羅蘇安，向?qū)氳ぃ?宇，尤 虎，楊 劍，吳友宇

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車方向盤轉(zhuǎn)向操縱性能的要求越來(lái)越高，既要有適度的轉(zhuǎn)向輕便性，又要滿足操縱穩(wěn)定性[1]。筆者基于高性能單片機(jī)MC9S12P64設(shè)計(jì)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)，經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)滿足對(duì)EPS的各項(xiàng)性能要求，能較好地解決轉(zhuǎn)向“輕”與“靈”的矛盾，實(shí)現(xiàn)在各種行駛工況下提供最佳助力轉(zhuǎn)向的功能。

1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

EPS在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車速傳感器、扭矩傳感器、電子控制單元(ECU)、電動(dòng)機(jī)、離合器，以及減速機(jī)構(gòu)等轉(zhuǎn)向的助力機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為:當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，扭矩傳感器就開始不間斷地檢測(cè)輸入端，并把扭矩信號(hào)傳輸給控制中心ECU，ECU在接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一定的分析和處理，按程序指令的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)、離合器進(jìn)行控制，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電流的大小或方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)的實(shí)時(shí)精確控制，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的目的。

2 EPS控制器的設(shè)計(jì)

2.1 主控單元設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由8個(gè)功能單元組成[3]。電動(dòng)助力系統(tǒng)硬件方框圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)助力系統(tǒng)硬件方框圖

系統(tǒng)主控芯片選用的Freescale 16位S12系列單片機(jī)MC9S12P64為低成本、高性能、低引腳數(shù)的汽車專業(yè)級(jí)單片機(jī)產(chǎn)品，在汽車電子產(chǎn)品中被廣泛采用，性能符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求[4]。它負(fù)責(zé)各種傳感器信號(hào)的采集和調(diào)理，并發(fā)送命令控制H橋?yàn)殡姍C(jī)輸出合適的助力電流。

系統(tǒng)整體的尺寸要求較小，利于安裝在汽車駕駛室內(nèi)部，但這造成控制電路部分排布較密集，容易引起相鄰電路間干擾，同時(shí)由于系統(tǒng)工作在汽車環(huán)境中，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)一定要注意抗干擾設(shè)計(jì)，否則會(huì)造成系統(tǒng)本身工作異常[5]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理單元設(shè)計(jì)

扭矩信號(hào)采集與處理單元用來(lái)測(cè)量駕駛員施加在方向盤上的力矩大小和方向，并以電壓量輸送至MCU[6]。車速信號(hào)由電磁型轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)自點(diǎn)火系統(tǒng)的電壓脈沖信號(hào)，火花塞每跳一次便發(fā)出一個(gè)電壓脈沖，火花塞點(diǎn)火頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比[7]。為簡(jiǎn)化裝置，試驗(yàn)臺(tái)中用信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)代替車速傳感器產(chǎn)生的周期信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

2.3 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)單元包括4個(gè)MOSFET組成的H橋電路及前置驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)芯片選用IR公司的IR2130。MCU通過(guò)H橋以PWM方式控制直流電機(jī)，調(diào)節(jié)H橋輸入的PWM脈寬，即可調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓，從而改變電機(jī)電流和助力的大小。當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到助力值時(shí)，H橋根據(jù)MCU的指令輸出適宜的PWM波控制助力電機(jī)輸出合適的輔助扭矩[8]。

3 EPS軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制策略設(shè)計(jì)

助力控制算法的數(shù)學(xué)模型為一組車速下轉(zhuǎn)矩與對(duì)應(yīng)電機(jī)電流的曲線。直線型電動(dòng)助力曲線如圖 3 所示[9]。

圖3 直線型電動(dòng)助力曲線

助力特性分為4個(gè)區(qū)域:小角度無(wú)助力區(qū)、助力隨轉(zhuǎn)向力矩線性變化區(qū)、恒助力區(qū)和大轉(zhuǎn)角停止助力保護(hù)區(qū)[10]。MCU根據(jù)車速及方向盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)PID負(fù)反饋調(diào)節(jié)算法來(lái)追蹤輸出電流大小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出合適的助力。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4 試驗(yàn)調(diào)試

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)調(diào)試

圖4 EPS系統(tǒng)程序流程圖

該系統(tǒng)利用EPS綜合性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目有:①測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)輸入信號(hào)、檢測(cè)精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;②模擬系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，包括電機(jī)負(fù)載與實(shí)際車況，測(cè)試系統(tǒng)助力效果;③根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化控制算法及電路設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)參數(shù)[11－12]。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，EPS綜合試驗(yàn)臺(tái)采集并實(shí)時(shí)顯示各種工作特性曲線，其界面圖如圖5所示。

圖5 EPS工作特性曲線界面圖

通過(guò)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)性能，不斷優(yōu)化軟硬件設(shè)計(jì)，使EPS系統(tǒng)達(dá)到最佳性能。

4.2 整車試驗(yàn)調(diào)試

完成臺(tái)架試驗(yàn)后，進(jìn)行整車試驗(yàn)，圖6為EPS整車試驗(yàn)實(shí)物圖。

經(jīng)過(guò)前后4代系統(tǒng)的改進(jìn)，包括對(duì)硬件電路的反復(fù)優(yōu)化以及對(duì)制版、軟件的反復(fù)修改調(diào)試，整車試驗(yàn)結(jié)果得到明顯改善，助力效果明顯，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

為改善汽車的性能，提高駕駛員駕駛的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染，滿足對(duì)汽車節(jié)能性和環(huán)保性的要求，筆者探討了EPS的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)。結(jié)果表明，自主開發(fā)的EPS系統(tǒng)助力效果明顯，操作手感好，能夠顯著改善汽車的轉(zhuǎn)向性能，并且性能穩(wěn)定，滿足轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)。

圖6 EPS整車試驗(yàn)實(shí)物圖

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