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1 引言 隨著(zhù)電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應用, 電動(dòng)助力轉向系統（Electric Power Steering, 簡(jiǎn)稱(chēng)EPS)越來(lái)越成為目前汽車(chē)電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。與傳統的轉向系統相比，EPS系統結構簡(jiǎn)單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩定性，能動(dòng)態(tài)地適應汽車(chē)行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性。目前, 電動(dòng)助力轉向已部分取代液壓助力轉向并獲得廣泛應用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車(chē)公司，美國的Delphi汽車(chē)系統公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內對EPS 系統的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開(kāi)展了系統結構的方案設計、系統建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實(shí)驗研究階段。國內部分汽車(chē)廠(chǎng)商如重慶長(cháng)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(shí)用程度。 2 EPS系統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(dòng)力轉向系統，結構如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機提供助力，系統主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉角傳感器、車(chē)速傳感器(可與其他系統共用)、直流電機、離合器、電磁繼電器、減速機構和轉向機構等組成。 圖2-1 EPS系統結構圖 2.2 EPS的工作原理 當汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，ECU上電開(kāi)始對EPS系統進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，閉合繼電器和離合器，EPS系統便開(kāi)始工作，當方向盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，位于轉向軸上的轉角傳感器和扭矩傳感器把測得方向盤(pán)上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據這兩個(gè)信號并結合車(chē)速等信息，控制電機產(chǎn)生相應的助力，實(shí)現在全速范圍內最佳控制：在低速行駛時(shí)，減輕轉向力，保證汽車(chē)轉向靈活、輕便，在高速行駛時(shí)，適當增加阻尼控制，保證轉向盤(pán)操作穩重、可靠。 3 基于PIC單片機的ECU系統設計 圖3-1 ECU系統結構原理圖 3.1 ECU工作原理 系統的控制核心為PIC16F877單片機，控制單元結構如圖3-1所示。整個(gè)系統由車(chē)載12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉角、車(chē)速、溫度等傳感器把采集到的信號經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機的相應端口, 單片機根據系統助力特性和相應算法對這些數據分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過(guò)單片機的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過(guò)驅動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機工作。在電動(dòng)機的驅動(dòng)電路上設有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機實(shí)際工作電流通過(guò)電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據相應的控制算法對電機實(shí)現閉環(huán)控制。如EPS系統工作出現異常,單片機將驅動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報警提示，同時(shí)斷開(kāi)繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉為人工手動(dòng)助力模式。 3.2 PIC16F877單片機簡(jiǎn)介 該款機型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結構的單片機，具有高速數據處理的特性(執行速度可達120ns)，PIC16F877內部自帶看門(mén)狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉換功能、2個(gè)脈寬調制CCP模塊、在線(xiàn)燒錄調試（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)機的選擇 無(wú)刷直流電機在控制特性、效率、轉矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢。本項目采用永磁式無(wú)刷直流電機做為驅動(dòng)源。 3.4 扭矩、轉角傳感器的選擇 本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號外，還提供方向盤(pán)位置信號，為回正和阻尼邏輯的開(kāi)發(fā)提供了便利。 3.5 電動(dòng)機驅動(dòng)控制電路的設計 電動(dòng)機驅動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調整電動(dòng)機的轉速和輸出轉矩，從而滿(mǎn)足EPS系統實(shí)時(shí)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制（PWM）控制H橋電路。直流電機PWM控制方式有多種，根據電機工作的實(shí)際需要和系統的整體要求，本項目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開(kāi)關(guān)管同臂導通，運行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開(kāi)關(guān)頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場(chǎng)合。 3.5.1 電機驅動(dòng)電路 電動(dòng)機的驅動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅動(dòng)電路、電機驅動(dòng)線(xiàn)路上的電流傳感器和繼電器構成。 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、能承受較大的驅動(dòng)電流、且具有較長(cháng)的使用壽命，根據電機的功率參數及功率管的極限參數和電特性，我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來(lái)構成H橋電路。 FET基極驅動(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、柵極驅動(dòng)、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉換技術(shù)，大大簡(jiǎn)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，使驅動(dòng)電源數目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統可靠性。 驅動(dòng)電路如圖3-2所示，兩個(gè)IR2109的IN端為驅動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號脈沖輸入端，分別通過(guò)具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口；兩個(gè)SD端分別與單片機的一個(gè)I/O口相連，控制電機停車(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，控制電機轉速；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特性的二極管UF1005。 圖3-2 電機驅動(dòng)電路 3.5.2 電機電流采樣電路 系統進(jìn)行電流采樣有兩方面用途，一是為電動(dòng)機提供保護；二是通過(guò)電流傳感器反饋電樞電流的信號，以便對電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標準電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡(jiǎn)單可靠、阻值穩定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過(guò)的電流，在 PWM 系統中應用相當廣泛。標準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(kāi)關(guān)管 Q1導通并驅動(dòng)功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節點(diǎn)，繼電器節點(diǎn)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(kāi)操作。 圖3-4 繼電器控制電路設計 4 結論 本文在對EPS系統的原理和助力控制過(guò)程的分析基礎上，對 EPS 控制系統的硬件電路進(jìn)行了研究設計，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(chē)電動(dòng)助力轉向系統中,低壓、低速、大電流永磁式無(wú)刷直流電機的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機電流采樣的方法，實(shí)現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計和軟件編程后，按照預定的助力特性曲線(xiàn)，對EPS系統進(jìn)行了臺架試驗，試驗結果表明：電子控制單元信號采集的實(shí)時(shí)性較高，對電機閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個(gè)系統具有良好的電動(dòng)助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。 創(chuàng )新點(diǎn) 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。 |
