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電動(dòng)助力轉向系統(EPS)是汽車(chē)工程領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一，目前研究的主要內容為EPS系統的控制規則和硬件控制器(ECU)的設計，而控制規則的實(shí)現必須以一個(gè)穩定、可靠的控制器為基礎�，F有的控制器多數基于功能增強的8位單片機，也有的用DSP。目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統開(kāi)發(fā)的核心是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。ARM處理器因其具有突出的優(yōu)點(diǎn)在32位微控制器領(lǐng)域里得到非常廣泛的應用,在32位嵌入式系統應用中穩居世界第一。在汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域，從車(chē)身控制、底盤(pán)控制、發(fā)動(dòng)機管理、主被動(dòng)安全系統到車(chē)載娛樂(lè )、信息系統等，都離不開(kāi)嵌入式技術(shù)的支持，因此，ARM處理器在汽車(chē)電子領(lǐng)域有著(zhù)良好的應用前景。本文研究了電動(dòng)助力轉向系統(EPS)及其控制器(ECU)的結構和工作原理，并在此基礎上研究了基于A(yíng)RM S3C44B0X單片機的電動(dòng)助力轉向控制系統。 1 EPS工作原理 圖1是一個(gè)典型的電動(dòng)助力轉向系統原理圖。當汽車(chē)轉向時(shí)，轉矩傳感器測出方向盤(pán)的輸出轉矩，送給控制器ECU，控制器再綜合由車(chē)速傳感器送來(lái)的車(chē)速信號，并根據相應的控制策略確定一個(gè)目標電流，控制電動(dòng)機轉動(dòng)。電動(dòng)機的輸出轉矩通過(guò)離合器、減速機構施加給轉向柱輸出軸，并經(jīng)過(guò)齒輪齒條等轉向機構的作用使車(chē)輪偏轉一定的角度，從而起到對轉向系統的助力作用。 2 控制器的結構和原理 控制器主要由A/D采集電路、H橋電機控制電路和系統保護電路等組成，其結構如圖2所示。當車(chē)輛啟動(dòng)后，系統接收到點(diǎn)火信號，開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，采集轉矩信號和車(chē)速信號并送給單片機。根據已定的控制規則，由系統確定一個(gè)目標電流和電機轉動(dòng)的方向，并以PWM調制的方式通過(guò)H橋電路來(lái)驅動(dòng)電機轉動(dòng)。同時(shí)，系統對電機的輸出電流進(jìn)行采樣，一方面將采樣結果與目標電流相比較，用以對電機進(jìn)行控制；另一方面結合車(chē)速信號，用以對系統的保護。當電機電流大于設定值或車(chē)速高于設定值時(shí)，為了保護電機和系統的安全，控制器將對繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號，斷開(kāi)電機電源，停止助力，待系統正常后，再恢復助力功能。 3 控制器的設計 本文設計的控制器采用32位的ARM S3C44B0X單片機作為控制器的核心，由于S3C44B0X單片機集成了豐富的硬件資源，使得電路設計大為簡(jiǎn)化，提高了系統的可靠性，同時(shí)也為系統將來(lái)的擴展和升級留有一定余地。方向控制信號和PWM信號相結合，經(jīng)光耦加載到H橋驅動(dòng)電路，控制電機的運行狀態(tài)，電路簡(jiǎn)單易行。脈寬調制方式采用單極性PWM，避免了MOS管直通的可能性，不僅可靠，脈寬占空比也易于調整。 3.1 ARM S3C44B0X介紹 SUMSUNG公司的S3C44B0X是基于A(yíng)RM7 TDMI的體系結構，并在此基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，主要有：8KB的Cache,外部擴充存儲控制器，LCD控制器，2個(gè)UART，5個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內部定時(shí)器，8路10位ADC，71個(gè)通用可編程I/O口，8個(gè)外部中斷源及看門(mén)狗定時(shí)器。同時(shí)，ARM單片機支持C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，有利于系統控制軟件的開(kāi)發(fā)和調試。 3.2 A/D數據的采集 S3C44B0X采用的是逐次逼近式10位ADC，輸入電壓范圍為0~2.5V，轉換精度為2.5V/210=2.4mV。對于轉矩傳感器，其輸出電壓范圍為0~5V，所以只需對信號進(jìn)行低通濾波處理和分壓處理。