汽车踏板自动收放控制器设计 毕业论文.doc

浙江工业大学毕业设计（论文）汽车踏板自动收放控制器设计 毕业论文目录第一章 绪论11.1 汽车踏板简介11.2 CAN总线概述11.3 CAN总线国内外发展情况21.4 汽车踏板自动收放控制器21.4.1 方案的必要性21.4.2 控制器的工作过程21.4.3 控制器的设计思路31.4.4 研究内容3第二章 控制器的功能及原理42.1 控制器的主要功能42.2 控制器的适用车型42.3 汽车CAN总线技术52.3.1 CAN总线的特点52.3.2 CAN总线上的逻辑电平62.3.3 总线报文的发送与接收62.3.4 CAN总线的帧格式62.3.5 汽车CAN网络结构72.3.6 SAEJ1939协议编码82.4 直流电机控制技术102.4.1 直流电机的结构102.4.2 电机调速原理112.4.3 脉冲宽度调制（PWM）112.4.4 直流电机正反转122.4.5 直流电机的启动与堵转12第三章 控制器总体方案设计143.1 控制器结构的模块化设计143.2 各模块方案设计与论证143.2.1 MCU控制器模块143.2.2 CAN总线通信模块153.2.2.1 CAN收发器的选择153.2.2.2 CAN总线协议控制器的选择153.2.2.3 CAN总线接口结构153.2.3 直流电机驱动模块163.2.3.1 电机的驱动方式163.2.3.2 电机正反转控制方式173.2.3.3 功率放大器件的选择183.2.4 踏板收放终点检测模块183.2.4.1 电机电流波形分析183.2.4.2 电机电流检测方法193.2.4.3踏板遇阻控制策略及终点判定203.2.5 汽车供电电源模块203.2.6 抗干扰措施21第四章 控制器硬件电路的设计224.1 硬件结构框图224.2 CAN总线通信模块224.2.1 CAN总线收发器PCA82C250224.2.2 CAN协议控制器SJA1000234.2.3 6N137光耦隔离264.2.4 CAN总线接口电路原理图264.3 STC12C5A60S2及其接口电路274.4 直流电机驱动模块274.4.1 H桥控制电路274.4.1.1 MC33486电机驱动芯片274.4.1.2 H桥控制电路工作方式294.4.1.3 IRF1010N 功率MOS管294.6 汽车电源供电模块30第五章 控制器软件设计315.1 软件开发环境315.2 软件主要内容315.3 程序流程图315.4 CAN总线报文收发程序325.4.1 SJA1000初始化335.4.2报文接收345.4.3 报文滤波方法355.4.3报文发送355.5 PWM信号发生程序365.6 遇阻判定算法36第六章 总结与展望40参考文献41致 谢42附录A43附录B44程序清单45第一章 绪论1.1 汽车踏板简介大多数体型较大、地盘较高的汽车，如SUV、大客车，都装有汽车踏板（如图1.1 所示）。汽车踏板是一种装于汽车门槛部位，起到供人踩踏上下车、保护车体、美化车体作用的汽车配件1。汽车踏板常用的是不锈钢材料，外表光洁亮丽，不同的车型装配不同类型的汽车踏板图1.1 SUV上的汽车踏板目前市场上最常用是固定式的踏板（如图1.1），它有价格便宜、安装方便的优势。但是这种踏板是固定的、不可活动，始终保持展开的状态，因此容易受到外界的碰撞，而且高度固定，不便于老人小孩上车。近年来，一些高档的SUV汽车、客车，如有陆虎揽胜、林肯领航者，已装配了能自动收放的电动踏板。这种电动踏板能在车门开闭的同时，能自动向外展开或向内收拢。电动踏板价格相对比较昂贵，如路虎揽胜的原装电动踏板市场价格在2万元以上。但电动踏板也有其无法比拟的特点：踏板向外向下展开，降低了高底盘汽车的上车的高度，尤其为老人、小孩上车提供了方便；汽车踏板的收拢状态，保护踏板避免与外界碰撞。这人性化设计让人在上下车的时候有一种宾至如归的愉悦感。1.2 CAN总线概述CAN-BUS（Controller Area Network-BUS）总线技术，是“控制器局域网总线技术”的简称，最早是由德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线2。CAN总线已成为ISO国际标准ISO11898。在电子技术的飞速发展的今天，电控技术已广泛应用在汽车领域。汽车上布满了大量传感器，越来越多的部件收到电子控制单元的控制，这样在汽车行驶过程中必然会产生大量的数据，各个部件之间频繁进行数据通信。如果采用传统的布线方式,即电线一端与开关相连，另一端与用电设备想通，将导致车上的用电线数目急剧增加，其质量将占总车质量的4%左右3。CAN总线技术的使用，大大减少了车内的布线数目，而且CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单和高性能价格比等突出优点， CAN正逐步取代J1850汽车网络协议，成为汽车首选网络总线。 目前汽车技术已经发展到第四代网络化综合技术时代，即包括电子技术、计算机技术、综合控制技术、智能传感器技术等先进汽车电子技术。