汽车电动助力转向控制系统控制器设计

1、 第一章 绪 论 电动动助力转向系系统（Eleectricc Poweer Steeeringg，缩写EPPS）是一种种直接依靠电电机提供辅助助扭矩的动力力转向系统，EEPS主要由由扭矩传感器器、车速传感感器、电动机机、减速机构构和电子控制制单元（ECCU）等组成成。它是近代代各种先进汽汽车上所必备备的系统之一一。1.1电动助力力转向的发展展从最初的机械式式转向系统（MManuall Steeering，简简称MS）发发展为液压助助力转向系统统（Hydrraulicc Poweer Steeeringg，简称HPPS），然后又出出现了电控液液压助力转向向系统（Ellectroo Hydrrau

2、licc Poweer Steeeringg，简称EHHPS）和电电动助力转向向系统（Ellectriic Powwer Stteerinng，简称EEPS）。装配机械式转向向系统的汽车车，在泊车和和低速行驶时时 HYPERLINK /view/759418.htm 驾驶员的转向向操纵负担过过于沉重，为为了解决这个个问题，美国国 HYPERLINK /view/214.htm GM公司在220世纪500年代率先在在轿车上采用用了液压助力力转向系统。但但是，液压助助力转向系统统无法兼顾车车辆低速时的的转向轻便性性和高速时的的转向稳定性性，因此在11983年日日本 HYPERLINK /view/

3、1254268.htm Koyoo公司推出了了具备车速 HYPERLINK /view/387601.htm 感感应功能的电电控液压助力力转向系统。这这种新型的转转向系统可以以随着车速的的升高提供逐逐渐减小的转转向助力，但但是结构复杂杂、造价较高高，而且无法法克服液压系系统自身所具具有的许多缺缺点，是一种种介于液压助助力转向和电电动助力转向向之间的过渡渡产品。到了了1988年年，日本 HYPERLINK /view/1257744.htm Suuzuki公公司首先在小小型轿车Ceervo上配配备了Koyyo公司研发发的转向柱助助力式电动助助力转向系统统；19900年，日本 HYPERLINK

4、/view/42919.htm HHonda公公司也在运动动型轿车NSSX上采用了了自主研发的的齿条助力式式电动助力转转向系统，从从此揭开了电电动助力转向向在汽车上应应用的历史。1.2 电动动助力转向的的分类：机械液压助力机械液压助力是是我们最常见见的一种助力力方式，它诞诞生于19002年，由英英国人Freedericck W. Lanchhesterr发明，而最最早的商品化化应用则推迟迟到了半个世世纪之后，11951年克克莱斯勒把成成熟的液压转转向助力系统统应用在了IImperiial车系上上。由于技术术成熟可靠，而而且成本低廉廉，得以被广广泛普及。机械液压助力系系统的主要组组成部分有液液压

5、泵、油管管、压力流体体控制阀、VV型传动皮带带、储油罐等等等。这种助助力方式是将将一部分发动动机动力输出出转化成液压压泵压力，对对转向系统施施加辅助作用用力，从而使使轮胎转向。电子液压助力由于机械液压助助力需要大幅幅消耗发动机机动力，所以以人们在机械械液压助力的的基础上进行行改进，开发发出了更节省省能耗的电子子液压助力转转向系统。 这套系统的的转向油泵不不再由发动机机直接驱动，而而是由电动机机来驱动，并并且在之前的的基础上加装装了电控系统统，使得转向向辅助力的大大小不光与转转向角度有关关，还与车速速相关。机械械结构上增加加了液压反应应装置和液流流分配阀，新新增的电控系系统包括车速速传感器、电电

6、磁阀、转向向ECU等。电动助力EPS就是英文文Electtric PPower Steerring的缩缩写，即电动动助力转向系系统。电动助助力转向系统统是汽车转向向系统的发展展方向。该系系统由电动助助力机直接提提供转向助力力，省去了液液压动力转向向系统所必需需的动力转向向油泵、软管管、液压油、传传送带和装于于发动机上的的皮带轮，既既节省能量，又又保护了环境境。另外，还还具有调整简简单、装配灵灵活以及在多多种状况下都都能提供转向向助力的特点点。正是有了了这些优点，电电动助力转向向系统作为一一种新的转向向技术，将挑挑战大家都非非常熟知的、已已具有50多多年历史的液液压转向系统统。驾驶员在操纵方方向

7、盘进行转转向时，转矩矩传感器检测测到转向盘的的转向以及转转矩的大小，将将电压信号输输送到电子控控制单元，电电子控制单元元根据转矩传传感器检测到到的转矩电压压信号、转动动方向和车速速信号等，向向电动机控制制器发出指令令，使电动机机输出相应大大小和方向的的转向助力转转矩，从而产产生辅助动力力。汽车不转转向时，电子子控制单元不不向电动机控控制器发出指指令，电动机机不工作。1.3 电动助助力转向系统统特点液压助力转向系系统已发展了了半个多世纪纪，其技术已已相当成熟。但但随着汽车微微电子技术的的发展，对汽汽车节能性和和环保性要求求不断提高，该该系统存在的的耗能、对环环境可能造成成的污染等固固有不足已越越

