蘇慶列，王麟珠

(福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州350007)

基于PIC18F458的汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設計

蘇慶列，王麟珠

(福建船政交通職業(yè)學院，福建 福州350007)

針對國內(nèi)汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的發(fā)展現(xiàn)狀和性能要求，基于PIC18F458系列單片機對EPS系統(tǒng)電控單元軟硬件進行設計，著重闡述了方向盤扭矩傳感器信號采集和帶有CAN總線的信息采集模塊，以及通過全控橋電機驅(qū)動電路實現(xiàn)的PWM脈寬調(diào)制永磁無刷直流電機控制模塊的工作原理及其實現(xiàn)方法.試驗結(jié)果表明該電控單元工作正常、性能可靠，滿足汽車助力轉(zhuǎn)向的舒適性和安全性要求.

EPS；電子控制單元；PIC18F458；單片機；CAN總線

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)依靠車載電源，由電動機提供助力，其操縱方便、節(jié)約能源、安全環(huán)保，符合現(xiàn)代汽車發(fā)展需求，已開始運用于中高級以上轎車和商務車上，但國內(nèi)EPS系統(tǒng)電子控制單元嚴重依賴國外進口，成本高、維修不方便，而國產(chǎn)產(chǎn)品起步晚，特別在永磁無刷電機控制和車載網(wǎng)絡CAN-BUS的信息共享上技術不成熟[1-3].本電控單元以Microchip公司推出的PIC18F458高性能微處理器為核心，設計汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)電控單元，并通過電氣測試和改裝試驗.

1 系統(tǒng)總體設計

EPS系統(tǒng)主要由信息采集模塊(包括轉(zhuǎn)矩傳感器信號、電機反饋信號和CAN-BUS共享信號)、電子控制單元(ECU)、執(zhí)行器控制模塊(包括電機控制和離合器控制)、減速裝置、傳動裝置等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture diagram of EPS

EPS系統(tǒng)工作時，通過轉(zhuǎn)矩傳感器檢測駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結(jié)合CAN總線共享的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、點火信號、休眠喚醒信號等，運用模糊免疫PID控制策略計算得出理想助力目標PWM占空比，控制電機助力，通過電機動態(tài)閉環(huán)控制，電機助力轉(zhuǎn)矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉(zhuǎn)向阻力矩，實現(xiàn)車輛智能動態(tài)方向助力轉(zhuǎn)向作用，有效保障車輛低速行駛時的操縱性和高速行駛時的安全性.EPS電控單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲如圖2所示.

圖2 EPS電控系統(tǒng)設計框圖Fig.2 The frame of control system

2 硬件設計

2.1 控制器模塊

EPS系統(tǒng)電控單元采用microchip公司的16位微處理器PIC18F458，該芯片除了具有PIC18458系列單片機哈佛架構(gòu)精簡指令結(jié)構(gòu)、計算能力強、性能穩(wěn)定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等特點外，還引進了一系列串行通信外設，內(nèi)置CAN控制器，并支持運行、休眠、空閑等多種工作模式，支持車載網(wǎng)絡CAN-BUS通訊協(xié)議，其增強型CCP模塊，在PWM模式下能提供多路經(jīng)調(diào)制輸出，這些優(yōu)異的性能為汽車EPS系統(tǒng)的軟硬件設計提供了方便，且工作溫度-40～+125 ℃，能夠完全滿足汽車使用環(huán)境的要求[4].

2.2 信息采集模塊

1) 轉(zhuǎn)矩信號采集

EPS系統(tǒng)采用KISTLER公司生產(chǎn)的高精度4503A10L型電位計式扭矩傳感器來獲取駕駛員加載在方向盤上的力矩和方向，傳感器帶有主、副雙路對稱的轉(zhuǎn)矩信號，其中一路轉(zhuǎn)矩信號采集電路原理圖如圖3所示,另一路轉(zhuǎn)矩信號采集電路與之相同.電路中，C7、C8和R12共同組成π型RC濾波電路，濾除轉(zhuǎn)矩信號中的高頻部分，穩(wěn)壓管D1起限壓保護作用，大電阻R11用來減少輸入阻抗.

