基于DSP的電動(dòng)車兩輪差速器設(shè)計(jì)

1、基于DSP的電動(dòng)車兩輪差速控制器設(shè)計(jì)摘 要：為了提高電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)性能，在常規(guī)的電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，本課題設(shè)計(jì)了基于DSP的電動(dòng)車兩輪差速控制器。本文遴選了L298N驅(qū)動(dòng)芯片搭建電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊， ST188以及光電編碼盤組成電動(dòng)車測(cè)速模塊，方向盤轉(zhuǎn)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(yùn)用其中的事件管理器以及政教編碼電路等外設(shè)。將行進(jìn)方向和轉(zhuǎn)角作為輸入，左右兩后輪速度作為輸出，應(yīng)用閉環(huán)PID反饋控制，使得對(duì)電動(dòng)車的控制更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確。在CCS開發(fā)平臺(tái)和Matlab的Simulink模塊中，對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)試與仿真

2、。關(guān)鍵詞：差速控制器；電動(dòng)車；DSP；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；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(dòng)車以電能為能源，其具有零排放及無污染等突出優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)前景非常廣闊。這其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)

6、和其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分。目前，電動(dòng)汽車的主要驅(qū)動(dòng)方式有集中驅(qū)動(dòng)方式、雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式（前驅(qū)式和后驅(qū)式）以及四電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式等等形式。無論是采用任何一種驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)電動(dòng)車在不平的路面上行駛或轉(zhuǎn)向時(shí)，為了達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，電動(dòng)車轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)輪和外輪應(yīng)具有一定的速度差，即差速。其目的是為了使電動(dòng)車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的線速度能與其輪心速度相互協(xié)調(diào)，以免因車輪的拖滑或滑轉(zhuǎn)而導(dǎo)致功率循環(huán)不平衡或電動(dòng)車不能正常行進(jìn)等問題。由于各種電動(dòng)車所采用的驅(qū)動(dòng)形式和控制策略各有不同，相應(yīng)的差速器設(shè)計(jì)也不盡相同1。所以，相對(duì)于機(jī)械差速器，目前正在積極研究和推廣中的電動(dòng)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(dòng)小車模型的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)控制，差速控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。1電動(dòng)車差速器的整體設(shè)計(jì)本文的整體設(shè)計(jì)方案為以電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并安裝電動(dòng)小車為模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、差速控制等功能的設(shè)計(jì)與建立，達(dá)到以小見大的目的。通過對(duì)目前所能夠運(yùn)用的材料對(duì)比，本設(shè)計(jì)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(jìn)的方向，進(jìn)過計(jì)算和邏輯電路，提供兩輪的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和接收測(cè)速傳感器返回的速度信號(hào)并進(jìn)行PID的反饋控制。驅(qū)動(dòng)電路部分接收DSP控制器提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行放大并輸出驅(qū)動(dòng)功率提供給兩輪。左右輪分別安裝測(cè)速傳感器，提供給DSP以進(jìn)行PID閉環(huán)反饋控制，達(dá)

8、到控制左右輪差速的目的。2電路硬件部分設(shè)計(jì)2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)本文中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(nèi)部包含了4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，能夠方便地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，也可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩相電機(jī)，其輸出電壓最高可達(dá)50V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W，內(nèi)部包括兩個(gè)H橋的高電壓大電流的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；其采用邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一

9、個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部的邏輯電路部分能夠在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)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(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接由單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，而且電路較為簡(jiǎn)單，使用比較方便。本設(shè)計(jì)中要使用L298N驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，其引腳A、B可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，若輸入信號(hào)端IN1接高電平，輸入端IN2接低電平，則電機(jī)M1正傳，若信號(hào)端IN1接低電平，IN2接高電平，則電機(jī)M1反轉(zhuǎn)?？刂屏硪慌_(tái)電機(jī)也是同樣的方式，輸入信號(hào)端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，則電機(jī)M2正傳，若信號(hào)端IN3接低電平，IN4接高電平，則電機(jī)

10、M2反轉(zhuǎn)。其protel電路接線圖如下：圖2 L298N電路原理圖2.2轉(zhuǎn)角控制信號(hào)的輸入這里將方向盤對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)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(cè)這兩路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷其順時(shí)針和逆時(shí)針的方向，并據(jù)此對(duì)信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)累計(jì)值，也即方向盤的轉(zhuǎn)角。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與DSP的串行接口通過RS232總線連接電路設(shè)計(jì)如下：圖3方向盤接口電路圖2.3測(cè)速模塊設(shè)計(jì)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(diǎn)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(cè)距離可調(diào)整范圍大，4-13mm可用。3.采用非接觸檢測(cè)方式 ST188光電傳感器可以在電動(dòng)車輪轂上安裝編碼盤的基礎(chǔ)上，進(jìn)行速度檢測(cè)，并將反饋信號(hào)發(fā)送給DSP芯片。利用光電管ST188對(duì)準(zhǔn)電機(jī)專門的測(cè)速部分的編碼盤反光細(xì)條部分，要求該部分的其余部分為深色，（也可以用專門的測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的編碼盤，不過這樣的話有效電平就應(yīng)該是檢測(cè)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(diào)節(jié)電路中的電位器，以使測(cè)到白色部分DSP接收到低電平，測(cè)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(dāng)DSP芯片接收到有效電

