车辆工程毕业设计论文-eps电机控制器的设计(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-eps电机控制器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

T 16 图 电机驱动器实物 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。 直流电动机具有良好的起制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，因此，采用硬件逻辑电 路实现的 PWM 控制系统已在实践中广泛应用。 但是，这种方法的硬件电路比较复杂，一般也无计算机接口而本文介绍的电机驱动是采用电机专用驱动芯片 TD340实现直流电机调速的，该驱动系统可以大大简化硬件电路在本系统中采用脉宽调制（ PWM）控制 H桥电路实施对直流电动机的控制，由 4个功率 MOSFET组成，如图 313所示。 采用 PWM伺服控制方式， MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。 系统采用 4个 International Rectifier公司生产的 IRF3205型 MOSFET功率管组成 H桥路的 4个臂。 IRF3205仅有 8mΩ导通电阻，而且功耗小，耐压达 55V，最大直流电流可达 110A，满足 EPS系统对 MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流 30A）的要求。 图中所示， 4个 MOSFET管的基极驱动电压分为两组，其中 Q1和 Q4为一组，当 Q1接收 PWM信号导通时， Q4常开；而 Q2和 Q3截止这时，电机两端得到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高由于直流电机是一个感性负载，当MOS关断时，电机中的电流不能立即降到零，所以必须给这个电流提供一条释放通路，否则将产生高压 破坏器件处理这种情况的通常方法是在 MOSFET管旁边并联一个高速开关二极而本系统采 IRF3205型 MOS管，该 MOS管内部已经并联二极管，所以外部并联的高速开关二极管可以省略。 17 图 H 桥电路 在本系统中选用 TD340高端智能直流电机控制芯片， TD340驱动器芯片是 ST微电子公司推出的一种用于直流电机的控制器件，可用于驱动 N沟道 MOSFET管。 该芯片具有控制简单，外围电路相对较少，控制灵敏的优点，被广泛采用。 TD340采用双列贴片式封装的引脚分布，各引脚的功能如下： TD340芯片是 N沟道功率 MOS管驱动器，适合于直流电机控制。 该器件内集成有可驱动 N沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和内部 PWM发生器，可进行速度和方向控制而且功耗很低，同时具有过压 (20V)、欠压 ()保护功能，以及反向电源有源保护功能。 TD340内含可调的频率开关 (0～ 25kHz)及待机模式，且集成有看门狗和复位电路。 除此之外，TD340芯片还具有 H桥直流电机部分和微控制器之间的必要接口。 直流电机的速度和方向可由外界输入给 TD340的信号来控制。 TD340与 MOS管的电路连接， TD340芯片 L L2管脚控制 H桥 MOS管驱 动电路的下桥臂， H H2管脚控制 H桥 MOS管驱动电路的上桥臂，IN1引脚为 PWM信号输入端，控制电机转速， IN2引脚为方向控制端， CF引脚为模拟模式或数字模式选择端， CF引脚接地为 TD340在数字模式工作。 TD340在数字模式下的功能表如表。 表 TD340在数字模式下的功能表 STBY IN1 IN2 H1 H2 L1 L2 描述 0 X X OFF OFF OFF OFF 备用模式下电机关闭 18 1 0 0 OFF OFF ON ON 下 MOS管电机制动 1 0 1 ON ON OFF OFF 上 MOS管电机制动 1 PWM 0 ON PWM OFF PWM 电机 x%占空比正转 1 PWM 1 PWM ON PWM OFF 电机 x%占空比反转 1 1 0 ON OFF OFF ON 电机 100%占空比正转 1 1 1 OFF ON ON OFF 电机 100%占空比反转 注：表中“ 0”表示低电平信号，“ 1”表示高电平信号，“ x”表示任意电平信号，：PWM” 表示单片机输出 PWM信号，“ OFF” 表示关闭，“ ON” 表示开启。 本文所设计的直流电机调速系统由信号输入 电路、 TD340和 H桥电路组成其中信号输入电路由单片机输出 PWM信号， TD340用于构成 PWM发生器，功率放大电路是由 4个MOSFET管组成的 H桥电路。 本章小结 本章主要设计开发了 EPS系统硬件设计，包括单片机、电源 转换电路 、传感器、助力电机和电机电流采集电路，并提出了硬件抗干扰的相关措施。 第 4 章 软件设计 19 EPS 软件的总体流程 EPS 控制器上电以后，系统开始自检，检测蓄电池电压是否达到正常电压，如果正常开始采样方向盘扭矩信号并进行 A/D转换；根据 A/D转换结果判 断方向盘的位置是否处于中间位置，转向操作是否需要助力；当方向盘位置超出死区范围后，判断方向盘旋转方向，程序接着判断转向系统是处于转向助力过程还是回正过程，以此选择不同的控制模式；如果方向盘处于回正状态，就需要对电动机进行适当的回正和阻尼控制，以实现方向盘回正迅速与平稳；如果是转向助力过程，则需要检测电机电流，构成闭环控制，根据采集到的扭矩信号和电机电 流信号进行数字 PID运算，计算出对应的PWM增量，然后再检测是否测量出车速信号，根据车速对 PWM增量进行调整。 