一种新型的压电式汽车角速度传感器

一种新型的压电式汽车角速度传感器 146 汽车对转弯所进行的检测 汽车导航仪自动导航精度的提高防止车体的斜滑 这种汽车舒适性和安全性是由角速度传感器来确保的 松下电子部株式会社 LCR 设备公司 电阻器商务部门所生产的这种角速度传感器 在同行中独占鳌头 拥有很高的市场比率 使用了 18 5mm 12 5mm 10mm 小型水晶音叉振荡器的汽车导航仪角速度传感器已经问 世 设计出了控制车辆运行的安全稳定 防止翻车 迄今为止最大幅度的小型化 高精度 的角速度传感器 实现安全 舒适的汽车角速度传感器依靠小型 高精度和高信赖性 低价格确保市场数字调节电路内藏的水晶音叉振荡器 采用 GPS 全球测位系统 和自动导航仪系统 为了检测出汽车的转弯 减小所在的车辆位置的误差 采用了角速度 传感器 这个传感器因水平设置可以全方位地检测出角速度 特别是角速度传感 器 自 1987 年在防止攝像机画面颤动上得以应用而实现产品化以来 在汽车的四轮驱动装 置 4WS 斜滑防止装置 汽车导航仪等方面进行了大量的产品开发 该角速度传感器在 性能 小型化方面领先于同行业 开发了采用水晶振荡器的小型汽车导航角速度传感 器 EWTS82 系列 传感器的尺寸为 18 5mm 12 5mm 10mm 的型模样 零点漂移为 5 度 秒 感度漂移也实现了 5 以下的高精度 目前规模已达月产 25 万个 以前作为 双压电晶片音叉元件 所采用的是压电陶瓷片和金属音叉 水晶具有良好的温度稳定 性 其压电特性很少劣化 共振频率 Q 高 能量损失少 可以得到稳定的振动 用平板印 刷和蚀刻 具有可以大量地制造小型 高精度产品的特征 把音叉振荡器的长度缩短到 6 3mm 的同时 以前的金属音叉全长为 23mm 把性能也加以了提高 角速度传 感器的工作原理是利用元件在振动陀螺上产生的科里奥利力 质量为 m 的音叉臂 以振动 速度 v 在 x 方向振动时 如在 y 轴的周围导入角速度 w 则在 z 轴的方向产生科里奥利力 Fc 根据这个原理 向驱动电源施加交流电 使 x 轴方向发生振动 因汽车的运行 在 y 轴的周围 产生角速度 音叉臂由于科里奥利力 便会在 z 轴方向发生弯曲 这个弯曲所产 生的电压可以通过检测电极测出 把该水晶单晶音叉振荡器的电力轴相反过来两片贴 合 制成双压电晶片的形状 这样就可以充分保证驱动电极和检测电极的面积 提高其感 度 同时 因电极配置相互对称 可以低消因输出入等在各电极间产生的容量耦荷和电力 结合所引起的信号漏泄 对于下降和冲击 通过设法加强音叉臂的支持结构 提高耐久性 来达到减小振动漏泄的影响 驱动电路 角速度检测电路 装在搭载了水晶音叉集成 电路基板的背面 为了从水晶音叉提高检测出信号 S N 信号对杂音比 采用了差动增幅 DSP 基于 DSP 的电子节气门控制器的研制 发布日期 2006 2 19 11 46 36 作者 未知 出处 不详 武汉理工大学学报信息与管理科学版 2003 5 文章编号 1007 144X 2003 05 0000 00 基于 DSP 的电子节气门控制器的研制 尹叶丹 程昌银 全书海 武汉理工大学 自动化学院 湖北 武汉 430070 摘要 节气门是车用发动机一个十分重要的装置 是影响发动机性能的关键部件 针对新 型电子节气门的特点 设计了一套基于 TMS320LF2407 DSP 的带 CAN 总线的电子控制单 元 该控制单元可方便地与车辆中其他 ECU 组成分布式控制系统 运行结果表明该控制器 具有设计合理 性能稳定 抗干扰能力强 可靠性高等优点 关键词 电子节气门 DSP CAN 总线 控制算法 中图法分类号 TP271 5 文献标识码 A 1 前言 节气门是汽车发动机的重要控制部件 为了提高汽车行驶的动力性 平稳性 经济性并减 少排放污染 世界各大汽车制造商推出了各种控制特性良好的电子节气门及其相应的电子 控制系统 组成电子节气门控制系统 ETCS 由于 ETCS 的优越性 目前 世界上越来 越多的大型汽车制造公司开始采用 ETCS 传统机械式节气门面临着被电子节气门所取代 的趋势 本设计是混合动力电动轿车控制系统的一个 ECU 单元 该控制系统是基于 CAN 总线的分布式控制系统 2 系统组成 由于 CAN 总线技术在信号传输一系列优点 1 本系统也采用了 CAN 总线通信技术 节气 门的开度给定信号由上位机通过 