電動汽車EPS數(shù)字模型與電路原理分析
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)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/386148.htm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。
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,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 算出一個電機(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
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 轉(zhuǎn)向的輕便性和高速行駛時的穩(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,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。
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。
3、硬件設(shè)計
3.1 總體設(shè)計
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)計難易程度 度。本設(shè)計采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256單片機(jī)。MC9S12DP256內(nèi)置5個CAN模塊、2個8通道10位A/D 轉(zhuǎn)換模塊、8個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
硬件電路設(shè)計主要包括電源轉(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、時鐘電路。具體設(shè)計如下:
電源轉(zhuǎn)換由于單片機(jī)工作時管腳電壓為+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)計選用82C250芯片進(jìn)行設(shè)計。
時鐘電路時鐘是單片機(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時鐘電路,提供25MHz的時鐘信號。
具體電路設(shè)計如圖4所示。
4、系統(tǒng)軟件設(shè)計
EPS控制軟件采用模塊化設(shè)計,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)需要同時執(zhí)行多個任務(wù),為了保證系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性,采用中斷服務(wù)方式,將整個軟件部分分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序 設(shè)計流程如圖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)計了基于MC9S12DP256的EPS控 制系統(tǒng)硬件電路,并給出了軟件設(shè)計流程。本文設(shè)計的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。
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