8、来越明显，不不能完全满足足时代发展的的要求。 电动助力力转向系统将将最新的电力力电子技术和和高性能的电电机控制技术术应用于汽车车转向系统，能能显著改善汽汽车动态性能能和静态性能能、提高行驶驶中驾驶员的的舒适性和安安全性、减少少环境的污染染等。因此，该该系统一经提提出，就受到到许多大汽车车公司的重视视，并进行开开发和研究，未未来的转向系系统中电动助助力转向将成成为转向系统统主流，与其其它转向系统统相比，该系系统突出的优优势体现在：1、降低了燃油油消耗液压动力转向系系统需要发动动机带动液压压油泵，使液液压油不停地地流动，浪费费了部分能量量。相反电动动助力转向系系统（EPSS）仅在需要要转向操作时时

9、才需要电机机提供的能量量，该能量可可以来自蓄电电池，也可来来自发动机。而而且,能量的的消耗与转向向盘的转向及及当前的车速速有关。当转转向盘不转向向时，电机不不工作，需要要转向时，电电机在控制模模块的作用下下开始工作,输出相应大大小及方向的的转矩以产生生助动转向力力矩，而且，该该系统在汽车车原地转向时时输出最大转转向力矩，随随着汽车速度度的改变，输输出的力矩也也跟随改变。该该系统真正实实现了按需需供能，是是真正的按按需供能型（on-ddemandd）系统。汽汽车在较冷的的冬季起动时时，传统的液液压系统反应应缓慢，直至至液压油预热热后才能正常常工作。由于于电动助力转转向系统设计计时不依赖于于发动机

10、而且且没有液压油油管，对冷天天气不敏感，系系统即使在-40时也也能工作，所所以提供了快快速的冷起动动。由于该系系统没有起动动时的预热，节节省了能量。不不使用液压泵泵，避免了发发动机的寄生生能量损失，提提高了燃油经经济性，装有有电动助力转转向系统的车车辆和装有液液压助力转向向系统的车辆辆对比实验表表明，在不转转向情况下，装装有电动助力力转向系统的的国辆燃油消消耗降低2.5%，在使使用转向情况况下，燃油消消耗降低了55.5%。2、增强了转向向跟随性在电动助力转向向系统中，电电动助力机与与助力机构直直接相连可以以使其能量直直接用于车轮轮的转向。该该系统利用惯惯性减振器的的作用，使车车轮的反转和和转向

11、前轮摆摆振大大减水水。因此转向向系统的抗扰扰动能力大大大增强和液压压助力转向系系统相比，旋旋转力矩产生生于电机，没没有液压助力力系统的转向向迟滞效应，增增强了转向车车轮对转向盘盘的跟随性能能。3、改善了转向向回正特性直到今天，动力力转向系统性性能的发展已已经到了极限限,电动助力力转向系统的的回正特性改改变了这一切切。当驾驶员员使转向盘转转动一角度后后松开时，该该系统能够自自动调整使车车轮回到正中中。该系统还还可以让工程程师们利用软软件在最大限限度内调整设设计参数以获获得最佳的回回正特性。从从最低车速到到最高车速，可可得到一簇回回正特性曲线线。通过灵活活的软件编程程，容易得到到电机在不同同车速及

12、不同同车况下的转转矩特性，这这种转矩特性性使得该系统统能显著地提提高转向能力力，提供了与与车辆动态性性能相机匹配配的转向回正正特性。而在在传统的液压压控制系统中中，要改善这这种特性必须须改造底盘的的机械结构，实实现起来有一一定困难。4、提高了操纵纵稳定性通过对汽车在高高速行驶时过过度转向的方方法测试汽车车的稳定特性性。采用该方方法，给正在在高速行驶（1100km/h）的汽车车一个过度的的转角迫使它它侧倾，在短短时间的自回回正过程中，由由于采用了微微电脑控制，使使得汽车具有有更高的稳定定性，驾驶员员有更舒适的的感觉。1.4 电动动助力转向系系统的发展趋趋势上个世纪80年年代开始，人人们开始研究究

13、电子控制式式电动助力转转向，简称EEPS(Ellectriic Powwer Stteerinng)。EPPS是在EHHPS(电控控液压助力转转向)的基础础上发展起来来的，其结构构简单、零件件数量大大减减少、可靠性性增强，它取取消EHPSS的液压油泵泵、液压管路路、液压油缸缸和密封圈等等配件，纯粹粹依靠电动机机通过减速机机构直接驱动动转向机构，解解决了长期以以来一直存在在的液压管路路泄漏和效率率低下的问题题。电动助力转向系系统是在传统统机械转向系系统的基础上上发展起来的的。它利用电电动机产生的的动力来帮助助驾驶员进行行转向操作，系系统主要由三三大部分构成成，信号传感感装置(包括括扭矩传感器器、