通过汽车电子网络系统将汽车的各个电子控制单元连接起来，实现通信和控制的网络化管理4。1.3 CAN总线国内外发展情况CAN总线技术在国外发展较快。早在20世纪70年代末，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如BOSCH公司的CAN、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS等5。其中CAN总线由于其技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技术，现已成为汽车总线的主流技术和标准。世界上众多著名的汽车制造厂商，如大众、奔驰、宝马、保时捷等都已采用CAN总线来实现内部电子控制单元的通信。CAN总线技术在我国尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。虽然随着引进国外先进的汽车制造技术，同时也不同程度地使用了CAN总线技术。但绝大部分CAN总线技术应用在动力系统中，其核心技术仍掌握在国外厂商手中6。CAN总线技术在国外的迅速发展也引起了国内企业的重视。部分企业已经在CAN总线领域取得了长足的进步。他们应用CAN总线系统来控制管理整车车身电器，已实现汽车照明、灯光信号、雨刷电机、中控锁等部件的管理与控制，同时具有实时检测故障及语音报警功能，兼有遥控、防盗和集控锁功能，形成了车身电器信息交互式网络控制系统7。在汽车CAN总线高层协议SAEJ1939的研究方面，中国单片机公共实验室联合北京英贝多嵌入式网络公司、美国卡特皮勒公司，以及国内著名的汽车设计厂商，经过两年多的设计开发，实现了基于单片机的J1939网关芯片Em2003系列产品。Em2003可用于汽车数字化仪表、汽车网关、汽车多功能电控的核心单元，并通过了严格的可靠性测试和实际产品化验证，已投入批量生产8。我国正逐步开拓属于自主知识产权CAN总线领域，未来必将朝着汽车网络化的方面前进，与国外诸强展开强有力的竞争。1.4 汽车踏板自动收放控制器1.4.1 方案的必要性着眼于汽车CAN总线技术在汽车网络领域的广阔应用前景，针对固定式踏板给上车带来的不便以及电动汽车踏板品种单一、安装繁琐、价格昂贵的缺点，本文提出一种基于CAN总线的汽车踏板自动收放控制器的设计方法。1.4.2 控制器的工作过程汽车踏板自动收放控制器的工作过程流图如图1.2所示，工作过程包括两个部分：一是踏板展开过程。必须先由乘车人员打开车门锁，之后踏板在控制器的控制下完成向外展开，供人员踩踏上下车；二是踏板收拢过程。与踏板展开过程一样，由乘车打开车门锁人员，在控制器的控制下收回踏板，保护踏板免受碰撞。图1.2 工作过程流图1.4.3 控制器的设计思路汽车踏板自动收放控制器具有乘车人员上下车时踏板自动收放的功能。其基本设计思路是，采用CAN总线技术，从总线上获得汽车车门锁开关信息，而不是直接从车门锁或者车内其他结构上获取车门锁开关信号。采用总线技术可将控制器直接连接至CAN总线上，获取所需的数据信息，避免了车内繁琐的布线，不仅使得自动踏板的安装更方便，而且增加了控制器的可维护性。从总线获取的车门锁开关数据必须经单片机微控制器进行处理，决定是否驱动直流电机正反转以拖动汽车踏板的收拢与展开。当踏板转至终点后，控制器应该迅速判断并关闭电机。1.4.4 研究内容汽车踏板自动收放控制器的简化模型即，以CAN总线信号作为电机正反转的开关信号的电路模型，其主要研究的技术内容包括两大方面：一、如何实现微控制器(MCU)与汽车CAN总线的通信。研究内容包括CAN总线接口电路的设计（包含抗干扰措施）、CAN网络应用层协议的编码、CAN总线报文的收发及处理程序的编写。二、直流电机的控制问题。主要解决包括直流电机的驱动、正反转控制和电机转动至终点的判断问题。第二章 控制器的功能及原理2.1 控制器的主要功能 汽车踏板自动收放控制器的设计目的是实现汽车踏板的自动收放，以供乘车人员踩踏上下车。控制器主要包含以下三个功能：（1）与汽车CAN总线的通信功能 控制器与汽车CAN总线直接相连，成为总线上的一个节点，实时从CAN总线上接收来自汽车车门控制单元的车门锁状态信息。基于CAN总线技术的汽车踏板自动收放控制器不仅节省了大量车内布线，而且安装方便，便于后期维修。（2）驱动直流电机正反转 汽车踏板的收放动作是通过直流电机带动汽车踏板进行正转与反转动作实现的。电机转速应限制在合理的范围内，避免转速过快或过慢。（3）电机转动终点判断电机在踏板转至终点后若不及时关闭，电机供电电能全部转化为热能消耗，导致流过电机的电流远大于额定电流，这就是电机的堵转现象。控制器必须能判断踏板在电机拖动下是否已收放至终点。若踏板已收放至终点，控制器须迅速发出信号关闭电机。2.2 控制器的适用车型本控制器的适用于基于CAN总线的车门控制单元的高端汽车（如SUV、大型客车）。汽车车身控制系统（又称为舒适系统）结构图如图2.1所示，由中央控制系统，左前门车门控制单元、右前门控制单元、左后门控制单元、右后门控制单元和后备箱控制单元组成。