基于MC56F8346的電磁制動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李婭君，馮國勝，韓 超，朱亞光

(1．石家莊鐵道大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2．石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

電磁制動系統(tǒng)作為一種新型的制動系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的液壓制動機(jī)構(gòu)來說，制動安全性明顯提高。在傳統(tǒng)制動的基礎(chǔ)上加入電磁制動，使制動距離更小，制動效率更高，電磁制動代表了先進(jìn)制動方式的發(fā)展方向［1］。電磁鐵結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，容易維修［2］，在汽車的制動系統(tǒng)中可以加入電磁鐵進(jìn)行輔助制動以減小踏板力和制動距離，改善制動效果。為了使電磁鐵穩(wěn)定動作需要對其控制電流進(jìn)行閉環(huán)控制及檢測，這就需要根據(jù)采集到的制動踏板的行程來控制PWM信號的占空比，以此調(diào)節(jié)控制電流的大小，同時(shí)還需要采集電流信號和電磁力信號，對電磁力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。最后通過LabVIEW軟件與MC56F8346的串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和存儲。

1 Matlab/Simulink仿真建模

圖1 電磁制動系統(tǒng)安裝圖

1．1 電磁制動系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電磁制動系統(tǒng)安裝如圖1，兩個電磁鐵分別與兩個增力機(jī)構(gòu)相連，此增力機(jī)構(gòu)為雙邊鉸桿增力機(jī)構(gòu)，其增力效果是根據(jù)角度變化的，結(jié)構(gòu)簡單，增力比大，摩擦損失小［3］。逐漸踩下制動踏板時(shí)，通過兩個電磁鐵線圈且方向相反的電流逐漸增大，兩個電磁鐵相互吸引，拉動增力機(jī)構(gòu)，推動制動盤兩側(cè)的摩擦塊運(yùn)動，配合原車的液壓制動夾緊制動盤，實(shí)現(xiàn)減小踏板力的效果，松開踏板時(shí)，兩個電磁鐵立刻斷電分開，增力機(jī)構(gòu)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，同時(shí)汽車恢復(fù)到制動前的狀態(tài)。利用Matlab/Simulink搭建電磁制動系統(tǒng)的模型，從而得到作用于摩擦襯片上的制動力與通過電磁鐵線圈電流的變化曲線。

1．2 電磁制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及Simulink仿真模型

電磁力與電流的關(guān)系

式中，F(xiàn)為電磁力;μ為真空磁導(dǎo)率，μ=4π×10－7;S為磁路截面積，選用吸盤式電磁鐵，S=πr2=3.14×52=78.5 mm2;Kf為漏磁系數(shù)，一般為1．2～5．0，取1．5;δ為氣隙長度，取0．5 mm;I為電流0～0．65 A;N為線圈匝數(shù)，取2 600。由此可得電磁力與電流的平方成正比。

對增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，其力學(xué)模型如圖2所示。在兩個電磁鐵相互吸合的過程中，增力角α從15°逐漸減小至5°，運(yùn)用角度放大原理實(shí)現(xiàn)力的放大。在不考慮摩擦損耗的前提下，可以得到增力機(jī)構(gòu)輸出力與輸入力的比值，即理論增力系數(shù):，作用于摩擦襯片的力是兩個增力機(jī)構(gòu)疊加的合力。

圖2 增力機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

綜上可得電磁制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型:制動力

理論增力系數(shù)

增力角

根據(jù)上述電磁制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立基于Simulink的仿真模型，如圖3所示。

可以得到理論增力系數(shù)與電流的關(guān)系特性曲線以及作用于摩擦襯片的制動力與電流的關(guān)系特性曲線，如圖4所示。

圖3 電磁制動系統(tǒng)Simulink的仿真模型

圖4 電磁制動系統(tǒng)特性曲線圖

由特性曲線可以看出，在其它參數(shù)一定的情況下，作用于摩擦襯片的制動力隨著電流的增大而增大。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括DSP最小系統(tǒng)、控制電路、信號采集電路3大部分［4］。選用Freescale系列芯片MC56F8346作為主控芯片構(gòu)建電磁力控制系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)包括DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì);控制電路設(shè)計(jì)包括PWM脈寬調(diào)制模塊、光電隔離、H橋斬波器、MOSFET管驅(qū)動電路、直流穩(wěn)壓電源;信號采集電路設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI串口通信模塊、電流傳感器、力傳感器的信號調(diào)理電路，整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

2．1 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片MC56F8346是以DSP56800E為內(nèi)核的數(shù)字信號控制器，具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，功能強(qiáng)大。MC56F8346擁有2個PWM模塊，每個模塊有6路輸出通道，此6路通道可以任意配置為互補(bǔ)通道或獨(dú)立通道方式使用［5］;包括2個8通道12位AD轉(zhuǎn)換模塊，并用2個獨(dú)立的采樣保持電路驅(qū)動2個獨(dú)立的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;并且擁有2個串行通信接口SCIA、SCIB，可實(shí)現(xiàn)與LabVIEW軟件的串口通信。系統(tǒng)正常工作需要外圍電路的支持，包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JATG接口電路、串行通信接口電路。