14、转角传感感器和车速传传感器)，转转向助力机构构(电机、离离合器、减速速传动机构)及电子控制制装置。电动动机仅在需要要助力时工作作，驾驶员在在操纵转向盘盘时，扭矩转转角传感器根根据输入扭矩矩和转向角的的大小产生相相应的电压信信号，车速传传感器检测到到车速信号，控控制单元根据据电压和车速速的信号，给给出指令控制制电动机运转转，从而产生生所需要的转转向助力。从从国内外的研研究来看，EEPS今后的的研究主要集集中在以下几几方面： (1)EPS助力力控制策略。助助力控制策略略的主要目的的是根据转向向助力特性曲曲线确定助力力电动机的助助力大小，辅辅助驾驶员实实现汽车转向向。控制策略略是EPS研研究的重点。

15、(2)系统匹配配技术。助力力特性的匹配配、电机及减减速机构的匹匹配、传感器器的匹配以及及EPS系统统与其它子系系统进行匹配配，是使整车车性能达到最最优的关键。(3)可靠性。转转向系统是驾驾乘人员的“生生命线”之一一，必须保证证高度可靠性性。EPS除除了应有良好好的硬件保证证外，还需要要良好的软件件做支撑，因因此对 EPPS的可靠性性提出了很高高的要求。由于技术、制造造和维修成本本等原因，目目前大部分汽车转转向系统仍以以液压助力的的HPS(包包括 ECHHPS、EHHPS)为主主。线控转向向系统由于成成本高以及现现有法规限制制等原因，在在近期很难在在车辆上装配配。EPS具具有节能与环环保等诸多优

16、优点，EPSS取代HPSS是今后一段段时间内汽车车转向系统发发展的趋势。 第二章章 硬件件电路设计 汽车电电动助力转向向系统（Ellectriic Powwer Stteerinng）结构的的工作原理:当汽车的方方向盘开始转转动时，扭矩矩传感器开始始检测其输入入轴，并把扭扭矩信号传输输给控制中心心，此时的波波形有毛刺，并并不是能够用用来调制的PPWM波。而而整形电路的的作用便是把把毛刺去掉，得得到矩形波。然后无刷直流电机里面对应的三个霍尔传感器检测出电机转子的位置，以及在汽车变速箱上面安装的车速传感器传给的模拟量，经过ECU分析处理这些模拟量，按程序指令的方式对控制对象进行控制，通过改变输出P

17、WM来控制三相桥中的MOS管的导通顺序控制电机，来实现对控制对象进行控制动力转向的目的。扭矩传感器无刷直流电动机DSP(TMS320扭矩传感器无刷直流电动机DSP(TMS320F240)控制器转子位置检测电路位置信号整形电路转子位置检测电路位置信号整形电路逆变器电路功率驱动电路换相逻辑电路逆变器电路功率驱动电路换相逻辑电路车速传感器车速传感器系统硬件模块连连接图如图系统硬件模模块框图所示示，硬件系统统主要由DSSP 最小系系统及扩展电电路、换相逻逻辑电路、功率驱动电路路、逆变器电电路、转子位置检检测电路等部部分组成。电动机的功功能是根据电电子控制单元元的指令输出出适宜的辅助助扭矩，是EEPS的

18、动力力源，电机对对EPS的性性能有很大影影响，是EPPS的关键部部件之一。作作为EPS系系统助力的提提供者，根据据系统要求，我我们选择直流流无刷电机。2.1 直流无无刷电机直流无刷电机:又称“无换换向器电机交交一直一交系系统”或“直直交系统”。是是将交流电源源整流后变成成直流，再由由逆变器转换换成频率可调调的交流电,但是,注意意此处逆变器器是工作在直直流斩波方式式。无刷直流电动机机Brushhless Direcct Currrent Motorr ,BLDDC,采用方方波自控式永永磁同步电机机,以霍尔传传感器取代碳碳刷换向器,以钕铁硼作作为转子的永永磁材料;产产品性能超越越传统直流电电机的所

19、有优优点,同时又又解决了直流流电机碳刷滑滑环的缺点,数字式控制制,是当今最最理想的调速速电机。主电路是一个典典型的电压型型交直交交电路，逆变变器提供等幅幅等宽5-226kHz调制波的的对称交变矩矩形波。永磁磁体n-s交交替交换使位位置传感器产产生相位差1120的u、v、ww方波，结合合正/反转信信号产生有效效的6状态编编码信号：1101、1000、1100、010、0011、0001，通过逻逻辑组件处理理产生t1t4导通、tt1t6导导通、t3t6导通、tt3t2导导通、t5t2导通、tt5t4导导通，也就是是说将直流母母线电压依次次加在a+bb-、a+cc-、b+cc-、b+aa-、c+aa

20、-、c+bb-上，这样样转子每转过过一对n-ss极，t1t6功率管管即按固定组组合成6种状状态的依次导导通。每种状状态下，仅有有两相绕组通通电，依次改改变一种状态态，定子绕组组产生的磁场场轴线在空间间转动60电电角度，转子子跟随定子磁磁场转动相当当于60电角角度空间位置置，转子在新新位置上，使使位置传感器器u、v、ww按约定产生生一组新编码码，新的编码码又改变了功功率管的导通通组合，使定定子绕组产生生的磁场轴再再前进60电电角度，如此此循环，无刷刷直流电动机机将产生连续续转矩，拖动动负载作连续续旋转。正因因为无刷直流流电动机的换换向是自身产产生的，而不不是由逆变器器强制换向的的，所以也称称作自