圖3 轉(zhuǎn)矩信號采集電路Fig.3 Acquisition circuit of torque signal

2 )CAN總線通信

車載網(wǎng)絡在汽車上的應用，提高了車載信息的共享能力、節(jié)約了成本，因此EPS系統(tǒng)采用CAN總線共享車速信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、點火開關IG信號、故障信息及網(wǎng)絡節(jié)點休眠喚醒信號等.PIC18F458單片機集成了CAN通信接口，執(zhí)行Bosch公司的CAN2.0A/B協(xié)議[5]，可以方便的利用CAN總線與全車網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享，軟件編程只需對相關寄存器進行相應設置即可，外圍接口電路也得以簡化，只需要一個Philips公司的PCA82C250 作為CAN總線接口芯片，中間用高速光電耦合器6N137隔開，可以很好地實現(xiàn)總線上節(jié)點之間的電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力和信號傳輸能力，CAN總線通信接口電路如圖4所示.

圖4 CAN總線通信接口電路原理圖Fig.4 CAN Bus communication circuit

2.3 執(zhí)行器控制模塊

1) 無刷直流電機驅(qū)動控制

EPS系統(tǒng)選用無刷直流電機作為助力電機，由PIC18F458單片機為 Freescale公司開發(fā)的高性能無刷直流電機專業(yè)集成電路MC33035提供無刷直流電機的轉(zhuǎn)向和PWM信號，MC33035通過霍爾傳感器檢測電機當前的轉(zhuǎn)子位置，并對其進行譯碼，轉(zhuǎn)換成具有正確時序的頂部輸出信號和底部輸出信號給電機控制的驅(qū)動器IR2130芯片，IR2130是美國International Rectifier公司生產(chǎn)的一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT器件的驅(qū)動芯片，分別有3個獨立的高端和低端輸入/輸出通道，以此驅(qū)動由6個N溝道功率MOSFET管組成的三相六步全控橋電路[6-7].電機驅(qū)動電路原理如圖5所示.

圖5 電機驅(qū)動電路原理圖Fig.5 Motor drive circuit

2) 電磁離合器控制

EPS系統(tǒng)電磁離合器由單片機控制4個功率晶體管組成的全橋控制電路來實現(xiàn)動力傳遞通斷控制，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的汽車EPS電磁離合器控制電路，能夠在滿足電磁離合器有效、牢固接合的前提下，根據(jù)系統(tǒng)助力需要及時、穩(wěn)定通斷電磁離合器，以實現(xiàn)行駛轉(zhuǎn)向助力和確保行車安全的目的.

2.4 輔助電路

1)電源電路：EPS系統(tǒng)電源電路采用Infineon公司汽車專用電源芯片TLE7469，其輸入電壓范圍寬(7～45 V)，工作溫度-40～150 ℃，輸出電壓精度高，帶有外部看門狗電路，以及短路、過溫和電池反接保護等功能，保證EPS系統(tǒng)在汽車惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作.

2)復位電路：EPS系統(tǒng)中復位電路主要完成系統(tǒng)的上電復位功能，PIC18F458的MCLR引腳提供了外部硬件觸發(fā)器件復位的方法，將 MCLR 引腳通過一個10 kΩ電阻連接到電源，這樣還可以省去產(chǎn)生上電復位延時通常所需的外部 RC 元件，上電復位事件由 POR 位 (RCON<1>)捕捉，只要發(fā)生上電復位，此位的狀態(tài)就被置為0，它不會因任何其他復位事件發(fā)生改變.