各个车门控制单元分别控制该侧的门锁电机、门开关、车窗电机、车窗开关等部件。车门控制单元通过62.5kb/s的低速CAN总线通信4，将车门的状态数据(包括车锁状态数据)发送到CAN总线上，以便CAN网络上的节点共享汽车状态信息。只有在这种基于CAN总线的车门控制单元的汽车环境下， 汽车踏板自动收放控制器才能从CAN总线上读取车门锁状态信息，并以此作为踏板电机正反转的开关量。图2.1 汽车车身控制系统结构图2.3 汽车CAN总线技术2.3.1 CAN总线的特点CAN与其他现场总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其技术特点如下2： CAN从本质上讲是一种多主或对等网络，网络上任何节点均可主动发送报文，不分主从，通信方式灵活。 废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点对点、多点播送、广播等几种数据传送方式。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。CAN的每帧信息都有CRC及其他检错措施，降低了数据的出错率。 具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效果好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理。 通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 总线长度可达10Km(速率为5kbit/s及其以下)；网络速度可达1Mbit/s（总线长度为40m及其以下）。 网络上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个；标准格式的报文标识符可达2032个，而扩展格式的报文标识符的个数几乎不受限制。 通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对于实时性要求不同的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。 采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。通过采用这种机制，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响低连续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，即使在网络负载很重时，也不会出现网络瘫痪现象。发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。2.3.2 CAN总线上的逻辑电平 CAN总线有两条双绞线，分别称为CANH和CANL。以CANH和CANL的不同电平表示总线传送的逻辑值。为了提高总线在恶劣电气环境下的可靠性和提高传输数据速率，总线采用差分传输方式。CAN总线只有一对互补的逻辑值：显性（表示“0”）和隐性（表示“1”）。如图2.2 总线电平逻辑值所示，当CANH与CANL的电压值都为2.5V，则两者电压差为0V，表示隐性（逻辑值为1）；当CANH电压为3.5V，CANL电压为1.5V，则两者电压差为2V，表示显性(逻辑值为0)。图2.2 总线电平逻辑值2.3.3 总线报文的发送与接收在CAN总线空闲时，总线上的任何一个节点都能向总线发送报文。若几个节点同时向总线发送报文时，总线通过仲裁机制选择优先级最高的节点发送。发送报文的节点称为发送器。如果一个节点不是发送器且总线不空闲，则该节点为接收器。报文过滤是CAN总线的一大特点。通过报文过滤，能使相关的报文被正确的接收和处理，不相关的报文虽然被接收但不被采用，极大节省了资源。报文过滤是通过总线节点的滤波寄存器和屏蔽码寄存器对收到的报文中的标识符进行校验完成的。滤波寄存器和屏蔽码寄存器都是是可编程的，改变其中任一位都有可能使报文无法通过过滤校验9。2.3.4 CAN总线的帧格式CAN2.0技术规范包括CA2.0A和CAN2.0B两个版本。两个版本的区别之处是标识符的长度不同，2.0A作为报文标准格式只具有11位的标识符，而2.0B包含标准格式和扩展格式，其中扩展格式具有29位标识符。CAN总线中报文传输在节点间的收发是通过四种不同类型的帧和一个帧间隔来控制的，即数据帧、远程帧、过载帧、错误帧和帧间隔。不同帧的格式结构不同。以数据帧为例，数据帧由7个不同的位场组成（如图），即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC（校验）场、应答场和帧尾。图2.3 数据帧示意图（1）帧起始（SOF）起始帧位标志数据帧和远程帧的开始，它仅有一个显位构成，用于节点同步。（2）仲裁场仲裁场由标识符和远程发送请求位RTR组成。标准格式的标识符有11位，扩展格式标识符有29位。发送时从高位到低位的顺序。