胡瑞忠

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

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淺談POLO電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元

胡瑞忠

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

摘要：首先介紹了POLO轎車電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元的組成及特點(diǎn)，簡單敘述了該控制單元的工作原理。該控制單元的主要作用在于控制無刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。因此文章隨后詳細(xì)闡述了由該控制單元控制的無刷直流電機(jī)的啟停、調(diào)速、驅(qū)動(dòng)保護(hù)以及轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的選擇。

關(guān)鍵詞：POLO；電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；直流無刷電機(jī)

電子控制技術(shù)在汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達(dá)到了令人滿意的程度。電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在低速行駛時(shí)使轉(zhuǎn)向變輕、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時(shí)，又能保證提供最優(yōu)的動(dòng)力放大倍率及穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行使的操縱穩(wěn)定性。

1POLO電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrically Hydraulic Powered Steering，簡稱EHPS)是一種將傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)相結(jié)合的第三代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于第二代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(機(jī)械液壓助力)大幅消耗發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，所以人們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如圖1所示，上海大眾的老款POLO、奧迪A1、斯柯達(dá)菲晶銳等車型上裝配有該系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一體化的電動(dòng)泵機(jī)組和控制閥(分配閥、扭桿)、轉(zhuǎn)向助力傳感器、動(dòng)力缸、齒輪和齒條等組成。系統(tǒng)中的電動(dòng)泵機(jī)組是由美國天合公司(TRW)設(shè)計(jì)的。

圖1　POLO汽車EHPS配件布置圖[1]

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)的核心部件電動(dòng)泵機(jī)組主要由以下幾部分組成，它們是助力轉(zhuǎn)向控制單元J500、齒輪泵、電動(dòng)泵、儲(chǔ)油罐、限壓閥、CAN總線系統(tǒng)等組成。助力轉(zhuǎn)向控制單元J500根據(jù)助力轉(zhuǎn)向傳感器G250傳來的轉(zhuǎn)角信號(hào)，兼顧C(jī)AN總線上傳來的車輛速度信號(hào)，進(jìn)行電動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速控制。這也意味著控制了齒輪泵的流量，從而達(dá)到控制助力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置的目的。這樣我們就可以根據(jù)車輛方向盤的轉(zhuǎn)向角速度和車輛當(dāng)前的行駛速度來確定我們當(dāng)前所需要的轉(zhuǎn)向助力的大小。由于齒輪泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的排量為1.5 mL不變，所以電動(dòng)泵的瞬時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)供油量是成正比的。因此助力轉(zhuǎn)向控制單元J500的最終控制對(duì)象是該電動(dòng)泵的直流無刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與方向盤的轉(zhuǎn)向角速度和汽車行駛速度之間的數(shù)學(xué)模型圖如圖3。

圖2　POLO汽車EHPS系統(tǒng)配置圖[1]

圖3　瞬時(shí)供油量特性場(瞬時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速)

2EHPS電控單元J500工作原理

圖4　POLO汽車EHPS電控單元J500原理框圖

2.1電控單元J500電源系統(tǒng)

電控單元J500的電源選用了英飛凌公司的5 V低壓降穩(wěn)壓電源TLE4271-2G。該電源輸入電壓范圍0～40 V，瞬時(shí)最高電壓65 V(≤400 ms)，輸出電壓容限≤±2%，帶有短路保護(hù)。該電源還自帶電源看門狗電路，看門狗時(shí)間可根據(jù)兩個(gè)外接電容的值來進(jìn)行調(diào)整。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)不喂狗的話，將對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生上電復(fù)位信號(hào)。

2.2電控單元J500單片機(jī)的性能

電控單元J500選用了英飛凌公司的16位單片機(jī)SAK-C164CL，該芯片采用單電源供電，4 MHz的外接晶體。該單片機(jī)還有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 抗環(huán)境干擾，能滿足汽車級(jí)芯片溫度范圍的要求，即-40 ℃～+125 ℃。

2) 有較多的I/O口，以實(shí)現(xiàn)多種控制功能；快速的計(jì)算速度，以滿足實(shí)時(shí)控制要求。

3) 采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，以便于診斷功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有與車輛上其它CPU進(jìn)行通訊的能力。

2.3直流無刷電機(jī)的啟停

在車輛的實(shí)際使用環(huán)境中，電瓶電源30+是常火，一直在供電。當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)作用到電源芯片的禁止端時(shí)，電源芯片開始輸出5 V的Vcc電壓，整個(gè)電控單元J500開始工作。如果此時(shí)單片機(jī)的CAN總線接口收到來自車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并且還能夠收到由車輛儀表傳來的車速信號(hào)(該信號(hào)由ABS泵產(chǎn)生)，直流無刷電機(jī)就開始旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到此時(shí)電控單元J500規(guī)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。電機(jī)一旦開始旋轉(zhuǎn)，電源系統(tǒng)將產(chǎn)生自鎖信號(hào)，即此時(shí)已不再需要有點(diǎn)火電壓的存在了。如果想要電機(jī)停轉(zhuǎn)，就必須通過Can總線來發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)信號(hào)，這才能使電源的自鎖失效，在點(diǎn)火電壓沒有的情況下斷電停機(jī)。也就是說，電機(jī)一旦開轉(zhuǎn)以后，就不一定受點(diǎn)火鑰匙的控制了，而是由電控單元J500自己根據(jù)具體的啟停邏輯來進(jìn)行判斷。