21、控式同同步电动机。电动机在这里受受到控制单元元的指令控制制输出适宜的的扭矩，进而而控制车轮的的转向，它是是本系统实现现功能最重要要的器件之一一，所以需要要可靠性比较较强，而且对对应的性价比比比较好的器器件，在这里里我们采用的的直流无刷直直流电机的参参数如下表所所示：型式直流无刷电动机机额定时间S22分钟标称输出150W额定转速1200r/mmin/DCC12V/330A额定转矩1.2N/300A额定电流30A旋转方向正反转允许最大电流35A2.2 DSSP芯片结构构与性能的介介绍DSP(Diggital Signaal Proocessoor)实际上上也是一种单单片机，它同同样是将中央央处理单

22、元、控控制单元和外外围设备集成成到一块芯片上。DSSP最早是针针对数字处理理，特别是语语音、图象信信号的各种处处理而开发的的。由于这类类信号处理的的算法复杂，要要求DSP必必须具有强大大快速的运算算能力。因此此，DSP有有别与普通的的单片机，它它采用了多组组总线技术实实现并行运行行机制，从而而极大的提高高了运行速度度，也提供了了非常灵活的的指令系统。近近些年来，各各种集成化单单片DSP的的性能不断得得以改进，相相应的软件和和开发工具日日臻完善，价价格迅速下降降，使得DSSP在控制领领域的应用备备受关注。在在本论文里面面我们主要用用的是TMSS320LFF240这一一芯片,就这这一芯片做以以下的

23、介绍:TMS320LLF240是是TI公司在在TMS3220C2XXX的基础上推推出的一种专专用定点DSSP芯片，该该器件利用了了TI的可重重用DSP核核心技术，显显示出TI的的特殊能力通过在单单一芯片上集集成一个DSSP内核和各各种外设器件件，从而制造造出面向各种种工程应用的的DSP方案案。作为第一个数字字电机控制器器的专用DSSP，TMSS320C2440和TMSS320F2440确立了单单片数字电机机控制器的标标准，可支持持电机的转向向、指令的产产生、控制算算法的处理、数数据的交流和和系统控制监监控等功能。可可广泛应用于于厂房自动化化系统、工业业化电机驱动动和功率转换换、供热、通通风和空

24、调（HHAVC）系系统。其主要要特性如下：采用TMS3320C2XXX CPUU内核：有332位中央逻逻辑运算单元元（CALUU）；内含332位累加器器（ACC）；16位16位并行行乘法器；88个16位辅辅助寄存器；具有50nss(20MIIPS)指令令周期；含544字节节16位在片片数据/程序序双向RAMM；带有16k字字节Flassh EEPPROM：双向10位串串行数模转换换器的采样速速率可达1666kHz；具有28个独独立可编程、复复用I/O脚脚；有串行外设接接口（SPII）和SCII接口；自带强大的事事件管理器；（1） 12 路比较/PPWM 通道道，其中9 路为独立（2） 3 个个

25、16 位通通用定时器，共共有6 种模模式。（3） 3 个个具有死区功功能的全比较较单元。（4） 4 个个捕获单元。其其中两个具有有直接连接正正交编码器脉脉冲的能力。带有实时中断断的看门狗电电路；支持硬件JTTAG硬件仿仿真。TMSS320F2440 采用哈哈佛结构 ,流水线操作作 ,大大提提高了指令执执行速度。优优化的 CPPU结构 ,更加快了指指令执行速度度。TMS3320F2440 的指令令系统是与其其它数字信号号处理器一脉脉相承的 ,它提供了丰丰富的“乘累加”指令 ;这这使电机控制制中的数字滤滤波 ,如 IIR、FFIR 等 ,实现方便便快速.2.3 最小小系统及外围围扩展电路本系统中，

26、DSSP最下系统统扩展电路设设计如图所示示。主要引脚脚的接法如下下： 与时钟源模块块相关的引脚脚。我们使用用DSP的内内部振荡器，此此时引脚/OOSCBYPP接高电平。而而使用内部振振荡器，引脚脚XTAL11/CLKIIN和XTAAL2分别接接外部晶振的的一端。时钟钟源模块采用用锁相环（PPLL）技术术，对外部时时钟频率进行行备频。得到到非常稳定的的内部时钟。与存储器扩展展相关的引脚脚。存储器扩扩展主要是TTMS3200F240内内部存储容量量有限，同时时也考虑到调调试过程中可可以方便将程程序下载到片片外高速SRRAM中，不不用频繁的写写片内EPPROMM。存储器扩扩展采用的是是高速静态RRA

27、M芯片CCY7C199，它它的存储容量量为32k bytess，地址总线线为15位，数数据总线为88位。在本系系统中，使用用了两片CYY7C199，组组成32k wordss的高速存储储器。CY77C199的的数据存取周周期是lOnns，而TMMS320FF240的CCPU周期是是50ns，因因此，用于产产生等待信号号的readdy引脚无需需连接到存储储器，直接经经电阻接到高高电平。 系统复位引引脚。电源复复位使用/PPORFSFFT引脚，将将其接在阻容容电路中，引引脚上产生由由低到高变化化时系统复位位。/ RSS在作为输入入时作用和/ PORFFSFT是相相同的，因此此将其直接拉拉高。图中V