12、平時(shí)啟動(dòng)內(nèi)置計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)計(jì)算得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。推導(dǎo)出的轉(zhuǎn)速公式： （1）其中，n為轉(zhuǎn)速，Z為編碼盤反光齒數(shù)，f為計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)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(shè)計(jì)TMS320F2000系列的DSP控制器具有強(qiáng)大的性能，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。其芯片上集成有Flash存儲(chǔ)器、增強(qiáng)的CAN模塊、高速A/D轉(zhuǎn)換器、事件管理器、多通道緩沖串口、正交編碼電路等外設(shè)，主要應(yīng)用于各種數(shù)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(shè)計(jì)如下：圖5 TMS320F2808最小系統(tǒng)原理圖3控制模型建立3.1轉(zhuǎn)彎模型的建立首先繪制

13、出小車轉(zhuǎn)彎的原理圖：圖6 小車轉(zhuǎn)彎原理圖根據(jù)內(nèi)外側(cè)后輪的角速度相等，可以得到： (2)其中，內(nèi)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(nèi)側(cè)車輪線速度為V，內(nèi)外側(cè)車輪速度差為，則外側(cè)車輪的線速度為。又，根據(jù)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(zhuǎn)角，即小車的轉(zhuǎn)角。根據(jù)上式可以推導(dǎo)出內(nèi)外側(cè)輪的差速度為： (5)其中，后側(cè)車輪的輪距、小車軸距均可測(cè)量得到，內(nèi)側(cè)車輪的線速度為驅(qū)動(dòng)電機(jī)默認(rèn)提供，而轉(zhuǎn)角為設(shè)計(jì)模塊的輸入之一。3.2 PID控制模型建立首先給出的PID設(shè)計(jì)控制過程的方案。圖7 PID控制原理

14、圖如圖所示直流電機(jī)PID控制過程中，采用閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例、積分、微分控制（即PID控制）。其整個(gè)控制工作過程如下：測(cè)速裝置通過測(cè)定的輸入量的偏差值以進(jìn)行PID的元素計(jì)算，然后，將所得的結(jié)果返回調(diào)節(jié)器（即DSP芯片），通過反饋?zhàn)饔眠_(dá)到電機(jī)控制的目的。將上述的控制關(guān)系運(yùn)用公式的方法來進(jìn)行表達(dá)如下： (6)式中的變量具體屬性如下：e(t)：控制調(diào)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(diào)節(jié)器的輸出，即提供給功率驅(qū)動(dòng)的電平信號(hào)；TP：比例時(shí)間常數(shù)；TI：積分時(shí)間常數(shù)；TD：微分時(shí)間常數(shù)。PID控制程序流程圖：圖8 PID控制原理圖4軟件部分設(shè)計(jì)以DSP事件管理器A（EVA）中

15、的定時(shí)器1作為產(chǎn)生PWM信號(hào)的時(shí)基，通過控制寄存器（T1CON）和定時(shí)周期（T1PR）對(duì)時(shí)鐘周期進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)將定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)為連續(xù)增減模式。比較單元的每一個(gè)參數(shù)通過寄存器（COMCONA）設(shè)置，來產(chǎn)生對(duì)稱的三角波信號(hào)，比較輸出方式和閾值分別在寄存器ACTR1和CMPR1中進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定的閾值實(shí)時(shí)與三角波信號(hào)進(jìn)行比較，得到相應(yīng)的占空比的PWM信號(hào)。其中，將ACTR1設(shè)置為高電平有效，即在寄存器CMPR1中設(shè)置閾值。當(dāng)閾值設(shè)置小于三角波的值時(shí)，輸出為無效的低電平，而設(shè)置大于三角波的值時(shí)，輸出的為有效的高電平。因?yàn)橹绷麟娫措妷汉愣ǎ赞D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與占空比d成正比，因而可以通過調(diào)整d的大小，即控制

16、調(diào)整PWM信號(hào)的有效電平寬度來達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)是根據(jù)相應(yīng)的寄存器設(shè)置的，由于定時(shí)器1采用的是連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，因此，有效電平的占空比d的表達(dá)式：d=(T1PR-CMPR1)/T1PR (7)根據(jù)之前模型的建立，所需用到的三角函數(shù)計(jì)算不能直接在C語言中實(shí)現(xiàn)，因此在Matlab中進(jìn)行曲線擬合，得到正切函數(shù)的擬合曲線：圖9三角函數(shù)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(diào)試與仿真這里對(duì)其使用進(jìn)行簡(jiǎn)化，只用到與PID有關(guān)的模塊來對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真

17、。仿真結(jié)構(gòu)如圖：圖11 電機(jī)PID控制仿真圖其中，kp=0.5，ki=0.08，kd=0.15。Simulink對(duì)電機(jī)PID控制的仿真結(jié)果如圖：圖12仿真結(jié)果圖 仿真結(jié)果表明，該仿真模型對(duì)本文所設(shè)計(jì)的差速控制器具有可適應(yīng)的模型化的作用。電動(dòng)車兩輪差速控制器由電動(dòng)車機(jī)械部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、直流電機(jī)、DSP數(shù)據(jù)處理器以及光電編碼測(cè)速器組成。選擇了當(dāng)下比較流行的數(shù)字信號(hào)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(jī)驅(qū)動(dòng)部分選用L298M作為驅(qū)動(dòng)芯片，其工作電壓范圍廣，驅(qū)動(dòng)功率大，且同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，作為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊較為合理。測(cè)速

18、器部分選用光電編碼盤和ST188光電傳感器組成，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝在電動(dòng)車輪轂附近進(jìn)行測(cè)速的可行性和可操作性均符合設(shè)計(jì)的要求。參考文獻(xiàn)1 葛英輝，倪光正.新的輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車用無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩角控制技術(shù)研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào).2006，21(3):62653 劉宗鋒.雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電子差速自調(diào)節(jié)功能分析研究.微電機(jī).2008，41(9):74774 高萬兵，王忠慶，任一峰，趙敏.基于TMS320F2808異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn).機(jī)床電機(jī).2010，

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