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类型电动汽车离合器控制系统设计.pdf

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:10711345
  • 上传时间:2019-12-29
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    电动汽车离合器控制系统设计.pdf
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    1、华中科技大学硕士学位论文电动汽车离合器控制系统设计姓名:温新申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:周云飞;李小清2010-12-10华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 随着传统汽车所带来的环境污染等问题越来越突出,电动车的研发已成为汽车行业的热点。电控离合器是电动车动力系统的一个重要模块,离合器的工作品质决定了系统的整体性能,直接影响着动力性,经济性和安全性,因而电控离合器控制系统的开发研究具有重要的意义。 模块化设计在汽车控制系统中的应用越来越广泛,离合器控制系统需要满足此要求并完成相应的信息交换任务。离合器电机工作行程短、速度要求高并且工作环境比较复杂,因此需要良好的策略对离合器

    2、电机进行控制。 本文首先分析了离合器的工作过程, 完成了离合器控制系统设计需求分析。 基于此,完成了硬件控制电路的设计,控制电路采用高集成度 STM32 作为微处理器,使用 CAN总线将离合器控制系统与其他各个系统进行互联,减少了车身线束,完成了硬件控制系统模块化设计。设计了 12 位高精度 AD 采集电路以实时采集离合器位置和工作电流等重要信息。采用 H 桥式电路控制离合器电机,可以实现大电流和高速度的 PWM 控制。采用高速光耦进行隔离,降低了大电流电路对弱电流电路的干扰。软件控制程序采用模块化设计思想,完成了主背景模块、电机控制模块、 CAN 总线通信控制以及错误处理等功能模块的设计与编

    3、写。主背景程序实现了系统初始化与对上位机命令的及时响应。电机控制模块使用定时器中断对数据进行处理,保障了控制的实时性。电机伺服控制程序将插补算法和直线加减速原理应用在电机工作行程控制中,完成了平稳和快速的电机控制, 使用增量式 PID 控制算法和积分分离式 PID 控制算法相结合的办法控制电机的实时位置与工作电流,提高了控制精度和稳定性。 CAN 通信程序采用自主设计的 CAN 总线协议,可以完成高速稳定的模块间通信,并具有效率高,扩展性强等优点。错误处理模块综合考虑了位置错误、插补错误和 PWM 输出错误等情况,提高了驾驶的安全性。本系统已经成功地应用在电动汽车中,整车试验的结果表明,应用本

    4、系统,离合器具有运行平稳,所受冲击小,响应快和工作稳定等优点。 关键词 :电动离合器 STM32 PID CAN总线 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract As the gasoline automobiles are casing more and more problems, most governments and corporations focus on the development of electric vehicles. As one of the vital parts in electric cars, the clutch plays an importan

    5、t role in the work of electric car, such as in the field of power performance, economical efficiency, driving comfort and safety. Therefore, it is very important to develop the clutch control system in electric automobile. As the Modular Design is becoming more and more popular in automobile control

    6、 system, the design of the clutch control system should follow this line. Also, the stroke of the clutch motor is short, the working time is limited and the working condition is complicated, all of these require that the clutch control system should perform well in position control. Firstly, this pa

    7、per analyzes the combining process of the clutch in detail and finished the demand analysis of the clutch control system. According to the demand analysis, the hardwere and software control system are designed. This control system is based on the ARM-STM32 microcontroller which has plenty functions

    8、on chip. CAN bus is used to communicate with other systems. The usage of the STM32 and CAN bus could make the Modular Design available. The 12-bits A/D converting circuit could read the position and current data in precision and short time which is well fit for the control system. H-bridge circuit a

    9、nd opto-coupler are used to control the motor which needs high working current and low-interference.The software is designed on this hardware and it includes main background module, CAN communication module, motor control module and error handling module. The functions of the main background module

    10、are system initialization and host computer order processing. CAN communication module is responsible for massge receiving and sending. Using the PID algorithm and interpolation, the motor control module is in charge of motor controling. The PID algorithm is based on incremental method and the inter