28、VCCP编程程电压接为高高，用于调试试和烧写fllash，因因此看门狗复复位功能可以以禁止。在调调试完成后，VVCCP接地地，以防止干干扰对程序及及看门狗的意意外操作。TMS320FF240最小小系统及其扩扩展电路与JTAG（JJoint Test Actioon Grooup）接口口相关的引脚脚。程序的下下载是通过JJTAG接口口完成的。这这个接口经过过转换电路（仿仿真器）与PPC机的并行行口相连。除除了电源，地地之外，DSSP的JTAAG接口还有有7个引脚。其其中，EMVVO，EMVV1需要拉高高，其他引脚脚TDI，TTDO，TMMS，TCKK，/TRSST直接与仿仿真器相连。DSP工作方

29、方式选择引脚脚（MP和/MC）。该该引脚是决定定DSP是工工作在微处理理器模式还是是微计算机模模式。若为低低电平，选择择内部程序存存储器；若为为高电平，选选择外部程序序存储器。与A/D转换换模块相关的的引脚。（11）ADC00-ADC115为16个个模拟输入通通道。其中，AADC0-AADC7属于于第一个A/D转换器；ADC8-ADC155属于第二个个A/D转换换器。ADCC0，ADCC1，ADCC8，ADCC9与I/OO复用。（22）VREFFHI和VRREFLO为为模拟基准电电压引脚（33）VCCAA和VSSAA，模拟电源源引脚。VCCCA和VSSSA，分别别接到5V直直流电源和模模拟地上

30、。与外部中断有有关的引脚，TTMS3200F240的事件件管理器提供供了外部中断断PDPINNT来实现对对系统的保护护。过流保护护首先通过电电流检测电路路检测电流，转转化为DSPP需要的5VV电压ADCCIN2,然然后通过比较较器LM3993设定允许许最大电流值值，当母线电电流超过设定定值时，输出出低电平的故故障信号APPROTFCCT，接DSSP的PDPPINT引脚脚。2.4 扭矩矩传感器 它是是用来测量驾驾驶员作用在在方向盘上面面的力矩大小小和方向。在在这里采用的的是电位式传传感器，它输输出两个彼此此独立的主副副信号，控制制单元用副信信号来检查主主信号是否正正确。利用扭扭杆连接的输输入、输

31、出轴轴间的相对位位移，使点位位表产生位移移。 如图所示： 2.5 霍尔尔传感器霍尔位置传感器器是一种检测测物体位置的的磁场传感器器。用它们可可以检测磁场场及其变化，可可在各种与磁磁场有关的场场合中使用。霍霍尔位置传感感器以霍尔效效应原理为其其工作基础。采用霍尔元件、霍尔开关电路、霍尔线性电路以及各种补偿和保护电路和磁路组件组合成霍尔位置传感器。包括：霍尔位置基准传感器、霍尔零位传感器、霍尔行程传感器、霍尔齿轮传感器、霍尔接近开关等等。霍尔位置传感器器必须满足以以下两个条件件：位置传感器在一一个电周期内内所产生的开开关状态是不不重复的，每每一个开关状状态所占的电电角度相等。 位置传感器在一一个电

32、周期内内所产生的开开关状态数应应和电动机的的工作状态数数相对应。 位置传感器输出出的开关状态态能满足以上上条件，那么么总可以通过过一定的逻辑辑变换将位置置传感器的开开关状态与电电动机的换相相状态对应起起来，进而完完成换相。对对于三相无刷刷直流电动机机，其位置传传感器的霍尔尔元件的数量量是3，安装装位置应当间间隔120 电角度，其其输出信号是是Ha、Hbb、Hc。 车速传感器 车速信号号也是系统控控制重要依据据之一，一方方面它与转矩矩信号结合用用以确定系统统控制的目标标电流，一方方面用于保证证系统的安全全性和可靠性性，即当车速速超出系统设设定的助力范范围时，系统统将停止助力力，改为手动动操作。车

33、速速信号由车速速传感器测得得，车速传感感器也有多种种类型，主要要是利用电磁磁原理和光学学原理制成。常常见的车速传传感器工作原原理如图所示示，车速传感感器由永久磁磁铁、铁芯及及线圈组成。由由于传感器的的顶端设置在在附有齿的转转子附近，当当附有齿的转转子旋转时，从从传感器的永永久磁铁出来来的磁通量发发生变化，在在线圈上就会会产生交流电电流。图为车车速传感器的的工作原理。 1.轮毅 22.转子 3.永久磁磁铁 4.输输出信号电压压 5.高高速时 66.低速时车速传感器的输输出信号一般般是经里程表表处理后，变变成方波信号号送给控制系系统。在本文文的研究中，采采用脉冲发生生器来模拟实实际的车速信信号，用

