1 引言
賽車剎車系統(tǒng)是賽車系統(tǒng)上具有相對獨立功能的子系統(tǒng),，其作用是承受賽車的靜態(tài)重量,、動態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車剎車時的動能,，實現(xiàn)賽車的制動與控制,。其性能的好壞直接影響到賽車的快速反應,、安全制動和生存能力,，進而影響賽車的整體性能,。本文設計了賽車全電防滑剎車控制器的硬件和軟件，最后研究了適合于賽車剎車的控制律,。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
本賽車剎車控制器是由防滑控制器和電機驅(qū)動控制器組成,。兩個控制器都是以DSP芯片為核心。防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,，輸出給定的剎車壓力,，以DSP芯片為CPU，外加賽車和機輪速度信號調(diào)理電路等,。電機驅(qū)動控制器主要是調(diào)節(jié)剎車壓力大小,，并且控制電動機電流大小，也是以DSP芯片為CPU,，再加外圍電路電動機電流反饋調(diào)理電路,、過流保護電路、剎車壓力調(diào)理電路,、四組三相全橋逆變電路等構(gòu)成電機驅(qū)動控制器,。
2.1 DSP的最小系統(tǒng)
DSP的最小系統(tǒng)主要涉及存儲器擴展、JTAG接口配置、復位電路,、ADC模塊的設置以及時鐘電路的設計等,。
1、片外存儲器擴展,。片外存儲器是為了彌補DSP內(nèi)部RAM的不足,，同時也考慮到調(diào)試過程中可以方便將程序下載到片外高速Static RAM中。外部的靜態(tài)隨機存儲器采用CY7C1041CV33,。DSP既可以使用片內(nèi)程序存儲器,，也可以使用片外程序存儲器，這由引腳XMP刀MC決定的,。JTAG接口,。在程序需要調(diào)試時，程序下載是通過JTAG接口完成的,，這個接口經(jīng)過仿真器與PC機的并行口相連,。
2、復位電路與時鐘源模塊,。用阻容電路產(chǎn)生上電復位和手動復位的低電平復位電路，產(chǎn)生復位信號,。外加一個硬件看門狗,，其輸出端產(chǎn)生復位信號WDRST。電源芯片的兩個輸入都為+5V,，輸出為+1.9V和+3.3V電源為DSP供電,，輸出電源分別有兩個復位信號，當電源不穩(wěn)或過低時,，將產(chǎn)生復位信號,。
3、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊的硬件配置,。模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸出電壓2V,，要求輸出端接一個低的ESR容量為10μF的陶瓷電容到模擬地。如果軟件設置在外部參考模式下,，ADCREFP能夠接外部輸入為2V的參考電壓,，并且接一個低的ESR容量為1μF到10μF的電容。否則,，AD的內(nèi)部參考源的精度將受到影響,。
2.2賽車前輪與剎車機輪速度信號處理電路
賽車防滑控制器主要是以滑移率為控制對象，防止賽車打滑,，由滑移率的偏差大小調(diào)節(jié)后輸出壓力參考值,，以跟蹤給定的滑移率大小。防滑控制器上必須有賽車前輪和剎車機輪速度信號的調(diào)理電路，主要是為了得到反饋的滑移率,。賽車速度信號是以自由滾動的賽車前輪速度信號代替,。在賽車的前輪與剎車機輪上都裝有測速傳感器，當輪子轉(zhuǎn)動時,，測速傳感器會產(chǎn)生正弦波形式的交流信號,，機輪每轉(zhuǎn)動一圈，測速傳感器發(fā)出50個周期的正弦交流信號,。正弦交流信號的振幅隨輪子速度的變化而變化,，其信號為偏壓2.5V，峰值為0.3V,，最大信號幅值不超過5V的正弦波信號,。將此正弦波信號轉(zhuǎn)換成同頻率的方波后送入DSP的捕獲單元，捕獲方波相鄰上升沿的計數(shù)值間隔ncapture,，即可計算得到輪子的轉(zhuǎn)速值V,。由于CPUCLK為150MHz，捕獲時基為其中的一個定時器,，n為CPUCLK的分頻系數(shù),，凡為輪子的滾動半徑，那么輪子速度的計算式為：
調(diào)理電路如圖1所示：
2.3 邏輯信號電路
