基于DSP的電動摩托車路況仿真檢測系統(tǒng)研究

黃玉學，丁求啟，陶 敏

（1.天津科技大學 天津 300222；2.中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

由于環(huán)境問題和能源短缺，電動摩托車在世界范圍成為研究熱點，控制器是電動摩托車的關(guān)鍵技術(shù)，但它也是故障率最高的一個部分[1，2]。目前，控制器的質(zhì)量控制和故障檢測是電動摩托車發(fā)展中的一個主要問題，電動摩托車實驗檢測系統(tǒng)的最關(guān)鍵兩個因素是無法完全替代實際路檢和無法復(fù)現(xiàn)控制器故障[3-5]。一方面，因為這樣的檢測系統(tǒng)對實際行駛過程的仿真程度不夠，也就無法獲得跟實際路檢一樣的工況，導(dǎo)致其檢測結(jié)果可信度低，往往只能起到輔助檢測的作用，還必須配合實際路測才能實現(xiàn)可靠的質(zhì)量檢測。另一方面，電動摩托車控制器的故障往往是在一些特定環(huán)境中出現(xiàn)的，有時候是及其個別的、帶有偶然性的，因此故障難以復(fù)現(xiàn)，檢測系統(tǒng)同實際路檢仿真程度的差距是導(dǎo)致這個問題的主要因素。針對這個問題，文中設(shè)計了路況仿真檢測系統(tǒng)，可以直接對電動摩托車整車的控制目標，如動力性能，節(jié)能性能等進行全面的檢測，同時也可以對電動摩托車整車系統(tǒng)進行全面調(diào)試和檢測。

1 路況仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動摩托車在實際的行駛過程中，有許多的信息，其中有兩個主要的信息反映了控制器的當前工作狀態(tài)，它們是控制器主回路電流和電機當前轉(zhuǎn)速[6]?？刂破髦骰芈冯娏魇请妱幽ν熊囋谟凶枇π旭傔^程中的主要信息，控制器的發(fā)熱、沖擊主要來自于電流變化，這也是控制器最重要技術(shù)指標。電機的轉(zhuǎn)速是電動摩托車在滑行行駛過程中的主要信息。

根據(jù)系統(tǒng)要求以及對電動摩托車行駛過程中電機和控制器的狀態(tài)分析，設(shè)計電動摩托車路況仿真檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其如圖1所示。電動摩托車仿真檢測系統(tǒng)主要由磁粉制動器、有刷直流電機、無刷直流電機和控制核心板四個部分組成。無刷直流電機就是電動摩托車所用的電機，由系統(tǒng)所檢測的對象控制器進行驅(qū)動；磁粉制動器和無刷直流電機同軸安置，利用磁粉制動器實現(xiàn)對無刷直流電機的加載；有刷直流電機與無刷直流電機通過皮帶連接，實現(xiàn)對無刷直流電機的拖動模擬滑行實驗?？刂破髟谡麄€運行過程中的電流信號、電機的轉(zhuǎn)速等等都由控制核心板檢測，然后核心板根據(jù)一定的控制算法將這些信號處理，得到輸出信號，利用輸出信號控制磁粉制動器和有刷直流電機工作，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 路況仿真檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the real-road condition simulation test system

2 路況仿真檢測系統(tǒng)控制核心板硬件設(shè)計

2.1 控制核心板總體結(jié)構(gòu)

路況仿真檢測系統(tǒng)控制核心是系統(tǒng)的控制部件，用來驅(qū)動實驗臺工作，實現(xiàn)對電動摩托車實際路況的實驗室內(nèi)仿真，以替代實車路檢，整個控制核心是依賴于實際路況信息數(shù)據(jù)庫來運行的，控制核心板首先根據(jù)實驗人員的命令從EEPROM中讀取想要進行檢測的路況數(shù)據(jù)，并將其暫存到RAM區(qū)中，這樣才能滿足系統(tǒng)運行時候數(shù)據(jù)讀取的速度要求，然后再根據(jù)實驗人員的指令進行仿真檢測實驗。本控制核心板是由TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A型DSP（數(shù)字信號處理器）芯片為主控芯片的，用于采集輸入信息，計算和輸出各路控制信號，核心板總體框圖如圖2所示。

