Diseño de circuito de accionamiento EPS de microordenador de un solo chip

2020-05-26 10:42:59

Diseño de circuito de accionamiento EPS de microordenador de un solo chip


1 Estructura básica y principio de funcionamiento del sistema EPS


La dirección asistida eléctrica (EPS, dirección asistida eléctrica) es la dirección de desarrollo futuro de los sistemas de dirección. El sistema proporciona asistencia de dirección directamente desde el motor eléctrico, tiene las características de ajuste simple, dispositivo flexible y puede proporcionar asistencia de dirección independientemente de las condiciones de trabajo. Lo más destacado de EPS es que el sistema puede ajustar fácilmente las características de asistencia de energía del sistema cambiando el diseño del software del controlador sin cambiar el hardware del sistema, de modo que el automóvil pueda obtener diferentes características de asistencia de potencia a diferentes velocidades para satisfacer diferentes necesidades. Los requisitos del conductor para sentir la carretera en condiciones de funcionamiento.


El sistema de dirección asistida eléctrica (EPS) incluye principalmente tres componentes principales: sensores, controladores y actuadores. El sensor procesa la señal recolectada y luego la ingresa al controlador. El controlador ejecuta el algoritmo de control interno, emite instrucciones al actuador y controla las acciones del actuador. La estructura del sistema se muestra en la Figura 1. Su principio de funcionamiento es: al manipular el volante, el sensor de par genera una señal de voltaje correspondiente de acuerdo con la magnitud del par de dirección de entrada, de modo que el sistema de energía eléctrica puede detectar la magnitud de la fuerza de dirección y, al mismo tiempo, según el sensor de velocidad La señal de pulso puede medir la velocidad del vehículo y luego controlar la corriente del motor para formar una asistencia de dirección adecuada.


Diseño del circuito de hardware del sistema de control 2 EPS


2.1 Selección de microcontrolador


La serie MC9S12 de microordenadores de un solo chip de MOTOROLA es un microcontrolador FLASH 5.0V de alta velocidad y alto rendimiento basado en una CPU HCS12 de 16 bits y un proceso de fabricación de 0,5 μm. Es una serie diseñada de acuerdo con los requisitos automotrices actuales. Utiliza tecnología de bucle de fase bloqueada o tecnología de multiplicación de frecuencia interna para hacer que la velocidad del bus interno sea mucho más alta que la frecuencia del generador de reloj. La frecuencia de reloj utilizada a la misma velocidad es mucho menor que la de microcomputadoras de un solo chip similares, por lo que el ruido de alta frecuencia es bajo y la capacidad antiinterferente Fuerte, más adecuado para el ambiente hostil dentro del automóvil. El esquema de diseño adopta el microordenador de un solo chip MC9S12DP256, cuya frecuencia principal es de hasta 25 MHz, y muchos módulos estándar están integrados en el chip, incluidos 2 puertos de comunicación serie asíncronos SCI, 3 puertos de comunicación serie síncronos SPI, captura de entrada de 8 canales / sincronización de comparación de salida Dispositivo, 2 módulos de conversión A / D de 10 canales y 8 canales, 1 módulo de modulación de ancho de pulso de 8 canales, 49 puertos I / 0 digitales independientes (de los cuales 20 tienen funciones externas de interrupción y activación), compatible con el protocolo CAN2.OA / B 5 módulos CAN y un módulo de bus IC interno; en el chip tiene 256 KB de EEPROM Flash, 12 KB de RAM y 4KB de EEPROM, los recursos son muy ricos.


2.2 Marco general del circuito de hardware


El circuito de hardware del sistema de dirección asistida eléctrica incluye principalmente los siguientes módulos: microcontrolador MC9S12DP256, circuito de alimentación, circuito de procesamiento de señal, módulo de accionamiento de potencia del motor de CC, módulo de diagnóstico de fallas y módulo de visualización, sensor de velocidad del vehículo, sensor de par, señal de encendido del motor, corriente y corriente Los sensores y otros circuitos de procesamiento están conectados, y hay embragues electromagnéticos, etc. La estructura lógica del hardware del sistema EPS se muestra en la Figura 2.