RTR位在数据帧中必须为显位，而在远程帧中必须为隐位。（3）控制场控制场由6位组成，分别是数据长度代码DLC,IDE和保留为r0,保留为必须发送显位。数据长度代码有4位，分别是DLC0，DLC1，DLC2，DLC3。(4)数据场数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括08个字节，每个字节8位。首先发送最高有效位。（5）校验场校验场采用CRC校验法对报文帧进行校验。（6）应答场应答场(ACK)为两位，包括应答间隙和应答界定符。发送器在应答场中送出两个隐位。一个正确地接受到有效报文的接收器，将在应答场间隙发送一个显位，以此告知发送器。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是隐位，因此应答间隙被两个隐位（CRC界定符合应答界定符）包围。（7）帧结束 每个数据帧和远程帧均以7个连续隐位作为结束的标志。2.3.5 汽车CAN网络结构车内不同的CAN节点对总线传输速率的不同要求，汽车CAN总线网络结构使用多条不同传输速率的总线连接各自的节点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。SAE（Society of American Engineers）车辆网络委员会将汽车数据传输网络划分为A,B,C三类，其中：A类：面向传感器/ 执行器控制的低速网络,数据传输位速率通常只有110 kbp/ s。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。B 类：面向独立模块间数据共享的中速网络,位速率一般为10100 kbp /s。主要应用于电子车辆信息中心、导航系统、多媒体娱乐系统、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统,以减少冗余的传感器和其它电子部件。C 类：面向高速、实时闭环控制的多路传输网,最高位速率可达1 Mbp/s。主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS 等系统,以简化分布式控制和进一步减少车身线束。 车门控制单元的功能是控制车门锁、电动车窗、后视镜、后备箱等部件，这些部件的控制单元多为低速电机和开关器件，对实时性要求很低，因此车门控制系统使用低速的C类总线连接。汽车踏板自动收放控制器与车门控制单元进行总线通信，对数据传输速度的要求不高，和车门控制单元同属于C类总线的节点（如图2.4所示）。CAN总线通信时不分主从，当车门控制单元作为发送器向总线发送报文时，总线上的每个节点都能接收到由其发送的报文，但是并不一定能采用这个报文。只有通过对该报文过滤的节点（如汽车踏板自动收放控制器），才能成功接收并采用这个报文，以获得报文数据。图2.4 汽车CAN总线网络节点分布2.3.6 SAEJ1939协议编码CAN协议本身只定义了物理层和数据链路层的规范，使得CAN能够更广泛地适应不同的应用条件。但是若没有一种规范的CAN应用层协议，将给用户造成极大的不便。CAN网络应用层协议对网络各个节点之间构建数字信息交换的相关特性进行了详细的规定，包括对网络的拓扑结构、网络控制器节点进行定义，同时定义硬件接口，连接器机械及点起特性等内容。目前国际上已经形成了诸多适用于CAN的高层应用协议，如CAL、CANopen、DeviceNet、SAE J1939等。其中SAE J1939已经成为世界各大车辆制造商支持的重要通信标准，尤其在大客车、载重汽车中得到了广泛的应用8。SAE J1939协议具有如下特点：(1) 以CAN2.0B协议为基础，物理层标准与ISO11898规范兼容并采用符合该规范的CAN控制器及收发器。通信速率最高可达到250Kbps。(2 ) 采用PDU(Protocol Data Unit协议数据单元传送信息，每个PDU相当于CAN协议中的一帧。由于每个CAN帧最多可传输8个字节数据，因此PDU的传输具有很高的实时性。(3) 利用CAN2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及该PDU的优先级。(4) J1939协议主要作为汽车中应用的通信协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合IS011992标准。 SAEJ1939协议利用CAN2.0B扩展帧的29位标识符和数据域形成SAEJ1939的编码系统。表1为CAN2.0的扩展格式及J1939协议格式。表1 CAN2.0B及J1939协议格式扩展帧格式SOF11位标识符SRRIDE12位扩展标识符CAN ID 位置ID28ID18ID17ID0J1939格式优先PRDPPFPFPSSA3,2,1832,18181J1939帧位置1212131415,1617,242532由上表可知，SAEJ1939标识符包括PRIORTY（优先权位），R(保留位)，DP（数据页位），PDUFORMAT（PDU格式），PDU SPECIFIC(PDU细节域)和SOURCE ADDRESS(源地址)。