Thiết kế mạch ổ đĩa EPS của máy tính chip đơn

Thiết kế mạch ổ đĩa EPS của máy tính chip đơn

1 Cấu trúc cơ bản và nguyên lý làm việc của hệ thống EPS

Tay lái trợ lực điện (EPS, Tay lái trợ lực điện) là hướng phát triển của hệ thống lái trong tương lai. Hệ thống trực tiếp cung cấp hỗ trợ lái bằng động cơ điện, và có các đặc điểm điều chỉnh đơn giản, thiết bị linh hoạt và có khả năng cung cấp hỗ trợ lái trong mọi điều kiện làm việc. Điều nổi bật nhất về EPS là hệ thống có thể dễ dàng điều chỉnh các đặc tính hỗ trợ của hệ thống bằng cách thay đổi thiết kế của phần mềm điều khiển mà không thay đổi phần cứng hệ thống, để xe có thể có được các đặc tính hỗ trợ khác nhau ở các tốc độ khác nhau để đáp ứng các yêu cầu khác nhau. Các yêu cầu lái xe cho cảm giác đường trong điều kiện làm việc.

Hệ thống lái trợ lực điện (EPS) chủ yếu bao gồm ba thành phần chính: cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động. Cảm biến nhập tín hiệu thu được đến bộ điều khiển sau khi xử lý tương ứng. Bộ điều khiển chạy thuật toán điều khiển bên trong, gửi hướng dẫn đến bộ chấp hành và điều khiển hành động của bộ chấp hành. Cấu trúc hệ thống được hiển thị trong Hình 1. Nguyên lý làm việc của nó là: khi tay lái được điều khiển, cảm biến mô-men xoắn tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng theo mô-men lái đầu vào, để hệ thống điện có thể phát hiện cường độ của lực điều khiển, đồng thời, theo cảm biến tốc độ xe. Tín hiệu xung có thể đo tốc độ xe, sau đó điều khiển dòng điện của động cơ điện để tạo thành một trợ lực lái phù hợp.

2 Thiết kế mạch phần cứng hệ thống điều khiển EPS

2.1 Lựa chọn vi điều khiển

Sê-ri MC9S12 của hãng MCU là một bộ vi điều khiển 5.0V FLASH tốc độ cao, hiệu suất cao dựa trên CPU HCS12 16 bit và quy trình sản xuất 0,5μm. Đây là một loạt được thiết kế theo yêu cầu của ô tô hiện tại. Nó sử dụng công nghệ vòng lặp khóa pha hoặc công nghệ nhân tần số nội bộ để làm cho tốc độ bus bên trong cao hơn nhiều so với tần số của bộ tạo xung nhịp. Ở cùng tốc độ, tần số xung nhịp được sử dụng thấp hơn nhiều so với các bộ vi điều khiển tương tự, do đó nhiễu tần số cao thấp và khả năng chống nhiễu Mạnh mẽ, phù hợp hơn với môi trường khắc nghiệt bên trong xe. Sơ đồ thiết kế sử dụng máy vi tính đơn chip MC9S12DP256, tần số chính của nó lên tới 25 MHz và nhiều mô-đun chuẩn được tích hợp trên chip, bao gồm 2 cổng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ SCI, 3 cổng giao tiếp nối tiếp đồng bộ SPI, thời gian so sánh đầu vào / đầu ra 8 kênh Bộ điều hợp, 2 mô đun chuyển đổi A / D 8 kênh 8 bit, 1 mô đun điều chế độ rộng xung 8 kênh, 49 cổng I / 0 kỹ thuật số độc lập (20 trong số đó có chức năng ngắt và đánh thức bên ngoài), tương thích với giao thức CAN2.OA / B Có 5 mô-đun CAN và mô-đun bus IC bên trong, có 256 KB EEPROM Flash, 12 KB RAM và 4 KB EEPROM trên chip, vì vậy tài nguyên rất phong phú.

2.2 Khung tổng thể của mạch phần cứng

Mạch phần cứng của hệ thống lái trợ lực điện chủ yếu bao gồm các mô-đun sau: vi điều khiển MC9S12DP256, mạch cấp nguồn, mạch xử lý tín hiệu, mô-đun ổ đĩa động cơ DC, mô-đun chẩn đoán lỗi và mô-đun hiển thị, cảm biến tốc độ xe, cảm biến đánh lửa động cơ, dòng điện và dòng điện Các cảm biến và các mạch xử lý truy cập khác, ngoài các bộ ly hợp điện từ, v.v., khung logic phần cứng của hệ thống EPS được hiển thị trong Hình 2.

