3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　3.1 ECU工作原理

　　系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī)，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載 12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車(chē)速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口， 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過(guò)單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過(guò)電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開(kāi)繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式［3］。

　　3.2 PIC16F877單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　該款機(jī)型是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性（執(zhí)行速度可達(dá) 120ns），PIC16F877內(nèi)部自帶看門(mén)狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2 個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個(gè)Byte位都可以尋址，有4條專(zhuān)用的位操作指令和2條移位指令。

　　3.3 直流電動(dòng)機(jī)的選擇

　　無(wú)刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目采用永磁式無(wú)刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。

　　3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇

　　本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外，還提供方向盤(pán)位置信號(hào)，為回正和阻尼邏輯的開(kāi)發(fā)提供了便利。

　　3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿(mǎn)足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項(xiàng)目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開(kāi)關(guān)管同臂導(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。

　　3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。

　　FET橋式電路主要由四個(gè)大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開(kāi)關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動(dòng)電流、且具有較長(zhǎng)的使用壽命，根據(jù)電機(jī)的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來(lái)構(gòu)成H橋電路。

　　FET 基極驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET專(zhuān)用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性 ［4］。

　　驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示，兩個(gè)IR2109的IN端為驅(qū)動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號(hào)脈沖輸入端，分別通過(guò)具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機(jī)的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口；兩個(gè)SD端分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，控制電機(jī)停車(chē)操作；每個(gè)芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；VB端通過(guò)自舉二極管UF1005與+12V 電源相連，為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓，此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。

　　圖3-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　3.5.2 電機(jī)電流采樣電路

　　系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣有兩方面用途，一是為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)；二是通過(guò)電流傳感器反饋電樞電流的信號(hào)，以便對(duì)電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡(jiǎn)單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過(guò)的電流，在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中，選用AD626把采樣信號(hào)放大10的n倍送至單片機(jī)相應(yīng)端口，具體電路如圖 3-3。

　　圖3-3 電機(jī)電流采樣電路

　　3.6 繼電器控制電路

　　如下圖3-4所示，CPU控制信號(hào)經(jīng)CPU端口PSP0輸出后，開(kāi)關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節(jié)點(diǎn)，繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后可給電機(jī)、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號(hào)分別控制繼電器的合開(kāi)操作。

　　圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

　　4 結(jié)論

　　本文在對(duì)EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過(guò)程的分析基礎(chǔ)上，對(duì) EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機(jī)；探索了在汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，低壓、低速、大電流永磁式無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機(jī)電流采樣的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子控制單元信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性較高，對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。

　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　在自主行走機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走，必須實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，以實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航，這必須依靠能實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。視覺(jué)、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。由于超聲波測(cè)距方法設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量距離、測(cè)量精度等方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本文所介紹的機(jī)器人采用三方超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為機(jī)器人識(shí)別其運(yùn)動(dòng)的前方、左方和右方環(huán)境而提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)距離的信息。

　　1　超聲波測(cè)距原理

　　超聲波發(fā)生器內(nèi)部由兩個(gè)壓電片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，就成為超聲波接收器。超聲波測(cè)距一般有兩種方法：①取輸出脈沖的平均電壓值，該電壓與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)量距離；②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，根據(jù)被測(cè)距離s=vt？2來(lái)得到測(cè)量距離，由于超聲波速度v與溫度有關(guān)，所以如果溫度變化比較大，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?p>　　本測(cè)量系統(tǒng)采用第二種方法，由于測(cè)量精度要求不是特別高，所以可以認(rèn)為溫度基本不變。

　　本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)外圍電路的實(shí)時(shí)控制，并提供給外圍電路所需的信號(hào)，包括頻率振動(dòng)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)等，從而簡(jiǎn)化了外圍電路，且移植性好。系統(tǒng)硬件電路方框圖見(jiàn)圖1。

　　由于本系統(tǒng)只需要清楚機(jī)器人前方、左方、右方是否有障礙物，并不需要知道障礙物與機(jī)器人的具體距離，因此不需要顯示電路，只需要設(shè)定一距離閥值，使障礙物與機(jī)器人的距離達(dá)到某一值時(shí)，單片機(jī)控制機(jī)器人電機(jī)停轉(zhuǎn)，這可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。

　　2　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波的中心頻率為40kHz，該頻率可以通過(guò)以下程序產(chǎn)生（部分源程序）：

　　2.1　超聲波發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路以PIC16F877為核心，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)從RA0口產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，但是此時(shí)該信號(hào)無(wú)法通過(guò)與非門(mén)進(jìn)入放大電路使超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，只有閉合開(kāi)關(guān)S1時(shí)，從RA1口發(fā)射出一門(mén)控信號(hào)，該信號(hào)的頻率為4kHz，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器TMR1，開(kāi)始計(jì)數(shù)。該門(mén)控信號(hào)每發(fā)射一個(gè)周期的波形，超聲波就會(huì)發(fā)射10個(gè)完整的波形，這可由它們的頻率得出。超聲波的周期為1（40kHz）=01025ms，而門(mén)控信號(hào)的周期為1（4kHz）=0125ms。最后根據(jù)s=vt2求出障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的距離。當(dāng)超聲波接收頭收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，時(shí)間t可以根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與門(mén)控信號(hào)的周期求出。RA2口接RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器可以自動(dòng)控制超聲波的發(fā)射和停止。本系統(tǒng)的電路還包括人工復(fù)位電路，由單片機(jī)的MCLR引腳接S2來(lái)控制，超聲波發(fā)射電路圖見(jiàn)圖2。

　　2.2　門(mén)控電路（RS觸發(fā)器）

　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加一門(mén)控電路，該門(mén)控信號(hào)頻率為4kHz，如把輸出脈沖作為閘門(mén)信號(hào)，讓已知頻率fc的脈沖恰好通過(guò)閘門(mén)，那么t=NTc，其中，Tc為已知脈沖的周期，N為脈沖的個(gè)數(shù)。

　　門(mén)控電路由RS觸發(fā)器組成，當(dāng)輸入端R=1（S=0）時(shí)復(fù)位，即輸出端Q=0;當(dāng)R=0（S=1）時(shí)置位，即Q=1。RS觸發(fā)器與單片機(jī)的RA2口相連。