另外还包括6位（8字节）的数据域。本设计采用SAEJ1939协议对汽车车门控制单元和汽车踏板自动收放控制器状态帧标志码和数据域进行编码。控制单元缩写PRDPPFPSSA标识符16进制左前门PFL200B5D8C208B5D8C2右前门PFR300B6D8C318B6D8C3左后门PBL300B7D8C418B7D8C3右后门PBR300B8D8C518B8D8C4中央控制器PCE100BED8C904BED8C9自动踏板控制器AFP500F8E8D014F8E8D0表2 车门控制单元和自动踏板控制器状态帧编码表由于左前门控制单元的控制任务多，包括对四车门窗、车门锁、后视镜的控制任务，因此优先级相对其他车门要高。自动踏板控制器通过编程设定只对四车门控制单元发送的报文完成滤波校验。根据上表的编码结果，29位标识符为08B5D8C2、18B6D8C3、18B7D8C3、18B8D8C4数据帧能通过滤波校验。自动踏板控制器在接收报文并完成收放动作后，将自身状态报文发送至CAN总线上。发送的扩展格式报文包含13个字节，一个帧起始字节，四个标志码字节和八个数据域字节。四个标志码字节由29位组成，供接收节点进行滤波校验。对数据域的编码格式如表3所示，以左前车门为例，Byte7和Byte6是四车门的车窗和车锁的控制指令，其余三车门没有控制权因此这两位保留；Byte5和Byte4为保留；Byte3是车门状态数据，其中各位包含了车门锁、车窗等信息。Byte2、Byte1和Byte0是检测和错误代码字节。可见Byte3内具有自动踏板收放控制器需要的车门锁状态数据，因此在接收到报文后只需提取该字节数据即可。自动踏板收放控制器的收放状态位于Byte7中。可用0x01表示踏板下放，0x00表示踏板收拢。表3 左前门控制单元和自动踏板控制器数据域编码表名称Byte7Byte6Byte5Byte4Byte3Byte2Byte1Byte0左前门单元车窗指令门锁指令XXXX左前门状态检测及模式错误代码错误代码自动踏板收放状态XXXXXXXX检测及模式错误代码错误代码2.4 直流电机控制技术直流输入的旋转电动机称为直流电动机机，它能实现电能向机械能的转换。根据有无换向碳刷，将直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机没有碳刷因此噪声小，适合用在对转速、精度要求高的场合。而且无刷直流电机的控制电路较有刷电机复杂，结合本控制器的功能要求及应用环境，选择有刷直流电机更有优势。本文主要对有刷直流电机机构和控制原理进行说明。2.4.1 直流电机的结构 直流电机由定子和转子两个部分组成，其间有一定的气隙。定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心有硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向器叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间相互绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。图2.5 直流电机内部结构图2.4.2 电机调速原理直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为: （2.1）式中， 电枢供电电压（V）；电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）；电枢回路总电阻（）；电势系数，由式可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变励磁磁通 ；(2)改变电枢回路总电阻；(3)改变电枢供电电压。改变励磁磁通，其控制功率虽然较小但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制10，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差11。 改变电枢总电阻的方法是在电枢回路串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率因而经济效益低，而且转速慢，能耗大12。随着电子技术的发展，如今已普遍采用改变电枢电压的方法对直流电机进行调速。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高的优点。从过去的使用晶闸管整流器进行相控调压，发展到现在采用小型继电器、MOS管功率器件（特别是IGBT功率管）进行PWM脉宽调压，改变电枢电压，从而对直流电机进行调速。2.4.3 脉冲宽度调制（PWM） PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的波形。