Desain Sirkuit Penggerak EPS Komputer Single Chip

Desain Sirkuit Penggerak EPS Komputer Single Chip

1 Struktur dasar dan prinsip kerja sistem EPS

Electric Power Steering (EPS, Electric Power Steering) adalah arah pengembangan sistem kemudi di masa depan. Sistem ini secara langsung menyediakan bantuan kemudi oleh motor listrik, dan memiliki karakteristik penyesuaian sederhana, perangkat fleksibel dan mampu memberikan bantuan kemudi dalam kondisi kerja apa pun. Yang paling menonjol tentang EPS adalah bahwa sistem dapat dengan mudah menyesuaikan karakteristik bantuan sistem dengan mengubah desain perangkat lunak pengontrol tanpa mengubah perangkat keras sistem, sehingga mobil dapat memperoleh karakteristik bantuan yang berbeda pada kecepatan yang berbeda untuk memenuhi persyaratan yang berbeda. Persyaratan pengemudi untuk rasa jalan di bawah kondisi kerja.

Sistem kemudi tenaga listrik (EPS) terutama mencakup tiga komponen utama: sensor, pengontrol, dan aktuator. Sensor memasukkan sinyal yang terkumpul ke controller setelah pemrosesan yang sesuai.Pengendali menjalankan algoritma kontrol internal, mengirimkan instruksi ke aktuator, dan mengontrol aksi aktuator. Struktur sistem ditunjukkan pada Gambar 1. Prinsip kerjanya adalah: ketika roda kemudi dimanipulasi, sensor torsi menghasilkan sinyal tegangan yang sesuai sesuai dengan torsi kemudi input, sehingga sistem tenaga listrik dapat mendeteksi besarnya gaya kontrol, dan pada saat yang sama, sesuai dengan sensor kecepatan kendaraan Sinyal pulsa dapat mengukur kecepatan kendaraan, dan kemudian mengontrol arus listrik motor listrik untuk membentuk bantuan kemudi yang tepat.

2 desain sirkuit perangkat keras sistem kontrol EPS

2.1 Pemilihan Mikrokontroler

MOTOROLA MC9S12 series MCU adalah mikrokontroler FLASH 5.0V berkecepatan tinggi, berkinerja tinggi berdasarkan pada CPU HCS12 16-bit dan proses manufaktur 0,5μm, seri yang dirancang sesuai dengan kebutuhan mobil saat ini. Menggunakan teknologi loop-terkunci loop atau teknologi multiplikasi frekuensi internal untuk membuat kecepatan bus internal jauh lebih tinggi dari frekuensi generator jam.Pada kecepatan yang sama, frekuensi clock yang digunakan jauh lebih rendah daripada mikrokontroler yang sama, sehingga kebisingan frekuensi tinggi rendah dan kemampuan anti-interferensi Kuat, lebih cocok untuk lingkungan yang keras di dalam mobil. Skema desain mengadopsi mikrokomputer tunggal chip MC9S12DP256, frekuensi utamanya hingga 25 MHz, dan banyak modul standar diintegrasikan pada chip, termasuk 2 port komunikasi serial asinkron SCI, 3 port komunikasi serial sinkron SPI, pengambilan input 8-channel / output perbandingan waktu Adaptor, 2 modul konversi A / D 8-kanal 10-bit, 1 modul modulasi lebar pulsa 8-channel, 49 port I / 0 digital independen (20 di antaranya memiliki fungsi interupsi dan wake-up eksternal), kompatibel dengan protokol CAN2.OA / B Ada 5 modul CAN dan modul bus internal IC, ada 256 KB Flash EEPROM, 12 KB RAM dan 4 KB EEPROM on-chip, sehingga sumber dayanya sangat kaya.

2.2 Kerangka keseluruhan dari rangkaian perangkat keras

Sirkuit perangkat keras sistem kemudi tenaga listrik terutama mencakup modul berikut: Mikrokontroler MC9S12DP256, sirkuit catu daya, sirkuit pemrosesan sinyal, modul drive daya motor DC, modul diagnosis kesalahan dan modul tampilan, sensor kecepatan kendaraan, sensor torsi, sinyal pengapian mesin, arus dan arus Sensor dan sirkuit pemrosesan akses lainnya, di samping cengkeraman elektromagnetik, dll., Kerangka kerja logika perangkat keras sistem EPS ditunjukkan pada Gambar 2.

