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

為了減小計算量，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實時性，本設(shè)計采用增量式PID控制，用控制量的增量△u作為作為控制器的輸出。其實現(xiàn)方法如下：

設(shè)助力電機(jī)目標(biāo)電流為i，實際當(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)前車速、輸入轉(zhuǎn)矩、助力特性曲線計算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可獲得對應(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)試驗結(jié)果進(jìn)行修正。

3 硬件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

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)計難易程度度。本設(shè)計采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256單片機(jī)。MC9S12DP256內(nèi)置5個CAN模塊、2個8通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、8個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)計中沒有用到的管腳引到電路板上，以便于后續(xù)開發(fā)。

硬件設(shè)計如圖3所示。車速、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)矩信號經(jīng)處理后送給MC9S12DP256單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)計算后，得到電機(jī)助力電流值，經(jīng)驅(qū)動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，同時對電機(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)計了電機(jī)保護(hù)電路和故障診斷與提示電路。一旦檢測到故障存在，立即斷開離合器，改用純手動轉(zhuǎn)向，并發(fā)出故障信號，從而保證了行車安全。

3.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、扭矩信號處理電路、車速信號處理電路、CAN通信電路、時鐘電路。具體設(shè)計如下：

電源轉(zhuǎn)換由于單片機(jī)工作時管腳電壓為+5 V供電，而車載電源電壓為+12 V。因此，需要對+12 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成+5 V。本設(shè)計中采用7805電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓變換。

扭矩信號處理由于扭轉(zhuǎn)傳感器獲得的是一些微弱的小信號，容易受干擾，因此需要對其進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計采用型濾波電路，R12取大電阻，提高輸入阻抗。

車速處理電路車速信號為+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。

CAN總線驅(qū)動電路MC9S12DP256內(nèi)部集成了CAN總線控制器，CAN驅(qū)動電路只需要物理層驅(qū)動即可。本設(shè)計選用82C250芯片進(jìn)行設(shè)計。

時鐘電路時鐘是單片機(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時鐘電路，提供25MHz的時鐘信號。

具體電路設(shè)計如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

EPS控制軟件采用模塊化設(shè)計，包括進(jìn)行系統(tǒng)初始化、信號采集、控制狀態(tài)判、控制模式判斷、PWM占空比計算、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)需要同時執(zhí)行多個任務(wù)，為了保證系統(tǒng)的實時性和可靠性，采用中斷服務(wù)方式，將整個軟件部分分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序設(shè)計流程如圖5所示。

5 結(jié)束語

文中分析了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理.設(shè)計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)計了基于MC9S12DP256的EPS控制系統(tǒng)硬件電路，并給出了軟件設(shè)計流程。本文設(shè)計的EPS系統(tǒng)可以編寫多種EPS控制算法，有利于后續(xù)深入研究。對于控制性能的優(yōu)化將在進(jìn)一步的控制策略研究和試驗中進(jìn)行。