純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)輪速采集模塊設(shè)計(jì)

王姝，張凱

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)輪速采集模塊設(shè)計(jì)

王姝，張凱

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

本文介紹了基于飛思卡爾 MC9S12XS128芯片的純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)輪速采集及處理模塊，利用NCV1124芯片，簡(jiǎn)化了輪速采集部分外部硬件電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)周期法與頻率法相結(jié)合的方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)輪速處理的方案，實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)控制中對(duì)車(chē)速和輪速的精確采集及計(jì)算，為下一階段對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)TCS控制策略的研究打下良好基礎(chǔ)。

驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)；輪速信號(hào)；電路；算法

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-52-03

前言

電動(dòng)汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力取決于電機(jī)的輸出扭矩，但驅(qū)動(dòng)力同時(shí)也取決于輪胎與地面的摩擦力，因此會(huì)受到路面附著條件的制約。路面附著條件由路面附著系數(shù)這一參數(shù)來(lái)衡量，但路面附著系數(shù)并不是一個(gè)常量，它是隨著滑轉(zhuǎn)率的變化而變化。隨著滑轉(zhuǎn)率增加，路面附著系數(shù)不斷增大，直至滑轉(zhuǎn)率增大到20%左右，即達(dá)到峰值附著系數(shù)，路面附著系數(shù)達(dá)到峰值后，路面附著系數(shù)又會(huì)隨滑轉(zhuǎn)率增大而減小。所以從動(dòng)力性上考慮，驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率應(yīng)處于峰值附著系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率附近，又由于滑轉(zhuǎn)率越低，同一側(cè)偏角條件下側(cè)向力系數(shù)越大，車(chē)輛的方向穩(wěn)定性越好，抗側(cè)滑的能力越大。綜合考慮，應(yīng)將滑轉(zhuǎn)率控制在0 .08～0 .15 之間，為了達(dá)到這一目的，速度的精確采集和計(jì)算是必不可少的。

1、采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)

目前，較普遍的輪速傳感器主要有三種即磁電式，電渦流式，霍爾式，本方案中的 TCS系統(tǒng)輪速采集模塊使用GT101型電磁式輪速傳感器，電磁式輪速傳感器的特點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速不斷變化其輸出的是頻率幅值變化的正弦波。正弦波頻率與車(chē)輪轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高，頻率越高。而正弦波的幅值與輪速和傳感器磁頭與齒圈之間的間隙有關(guān)，即間隙越小，轉(zhuǎn)速越高，幅值越大。

1.1 整形電路設(shè)計(jì)

由于正弦波信號(hào)是不能被單片機(jī)的脈沖累加器直接識(shí)別，并且幅值在高速是會(huì)超過(guò) IO口的最高允許電壓，因此通常需要一定的外部電路進(jìn)行整型限幅濾波，將傳感器輸出的正弦波信號(hào)處理成占空比不斷變化的幅值小于 IO口最大值的方波信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行采集處理。處理這一問(wèn)題通常采用施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器通常由邏輯門(mén)芯片構(gòu)成，典型的施密特觸發(fā)器如圖1所示。

從上圖可以看出，施密特觸發(fā)器是一種特殊的邏輯門(mén)電路，其有正向和負(fù)向兩個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入的電壓值高于或者低于閾值電壓的條件下，利用施密特觸發(fā)器的正反饋?zhàn)饔?，可以把正弦波信?hào)變換為單片機(jī)可識(shí)別的矩形脈沖信號(hào)。由上文可知輪速傳感器所輸入的是幅值不斷變化的正弦波，為此可能需要對(duì)施密特觸發(fā)器的閾值電壓進(jìn)行調(diào)整，而硬件電路一經(jīng)確定，不易修改。綜合來(lái)看，使用施密特觸發(fā)器進(jìn)行波形變換的方案并不實(shí)用。

本方案中采用 NCV1124，NCV1124是用于處理安裝在旋轉(zhuǎn)件上傳感器檢測(cè)到的狀態(tài)信號(hào)集成電路芯片，該芯片使用雙通道輸入，每個(gè)通道都可接入可變磁阻傳感器的信號(hào)，并且與芯片內(nèi)的可編程的參考電壓進(jìn)行比較，其將整形與放大功能整合，極大簡(jiǎn)化了外部硬件電路設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)中選擇的單片機(jī)為飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128芯片，故要將輪速傳感器輸出信號(hào)幅值限制在5V以下。而NCV1124內(nèi)部特有的動(dòng)態(tài)鉗位電路，能夠?qū)?-120V的電壓鉗制到0-5V，滿(mǎn)足單片機(jī)IO口的需求。

1.2 濾波電路設(shè)計(jì)

NCV1124輸出的波形是具有噪聲的，會(huì)對(duì)之后的速度估算造成影響，因此需要設(shè)計(jì)濾波電路，使得噪聲在單片機(jī)IO口可允許范圍內(nèi)。本方案采用經(jīng)典的RC濾波濾除高頻噪聲。方案中，傳感器齒圈齒數(shù)為Z=54，輪胎直徑D=520mm，設(shè)計(jì)最高車(chē)速為V=160 km／h，濾波器的截止頻率f為：

