1 引言
賽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)是賽車(chē)系統(tǒng)上具有相對(duì)獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，其作用是承受賽車(chē)的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車(chē)剎車(chē)時(shí)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)賽車(chē)的制動(dòng)與控制。其性能的好壞直接影響到賽車(chē)的快速反應(yīng)、安全制動(dòng)和生存能力，進(jìn)而影響賽車(chē)的整體性能。本文設(shè)計(jì)了賽車(chē)全電防滑剎車(chē)控制器的硬件和軟件，最后研究了適合于賽車(chē)剎車(chē)的控制律。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
本賽車(chē)剎車(chē)控制器是由防滑控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。兩個(gè)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(duì)象，輸出給定的剎車(chē)壓力，以DSP芯片為CPU，外加賽車(chē)和機(jī)輪速度信號(hào)調(diào)理電路等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要是調(diào)節(jié)剎車(chē)壓力大小，并且控制電動(dòng)機(jī)電流大小，也是以DSP芯片為CPU，再加外圍電路電動(dòng)機(jī)電流反饋調(diào)理電路、過(guò)流保護(hù)電路、剎車(chē)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(dòng)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(chǔ)器擴(kuò)展、JTAG接口配置、復(fù)位電路、ADC模塊的設(shè)置以及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)等。
1、片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展。片外存儲(chǔ)器是為了彌補(bǔ)DSP內(nèi)部RAM的不足，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Static RAM中。外部的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器采用CY7C1041CV33。DSP既可以使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，也可以使用片外程序存儲(chǔ)器，這由引腳XMP刀MC決定的。JTAG接口。在程序需要調(diào)試時(shí)，程序下載是通過(guò)JTAG接口完成的，這個(gè)接口經(jīng)過(guò)仿真器與PC機(jī)的并行口相連。
2、復(fù)位電路與時(shí)鐘源模塊。用阻容電路產(chǎn)生上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的低電平復(fù)位電路，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。外加一個(gè)硬件看門(mén)狗，其輸出端產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)WDRST。電源芯片的兩個(gè)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(gè)復(fù)位信號(hào)，當(dāng)電源不穩(wěn)或過(guò)低時(shí)，將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。
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(gè)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(gè)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(chē)前輪與剎車(chē)機(jī)輪速度信號(hào)處理電路
賽車(chē)防滑控制器主要是以滑移率為控制對(duì)象，防止賽車(chē)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(chē)前輪和剎車(chē)機(jī)輪速度信號(hào)的調(diào)理電路，主要是為了得到反饋的滑移率。賽車(chē)速度信號(hào)是以自由滾動(dòng)的賽車(chē)前輪速度信號(hào)代替。在賽車(chē)的前輪與剎車(chē)機(jī)輪上都裝有測(cè)速傳感器，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速傳感器會(huì)產(chǎn)生正弦波形式的交流信號(hào)，機(jī)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，測(cè)速傳感器發(fā)出50個(gè)周期的正弦交流信號(hào)。正弦交流信號(hào)的振幅隨輪子速度的變化而變化，其信號(hào)為偏壓2.5V，峰值為0.3V，最大信號(hào)幅值不超過(guò)5V的正弦波信號(hào)。將此正弦波信號(hào)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(shí)基為其中的一個(gè)定時(shí)器，n為CPUCLK的分頻系數(shù)，凡為輪子的滾動(dòng)半徑，那么輪子速度的計(jì)算式為：
調(diào)理電路如圖1所示：
2.3 邏輯信號(hào)電路
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)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(hào)、過(guò)流保護(hù)、正反轉(zhuǎn)、三相全橋的開(kāi)通與關(guān)斷等功能。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個(gè)電機(jī)的邏輯信號(hào)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，故上拉2KΩ電阻，再把霍爾信號(hào)SA， SB， SC送到CPLD的輸入端口。其JTAG接口的TMS， TCK， TDI， TDO四個(gè)端子必須接上拉電阻，再接+5V電源。
