基于DSP的电动车两轮差速器设计

2013东南大学校庆研究生学术报告会基于DSP的电动车两轮差速控制器设计摘要：为了提高电动车动力系统性能，在常规的电动机PWM调速基础上，协调两个电机转速，本课题设计了基于DSP的电动车两轮差速控制器。本文遴选了L298N驱动芯片搭建电动机的驱动模块，ST188以及光电编码盘组成电动车测速模块，方向盘转角传感器与DSP串口通信选择RS232总线搭建。核心的DSP芯片选用TMS320F2808，主要运用其中的事件管理器以及政教编码电路等外设。将行进方向和转角作为输入，左右两后轮速度作为输出，应用闭环PID反馈控制，使得对电动车的控制更为稳定和准确。在CCS开发平台和Matlab的Simulink模块中，对该设计进行了调试与仿真。关键词：差速控制器；电动车；DSP；电机驱动；PID控制THEDESIGNOFDSP-BASEDELECTRICVEHICLEDIFFERENTIALCONTROLLERAbstract:Toimprovetheelectricvehiclesystemperformance,andcoordinatebothmotorspeedonthebasisoftheconventionalmotorPWMspeedcontrol,aDSP-basedelectricvehicledifferentialcontrollerhasbeendesignedinthissubject.TheL298Ndriverchipisselectedtobuildamotordrivermodule,andtheST188andtheopticalencoderdiskareselectedtocomposespeedmeasurementmoduleoftheelectriccar.TMS320F2808isselectedasThecoreoftheDSPchip.Itson-chipintegratedwiththiseventmanagerofthedesign,quadratureencodercircuit,andotherperipherals.thedirectionoftravelandcornersareselectedastheinput,thespeedofrightandleftrearwheelisselectedastheoutput.Casterisusedasthefrontwheeltosimplifythedesign.Onthisbasisapplicationoftheclosed-loopPIDfeedbackcontrolmakethecontroloftheelectriccarmorestableandaccurate.AndthedesignisdebuggedandsimulatedonCCSdevelopmentplatformandMatlabSimulinkmodule.Keywords:Differentialcontroller；electriccar；DSP；motordrive；PID电动车以电能为能源，其具有零排放及无污染等突出优点，开发前景非常广阔。这其中，驱动电机和其控制系统是电动汽车动力系统的核心部分。目前，电动汽车的主要驱动方式有集中驱动方式、双电机独立驱动方式（前驱式和后驱式）以及四电机四轮独立驱动方式等等形式。无论是采用任何一种驱动方式，当电动车在不平的路面上行驶或转向时，为了达到转向的目的，电动车转向时内轮和外轮应具有一定的速度差，即差速。其目的是为了使电动车转向时车轮的线速度能与其轮心速度相互协调，以免因车轮的拖滑或滑转而导致功率循环不平衡或电动车不能正常行进等问题。由于各种电动车所采用的驱动形式和控制策略各有不同，相应的差速器设计也不尽相同[1]。所以，相对于机械差速器，目前正在积极研究和推广中的电动差速器有着更可靠的控制效果，本文中将采用电子差速的控制方法，在电动小车模型的基础上对电机控制，差速控制器进行设计。1电动车差速器的整体设计本文的整体设计方案为以电动车的结构为基础，设计并安装电动小车为模型，在此基础上进行电动机驱动、差速控制等功能的设计与建立，达到以小见大的目的。通过对目前所能够运用的材料对比，本设计的整体控制器框图如下：2013东南大学校庆研究生学术报告会PWM控制PWM控制DSP控制器(反馈PID控制)左电机驱动电路右电机驱动电路左轮电机右轮电机右电机测速传感器左电机测速传感器图1整体控制器框图核心部分是DSP控制器，其输入为所要行进的方向，进过计算和逻辑电路，提供两轮的驱动信号和接收测速传感器返回的速度信号并进行PID的反馈控制。驱动电路部分接收DSP控制器提供的驱动信号，进行放大并输出驱动功率提供给两轮。左右轮分别安装测速传感器，提供给DSP以进行PID闭环反馈控制，达到控制左右轮差速的目的。2电路硬件部分设计2.1电机驱动本文中的电机驱动芯片采用SGS公司的L298，比较常见的是15脚的Multiwatt封装的恒压恒流桥式L298N，其内部包含了4通道逻辑驱动电路，能够方便地驱动两个直流电机或者一个两相步进电机。L298N芯片可驱动一个四相电机，也可驱动两个两相电机，其输出电压最高可达50V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率为25W，内部包括两个H桥的高电压大电流的全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；其采用逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部的逻辑电路部分能够在低电压下工作；可以外接检测电阻，并将变化量反馈给控制电路。另外，L298N可以直接通过电源调节输出电压；可以直接由单片机的I/O口提供信号，而且电路较为简单，使用比较方便。本设计中要使用L298N驱动两台直流电机，其引脚A、B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。