化永星

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 211188 ）

電動助力轉(zhuǎn)向硬件系統(tǒng)設(shè)計

化永星

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 211188 ）

電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)符合現(xiàn)代汽車電子化、智能化發(fā)展的要求，成為現(xiàn)在動力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的焦點。論文中介紹了EPS系統(tǒng)的基本組成。在ECU的硬件電路設(shè)計方面，文中主要涉及的有電機控制電路、過電流保護電路、繼電器控制電路、輸入信號接口電路、電磁離合器控制電路、故障診斷電路等。完成了EPS系統(tǒng)ECU實物的研制，完成了各個模塊和整體電路需要在實驗室階段所需的硬件調(diào)試。

EPS；硬件電路；PWM；工作原理

1 概述

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，汽車技術(shù)對汽車的助力系統(tǒng)提出了如下要求：汽車駕駛員的轉(zhuǎn)向助力能夠隨著車輛運行狀況和駕駛員的要求提供不同的助力，提高駕駛員的路感，提供較高的回正穩(wěn)定性、較強的抗干擾能力和較快的反應(yīng)能力。與HPS（液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）相比，EPS主要具有以下6點優(yōu)勢，是未來汽車動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的發(fā)展方向[1]。

1）效率高，可達90%以上，HPS只有60%-70%；

2）能耗低，電機只在需要助力時工作，相比HPS可降低油耗達3%；

3）無污染，EPS的使用過程中不對環(huán)境造成污染，而HPS則存在液壓油泄露問題；

4）路感好，EPS系統(tǒng)可根據(jù)汽車情況和駕駛員要求通過ECU不斷調(diào)整助力，增強駕駛員路感，而HPS只能提供恒定的助力；

5）結(jié)構(gòu)緊湊，EPS包括機械轉(zhuǎn)向裝置、傳感器、ECU和助力電機，與HPS相比，沒有液壓缸、油泵和液壓管道，減少了零部件數(shù)量，減輕了重量，使系統(tǒng)易于布置；

6）易于調(diào)整，EPS可根據(jù)車型的不同對ECU程序進行修改，與HPS相比，簡化了開發(fā)時間和開發(fā)成本。

2 EPS系統(tǒng)簡介

2.1 EPS系統(tǒng)工作原理

一個EPS系統(tǒng)通常由機械部分、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元（ECU）、電動機、減速機構(gòu)和電磁離合器等組成，如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本工作原理是：當(dāng)轎車轉(zhuǎn)向時，安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器測量出施加在方向盤上的轉(zhuǎn)矩，并產(chǎn)生一個電信號；在此同時，車速傳感器測量出轎車的車速，也產(chǎn)生一個電信號。這兩個信號被送入到ECU中，ECU進行邏輯分析運算，依據(jù)一定的助力特性曲線產(chǎn)生目標(biāo)電流，對目標(biāo)電流進行適當(dāng)調(diào)整，輸出的PWM 信號通過驅(qū)動電機產(chǎn)生合適的助力轉(zhuǎn)矩，經(jīng)減速機構(gòu)施加在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證轎車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠[2]。

2.2 ECU工作過程簡介

圖2 系統(tǒng)的硬件連接框圖

EPS系統(tǒng)硬件電路主要包括微處理器及其外圍電路，扭矩信號，車速信號，發(fā)動機點火信號的采集及處理電路，電源變換電路，功率驅(qū)動及邏輯控制電路，過流保護電路，故障診斷電路等。系統(tǒng)供電為12V車用蓄電池。當(dāng)系統(tǒng)檢測到點火開關(guān)閉合后，首先對整個EPS系統(tǒng)進行自檢，確保系統(tǒng)能正常工作，然后分別將繼電器與電機離合器閉合，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。輸入接口電路將檢測到的扭矩信號，車速信號。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號處理后送入單片機的控制端口。單片機根據(jù)設(shè)定好的助力模型，以及接收的端口信號，確定助力的大小及方向，并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號驅(qū)動直流電動機進行助力轉(zhuǎn)向。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，故障指示燈亮，并切斷繼電器和離合器，從而保護直流電機。EPS系統(tǒng)硬件電路的總體框圖如圖2所示。