2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用以IR公司的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130為中心的6個(gè)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(dòng)管MOSFET，由此驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。采用這種驅(qū)動(dòng)方式主要是功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2130對(duì)“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運(yùn)用，簡(jiǎn)化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。而且IR2130驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過(guò)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。
1 引言
賽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)是賽車(chē)系統(tǒng)上具有相對(duì)獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，其作用是承受賽車(chē)的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車(chē)剎車(chē)時(shí)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)賽車(chē)的制動(dòng)與控制。其性能的好壞直接影響到賽車(chē)的快速反應(yīng)、安全制動(dòng)和生存能力，進(jìn)而影響賽車(chē)的整體性能。本文設(shè)計(jì)了賽車(chē)全電防滑剎車(chē)控制器的硬件和軟件，最后研究了適合于賽車(chē)剎車(chē)的控制律。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
本賽車(chē)剎車(chē)控制器是由防滑控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。兩個(gè)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(duì)象，輸出給定的剎車(chē)壓力，以DSP芯片為CPU，外加賽車(chē)和機(jī)輪速度信號(hào)調(diào)理電路等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要是調(diào)節(jié)剎車(chē)壓力大小，并且控制電動(dòng)機(jī)電流大小，也是以DSP芯片為CPU，再加外圍電路電動(dòng)機(jī)電流反饋調(diào)理電路、過(guò)流保護(hù)電路、剎車(chē)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(dòng)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(chǔ)器擴(kuò)展、JTAG接口配置、復(fù)位電路、ADC模塊的設(shè)置以及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)等。
1、片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展。片外存儲(chǔ)器是為了彌補(bǔ)DSP內(nèi)部RAM的不足，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Static RAM中。外部的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器采用CY7C1041CV33。DSP既可以使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，也可以使用片外程序存儲(chǔ)器，這由引腳XMP刀MC決定的。JTAG接口。在程序需要調(diào)試時(shí)，程序下載是通過(guò)JTAG接口完成的，這個(gè)接口經(jīng)過(guò)仿真器與PC機(jī)的并行口相連。
2、復(fù)位電路與時(shí)鐘源模塊。用阻容電路產(chǎn)生上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的低電平復(fù)位電路，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。外加一個(gè)硬件看門(mén)狗，其輸出端產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)WDRST。電源芯片的兩個(gè)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(gè)復(fù)位信號(hào)，當(dāng)電源不穩(wěn)或過(guò)低時(shí)，將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。
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(gè)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(gè)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(chē)前輪與剎車(chē)機(jī)輪速度信號(hào)處理電路
賽車(chē)防滑控制器主要是以滑移率為控制對(duì)象，防止賽車(chē)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(chē)前輪和剎車(chē)機(jī)輪速度信號(hào)的調(diào)理電路，主要是為了得到反饋的滑移率。賽車(chē)速度信號(hào)是以自由滾動(dòng)的賽車(chē)前輪速度信號(hào)代替。在賽車(chē)的前輪與剎車(chē)機(jī)輪上都裝有測(cè)速傳感器，當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速傳感器會(huì)產(chǎn)生正弦波形式的交流信號(hào)，機(jī)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，測(cè)速傳感器發(fā)出50個(gè)周期的正弦交流信號(hào)。正弦交流信號(hào)的振幅隨輪子速度的變化而變化，其信號(hào)為偏壓2.5V，峰值為0.3V，最大信號(hào)幅值不超過(guò)5V的正弦波信號(hào)。將此正弦波信號(hào)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(shí)基為其中的一個(gè)定時(shí)器，n為CPUCLK的分頻系數(shù)，凡為輪子的滾動(dòng)半徑，那么輪子速度的計(jì)算式為：
調(diào)理電路如圖1所示：
2.3 邏輯信號(hào)電路
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)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(hào)、過(guò)流保護(hù)、正反轉(zhuǎn)、三相全橋的開(kāi)通與關(guān)斷等功能。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個(gè)電機(jī)的邏輯信號(hào)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，故上拉2KΩ電阻，再把霍爾信號(hào)SA， SB， SC送到CPLD的輸入端口。其JTAG接口的TMS， TCK， TDI， TDO四個(gè)端子必須接上拉電阻，再接+5V電源。