    11、polation is combined with linear acceleration and deceleration. The error handling module is comprehensive and it consists of the position error, interpolation error and output error. The error handling module is well designed to make sure that it is safe to drive the car. The test on the real car p

    12、roves that the clutch could work steadily, have high responding speed, long working life and generate low impact under this control system. Keywords: Electric clutch, STM32, PID, CAN bus 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文

    13、中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 保密,在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪

    14、论 1.1 课题来源 本课题来源南昌江铃汽车集团,内容为“天狼星智能控制系统设计” 。本文主要的内容是电动汽车离合器控制系统设计。 1.2课题研究的目的及意义 目的:研究设计基于 CAN 总线和 STM32 的离合器控制系统,应用到电动车控制系统中,实现电动离合器的自动分离与结合。 意义:汽车工业的高速发展是现代社会的重要标志,全球汽车总保有量不断增加,汽车所带来的环境污染,能源短缺,资源枯竭等方面的问题越来越突出。为了保护环境和保障能源供给,世界许多国家都在代用燃料汽车、电动汽车和混合动力汽车 (Hybrid Electric Vehicles,简称 HEV)领域进行了大量的研究与开发工作1

    15、。电动车具有高效,节能,低噪音,零排放等显著优点,在环保和节能方面具有不可比拟的优势。因此电动车的研发已成为各国政府和汽车行业的热点2。 离合器执行器是离合器动作的执行者,作为底层的操纵机构,离合器执行机构的基本功能是分离和接合离合器。电控自动变速器是汽车最核心的技术之一,也是汽车变速器的发展方向,其工作原理如图 1-1 所示。对于手动变速车辆,离合器和换档操作是驾驶员最为繁重的工作,同时还需要较高的驾驶技术和经验3 7。离合器的自动操纵可提高起步、换档的平顺性,延长离合器的使用寿命,减轻驾驶员的劳动强度,具有重要的实用价值。 机电式离合器执行器可以实现对离合器执行接合过程的精确调节, 结构简

    16、化,成本低,可移植性强。电控离合器工作行程短、速度高并且工作环境比较复杂,开发性能优良的离合器控制系统对提高电动汽车的驾驶舒适性与动力性有着十分重要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 2 图 1-1 自动离合器工作原理 1.3 离合器控制系统研究概述 1.3.1 自动离合器概述 当今使用的汽车大多数仍为手动变速 (MT),随着汽车的产量逐年增加,应用范围愈来愈广,传统的手动换档的缺点也显得越来越突出8 9。手动变速汽车由于频繁换档的操作,易使驾驶员疲劳、影响行使安全。 为了克服手动变速器存在的不足,汽车行业研究开发了各种各样的自动变速器。根据传动方式的不同,目前世界上汽车使用的自动变速器基本上

    17、有三种:机械自动变速器(Automated Mechanical Transmission ,简称 AMT) 、液力自动变速器 (Automatic Transmission, 简称 AT)、 机械无级变速器 (Continuously Variable Transmission, 简称 CVT)。以上三种自动变速器的特点如下: ( 1) . 液力自动变速器( AT) 是将发动机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置, 这种变速系统诞生于 20世纪 30 年代,经过 70 年的发展,其技术已十分成熟,以其良好的乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性、良好的安全性奠定了在汽车工业的主导地位。但

    18、是其也存在传动效率低、结构和制造工艺复杂、成本高、维护保养困难等缺点。 ( 2) . 金属带无级变速器属摩擦式无级变速器( CVT) 华中科技大学硕士学位论文 3 采用传动带和可变槽宽的棘轮进行传递,即当棘轮变化机槽宽时,相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径来进行变速,传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。其具有驾驶简便,较高的舒适性和车辆燃料经济性等优点。但是, CVT 主要存在传动带的强度和寿命低,以及传动带与带轮之间的滑磨损耗等问题。 ( 3) . 电控机械式自动变速器( AMT) 在原有固定轴式齿轮变速箱的基础上,把选、换档和离合器及发动机油门的操纵控制自动化。 AMT 除具有自动

