TMS320F2812在車輛四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中的應用

　　數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,簡稱DSP), 是一種適合于數(shù)字信號處理運算的微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)實時快速的數(shù)字信號處理算法。通常，由一個以DSP為基礎的內(nèi)核，配以測量控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使芯片價格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。因此，集成DSP芯片的多功能板是電機應用、勵磁脈沖控制系統(tǒng)、電力保護系統(tǒng)的理想選擇。本文采用了超拓工控的CS4U9813可編程智能多功能板作為伺服電機的控制器來實現(xiàn)汽車后輪轉(zhuǎn)向功能，該板集成有TI公司的高性能 DSP芯片TMS320F2812。

　　1 TMS320F2812的結(jié)構(gòu)特點[1][4]

　　TMS320F2812是TI公司最新推出的目前市場上最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于工業(yè)自動化、電機、馬達伺服控制系統(tǒng)。TMS320F2812芯片結(jié)構(gòu)采用改進的程序與數(shù)據(jù)存儲分開的哈佛結(jié)構(gòu)，8級流水線作業(yè)，128位的密匙保護，幾乎所有指令都在6.67ns(150MHZ)內(nèi)完成,高達1MB的外部存儲器接口，最多有56個獨立的可編程、多用途的輸入 /輸出(GPIO)引腳,是實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的最佳選擇。功能框圖如圖1所示，其主要性能如下:

圖1 功能框圖

　　(1) 高性能的32位中央處理器

• 主頻150MHZ(時鐘周期6.67ns)，低功耗(核心低壓1.8V,I/O口3.3V)
• 16位×16位和32位×32位乘且累加操作以及16位×16位的兩個乘且累加
• 統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址

　　(2) 片內(nèi)存儲器

• 8Kx16位的Flash存儲器
• 1Kx16位的OTP型只讀存儲器
• L0和L1:兩塊4Kx16位的單口隨機存儲器(SARAM)
• H一塊8Kx16位的單口隨機存儲器
• M0和M1:兩塊1Kx16位的單口隨機存儲器

　　(3) 時鐘與系統(tǒng)控制

• 支持動態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
• 片內(nèi)振蕩器
• 看門狗定時器模塊
• CPU級和外設級中斷相結(jié)合的控制系統(tǒng)

　　(4) 豐富的外圍設備

• 兩個事件管理器(EVA、EVB)
• 串行外圍接口(SPI)
• 兩個串行通信接口(SCI),標準的UART
• 改進的控制器局域網(wǎng)絡(ECAN)
• 多通道緩沖串行接口(MCBSP)
• 16通道12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)

　　3? 四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　四輪轉(zhuǎn)向(Four-Wheel Steering，簡稱4WS) 系統(tǒng)是指車輛在轉(zhuǎn)向過程中，前后兩組四個車輪都能夠根據(jù)需要起轉(zhuǎn)向作用，能有效改善車輛的機動靈活性和操縱穩(wěn)定性，正在得到不斷發(fā)展和應用。4WS汽車在低速轉(zhuǎn)彎時，前后車輪逆相位轉(zhuǎn)向，可以減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑;在高速轉(zhuǎn)彎時，前后輪主要作同相位轉(zhuǎn)向，能夠減少車輛質(zhì)心側(cè)偏角β，降低車輛橫擺率的穩(wěn)態(tài)超調(diào)量等，進一步提高車輛操縱穩(wěn)定性。

　　本文搭建的四輪轉(zhuǎn)向平臺是由一個帶有渦輪蝸桿減速機構(gòu)的直流伺服電機,電磁離合器和普通的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)組成。其中電機電源為DC12V,減速比設定10: 1(可調(diào)),電磁離合器電源:DC48V，實驗平臺如圖2所示?？刂撇呗圆捎们梆伜头答佅嘟Y(jié)合的直接橫擺率閉環(huán)控制，其中由絕對式角位移傳感器采集前輪轉(zhuǎn)角信號;后輪轉(zhuǎn)角由精度較高的增量式光電編碼器得到;車速由五輪儀獲得;后輪轉(zhuǎn)向由直流伺服電機經(jīng)過電磁離合器連接機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn);ECU硬件電子系統(tǒng)核心由TMS320F2812構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示:

