祝勇俊，朱學(xué)莉，劉文波，吳 寅

(1.蘇州科技學(xué)院 ，江蘇蘇州215009;2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

0 引 言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡稱EPS)是汽車電子行業(yè)的熱門研究課題之一，它是一種利用助力電機(jī)(DC motor或AC motor)提供輔助轉(zhuǎn)向力矩的動力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是保障車輛可靠性和安全性的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。EPS不僅可以解決轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向安全性的問題，還能給駕駛員提供良好的路感，因而當(dāng)代汽車工業(yè)越來越重視EPS的研究和設(shè)計。目前EPS研究的內(nèi)容主要集中在助力特性的研究和硬件控制器的設(shè)計兩個方面，其中硬件控制器的研究和設(shè)計就尤為重要，本文在基于Freescale高性能芯片MC9S08JM60的基礎(chǔ)上對汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的進(jìn)行了一定的研究和設(shè)計。

1 EPS的構(gòu)成

EPS主要由電子控制部件和機(jī)械轉(zhuǎn)向部件兩個部分構(gòu)成，其中電子控制部分主要有電子控制單元(ECU)、扭矩傳感器、車速傳感器、霍爾電流傳感器、助力電機(jī)等組成;而機(jī)械轉(zhuǎn)向部分包括離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條等組成。圖1為EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ECU是EPS的所有構(gòu)成部件中的最關(guān)鍵部分，它的作用在于能夠依據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器檢測到的扭矩信號和車速信號，經(jīng)過特定的控制算法計算出轉(zhuǎn)向所需的助力電機(jī)驅(qū)動信號，再根據(jù)這個驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動放大模塊來控制助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動，助力電機(jī)的輸出通過減速機(jī)構(gòu)增扭來驅(qū)動機(jī)械轉(zhuǎn)向部件，進(jìn)而產(chǎn)生相宜的輔助轉(zhuǎn)向力矩［1］。同時EPS控制系統(tǒng)還能實時根據(jù)車況和路況等綜合信息為車輛轉(zhuǎn)向提供可變的輔助轉(zhuǎn)向力矩，提升汽車高速行駛時的穩(wěn)定性和低速行駛時的靈敏度，進(jìn)而提升整車轉(zhuǎn)向性能［3，6］。

2 微控制器JM60的簡介

微控制器是控制系統(tǒng)的核心，因而微控制器的選型在控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中就顯得極其重要。EPS控制系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是為系統(tǒng)選擇一款性能優(yōu)良的微控制器，為控制系統(tǒng)取得良好的控制效果奠定堅實的基礎(chǔ)。

本控制系統(tǒng)采用 Freescale微處理器MC9S08JM60作為主控芯片，它具有如下特點(diǎn)：4k片內(nèi)RAM;60k片內(nèi)Flash程序存儲器，具有在線編程能力和保密功能;增強(qiáng)的HCS08 CPU結(jié)構(gòu)，最高支持32個中斷源;51根通用I/O腳，包括37根多功能I/O腳和14根專用I/O腳;兩個增強(qiáng)型串行通訊口SCI，兩個串行外圍接口SPI，兩個集成電路內(nèi)部通信接口I2C，兩個16位雙通道定時器接口模塊(TIM1和TIM2)，12路12位AD轉(zhuǎn)換模塊，一個實時時鐘計數(shù)器模塊;優(yōu)化支持C語言。這些特征都使得它適合用于工業(yè)控制應(yīng)用［5］。

3 EPS控制系統(tǒng)的設(shè)計

EPS系統(tǒng)涉及多個相互關(guān)聯(lián)的部件，因而其控制系統(tǒng)的設(shè)計也較為復(fù)雜。本文主要從硬件的分層模塊化結(jié)構(gòu)和軟件的模糊控制策略以及綜合考慮補(bǔ)償控制等因素來設(shè)計EPS控制系統(tǒng)。

3.1 EPS控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

EPS控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計是一個系統(tǒng)過程，本文采用了分層模塊化設(shè)計思想，首先選用了芯片JM60設(shè)計了該控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng);其次選用汽車電子行業(yè)專用元器件進(jìn)行了除最小系統(tǒng)外的相關(guān)電路設(shè)計;最后將兩者進(jìn)行了數(shù)據(jù)的對接和調(diào)試。這樣設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于一方面保證了最小系統(tǒng)的普適性，另一方面也保證了外圍電路的靈活多變性，同時也還有利于硬件電路板降低功耗和提高抗干擾能力。

