汽車電動助力轉向系統電控單元的研究

1 引言

????? 隨著電子控制技術的發展及其在汽車領域的廣泛應用, 電動助力轉向系統（Electric Power Steering, 簡稱EPS)越來越成為目前汽車電子技術研究的熱點之一。與傳統的轉向系統相比，EPS系統結構簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩定性，能動態地適應汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環保、節能、易于維修等方面也充分顯示了其優越性[1]。目前, 電動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、三菱、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統公司，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、合肥工大等高校開展了系統結構的方案設計、系統建模和動力學分析等研究，但處在理論探索、實驗研究階段。國內部分汽車廠商如重慶長安、南昌昌河、東風、一汽等與高校聯合研究，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

????? 當汽車點火開關閉合時，ECU上電開始對EPS系統進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統便開始工作，當方向盤轉動時，位于轉向軸上的轉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根據這兩個信號并結合車速等信息，控制電機產生相應的助力，實現在全速范圍內最佳控制：在低速行駛時，減輕轉向力，保證汽車轉向靈活、輕便，在高速行駛時，適當增加阻尼控制，保證轉向盤操作穩重、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。整個系統由車載12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經過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，并通過單片機的PWM口發出脈沖指令和相應的換向控制端口發出換向指令，通過驅動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅動電路上設有電流傳感器，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，單片機再根據相應的控制算法對電機實現閉環控制。如EPS系統工作出現異常,單片機將驅動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內部自帶看門狗定時器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉換功能、2個脈寬調制CCP模塊、在線燒錄調試（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、轉矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優勢。本項目采用永磁式無刷直流電機做為驅動源。

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，還提供方向盤位置信號，為回正和阻尼邏輯的開發提供了便利。

3.5 電動機驅動控制電路的設計

????? 電動機驅動控制電路必須能夠高精度、快速地調整電動機的轉速和輸出轉矩，從而滿足EPS系統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，主要優點在于可以避免開關管同臂導通，運行可靠性高、不需附加延時電路、開關頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉動慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場合。

3.5.1 電機驅動電路

????? 電動機的驅動電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅動電路、電機驅動線路上的電流傳感器和繼電器構成。

????? 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特性、能承受較大的驅動電流、且具有較長的使用壽命，根據電機的功率參數及功率管的極限參數和電特性，我們采用四個相同的N溝道IRFP250功率管來構成H橋電路。

????? FET基極驅動電路選用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、柵極驅動、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉換技術，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，使驅動電源數目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統可靠性[4]。

????? 驅動電路如圖3-2所示，兩個IR2109的IN端為驅動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特性的二極管UF1005。

圖3-2 電機驅動電路

3.5.2 電機電流采樣電路

????? 系統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控制。標準電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡單可靠、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CPU端口PSP0輸出后，開關管 Q1導通并驅動功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節點，繼電器節點閉合后可給電機、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 繼電器控制電路設計

4 結論

????? 本文在對EPS系統的原理和助力控制過程的分析基礎上，對 EPS 控制系統的硬件電路進行了研究設計，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機；探索了在汽車電動助力轉向系統中,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，實現了對直流電機輸出扭矩的閉環控制。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，對EPS系統進行了臺架試驗，試驗結果表明：電子控制單元信號采集的實時性較高，對電機閉環控制的跟隨性較好，整個系統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。