    19、变速器的优点外,还具有传统手动齿轮变速器传动效率高、成本低、易于制造、工作可靠等优点。因 AMT 具有较高的性价比,汽车市场对 AMT的需求不断增加。它的不足之处是非动力换档,但可以通过电控软件方面来得到一定弥补。 AMT 具有独特的优势:将定轴式手动机械变 速器经自动化改造后,取消了变速器手动操纵部分和离合器踏板,大大减轻了 驾驶员的劳动强度和疲劳程度; 电控系统按最佳规律控制发动机、离合器和变速器; AMT 既保留了传统有级机械传动系统体积小、效率高、成本低、工作可靠、维修简便等优点,又实现了自动操纵,具有较高的性价比。因此发展 AMT 技术是符合我国的发展需要的10 19。 1.3.2

    20、电控离合器控制技术发展概述 自动离合器是将现代电子控制技术应用于控制干式摩擦离合器。由于前文所提到的自动离合器所具有的优点,它也得到国内外学者越来越多的关注。目前,汽车业界和相关学者对其研究主要集中在基础理论研究和开发应用研究两个方面,下面将分别进行具体阐述。 ( 1) . 基础理论研究 要对离合器实现控制,首先必须了解离合器自身、周围相关部件和行车环境所具有的特性。而这些特性又相对比较复杂,具体如下:离合器本身的结构决定了它具有非线性特性;发动机作为车辆的动力来源,其输出也存在着非线性的动态特性;驾驶员操纵方式的不确定性;车辆行驶道路的复杂性。现阶段,国内外学者试图通过对离合器一些本身特性进

    21、行研究,从而得到离合器在结构、摩擦和减振性能方面的数学模型。另外,还有些国外学者通过传动系统 中的数学模型对发动机的特 性、轮胎特性以及行驶中路况、档位和载荷的影响。但在实际应用中还未见有良好效果。 ( 2) . 离合器控制系统开发应用研究 控制系统应用开发主要分两方面:硬件控制系统和软件控制系统。目前,国内研发成功的硬件控制系统多是基于 8 位单片机或高速 DSP 芯片。大连理工大学于 2005 年,华中科技大学硕士学位论文 4 开发出基于 8 位单片机 P87C591 的混合动力汽车离合器控制系统, 可以较好的完成离合器电机动作控制。苏州大学于 2008 年研制出基于 16 位单片机 80

    22、C196 的离合器控制系统,并成功应用在电动离合器控制中。重庆大学机械传动国家重点实验室于 2007 年开发出基于数字信号处理( DSP)芯片 TMS320LF2407 的重型车辆 AMT 电控系统。但是,由于单片机的速度低和 DSP 芯片的低集成度,制约了离合器电控系统的模块化与高速化发展。同时,现代汽车已经大量应用 CAN 总线作为整车传输通道,大多数单片机与DSP 芯片不具备此功能。在软件控制方面, Karihara、 Sugimura 等提出,以油门开度、发动机转速、离合器从动盘转速、离合器行程作为控制参数,利用发动机与离合器从动盘的转速差和油门开度信号控制离合器的接合过程,同时以离合

    23、器行程或传递转矩构成闭环控制,这是目前非常有影响的控制方案。葛安林在大量统计与试验的基础上,建立数学力学最优模型,首先提出模糊评判思想。目前,国内开发的离合器控制软件多是以离合器输出转速、汽车一轴转速,离合器位置和电机电流等作为反馈信号,使用 PID控制方法对离合器的位置进行控制。在此基础上,谢先平等人提出了基于离合器位置跟踪神经元自适应 PID 控制20 29。 1.4 主要研究内容 本文对离合器的结合规律进行了介绍,并在此基础上进行了自动离合器电控系统的开发,完成了电控系统的硬件和软件设计,设计了离合器电控系统与整车控制系统之间的 CAN 通信协议。具体研究内容包括以下内容: ( 1) .

