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汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元的開發(fā)
曾群 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌，中國，電子郵箱：zengqun@ncu.edu.cn
黃巨華 南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌，中國，電子郵箱：huangjuhua@163.com
摘要:電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用電動馬達(dá)，提供必要的控制驅(qū)動程序。EPS系統(tǒng)采用變量協(xié)助，當(dāng)車輛速度減小時，它提供多的助力，相反的，當(dāng)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(zhuǎn)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(jī)協(xié)助EPS系統(tǒng)。再加上相應(yīng)的軟件開發(fā)，硬件電路，可以有效地滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。
關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；控制單元：邏輯電路；驅(qū)動電路；汽車
Ⅰ.簡介
大多數(shù)現(xiàn)代汽車都裝有電動助力轉(zhuǎn)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(dāng)汽車前軸負(fù)荷越大，需要手動轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動車輪的力越大。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將要在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)
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(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器輸入信號；電動馬達(dá)驅(qū)動器輸出信號，EPS協(xié)助轉(zhuǎn)向。
汽車的電動助力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向助力器模塊。這種結(jié)果節(jié)省重量和空間同時提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。EPS是一個復(fù)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(fù)位，以適應(yīng)不斷變化的路面情況或車輛轉(zhuǎn)彎。
根據(jù)輔助直流電動機(jī)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(jī)架類型EPS(R-EPS)。C-EPS的硬件結(jié)構(gòu)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(dá)，控制器，一個或多個傳感器，轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向齒輪裝配。舵機(jī)組件可以是一個齒輪齒條式，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向齒輪傳動裝置或任何其他合適的轉(zhuǎn)向器裝配。電動機(jī)通常通過螺紋連接馬達(dá)和蝸輪連接加上轉(zhuǎn)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(qū)動程序是轉(zhuǎn)動方向盤。隨著驅(qū)動的增加，電動機(jī)的蝸輪旋轉(zhuǎn)并帶動其他的蝸輪旋轉(zhuǎn)。蝸輪連接在轉(zhuǎn)向軸上減少了轉(zhuǎn)動方向盤所需要的驅(qū)動力。在本文中，根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的特點，我們設(shè)計的硬件系統(tǒng)是采用單片機(jī)MC9S12DP256B。C-EPS的目的是使轉(zhuǎn)向更安全，更方便。
Ⅱ.控制單元的整體設(shè)計
在我們設(shè)計EPS的電控單元之前，知道這個系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(qū)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(jī)系統(tǒng)，外部信號處理電路和驅(qū)動信號分配電路。功率驅(qū)動模塊由兩部分組成：直流電動機(jī)和H橋驅(qū)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(zhuǎn)向信號，電流信號和開關(guān)信號，然后通過A/D端口或其他I/O端口把這些信號轉(zhuǎn)換成合適的形式給單片機(jī)。該電路在輸入噪聲信號抑制也起著重要作用。
最小單片機(jī)系統(tǒng)指單片機(jī)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(qū)動信號分配電路過程是從MCU的PWM信號，然后發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動芯片PWM或脈沖寬度調(diào)制是指迅速脈沖數(shù)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(qū)動不同強(qiáng)度或速度的電機(jī)，取暖機(jī)或燈。
H橋驅(qū)動電路實現(xiàn)了MOSFET的開關(guān)控制和一些保護(hù)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(jī)旋轉(zhuǎn)。
EPS控制器的硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。MCU接受轉(zhuǎn)矩傳感器和速度傳感器信號，通過驅(qū)動電路來驅(qū)動馬達(dá)計算當(dāng)前電機(jī)的需求。馬達(dá)的能量是由外部繼電器和電機(jī)驅(qū)動電路。連接到EPS的所有傳感器和執(zhí)行器由單片機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，電池電壓和通過直流電動機(jī)的反饋電流。單片機(jī)的輸出信號時PWM信號，根據(jù)電機(jī)的實際需要改變占空比。
另外的，電機(jī)有一個離合控制電路。它是用來在減速機(jī)構(gòu)萬一失效的情況下斷開電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)片上外設(shè)組成的16位設(shè)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(shè)接口(SPI)，一個8通道的IC/IO增強(qiáng)型捕捉定時器，兩個8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，一個8通道脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，89離散數(shù)字I/O通道（端口A，端口B，端口K和端口E），20個離散數(shù)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(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域。單片機(jī)的功能和特點是適合于EPS系統(tǒng)的。圖4顯示了MC9S12DP256B設(shè)備的圖框。