根據(jù)EPS控制系統(tǒng)的特殊性，本文所設(shè)計硬件電路采用了模塊化設(shè)計思想，主要包含ECU控制模塊、信號采集輸入模塊、控制信號輸出模塊以及電源、報警和信息顯示等其他配套模塊，如圖2所示。其中信號采集輸入模塊由扭矩信號采集處理電路、車速信號采集處理電路、方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路、反饋電流采集處理電路、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號處理電路構(gòu)成;控制信號輸出模塊由電機(jī)驅(qū)動電路、離合器驅(qū)動電路等組成。

圖2 EPS控制系統(tǒng)的硬件電路總成

3.1.1 信號采集輸入模塊

信號采集輸入模塊由多個相互關(guān)聯(lián)的子電路構(gòu)成，這里詳細(xì)介紹其中的兩個信號采集電路。

(1)扭矩信號采集處理電路

根據(jù)車輛扭矩傳感器的電氣輸出特性可知，其電氣信號輸出為0～5 V的模擬電壓信號，而控制系統(tǒng)的JM60微理器處理信號的范圍僅為0～3.3 V，因而需要對原始扭矩信號先降壓處理再接入微控制器的輸入端。扭矩信號采集處理電路如圖3所示，該電路具有濾波、分壓和去噪功能。其中普通電容起到抗干擾作用，極性電容構(gòu)成的RC電路起低通濾波作用，電阻起分壓作用，穩(wěn)壓管起限幅保護(hù)作用。

圖3 扭矩信號采集處理電路

(2)車速信號采集處理電路

由車速傳感器的電氣輸出特性可知，其產(chǎn)生的輸出信號是與車速成特定比例的正弦脈沖波，再經(jīng)過里程表調(diào)理成相應(yīng)的方波信號，此方波信號的高電平是4～6 V，低電平是0～1 V，因而該信號需要處理后再接輸入端口。圖4為具有抗干擾和光電隔離功能的車速信號采集處理電路。

圖4 車速信號采集處理電路

(3)方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路

方向盤轉(zhuǎn)角信號采用光電感應(yīng)式傳感器獲得，信號形式為一對相角相差90°的交互方波信號，通過比較兩路信號的相位關(guān)系來判斷方向盤的轉(zhuǎn)動方向，進(jìn)而通過測量兩個時刻t1和t2之間的方波個數(shù)就能知道方向盤的相對轉(zhuǎn)動角度，再加上初始時刻的相位角就能得到方向盤任意時刻的絕對轉(zhuǎn)動角度。

由于光電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生的方波信號幅值在0～5 V之間，而且信號含有一些高頻噪聲，故方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路包含降壓、濾波和去噪三個部分。

(4)其他采集處理電路

電機(jī)反饋電流信號采用霍爾電流傳感器采集，是一個模擬電壓信號，其采集處理電路可以參考扭矩信號處理電路;發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號是一個與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)成比例的脈沖信號，這個信號采集處理電路和車速信號采集處理電路有相近之處，這里不再詳述。

3.1.2 控制信號輸出模塊

控制信號輸出模塊主要包含兩個驅(qū)動電路的設(shè)計，其中離合器的設(shè)計可以采用電磁繼電器直接控制，設(shè)計較為簡單，本文不做詳述，下面重點(diǎn)介紹電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計。

本設(shè)計中的EPS控制系統(tǒng)的助力電機(jī)采用有刷直流電動機(jī)，而要實現(xiàn)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向功能，就必須設(shè)計電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路，因而該驅(qū)動電路的設(shè)計非常重要，其設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向性能的好壞。電機(jī)的調(diào)流調(diào)矩是采用開關(guān)電源式控制三極管輸入電流方式來實現(xiàn)對助力電機(jī)輸出電流的控制，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩控制。目前，常用的直流電機(jī)調(diào)速方式有：可控硅直流調(diào)速和大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速兩種。

相對于可控硅直流調(diào)速，PWM調(diào)速控制有如下優(yōu)點(diǎn)：①電機(jī)損耗和噪聲小;②系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)好，工作頻帶寬;③電機(jī)低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)速波動和電流脈動小，穩(wěn)態(tài)精度高;④工作于開關(guān)狀態(tài)下的晶體管，損耗低、能源利用率高、控制簡便;⑤系統(tǒng)響應(yīng)靈敏。因此本系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速方式采用PWM調(diào)速電路實現(xiàn)。