34、于对对控制策略的的研究。2.7 换相相逻辑电路的的设计无刷直流电机的的定子电枢绕绕组换相和正正反转控制是是通过用反映映电机转子位位置的霍尔信信号改变MOOSFET功功率管的开通通和关断的顺顺序来实现的的。TMS3320F2440有3个116位的通用用定时器。用用通用定时器器产生控制电电机电压调制制的PWM波波，同时用硬硬件电路实现现电子换相。其其电路如图所示：用GAL16VV8实现电子子换相电路图图该电路图要用到到一GAL116V8这一一芯片来实现现。GAL116V8的建建议工作电平平为5V，也也可以工作在在3.3V以以下。具有66432逻逻辑与门阵列列和8个可编编程输出逻辑辑单元。也可可以对

35、各个输输入端口的逻逻辑信号及其其非信号按逻逻辑与连接实实现译码功能能。其最大传传输延时为33.5ns。将根据DSP捕捕获的霍尔信信号（Ha1，Hb1，Hc1），DSSP输出的六六个状态信号号PHASEE1PHAASE6，DDSP输出的的PWM调制制信号PWMM1和电流保保护电路输出出的保护信号号APROTTECT行逻逻辑组合变换换后得到控制制6个功率管管的触发信号号（PWM111PWWM16）。在前面我们曾经经对电机的工工作原理做过过描述，转子子在定子电枢枢绕组合成磁磁场和永磁磁磁场的相互作作用下沿顺时时针方向连续续转动，三个个霍尔传感器器交替输出三三个宽为1880度电角度度，相位互差差为12

36、0度度电角度的方方波信号，该该信号经DSSP逻辑变换换后与PWMM调制信号和和电流保护信信号经过逻辑辑组合变换得得到使逆变器器功率管按VV1V2，VV2V3，VV3V4，VV4V5，VV5V6，VV6V1.的顺序导导通的触发信信号。位置检测电路设设计控制无刷直流电电动机时，DDSP控制器器主要是根据据转子当前的的转动位置，发发出相应的控控制字，通过过改变PWMM脉冲信号的的占空比来实实现对电机的的控制。无刷刷直流电动机机的转子位置置是由位置传传感器检测出出来的。在本本设计方案中中，采用了三三个磁敏式位置传传感器（霍尔尔元件）。常常见的磁敏式式位置传感器器是由霍尔元元件或霍尔集集成电路构成成的，

37、世界上上第一台无刷刷直流电动机机就使用了霍霍尔元件式位位置传感器。霍霍尔元件式位位置传感器由由于结构简单单、性能可靠且且成本低，是是目前在无刷刷直流电动机机上应用最多多的一种位置置传感器。对于本系统反电电动势为梯形形波，两相导导通Y型三相相六状态无刷刷直流电机，我们将三个霍尔组件以彼此间隔120o 空间电角度安装在电机定子上，由于电机永磁体的极弧宽度为180o电角度，这样当电机旋转时，三个霍尔组件便交替输出三个宽为180o电角度、相位互差120o 电角度的方波信号。而此时得到的位置信号是有毛刺和谐波干扰的脉冲信号，我们要经过整形电路才能得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲信号。位置信号整形电电

38、路整形电路如图所所示。霍尔元元件产生的电电动势很低，我我们要加上拉拉电阻以提高高其输出电压压。LM3224比较器具有电电源电压范围围宽、静态功耗小小、可单电源使使用、价格低廉等等优点，因此此被广泛应用用在各种电路路中，本系统统整形电路首首先经LM3244比较器进行行简单整形，再再经施密特触触发器得到上上升沿和下降降沿都很陡峭峭的矩形脉冲冲信号。整形电路所用施施密特触发器器输入与输出出为反相关系系，又称作施施密特触发器器与非门，其其特点如下： 施密特触发发器有两个稳稳定状态，其其维持和转换换完全取决于于输入电压的的大小。 电电压传输特性性特殊，有两两个不同的阈阈值电压（正正向阈值电压压 和负向阈

39、阈值电压 ） 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。整形电路输出脉脉冲信号我们知道，门电电路有一个阈阈值电压，当当输入电压从从低电平上升升到阈值电压压或从高电平平下降到阈值值电压时电路路的状态将发发生变化。施施密特触发器器是一种特殊殊的门电路，与与普通的门电电路不同，施施密特触发器器有两个阈值值电压，分别别称为正向阈阈值电压和负负向阈值电压压。在输入信信号从低电平平上升到高电电平的过程中中使电路状态态发生变化的的输入电压称称为正向阈值值电压，在输输入信号从高高电平下降到到低电平的过过程中使电路路状态发生变变化的输入电电压称为负向向阈值电压。正正向阈值电压压与负向阈值值电压之差称称

40、为回差电压压，普通门电路路的电压传输输特性曲线是是单调的，施施密特触发器器的电压传输输特性曲线则则是滞回的，我我们称之为回回差特性。当传输的信信号受 到干扰而而发生畸变时时，可利用施施密特触发器器的回差特性性，将受到干干扰的 信号整形成较好好的矩形脉冲冲。如整形电路输出出脉冲信号所所示，我们在在每个机械转转中得到共计6个上升沿沿或下降沿，它们正好对应着6个换向时刻。通过将DSP设置为双沿触发捕捉中断功能，可以获得正确的换相时刻。通过将DSP的捕捉口CAP1CAP3设置为I/O口，并检测该口的电平状态，来得到具体的捕捉中断。电流保护电路的的设计设计保护电路，我我们要用到HHNCR0225A这一芯