PWM控制技术是变频技术的核心技术之一，广泛应用在逆变电路。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。常用的PWM控制方法有等脉宽PWM法、正弦脉宽SPWM法，随机PWM法等。汽车踏板自动收放控制器驱动电机转动时，不需要对电机转速进行调整，只需控制电机以稳定、合理的转速转动即可。本文采用最简单的等脉宽PWM调制法。等脉宽PWM调制技术控制电机转速的原理是，以一个固定的频率的PWM信号来控制电机导通和关断，而不是持续向电机供电。由于电机存在电感，有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此输入电机的脉冲能量能平均分配到作用时间上。在固定的PWM频率下，电机导通时间越长，关断时间则越短，输入电机的平均能量越大，电机转速越快；反之电机转速越慢。因此通过改变PWM周期内“导通”与“关断”时间之比，即可实现对电机的调速。如图2.5所示，PWM调制下的电机电枢电压波形图。其中，为通电时电机电枢的电压；为电机电枢的平均电压；为PWM周期；为电机导通时间；电机关断时间。图3.5 PWM波形图则 （2.2）称为占空比。改变占空比，即改变电机通断时间比，从而改变电机两端的平均电压，实现电机的速度改变。若，表示电机始终通电，这时转速最大；若，表示电机关断，停止转动。改变占空比有两种调制方法，一种是开关周期恒定，即不变，改变导通时间；另一种是导通时间不变，改变开关周期。改变开关周期的调制方法，当遇到某个特殊的频率下（系统固有频率）的机械谐振时，常导致系统的震动和出现啸叫声11。因此采用定周期的调制方法比较适合。2.4.4 直流电机正反转 电机正反转即改变电磁转矩的方向。由电磁转矩的公式：,可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。在控制时，通常直流电机的反转实现方法主要有两种：1.改变励磁电流方向保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向。2.改变电枢电压极性保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流即改变方向。2.4.5 直流电机的启动与堵转由于电机电枢回路电阻和电感都较小，而转子转动体具有一定的机械惯性，因此电机从静止状态开始接通电源后的启动瞬间，电机转速为零，流过电枢的电流很大（通常为额定电流的3-8倍），称这个电流为启动电流。在电机转动过程中，若遇障碍物使得电机停止转动（转速为0），这时可认为负载的转矩无限大，迫使电机需要输出最大转矩，由公式可知，转矩最大时，电枢电流达到最大值（往往与启动电流一样的）。电机发生堵转现象产生的电枢电流称为堵转电流。电机启动瞬间或堵转时可认为输入电机的电能全部转化为电枢电阻的热能，因此启动电流或堵转电流的值可用公式（2.3）来计算。其中为电机额定电压，为电枢绕阻。 （2.3） 电机启动电流过大会使电网受到干扰、机组受到机械冲击、换向器发生火花。通常采用串联电阻或降低启动电压的方法减小启动电流。电机启动后电枢电流瞬间增大，随着转速的增加，电枢电流又逐渐减小至额定电流值。而电机堵转时若障碍物继续存在，堵转电流保持不变并不随时间的推移而衰减。因此，启动电流与堵转电流从性质上来说都是电机转速为0时电机的电流，但从持续时间来看，启动电流过大是瞬间的，而堵转电流时持续的。第三章 控制器总体方案设计3.1 控制器结构的模块化设计 图3.1 控制器总体结构框图 控制器总体结构框图如图3.1所示。自动汽车踏板控制器由五大模块组成，即CAN总线通讯模块、MCU微控制器模块、电机直流电机驱动、踏板收放终点检测模块以及汽车电源供电模块。本章将介绍这五大模块的设计方案，并对各方案进行论证，最终确定最合理的设计方案。3.2 各模块方案设计与论证3.2.1 MCU控制器模块 MCU微控制器作为整个系统的核心部分，控制总线通信模块接收并存储来自CAN总线的报文数据；运行算法程序完成对踏板终点位置的检测。 由于汽车环境的温度变化大，电磁干扰强，控制器的MCU不仅需要实现基本控制功能，又必须具有强抗干扰性。MCU选择STC12C5A60S2系列单片机。它是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，完全兼容51单片机指令。它的一个机器周期就是一个时钟周期，运行速度是传统单片机的8-12倍。片内集成1280字节RAM和8K ROM，完全满足本设计程序大小。内置8路高速AD模数转换器，转换速度可达250KHz(25万次方每秒。STC12C5A60S2含有两路PCA端口，即可用作16位定时器，又可作为PWM信号输出端口，适用于对电机控制以及强干扰的场合133.2.2 CAN总线通信模块CAN总线通讯模块作为总线接口，介于CAN总线与MCU之间，完成总线驱动和报文处理的功能。CAN总线接口包含CAN总线收发器与CAN总线控制器。