電源由外部電源引入，外部供電電壓通常為5 V(DC)，通過電源模塊轉(zhuǎn)換為3．3 V電壓給最小系統(tǒng)供電［6］;復(fù)位電路是為了保證MC56F8346正常運(yùn)行，需要在RESET管腳上產(chǎn)生一個邏輯零信號，輸入到MC56F8346內(nèi)，使系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài);MC56F8346芯片內(nèi)部帶有基于鎖相環(huán)(PLL)的時(shí)鐘模塊，外部接入8 MHz的晶體振蕩器，經(jīng)過片內(nèi)時(shí)鐘模塊鎖相后，得到可達(dá)60 MHz的運(yùn)行頻率;JATG接口用于MC56F8346與上位機(jī)之間相互傳輸數(shù)據(jù)和信息，通過JTAG接口可以將程序下載到MC56F8346的程序存儲器中;在該系統(tǒng)中，電磁鐵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由上位機(jī)發(fā)出指令，并對電磁鐵的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此串行通信接口是必不可少的。

2．2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)包括PWM脈寬調(diào)制模塊、光電隔離、H橋斬波器、斬波器驅(qū)動電路、直流穩(wěn)壓電源。

2．2．1 H橋斬波電路

斬波器位于直流穩(wěn)壓電源和負(fù)載之間，用于調(diào)節(jié)負(fù)載上的電壓值。經(jīng)過斬波器后的輸出電壓為:U=為直流穩(wěn)壓電源輸入電壓;t為晶閘管導(dǎo)通時(shí)間;T為晶閘管工作周期。

圖6 斬波電路原理圖

在晶閘管工作周期一定的條件下，可以通過改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來控制電磁力大小。因?yàn)殡姶盆F的控制電流為單向電流，因此H橋斬波器只需要工作在2個象限，選用2個MOSFET管作為開關(guān)管，MOSFET管具有可靠性高、低功耗、開關(guān)速度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，電磁鐵可以等效為電感和電阻串聯(lián)，斬波電路如圖6。

雙象限斬波電路有以下2種工作狀態(tài):①2個MOSFET管T1、T2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓，輸出電流且逐漸增加直到電磁鐵兩端加負(fù)電壓，電路工作在第一象限，電感存儲能量;②2個MOSFET管T1、T2同時(shí)斷開，為了維持連續(xù)，續(xù)流二極管D3、D4必將導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓，輸出電流逐漸減小直到電磁鐵兩端加正電壓，電路工作在第四象限，電感釋放能量［7］。

2．2．2 隔離驅(qū)動調(diào)理電路

主控芯片輸出的信號非常微弱，難以驅(qū)動斬波器工作，因此需要加入驅(qū)動電路。選用IR公司推出的專門用于驅(qū)動MOSFET和IGBT高壓集成驅(qū)動器IR2130，可靠性高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高、具有過流過壓欠壓保護(hù)的功能。IR2130供電電壓為12 V，輸入電平為5 V，因此對主控芯片輸出的PWM信號進(jìn)行升壓，需要加入升壓電路，這里采用3．3 V轉(zhuǎn)5 V的升壓芯片SN74LVC4245A。光電隔離將主控芯片與控制電路通過光電耦合器進(jìn)行隔離，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，選用HCPL-2630光電耦合器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。隔離驅(qū)動調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 隔離驅(qū)動調(diào)理電路

2．3 信號采集電路設(shè)計(jì)

信號采集電路設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI串口通信模塊、電流傳感器、力傳感器、踏板位置傳感器的信號調(diào)理電路。電流傳感器與力傳感器檢測到的信號經(jīng)過TL084D構(gòu)成的經(jīng)典二級濾波電路濾除紋波，由于MC56F8346的ADC模塊輸入電壓范圍在0～3．3 V之間，因此還需要經(jīng)過LM324和鉗位二極管構(gòu)成過壓保護(hù)電路，再輸入到ADC模塊中，將采集到的電流與電磁力信號通過SCI串口發(fā)送到LabVIEW中，通過可視化界面觀察采集到的信號值。ADC信號調(diào)理電路如圖8所示。

圖8 ADC信號調(diào)理電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用專門針對Freescale系列芯片的集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior IDE提供PE工具的進(jìn)行軟件編程，主要包括PWM控制、A/D轉(zhuǎn)換、以及串口通信程序設(shè)計(jì)?？傮w軟件程序流程圖如圖9所示。

3．1 PWM控制程序設(shè)計(jì)

圖9 總體軟件程序流程圖

PWM模塊擁有2個PWM生成器，每個PWM生成器中含一個15位的增/減計(jì)數(shù)器，用來產(chǎn)生具有軟件選擇功能的輸出信號。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過AD模塊采集到的制動踏板的位置信號來控制PWM的占空比，踩下制動踏板時(shí)，占空比隨位移增大，松開踏板時(shí)，電磁鐵立刻斷電不工作，保證踏板能夠快速恢復(fù)到原狀，否則不僅會增加油耗，還會造成剎車處磨損，影響汽車的行駛性能。PWM控制程序:

a=value2－b; //本次采集的信號值與上一次采集的信號值比較;

b=value2; //存儲本次采集到的信號值;

if(a≥0){PWMC1_SetRatio16(0，(unsigned int)value2);}//如果本次采集到的踏板位置的信號值比

上一次采集到的信號值大，則將ADC2通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，即踏板位移值賦值給PWM0通道的占空比;else{PWMC1_SetRatio16(0，0);} //PWM0通道的占空比賦值為0;PWMC1_Load(); //PWM重載。

