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

數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,簡稱DSP), 是一種適合于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速的數(shù)字信號(hào)處理算法。通常，由一個(gè)以DSP為基礎(chǔ)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(jià)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(jī)應(yīng)用、勵(lì)磁脈沖控制系統(tǒng)、電力保護(hù)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(jī)的控制器來實(shí)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(diǎn)[1][4]

　　TMS320F2812是TI公司最新推出的目前市場上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)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(dòng)化、電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)。TMS320F2812芯片結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，8級(jí)流水線作業(yè)，128位的密匙保護(hù)，幾乎所有指令都在6.67ns(150MHZ)內(nèi)完成,高達(dá)1MB的外部存儲(chǔ)器接口，最多有56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途的輸入 /輸出(GPIO)引腳,是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)乘且累加
• 統(tǒng)一的寄存器編程模式，可達(dá)4M字的線性程序地址和數(shù)據(jù)地址

　　(2) 片內(nèi)存儲(chǔ)器

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

　　(3) 時(shí)鐘與系統(tǒng)控制

• 支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率(PLL)
• 片內(nèi)振蕩器
• 看門狗定時(shí)器模塊
• CPU級(jí)和外設(shè)級(jí)中斷相結(jié)合的控制系統(tǒng)

　　(4) 豐富的外圍設(shè)備

• 兩個(gè)事件管理器(EVA、EVB)
• 串行外圍接口(SPI)
• 兩個(gè)串行通信接口(SCI),標(biāo)準(zhǔn)的UART
• 改進(jìn)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(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(shí)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(gè)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(jī)動(dòng)靈活性和操縱穩(wěn)定性，正在得到不斷發(fā)展和應(yīng)用。4WS汽車在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(shí)，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(jìn)一步提高車輛操縱穩(wěn)定性。

　　本文搭建的四輪轉(zhuǎn)向平臺(tái)是由一個(gè)帶有渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的直流伺服電機(jī),電磁離合器和普通的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。其中電機(jī)電源為DC12V,減速比設(shè)定10: 1(可調(diào)),電磁離合器電源:DC48V，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。控制策略采用前饋和反饋相結(jié)合的直接橫擺率閉環(huán)控制，其中由絕對(duì)式角位移傳感器采集前輪轉(zhuǎn)角信號(hào);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(jī)經(jīng)過電磁離合器連接機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 結(jié)構(gòu)框圖