采用PIC單片機的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1 引言

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, 簡稱EPS)越來越成為目前汽車電子技術(shù)研究的熱點之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動態(tài)地適應(yīng)汽車行駛狀況的變化，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、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內(nèi)對EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計、系統(tǒng)建模和動力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實驗研究階段。國內(nèi)部分汽車廠商如重慶長安、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階段，未達到實用程度[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、車速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機、離合器、電磁繼電器、減速機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(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)汽車點火開關(guān)閉合時，ECU上電開始對EPS系統(tǒng)進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開始工作，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動時，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)這兩個信號并結(jié)合車速等信息，控制電機產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠。

3 基于PIC單片機的ECU系統(tǒng)設(shè)計

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，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個系統(tǒng)由車載12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機的相應(yīng)端口, 單片機根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的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，通過驅(qū)動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅(qū)動電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機將驅(qū)動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器、離合器，退出電動助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動助力模式[3]。

3.2 PIC16F877單片機簡介

該款機型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達120ns)，PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。

3.3 直流電動機的選擇

無刷直流電機在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢。本項目采用永磁式無刷直流電機做為驅(qū)動源。

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外，還提供方向盤位置信號，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。

3.5 電動機驅(qū)動控制電路的設(shè)計

電動機驅(qū)動控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實時性和可靠性的要求。本項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PWM控制方式有多種，根據(jù)電機工作的實際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運行可靠性高、不需附加延時電路、開關(guān)頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場合。