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

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(chē)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(duì)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(jiǎn)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(méi)有用到的管腳引到電路板上，以便于后續(xù)開(kāi)發(fā)。

硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)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(dòng)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(duì)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(cè)到故障存在，立即斷開(kāi)離合器，改用純手動(dòng)轉(zhuǎn)向，并發(fā)出故障信號(hào)，從而保證了行車(chē)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(hào)處理電路、車(chē)速信號(hào)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(chē)載電源電壓為+12 V。因此，需要對(duì)+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(hào)處理由于扭轉(zhuǎn)傳感器獲得的是一些微弱的小信號(hào)，容易受干擾，因此需要對(duì)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(chē)速處理電路車(chē)速信號(hào)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(duì)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(hào)。

CAN總線驅(qū)動(dòng)電路MC9S12DP256內(nèi)部集成了CAN總線控制器，CAN驅(qū)動(dòng)電路只需要物理層驅(qū)動(dòng)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(hào)。

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(hào)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(yǔ)

文中分析了汽車(chē)電動(dòng)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(jiǎn)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(xiě)多種EPS控制算法，有利于后續(xù)深入研究。對(duì)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。