2.4直流無刷電機(jī)的調(diào)速

系統(tǒng)啟動(dòng)后，電控單元J500就會(huì)給轉(zhuǎn)向傳感器G250送電，使其開始工作，隨即單片機(jī)開始對(duì)轉(zhuǎn)向傳感器G250發(fā)出的轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行采樣。如果方向盤不動(dòng)，轉(zhuǎn)向角信號(hào)為零，電機(jī)保持一定轉(zhuǎn)速。如果方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角信號(hào)，電機(jī)就開始加速旋轉(zhuǎn)，最高可到3 999 rpm。由于采用外轉(zhuǎn)子電機(jī)，該電機(jī)的提速響應(yīng)非常迅速，這會(huì)使得駕駛?cè)藛T感覺轉(zhuǎn)向的隨動(dòng)性能非常好。

另一方面，系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)會(huì)對(duì)車速信號(hào)進(jìn)行處理。如果車速下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)馬上提高。但如果車速上升，則電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)緩慢降低。這使得駕駛車輛時(shí)，轉(zhuǎn)向手感更好，更加安全。

2.5直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

該電機(jī)由4個(gè)55A的MOSFET管BUK9508-55A驅(qū)動(dòng)。MOSFET管的柵極采用PWM控制，使直流無刷電機(jī)的效率更高，轉(zhuǎn)速更好控制。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由兩個(gè)霍爾傳感器TLE4946-2L進(jìn)行采樣獲得。兩個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)經(jīng)過處理后分別送到單片機(jī)的兩個(gè)捕獲端口，由單片機(jī)經(jīng)運(yùn)算后得到電機(jī)的相位和轉(zhuǎn)速，從而控制PWM信號(hào)的輸出。

由于MOSFET管過流會(huì)燒毀，電控單元J500對(duì)電機(jī)電流采取了嚴(yán)格的過流保護(hù)和超溫保護(hù)措施。在兩片電流采樣片上產(chǎn)生的微小電壓降，經(jīng)過由LMC622組成的運(yùn)放電路放大和整形后，送到單片機(jī)的兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換端口。由印制線路板上的溫度敏感電阻組成了溫度采樣電路，該信號(hào)也送到了單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換端口。如果AD端口的值超出了允許范圍，電控單元J500就會(huì)讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而保護(hù)系統(tǒng)不被損壞。

2.6瞬時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的選擇

由于POLO車的EHPS系統(tǒng)可以使用到好多款車型上，如奧迪A1、斯柯達(dá)晶銳等。這些車型的前軸載荷各不相同，所需的轉(zhuǎn)向助力也就各不相同。電控單元J500設(shè)計(jì)出了可供選擇的多種電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)全部儲(chǔ)存在代碼存儲(chǔ)器24C04中，在系統(tǒng)安裝好后可以用汽車電腦診斷儀來進(jìn)行這些人模型的選擇，也就是助力曲線的選擇。通過調(diào)整助力曲線，可以改變轉(zhuǎn)向手感。另外，如果EHPS系統(tǒng)在運(yùn)行過程中有故障，這些故障代碼也會(huì)存儲(chǔ)在24C04中，等待維修人員去用汽車電腦診斷儀來讀取，同時(shí)儀表上的轉(zhuǎn)向故障報(bào)警燈會(huì)亮起。

以上幾點(diǎn)基本上概括了EHPS電控單元J500的工作原理，希望對(duì)致力于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行研究的人員有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]上海POLO轎車電路圖.上海大眾維修手冊(cè)Service.POLO2002[Z].2002.

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：胡瑞忠(1977- )，男，山西太谷人，工程師，計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0003- 02

中圖分類號(hào)：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Control Unit of POLO Electronic Hydraulic Power Steering System

Hu Ruzhong

(ShanxiInstituteofElectronicsIndustry,TaiyuanShanxi030006,China)

Abstract:This paper first introduces the composition and characteristics of the control unit of the electronic hydraulic power steering system of POLO car and describes the working principle of the control unit in details. The main function of the control unit is to control the rotation of the brushless dc motor. So the article then expounds on the start-stopping, speed adjusting, driving protection and speed mathematical model selection of the brushless dc motor controlled by the control unit.

Key words:POLO; EHPS; brushless DC motor