其中，CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，提供对总线的差动发送和接收的驱动功能；CAN总线控制器通常用于CAN的报文缓冲与验收滤波，执行 CAN规定的通信协议，实现CAN总线协议部分和微控制器接口部分的电路组成2。3.2.2.1 CAN收发器的选择目前常用的CAN收发器有PHILIPS公司生产的PCA82C250、TJA1040,TI公司生产的SN65HVD230等系列。这些CAN收发器大多数结构与功能类似。本文采用目前应用最广泛的PCA82C250 高速CAN收发器。它具有如下特征与优势14：特征：l 完全符合“ISO11898”标准l 高速(可达1Mbps)l 可挂110个节点l 低电流待机模式l 未供电的节点不会干扰总线 l 斜率控制以降低射频干扰(RFI) l 差动接收器具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰(EMI)的能力9优势： l 在汽车环境中，对总线提供瞬变保护l 对电源和地的短路保护l 热保护 3.2.2.2 CAN总线协议控制器的选择 CAN控制器芯片产品分两类：一类是独立的CAN总线控制器芯片，如Philips公司生产的PCA82C200、SJA1000、SJF1000系列，另一类是集成CAN控制器的单片机，如Philips公司的P8Xc591,ATMEL的AT89C51CC03，Motorola的MC68HC705X4。由于本文中MCU选择了STC12C5A60S2单片机，芯片内部不带有CAN控制器，因此选择常用的独立CAN总线控制器SJA1000，实现CAN通信协议。 SJA1000是目前应用最广泛的CAN控制器，通常与CAN收发器PCA82C250配合使用。它在汽车和普通的工业应用上有先进的特征。SJA1000完全兼容PCA82C200的软件与硬件，在PCA82C200的基础上增加了PeliCAN模式，它支持具有很多新特性的CAN2.0B协议；具有较强的抗干扰能力和检错、纠错能力15。3.2.2.3 CAN总线接口结构总线接口结构图如图3.2所示。SJA1000介于CAN总线收发器与MCU之间，其接口管理逻辑单元的每一个寄存器都可由MCU通过地址/数据总线访问。发送缓冲去可储存13字节数据，MCU可将总长度为13字节的标识符和数据发送至SJA1000的发送缓冲区，由SJA1000自动按照协议将数据组装成帧送至总线。接收滤波器对收到的报文进行滤波校验，通过校验的报文且无差错才把该报文送至接收缓冲区，并产生中断通知MCU读取数据。CAN收发器差动接收总线报文。图3.2 总线接口结构图3.2.3 直流电机驱动模块3.2.3.1 电机的驱动方式单片机控制系统的输出功率太小，不足以直接驱动直流电机，因此必须使用半导体功率器件配合相应的驱动芯片完成电机驱动任务。常用的电机驱动方式有以下两种：.功率管线性放大驱动方式开关驱动方式是使晶体管处于线性工作区，优点是控制简单，输出波动小，对邻近电路干扰小。如图3.3所示，采用MOSFET的驱动电路。这种电路无法调速，也不能实现正反转。使晶体管工作在线性工作区将增大器件的电功率，降低驱动效率，因此只适合用于小功率电机驱动的场合。显然线性驱动不满足本设计的要求。图3.3 线性放大驱动方式.功率管开关驱动方式开关驱动方式就是半导体功率器件工作在导通区与截止区。向晶体管施加一个高电平，晶体管导通；向晶体管施加一个低电平或反向电平，晶体管截止。晶体管导通时间越长，电动机受到的平均电压越大，电机转速越快，反之，电机转速越慢。改变导通时间与截止时间之比即可实现对电机的调速。这种具有一定频率的、高低电平交替出现的信号即PWM信号。PWM信号驱动电机不仅可以实现电机调速，而且可以减小晶体管功耗，是目前常用的电机调速方法。MCU选择的STC12C5A60S2单片机有两路PWM信号自动输出端，与传统51单片机只能通过定时或软件查询方式输出PWM相比，自动输出PWM的方式大大减小了CPU资源，效率更高。 3.2.3.2 电机正反转控制方式 电机反转即改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。 由于绝大多数小型直流电机都采用铝镍钴永磁体励磁的磁路系统，与他励、并励直流电机相比除了定子部分没有励磁绕组外，其余部分完全相同16。永磁直流电机磁场方向固定不变，因此针对小型直流电机的方向控制，应采取改变电枢绕组电压的方法。 为了实现直流电机正反转控制，采用由功率半导体器件组成的H桥控制电路。H桥控制原理图如下图3.4所示。该控制电路由Q1，Q2，Q3，Q4 四个半导体功率器件组成，Q1与Q3，Q2与Q4分别组成两个桥臂，同一桥臂的两个功率管不能同时导通，否则将导致电路电流过大而击穿功率管，烧坏电路。直流电机跨接在两桥臂的中间。图3.6（a）中，当功率管Q1与Q4导通，Q2与Q3截止时，电流流经Q1，Q4，实现电机正转；图3.6（b）中，当功率管Q2与Q3导通、Q1与Q4截止时，电流流经Q2，Q3，实现电机反转；当四个功率管全部截止，电机停止转动。