隨著車輛無(wú)人駕駛技術(shù)的蓬勃發(fā)展和先進(jìn)控制系統(tǒng)的研制，人們對(duì)舵機(jī)整體工作性能的要求越來(lái)越高，促使了舵機(jī)向著體積質(zhì)量不斷減小、承載能力不斷增強(qiáng)、控制性能不斷提高的方向發(fā)展。
舵機(jī)是車輛無(wú)人駕駛方向盤(pán)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能的優(yōu)劣直接影響到車輛控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，由于舵機(jī)具有簡(jiǎn)單可靠、工藝性好、使用維護(hù)方便、能源單一、成本低廉、易于控制等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注和深入研究，廣泛應(yīng)用于車輛控制系統(tǒng)領(lǐng)域。
目前市場(chǎng)應(yīng)用的自動(dòng)駕駛方向盤(pán)都是采用液壓原理來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向液壓泵，實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓方案安裝會(huì)改動(dòng)整個(gè)車輛的液壓油路，更改原車的結(jié)構(gòu)，對(duì)后期車輛售后保修造成很大困難，并且安裝非常麻煩，應(yīng)市場(chǎng)需求，出現(xiàn)了電動(dòng)方向盤(pán)，車載原裝電瓶供電，無(wú)需改變?cè)嚱Y(jié)構(gòu)，只需方向盤(pán)下方安裝個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可，但是如何通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制電動(dòng)方向盤(pán)的高精度動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛是目前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
本文介紹一種電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的實(shí)現(xiàn)方法，來(lái)解決如何通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制電動(dòng)方向盤(pán)的高精度動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的問(wèn)題。
該方法是主控芯片DSP通過(guò)數(shù)字通訊總線向電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的控制電路接收到該指令，并根據(jù)當(dāng)前永磁同步電機(jī)的電流、速度及位置信息采用永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)計(jì)算永磁同步電機(jī)三相電壓，再通過(guò)PWM信號(hào)輸出。
電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的柵極驅(qū)動(dòng)電源為驅(qū)動(dòng)電路供電，驅(qū)動(dòng)電路將PWM信號(hào)放大，用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的功率管MOSFET，實(shí)現(xiàn)低噪音、高效率能量轉(zhuǎn)換。
圖1 永磁同步電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的示意圖
如附圖1所示，本發(fā)明的電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法是主控芯片DSP通過(guò)數(shù)字通訊總線向電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的控制電路接收到該指令，并根據(jù)當(dāng)前永磁同步電機(jī)的電流、速度及位置信息采用永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)計(jì)算永磁同步電機(jī)三相電壓，再通過(guò)PWM信號(hào)輸出，電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的柵極驅(qū)動(dòng)電源為驅(qū)動(dòng)電路供電，驅(qū)動(dòng)電路將PWM信號(hào)放大，用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中的功率管MOSFET，實(shí)現(xiàn)低噪音、高效率能量轉(zhuǎn)換，其中，電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器(MCU)通過(guò)CAN通訊電路與運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電池組為電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器供電。 ?