    24、 分析离合器工作原理以及接合特性,提出自动离合器控制系统设计需求。 ( 2) . 根据离合器控制需求,设计相应的硬件控制电路 ( 3) . 设计并编写软件控制程序。 ( 4) . 整车试验,验证离合器控制系统的性能。 华中科技大学硕士学位论文 5 2 离合器控制系统总体设计 2.1 电动离合器构成与工作过程分析 电动离合器控制系统由主控 ECU,直流电机、离合器执行机构以及控制杆组成,离合器控制单元对各个状态进行实时监测。 当需要换挡时, 驾驶员会接通操纵杆上的开关,发送换挡信号给整车 MCU,整车 MCU 通过 CAN 总线将相应指令发给离合器控制单元。离合器一旦监测到换挡信号,立即产生控制

    25、信号驱动离合器电机,使离合器快速分离。驾驶员松开离合器开关后,整车 MCU 发送结合信号给离合器控制单元,如果离合器已经完成分离,并且离合器输出轴转速与电动机一轴转速的差值在合理的范围内,离合器控制单元将根据此时的发动机速度、加速踏板开度、车辆行驶速度和所处档位按照一定的控制策略计算出相应的离合器电机驱动信号,驱动执行装置。使离合器实现快速而平稳的接合30。离合器系统结构图如下所示: 图 2-1 离合器系统结构图 为了达到对离合器执行结构实现平稳而准确的控制,执行机构上装有位置传感器,同时,在离合器电机驱动电路中装有电流传感器,位移传感器与电流传感器分别将位置信号与电流信号反馈给离合器电机控制

    26、单元,构成一个闭环控制系统。同时,为了降低电机的负载,在执行机构上装有弹簧助力装置,便于对执行机构动作的控制,同时也降低了对电机的功率要求。电动离合器驱动装置如下图所示: 华中科技大学硕士学位论文 6 图 2-2 离合器执行机构的前视图与后视图 离合器工作情况分析: 离合器推杆行程 25mm 结合时间 0.2 0.5s 驱动功率 额定电压 12V,额定电流 25A 表 2-1 离合器工作情况分析 离合器接合过程是其主要工作行程。在驾驶员给出结合信号后,在整车情况和离合器当前情况允许的情况下,离合器进行结合动作,直至驾驶员给出结合结束信号。由以上分析可知,离合器具有工作行程短并且结合速度快,需要

    27、具有位置保持功能。为了满足上述要求,离合器控制系统应采用相对准确的位置控制算法对其进行控制,控制离合器的结合量与结合速度,可以提高换挡速度并减少冲击。同时,离合器控制单元还要考虑离合器的打开动作,否则会造成“打齿” 、 “熄火”等情况发生31 41。 2.2 离合器控制系统总体设计概述 根据离合器控制需求,离合器控制系统需要对离合器行程位置进行准确并快速的控制。并且,离合器控制系统独立为一个模块,可以完成整车控制的分布式管理,提供整体控制系统的稳定性和扩展性。基于此,我们自主开发了离合器控制系统,具体设计方案如下: ( 1) . 基于 STM32 与 CAN 总线的硬件设计方案。 华中科技大学

    28、硕士学位论文 7 电机电流信号离合器电机离合器位置信号CAN模块PWM输出JTAG电机控制器子系统整车控制系统电源管理子系统充电机控制子系统STM32电源管理外接12V电源AD转换复位电路系统时钟PC离合器控制系统图 2-3 离合器硬件控制系统结构图 为了满足控制系统实时性能和控制精度,硬件电路采用 STM32 处理器,该处理器运算速度高,可以达到 72MHz,完全可以满足电动汽车控制要求。STM32 内部高度集成,集成了2个12 位模数转换器、DMA、7 个定时器和 CA N 等 9 个通信接口,使离合器控制系统可以为高集成的独立模块。离合器电机采用 MOS 管 H 桥,可以完成大功率、高速