为实现电机的正反转，若输入信号端IN1接高电平，输入端IN2接低电平，则电机M1正传，若信号端IN1接低电平，IN2接高电平，则电机M1反转。控制另一台电机也是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，则电机M2正传，若信号端IN3接低电平，IN4接高电平，则电机M2反转。其protel电路接线图如下：图2L298N电路原理图2.2转角控制信号的输入这里将方向盘对应的转角传感器采集到的信号进行采集，然后其与DSP的通信通过传感器自带的正交编码脉冲电路和RS232总线接口完成。方向盘的输出为正交编码脉冲。通过检测这两路信号的相位关系可以判断其顺时针和逆时针的方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的转角。方向盘转角传感器与DSP的串行接口通过RS232总线连接电路设计如下：图3方向盘接口电路图2013东南大学校庆研究生学术报告会2.3测速模块设计本文所选用的光电编码器是ST公司的反射式红外光电传感器ST188，其特点是：1.采用高发射功率的红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2.检测距离可调整范围大，4-13mm可用。3.采用非接触检测方式ST188光电传感器可以在电动车轮毂上安装编码盘的基础上，进行速度检测，并将反馈信号发送给DSP芯片。利用光电管ST188对准电机专门的测速部分的编码盘反光细条部分，要求该部分的其余部分为深色，（也可以用专门的测电机转速的编码盘，不过这样的话有效电平就应该是检测到深色）如果反光部分亮度不够或者深色部分颜色不够深，可以调节电路中的电位器，以使测到白色部分DSP接收到低电平，测到深色部分DSP芯片接收到高电平。光电传感器ST188输出接电压比较器，其比较输出接至DSP的通用输入输出口。当DSP芯片接收到有效电平时启动内置计时器开始计时计算得出电机的转速（r/min）。推导出的转速公式：Zfn60（1）其中，n为转速，Z为编码盘反光齿数，f为计数器计得的数或频率。其电路图如图：图4光电传感器电压比较原理图2.4DSP最小系统设计TMS320F2000系列的DSP控制器具有强大的性能，可实现复杂的控制算法。其芯片上集成有Flash存储器、增强的CAN模块、高速A/D转换器、事件管理器、多通道缓冲串口、正交编码电路等外设，主要应用于各种数字化控制。本文选用的是TI公司的TMS320F2808的DSP控制器，其最小系统设计如下：图5TMS320F2808最小系统原理图3控制模型建立3.1转弯模型的建立首先绘制出小车转弯的原理图：ααRrrL图6小车转弯原理图根据内外侧后轮的角速度相等，可以得到：2=1(2)其中，内轮角速度为，外轮角速度为。又知，线速度为角速度与半径的积，带入式中：2013东南大学校庆研究生学术报告会/2/2VVVRrRr(3)为了方便表示，式中的后轮距用2r表示，内侧车轮线速度为V，内外侧车轮速度差为V，则外侧车轮的线速度为VV。又，根据三角形相似的原理可知：tantanVVVLLrr(4)其中，L表示轴距，α为前轮万向轮的转角，即小车的转角。根据上式可以推导出内外侧轮的差速度为：2()tanrVVLr(5)其中，后侧车轮的轮距、小车轴距均可测量得到，内侧车轮的线速度为驱动电机默认提供，而转角为设计模块的输入之一。3.2PID控制模型建立首先给出的PID设计控制过程的方案。调节器功率驱动直流电机转速的设定值偏差转速输出测速装置图7PID控制原理图如图所示直流电机PID控制过程中，采用闭环速度调节器采用比例、积分、微分控制（即PID控制）。其整个控制工作过程如下：测速装置通过测定的输入量的偏差值以进行PID的元素计算，然后，将所得的结果返回调节器（即DSP芯片），通过反馈作用达到电机控制的目的。将上述的控制关系运用公式的方法来进行表达如下：101()()[()()]PDIdetutTetetdtTTdt(6)式中的变量具体属性如下：e(t)：控制调节器的输入，即控制系统的给定量与输出量的偏差；u(t)：控制调节器的输出，即提供给功率驱动的电平信号；TP：比例时间常数；TI：积分时间常数；TD：微分时间常数。PID控制程序流程图：开始初始化设置速度读取速度计数合法性检测PID控制程序进行控制结束图8PID控制原理图4软件部分设计以DSP事件管理器A（EVA）中的定时器1作为产生PWM信号的时基，通过控制寄存器（T1CON）和定时周期（T1PR）对时钟周期进行设置。假设将定时器的计数模式设为连续增减模式。比较单元的每一个参数通过寄存器（COMCONA）设置，来产生对称的三角波信号，比较输出方式和阈值分别在寄存器ACTR1和CMPR1中进行设置，设定的阈值实时与三角波信号进行比较，得到相应的占空比的PWM信号。其中，将ACTR1设置为高电平有效，即在寄存器CMPR1中设置阈值。当阈值设置小于三角波的值时，输出为无效的低电平，而设置大于三角波的值时，输出的为有效的高电平。因为直流电源电压恒定，所以转子转速与占空比d成正比，因而可以通过调整d的大小，即控制调整PWM信号的有效电平宽度来达到控制转速的目的。DSP产生的PWM信号是根据相应的寄存器设置的，由于定时器1采用的是连续增减计数模式，因此，有效电平的占空比d的表达式：d=(T1PR-CMPR1)/T1PR(7)根据之前模型的建立，所需用到的三角函数计算不能直接在C语言中实现，因此在Matlab中进行曲线拟合，得到正切函数的拟合曲线：2013东南大学校庆研究生学术报告会图9三角函数拟合曲线得到拟合曲线公式为F(x)=57.6066x5-88.4541x4+77.4575x3+16.4081x2+59.0088x+0.035783(8)程序流程图：图10程序流程图5调试与仿真这里对其使用进行简化，只用到与PID有关的模块来对电机进行仿真。仿真结构如图：图11电机PID控制仿真图其中，kp=0.5，ki=0.08，kd=0.15。Simulink对电机PI