最后，将PWM信号输出给电机驱动模块对助力电机实施助力。 EPS总体流程图如图。 软件设计 本 章 主要涉及方向盘扭矩传感器信号的 A/D转换、电动机 PWM控制和车速信号计数等在单片机 MC9S12XS128中的寄存器配置步骤和方法。 A/D 数据采集程序设计 单片机是一种计算机的一种，只对数字信号分析和运算。 然而，在本系统中，转矩信号、助力电机电流及蓄电池电压信号都是模拟量，需 要把模拟信号变为数字信号，才能对数据进行处理。 单片机 MC9S12XS128有 8路 A/D转换通道，有 8位、 10位和 12位 3种 A/D转换精度，可通过相关寄存器设置实现，其中每进行一次 10位转换仅需要 7 μ s。 ATD模块有 3种低能耗模式，即：停止模式、等待模式和省电模式。 ADPU位复位后，默认等于 0，所以，当 ATD模块复位后，默认的工作状态是省电模式。 当 ATD模块处于省电模式时，不进行任何的 A/D转换；当退出停止模式时，首先需要经历一个延时来初始化一个新的 ATD转换序列。 下面简单介绍单片机 MC9S12XS128对模拟信号采集的初始化步骤： 20 图 EPS总体流程图 （ 1） 初始化 ATD控制寄存器 1（ ATDCTL1） 7 6 5 4 3 2 1 0 ETRIGSEL SRES1 SRES0 SMP_DIS ETRIGCH3 ETRIGCH2 ETRIGCH1 ETRIGCH0 0 0 1 0 1 1 1 1 其中， SRES1,SRES0决定 A/D转换的数据位数， ETRIGCH[3:0]设置外部信号触发通初始化 开始 A/D 使能 采集 A/D 信号 相加取平均值 设置占空比 比较 b b2 b1＞ b2 b1＜ b2 b1=b2 正转 反转 电机停止 延时 1ms b2=b1 21 道。 （ 2） 初始化 ATD控制寄存器 2（ ATDCTL2） 7 6 5 4 3 2 1 0 0 AFFC ICLKSTP ETRIGLE ETRIGP ETTIGE ASCIE ACMPIE 0 0 0 0 0 0 0 0 其中， AFFC： A/D转换完成标志位快速清零 ； ICLKSTP：在停止模式下继续转换。 （ 3） 初始化 ATD控制寄存器 3（ ATDCTL3） 7 6 5 4 3 2 1 0 DJM S8C S4C S2C S1C FIFO FRZ1 FRZ0 0 0 1 0 0 0 0 0 其中， DJM：结果寄存器数据的对齐方式（ 1=右对齐）； S8C、 S4C、 S2C、 S1C：定义转换队列的长度，如表。 表 定义转换队列的长度 S8C S4C S2C S1C 转换队列长度 0 0 0 0 8 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 任意 任意 任意 转换队列长度根据实际转换精度需要进行相应的设置，其他位不置位。 （ 4） 初始化 ATD控制寄存器 4（ ATDCTL4） 其中， SMP[2:0]：采样时间选择， 如表 42所示。 PRS PRS PRS PRS PRS0：ATD 时钟预分频选择。 这 5位定义了 ATD时钟的预分频因子。 BusClock 为单片机总线时钟频率， Prescaler为预分频因子值。 采样时间选择表 如 表。 22 表 采样时间选择表 SMP[2:1] 采样时间占 A/D 时钟周期倍数 000 4 001 6 010 8 011 10 100 12 101 16 110 20 111 24 （ 5）初始化 ATD控制寄存器 5（ ATDCTL5） 7 6 5 4 3 2 1 0 0 SC SCAN MULT CD CC CB CA 0 0 0 0 0 0 0 0 其中， SC：指定 A/D转换通道选择位； SCAN：连续转换队列模式（ 1=连续转换）；MULT：多通道采样模式（ 1=多个通道采样）； CD、 CC、 CB、 CA：模拟输入通道选择码。 寄存器初始化以后，通过查询状态寄存器的标志位来判断 A/D转换是否完成，如果转换完成标志位置位，则读取 ATD结果寄存器数值，该数值即为信号的当前数值。 其中， SCF：转换序列完成标志位；一般程序中只要检测该位是否为 1就可以判断 A/D转 换是否完成。 ATD 结果寄存器 (ATDDRX) A/D转换结果由 16位结果的寄存器存储，存储结果类型为无符号数值。 数值的左对齐和右对齐格式，通过 ATDCTL3寄存器中的 DJM 位设置。 一般使用中，右对齐格式比较符合人们的习惯，而且在程序中避免繁琐的或与操作。 A/D转换的初始化和转矩信号子程序如下： void ADCInit(void) { ATD0CTL1=0x00。 //8 位数据转换 ATD0CTL2=0x60。 //自动快速清除 A/D 转换完成标志 ATD0CTL3=0xA0。 //右对齐，每 个序列 4次转换 , No FIFO 23 ATD0CTL4=0x00。 //采样时间占 4个 A/D时钟周期 ATD0CTL5=0x20。 //连续采样，采样多个通道，通道 0 ,00110000 ATD0DIEN=0x00。 //禁止数字输入 } void zhuanju_AD(void) { sum1=0。 ATD0CTL5=0x20。