CAN 总线传送 电子节气门控制系统是一个典型的位置 反馈系统 当系统给定为 0V 时 电机停在 0 度的位置 即完全关闭 当为 5V 的时候 迅 速转到 90 度的位置停下 即完全打开 当输入给定从 5V 调整为 2 5V 时 电机能迅速从 90 度转到 45 度的位置并停下 本设计的系统总体框图见下图 1 3 DSP 与 CAN 系统设计 在系统设计中 我们选取德州仪器 TI 公司最近推出的一款面向电机控制领域的高性 能定点 DSP TMS320LF2407 2 作为系统的控制核心 该芯片集成了本系统所需要的 A D 转换模块 PWM 脉宽调制通道和 CAN 总线通讯模块以及多路 IO 输出 并且它还具有体 积小 速度快的优点 3 1 DSP 控制单元 DSP 控制单元结构图见图 2 节气门开度给定信号是通过 CAN 总线由上位机传出 被本系统 DSP 中的 CAN 控制器接 收 节气门位置反馈是一个模拟的电压信号 因为 TMS320LF2407 DSP 自带有模数转换模 块 所以反馈信号可以直接接到 DSP 的一路 A D 引脚 当然需给 DSP 的 A D 模块供电 并为转换提供基准参考电压 给定与反馈在 DSP 中经过一定的算法最终转化为占空比变化 的 PWM 脉宽调制信号输出 为了调试方便 我们需为 DSP 扩展一个外部程序 RAM 另 外由于 DSP 的驱动能力有限 并且其工作电压为 3 3V 所以其引脚输出或接收的一些信 号包括 CAN 发送 CAN 接收和 IO 口输出的信号都需经过缓冲和电平转换 才能与 TTL 的 5V 信号相接 3 在本设计中 缓冲和电平转化由 74HC245 芯片一并完成 该芯片采用 3 3V 供电 3 2 CAN 总线接口电路 CAN 总线采用的双绞线 两根线分别为 CAN 高和 CAN 低 图中的 PCA82C250 芯片就是 驱动 DSP 的 CAN 控制器与物理总线间的接口 它是专用的 CAN 驱动芯片 提供对总线 的差动发送和接收功能 它完成 CANH CANL 和 CAN 发送 CAN 接收之间的信号转换 82C250 工作电压为 5V CAN 总线终端的匹配电阻选用典型值为 120 欧 为了增强 CAN 通信的抗干扰能力 在缓冲器和 CAN 驱动之间 我们设计了光电隔离电路 采用的是高 速光隔芯片 6N137 输入与输出的供电电压也都采用 5V 另外 为了避免电源引起的干扰 CAN 通信部分采用单独的 DC DC 电源模块供电 电路结构如图 3 所示 3 3 软件设计 在本系统的软件程序流程中 存在两个中断 一个是主控 ECU CAN 上位机 每隔 20ms 发出的数据引起本系统节气门 ECU 的中断 通过中断 从 CAN 总线上取出本系统中所需 的数据并计算所要求的开度给定电压 更新该给定变量 另一个是本系统定时器周期到而 引起的中断 在该中断服务程序中 进行控制算法 包括采样节气门位置反馈电压 智能 PI 控制算法 然后更新 PWM 比较寄存器 通过调节 PWM 占空比调节节气门开度 在程 序中 PWM 脉宽调制信号的周期设为 200 s 即频率 5kHz CAN 控制器的配置 在一个由 CAN 组成的分布式系统中 很多节点不断的向 CAN 总线发送不同的信号 所以 我们必须屏蔽掉本系统不需要的信号 在 CAN 协议中 每一个节点都被分配固定的 ID 号 当一组信号过来 CAN 接收程序首先判断该信号的 ID 来源 如果是所需要的 则接收 CAN 控制器配置具体指令如下 LDP DP CANMBX SPLK 0DAFEH MSGID0H 设置邮箱 0 的控制字及 ID IDE 1 AME 1 AAM 0 SPLK 0101H MSGID0L 设置邮箱 0 所接收节点的 ID 低位 SPLK 08H MSGCTRL0 位 RTR 0 表示数据帧 SPLK 0000H MBX0A 接收邮箱 0 信息初始化 SPLK 0000H MBX0B SPLK 0000H MBX0C SPLK 0000H MBX0D LDP DP CANCTL SPLK 0480H MCR 正常模式 DBO 1 ABO 1 STM 0 SPLK 0001H MDER ME3 1 MBXA 发送 ME2 1 接收 邮箱 2 3 使能 SPLK 0100H CAN IMR 邮箱 MBX0 中断使能 高中断优先级 SPLK 