圖2 實驗平臺

圖3 結(jié)構(gòu)框圖

　　4? 控制系統(tǒng)硬件設計與仿真

　　根據(jù)上文設計的控制策略，ECU單元要采集前輪轉(zhuǎn)角信號、后輪轉(zhuǎn)角信號、輪速信號并經(jīng)過CPU運算輸出電機的驅(qū)動電壓，實現(xiàn)后輪自動轉(zhuǎn)向。本文用C語言編制程序來實現(xiàn)設計的控制算法，并在仿真器連接的情況下，在CCS(Code Compose Studio)環(huán)境下完成硬件在環(huán)仿真調(diào)試。CCS2000是TI公司針對TMS320C2000系列DSP提供了一套基于Windows的DSP集成開發(fā)環(huán)境，也是目前最優(yōu)秀的DSP開發(fā)軟件。在CCS環(huán)境下，可進行程序開發(fā)、調(diào)試、編譯、鏈接，支持匯編及C/C++進行軟件開發(fā)，強大的調(diào)試工具如斷點、探針、剖析及圖形顯示等，并最終可以進行輸出目標文件的燒錄。

　　4.1? 前輪轉(zhuǎn)角信號采集

　　前輪轉(zhuǎn)角由絕對式角位移傳感器得到，輸出電壓與前輪轉(zhuǎn)角成線性正比例關(guān)系，范圍0~12V。本文采用CS4U9806板的ADCHA0引腳采集，采樣外圍電路DSP芯片內(nèi)部集成。此板單通道采樣時間200nS，輸入信號范圍可通過跳線選擇-5～+5V,0～10V,0～20V，默認－5～＋5V。由于前輪轉(zhuǎn)角范圍有限，故跳線選擇0～10V，采樣頻率設為96HZ。部分程序設計過程如下:

　　4.2? 后輪轉(zhuǎn)角信號采集

　　后輪轉(zhuǎn)角信號由高精度的增量式光電編碼器獲得。它將蝸桿轉(zhuǎn)動的角度根據(jù)轉(zhuǎn)動的方向變?yōu)橄鄳脑?、減計數(shù)脈沖，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2048個脈沖，輸出量為一時鐘信號和一方向信號。本文采用DICH0(CAP2)引腳捕捉時鐘信號，輸入引腳DICH19(GPIOF12)取得方向信號。帶光藕的開關(guān)量輸入電路設計如圖4，捕獲單元電路DSP芯片內(nèi)部集成。

圖4 輸入電路框圖

　　部分程序設計過程如下:

　　4.3? 算法設計與D/A輸出

　　算法的基本思路是:4WS啟動時，輸入一前輪轉(zhuǎn)角，通過橫擺率反饋，將其與速度相關(guān)的理想橫擺率穩(wěn)態(tài)響應增益G0進行比較，然后經(jīng)控制器G1控制后輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，輸出質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺率、側(cè)向加速度用于監(jiān)測，控制框圖如圖5所示。電機的驅(qū)動電壓由DSP的比較寄存器產(chǎn)生PWM信號，在通過D/A 轉(zhuǎn)換電路輸出。本文采用定時器4產(chǎn)生PWM,由DA4引腳輸出，一級放大的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖5 控制框圖

圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路

　　部分程序設計過程如下:

　　本文應用上面設計的控制算法對4WS車輛進行了基于TMS320F2812型DSP硬件在環(huán)仿真，車輛參數(shù)選為:m=1740kg;I= 3214kg.m2;a=1.058m;b=1.756m;K1=29000N/rad;K2=60000N/rad;同時為簡便起見，截取速度u= 30m/s，結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明橫擺率跟蹤控制的4WS車輛在高速范圍的轉(zhuǎn)向操控時其質(zhì)心橫擺率、側(cè)偏角和側(cè)向加速度響應相比兩輪轉(zhuǎn)向能夠保持較好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，同時采用CCS2000進行調(diào)試開發(fā)，周期短、成本低。因此，基于DSP的硬件控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和汽車控制領域具有廣闊前景。

圖7 仿真結(jié)果