電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS,Electric Power Steering)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力,具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下,通過改變控制器軟件的設(shè)計(jì),十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性,使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性,以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器,控制器運(yùn)行內(nèi)部控制算法,向執(zhí)行器發(fā)出指令,控制執(zhí)行器的動作,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為:在操縱方向盤時(shí),轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小,產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號,由此電動式動力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小,同時(shí),根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速,再控制電動機(jī)的電流,形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。 二、EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
(一)微控制器的選擇
MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器,是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列[l]。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù),使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率,在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多,因而高頻噪聲低,抗干擾能力強(qiáng),更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī),其主頻高達(dá)25 MHz,同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊,包括2個(gè)異步串行通信口SCI,3個(gè)同步串行通信口SPI,8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口(其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能)、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊;片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM,12KB的RAM及4KB的EEPROM,資源十分豐富。
(二)硬件電路總體框架
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊:MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機(jī)功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機(jī)點(diǎn)火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路,另外還有電磁離合器等,EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。 (三)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件,電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路實(shí)施對直流電動機(jī)的控制,由4個(gè)功率MOSFET組成[2],如圖3所示。采用PWM伺服控制方式,MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單,工作頻率高,可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓(正常工作不超過15V)大電流(額定電流30 A)的要求。 1.H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖4所示,其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管,vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號a(b)為高電平時(shí),Q1和Q2導(dǎo)通,電源通過Q2,D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電,直至Qa完全導(dǎo)通,Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí),忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降,則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí),Qa的柵—源極電壓降VGS=( Vdble-VCE-VF-Vbat),其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓,其典型值為0.4V[3],VF為D1的正向?qū)▔航?,其典型值?.34V[4],Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通,降低器件的直流導(dǎo)通損耗,VGS不低于l0V[5]。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路,以保證Vdble的值足夠大,滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí),Vdble≥12V+0.34V+0.4V+10V=22.74V。 電流傳感器相關(guān)文章:電流傳感器原理 脈寬調(diào)制相關(guān)文章:脈寬調(diào)制原理 鎖相環(huán)相關(guān)文章:鎖相環(huán)原理
評論