2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路采用以IR公司的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130為中心的6個(gè)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(dòng)管MOSFET，由此驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。采用這種驅(qū)動(dòng)方式主要是功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2130對(duì)“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運(yùn)用，簡(jiǎn)化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。而且IR2130驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置死區(qū)電路，以及過(guò)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(guò)流保護(hù)電路
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流是通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路母線上的電阻進(jìn)行檢測(cè)的。母線上面的電阻是由兩個(gè)0.01Ω的功率電阻并聯(lián)，采樣電路是通過(guò)這兩個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)送到電流監(jiān)控芯片進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)由OPA2344構(gòu)成二階有源濾波電路濾波，最后得電流反饋信號(hào)，直接送到A/D轉(zhuǎn)換器。
硬件過(guò)流保護(hù)電路，對(duì)系統(tǒng)的正常工作起到很重要的作用，主要是對(duì)功率器件MOSFET和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。系統(tǒng)還帶有軟件保護(hù)功能，過(guò)流信號(hào)OVCURX送到DSP的輸入引腳，當(dāng)OVCUR為高電平時(shí)，DSP會(huì)產(chǎn)生電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)ENABLE關(guān)斷邏輯信號(hào)，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。芯片IR2130自身帶有過(guò)流保護(hù)功能。
2.6 壓力信號(hào)放大電路及其調(diào)理電路
壓力信號(hào)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(gè)電壓+9V和-9V同時(shí)為OP07供電。
由于從電壓信號(hào)放大器出來(lái)的電壓信號(hào)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(hào)的最大值不能超過(guò)+3.3V。因此電壓信號(hào)要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路將電壓信號(hào)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(hào)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(chē)剎車(chē)控制器的軟件以C語(yǔ)言為主體，適當(dāng)?shù)牟捎脜R編語(yǔ)言，這樣的軟件編寫(xiě)給整個(gè)系統(tǒng)軟件帶來(lái)了方便。C語(yǔ)言使DSP程序的開(kāi)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(kāi)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(duì)DSP的時(shí)鐘源、定時(shí)器、看門(mén)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(shí)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(dòng)中斷，使程序正常運(yùn)行。
2、系統(tǒng)主程序流程。賽車(chē)全電剎車(chē)系統(tǒng)的主程序包括程序初始化模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)、模擬量定時(shí)采樣模塊、速度信號(hào)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(shí)器中斷服務(wù)程序給電流、壓力、滑移率模塊提供固定的時(shí)鐘觸發(fā)，以此時(shí)間作為各個(gè)模塊的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，首先關(guān)斷系統(tǒng)的總中斷，完成初始化，接收到剎車(chē)命令后，開(kāi)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(shí)間最短，反映最快，其調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)短與電流信號(hào)濾波參數(shù)、DSP采樣速度、CPU時(shí)鐘周期、軟件濾波程序等都有關(guān)系，一般時(shí)間為零點(diǎn)幾個(gè)毫秒。而壓力調(diào)節(jié)環(huán)的時(shí)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(chǎng)測(cè)定調(diào)節(jié)時(shí)間而確定，滑移率調(diào)節(jié)時(shí)間更長(zhǎng)。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(guò)程為將取到的系統(tǒng)控制回路中被控過(guò)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(yǔ)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(guò)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(chē)剎車(chē)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(dòng)電路，電流信號(hào)硬件放大電路、濾波電路和保護(hù)電路，壓力信號(hào)的放大電路和濾波電路，賽車(chē)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)。