采用PIC單片機的汽車電動助力轉向系統

1 引言

隨著電子控制技術的發展及其在汽車領域的廣泛應用, 電動助力轉向系統（Electric Power Steering, 簡稱EPS)越來越成為目前汽車電子技術研究的熱點之一。與傳統的轉向系統相比，EPS系統結構簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩定性，能動態地適應汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環保、節能、易于維修等方面也充分顯示了其優越性[1]。目前, 電動助力轉向已部分取代液壓助力轉向并獲得廣泛應用，如日本的大發、三菱、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內對EPS 系統的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學、合肥工大等高校開展了系統結構的方案設計、系統建模和動力學分析等研究，但處在理論探索、實驗研究階段。國內部分汽車廠商如重慶長安、南昌昌河、東風、一汽等與高校聯合研究，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向系統，結構如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機提供助力，系統主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉角傳感器、車速傳感器(可與其他系統共用)、直流電機、離合器、電磁繼電器、減速機構和轉向機構等組成。

圖2-1 EPS系統結構圖

2.2 EPS的工作原理

當汽車點火開關閉合時，ECU上電開始對EPS系統進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統便開始工作，當方向盤轉動時，位于轉向軸上的轉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根據這兩個信號并結合車速等信息，控制電機產生相應的助力，實現在全速范圍內最佳控制：在低速行駛時，減輕轉向力，保證汽車轉向靈活、輕便，在高速行駛時，適當增加阻尼控制，保證轉向盤操作穩重、可靠。

3 基于PIC單片機的ECU系統設計

圖3-1 ECU系統結構原理圖

3.1 ECU工作原理

系統的控制核心為PIC16F877單片機，控制單元結構如圖3-1所示。整個系統由車載12V蓄電池供電，ECU工作時，扭矩、轉角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號經過輸入接口電路處理后送至單片機的相應端口, 單片機根據系統助力特性和相應算法對這些數據分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的PWM口發出脈沖指令和相應的換向控制端口發出換向指令，通過驅動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅動電路上設有電流傳感器，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，單片機再根據相應的控制算法對電機實現閉環控制。如EPS系統工作出現異常,單片機將驅動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公司生產的8位RISC結構的單片機，具有高速數據處理的特性(執行速度可達120ns)，PIC16F877內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轉換功能、2個脈寬調制CCP模塊、在線燒錄調試（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、轉矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優勢。本項目采用永磁式無刷直流電機做為驅動源。

3.4 扭矩、轉角傳感器的選擇

本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復合傳感器，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提供了便利。

3.5 電動機驅動控制電路的設計

電動機驅動控制電路必須能夠高精度、快速地調整電動機的轉速和輸出轉矩，從而滿足EPS系統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制（PWM）控制H橋電路。直流電機PWM控制方式有多種，根據電機工作的實際需要和系統的整體要求，本項目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優點在于可以避免開關管同臂導通，運行可靠性高、不需附加延時電路、開關頻率相對較高，特別適用于大功率、大轉動慣量、可靠性要求較高的直流電機控制的場合。