采用PIC單片機(jī)的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1 引言

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（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(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)汽車(chē)行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性[1]。目前, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車(chē)公司，美國(guó)的Delphi汽車(chē)系統(tǒng)公司，德國(guó)的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國(guó)內(nèi)對(duì)EPS 系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究階段。國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)廠商如重慶長(zhǎng)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(jí)階段，未達(dá)到實(shí)用程度[2]。

2 EPS系統(tǒng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機(jī)提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車(chē)速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。

圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 EPS的工作原理

當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，ECU上電開(kāi)始對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開(kāi)始工作，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測(cè)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(jù)這兩個(gè)信號(hào)并結(jié)合車(chē)速等信息，控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時(shí)，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時(shí)，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤(pán)操作穩(wěn)重、可靠。

3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 ECU工作原理

系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī)，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車(chē)速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過(guò)單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過(guò)電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)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(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式[3]。

3.2 PIC16F877單片機(jī)簡(jiǎn)介

該款機(jī)型是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達(dá)120ns)，PIC16F877內(nèi)部自帶看門(mén)狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線(xiàn)燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧，RAM區(qū)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(jī)的選擇

無(wú)刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目采用永磁式無(wú)刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。

3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇

本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外，還提供方向盤(pán)位置信號(hào)，為回正和阻尼邏輯的開(kāi)發(fā)提供了便利。

3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿(mǎn)足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項(xiàng)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(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。