一種汽車電動(dòng)式轉(zhuǎn)向器的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
車輛的轉(zhuǎn)向性能直接影響到整車的機(jī)動(dòng)靈活性、操縱穩(wěn)定性和使用經(jīng)濟(jì)性。多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)通過改變前橋以外的其它橋轉(zhuǎn)角,在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)改善汽車的靈活性、機(jī)動(dòng)性,在中高速時(shí)改善汽車的操縱穩(wěn)定性。通過改變汽車瞬時(shí)出現(xiàn)的過多轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向,增強(qiáng)汽車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,使汽車行駛更安全,避免汽車由于過多轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向造成失控。
2 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理
多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制模式按其結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同可分為機(jī)械式、液壓式和電子式等。目前多軸轉(zhuǎn)向裝置已將機(jī)械、液壓、電子、傳感器及微處理器控制技術(shù)緊密結(jié)合在一起。針對某三軸全路面起重機(jī)多橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控部分進(jìn)行研究。由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng),故采用了較為流行的CAN 總線控制方式。本文設(shè)計(jì)了一種高性能汽車電動(dòng)式轉(zhuǎn)向器的電控系
統(tǒng)部分。
3 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于 CAN 總線的多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由主控模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊組成。主控模塊根據(jù)車輛的行駛姿態(tài)和多軸轉(zhuǎn)向控制策略(采用零側(cè)偏角比例控制策略)計(jì)算出各后橋的轉(zhuǎn)角值;驅(qū)動(dòng)控制模塊則負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向執(zhí)行過程的控制。多軸轉(zhuǎn)向主控模塊電控單元根據(jù)傳感器采集到的前輪轉(zhuǎn)角信號和車速信號,經(jīng)過預(yù)定的控制策略進(jìn)行處理計(jì)算,得到后橋最佳轉(zhuǎn)角值,同時(shí)將各橋轉(zhuǎn)角值發(fā)送到總線上。控制執(zhí)行模塊的電控單元,經(jīng)過辨認(rèn)接收到各自的數(shù)據(jù),經(jīng)過PID 控制將轉(zhuǎn)角值轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)比例電磁閥PWM 電壓信號,控制執(zhí)行液壓缸活塞的位置,同時(shí)通過位移傳感器將實(shí)時(shí)的液壓缸位移值反饋給電控單元,使得后橋各轉(zhuǎn)過的角度具有一定的精確度,從而實(shí)現(xiàn)多軸轉(zhuǎn)向的目的。
3.1 多軸轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)的總體概述
本文所設(shè)計(jì)的多軸轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)模塊組成,每個(gè)模塊又由三部分組成:傳感器、電子控制單元(ECU)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)主要包括傳感器與控制器的選擇、信號采集系統(tǒng)及其處理電路設(shè)計(jì)、CAN 控制與接收電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)?；贑AN總線多軸轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)硬件框圖如圖1。

3.2 傳感器的選擇
(1) 車速傳感器
霍爾車速傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器,具有對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn),從而得到廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)主要由齒圈、霍爾元件、永久磁鐵和電子線路等組成。其原理如下圖2 所示:

(2) 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器
多軸轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中,需要前輪轉(zhuǎn)角作為控制參數(shù),由于前輪轉(zhuǎn)角值較難獲得,所以采用測量方向盤轉(zhuǎn)角值,通過運(yùn)算得出前輪轉(zhuǎn)角值。
(3) 液壓缸位移傳感器
多軸轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中要獲取后輪轉(zhuǎn)角值來判斷轉(zhuǎn)向是否到位,由于直接測量后輪轉(zhuǎn)角較為困難,而液壓缸的位置與后輪轉(zhuǎn)角一一對應(yīng),于是我們通過測量液壓缸位移間接測量后輪轉(zhuǎn)角,同時(shí)將轉(zhuǎn)角值反饋回ECU 中。本文采用變阻式位移傳感器。在微處理器的選擇方面, 我們力求吸收國內(nèi)外成熟產(chǎn)品寶貴經(jīng)驗(yàn),在進(jìn)行了廣泛的電子產(chǎn)品市場調(diào)研后,在綜合性價(jià)比的基礎(chǔ)上,本系統(tǒng)選用了PHLIPS 公司生產(chǎn)的8 位P89C52 系列單片機(jī)作為微處理器。
3.3 CAN 總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)
基于 CAN 總線多軸轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)中CAN 總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)尤為重要。本文設(shè)計(jì)的CAN總線節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),采用P89C52 作為微處理器, 在CAN 通信接口中,CAN 通信控制器SJA1000,CAN 總線驅(qū)動(dòng)器采用82C250。電路主要由四部分所構(gòu)成:微控制器P89C52、獨(dú)立CAN 通信控制器、SJA1000CAN 總線收發(fā)器82C250 和高速光電耦合器6N137。微處理器P89C52 負(fù)責(zé)SJA1000 的初始化,通過控制SJA1000 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。4 信號采集硬件電路設(shè)計(jì)
4.1 車速信號調(diào)理電路
多軸轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測車速值,車速值的檢測是由霍爾車速傳感器將變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速變換成不同頻率的序列脈沖,單片機(jī)對脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù),轉(zhuǎn)換成當(dāng)前的車速值。一般傳感器產(chǎn)生的脈沖信號比較微弱,要通過放大電路處理成TTL 或CMOS信號輸入單片機(jī),但是車用傳感器內(nèi)部大都有信號處理電路,輸出電壓為車用電壓范圍,須調(diào)整后才能輸入到單片機(jī)中。此外,從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔?可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的車速信號調(diào)理電路如圖3。