本文所設(shè)計的PWM電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路，利用大功率晶體三極管對電機(jī)調(diào)流實現(xiàn)調(diào)矩，并采用兩個P型和兩個N型MOS管搭建可逆H橋電路實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，同時在控制信號端采用光耦器件進(jìn)行光電隔離，電源部分采用電感器件對模擬電源與數(shù)字電源進(jìn)行模數(shù)隔離。當(dāng) PWM1輸出脈寬信號、PWM2為高電平、PWM3和PWM4為低電平時，電機(jī)電流經(jīng)Q1、電機(jī)、Q4和Q5流向電源地，這時電機(jī)正轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時，元器件的通斷情況恰好相反。具體EPS控制系統(tǒng)如何通過輸出PWM方波信號實現(xiàn)助力控制如圖5所示。

圖5 PWM電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路

3.1.3 ECU 控制模塊

EPS控制系統(tǒng)的ECU采用 Freescale微處理器MC9S08JM60來實現(xiàn)，由于JM60有多達(dá)37個多功能I/O口和14個專用I/O口，本設(shè)計根據(jù)各部分硬件電路的具體功能要求，將JM60的各個I/O端口進(jìn)行了合理的配置，建立了ECU控制模塊與各個子功能模塊之間的關(guān)聯(lián)，使之能完成對整個系統(tǒng)部件的精確控制。具體ECU控制模塊的I/O端口配置及用途如表1所示。

表1 ECU控制模塊的I/O端口配置

3.2 EPS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

EPS控制系統(tǒng)中，助力電機(jī)的目標(biāo)電流與方向盤扭矩信號、車速信號之間的關(guān)系是非線性的，而助力電機(jī)本身的電流控制方式采用的是線性方法。本設(shè)計考慮到EPS控制系統(tǒng)兼具線性和非線性的雙重特點(diǎn)，決定采用模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的控制策略，應(yīng)用模糊控制算法求解助力電機(jī)的目標(biāo)電流，以增量式PID方式來實現(xiàn)對電機(jī)電流的精確反饋控制。

模糊控制是建立在模糊集控制理論基礎(chǔ)上的，采用模糊語言變量和邏輯推理兩種工具，利用人的經(jīng)驗與知識，將直覺推理納入決策的一種智能控制［7-8］。具體實現(xiàn)方法是：先利用量化因子將輸入變量x模糊化為關(guān)系X，然后選擇模糊控制規(guī)則，將關(guān)系X模糊推理求得模糊輸出Y，最后對模糊輸出Y進(jìn)行解模糊求得相應(yīng)的數(shù)值輸出y。

模糊控制器以車速V和扭矩T兩個精確量作為模糊控制器的輸入變量，以助力電機(jī)目標(biāo)電流I作為輸出變量。首先通過車速、扭矩信號的量化因子和目標(biāo)電流的比例因子分別對車速V、扭矩T以及電流I進(jìn)行模糊化。量化因子和比例因子的確定如下：

式中：m、n和l分別為車速、扭矩和電流的量化論域等級;其次采用三角形隸屬度函數(shù)，其表達(dá)式：

式中：參數(shù)a、b、c用來指定三角形隸屬函數(shù)的形狀，a表示三角形隸屬函數(shù)的起點(diǎn)，b表示三角形隸屬函數(shù)最大隸屬度時所對應(yīng)的點(diǎn)，c表示三角形隸屬函數(shù)的終點(diǎn);再者選用查表法來實現(xiàn)控制規(guī)則;最后采用重心法來進(jìn)行反模糊化求出助力電機(jī)所需要的目標(biāo)電流，從而實現(xiàn)模糊控制策略。

此外作為一個實際運(yùn)行綜合控制系統(tǒng)，EPS控制系統(tǒng)還需要考慮多方面的實際影響因素，在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，加入了摩擦補(bǔ)償控制、阻尼補(bǔ)償控制以及回正補(bǔ)償控制。

