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汽車電動助力轉向系統(tǒng)控制單元的開發(fā) 曾群 南昌大學信息工程學院，南昌，中國，電子郵箱：zengqun@ncu.edu.cn 黃巨華 南昌大學機電工程學院，南昌，中國，電子郵箱：huangjuhua@163.com 摘要:電動助力轉向系統(tǒng)使用電動馬達，提供必要的控制驅動程序。EPS系統(tǒng)采用變量協(xié)助，當車輛速度減小時，它提供多的助力，相反的，當車輛速度增大時，它提供少的助力。此功能今幾年才可用，需要動力和控制間微妙的平衡。EPS系統(tǒng)已被用來取代傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)（HPS），EPS系統(tǒng)廣泛用于高端和低端汽車，它注定很快成為主流來制造汽車。在本文中，控制單元與直流電動機協(xié)助EPS系統(tǒng)。再加上相應的軟件開發(fā)，硬件電路，可以有效地滿足電動助力轉向系統(tǒng)的需求。 關鍵詞：電動助力轉向系統(tǒng)；控制單元：邏輯電路；驅動電路；汽車 Ⅰ.簡介 大多數現代汽車都裝有電動助力轉向系統(tǒng)來增加汽車的操控性能并降低方向盤上的輸入扭矩，因為當汽車前軸負荷越大，需要手動轉向盤轉動車輪的力越大。電動助力轉向系統(tǒng)將要在轉向市場上扮演重要的角色，因為他們更高的助力性能，更高的可靠性和低價格[1]。 圖1. EPS的結構 EPS系統(tǒng)的效率優(yōu)勢是，只有需要用到的時候它才會被激活。因此，相比配備了傳統(tǒng)的HPS系統(tǒng)[2][3]的車輛可以降低約3-5%的油耗。方向盤轉矩傳感器和車速傳感器輸入信號；電動馬達驅動器輸出信號，EPS協(xié)助轉向。 汽車的電動助力轉向由EPS的電子控制單元(ECU)控制。EPS系統(tǒng)在小型汽車上廣泛使用，因為它們代替了動力轉向助力器模塊。這種結果節(jié)省重量和空間同時提高了燃油經濟性。EPS是一個復雜的系統(tǒng)，采用傳感器不斷測量車輪扭矩，以保持車輛的路徑。通過不斷復位，以適應不斷變化的路面情況或車輛轉彎。 根據輔助直流電動機的布置，EPS分為三種形式：協(xié)助列類型EPS(C-EPS),協(xié)助齒輪類型EPS(P-EPS),和協(xié)助機架類型EPS(R-EPS)。C-EPS的硬件結構如圖1所示。 C-EPS系統(tǒng)的車輛，如汽車和卡車通常包括方向盤，電動馬達，控制器，一個或多個傳感器，轉向軸和轉向齒輪裝配。舵機組件可以是一個齒輪齒條式，循環(huán)球式轉向齒輪傳動裝置或任何其他合適的轉向器裝配。電動機通常通過螺紋連接馬達和蝸輪連接加上轉向軸，一個扭矩傳感器提供反饋信號給控制器。反饋信號所需要的驅動程序是轉動方向盤。隨著驅動的增加，電動機的蝸輪旋轉并帶動其他的蝸輪旋轉。蝸輪連接在轉向軸上減少了轉動方向盤所需要的驅動力。在本文中，根據電動助力轉向控制系統(tǒng)的特點，我們設計的硬件系統(tǒng)是采用單片機MC9S12DP256B。C-EPS的目的是使轉向更安全，更方便。 Ⅱ.控制單元的整體設計 在我們設計EPS的電控單元之前，知道這個系統(tǒng)的整體結構是重要的。EPS的控制單元主要包括兩個模塊：邏輯電路模塊和功率驅動模塊，如圖2所示。 圖2. ECU模塊 邏輯電路模塊由三部分組成：最小單片機系統(tǒng)，外部信號處理電路和驅動信號分配電路。功率驅動模塊由兩部分組成：直流電動機和H橋驅動電路，包括H橋[6][7]。外部信號處理電路接收傳感器信號，包括轉向信號，電流信號和開關信號，然后通過A/D端口或其他I/O端口把這些信號轉換成合適的形式給單片機。該電路在輸入噪聲信號抑制也起著重要作用。 最小單片機系統(tǒng)指單片機能夠正常運行的最低配置。這里我們主要定義它為必要的I/O端口和芯片硬件。