3．2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

控制電磁鐵的電流信號、電磁力信號以及制動踏板位置信號采集由MC56F8346內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊完成，采用兩通道同時(shí)掃描方式進(jìn)行采集。轉(zhuǎn)換完成后，各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果存到相應(yīng)的寄存器中，然后自動調(diào)用轉(zhuǎn)換完成的中斷函數(shù)，通過串口對寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取及處理。AD轉(zhuǎn)換程序:

pointer=＆value; //取value的存儲地址;

AD1_GetChanValue(0，pointer);//讀取0通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，即電流值;

……

3．3 SCI串口通信程序設(shè)計(jì)

DSP與上位機(jī)通過串口通信接口相連，數(shù)據(jù)經(jīng)過串口通信發(fā)送到上位機(jī)顯示出來。SCI中傳輸數(shù)據(jù)為8位二進(jìn)制數(shù)，AD采集的數(shù)據(jù)為12位，占用兩個字節(jié)，因此在將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口傳輸前，需要將12位的數(shù)據(jù)分為兩個字節(jié)，即高8位和低8位依次順序發(fā)送。SCI串口通信程序:

ch［0］=value＞＞8; //發(fā)送0通道數(shù)據(jù)的高8位;

ch［1］=(value＆0x00ff)＞＞1; //發(fā)送0通道數(shù)據(jù)的低8位，為了消除符號位的影響，數(shù)據(jù)右移一位否則會將低8位的最高位當(dāng)作符號位處理，造成有效數(shù)據(jù)位丟失;

……

n=6;AS1_SendBlock(ch，6，＆n);//通過串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3．4 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

AD采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，并通過LabVIEW進(jìn)行串口程序編寫。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，也是分為兩個字節(jié)讀取，即高8位和低8位，發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)被右移，因此讀取時(shí)需要左移。讀取數(shù)據(jù)高8位時(shí)右移8位，相當(dāng)于乘256，讀取數(shù)據(jù)低8位時(shí)左移1位，相當(dāng)于乘2，最后高8位和低8位相加為最終數(shù)據(jù)。MC56F8346的ADC是12位的轉(zhuǎn)換精度，其轉(zhuǎn)換的最大值是4 096，但12位轉(zhuǎn)換結(jié)果被左移了3位，再加上一個符號位，所以最大值是32 760，實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果=讀到的數(shù)值/32 760×3．3。ADC模塊的電壓范圍為0～3 V，控制電流的大小是0～0．65 A，電磁力的變化范圍是0～250 N，制動踏板的位置可以用角度來表示，范圍是0～45°。因此，在設(shè)計(jì)LabVIEW串口程序時(shí)，需要對ADC模塊采集到的信號進(jìn)行線性變換，得到電流、電磁力、踏板位置信號的值。LabVIEW程序設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 LabVIEW程序設(shè)計(jì)圖

3．5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該制動系統(tǒng)的制動力是駕駛員施加的踏板力與電磁力產(chǎn)生的合力，電磁鐵內(nèi)部設(shè)有線圈，并與電流傳感器相連，制動踏板控制電流傳感器，隨著踏板逐漸踩下，阻礙踏板運(yùn)動的力越大，因此需要對制動踏板施加的力越大，電流傳感器傳給線圈的電流越大，電磁鐵帶動摩擦襯片與制動盤靠得就越緊［8］，松開制動踏板時(shí)，為了保證踏板瞬間恢復(fù)到原來位置，電磁力需要瞬間減小為零。為測試本系統(tǒng)的可行性，首先在實(shí)驗(yàn)室可以利用直流穩(wěn)壓電源來模擬制動踏板的位置信號，同時(shí)采集電流傳感器與力傳感器的信號，逐漸增大直流電源的電壓，記錄模擬的踏板位置信號、電流以及電磁力的值，系統(tǒng)測試曲線如圖11所示。整理實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)測試并對采集的信號值進(jìn)行分析，可知該系統(tǒng)是可行的。

圖11 系統(tǒng)測試曲線圖

4 結(jié)論

建立了基于Freescale系列芯片MC56F8346開發(fā)的電磁制機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及Simulink仿真模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)﹄姶盆F的工作過程進(jìn)行控制和監(jiān)測，并且控制精度高，實(shí)時(shí)性好，電磁輔助制動大大改善了制動效果，一方面制動踏板角度增大使得占空比增大，從而控制通過電磁鐵的電流增大;另一方面，加入增力機(jī)構(gòu)之后，電磁力增大時(shí)，增力系數(shù)逐漸增大，增強(qiáng)制動效果。

表1 踏板位置、電流、電磁力測試數(shù)據(jù)