2.3 Desain sirkuit kontrol motor

Motor DC adalah elemen eksekutif dari sistem EPS, dan sirkuit kontrol motor memiliki posisi khusus dalam desain sistem. Dalam sistem ini, modulasi lebar pulsa (PWM) digunakan untuk mengontrol sirkuit H-bridge untuk mengendalikan motor DC, yang terdiri dari 4 MOSFET daya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Menggunakan metode kontrol servo PWM, tabung daya MOSFET memiliki sirkuit penggerak sederhana, frekuensi operasi tinggi, dan dapat bekerja dalam keadaan switching ratusan kilohertz. Sistem ini menggunakan 4 tabung daya MOSFET IRF3205 yang diproduksi oleh International Reetifier Company untuk membentuk 4 lengan jembatan H. IRF3205 memiliki daya tahan 8 mΩ, konsumsi daya rendah, tahan tegangan hingga 55V, dan arus DC maksimum 110A. Memenuhi persyaratan sistem EPS untuk tegangan rendah tabung daya MOSFET (pekerjaan normal tidak melebihi 15V) dan arus tinggi (arus terukur 30 A).

2.3.1 Desain sirkuit penggerak untuk tabung daya MOSFET sisi atas dari H-bridge

Sirkuit penggerak tabung daya MOSFET pada lengan jembatan atas ditunjukkan pada Gambar 4, di mana Qa / Qb adalah kekuatan MOSFET atau tabung tabung lengan jembatan atas, dan vdble adalah tegangan catu daya yang disediakan oleh rangkaian daya pengganda tegangan. Ketika sinyal kontrol a (b) dari MOSFET tinggi, Q1 dan Q2 dinyalakan, dan catu daya menagih Qa melalui Q2, D1 dan sirkuit paralel R5 dan C1 sampai Qa sepenuhnya dihidupkan dan Q3 dimatikan. Ketika Qa dihidupkan, mengabaikan penurunan tegangan antara saluran dan sumber Qa, tegangan sumber Qa sama dengan tegangan pasokan daya baterai. Pada saat ini, penurunan tegangan sumber-gerbang dari Qa VGS = (Vdble-VCE-VF-Vbat), di mana VCE adalah tegangan turn-on saturasi set-emitor 2N2907, nilainya khas 0,4V, dan VF adalah panduan ke depan D1 Penurunan tegangan biasanya 0,34V, dan Vbat adalah tegangan baterai. Untuk memastikan konduksi perangkat yang andal dan mengurangi kehilangan konduksi DC perangkat, VGS tidak kurang dari 10V. Oleh karena itu, perlu dirancang rangkaian catu daya tegangan berlipat ganda yang efisien untuk memastikan bahwa nilai Vdble cukup besar untuk memenuhi persyaratan penggerak MOSFET daya. Jika tegangan baterai 12V, Vdble≥12V + 0.34V + 0.4V + 10V = 22.74V.

Ketika sinyal kontrol a (b) dari MOSFET rendah, Q1 dan Q2 keduanya terputus, Q3 dihidupkan, dan tegangan gerbang-sumber Qa dengan cepat dilepaskan melalui rangkaian paralel R5 dan C1 dan Q3 sampai Qa dimatikan. Saat Qa mati, sambungkan resistor gerbang sumbernya R6 untuk membuat voltase sumber gerbang nol. Tegangan ambang batas menyalakan IRF3205 adalah 2 ~ 4V, dan tegangan sumber gerbang OV dapat mematikannya.

2.3.2 Sirkuit drive tabung MOSFET daya dari lengan jembatan bawah

Sirkuit penggerak MOSFET daya dari lengan jembatan bawah ditunjukkan pada Gambar 5, di mana Qc / Qd adalah tabung c atau d dari daya MOSFET dari lengan jembatan bawah. Ketika sinyal kontrol c (d) dari MOSFET tinggi, Q1 dihidupkan dan Q2 dimatikan.Tegangan gerbang Q1 cepat dilepaskan melalui rangkaian paralel yang terdiri dari R3 dan C1, D1 dan Q1, dan Qc / Qd dimatikan.