    29、度的 PWM 控制。 CAN 总线驱动电路使用 L9616 作为驱动芯片, CAN 总线的应用减少了车身线束,降低了硬件设计难度和生产成本,提高了通信的可靠性和安全性。使用轨对轨放大器 LMV358M 对离合器位置信号进行处理后, STM32 内部的 A/D 转换模块将其转换成数字信号。电流信号幅值范围较小可以直接接到 STM32 的 A/D 转换模块。硬件系统还引出了 JTAG 接口,方便离合器控制系统与 PC 机的通信与调试。离合器控制系统框图如下: 2 控制软件设计方案 华中科技大学硕士学位论文 8 图 2-4 离合器软件控制系统结构图 离合器控制软件系统考虑了电动汽车复杂的控制环境,为

    30、了保障控制的实时性,离合器动作控制和 CAN 总线接受分别使用中断进行相应,主背景程序主要完成初始化和上位机命令处理等操作。主背景程序主要完成系统初始化设置、 AD 模块、 PWM 控制器、 CAN 总线驱动和控制模块初始化,完成初始化后,等待上位机发送控制命令。系统中断程序里面完成离合器主要控制过程,包括离合器位置信号采集与滤波、 PID 控制程序、 PWM 信号输出、错误处理、插补处理和加减速控制、工作状态控制和 CAN 总线发送数据模块等。 为了实时采集上位机命令, 使用 CAN 接受中断完成 CAN 信号的接受。 为了达到对离合器位置进行准确控制的要求,离合器伺服控制程序采用插补算法和

    31、直线加减速原理控制离合器电机工作行程,使用增量式 PID 控制算法和积分分离式 PID控制算法相结合的办法控制电机的实时位置与工作电流,提高了控制精度,如图 2-5 所示: 图 2-5 离合器伺服控制流程图 2.3 本章小结 本章介绍了电动离合器控制系统的组成部分,分析了工作原理与特征,给出了电动汽车所用的离合器执行机构模型,分析了离合器工作情况,为后面制定适宜的离合器控华中科技大学硕士学位论文 9 制策略提供了基础。离合器总体设计如下: ( 1) . 硬件设计 硬件系统采用模块化的离合器控制方案, 采用基于 STM32和 CAN总线的硬件框架,使用 H 桥驱动电路,可以满足离合器的高速度、高

    32、精度和大功率的控制需求。 ( 2) . 软件系统 采用中断对离合器控制程序和 CAN 接受程序进行相应,可以满足实时性要求。通过插补、直线加减速和 PID 控制相结合的方式,对离合器位置进行准确控制。 华中科技大学硕士学位论文 10 3 离合器硬件控制系统设计 3.1 硬件控制系统总体构成 离合器硬件控制系统是基于 ARM-STM32 微处理器的控制系统。 MCU 采用 STM32的 32 位微处理器 STM32F103CBT6,它具有 CAN、 DMA、 A D 转换器、 PWM、看门狗等功能,非常适于汽车电子应用42。整个系统包括模拟量输入电路、 CAN 通信接口、JTAG 调试接口、电机

    33、驱动控制电路。 H 桥驱动电路用于控制电机正反转及调速。 3.2 电源电路设计 外接电源 电源需求 1. 12V 直流电源(主要电源) 2. 5V 直流电源(备用电源) 1. STM32 电源: +3.3V 2. 光耦芯片等电源: +5V 3. 电路板总电流: 1A 以下 表 3-1 电源电路设计需求 车载的 12V 蓄电池为系统电源部分供电,在行车过程中,由车内发电机对蓄电池充电,保证了电源的不间断性。由于外接电源有可能为 5V,为了提高硬件电路的通用性,电源电路还提供了外接 5V 接口。 STM32 工作电压为 3.3V,所以需要将 12V 电压转换为 3.3V,另外部分芯片的工作电压为

