汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究

1 引言

????? 隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, 簡稱EPS)越來越成為目前汽車電子技術(shù)研究的熱點之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動態(tài)地適應(yīng)汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性[1]。目前, 電動助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內(nèi)對EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計、系統(tǒng)建模和動力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實驗研究階段。國內(nèi)部分汽車廠商如重慶長安、南昌昌河、東風(fēng)、一汽等與高校聯(lián)合研究，也都處在研制的初級階段，未達到實用程度[2]。

2 EPS系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

2.1 EPS的硬件組成

????? EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機、離合器、電磁繼電器、減速機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。

圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 EPS的工作原理

????? 當(dāng)汽車點火開關(guān)閉合時，ECU上電開始對EPS系統(tǒng)進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開始工作，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動時，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)這兩個信號并結(jié)合車速等信息，控制電機產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠。

3 基于PIC單片機的ECU系統(tǒng)設(shè)計

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，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個系統(tǒng)由車載12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機的相應(yīng)端口, 單片機根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的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，通過驅(qū)動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅(qū)動電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機將驅(qū)動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器、離合器，退出電動助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動助力模式[3]。

3.2 PIC16F877單片機簡介

????? 該款機型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達120ns)，PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個脈寬調(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級深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。

3.3 直流電動機的選擇

????? 無刷直流電機在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢。本項目采用永磁式無刷直流電機做為驅(qū)動源。

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外，還提供方向盤位置信號，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。

3.5 電動機驅(qū)動控制電路的設(shè)計

????? 電動機驅(qū)動控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實時性和可靠性的要求。本項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PWM控制方式有多種，根據(jù)電機工作的實際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運行可靠性高、不需附加延時電路、開關(guān)頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場合。

3.5.1 電機驅(qū)動電路

????? 電動機的驅(qū)動電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動電路、電機驅(qū)動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大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動電流、且具有較長的使用壽命，根據(jù)電機的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個相同的N溝道IRFP250功率管來構(gòu)成H橋電路。

????? FET基極驅(qū)動電路選用MOSFET專用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對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)動電路如圖3-2所示，兩個IR2109的IN端為驅(qū)動H橋同臂上下兩個功率管的信號脈沖輸入端，分別通過具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機的兩個PWM脈沖輸出端口；兩個SD端分別與單片機的一個I/O口相連，控制電機停車操作；每個芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機轉(zhuǎn)速；VB端通過自舉二極管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 電機驅(qū)動電路

3.5.2 電機電流采樣電路

????? 系統(tǒng)進行電流采樣有兩方面用途，一是為電動機提供保護；二是通過電流傳感器反饋電樞電流的信號，以便對電樞電流進行閉環(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把采樣信號放大10的n倍送至單片機相應(yīng)端口，具體電路如圖3-3。

圖3-3 電機電流采樣電路

3.6 繼電器控制電路

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

圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計

4 結(jié)論

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

創(chuàng)新點

????? 1、采用PIC16F877單片機為電子控制單元核心。

　　2、采用受限單極可逆PWM控制模式控制直流電機。