圖2 電源變換原理框圖
電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器采用電源變換電路供電，電源變換電路包括母線電壓轉(zhuǎn)+5V、12V電源模塊以及5V轉(zhuǎn)3 .3V電源模塊，母線電壓通過(guò)DC/DC變換芯片變換為+5V、12V電源模塊，再用電壓轉(zhuǎn)換芯片由5V轉(zhuǎn)3 .3V，如附圖2所示，其中，3 .3V用于主控芯片DSP及其外圍電路供電，+5V用于CAN通訊電路通信及電流采用及處理電路供電，12V用于驅(qū)動(dòng)電路的供電。
電流采用及處理電路采用ACS712（或***CH701)電流傳感器IC，ACS712(或CH701）電流傳感器IC是工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)交直流傳感的精確經(jīng)濟(jì)的解決方案，小型封裝非常適合空間狹小的應(yīng)用，由于減少了電路板的面積，還降低了成本，典型應(yīng)用領(lǐng)域包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、開(kāi)關(guān)式電源和過(guò)電流故障保護(hù)。
圖3?霍爾電流傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
霍爾電流傳感器IC通過(guò)霍爾效應(yīng)，檢測(cè)電流的大小，輸出一個(gè)以2 .5V為基準(zhǔn)的電壓值，Vout的電壓值通過(guò)高精度電阻分壓。經(jīng)過(guò)二極管后，進(jìn)入到主控芯片DSP的AD采集引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，二極管起到保護(hù)作用。
本例中的電動(dòng)方向盤(pán)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，電流保護(hù)就是過(guò)流保護(hù)，防止電流過(guò)大損壞元件而設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示，電流保護(hù)電路在永磁同步電機(jī)繞組中的電流峰值超出功率管MOSFET的額定電流時(shí)，即達(dá)到比較器LM339的設(shè)定值時(shí)，輸出低電平信號(hào)Fault信號(hào)給故障綜合電路，觸發(fā)產(chǎn)生高電平給三態(tài)輸出總線接收器，動(dòng)作輸出關(guān)斷信號(hào)，使功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，從而保護(hù)了功率開(kāi)關(guān)管，以免功率器件受到損壞。
圖5 電流保護(hù)電路原理圖 ? 本例中的主控芯片DSP初始化包括機(jī)器頻率、功能模塊使能、看門(mén)狗設(shè)置等等，清除功率保護(hù)錯(cuò)誤是由于硬件設(shè)計(jì)有欠壓等保護(hù)，保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生硬件中斷并使相應(yīng)PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，所以程序運(yùn)行前應(yīng)先清除功率保護(hù)錯(cuò)誤信號(hào)，測(cè)量偏差電流是為了計(jì)算出測(cè)量電流的真實(shí)值，因?yàn)橄到y(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器是單極的，但是實(shí)測(cè)的電流轉(zhuǎn)換信號(hào)是有符號(hào)的，所以在硬件部份由相關(guān)電路將有符號(hào)電流值轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)電流值，在程序里面又需將無(wú)符號(hào)值變換成有符號(hào)的定子電流輸出值，這就需要測(cè)量偏差電流，即要得到零電流時(shí)候的A/D采樣值，再將每次A/D采樣值減去偏差電流A/D采樣值，便可得到有符號(hào)的真實(shí)電流值. ? 本例中提到的CH701芯片是意瑞半導(dǎo)體（上海）有限公司推出隔離集成式電流傳感器芯片
CH701產(chǎn)品特點(diǎn)：
1.0.8 mohm初級(jí)導(dǎo)體電阻，用于低功率損耗和高浪涌電流耐受能力
2.集成屏蔽實(shí)際上消除了從電流導(dǎo)體到芯片的電容耦合，極大地抑制了由于高dv/dt瞬態(tài)而產(chǎn)生的輸出噪聲
3.行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能，通過(guò)專有的放大器和濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)大大提高了帶寬
4.高帶寬120kHz模擬輸出，在控制應(yīng)用中響應(yīng)時(shí)間更快
5.過(guò)濾器引腳允許用戶在較低的帶寬下過(guò)濾輸出以提高分辨率
6.集成數(shù)字溫度補(bǔ)償電路允許在開(kāi)環(huán)傳感器中實(shí)現(xiàn)近閉環(huán)精度
7.適用于空間受限應(yīng)用的小尺寸、低剖面SOIC8封裝
8.濾波器引腳簡(jiǎn)化了帶寬限制，在較低的頻率下獲得更好的分辨率
9.單電源運(yùn)行
10.輸出電壓與交流或直流電流成比例
11.工廠微調(diào)靈敏度和靜態(tài)輸出電壓
12.提高精確度
13.斬波器穩(wěn)定導(dǎo)致極穩(wěn)定的靜態(tài)輸出電壓
14.近零磁滯
15.電源電壓輸出比率
產(chǎn)品應(yīng)用：
電機(jī)控制；
負(fù)荷檢測(cè)與管理；
過(guò)電流故障保護(hù)；
? ??
審核編輯：劉清