方淑娟

摘 要：關(guān)于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究還尚處于初級階段，要想充分發(fā)揮出這一機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢作用，則首先需要實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的完善設(shè)計(jì)與開發(fā)。對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)思路。

關(guān)鍵詞：汽車電子化；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳感器；驅(qū)動電路

中圖分類號：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.122

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了進(jìn)一步的創(chuàng)新，而汽車電子化則成為汽車技術(shù)當(dāng)前主要發(fā)展方向。其中，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的誕生與在汽車中的應(yīng)用，能夠借助這一全新動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來提升汽車操縱的輕便性與穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所存在的不足。與以往所采用的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較而言，采用EPS能夠借助電動機(jī)直接將助力提供給駕駛員，而處于非轉(zhuǎn)向狀態(tài)下所產(chǎn)生的消耗幾乎為零，進(jìn)而節(jié)省了燃油，同時裝配應(yīng)用簡單、方便。但基于目前尚未針對EPS建立標(biāo)準(zhǔn)的模型，本文就此展開研究。

1 EPS所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢特點(diǎn)

EPS所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：①操縱性能得到了優(yōu)化。EPS能夠借助電動機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，且能夠?qū)@一轉(zhuǎn)向力進(jìn)行個性化設(shè)置。在實(shí)際操縱汽車的過程中，通過助力的有效提供來提高操作的主動性、安全性和穩(wěn)定性，且確保在停車時提供最大的轉(zhuǎn)向力，在低速時保證了轉(zhuǎn)向的輕便性。②降低燃油，減少污染。與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比而言，EPS的另一大優(yōu)勢在于只有在操作時才會產(chǎn)生能耗，通過按需提供動力的方式來節(jié)省汽車燃油，同時有了該系統(tǒng)，并不需要液壓回路系統(tǒng)，因此就規(guī)避了漏油的問題，在最大程度上降低汽車能耗的同時減少了環(huán)境污染。③轉(zhuǎn)向的跟隨性提升，且更加安全、可靠。應(yīng)用EPS后，轉(zhuǎn)動慣量增加，同時也不存在轉(zhuǎn)向遲滯問題，汽車在轉(zhuǎn)向過程中前輪擺振大幅度降低，加上該系統(tǒng)具備故障自診功能及保護(hù)功能，所以在提升跟隨性的同時，為進(jìn)一步保障行車轉(zhuǎn)向的安全性和可靠性奠定了基礎(chǔ)。④結(jié)構(gòu)簡單且質(zhì)量輕，易于安裝使用。應(yīng)用該系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)的構(gòu)件被大大簡化，質(zhì)量隨之降低，便于安裝，且因該系統(tǒng)的自動化程度較高，所以使用方便，并且維修難度也大大降低。

2 EPS的結(jié)構(gòu)與原理

EPS的基本工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)接收到汽車打火信號后，在確定信號有效性的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)向軸啟動，相應(yīng)的扭矩傳感器實(shí)現(xiàn)信號的輸出，而控制單元接收到這一信號后，基于扭矩轉(zhuǎn)角信號及車速信號等進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而明確助力電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，同時定位相應(yīng)的電流量。在此基礎(chǔ)上，發(fā)揮了助力轉(zhuǎn)向控制功能。

3 EPS的設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 EPS控制器的設(shè)計(jì)

3.1.1 轉(zhuǎn)矩信號采集電路的設(shè)計(jì)

輸入相應(yīng)信號幅值0～0.5 V，基于S3S44BOX的A/D轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)的電壓輸入范圍在0～2.5 V。在處理這一信號的過程中，要在采用濾波處理技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分壓處理。在研究的過程中，樣本的濾波電路采用的是二階低通有源濾波電路。在設(shè)計(jì)的過程中，以阻值相同的R1與R2對輸入信號進(jìn)行分壓處理。此時，相應(yīng)的幅值發(fā)生了改變，為原先的1/2.在此基礎(chǔ)上，將R1與C1組合，將R2與C2組合，形成2個一階低通濾波。在運(yùn)行過程中，一階低通濾波則充當(dāng)一個電壓跟隨器來有效發(fā)揮其作用。

3.1.2 電流信號采集電路的設(shè)計(jì)

所使用的傳感器為霍爾電流傳感器，其輸出電流信號在0～50 mA自檢，而應(yīng)用EPS需要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此要在傳感器輸出端引腳上將100 Ω的電阻接入，進(jìn)而在獲得電壓信號后，經(jīng)由濾波電路輸送，由相應(yīng)的ARM芯片A/D端口接收。

3.1.3 車速信號采集電路的設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，以脈沖信號模擬車速信號，將這一信號輸入到單片機(jī)中。而單片機(jī)本身在信號處理的過程中，其相應(yīng)的電壓為2.5 V，所以需要針對信號的電平匹配設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)一個鉗位分壓電路即可，而為了提升這一電路的安全性和可靠性，相比而言，采用光電耦合器更為合理，且設(shè)計(jì)簡單、方便。

3.1.4 電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的過程中，選用OR2110來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路的搭建，而一般需要2個IR2110來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，且不需要進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，因此整個電路相對簡單。同時，因其自身無法產(chǎn)生負(fù)偏壓，需要將負(fù)偏壓電路接入，并為了實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能的發(fā)揮，則需要進(jìn)行接地處理。

3.2 系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)

該單元軟件主要承擔(dān)的功能為信號采集、電壓與電流監(jiān)測等。在設(shè)計(jì)時，要基于轉(zhuǎn)換前進(jìn)行初始化設(shè)置，然后針對其采樣與轉(zhuǎn)換功能需求，先設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)與控制寄存器，并基于后者進(jìn)行上下輸入通道的設(shè)計(jì)。

3.2.2 PWM控制程序的設(shè)計(jì)

ARM單片機(jī)能夠?qū)WM波形進(jìn)行控制，而這一控制程序的實(shí)現(xiàn)需要基于EPS模型進(jìn)行計(jì)算，以明確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)電壓值。輸出的波形信號能夠?qū)崿F(xiàn)對功率驅(qū)動電路的控制，進(jìn)而促使電動機(jī)轉(zhuǎn)速能夠得到有效控制。這樣才能夠使得助力轉(zhuǎn)向電動機(jī)提供相應(yīng)的助力。

4 總結(jié)

綜上，基于EPS，為了充分發(fā)揮這一系統(tǒng)在汽車轉(zhuǎn)向中的助力作用，并提升汽車操作的輕便性與安全性，實(shí)現(xiàn)節(jié)油環(huán)保的目標(biāo)，就需要實(shí)現(xiàn)EPS的完善設(shè)計(jì)與開發(fā)?；贓PS的結(jié)構(gòu)與工作原理，需要實(shí)現(xiàn)控制器與軟件這兩大部分的全面設(shè)計(jì)，進(jìn)而才能夠確保該系統(tǒng)優(yōu)勢功能夠在實(shí)際應(yīng)用中得到充分發(fā)揮。

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〔編輯：劉曉芳〕