2.3 Thiết kế mạch điều khiển động cơ

Động cơ DC là thành phần điều hành của hệ thống EPS và mạch điều khiển của động cơ có một vị trí đặc biệt trong thiết kế hệ thống. Trong hệ thống này, điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển mạch cầu H để điều khiển động cơ DC, bao gồm 4 MOSFET công suất, như trong Hình 3. Sử dụng phương pháp điều khiển servo PWM, ống nguồn MOSFET có mạch điều khiển đơn giản, tần số hoạt động cao và có thể hoạt động ở trạng thái chuyển đổi hàng trăm kilohertz. Hệ thống này sử dụng 4 ống năng lượng MOSF IRF3205 do Công ty Reetifier quốc tế sản xuất để tạo thành 4 nhánh của cầu H. IRF3205 có điện trở 8 mΩ, tiêu thụ điện năng thấp, chịu được điện áp lên đến 55V và dòng điện DC tối đa 110A. Nó đáp ứng các yêu cầu của hệ thống EPS đối với điện áp thấp MOSFET (công việc bình thường không vượt quá 15V) và dòng điện cao (dòng điện định mức 30 A).

2.3.1 Thiết kế mạch lái cho ống nguồn MOSFET phía trên của cầu H

Mạch điều khiển ống công suất MOSFET của nhánh cầu trên được thể hiện trong Hình 4, trong đó Qa / Qb là ống MOSFE a hoặc b của nhánh cầu trên và vdble là điện áp cung cấp được cung cấp bởi mạch công suất nhân đôi điện áp. Khi tín hiệu điều khiển a (b) của MOSFET ở mức cao, Q1 và Q2 được bật và nguồn điện sẽ sạc Qa qua Q2, D1 và mạch song song của R5 và C1 cho đến khi Qa được bật hoàn toàn và tắt Q3. Khi bật Qa, bỏ qua sự sụt giảm điện áp giữa cống và nguồn của Qa, điện áp nguồn của Qa bằng với điện áp nguồn của pin. Tại thời điểm này, mức giảm điện áp nguồn cổng của Qa VGS = (Vdble-VCE-VF-Vbat), trong đó VCE là điện áp bật bão hòa bộ phát 2N2907, giá trị tiêu biểu của nó là 0,4V và VF là hướng dẫn chuyển tiếp của D1 Độ sụt điện áp thường là 0,34V và Vbat là điện áp pin. Để đảm bảo sự dẫn điện đáng tin cậy của thiết bị và giảm tổn thất dẫn điện DC của thiết bị, VGS không nhỏ hơn l0V. Do đó, cần thiết kế mạch cấp nguồn nhân đôi điện áp hiệu quả để đảm bảo giá trị của Vdble đủ lớn để đáp ứng các yêu cầu lái xe của MOSFET điện. Nếu điện áp pin là 12V, Vdble≥12V + 0,34V + 0,4V + 10V = 22,74V.

Khi tín hiệu điều khiển a (b) của MOSFET ở mức thấp, Q1 và Q2 đều bị cắt, Q3 được bật và điện áp nguồn của Qa sẽ nhanh chóng được giải phóng qua mạch song song của R5 và C1 và Q3 cho đến khi tắt Qa. Khi Qa tắt, kết nối điện trở nguồn cổng R6 của nó để làm cho điện áp nguồn cổng của nó bằng không. Điện áp ngưỡng bật của IRF3205 là 2 ~ 4V và điện áp nguồn cổng của OV có thể tắt.

2.3.2 Mạch điều khiển ống MOSFE công suất của nhánh cầu dưới

Mạch điều khiển MOSFET công suất của nhánh cầu dưới được thể hiện trong Hình 5, trong đó Qc / Qd là ống c hoặc d của MOSFET công suất của nhánh cầu dưới. Khi tín hiệu điều khiển c (d) của MOSFET ở mức cao, Q1 được bật và Q2 bị tắt. Điện áp cổng của Q1 nhanh chóng được giải phóng thông qua mạch song song gồm R3 và C1, D1 và Q1 và Qc / Qd bị tắt.

