基于DSP芯片和CPLD的刹车控制系统设计

无刷直流电动机的功率驱动电路采用以IR公司的专用驱动芯片IR2130为中心的6个N沟道的MOSFET管组成的三相全桥逆变电路。其输入为以功率地为地的PWM波,送到IR2130的输入端口,输出控制N沟道的功率驱动管MOSFET,由此驱动无刷直流电动机。采用这种驱动方式主要是功率驱动芯片 IR2130对"自举"技术形成悬浮的高压侧电源的巧妙运用,简化了整个驱动电路的设计,提高了系统的可靠性。而且IR2130驱动芯片内置死区电路,以及过流保护和欠压保护等功能,大大降低了电路设计的复杂度,进一步提高了系统的可靠性。

2.5 电流采样及过流保护电路

无刷直流电动机的电流是通过功率驱动电路母线上的电阻进行检测的。母线上面的电阻是由两个0.01Ω的功率电阻并联,采样电路是通过这两个并联的采样电阻进行电流采样的,采样电阻将电流信号转换为电压信号,电压信号送到电流监控芯片进行放大,然后经过由OPA2344构成二阶有源滤波电路滤波,最后得电流反馈信号,直接送到A/D转换器。

硬件过流保护电路,对系统的正常工作起到很重要的作用,主要是对功率器件MOSFET和电动机的保护。系统还带有软件保护功能,过流信号OVCURX送到 DSP的输入引脚,当OVCUR为高电平时,DSP会产生电机控制转动信号ENABLE关断逻辑信号,使电机停转。芯片IR2130自身带有过流保护功能。

2.6 压力信号放大电路及其调理电路

压力信号放大器采用差分式实现的减法运算的放大电路,以超低漂移电压运算放大器为核心,放大倍数为40倍,放大器还配有调零位和灵敏度调节的功能。其中芯片7809为电源芯片7660提供+9V电压的,芯片7660将+9V的电压变为-9V,这两个电压+9V和-9V同时为OP07供电。

由于从电压信号放大器出来的电压信号范围为+1V~+5V,而DSP的A/D模块的参考电压为+3.3V,则采样的电压信号的最大值不能超过+3.3V。因此电压信号要经过调理电路将电压信号减小到+3.3v以下。调理电路采用精密的运算放大器OPA2344,将电压信号由+1V~+5V调理到+3V以下,需要设定放大倍数为0.6,以便于DSP进行采样。

3 控制器软件设计

本赛车刹车控制器的软件以C语言为主体,适当的采用汇编语言,这样的软件编写给整个系统软件带来了方便。C语言使DSP程序的开发速度加快,而且可读性和可移植性也大大增加,在TI公司的C2000 Code Composer Studio(CCS)集成开发环境下进行程序调试。由于篇幅限制,此处仅介绍系统程序初始化以及主程序流程。

1、系统程序初始化。

系统的程序在运行前,必须对DSP的时钟源、定时器、看门狗、AD模块、I/O口、捕获单元、中断等等进行初始化设置,使系统的内部资源、外围设备和硬件电路相匹配。系统在运行前,必须关掉所有的中断,以防止程序运行时产生不必要的中断或者程序跑飞等现象。因此在初始化后,系统才启动中断,使程序正常运行。

2、系统主程序流程。

赛车全电刹车系统的主程序包括程序初始化模块、定时器中断服务、模拟量定时采样模块、速度信号的捕获模块、滑移率控制模块、压力调节模块、电流调节模块等等。其中,定时器中断服务程序给电流、压力、滑移率模块提供固定的时钟触发,以此时间作为各个模块的调节基准。当程序运行时,首先关断系统的总中断,完成初始化,接收到刹车命令后,开启总中断,进入程序调节的死循环,直到程序运行结束。电流环调节的时间最短,反映最快,其调节时间长短与电流信号滤波参数、 DSP采样速度、CPU时钟周期、软件滤波程序等都有关系,一般时间为零点几个毫秒。而压力调节环的时间设定为电流调节环的N倍,电流调节环和压力调节环的调节次数可以现场测定调节时间而确定,滑移率调节时间更长。系统的主程序流程图如图3所示。


4 系统模糊控制策略

模糊控制器是模糊控制在控制系统中应用的关键部分,其主要过程为将取到的系统控制回路中被控过程输出的精确量进行模糊化,并且作为模糊控制器的输入。模糊控制器的输入和输出都是实际的精确量。然后进行模糊推理,在内部建立语言型的模糊控制规则,由输入条件判断模糊输出。最后将模糊量转化为实际的精确量,即去模糊化。模糊控制器设计的具体过程如下图4所示。

本文作者创新点

本文主要完成了赛车刹车控制系统的设计,主要是硬件设计、软件设计和控制策略研究。硬件设计方面采用高速的DSP芯片和CPLD并设计其外围的电路。系统还设计了以IR2130为核心的驱动电路,电流信号硬件放大电路、滤波电路和保护电路,压力信号的放大电路和滤波电路,赛车速度和机轮速度的处理电路等等。控制策略方面采用模糊控制调节PID参数。