Ketika sinyal kontrol c (d) MOSFET rendah, Q1 dimatikan, Q2 dihidupkan, dan catu daya mengisi gerbang Qc melalui sirkuit paralel yang dibentuk oleh Q2, R3 dan C, hingga Qc sepenuhnya dihidupkan. Ketika Qc dihidupkan, tegangan sumber gerbang sama dengan tegangan catu daya dikurangi tegangan konduksi saturasi kolektor-emitor Q2, dan tegangan catu daya sama dengan tegangan baterai dikurangi tegangan konduksi maju dari dioda 1N5819. Oleh karena itu, sumber tegangan gerbang Qc VGS = (Vbat-VCE-VF), ketika tegangan baterai 12V, nilai khas dari setiap parameter diambil sebagai tegangan sumber gerbang Qc adalah 11.26V, yang memenuhi drive gerbang IRF3205 (10V ) Tegangan yang dibutuhkan

2.4 Catu daya tegangan ganda baterai

Karena tegangan sumber gerbang dari tabung daya MOSFET dari lengan jembatan atas harus lebih besar dari 22.74V, tegangan baterai hanya 12V. Oleh karena itu, perlu dirancang catu daya pengganda tegangan baterai untuk menghasilkan tegangan catu daya dua kali tegangan baterai dan menyediakannya ke sirkuit penggerak tabung daya H-a dan b untuk memastikan bahwa tabung daya MOSFET sisi-tinggi dapat dihidupkan sepenuhnya.

Rangkaian pengganda tegangan catu daya ditunjukkan pada Gambar 6. Timer NE555 bekerja dalam mode multivibrator, dan pada pin 3 menghasilkan gelombang persegi panjang dengan amplitudo sama dengan NE555 dan frekuensi 1 / 0,7 (R2 + 2R1) C1. C3, C4, Dl dan D2 merupakan sirkuit pompa pengisian. Ketika NE555 pin 3 menghasilkan tingkat tinggi, karena tegangan kapasitor tidak dapat berubah tiba-tiba, tegangan positif C3 adalah 24V atau dekat dengan 24V, dan C4 dibebankan melalui D2 untuk membuat tegangan C4 24V atau mendekati 24V. Karena efisiensi kerja rangkaian, penurunan tegangan maju pada dioda D1 dan D2, dan kapasitas beban, tegangan keluaran sistem lebih rendah dari dua kali tegangan suplai.

3 Bench test dari rangkaian penggerak motor

Sesuai dengan kebutuhan sistem kontrol kemudi listrik untuk kestabilan dan pelacakan, pengontrol H-two yang optimal digunakan untuk mengkompilasi program kontrol sistem kemudi listrik, dan tes simulasi bangku dilakukan pada bangku tes kemudi listrik mobil. Sinyal kecepatan kendaraan dikirim oleh sensor kecepatan kendaraan yang disimulasikan. Sinyal pulsa menggantikan jaring. Gambar 7 menunjukkan torsi setir diukur (T) dan kurva arus bantu motor (I) berubah ketika kemudi membantu pada kecepatan sedang. Dapat dilihat dari Gambar 7 bahwa selama proses kemudi, arus bantuan motor berubah dengan torsi setir. Tren perubahan arus motor dan torsi setir konsisten, menunjukkan bahwa torsi bantuan motor mempengaruhi rotasi setir. Momen memiliki kinerja pelacakan yang baik. Selama operasi kemudi, tidak ada rasa histeresis berbantuan daya dan kemudi stabil, menunjukkan bahwa sistem kemudi memiliki kinerja pelacakan yang baik dan stabilitas kemudi.

4. Kesimpulan

Mikrokomputer chip tunggal 16-bit seri MC9S12 kaya akan sumber daya. Untuk aplikasi sederhana, hanya mikrokomputer chip tunggal dan sejumlah kecil sirkuit periferal sudah cukup. Setelah tes pendahuluan, sirkuit motor DC yang dikembangkan memiliki kinerja yang baik dan pada dasarnya dapat memenuhi kebutuhan sistem kemudi tenaga listrik. Artikel ini hanya memperkenalkan kerangka dasar desain sirkuit perangkat keras sistem kemudi tenaga listrik. Untuk mendapatkan efek kontrol yang baik, sistem kemudi tenaga listrik tidak akan terbatas pada pengembangan sistem kemudi tenaga listrik berdasarkan pada dua sinyal dasar kecepatan dan torsi kendaraan. , Kecepatan kemudi, akselerasi lateral dan gravitasi gandar depan dan sinyal lainnya mungkin merupakan faktor yang harus dipertimbangkan dalam sistem kemudi daya listrik di masa depan.