41、芯片。在以下下部分里，我我们会对其做做简要的介绍绍。（1）HNCRR025A简介介HNC025AA电流传感器器是南京中旭旭电子科技有有限公司中一一种量程很小小的传感器，所所能测量的额额定电流为55、6、8、112、25AA。原边管脚脚的不同接法法可确定额定定测量电流为为多少。HNNCR0255A是利用霍霍尔效应和平平衡原理的一一种多量程电电流传感器，能能够测量直流流、交流以及及各种脉冲电电流，同时在在电气上是高高度绝缘的。工作原理 用磁检检测器检测磁磁芯中次极电电流所产生的的磁场初级电电流所产生的的程度，使之之在零磁通状状态下工作。因因此有等式：NP .IP=NS .ISIP 初级电流流 NP

42、P 初级匝匝数 NS 次极电流流 IS 次极匝匝数 由于要要进行矢量控控制，必须检检测电机三相相的绕组电流流，从而实现现驱动电机和和补偿电机电电流环的控制制。电机的三三相电流是通通过开关管逆逆变而来的，故故实际上检测测时只需要测测量电机逆变变桥前端的直直流母线电流流就可以反映映电机电流，如如图6所示。用用霍尔直流电电流传感器HHNCR0225A检测母母线电流，再再采用电阻和和AD2600放大器放大大。RC低通通滤波与TMMS320FF240内AA/D转换引引脚相连。电流检测电路过流保护首先通通过电流检测测电路检测电电流，转化为为DSP需要要的05VV电压ADCCIN2。然然后通过比较较器LM3

43、993设定允许许最大电流值值。当母线电电流超过设定定值时，输出出的低电平控控制信号APPROTCEECT接GAAL逻辑控制制电路的输入入引脚CCMMP1。当系系统出现过流流的时候，GGAL逻辑电电路快速封锁锁PWM的输输出。为了对对输出给GAAL的保护信信号APROOTECT的的可靠输出和和有效保护，系系统要求保护护信号延长一一段时间，在在比较器的输输出加延迟电电路。信号延延迟电路由电电阻、电容和和二极管组成成。电流保护护电路如图77所示： 电流保护护电路功率驱动电路设设计驱动电路将控制制器的输出信信号进行功率率放大后，向向逆变器电路路中各功率开开关管送去使使其能饱和导导通和可靠关关断的驱动信

44、信号。驱动电电路的工作方方式直接影响响着开关管的的一些参数和和特性，从而而影响着整个个电机控制系系统的正常工工作。本电路路即选用专用用的集成驱动动芯IR21130，其主要指标标如下：最大偏置电压压：600VV； 输出的门极驱驱动电压范围围：10220V；输出电流 IIo+/-：200mAA/420mmA； 导通/关断时时间：6755&425nns；死区时间典型型值：2.55s。IR2130是是一种高电压压、高速度的的功率MOSSFET和IIGBT驱动动器，工作电电压为1020V，分分别有三个独独立的高端和和低端输出通通道。逻辑输输入与CMOOS或LSTTTL输出兼兼容，最小可可以达到2.5V逻

45、辑电电压。外围电电路中的参考考地运行放大大器通过外部部的电流检测测电位器来提提供全桥电路路电流的模拟拟反馈值，如如果超出设定定或调整的参参考电流值，IR2130驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道，实现电流保护的作用。IR2130驱动器反映高脉冲电流缓冲器的状态，传输延迟和高频放大器相匹配，浮动通道能够用来驱动N沟道功率MOSFET和IGBT，最高电压可达到600V，工作频率从几十赫兹到上百千赫兹。它自带死区，内部设计有过流、过压和欠压等完善的保护功能，一旦发生故障，将自动关断全部六路输出信道，芯片内部自举技术的巧妙运用使其节约了多路辅助触发电源，大大降低了电路设计的复杂度，提高了系统的

46、可靠性。功率驱动电路如功率驱动电路路所示：IRR2130芯芯片可同时控控制六个大功功率管的导通通和关断顺序序，通过输出出HO1，22，3分别控控制三相全桥桥驱动电路的的上半桥Q77、Q9、Q11的导通关关断，而IRR2130的的输出LO11，2，3分分别控制三相相全桥驱动电电路的下半桥桥Q8、Q10、Q12的导通关关断，从而达达到控制电机机转速和正反反转的目的。在功率驱动电路路中，IR22130 使使用时还应注意如下事项:(1) 为满足足自举电容充充电及电容负负载接通与断断开的需要，通通常在 IRR2130的的VCC与VSSS端并接一一个容量为自自举电容 110 倍以上上的电容，我我们选了 2