Khi tín hiệu điều khiển c (d) của MOSFET ở mức thấp, Q1 bị tắt, Q2 được bật và nguồn điện sẽ sạc cổng Qc thông qua mạch song song được hình thành bởi Q2, R3 và C, cho đến khi Qc được bật hoàn toàn. Khi bật Qc, điện áp nguồn cổng của nó bằng với điện áp nguồn trừ đi điện áp dẫn bão hòa bộ thu-phát của Q2 và điện áp nguồn bằng với điện áp pin trừ đi điện áp dẫn phía trước của diode 1N5819. Do đó, điện áp nguồn cổng của Qc VGS = (Vbat-VCE-VF), khi điện áp pin là 12 V, giá trị tiêu biểu của mỗi tham số được lấy là điện áp nguồn cổng của Qc là 11,26V, thỏa mãn ổ đĩa cổng IRF3205 (10V ) Điện áp cần thiết

2.4 Bộ nhân đôi điện áp pin cung cấp năng lượng làm việc

Bởi vì điện áp nguồn cổng của ống nguồn MOSFET của nhánh cầu trên phải lớn hơn 22,74V, nên điện áp pin chỉ là 12 V. Do đó, cần thiết kế bộ cấp nguồn nhân đôi điện áp ắc quy để tạo ra điện áp cung cấp gấp đôi điện áp ắc quy và cung cấp cho mạch lái của các ống nguồn cầu a và b để đảm bảo có thể bật hoàn toàn các ống năng lượng MOSFET phía cao.

Mạch nhân đôi điện áp cung cấp điện được hiển thị trong Hình 6. Bộ định thời NE555 hoạt động ở chế độ đa bộ và ở chân 3 tạo ra một sóng hình chữ nhật có biên độ bằng NE555 và tần số 1 / 0,7 (R2 + 2R1) C1. C3, C4, Dl và D2 tạo thành mạch bơm tích điện. Khi pin NE555 3 xuất ra mức cao, vì điện áp tụ không thể thay đổi đột ngột, điện áp dương của C3 là 24 V hoặc gần 24 V, và C4 được sạc qua D2 để tạo ra điện áp C4 24 V hoặc gần đến 24 V. Do hiệu suất làm việc của mạch, điện áp chuyển tiếp giảm trên điốt D1 và D2, và công suất tải, điện áp đầu ra của hệ thống thấp hơn hai lần điện áp cung cấp.

3 Kiểm tra điểm chuẩn của mạch ổ đĩa động cơ

Theo nhu cầu của hệ thống điều khiển lái điện để ổn định và theo dõi, bộ điều khiển H-hai tối ưu được sử dụng để biên dịch chương trình điều khiển hệ thống lái điện, và thử nghiệm mô phỏng băng ghế được thực hiện trên băng ghế thử nghiệm lái điện ô tô. Tín hiệu tốc độ xe được gửi bởi cảm biến tốc độ xe mô phỏng. Tín hiệu xung thay thế mạng. Hình 7 cho thấy mô-men xoắn vô lăng (T) và đường cong động cơ hỗ trợ (I) thay đổi khi trợ lực lái ở tốc độ trung bình. Có thể thấy trong Hình 7, trong quá trình điều khiển, dòng động cơ hỗ trợ thay đổi theo mô-men xoắn của vô lăng. Xu hướng thay đổi của dòng động cơ và mô-men xoắn của vô lăng là phù hợp, cho thấy mô-men xoắn hỗ trợ động cơ ảnh hưởng đến vòng quay của vô lăng. Khoảnh khắc có hiệu suất theo dõi tốt. Trong quá trình vận hành lái, không có cảm giác trễ trợ lực và hệ thống lái ổn định, cho thấy hệ thống lái có hiệu suất theo dõi tốt và ổn định tay lái.

4. Kết luận

Máy vi tính đơn chip 16 bit MC9S12 rất giàu tài nguyên. Đối với các ứng dụng đơn giản, chỉ cần một máy vi tính đơn chip và một lượng nhỏ mạch ngoại vi là đủ. Sau các thử nghiệm sơ bộ, mạch động cơ DC được phát triển có hiệu suất tốt và về cơ bản có thể đáp ứng nhu cầu của hệ thống lái trợ lực điện. Bài viết này chỉ giới thiệu khung cơ bản của thiết kế mạch phần cứng của hệ thống lái trợ lực điện. Để có được hiệu ứng điều khiển tốt, hệ thống lái trợ lực điện sẽ không bị giới hạn trong việc phát triển hệ thống lái trợ lực điện dựa trên hai tín hiệu cơ bản về tốc độ và mô-men xoắn của xe. , Tốc độ lái, gia tốc ngang và trọng lực trục trước và các tín hiệu khác có thể là những yếu tố được xem xét trong các hệ thống lái trợ lực điện trong tương lai.