驅動信號分配電路過程是從MCU的PWM信號，然后發(fā)送到電機驅動芯片PWM或脈沖寬度調制是指迅速脈沖數字信號在電路上模擬不同電壓的概念。這種方法通常用于驅動不同強度或速度的電機，取暖機或燈。 H橋驅動電路實現了MOSFET的開關控制和一些保護功能。H橋由四個N溝道MOSFET組成。它的功能是控制直流電動機旋轉。 EPS控制器的硬件結構如圖3所示。 圖3. EPS的硬件邏輯圖 它顯示了典型車輛上的EPS控制器的結構。MCU接受轉矩傳感器和速度傳感器信號，通過驅動電路來驅動馬達計算當前電機的需求。馬達的能量是由外部繼電器和電機驅動電路。連接到EPS的所有傳感器和執(zhí)行器由單片機控制。一旦系統(tǒng)異常，ECU警告燈將被點亮，發(fā)出警報信號，然后通過中斷電路切斷電源來阻止事故。單片機的輸入信號包括扭矩傳感器，角度傳感器，車速傳感器，發(fā)動機轉速，電池電壓和通過直流電動機的反饋電流。單片機的輸出信號時PWM信號，根據電機的實際需要改變占空比。 另外的，電機有一個離合控制電路。它是用來在減速機構萬一失效的情況下斷開電機的。 Ⅲ.微處理器的選擇 飛思卡爾MC9S12DP256B微控制器單元是一個由標準片上外設組成的16位設備，包括一個16位中央處理單元（HCS12系列的CPU），256字節(jié)的閃存EEPROM，12.0K字節(jié)的RAM，4.0K字節(jié)的EEPROM，兩個異步串行通信接口(SCI)，三個串行外設接口(SPI)，一個8通道的IC/IO增強型捕捉定時器，兩個8通道10位模數轉換器(ADC)，一個8通道脈沖寬度調制器(PWM)，89離散數字I/O通道（端口A，端口B，端口K和端口E），20個離散數字I/O線帶中斷和開啟功能,五個A,B軟件兼容模塊(MSCAN12)和一條總線。這一系列的飛思卡爾芯片被廣泛應用于汽車電子領域。單片機的功能和特點是適合于EPS系統(tǒng)的。圖4顯示了MC9S12DP256B設備的圖框。 圖4. MC9S12DP256B設備圖框 該系統(tǒng)資源映射中斷控制和總線接口管理系統(tǒng)集成模塊(SIM)。MC9S12DP256B有完整的16位數據路徑。然而，外部總線可以工作在8位窄模式，所以單一的8位寬度的存儲器可以是成本較低的系統(tǒng)。PLL電路允許功耗和性能能進行調整，以適應運行需求。 Ⅳ.直流電動機的驅動電路設計 直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機驅動電路對系統(tǒng)設計是非常重要的。在這個系統(tǒng)中，我們使用脈沖寬度調制技術控制H橋電路，這個是由四個MOSFET[8][9]組成的。 當EPS系統(tǒng)工作時，它需要電機正方向和反方向運行，所以我們需要H橋電路來實現，H橋電路系統(tǒng)如圖5所示。這個電路有四個MOSFET(V1~V4)和四個連續(xù)二極管(VD1~VD4)組成。當電機左轉，電流從+US流經電機和V4流入負極。當電機右轉，電流反方向流。 圖5. H橋電路 由于它的最大工作電壓為12伏，它的最大電流為20安培，我們選擇IRF3205，它是高速N通道MOS，它的額定電流是110安培。 MOSFET更好的工作狀態(tài)顯示的它的高性能，它減少了開關時間，開關功耗，提高了電源轉換電路的運行效率。MOSFET有三種驅動形式：變壓器驅動，直接驅動和光耦隔離驅動。變壓器驅動能隔離驅動信號，動力損失非常小。但是它的頻率受限制，不利于PWM信號傳輸。直接驅動的方式適用于小容量和MOSFET不受保護的場合。光耦合器隔離的驅動方式需要光耦合器具有更高的速度，對電源電壓具有更高的絕緣承受能力和較大的共同抑制比。我們選擇IR2130作為全橋驅動。IR2130芯片是一種高電壓高速功率的MOSFET和帶三個獨立的高端與低端IGBT驅動器參考輸出通道。 