2.2 信號調(diào)理與隔離電路

核心板的驅(qū)動信號由DSP芯片輸出，該驅(qū)動信號只有+3.3 V的幅值，為弱電信號，要對實驗臺工作部件進行強電控制就需要進行隔離，以免造成電磁干擾甚至造成擊穿，本核心板選用4504型高速光耦和PC817光電耦合器件，可以實現(xiàn)信號隔離，防止電磁干擾，同時還可以起到電平轉(zhuǎn)換的調(diào)理作用。實現(xiàn)DSP電壓的+3.3 V同外圍器件+5.0 V的互相轉(zhuǎn)換，既保證外圍電路的正常工作，又保護DSP安全工作不被燒毀。

圖2 仿真檢測系統(tǒng)控制核心板框圖Fig.2 Structure diagram of the control core-board of the simulation test system

2.3 電機位置信號檢測電路

無刷直流電動機的位置信號是其控制的主要反饋信息，只有明確轉(zhuǎn)子的當前位置狀態(tài)，根據(jù)電動機的導(dǎo)通機制，才能決定下一步的轉(zhuǎn)子三相繞組的導(dǎo)通邏輯，而且可以根據(jù)其變化計算電機轉(zhuǎn)速。檢測電路如圖3所示。一般霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測環(huán)節(jié)加上拉電阻。另外，對于編碼信號要根據(jù)檢測波形采取一定的硬件濾波和軟件防抖措施。經(jīng)過電阻上拉和電容濾波后的信號被送到PC817光電耦合器件上的1口，經(jīng)過+5 V到+3.3 V的電平隔離轉(zhuǎn)換送入TMS320LF2407A的GPIO口，作為對無刷直流電動機導(dǎo)通邏輯編程的信號，以及用于電機轉(zhuǎn)速的檢測。

圖3 霍爾位置檢測電路圖Fig.3 Hall position detection circuit

2.4 有刷直流電機驅(qū)動電路

控制核心板用于有刷直流電機的驅(qū)動電路采用典型的BUCK降壓斬波電路，如圖4所示，由VF7和VF8組成驅(qū)動橋，上管VF7用于PWM關(guān)斷時候的續(xù)流，保證電機能平穩(wěn)工作，下管VF8由PWM控制，通過PWM占空比的改變實現(xiàn)降壓斬波。采用IR2103芯片進行MOSFET管驅(qū)動，DSP輸出的PWM信號通過光耦器件后送入IR2103的輸入端，在IR2103的輸出端就可以獲得占空比相同、幅值為+15 V的MOSFET管驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)DSP輸出PWM信號的占空比大小就可以調(diào)節(jié)有刷直流電機的轉(zhuǎn)速。

圖4 有刷電機驅(qū)動電路圖Fig.4 Driving circuit of the brush motor

2.5 磁粉制動器驅(qū)動電路

控制核心板對磁粉制動器的驅(qū)動采用圖5所示的BUCK斬波變形電路，采用75N75型MOSFET管作為DC/DC變換器的開關(guān)管，利用IR2103芯片驅(qū)動MOSFET管，DSP輸出的PWM信號通過光耦器件后送入IR2103的輸入端，在IR2103的輸出端就可以獲得占空比相同，幅值為+15V的MOSFET管驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)DSP輸出PWM信號的占空比大小就可以調(diào)節(jié)磁粉制動器的制動力矩。

圖5 磁粉制動器驅(qū)動電路圖Fig.5 Driving circuit of magnetic powder brake

2.6 無刷直流電機逆變驅(qū)動電路

控制核心板用于無刷直流電機驅(qū)動的逆變電路為三相全橋式逆變器，采用75N75型MOSFET管作為降壓驅(qū)動DCDC變換器的開關(guān)器件。來自DSP的輸出信號通過驅(qū)動電路驅(qū)動各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使轉(zhuǎn)子各相繞組按一定次序?qū)?，轉(zhuǎn)子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的邏輯換相。必須保證在功率管完好無損的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機的順利換向，尤其在霍爾信號有一定的干擾的情況下能無差錯的驅(qū)動。