0FFFFH CAN IFR 清 CAN 模块的全部中断标志 CLRC INTM 开总中断 RET 返回 在上面的程序中设置了本系统的 CAN 控制器只接收 ID 标志为 DAFE0101 的节点发来的信 息 智能 PI 算法 为了加快系统的的响应速度 我们采用了经过改进的智能 PI 控制算法 If 偏差 VE 0 5V then PWM 比较值 173 最大值 90 的占空比 If 偏差 VE 0 5V then PWM 比较值 19 最小值 10 的占空比 Else U U last x0 VE VE last 1 x1 VE If U 5V then U 5V If U 5V then U 5V PWM 比较值 U 15 4 96 比例系数 x0 过大 抖动比较明显 积分系数 x1 过大 会出现振荡 故对于 PI 调节器的比 例积分系数的选择需要在实验中反复调试 从而找出最佳的比例与积分系数 最后 通过 控制算法得出的 PWM 比较值去改变 DSP 输出的 PWM 信号的占空比 由此来调节节气门 的开度 4 驱动控制电路 驱动电路部分包括死区控制 MOS 管驱动电路和 H 桥功率输出三个部分 4 1 死区控制单元 因为采用的是由 4 个 MOS 管组成的 H 全桥进行功率输出 所以必须考虑防止同一桥臂上 下管同时导通 为此 我们设计了硬件死区控制电路 在保证同一桥臂的上 下 管已经 完全关闭后 下 上 管才能开通 死区控制电路如下图 4 所示 由 DSP 过来的 PWM 信 号在经过 U10A 后被分成高低电平完全相反的两路 对第一路信号 通过电容 C27 充电使 该 PWM 脉宽调制信号波形由低电平上升到高电平的时刻被延迟 而由于二极管 D4 快速 放电 保证高电平变低电平的时间不受到影响 第二路信号同理 因此使得 PWM1 PWM2 信号在由高电平变低后必须经过 T 的死区时间后 PWM2 PWM1 才由低 电平变为高电平 死区时间 T 可由 R C 组成的一阶电路的零状态响应公式 RC 计 算求得 在实验中 我们选取 R 2k C 0 01 F 最终测得产生的死区时间为 8 s 4 2 MOS 管驱动单元 既然采用 4 个 MOS 管组成的 H 桥功率输出 就必须对各个 MOS 管提供驱动 我们采用 自举式 MOS 管专用驱动芯片 IR2110 通过自举产生所需的多个地端 从而解决 MOS 管 不共地的问题 该芯片的采用 大大简化了驱动电路 IR2110 芯片是一种适于功率 MOSFET IGBT 驱动的自举式集成电路 它在电源变换 马 达调速等功率驱动领域获得了越来越多的应用 其主要原因是 该电路芯片集成度高 可 驱动同一桥臂两路 响应快 偏值电压高 600V 驱动能力强 内部设欠压封锁 尤其 是上管驱动采用外部自举电容上电 使得所需的驱动电源路数目较其他 IC 驱动大大减小 但 IR2110 使用不当 尤其是自举电容选择不好 易于造成芯片损坏或不能正常工作 一般 来说 PWM 开关频率高 电容应选小 占空比调节范围较大 特别是高占空比时 电容 应选小 否则在有限的时间内无法达到自举电压 关于该芯片内部具体的工作原理 4 本 文不做详细介绍 图 5 是本系统中的驱动电路 PWM1 和 PWM2 是由死区单元过来的信号 在经过 IR2110 以后 被分成四组 对应各自地端 分别去驱动后面的四个 MOS 管 这四组信号分别为 OUT1 GND1 OUT2 GND0 OUT3 GND3 OUT4 GND0 其中 OUT1 OUT3 由自举产生 图中的 C21 C22 为自举电容 在本系统中 PWM 开关频率 为 5kHZ 占空比从 10 到 90 变化范围较大 自举电容 C21 C22 选取 0 1 F 工作良好 4 3 H 桥功率输出 驱动节气门电机的 H 型电路由 4 个 MOSFET 组成 MOSFET 器件选用的是 IRF530 因为 MOS 管通常在漏级与源级间存在有极间电容 能够积累一定的电荷 故在其关断后需要对 其迅速放电 所以必须在每个 MOS 管的漏级与源级之间加上续流二极管 通过 桥电路 当 PWM 信号占空比大于 50 时 节气门电机中对应电机正转 小于 50 时 流过电机的 电流方向相反 对应电机反转 当占空比等于 50 时 节气门稳定在某个角度不动 5 结束语 系统的阶跃响应见图 6 测得节气门从 0 度转到 90 度的响应