可见，利用单片机输出信号来控制对角线上的功率管的导通情况，就能实现电机正反转的控制。图3.4 (a) 电机正转电流流向图图3.4 (b) 电机反转电流流向图3.2.3.3 功率放大器件的选择.场效应管（MOSFET） 优点：开关速度快 、工作频率高、适用于低压中小功率场合 缺点：击穿电压低、工作电流小.绝缘栅场效应管（IGBT）优点：开关容量大、通态损耗低、开关损耗低 、适用于高压大功率场合缺点：开关速度慢、存在电流拖尾现象、价格相对MOS管要高IGBT由MOSFET发展而来，结合了BJT与MOSFET的许多优点，解决了MOS管高压时通态电阻较大的问题，因此IGBT特别使用在高压场合，击穿电压可达1200V17。在低压场合下，MOS管与IGBT的性能差异不大，且MOS管的开关速度更快。本设计的电机电压为12V，功率小于100W，属于低压小功率场合，因此使用MOS管完全满足设计需要，在成本上更具优势。设计选择MTP20N08系列MOS管，它的漏源饱和电压达60V，漏极电流最大为20A，并且具有较小的漏源电阻，满足本设计条件。3.2.4 踏板收放终点检测模块对踏板收放终点的检测主要有三种方法：（1）在终点位置装上机械式的开关这种方法控制简单，但是在汽车环境下这种开关经过碰撞、磨损，非常容易产生故障。（2）定时收放时间的方式踏板的在收放过程中受到各种阻力的影响可能会改变收放时间，这个方法只有在踏板无负荷转动时才有效。（3）对电机电流状态进行检测，结合判断算法程序保证正确的判断收放终点。踏板转动至终点后电机会发生堵转现象。在堵转的情况下，电机输出转矩最大，电机转速以及相应的反电动势很小，由转矩公式和转速公式可知，此时电机电流最大。可达额定电流的3-8倍13。因此通过检测电机电流是否过大来判断踏板是否转动到终点是一种可靠的方法。控制器对电流的检测必须具有可靠性和高效性，以达到准确、迅速发现堵转、关闭电机的功能。因此必须从直流电机电流的特性着手，设计一套合理有效的堵转电流检测电路和算法程序。3.2.4.1 电机电流波形分析 从电机不同的工作状态的电流波形图3.5可知，电机启动时和堵转时电流峰值很大，但启动峰值电流持续时间很短，而堵转电流持续直到电机被关闭。电机转动时若受到阻尼作用，电机电流将迅速增大，由电机转矩方程电流和转矩的关系方程和图3.7(b)可知，电机电流随着转矩的增大而增大。电机在转动过程中，电流波形始终围绕某一平均值层脉冲状上下波动，而不是某一确定的值。特别是汽车环境下，存在着诸多的干扰因素，如电磁干扰、汽车电源电压的波动，因此直流电机在工作时会表现出具有很大的不稳定性。图3.5(a) 电机无阻力转动电流波形图图3.5(b) 电机遇阻力转动时的波形3.2.4.2 电机电流检测方法.集成电路检测法。采用霍尔电流传感器、电流检测芯片（如MAX471）可以检测电机电流大小。这类器件的特点是，输入为电机直流电流，输出与电流大小成一定比例的电压值，电压值经AD转换后送入MCU，可以获得电流的数值大小。.使用采样电阻的方法。原理如图3.6所示，将直流电机串联一个采样电阻，由于电阻电压与电流的存在的线性关系，流过采样电阻的电流越大，则输出的采样电压也越大。该采样电阻两端的电压值与设定的超限电压值通过电压比较器相比较，若采样电压比超限电压大，则比较器输出高电平，反之输出低电平。图3.6 采样电阻测电流这两种方法都有优缺点。方法虽然可以得到精确的电流值，可用于精确控制场合，但是AD转换器增加了硬件成本，而模数转换需要一定的时间使得处理开销增大。方法硬件成本较低、能对设定大小的电流经行区分，但是在电机转动期间采样电阻对电机造成了分压和耗能。本文对电流检测电路的设计思路是结合以上两种方法的优点，采用内置AD转换器的单片机STC12C5A60SE和电机驱动芯片MC33486，MC33486芯片不仅能驱动直流电机，而且能输出与电机电流成比例关系的电压。将该电压送至单片机的AD中获得电流的大小，从而可以判断电机堵转情况。由于电机电流的波动性以及汽车环境的干扰存在，对电机电流状态的检测不能只采样一个数据进行比较，而应连续采样多个数据并对数据大小进行判断。因此对踏板终点位置的检测，必须将硬件检测和判断算法结合起来，实现对踏板转动终点准确的判断。3.2.4.3踏板遇阻控制策略及终点判定 图3.7 踏板遇阻控制策略踏板在收放过程中，会遇到各种阻力或者阻挡物，若阻力小于电机的最大转矩，电机依然能拖动踏板负载转动。但是长期保持电机带负载转动，或者对障碍物不采取“避让”措施，会增大电机和踏板的损耗，电流过大的场合降低控制器的安全性。本文对踏板采取的控制策略是通过电流检测电路和算法程序判断电机是遇阻还是堵转。如果3.7所示，如果控制器判断踏板堵转，则关闭电机，此次收放完成；如果控制器判断出踏板遇阻状态，即受到阻力作用，但不足以使电机堵转的状态。控制器默认遇阻状态时，踏板收放未完全，须通过不断开闭电机检测阻力是否撤去，若阻力撤销，踏板继续完成转动。3.2.5 汽车供电电源模块 一般来说，使用汽车发动机的汽车，如SUV，汽车直流供电电压是12V，而柴油发动机汽车，如大客车，供电电压是24V。本控