3 軟件設計

針對EPS系統(tǒng)電控單元硬件電路設計，結(jié)合汽車EPS系統(tǒng)對電機助力特性的要求，進行相應的軟件開發(fā)，主要涉及系統(tǒng)初始化、CAN總線通訊、信息采集及處理、PWM占空比計算等，圖6所示為EPS電機控制系統(tǒng)程序流程圖.首先，PIC18F單片機喚醒上電并對時鐘和各I/O口等進行系統(tǒng)初始化，同時檢測EPS節(jié)點工作和CAN總線通訊是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常將存儲故障碼并顯示故障指示燈；接著，檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速是否達到怠速，怠速及以上時進入主程序；然后，單片機對兩路扭矩信號進行AD轉(zhuǎn)換及濾波處理，通過兩路信號相減判斷電機運轉(zhuǎn)方向，結(jié)合CAN總線共享得到車速信息等，綜合這些信息進行模糊免疫PID控制算法處理并最終得出控制電機的PWM占空比[8]；最后，輸出PWM信號、助力方向、離合器閉合信號，驅(qū)動助力電機，并返回主程序進入程序再循環(huán).

圖6 EPS控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Program Flow Chart of EPS Control System

4 助力特性測試

綜合以上EPS系統(tǒng)設計，印制了電路板并形成產(chǎn)品，編寫相應控制程序，通過電氣測試，并在長安福特蒙迪歐汽車臺架上進行替換改裝試驗，將-10～10 Nm的正弦波信號作為方向盤緩變的扭矩信號輸入至控制系統(tǒng)，車速從0～80 km/h分為5擋遞增測試，獲得輸入扭矩與輸出電流的控制系統(tǒng)助力特性曲線如圖7所示，其在同一扭矩下助力電流隨車速的增大而減小，在扭矩增大到一定值時助力電流達到飽和，且具有良好的對稱性，能很好保障車輛低速行駛時的轉(zhuǎn)向舒適性和高速行駛時的操作安全性.

圖7 EPS控制系統(tǒng)助力特性曲線Fig.7 Power Characteristic Curve of EPS

5 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明基于PIC18F458單片機的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作穩(wěn)定、成本低廉、安全性能好，在與車載CAN-BUS通信上比較穩(wěn)定，抗干擾性能好；電機助力能很好滿足車輛在不同車速、車況下的行駛助力要求，性能可靠、易于維修.

[1] 祝勇俊,朱樹先,郭勝輝,等.基于LPC2131的EPS控制系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用,2012, 31(5):7-11.

[2] J.S Chen.Control of Electric Power Steering Systems [C].SAE Paper No.981116.

[3] 王壽峰.EPS用無刷直流電機控制系統(tǒng)開發(fā)研究[D].江蘇大學碩士論文,2010-06.

[4] Microchip.PIC18FXX8 MANUAL[Z].2006.

[5] (法)胡思德.汽車車載網(wǎng)絡(VAN/CAN/LIN)技術詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[6] 錢學武,馬明星,劉永智.電動公交車車用無刷直流電機控制器的設計[J].揚州大學學報,2010, 13(1):66-70.

[7] 張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[8] 蘇慶列,王麟珠.模糊免疫PID在電動汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中的應用[J].湖北理工學院學報,2013,30(5):15-18.

[責任編輯：徐明忠]

Design of automobile electric power steering system based on PIC18F458

SU Qinglie ,WANG Linzhu

(Fujian Chuanzheng Communications Technology College, Fuzhou 350007, China)

According to the domestic development status and performance requirements of electric power steering system (EPS), the software and hardware of electronic control unit of EPS is designed based on PIC18F458 Series MCU.Focuses on the principle and realization method of the information acquisition module that contains steering wheel torque sensor signals and the information of CAN Bus, and the control module of permanent magnet brushless DC motor which drives by fully controlled bridge circuit.The experimental results show that the electronic control unit works normally and reliably, comfort and safety meets the requirements of automotive power steering.

electric power steering (EPS); ECU; PIC18F458; microcomputer control units (MCU); CAN-BUS

2015-04-22;

2015-04-28

福建省教育廳A類項目(JA14373)；福建省交通廳科技項目(2014Y062)

蘇慶列(1980-)，男，福建德化人，福建船政交通職業(yè)學院講師，碩士，主要從事汽車運用工程、機電一體化的研究.

TP273

A

1672-3600(2015)09-0036-05