    34、5V,故也应该有一个 5V 电压的输出。为了保证电源的稳定性,先将 12V 电压降到 5V,然后再降到 3.3V。本系统使用两片三端集成稳压器 LM1117 完成电压转换。如果使用外接 5V 电源,则只使用一片 LM1117 将其转换为 3.3V 电压。前端采用旁路去耦电容滤波器,滤除电路干扰。具体电路如下图所示: 华中科技大学硕士学位论文 11 图 3-1 电压转换电路 LM1117 芯片特点如下: z 输出电流可以达到 1A; z 低压降电压调节; z 多种电压输出,包括 3.3V 和 5V。 由以上可知, LM1117 完全符合电路设计需求。 12V 输入前,为了保证电压输出稳定,首先通

    35、过并联的两个电容, C5 和 C7,其中 C5 是电解电容,在电源电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用,滤低频信号比较好。 C7 在这个地方主要就是作为高频滤波的,使得这电压频率比较集中,降低的了干扰。后面同样并联一个电解电容 C6 和电容 C3,同样降低了芯片对电压频率的干扰 ,这个时候可以输出 5v 的电压供其他电路使用。 后面接入 LM1117MPX-3.3, 为 STM32 提供 +3.3v 电源,其中 T3V3 为测试点,为电压检测之用。当需要使用车载电源之外的其他电源代替 +5v作为 LM1117MPX-3.3 的输入电压时,可以通过接插件 J5 接入,同时

    36、将 R30 换为 0 欧姆电阻,为其他器件提供电源。 3.3 微处理器与外围电路 微处理器与外围电路包括 STM32 微处理器、起振电路、复位电路和电源电路,由于电源电路已经介绍过,本节重点介绍 STM32 微处理器特点,起振电路和复位电路,其电路如下: 华中科技大学硕士学位论文 12 图 3-2 单片机外围电路 TM32 是意法公司 2007 年推出的 32 位 ARM 核微控制器,并且还在不断升级中。STM32 是专门设计以满足高性能、低功耗、 实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求,非常适用于汽车控制领域。传统的整车控制器多采用性能较低的单片机或集成度不高的 DSP 作为 CP

    37、U, STM32 则集成了两者的优点:一、单片机的速度一般为 6MHZ 24MHZ,而 STM32 的速度达到 72MHZ,处理能力达到 1.25DMIPS,完全可以满足电动汽车控制要求;二、 STM32 内部高度集成,集成了 2 个 12 位模数转换器、DMA、 7 个定时器和 CAN 等 9 个通信接口,相比 DSP 而言大大简化了硬件系统提高了整体集成度。加上其出众的功耗效率, STM32 的应用使整车控制系统性能显著提高。 本系统所使用的 STM32F103CBT6 特点如下: z 哈佛结构; z 72MHzCPU,运算速度达到 1.25 DMIPS/MHz 和 0.19 mW/MHz

    38、; z Thumb-2 指令集以 16 位的代码密度带来了 32 位 的性能; z 运行模式下高效率的动态耗电机制; z 待机状态时极低的电能消耗; z 电池供电时的低电压工作能力; z 内嵌电源监控器,减少对外部器件的需求; z 一个主晶振可以驱动整个系统; z 封装芯片的最小系统只需 7 个外部无源器件; z 完善的通信接口: 3 个 USART, 2 个 I2C, CAN2.0B, USB2.0 等; 起振电路 复位电路 华中科技大学硕士学位论文 13 z 丰富的外设: 4 个 16 位定时器, 2 个 12 位 ADC, 7 个 DMA, PWM 定时器等; z 充足的存储资源: 12