電機驅(qū)動器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對電機的轉(zhuǎn)子位置等信號進行邏輯處理,，選用多達有76路可編程I/0口和100引腳的EPM7128AE,，該CPLD能夠滿足系統(tǒng)設計要求。器件EPM7128AE實現(xiàn)了電機的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號,、過流保護,、正反轉(zhuǎn)、三相全橋的開通與關(guān)斷等功能,。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個電機的邏輯信號,。由于無刷直流電動機的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開路結(jié)構(gòu)，故上拉2KΩ電阻,，再把霍爾信號SA,， SB， SC送到CPLD的輸入端口,。其JTAG接口的TMS,， TCK， TDI,， TDO四個端子必須接上拉電阻,，再接+5V電源。
2.4 無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路
無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路采用以IR公司的專用驅(qū)動芯片IR2130為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路,。其輸入為以功率地為地的PWM波,，送到IR2130的輸入端口,，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動管MOSFET，由此驅(qū)動無刷直流電動機,。采用這種驅(qū)動方式主要是功率驅(qū)動芯片IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運用,，簡化了整個驅(qū)動電路的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性,。而且IR2130驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路,，以及過流保護和欠壓保護等功能，大大降低了電路設計的復雜度,，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性,。
1 引言
賽車剎車系統(tǒng)是賽車系統(tǒng)上具有相對獨立功能的子系統(tǒng)，其作用是承受賽車的靜態(tài)重量,、動態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車剎車時的動能,，實現(xiàn)賽車的制動與控制。其性能的好壞直接影響到賽車的快速反應,、安全制動和生存能力,，進而影響賽車的整體性能。本文設計了賽車全電防滑剎車控制器的硬件和軟件,，最后研究了適合于賽車剎車的控制律,。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
本賽車剎車控制器是由防滑控制器和電機驅(qū)動控制器組成。兩個控制器都是以DSP芯片為核心,。防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,，輸出給定的剎車壓力，以DSP芯片為CPU,，外加賽車和機輪速度信號調(diào)理電路等。電機驅(qū)動控制器主要是調(diào)節(jié)剎車壓力大小,，并且控制電動機電流大小,，也是以DSP芯片為CPU，再加外圍電路電動機電流反饋調(diào)理電路,、過流保護電路,、剎車壓力調(diào)理電路、四組三相全橋逆變電路等構(gòu)成電機驅(qū)動控制器,。
2.1 DSP的最小系統(tǒng)
DSP的最小系統(tǒng)主要涉及存儲器擴展,、JTAG接口配置、復位電路,、ADC模塊的設置以及時鐘電路的設計等,。
1、片外存儲器擴展,。片外存儲器是為了彌補DSP內(nèi)部RAM的不足,，同時也考慮到調(diào)試過程中可以方便將程序下載到片外高速Static RAM中。外部的靜態(tài)隨機存儲器采用CY7C1041CV33。DSP既可以使用片內(nèi)程序存儲器,，也可以使用片外程序存儲器,，這由引腳XMP刀MC決定的。JTAG接口,。在程序需要調(diào)試時,，程序下載是通過JTAG接口完成的，這個接口經(jīng)過仿真器與PC機的并行口相連,。
2,、復位電路與時鐘源模塊。用阻容電路產(chǎn)生上電復位和手動復位的低電平復位電路,，產(chǎn)生復位信號,。外加一個硬件看門狗，其輸出端產(chǎn)生復位信號WDRST,。電源芯片的兩個輸入都為+5V,，輸出為+1.9V和+3.3V電源為DSP供電，輸出電源分別有兩個復位信號,，當電源不穩(wěn)或過低時,，將產(chǎn)生復位信號。