2.3 Diseño del circuito de control del motor


El motor de CC es el elemento ejecutivo del sistema EPS, y el circuito de control del motor tiene una posición especial en el diseño del sistema. En este sistema, la modulación de ancho de pulso (PWM) se utiliza para controlar el circuito del puente H para controlar el motor de CC, que se compone de 4 MOSFET de potencia, como se muestra en la Figura 3. Usando el modo de control servo PWM, el circuito de conducción del tubo de alimentación MOSFET es simple, la frecuencia de trabajo es alta y puede funcionar en el estado de conmutación de cientos de kilohercios. El sistema utiliza cuatro tubos de potencia MOSFET IRF3205 producidos por International Reetifier para formar los cuatro brazos del puente H. El IRF3205 tiene una resistencia de encendido de 8 mΩ, bajo consumo de energía, tensión de resistencia de hasta 55 V y una corriente de CC máxima de 110 A. Cumple con los requisitos del sistema EPS para baja tensión del tubo de alimentación MOSFET (funcionamiento normal no supera los 15 V) y alta corriente (corriente nominal de 30 A).


2.3.1 Diseño del circuito de transmisión del tubo de alimentación MOSFET del brazo lateral superior del puente H


El circuito de impulsión del tubo de alimentación MOSFET del brazo del puente superior se muestra en la Figura 4, donde Qa / Qb es el tubo MOSFET de potencia del tubo del brazo superior del puente M, y vdble es el voltaje de suministro de energía proporcionado por el circuito de potencia del duplicador de voltaje. Cuando la señal de control a (b) del MOSFET es alta, Q1 y Q2 se encienden, y la potencia se carga a Qa a través del circuito paralelo de Q2, D1, R5 y C1 hasta que Qa se enciende completamente y Q3 se apaga. Cuando se enciende Qa, ignorando la caída de voltaje entre el drenaje y la fuente de Qa, el voltaje de fuente de Qa es igual al voltaje de la fuente de alimentación de la batería. En este momento, la caída de voltaje de la fuente de compuerta de Qa VGS = (Vdble-VCE-VF-Vbat), donde VCE es el voltaje de activación de saturación del emisor establecido de 2N2907, su valor típico es 0.4V, y VF es la dirección de avance de D1 La caída de voltaje es típicamente de 0.34V, y Vbat es el voltaje de la batería. Para garantizar la conducción confiable del dispositivo y reducir la pérdida de conducción de CC del dispositivo, VGS no es inferior a 10V. Por lo tanto, es necesario diseñar un circuito de suministro de energía eficiente que duplique el voltaje para garantizar que el valor de Vdble sea lo suficientemente grande como para cumplir con los requisitos de conducción del MOSFET de potencia. Si el voltaje de la batería es de 12V, Vdble ≥ 12V + 0.34V + 0.4V + 10V = 22.74V.


Cuando la señal de control a (b) del MOSFET es baja, Q1 y Q2 están apagados, Q3 se enciende y el voltaje de fuente de puerta de Qa se libera rápidamente a través del circuito paralelo de R5 y C1 y Q3 hasta que Qa se apaga. Cuando Qa se apaga, la resistencia R6 conectada entre su fuente de puerta hace que su voltaje de fuente de puerta sea cero. El voltaje de umbral de activación del IRF3205 es de 2 ~ 4V, y el voltaje de la fuente de puerta de OV puede apagarlo.


2.3.2 Circuito de conducción del tubo MOSFET de potencia del brazo del puente inferior


El circuito de accionamiento del MOSFET de potencia del brazo del puente inferior se muestra en la figura 5, donde Qc / Qd es el tubo c o el tubo d del MOSFET de potencia del brazo del puente inferior. Cuando la señal de control c (d) del MOSFET es alta, Q1 se enciende, Q2 se apaga, la tensión de la puerta de Q1 se libera rápidamente a través del circuito paralelo compuesto por R3 y C1, D1 y Q1, y Qc / Qd se apaga.