    39、8K 字节的 FLASH,20K 字节的 SRAM。 STM32F103CBT6 的功能图如 3-2 所示。由 STM32F103CBT6 特性可得,STM32F103CBT6 片上资源非常丰富,具有 20K 字节的 SRAM 和 128K 字节的 FLASN,带 16 路模拟输入的 12 位 ADC,高速定时器具有 PWM 控制功能,完全可以满足信号采集、数据存储和电机控制的需要。并且它还集成了片内 CAN 控制器,也可以满足离合器控制系统与整车控制系统之间的通信需求。选用 STM32F103CBT6 作为主处理器,可以使得外围电路简单,集成度高,兼容性和扩展性强,可靠性好。 起振电路为微处

    40、理器提供稳定的时钟信号。 ARM 微处理器的振荡器主要有以下几种方式可供选择:晶体振荡器 /陶瓷振荡器,外部晶体振荡器, RC 振荡器。本系统中采用陶瓷振荡器。陶瓷谐振器连接到单片机的 OSC1 和 OSC2 的引脚上,以建立振荡,如上图所示。 电阻 R36 常用来防止晶振过分驱动。 在陶瓷振荡下, 电阻 R=1M。 对于 32KHZ以上的陶瓷振荡器,当 VDD VC_Lmax发射机输出级将立即关闭。 在 C_H和 C_L 端要接一个终端电阻才可以正常工作,终端电阻应该与通讯电缆的阻抗相同,典型值为 120 欧姆,其作用是匹配总线阻抗,提高数据通信的抗干扰性及可靠性,如下图所示: 图 3-4

    41、CAN 总线接口电路 3.6 电机驱动控制电路 电机驱动控制电路是该离合器硬件控制系统的关键部分,执行器为直流电机,需要达到大功率、高精度的控制要求,需求分析如下: 功率要求 精度要求 1. 额定电压: +12V 2. 额定电流: 25A 3. 保护电流: 30A 1. 控制频率: 18KHz 2. PWM 控制精度: 1/1000 3. 隔离保护功能 表 3-3 电机驱动电路需求分析 根据以上分析,本系统使用基于 H 桥芯片 BTS7960 的控制电路, BTS7960 是一款针对电机驱动的大电流半桥芯片,包含一个 P 通道高位 MOSFET 和一个 N 通道低位MOSFET,还集成了驱动芯

    42、片。由于集成可驱动芯片, BTS7960 具有以下优点与功能: z 和微控制器接口方便; z 电流反馈和诊断功能; z 转换率设定功能; 华中科技大学硕士学位论文 16 z 死区时间生产器; z 过温、过压、低压、过流和短路报警; z PWM 控制频率可以达到 25KHz; z 工作电流达到 30A,最高电流可以达到 43A。 由以上可知, BTS7960 完全可以满足离合器电机驱动系统的要求,而且其具有外围电路简单,单片机驱动程序简单等优点。 BTS7960 结构图如下: 图 3-5 BTS7960 结构图 BTS7960 的真值表如下: 工作状态 输入 输出 模式 INH IN HSS L

    43、SS IS 正常模式 0 X OFF OFF 0 关 1 0 OFF ON 0 低位开关通 1 1 ON OFF CS 高位开关通 过压 X X ON OFF 1 低位开关关闭, 高位开关打开, 发送错误信息 高温或低位开关或高位开关出现短路 0 X OFF OFF 0 休眠模式 1 X OFF OFF 1 关闭开关,报警 表 3-4 BTS7960 真值表 华中科技大学硕士学位论文 17 直流电机转速控制可分为励磁控制法和电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通,其控制功率小, 低速时受到磁饱和限制, 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,而引起动态响应较差,所以这

    44、种控制方法应用较少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的高速发展,改变电枢电压可通过多种途径实现,其中 PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。 PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间 比(占空比)来改变直流电 机电枢上电压的“占空比” ,从而改变平均电压,控制电机的转速。在脉宽调速系统中,当电机通电时其速度增加,电机断电时其速度降低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间,即可控制电机转速。而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统,启停时对直流系统无冲击,而且具有启动功耗小,运行平稳等特点。 设电机