3,、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊的硬件配置,。模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC輸出電壓2V，要求輸出端接一個低的ESR容量為10μF的陶瓷電容到模擬地,。如果軟件設置在外部參考模式下,，ADCREFP能夠接外部輸入為2V的參考電壓，并且接一個低的ESR容量為1μF到10μF的電容,。否則,，AD的內(nèi)部參考源的精度將受到影響。
2.2賽車前輪與剎車機輪速度信號處理電路
賽車防滑控制器主要是以滑移率為控制對象,，防止賽車打滑,，由滑移率的偏差大小調(diào)節(jié)后輸出壓力參考值，以跟蹤給定的滑移率大小,。防滑控制器上必須有賽車前輪和剎車機輪速度信號的調(diào)理電路,，主要是為了得到反饋的滑移率。賽車速度信號是以自由滾動的賽車前輪速度信號代替,。在賽車的前輪與剎車機輪上都裝有測速傳感器,，當輪子轉(zhuǎn)動時，測速傳感器會產(chǎn)生正弦波形式的交流信號,，機輪每轉(zhuǎn)動一圈,，測速傳感器發(fā)出50個周期的正弦交流信號,。正弦交流信號的振幅隨輪子速度的變化而變化，其信號為偏壓2.5V,，峰值為0.3V,，最大信號幅值不超過5V的正弦波信號。將此正弦波信號轉(zhuǎn)換成同頻率的方波后送入DSP的捕獲單元,，捕獲方波相鄰上升沿的計數(shù)值間隔ncapture,，即可計算得到輪子的轉(zhuǎn)速值V。由于CPUCLK為150MHz,，捕獲時基為其中的一個定時器,，n為CPUCLK的分頻系數(shù)，凡為輪子的滾動半徑,，那么輪子速度的計算式為：
調(diào)理電路如圖1所示：
2.3 邏輯信號電路
電機驅(qū)動器選用ALTERA公司的MAX7000A系列器件對電機的轉(zhuǎn)子位置等信號進行邏輯處理,，選用多達有76路可編程I/0口和100引腳的EPM7128AE，該CPLD能夠滿足系統(tǒng)設計要求,。器件EPM7128AE實現(xiàn)了電機的三相全橋逆變電路觸發(fā)信號,、過流保護、正反轉(zhuǎn),、三相全橋的開通與關(guān)斷等功能,。一片CPLD器件EPM7128AE上有兩個電機的邏輯信號。由于無刷直流電動機的霍爾位置傳感器CS3020的輸出是集電極開路結(jié)構(gòu),，故上拉2KΩ電阻,，再把霍爾信號SA， SB,， SC送到CPLD的輸入端口,。其JTAG接口的TMS， TCK,， TDI,， TDO四個端子必須接上拉電阻，再接+5V電源,。
2.4 無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路
無刷直流電動機的功率驅(qū)動電路采用以IR公司的專用驅(qū)動芯片IR2130為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路。其輸入為以功率地為地的PWM波,，送到IR2130的輸入端口,，輸出控制N溝道的功率驅(qū)動管MOSFET，由此驅(qū)動無刷直流電動機,。采用這種驅(qū)動方式主要是功率驅(qū)動芯片IR2130對“自舉”技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源的巧妙運用,，簡化了整個驅(qū)動電路的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性,。而且IR2130驅(qū)動芯片內(nèi)置死區(qū)電路,，以及過流保護和欠壓保護等功能,，大大降低了電路設計的復雜度，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性,。
2.5 電流采樣及過流保護電路
無刷直流電動機的電流是通過功率驅(qū)動電路母線上的電阻進行檢測的,。母線上面的電阻是由兩個0.01Ω的功率電阻并聯(lián)，采樣電路是通過這兩個并聯(lián)的采樣電阻進行電流采樣的,，采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,，電壓信號送到電流監(jiān)控芯片進行放大，然后經(jīng)過由OPA2344構(gòu)成二階有源濾波電路濾波,，最后得電流反饋信號,，直接送到A/D轉(zhuǎn)換器。
硬件過流保護電路,，對系統(tǒng)的正常工作起到很重要的作用,，主要是對功率器件MOSFET和電動機的保護。系統(tǒng)還帶有軟件保護功能,，過流信號OVCURX送到DSP的輸入引腳,，當OVCUR為高電平時，DSP會產(chǎn)生電機控制轉(zhuǎn)動信號ENABLE關(guān)斷邏輯信號,，使電機停轉(zhuǎn),。芯片IR2130自身帶有過流保護功能。