具體的摩擦補(bǔ)償電流、阻尼補(bǔ)償電流、回正補(bǔ)償電流分別由下式?jīng)Q定：

式中：If為摩擦補(bǔ)償電流;Id為阻尼補(bǔ)償電流;Ir為阻尼補(bǔ)償電流;Kf為摩擦補(bǔ)償增益常數(shù);Kd為阻尼補(bǔ)償增益常數(shù);Kr為回正補(bǔ)償增益常數(shù);ωM為電機(jī)角速度。最終電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的電機(jī)目標(biāo)電流Iobj由基本助力電流Im和以上三個補(bǔ)償電流(If、Id和Ir)組成。其具體組成如下：

增量式PID反饋控制器根據(jù)系統(tǒng)所需的目標(biāo)電流值Iobj與電機(jī)實際電流反饋值Ifed之間的偏差來進(jìn)行控制，增量式PID控制算法可參考式(9)得出對應(yīng)的PWM控制增量。

式中：A、B、C表示增量 Δuk與前后三次偏差信號ek、ek-1、ek-2之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

圖6為EPS系統(tǒng)控制策略圖。EPS控制系統(tǒng)的控制程序采用集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2進(jìn)行編程設(shè)計。在EPS控制系統(tǒng)的程序設(shè)計過程中，本文結(jié)合模塊化設(shè)計方法，將整個系統(tǒng)程序分為主程序控制模塊和子程序功能模塊。該模塊化程序設(shè)計方法的好處是便于軟件的集成和后續(xù)軟件的維護(hù)，并且具有較好的可移植性。

圖6 EPS系統(tǒng)控制策略圖

EPS控制系統(tǒng)的主程序的工作原理如下：車輛起動后，首先微控制器對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定;接著系統(tǒng)進(jìn)行自檢，判定系統(tǒng)各組件的工狀;然后通過扭矩傳感器和車速傳感器收集扭矩信號和車速信號，控制器根據(jù)預(yù)存的算法進(jìn)行計算，推算出助力電機(jī)的目標(biāo)電流值以及電磁離合器所需的離合狀態(tài)，再者控制器依據(jù)目標(biāo)電流值與反饋電流值的偏差信號算出電機(jī)控制所需的PWM占空比，最終實現(xiàn)對目標(biāo)輸出的控制。

EPS控制系統(tǒng)的各個子程序包括扭矩信號采集子程序、車速信號采集子程序、助力電機(jī)集成控制子程序、離合器狀態(tài)控制子程序以及故障檢測報警子程序等。

4 電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

容錯技術(shù)原本廣泛應(yīng)用于計算機(jī)系統(tǒng)中，用來增強(qiáng)計算機(jī)系統(tǒng)的可信度［9］。因其實用性大，現(xiàn)在越來越多的控制系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。容錯技術(shù)主要通過冗余技術(shù)實現(xiàn)，冗余技術(shù)的措施主要有硬件冗余與軟件冗余。其中軟件冗余主要通過冗余算法實現(xiàn)容錯，無需增加硬件設(shè)備，具有成本低、性能好、功能強(qiáng)和實現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。為提高系統(tǒng)的可靠性，本控制系統(tǒng)部分程序采用了解析冗余技術(shù)。

圖7 扭矩信號容錯設(shè)計流程圖

圖7為扭矩信號容錯設(shè)計流程圖。扭矩控制信號是EPS控制系統(tǒng)中的重要輸入量，通常它由一對主副扭矩信號求差得到，然后系統(tǒng)利用該信號進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制?？紤]到扭矩信號傳輸過程可能存在失真或錯誤的現(xiàn)象，而該信號又是關(guān)鍵輸入量，本文利用主副扭矩信號之間的相關(guān)性進(jìn)行了容錯設(shè)計，保障系統(tǒng)的可靠性。從圖7可以看出，只要有一個扭矩傳感器輸出信號正常就能保證EPS扭矩控制信號正常，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié) 語

對自主設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的試驗，驗證了其理論設(shè)計的可行性。圖8、圖9為控制系統(tǒng)進(jìn)行雙紐線實車試驗和蛇形實車試驗扭矩控制對比效果圖。

圖8 雙紐線對比試驗

圖9 蛇行對比試驗

本文對電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)化的設(shè)計，一是從轉(zhuǎn)向控制的軟硬件設(shè)計入手，提出先進(jìn)的轉(zhuǎn)向控制策略和改進(jìn)硬件電路設(shè)計，提升車輛的轉(zhuǎn)向性能和可操作性;二是從車輛的安全角度入手，提出了車輛轉(zhuǎn)向關(guān)鍵因素(扭矩控制信號)的容錯設(shè)計，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性和可靠度。

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