    45、始终接通电源时,电机转速最大为 Vmax,且设占空比为 D=t/T,则电机的平均速度为 Vd为: Vd=Vmax*D 由公式可知,当改变占空比 D=t/T 时,就可以得到不同的电机平均速度 Vd,从而达到调速的目的。严格地讲,平均速度与占空比 D 并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系。在直流电机驱动电路中, PWM 信号由外部控制电路提供,并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后,驱动 H 桥下臂 MOSFET的开关改变直流电机电枢上的平均电压,从而控制电机的转速,实现直流电机 PWM 调速。 PWM 波控制信号主要可以由下面四种方法产生: 1.分立电子元件组

    46、成的 PWM 信号发生器。 2.软件模拟法,通过单片机的一个 I/O 管脚,利用软件对该引脚不断输出高低电平来实现 PWM 波的输出。 3.专用 PWM 集成电路。 4.单片机的 PWM 口 :现在新一代单片机的功能越来越强大,很多单片机都集成了 PWM 功能。本系统中,通过对 STM32进行初始化设置, STM32 可以自动的发送 PWM 控制信号, 并且可以随时改变其占空比。 华中科技大学硕士学位论文 18 图 3-6 H 桥控制电路图 上图所示为一个典型的直流电机控制电路, 四个三极管和电机组成一个 H 桥式驱动电路。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况

    47、,电流可能从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。驱动电机时,保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通是非常重要的。如果三极管 QA 和 QB 同时导通,那么电流会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值,甚至烧毁三极管。为了避免直通短路而保证各个开关管动作的协同性和同步性,两组控制信号理论上要求互为倒相,而实际必须相差一个足够长的死区时间,这个校正过程既可以通过硬件实现,即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时,也可以通过软件实现43 44。 在实际应用中我们采用两片 BTS7960 大功率驱动芯片组成直流电机的 H

    48、 桥驱动电路。 图 3-7 电机驱动控制电路 采用两片 BTS7960 组成的直流电机 H 桥驱动电路如上图所示。 STM32 的 PWM 控制信号和使能信号,经过光耦器件和三极管反相器件,接入 BTS7960,控制电机两端电华中科技大学硕士学位论文 19 压。当使能信号 IHN=1 时,芯片可以工作,当 INH=0 时,芯片停止工作。当 PWM 控制信号 IN1 或 IN2 为高电平时, U3 或 U4 输出高电平,反之,当 IN1 或 IN2 为低电平时, U3 或 U4 输出低电平。两块芯片的驱动电压使用 VS 管脚提供的 +12V 直流电源。IS 管脚时电流反馈管脚,其可以在芯片正常工

    49、作的情况下,根据芯片内部驱动电流的不同而产生相应的反馈电流,反馈电流通过电阻 R10 和 R17 的调节生产反馈电压,将驱动电路中的电流情况反馈给控制器。 除此之外, IS 管脚还具备错误报警功能, 当 BTS7960出现驱动电流超过限定电流,驱动电压超过限定电压和温度过高的情况时, IS 脚将会向控制器发出错误指示信号。 SR 管脚是 PWM 波设置管脚,通过改变 SR 外接电阻 R11和 R20 的阻值,可以改变 PWM 波的死区宽度等值。 为了提高电机驱动电路的稳定性以及降低整个硬件控制系统的耦合,在 STM32 控制信号与电机驱动电路之间,应用了光电耦合电路进行了物理隔离。由于 PWM 控制信号要求转换频率快,所以,本系统采用高速光耦 HCPL2530 作为隔离器件。 HCPL2530特点如下: z 电流传输比( CTR)的取值在 20% 50%之间 z 正向压降 (VF)为 1.45V 1.7V z 开关频率( fc)为 1MHz 图 3-8 光电隔离电路 上图所示为 STM32 发出的驱动芯片使能信号与 BTS7960 芯片相应管脚之间的隔离电路。 HCPL2530 具有

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