EPS電動助力轉向系統的軟硬件設計

　　摘要：本文詳細介紹了基于C8051F31X系列微處理器的電動助力轉向(EPS)系統的方案設計，給出了詳細的硬件設計和軟件設計。試驗結果表明，該系統具有電路設計方便、性能穩定可靠、保護電路齊全、性價比好等突出優點，為汽車EPS系統提供一個優秀的設計方案。

　　電動助力轉向系統基本結構及工作原理

　　汽車的助力轉向系統是協助駕駛員進行汽車方向調整，為駕駛員減輕打方向盤的用力強度，目前汽車上配置的助力轉向系統大致可以分為三類：(1)機械式液壓動力轉向系統;(2)電子液壓助力轉向系統;(3)另外一種電動助力轉向系統，英文全稱是Electronic Power Steering，也就是我們常說的EPS，也可以稱為“電子控制助力”，它是在EPS控制器的作用下驅動電動機產生的動力協助駕車者進行轉向控制。EPS的構成一般是由扭矩傳感器、電子控制單元ECU、助力電機、減速器、機械轉向器、以及畜電池電源。現在我們介紹的主要是電子控制單元ECU的軟硬件設計方案。

　　主要工作原理：駕駛員在操作汽車轉向時，扭矩傳感器會“感覺”到方向盤的扭矩和轉向，這些信號會通過AD模數轉換器，量化后傳送給電子控制單元的微處理器，電控單元會根據轉向軸的轉動力矩、轉向等數據，向EPS控制器發出動作指令，助力電機就會根據具體的需要，輸出相應大小的轉動力矩，從而實現助力轉向。如果不打方向盤，則EPS系統就不工作，處于等待調用狀態，而且，助力電機的助力輸出也隨著車速的提高而減小，當車速超過設定值時會停止工作，助力消失，這使車在高速行駛時更加穩定。由于電動助力轉向這樣的工作特性，你會感覺到方向盤的方向感好，輕便，高速時穩定不發飄。圖形1為電動助力轉向系統的基本結構。

　　硬件電路原理設計

　　EPS控制器由C8051F系列微處理器、扭矩傳感器、模擬信號調理、光電隔離、單穩態保護電路、PWM信號驅動電路、鋁基板電機驅動電路、離合器控制電路，電流反饋電路、故障指示、電源。由于C8051F系列微處理器的各部分功能十分強大，定時器、PCA、AD轉換器、比較器、交叉開關、IIC、SPI、溫度傳感器在CPU內部集成，從而大大降低電路的復雜性及成本，擔高了可靠性。硬件原理如圖2所示。

　　微處理器電路

　　C8051F310處理器是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具備25MIPS流水線結構CIP-51內核，單周期的指令、帶模擬多路開關、10位200ksps的25通道單端/差分ADC，高精度可編程的25MHz內部振蕩器、16KB可在系統編程的FLASH存儲器，1280byte片內RAM，四個通用的16位定時器，這為EPS系統的車速、發動機轉速提供很好解決方案。PCA模塊方便了PWM電機調速、端口交叉開關編程為引腳多功能復用提供實用條件。增強型UART和SPI串行接口、硬件實現的SMBus、片內上電復位、VDD監視器和溫度傳感器，這些可為EPS實現通訊擴展，故障診斷，溫度保護等功能。

　　EPS的前端信號處理電路

　　這部分電路包括扭矩傳感器的信號提取、調理及行車信號(車速、發動機轉速、點火信號)的隔離與獲取，它是EPS執行的先決條件，這部分的信號直接關系到EPS系統的正確執行。同時也是后面保護電路的輸入條件，非常重要。

　　扭矩傳感器信號的提取、調理

　　我們采用的扭矩傳感器其輸出包括力矩與角度兩種信號，力矩信號的輸出有兩路，分別是T1、T2，角度信號(轉向角)的輸出有三路，分別是P1、P2、P3，具體傳感器的輸出特性請參照相關的數據手冊，提取算法將在軟件設計部分完成。這里側重講述信號的調理，原理如下圖3，傳感器具有5路模擬信號輸出，原理相同，我們討論其中一路T1。傳感器的輸出是0~5V信號，通過R1，R2電阻分壓原理與3.3V系統進行匹配。C1，C2，R3組成了一個阻容濾波器濾掉前端的信號噪聲，V1為TVS管，用于限制信號的幅度在0~VCC之間，N1是LM324運放，接成射極跟隨形式，以提高信號的輸入阻抗，降低信號的輸出阻抗。輸出信號Sensor_T1_out直接輸出給微處理器的內部AD轉換，量化后提供給力矩提取算法使用，其它4路原理一致。