對于電機的采樣電流，由于有正負區別，還應通過(guò)電平轉換使其成為正電壓。其電路如圖3所示。其中，R1的作用是將霍爾傳感器的輸出信號(0~50mA)轉換成相應的電壓信號。 3.3電機控制電路 電機的控制電路由方向控制電路和光耦隔離MOSFET H橋電機驅動(dòng)電路組成。電機驅動(dòng)電路原理如圖4所示。T1、T2、T3、T4為光耦部件，一方面用于系統強電和弱電的隔離，另一方面用于驅動(dòng)MOSFET部件。所以在選擇光耦型號時(shí)，應選擇輸出功率較強的光耦(如TLP250，其輸出電流最大可達1.5A)。電機的PWM控制信號和方向控制信號都是經(jīng)光耦后加載到MOSFET部件的。當T1和T4導通、T2和T3關(guān)斷時(shí)，對應的Q1、Q2導通，Q2、Q3關(guān)斷，電機電流經(jīng)Q1、MOTOR、Q4流向地，此時(shí)電機正轉；電機反轉時(shí)，器件的通斷情況正好相反。 方向控制電路主要由與門(mén)和或非門(mén)組成，其電路原理如圖5所示。U1、U2、U3、U6為與門(mén)，U4、U5為或非門(mén)，系統采用單極性PWM調制方式，D1、D2為方向控制信號。D1、D2共有四種組合。11時(shí)電機正轉，00時(shí)電機反轉，01和10時(shí)電機停止。當D1、D2為11時(shí)，與門(mén)U1、U2輸出高電平，其中，U2的信號用于驅動(dòng)光耦T4，開(kāi)啟MOS管Q4。U3根據PWM信號和U1的信號驅動(dòng)光耦T1，開(kāi)啟MOS管Q1，即Q1、Q4導通。此時(shí)，或非門(mén)U4、U5和與門(mén)U6的輸出為低電平，光耦T2、T3截止，MOS管Q2、Q3關(guān)斷，電機正轉。當D1、D2為00時(shí)，情況正好相反，T1、T4截止,Q1、Q2關(guān)斷，T2、T3開(kāi)啟，Q2、Q3導通，電機反轉。 3.4 電路的保護設計 保護電路主要由MOSFET緩沖電路和系統的繼電器保護電路組成。開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中可能同時(shí)承受過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)大的di/dt、du/dt以及過(guò)大的瞬時(shí)功率，緩沖電路就是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中保護開(kāi)關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護措施。本設計采用的是RCD充、放電緩沖電路，如圖6所示。當MOSFET關(guān)斷時(shí)，經(jīng)二極管D向電容C充電，由于二極管正向導通時(shí)壓降很小，所以關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓吸收效果與電容的吸收效果相當。當MOSFET開(kāi)通時(shí)，電容C通過(guò)電阻R放電，限制了MOSFET中的開(kāi)通尖峰電流。RCD緩沖電路能有效地改善開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特性，減小開(kāi)關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。 繼電器保護電路主要是用于電機的過(guò)流保護并確保EPS在設定的車(chē)速范圍內工作。ECU通過(guò)對電機電流的采樣來(lái)確保電機工作在額定電流范圍內。一旦電機電流高于設定的保護值，或車(chē)速超出設定范圍，ECU就會(huì )向繼電器發(fā)出一個(gè)關(guān)斷信號，切斷電機的電源，停止助力。 4 系統控制策略及仿真 國內外學(xué)者研究了不同的EPS控制策略，如PID控制[5～6]、H_∞魯棒控制、模糊控制等。由于轉矩信號和車(chē)速信號的輸入特點(diǎn)非常適合采用模糊控制，而PD控制則具有較好的控制性能，因而綜合這兩種方法的特點(diǎn)，本文采用了模糊PD控制策略。其控制結構框圖如圖7所示。 這里，系統輸入為地面反作用力矩，Tsw為方向盤(pán)把持力矩，Kp為PD控制的比例系數，Kd為PD的微分系數，Ia為目標電流，Tm為電機輸出轉矩。模糊控制器通過(guò)對轉矩傳感器信號的采集，在線(xiàn)整定Kp、Kd參數，用于PD控制，再由PD控制來(lái)確定系統的目標電流。在MATLAB環(huán)境下應用上述控制策略對EPS系統進(jìn)行原地轉向仿真，給定如圖8所示的轉向盤(pán)轉向力矩的輸入曲線(xiàn)，設定系統電流上限為30A。經(jīng)過(guò)仿真計算得到的EPS系統對該輸入的電流響應如圖9所示。 從仿真結果可以看出，采用該種控制策略，電動(dòng)機輸出電流對方向盤(pán)輸入轉矩有較好的跟蹤性能，說(shuō)明本文研究的模糊PD控制策略具有良好的助力效果。 |
