(shè)定值時(shí)，輸出的低電平控制信號(hào) APROTCECT GAL邏輯控制電路 的輸入引腳CCMR1當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流的時(shí)候，GAL輯電路快速封鎖PWM 的輸出。為了對輸出給 GAL的保護(hù)信號(hào)APROT

37、EC的可靠輸出和有效保 護(hù)，系統(tǒng)要求保護(hù)信號(hào)延長一段時(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：電流保護(hù)電路功率驅(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;輸出的門極驅(qū)動(dòng)電壓范圍：1020V;輸出電流 Io+/- : 200mA/420mA導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間：675&425ns;死區(qū)時(shí)間典型值：林s

38、。IR2130是一種高電壓、高速度的功率 MOSFET IGBT驅(qū)動(dòng)器，工作 電壓為1020V,分別有三個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道。邏輯輸入與 CMO或LSTTL輸出兼容，最小可以達(dá)到邏輯電壓。外圍電路中的參考地 運(yùn)行放大器通過外部的電流檢測電位器來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)通道能夠用來驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET 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)，

39、內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過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。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，通過輸出HO1， 2， 3 分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋QZ 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 Q1Q 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) :為滿足自舉電容充電及電容

40、負(fù)載接通與斷開的需要，通常在IR2130的VCCW 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以F的電解電容。由于 IR2130 內(nèi)部的六個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗較低，直接用它來驅(qū)動(dòng)功率MOSFE嚅件會(huì)引起該器件的快速開通和關(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高的 dv/dt 而被擊穿。解決的辦法是在功率管的柵極與IR2130的輸出之間串聯(lián)一個(gè)阻值為 30Q的無感電阻。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