4.2 前輪轉(zhuǎn)角信號調(diào)理電路
根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理,當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)光電編碼器便會(huì)發(fā)出A、B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號。正轉(zhuǎn)時(shí)A 超前B 為90°,反轉(zhuǎn)時(shí)B 超前A 為90°。脈沖的個(gè)數(shù)與角度值成比例的關(guān)系,所以通過對脈沖的計(jì)數(shù)就可以得到方向盤轉(zhuǎn)角的大小?？紤]到汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的,既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn),也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),需要對編碼器的輸出信號進(jìn)行鑒相后才能計(jì)數(shù)。

我們可以把經(jīng)過D 觸發(fā)器之后的脈沖即方向控制脈沖(DIR)接到單片機(jī)的外部中斷INT0 端,經(jīng)過反向器后再接到另一個(gè)外部中斷INT1,并把計(jì)數(shù)脈沖A 接到單片機(jī)的片內(nèi)計(jì)數(shù)器T0 端即可。相對外部計(jì)數(shù)芯片來說,使用這種方法時(shí)電路相對要簡單得多。系統(tǒng)工作時(shí),先要把兩個(gè)中斷設(shè)置成低電平觸發(fā),并打開相應(yīng)的中斷。當(dāng)DIR 高電平時(shí),表示方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn),INT1 中斷,執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序,進(jìn)行加計(jì)數(shù);而當(dāng)DIR 低電平時(shí),表示方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),INT0 中斷,執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序,進(jìn)行減計(jì)數(shù)(實(shí)際是重賦值,進(jìn)行加計(jì)數(shù))。圖4 為內(nèi)部計(jì)數(shù)器加減計(jì)數(shù)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
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4. 3 液壓缸位移信號調(diào)理電路
電控系統(tǒng)中需要時(shí)刻檢測后輪轉(zhuǎn)角的當(dāng)前值,與目標(biāo)轉(zhuǎn)角值比較,得出偏差e( t),生成PWM 信號,直到偏差e (t)在允許范圍內(nèi)。后輪轉(zhuǎn)角的測量是通過測量液壓缸的位移值間接得到。位移信號屬于模擬信號,P89C52 單片機(jī)中沒有A/D 轉(zhuǎn)換模塊,需外接A/D 轉(zhuǎn)換電路。采用8 位的AD678 來完成。AD678 的優(yōu)點(diǎn)在于它的模擬信號輸入的極性非常容易控制,且引腳連接簡便。
4.4 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行硬件電路設(shè)計(jì)
4.4.1 比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電路
通常單片機(jī)輸出的開關(guān)電壓信號最大值為 5V,且根據(jù)MCS-51 系列芯片輸出的電氣性能可知,其輸出電流不宜超過15mA,不足以驅(qū)動(dòng)比例閥的電磁鐵。故必須要有一個(gè)驅(qū)動(dòng)功率放大器,把開關(guān)電壓信號加以放大,使在電磁線圈中產(chǎn)生足夠的激磁電流。對于比例方向閥,為了加快電磁線圈的電流響應(yīng)速度,必須采用快速驅(qū)動(dòng)電路,即電流的增長和消退都非常迅速的電路。本文采用如圖7 所示的VMOS 功率場效應(yīng)管為主構(gòu)成功率放大器電路原理圖。該電路驅(qū)動(dòng)功率大,響應(yīng)時(shí)間在毫秒級,單片機(jī)與功率級之間隔離良好。在電路圖5 中,輸入部分和輸出部分采用兩套相互獨(dú)力的電源,且不共地,沒有電氣聯(lián)系,從而實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。

4.5 其它外圍電路設(shè)計(jì)
4.5.1 電源電路
電源模塊是將車載電源通過 DC/DC 變換轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)所需要的電壓,車載電源為12V或24V,單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓為5V。DC/DC 轉(zhuǎn)換器種類繁多,本系統(tǒng)采用78L00 系列的78L05進(jìn)行降壓。78L00 系列DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路簡單實(shí)用,只需要另加兩個(gè)電容就可以構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路。78L05 的輸入范圍為7V-24V,輸出電壓為5V。
4.5.2 復(fù)位電路
在一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,為防止系統(tǒng)在加電、電源突然掉電以及電網(wǎng)瞬時(shí)欠壓而引起誤動(dòng)作,需要有可靠的復(fù)位電路和電源監(jiān)視電路。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
本文針對多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)特性,提出了基于CAN 總線的多軸轉(zhuǎn)向技術(shù),以確保車輛在轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的安全穩(wěn)定性及后橋轉(zhuǎn)向的快速跟隨特性;論文設(shè)計(jì)了包括主控模塊和控制執(zhí)行模塊在內(nèi)的多軸轉(zhuǎn)向電控單元。