它采用高集成度的電頻轉換技術，它大大簡化了功率器件的邏輯電路的要求，同時它也提高了驅動電路的可靠性。它可以用來驅動MOSFET或IGBT，總線電壓不高于600伏，最大正向峰值輸出驅動電流是250MA，而反向峰值電流為500MA。IR2130經常被用來驅動BLDC電機，但是它也能被用來驅動BDC電機。 當IR2130在正常工況下，6通道脈沖輸入信號被分為兩組。L1~L3信號通過輸出驅動放大器功率器件直接驅動低的電橋。信號H1~H3先通過IR2130內部脈沖處理器和被三電平轉換器轉換成3路潛在的驅動脈沖，然后通過3路輸出鎖存。最后經過功率放大器之后，這些信號被發(fā)送到相應的MOSFET。 一旦負載電流過大，從目前檢測到的單元電壓大于0.5伏，IR2130內部電流將迅速扭轉，從而使故障輸出邏輯處理單元降低，阻止3路脈沖信號處理器的輸出，所以整個IR2130輸出低，從而能保護功率管。在另一方面，IR2130的錯誤腳本在同一時間給出故障指示。如果電源輸送的電壓低，IR2130的電壓檢測器將會翻轉，它也進行了類似的行動[10]。 當IR2130是受保護的，故障邏輯處理單元的輸出將保持故障狀態(tài)。當故障信號消失，輸入信號LIN1~LIN3設置為高，我們可以清楚故障狀況。當自舉電源電壓IR2130驅動供給橋臂管低，驅動信號探測器迅速采取行動，阻止輸出路徑以避免損壞。當H橋臂的兩個相同的功率器件同時接收高的輸入信號時，從IR2130輸出的兩路驅動信號將會變低，從而避免了直接流經橋臂的情況發(fā)生。 帶IR2130的電機驅動電路如圖6所示。從MCU的PWM信號被發(fā)送到IR2130芯片內部端口HO1和LO2直接控制MOSFET的V1和V4。通過反相芯片(74LS04)的PWM信號被發(fā)送到端口HO2和LO1控制MOSFET的V2和V3。PWM信號同時控制四個MOSFET,在這里我們使用雙極性PWM控制模式。當占空比介于0和50%時，電機左轉。當占空比等于50%時，電機停止。當占空比大于50%時，電機右轉[11][12]。 在電機驅動電路中，KF157和IN4007是高速二極管，電阻R1~R4是用來限制MOSFET的驅動電流，我們在這里選擇的阻止是10~30歐姆。直流電動機連接MOC+和MOC-。 圖6. 驅動電路 C4被稱為外部自舉電容，它的值大約是0.1uf~2uf，我們建議使用鉭電容。 自舉電容值可以由下式得到： 這里： ：高端設備的柵極電荷。 F：工作頻率。 (max)：高端設備的最大靜態(tài)電流。 ：在每個周期中的電平轉換電路要求。 (leak)：自舉電容的電流。 ：電源電壓。 ：自舉二極管的正向壓降。 ：低端設備或高端負載電壓。 五：結論 因為MC9S12DP256B許多強大的功能，以及其豐富的芯片資源，通常，我們?yōu)榱说玫竭M一步的應用，只需增加一些簡單的外圍電路。 開發(fā)的硬件電路能有效地滿足電動助力轉向系統(tǒng)的需要。 然而，電動助力轉向系統(tǒng)的設計不只是依賴車輛的速度和扭矩信號，轉向角，轉向速度，橫向加速度，前軸電信號這些因素需要被考慮來提高EPS系統(tǒng)的系能。 在本文中，電動助力轉向系統(tǒng)放大電路的設計和它的過程的設計是經過討論的。為了獲得良好的控制效果，相應的軟件設計是必要的。 EPS系統(tǒng)在發(fā)動機效率，空間效率和環(huán)境兼容性方面比傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)有許多優(yōu)勢。 汽車技術的發(fā)展趨勢是汽車產品電氣化。越來越多的電子控制裝置將被應用于汽車領域。線控轉向(SBW)是EPS的發(fā)展方向。 致謝 這項工作的財政支持是由江西省政府和南昌大學提供的。 參考文獻 [1] 田中.EPS電控轉矩的主動轉向性.AVEC’04,pp.501-506. 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