Cuando la señal de control c (d) del MOSFET es baja, Q1 se apaga y se enciende Q2. El circuito paralelo compuesto por la fuente de alimentación a través de Q2 y R3 y C carga la puerta de Qc hasta que Qc se enciende por completo. Cuando se activa Qc, su voltaje de fuente de puerta es igual al voltaje de la fuente de alimentación menos el voltaje de activación de saturación del colector-emisor de Q2, y el voltaje de la fuente de alimentación es igual al voltaje de la batería menos el voltaje de conducción directa del diodo 1N5819. Por lo tanto, el voltaje de la fuente de la puerta de Qc VGS = (Vbat-VCE-VF), cuando el voltaje de la batería es de 12V, los parámetros se toman como el valor típico. El voltaje de la fuente de la puerta de Qc es de 11.26V, que cumple con el accionamiento de la puerta del IRF3205 (10V ) Tensión requerida


2.4 Fuente de alimentación de voltaje de trabajo para batería


Debido a que el voltaje de la fuente de compuerta del tubo de alimentación MOSFET del brazo del puente superior debe ser superior a 22,74 V, y el voltaje de la batería es solo de 12 V. Por lo tanto, es necesario diseñar una fuente de alimentación de duplicador de voltaje de la batería para generar un voltaje de suministro de energía que sea el doble del voltaje de la batería, y proporcionarla al circuito de accionamiento de los tubos de alimentación del puente H ayb para garantizar que el tubo de alimentación MOSFET del lado alto pueda encenderse completamente.


El circuito duplicador de voltaje de la fuente de alimentación se muestra en la Figura 6. El temporizador NE555 funciona en el modo multivibrador y genera una onda rectangular en el pin 3 con una amplitud igual al voltaje de suministro de NE555 y una frecuencia de 1 / 0.7 (R2 + 2R1) C1. C3, C4, Dl y D2 constituyen el circuito de la bomba de carga. Cuando el pin 3 de NE555 emite un nivel alto, el voltaje positivo de C3 es de 24 V o cercano a 24 V debido al cambio repentino del voltaje del condensador, y C4 se carga a través de D2, de modo que el voltaje de C4 es de 24 V o cercano a 24 V. Debido a la limitación de la eficiencia de trabajo del circuito, la caída de tensión directa en los diodos D1 y D2 y la capacidad de carga, la tensión de salida del sistema es inferior al doble de la tensión de alimentación.


3 Prueba de banco del circuito de accionamiento del motor


De acuerdo con las necesidades del sistema de control de dirección eléctrica para la estabilidad y el seguimiento, el controlador H2 óptimo se utiliza para compilar el programa de control del sistema de dirección eléctrica, y la prueba de simulación de banco se lleva a cabo en el banco de prueba de dirección eléctrica del automóvil. La señal de velocidad del vehículo es enviada por el sensor de velocidad del vehículo simulado. Señal de pulso en lugar de red. La figura 7 es la curva de cambio del par medido del volante (T) y la corriente del motor de refuerzo (I) durante la asistencia de dirección de velocidad media. Se puede ver en la Figura 7 que durante el proceso de dirección, la corriente del motor de asistencia cambia con el par del volante. La tendencia de cambio de la corriente del motor y el par del volante coinciden entre sí, lo que indica que el par de asistencia del motor gira en el volante. Momento tiene buen rendimiento de seguimiento. Durante la operación de dirección, no hay retraso de potencia, y la dirección es estable, lo que indica que el sistema de dirección tiene un buen rendimiento de seguimiento y estabilidad de dirección.


4. Conclusión


Los microcontroladores de 16 bits de la serie MC9S12 son ricos en recursos en chip. Para aplicaciones simples en general, solo se requiere un microcontrolador de un solo chip más una pequeña cantidad de circuitos circundantes. Después de la prueba preliminar, el circuito de motor DC desarrollado tiene un buen rendimiento y básicamente puede satisfacer las necesidades del sistema de dirección del sistema de dirección asistida eléctrica. Este artículo solo presenta el marco básico del diseño del circuito de hardware del sistema de dirección asistida eléctrica. Para obtener buenos efectos de control, el sistema de dirección asistida eléctrica no se limitará al desarrollo del sistema de dirección asistida basado en las dos señales básicas de velocidad y par del vehículo. , La velocidad de dirección, la aceleración lateral y la gravedad del eje delantero y otras señales pueden ser factores a considerar en el futuro sistema de dirección asistida eléctrica.