47、220F 的电解电容容。(2) 由于IIR21300内部的六个个驱动器输出出阻抗较低，直直接用它来驱驱动功率MOOSFET 器件会引起起该器件的快快速开通和关关断，这可能能造成功率器器件漏源极之之间的振荡。这这样，一则会会引起射频干干扰；二则有有可能造成功功率器件因承承受过高的ddv/dt 而被击穿。解解决的办法是是在功率管的的栅极与IRR2130的的输出之间串串联一个阻值值为30的的无感电阻。(3) 在IRR2130用用于电机调速速时，由于负负载电感较大大，当逆变器器中的某个功功率管关断时时，负载电流流会通过逆变变器中与此功功率管并联的的二极管续流流。若在此时时与该二极管管同一桥臂的的另一个

48、功率率管导通，则则在该续流二二极管反向恢恢复关断的时时间内，将有有一宽度很窄窄而幅度很大大的短路电流流，会产生射射频干扰，并并引起两个功功率管的漏极极两端的振荡荡，导致过高高的 dv/dt 而损损坏功率管。解解决的办法同同样是在功率率管的栅极与与 IR21130的输出出之间并联一一个合适的无无感电阻。2.11 电电源电路的设设计最后介绍一下本本系统所用的的电源设计。12V电压电源是车载电源。控制系统需要5V的供电电压，7805完成12V到5V的转换。由ICL7660产生所需的电压。ICL7660是美国哈里斯公司生产的变极性DGDC变换器。通过该DC/DC变换器可以将正电压输入变为负电压输出，即

49、Vi与Vo的极性相反。这种变换器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，因而静态电流小、转换效率高。另外，ICL7660还具有如下特点:1.工作电压范范围宽(+11.5V至110.5V);2.可将CMOOS或TTLL的+5V电电压转换成-5V;3.空载时没有有内部压降，转转换效率达999.7% ;4.可采用串联联方式实现倍倍压输出。 第三章 软软件设计软件设计是整个个系统的关键键部分之一，软软件是实现控控制策略的核核心之一。在在本系统中，我我们采用的微微处理器是TTMS3200F240，对对它的软件编编程包括主电电路的电流的的检测，电机机转速的计算算，PWM信信号的产生和和输出，换相相电路

50、的设计计等。整个程程序包括对DDSP程序空空间，数据空空间，外部II/O空间，AA/D转换模模块等。DSSP320FF240PWWM信号的产产生可以有多多种方式，全全比较单元，单单比较单元和和通用定时器器都可以输出出PWM信号号，它们的功功能完全类似似，可以独立立的提供PWWM波的输出出。3.1 主程程序流程图 main（） disaable( ); /禁止总中断断 inittial（）； /系统初始始化 A/Diinitiaal(); /A/D初始始化子程序 enabble(); /开开总中断 ADSOOC(); /启动AA/D转换 whilee（1） if（i=00 x10） breaak

51、； /如果已发发生中断，则则停止等待（发发生中断后，ii=0 x100） /等待待中断发生T1CON=TT1CON&0 x0FFFFF; /停止定定时器1，即即间接停止AA/D转换while（11） ； 3.2 A/D转换的初初始化 启动A/D转换换子程序（通通过启动定时时器1的方式式间接启动） void ADSOOC()T1CON=TT1CON|0 x40; /启启动定时器11A/D中断服务务子程序 void inteerruptt adiint() asm(“CCLRC SXM”); /抑制符号号位扩展 j=RESSULT0; /取得RRESULTT0的地址 for(ii=0;i6; /把

52、A/DD转换的结果果右移六位后后存入规定的的数组 cesi=ADSULLTi； /检验每个AA/D转换的的结果ADCTRL22=ADCTTRL2|00 x42000； / 复位SEEQ1，且清清除INT FLAG SEQ1标标志写1清00enable（）； /开开总中断，因因为一进入中中断总中断就就自动关闭3.3 捕捉捉单元初始化化 为使捕获单元能能正常工作，需需要对以下寄寄存器进行设设置:初始化化捕获FIFFO状态寄存存器(CAAPFIFOOX)，并将将相应的状态态位清零;设设置通用定时时器的一种操操作模式;如如有必要，则则应设置相关关通用定时器器的比较寄存存器和周期寄寄存器;设置置相应的捕

53、获获控制寄存器器(CAPPCONX)等。int CAPP inittial() CAPFIIFOA=00 x00; /初始化化捕捉单元11的FIFOO堆栈状态 CAPFIIFOB=00 x00; /初始化化捕捉单元44、5、6的的FIFO堆堆栈状态 T2PR=0 x0FFFFF; /设置定定时器2的周周期寄存器为为0 xFFFFF T2CNTT=0 x00000; /T2计计数器清0 T2CONN=0 x1770C; /通用定定时器2为连连续增计数模模式、1288分频，且选选用内部时钟钟源 WSGR=0 x00000; /禁止所所有等待状态态 清除全全部中断标志志，写1清00 CAPCOONB=0 xx038FFF;/设置置捕捉单元11、2、3为检测上升升下降沿，且且选择通用定定时器2为它它们的选择位位asm(“cllrc INNTM”); /开总中断 IMR=00 x08; /允许中断优优先级4的中中断 EVBIMMRC=EVVBIMRCC|0 x00007; /允