汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究及設(shè)計(jì)

　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其性能直接影響著汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。早期的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，沒有助力，轉(zhuǎn)向動力完全由駕駛員提供，駕駛體驗(yàn)差。從上世紀(jì)30年代以后，逐漸出現(xiàn)了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，汽車助力轉(zhuǎn)向主要有3種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，HPS)，電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System，EPS)。相比前兩種，EPS由電機(jī)提供輔助力矩，沒有油系統(tǒng)，很大程度降低了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環(huán)境友好性等各方面具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)EPS助力電機(jī)在齒輪和轉(zhuǎn)向柱總成上位置的不同，EPS系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪助力式4種類型。小齒輪和轉(zhuǎn)向柱助力式應(yīng)用于輕型車輛，雙小齒輪助力式應(yīng)用于重型車輛。它們在構(gòu)成上都具有3個(gè)基本部件：電控單元(Electrie Control Unit，ECU)、助力電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器。文中針對小型轎車，以美國Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DP256為核心進(jìn)行了EPS控制器的設(shè)計(jì)。

　　1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由方向盤、扭矩傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器組成。在汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，由安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器測得轉(zhuǎn)向力矩，并送給ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩和車速，通過預(yù)先設(shè)置好的助力特性曲線和控制策略計(jì)算出一個(gè)電機(jī)所需的最佳電流，從而控制電機(jī)輸出力矩和轉(zhuǎn)動方向，然后經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)施加到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，最終得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向。

　　2 控制策略

　　2.1 EPS模型建立

　　根據(jù)牛頓定律，可建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

　　其中：Th為方向盤輸入轉(zhuǎn)矩，Js為轉(zhuǎn)向柱、盤總成轉(zhuǎn)動慣量，Bs為輸入軸阻尼系數(shù)，Ks為力矩傳感器剛度系數(shù)，Tm電機(jī)輸出力矩，Km為助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)，Jm為助力電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，Bm為助力電機(jī)阻尼系數(shù)，M為齒條質(zhì)量，Br為齒條和轉(zhuǎn)向輪粘性阻尼系數(shù)，Kr為齒條當(dāng)量剛度，G為助力機(jī)構(gòu)傳動比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤轉(zhuǎn)角，θm為電機(jī)轉(zhuǎn)角，xr為齒條位移，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)向阻力。

　　2.2 助力特性曲線設(shè)計(jì)

　　EPS助力特性是駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩和電機(jī)助力力矩(助力電流)之間的關(guān)系。汽車在行駛過程中，轉(zhuǎn)向阻力隨著車速的增加而降低。為了獲得汽車低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向的輕便性和高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，在同種行駛狀況下，電機(jī)助力力矩隨著車速的升高而減小，并在車速超出一定范圍時(shí)，電機(jī)不進(jìn)行助力。常見的助力特性曲線有3種：直線型、折線型和曲線型。直線型助力特性曲線形式簡單，實(shí)際中容易調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)。因此，文中采用直線型助力特性進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。直線型助力特性可表示為如下函數(shù)關(guān)系：

　　其中：Th為電機(jī)目標(biāo)力矩，f(v)為車速感應(yīng)系數(shù)，Tmax為電機(jī)最大助力力矩，Td0為開始助力時(shí)駕駛員輸入最小力矩，Tdmax為電機(jī)提供最大助力時(shí)駕駛員輸入力矩。

　　助力特性參數(shù)確定：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6Nm，Thmax=21Nm。車速感應(yīng)系數(shù)按照表1所示規(guī)則確定(最終需要實(shí)車測試后進(jìn)行修正)，車速超過80 km/h時(shí)，電機(jī)不進(jìn)行助力。

　　根據(jù)上述參數(shù)，助力特性曲線設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　電機(jī)目標(biāo)電流可以由式(8)獲得：

　　式中，ki為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，G為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動比。

　　2.3 控制算法

　　EPS系統(tǒng)控制是對電機(jī)電流大小和方向的控制。其控制算法的好壞直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。本文采用目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的PID控制算法。PID控制穩(wěn)定性和可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、且控制與調(diào)試方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適合用于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。因此，PID控制是現(xiàn)階段EPS控制系統(tǒng)主要的控制策略。

　　PID控制的表達(dá)式可表示為：

　　其中：r(t)為助力電機(jī)電流目標(biāo)值，y(t)是控制系統(tǒng)實(shí)際輸出值，u(t)為PID控制器的輸出信號，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。EPS控制系統(tǒng)的核心是采用數(shù)字信號的單片機(jī)。因此，需要對式(10)進(jìn)行如下處理：