2.7 電流采樣電路

控制核心板的電流采樣使用LEM公司生產(chǎn)的LT58－S7型電流傳感器，它是一種采用霍爾原理做成的閉環(huán)補償型電流傳感器，具有出色的精度、良好的線性度、低溫漂性、良好的反應(yīng)時間、寬頻帶、抗干擾能力強、強電流過載能力，轉(zhuǎn)換率為1:1 000，精度在±0.8%以內(nèi)。

利用電流傳感器獲得的電流信號并不能直接接入DSP進行使用，因為一方面直接得到的電流信號包含有很多的干擾信號，需要經(jīng)過一套電路進行濾波才能獲得清晰可用的電流信號，另一方面為了保證DSP安全，電流信號在送到DSP以前必須經(jīng)過電壓區(qū)域的映射，即將采樣電阻獲得的0～5 V電壓線性映射到0～3.3 V之間。

3 路況仿真檢測系統(tǒng)控制核心板軟件設(shè)計

控制核心板軟件的作用是初始化系統(tǒng)的各模塊、按照各種邏輯調(diào)度和安排各個任務(wù)工作，來實現(xiàn)系統(tǒng)需要的各種功能。系統(tǒng)各模塊的初始化包括DSP內(nèi)核的初始化，數(shù)字信號輸入輸出（DIO）模塊的初始化，定時器模塊的初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊的初始化，以及PWM輸出模塊的初始化和液晶驅(qū)動芯片HT1621的初始化和啟動系統(tǒng)的各種中斷和功能。系統(tǒng)初始化完成后進入等待定時器周期中斷循環(huán)狀態(tài)。

系統(tǒng)程序設(shè)計了一個工作狀態(tài)標志state_flg和一個仿真對象標志work_state。當state_flg等于FZ_STATUS時，程序工作于仿真狀態(tài)，在仿真狀態(tài)下根據(jù)work_state的值又有3種工作模式，當work_state等于PP_STATUS時，程序工作于爬坡路況仿真狀態(tài)，當work_state等于XP_STATUS時，程序工作于下坡路況仿真狀態(tài)，當work_state等于ZH_STATUS時，程序工作于綜合路況仿真狀態(tài)。當state_flg等于SZ_STATUS時，程序工作于設(shè)置狀態(tài)，系統(tǒng)程序的流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Flow chart the software design

4 仿真實驗

實驗對象為博源電摩托車及其HIC4816-EDD型控制器，使用該電動摩托車對實驗室附近典型路況進行路況信息采集，實驗條件為水泥路面，坡度15°，晴朗無風，小轉(zhuǎn)把快速啟動實驗。結(jié)果如圖7（a）所示，然后又在文中所設(shè)計的路況仿真檢測系統(tǒng)進行了仿真實驗，如圖7（b）所示。

與實際采集結(jié)果進行對比，計算仿真與實際采集結(jié)果的誤差為：

式中：

xi——圖7（a）對應(yīng)路況下的實際路況信息數(shù)據(jù)點，每隔300 ms一個；

yi——圖7（b）中每隔300 ms取點所獲得的電流值；

x——圖7（a）對應(yīng)路況下的實際路況信息數(shù)據(jù)點的均值。

5 結(jié) 論

圖7 實驗曲線Fig.7 Experimental curve

文中設(shè)計了一套電動摩托車路況仿真檢測系統(tǒng)的方案，并搭建了實驗臺，利用磁粉制動器和有刷直流電機實現(xiàn)了對電動摩托車的爬坡和下坡制動的仿真檢測，由實驗結(jié)果可知，仿真檢測系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)實驗室內(nèi)對電動摩托車實際行駛過程的仿真，為了能夠達到實驗室內(nèi)完全準確的對大部分實際行駛狀況的仿真，需要利用實車實驗對路況信息數(shù)據(jù)庫進行不斷的積累，在積累的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以通過人為的組合處理來建立更廣的數(shù)據(jù)庫，形成一個良性循環(huán)。

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