式中vq——驅(qū)動(dòng)輪速度

V——車(chē)速，通常以非驅(qū)動(dòng)輪輪速代替

從上式可以看出，本方案需同時(shí)采集驅(qū)動(dòng)輪輪速和非驅(qū)動(dòng)輪輪速，但由于單片機(jī)提供的脈沖累加接口只有一個(gè)即PT7口，因此需要外部接入一個(gè)累加器，用以對(duì)另一路數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用二進(jìn)制累加器 CD4520，以實(shí)現(xiàn)這一功能。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示：

2、輪速采集模塊算法設(shè)計(jì)

輪速采集算法通常有周期法，頻率法，多倍周期法三種，周期法是通過(guò)采集相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，從而計(jì)算速度，適用于輪速較低時(shí)，當(dāng)輪速較高時(shí)，相鄰兩脈沖時(shí)間間隔過(guò)短，會(huì)造成較大誤差；頻率法是通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)輪速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，適用于輪速較高時(shí)，輪速過(guò)低時(shí)，會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)采集到的脈沖數(shù)過(guò)小，甚至采集不到，因此只是單純的使用周期法與頻率法，將增大系統(tǒng)誤差，綜合考慮計(jì)數(shù)器本方案中采用周期法和頻率法相結(jié)合的方法，即設(shè)定一個(gè)基速Vc，基速是根據(jù)上一次計(jì)算結(jié)果得到的，當(dāng)車(chē)速高于這一基速時(shí)采用頻率法，當(dāng)車(chē)速低于這一基速時(shí)采用周期法。

2.1 周期法

對(duì)于飛思卡爾 MC9S12XS128單片機(jī)，內(nèi)置有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行輸入捕捉，輸出比較，脈沖累加。其定時(shí)器模塊中有輸入捕捉的功能，可實(shí)現(xiàn)周期法。輸入捕捉是在指定的引腳上，根據(jù)信號(hào)的跳變沿將當(dāng)前自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器中的值捕捉，并且本款單片機(jī)允許輸入捕捉中斷，每采集到一次跳變沿，將觸發(fā)一次中斷，在中斷中可以講當(dāng)前自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的值捕捉到對(duì)應(yīng)的通道寄存器內(nèi)，通過(guò)連續(xù)兩次捕捉，就可計(jì)算出輪速。第一次捕捉到的自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器值為a，第二次捕捉到的自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器值為b，將總線(xiàn)時(shí)鐘頻率設(shè)定為80MHZ，主定時(shí)器可累加的最大值為65530。則由PT7口采集的輪速：

式中D為輪胎直徑，Z為齒圈齒數(shù)，c為CD4520計(jì)數(shù)器值。

2.2 頻率法

單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊中脈沖累加器功能，能很好地實(shí)現(xiàn)頻率法。脈沖累加器通過(guò)檢測(cè)PT7引腳上的跳變沿個(gè)數(shù)，引腳每檢測(cè)到一個(gè)跳變沿，脈沖累加計(jì)數(shù)器內(nèi)的值加1，并且可以設(shè)定主定時(shí)器溢出中斷，16位主定時(shí)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器從FFFF溢出是，將會(huì)產(chǎn)生中斷，此時(shí)讀取脈沖累計(jì)器計(jì)數(shù)器內(nèi)的值，與上一次讀取的值只差，即為單位時(shí)間內(nèi)采集到的脈沖數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出當(dāng)前輪速?？偩€(xiàn)時(shí)鐘頻率為80MHZ，自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器可累加的最大值為65530，由PT7口采集的輪速。

另一路由CD4520芯片采集的輪速：

式中D為車(chē)輪直徑，Z為齒圈齒數(shù)，n為第一次中斷時(shí)采集到的脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)器內(nèi)值，m為第二次中斷時(shí)采集到的脈沖累計(jì)計(jì)數(shù)器內(nèi)值，c為CD4520計(jì)數(shù)器值。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本方案中TCS系統(tǒng)的輪速采集處理模塊能夠完成對(duì)采集到的輪速傳感器信號(hào)進(jìn)行整形、限幅、濾波等處理，利用 NCV1124芯片，簡(jiǎn)化了輪速采集部分外部硬件電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)周期法與頻率法相結(jié)合的方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)輪速處理的方案，改進(jìn)后的算法更加合理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輪速傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確采集與計(jì)算，為下一階段對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)TCS控制策略的研究打下良好基礎(chǔ)。

[1] 蔡燕,黃智宇.基于NCV1124的ABS輪速信號(hào)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,23(8) .

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The Speed Acquisition and Processing Module Design of Blade Electric Vehicles Tractive Control System

Wang Shu, Zhang Kai
(Automobile School of Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

This paper introduces the speed acquisition and processing module of blade electric vehicles tractive control system. By using NCV1124, it is simplified the design of external hardware circuit. Through combining the frequency and period measurement methods, it optimize the traditional project. The accurate measurement of the wheel speed in tractive control system is realized. And laying a good foundation for researching control strategy of tractive control system in the next phase.

tractive control system；speed signal；circuit；atithmetic

U463.6

A

1671-7988(2015)05-52-03

王姝，長(zhǎng)安大學(xué)在讀研究生，主要研究電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制。