　　為了減小計(jì)算量，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)采用增量式PID控制，用控制量的增量△u作為作為控制器的輸出。其實(shí)現(xiàn)方法如下：

　　設(shè)助力電機(jī)目標(biāo)電流為i，實(shí)際當(dāng)前助力電流為io，則控制偏差為：

　　ek=i-io (12)

　　△u=u(k)-u(k-1) (13)

　　助力電機(jī)目標(biāo)電流可以由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前車速、輸入轉(zhuǎn)矩、助力特性曲線計(jì)算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可獲得對應(yīng)的PWM增量△u。

　　PID參數(shù)可以由試湊發(fā)初步得到，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 總體設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)是控制器的核心，其選型需要考慮適用性、可靠性、片內(nèi)資源、價(jià)格等多種因素。單片機(jī)選型恰當(dāng)與否直接影響機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)難易程度度。本設(shè)計(jì)采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256單片機(jī)。MC9S12DP256內(nèi)置5個(gè)CAN模塊、2個(gè)8通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、8個(gè)PWM通道，總線速度25 MHz，采用5 V供電，112腳LQFP封裝。此單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富，可大大簡化控制系統(tǒng)硬件電路，其可靠性高，非常適用于EPS控制。設(shè)計(jì)中沒有用到的管腳引到電路板上，以便于后續(xù)開發(fā)。

　　硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。車速、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)矩信號經(jīng)處理后送給MC9S12DP256單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后，得到電機(jī)助力電流值，經(jīng)驅(qū)動電路后作用于助力電機(jī)，控制電機(jī)輸出力矩的大小和方向，同時(shí)對電機(jī)電流進(jìn)行采樣，并送回單片機(jī)，形成閉環(huán)控制。在助力控制基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電機(jī)保護(hù)電路和故障診斷與提示電路。一旦檢測到故障存在，立即斷開離合器，改用純手動轉(zhuǎn)向，并發(fā)出故障信號，從而保證了行車安全。

　　3.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、扭矩信號處理電路、車速信號處理電路、CAN通信電路、時(shí)鐘電路。具體設(shè)計(jì)如下：

　　電源轉(zhuǎn)換由于單片機(jī)工作時(shí)管腳電壓為+5 V供電，而車載電源電壓為+12 V。因此，需要對+12 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成+5 V。本設(shè)計(jì)中采用7805電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓變換。

　　扭矩信號處理由于扭轉(zhuǎn)傳感器獲得的是一些微弱的小信號，容易受干擾，因此需要對其進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)采用型濾波電路，R12取大電阻，提高輸入阻抗。

　　車速處理電路車速信號為+12 V單極性方波，電壓太高，不能直接用于單片機(jī)，需要將其變換為+5 V以內(nèi)的方波。利用LM358對其進(jìn)行處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到高電平為3.72 V，低電平為0.01V的方波信號。

　　CAN總線驅(qū)動電路MC9S12DP256內(nèi)部集成了CAN總線控制器，CAN驅(qū)動電路只需要物理層驅(qū)動即可。本設(shè)計(jì)選用82C250芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　時(shí)鐘電路時(shí)鐘是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)。MC9S12DP256單片機(jī)內(nèi)部集成了壓控振蕩器，可在其43、44和46、47引腳分別接上鎖相環(huán)電路和16MHz的晶振電路。組成MC9S12DP256時(shí)鐘電路，提供25MHz的時(shí)鐘信號。

　　具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　EPS控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括進(jìn)行系統(tǒng)初始化、信號采集、控制狀態(tài)判、控制模式判斷、PWM占空比計(jì)算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及保護(hù)、電流閉環(huán)模塊、通信模塊等。EPS控制系統(tǒng)需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，采用中斷服務(wù)方式，將整個(gè)軟件部分分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

　　5 結(jié)束語

　　文中分析了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理.設(shè)計(jì)了直線型助力特性曲線，建立了增量式閉環(huán)PID控制策略，減小了芯片的計(jì)算量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的助力跟隨性。利用MC9S1 2DP256單片機(jī)的豐富內(nèi)部資源，簡化了EPS硬件電路系統(tǒng)，降低了電路間的干擾，從而提升了系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了基于MC9S12DP256的EPS控制系統(tǒng)硬件電路，并給出了軟件設(shè)計(jì)流程。本文設(shè)計(jì)的EPS系統(tǒng)可以編寫多種EPS控制算法，有利于后續(xù)深入研究。對于控制性能的優(yōu)化將在進(jìn)一步的控制策略研究和試驗(yàn)中進(jìn)行。