圖4. MC9S12DP256B設(shè)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(shù)據(jù)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(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)運行需求。
Ⅳ.直流電動機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計
直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)驅(qū)動電路對系統(tǒng)設(shè)計是非常重要的。在這個系統(tǒng)中，我們使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制H橋電路，這個是由四個MOSFET[8][9]組成的。
當(dāng)EPS系統(tǒng)工作時，它需要電機(jī)正方向和反方向運行，所以我們需要H橋電路來實現(xiàn)，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(dāng)電機(jī)左轉(zhuǎn)，電流從+US流經(jīng)電機(jī)和V4流入負(fù)極。當(dāng)電機(jī)右轉(zhuǎn)，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(guān)時間，開關(guān)功耗，提高了電源轉(zhuǎn)換電路的運行效率。MOSFET有三種驅(qū)動形式：變壓器驅(qū)動，直接驅(qū)動和光耦隔離驅(qū)動。變壓器驅(qū)動能隔離驅(qū)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(qū)動的方式適用于小容量和MOSFET不受保護(hù)的場合。光耦合器隔離的驅(qū)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(qū)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(qū)動器參考輸出通道。
它采用高集成度的電頻轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(qū)動電路的可靠性。它可以用來驅(qū)動MOSFET或IGBT，總線電壓不高于600伏，最大正向峰值輸出驅(qū)動電流是250MA，而反向峰值電流為500MA。IR2130經(jīng)常被用來驅(qū)動BLDC電機(jī)，但是它也能被用來驅(qū)動BDC電機(jī)。
當(dāng)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(qū)動放大器功率器件直接驅(qū)動低的電橋。信號H1~H3先通過IR2130內(nèi)部脈沖處理器和被三電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成3路潛在的驅(qū)動脈沖，然后通過3路輸出鎖存。最后經(jīng)過功率放大器之后，這些信號被發(fā)送到相應(yīng)的MOSFET。
一旦負(fù)載電流過大，從目前檢測到的單元電壓大于0.5伏，IR2130內(nèi)部電流將迅速扭轉(zhuǎn)，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(hù)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(zhuǎn)，它也進(jìn)行了類似的行動[10]。
當(dāng)IR2130是受保護(hù)的，故障邏輯處理單元的輸出將保持故障狀態(tài)。當(dāng)故障信號消失，輸入信號LIN1~LIN3設(shè)置為高，我們可以清楚故障狀況。當(dāng)自舉電源電壓IR2130驅(qū)動供給橋臂管低，驅(qū)動信號探測器迅速采取行動，阻止輸出路徑以避免損壞。當(dāng)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(qū)動信號將會變低，從而避免了直接流經(jīng)橋臂的情況發(fā)生。
帶IR2130的電機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示。從MCU的PWM信號被發(fā)送到IR2130芯片內(nèi)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(dāng)占空比介于0和50%時，電機(jī)左轉(zhuǎn)。當(dāng)占空比等于50%時，電機(jī)停止。當(dāng)占空比大于50%時，電機(jī)右轉(zhuǎn)[11][12]。
在電機(jī)驅(qū)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(qū)動電流，我們在這里選擇的阻止是10~30歐姆。直流電動機(jī)連接MOC+和MOC-。
圖6. 驅(qū)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(shè)備的柵極電荷。
F：工作頻率。
(max)：高端設(shè)備的最大靜態(tài)電流。
：在每個周期中的電平轉(zhuǎn)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(shè)備或高端負(fù)載電壓。
五：結(jié)論
因為MC9S12DP256B許多強(qiáng)大的功能，以及其豐富的芯片資源，通常，我們?yōu)榱说玫竭M(jìn)一步的應(yīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。
然而，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計不只是依賴車輛的速度和扭矩信號，轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)放大電路的設(shè)計和它的過程的設(shè)計是經(jīng)過討論的。為了獲得良好的控制效果，相應(yīng)的軟件設(shè)計是必要的。
EPS系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)向系統(tǒng)有許多優(yōu)勢。
汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢是汽車產(chǎn)品電氣化。越來越多的電子控制裝置將被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。線控轉(zhuǎn)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(xué)提供的。
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