2.6 壓力信號放大電路及其調(diào)理電路
壓力信號放大器采用差分式實現(xiàn)的減法運算的放大電路,，以超低漂移電壓運算放大器為核心,，放大倍數(shù)為40倍，放大器還配有調(diào)零位和靈敏度調(diào)節(jié)的功能,。其中芯片7809為電源芯片7660提供+9V電壓的,，芯片7660將+9V的電壓變?yōu)?9V，這兩個電壓+9V和-9V同時為OP07供電,。
由于從電壓信號放大器出來的電壓信號范圍為+1V~+5V,，而DSP的A/D模塊的參考電壓為+3.3V，則采樣的電壓信號的最大值不能超過+3.3V,。因此電壓信號要經(jīng)過調(diào)理電路將電壓信號減小到+3.3v以下,。調(diào)理電路采用精密的運算放大器OPA2344，將電壓信號由+1V~+5V調(diào)理到+3V以下,，需要設定放大倍數(shù)為0.6,，以便于DSP進行采樣。
3 控制器軟件設計
本賽車剎車控制器的軟件以C語言為主體,，適當?shù)牟捎脜R編語言,，這樣的軟件編寫給整個系統(tǒng)軟件帶來了方便。C語言使DSP程序的開發(fā)速度加快,，而且可讀性和可移植性也大大增加,，在TI公司的C2000 Code Composer Studio（CCS）集成開發(fā)環(huán)境下進行程序調(diào)試,。由于篇幅限制，此處僅介紹系統(tǒng)程序初始化以及主程序流程,。
1,、系統(tǒng)程序初始化。系統(tǒng)的程序在運行前,，必須對DSP的時鐘源,、定時器、看門狗,、AD模塊,、I/O口、捕獲單元,、中斷等等進行初始化設置,，使系統(tǒng)的內(nèi)部資源、外圍設備和硬件電路相匹配,。系統(tǒng)在運行前,，必須關(guān)掉所有的中斷，以防止程序運行時產(chǎn)生不必要的中斷或者程序跑飛等現(xiàn)象,。因此在初始化后,，系統(tǒng)才啟動中斷，使程序正常運行,。
2,、系統(tǒng)主程序流程。賽車全電剎車系統(tǒng)的主程序包括程序初始化模塊,、定時器中斷服務,、模擬量定時采樣模塊、速度信號的捕獲模塊,、滑移率控制模塊,、壓力調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊等等,。其中,，定時器中斷服務程序給電流、壓力,、滑移率模塊提供固定的時鐘觸發(fā),，以此時間作為各個模塊的調(diào)節(jié)基準。當程序運行時,，首先關(guān)斷系統(tǒng)的總中斷，完成初始化,，接收到剎車命令后,，開啟總中斷,，進入程序調(diào)節(jié)的死循環(huán)，直到程序運行結(jié)束,。電流環(huán)調(diào)節(jié)的時間最短,，反映最快，其調(diào)節(jié)時間長短與電流信號濾波參數(shù),、DSP采樣速度,、CPU時鐘周期、軟件濾波程序等都有關(guān)系,，一般時間為零點幾個毫秒,。而壓力調(diào)節(jié)環(huán)的時間設定為電流調(diào)節(jié)環(huán)的N倍，電流調(diào)節(jié)環(huán)和壓力調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)次數(shù)可以現(xiàn)場測定調(diào)節(jié)時間而確定,，滑移率調(diào)節(jié)時間更長,。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。
4 系統(tǒng)模糊控制策略
模糊控制器是模糊控制在控制系統(tǒng)中應用的關(guān)鍵部分,，其主要過程為將取到的系統(tǒng)控制回路中被控過程輸出的精確量進行模糊化,，并且作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的輸入和輸出都是實際的精確量,。然后進行模糊推理,，在內(nèi)部建立語言型的模糊控制規(guī)則，由輸入條件判斷模糊輸出,。最后將模糊量轉(zhuǎn)化為實際的精確量,，即去模糊化。模糊控制器設計的具體過程如下圖4所示,。
圖4 模糊控制器原理圖
本文作者創(chuàng)新點
本文主要完成了賽車剎車控制系統(tǒng)的設計,，主要是硬件設計、軟件設計和控制策略研究,。硬件設計方面采用高速的DSP芯片和CPLD并設計其外圍的電路,。系統(tǒng)還設計了以IR2130為核心的驅(qū)動電路，電流信號硬件放大電路,、濾波電路和保護電路,，壓力信號的放大電路和濾波電路，賽車速度和機輪速度的處理電路等等,?？刂撇呗苑矫娌捎媚：刂普{(diào)節(jié)PID參數(shù)。