2.3 EPS控制原理

電動機控制電路的設(shè)計在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計中是最關(guān)鍵的部分。隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化，采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，簡稱PWM）的控制方式已成為絕對主流。而且這種控制方式容易在單片機控制中實現(xiàn)。PWM 控制方式具有以下幾方面的優(yōu)點：需要的大功率可控器件少，線路簡單；調(diào)速范圍寬；快速性好；電流波形系數(shù)好，附加損耗小。這主要是因為PWM調(diào)制頻率高，不需要平波電抗器就可以獲得脈動很小的直流電流，波形系數(shù)約等于 1，故而電樞電流脈動分量對電動機轉(zhuǎn)速的影響以及由它所引起的附加損耗小。另外還有效率高，功耗小、頻帶寬、滯后小等優(yōu)點。所以，PWM 控制方式是一種很理想的驅(qū)動方式[3]。

3 硬件電路設(shè)計

ECU硬件電路是實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向的硬件基礎(chǔ)，ECU硬件電路設(shè)計的科學(xué)性和合理性，關(guān)系到EPS系統(tǒng)的控制效果。

3.1 信號控制電路

（1）H橋[4][5]

H橋主要由四個場效應(yīng)管組成。如圖4所示，四個場效應(yīng)管的截止與導(dǎo)通與否由單片機的41口(P0.2)，40口(P0.3)以及 PWM0波控制。P0.2控制 Q14、P0.3控制 Q16、P0.2與PWM0控制Q17，P0.3與PWM0控制Q15。當(dāng)P0.2為0，P0.3為1時，Q14導(dǎo)通，Q16截止，Q15截止，Q17由PWM0波決定，電動機電壓在PWM0波決定下，產(chǎn)生向右助力的效果。當(dāng)P0.2為1，P0.3為0時，Q14截止，Q16導(dǎo)通，Q15由PWM0波決定，Q17截止，電動機電壓在PWM0波決定下，產(chǎn)生向左助力的效果。當(dāng)P0.2、P0.3都為0時，Q14、Q16都導(dǎo)通，Q15、Q17都截止，電動機產(chǎn)生一個不可調(diào)的大阻尼，這時必須斷開電磁離合器，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于純機械轉(zhuǎn)向的狀態(tài)。當(dāng)P0.2、P0.3都為1時，Q14、Q16都截止，Q15、Q17由PWM0波決定，電動機相當(dāng)于發(fā)電機，電動機電壓在PWM0波決定下，產(chǎn)生用于控制回正的可變阻尼。這樣在實際應(yīng)用時，我們并不需要關(guān)心四個 MOS管的實際工作狀態(tài)，只需要改變單片機P0.2、P0.3口的值就可以實現(xiàn)助力方向的控制，只需改變PWM0的值就可以控制助力，及阻尼的大小，極大的方便了程序的編寫。H橋頂部的12V電壓由繼電器相關(guān)的電路控制。

圖4 電動機正反轉(zhuǎn)控制H橋

（2）高端MOS管控制電路

如圖4所示，對于場效應(yīng)管Q15、Q17，可以直接在其G極和S極之間加+12V電壓以使其導(dǎo)通；但對于場效應(yīng)管Q14、Q16，根據(jù)GSV＞+10V的要求，場效應(yīng)管導(dǎo)通后，G極的電壓VG＞+(10V+VDD)。VDD為蓄電池電壓+12V，則VG＞+22V。因此，H橋電路中，對高端MOS的控制采用專門的驅(qū)動芯片來驅(qū)動。電路如圖5所示。Forward和Backward兩路信號控制Q14和Q16（從圖4中也可以看出來）。專用電源模塊 DY1和光耦 U4、U5中發(fā)光二極管共同作用產(chǎn)生M1G、M2G用來控制Q15、Q17。

圖5 高端MOS管控制電路

（3）電磁離合器控制電路

采用 PWM 技術(shù)來改變電磁離合器線圈兩端的平均電壓，原理與PWM控制電機的原理一樣。具體的實施電路如圖 6。計算機根據(jù)助力電機電流信號，確定電磁離合器所要傳遞的轉(zhuǎn)矩，并由此確定電磁離合器所需要的電流，根據(jù)這個電流發(fā)出具有適當(dāng)占空比的PWM波驅(qū)動信號，這個信號經(jīng)過放大以后控制電力 MOS的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達到調(diào)節(jié)電磁離合器電流的目的。因為PWM的頻率很高，完全可以保證通過電磁離合器線圈的電流是連續(xù)的。

圖6 電磁離合器PWM控制電路

（4）過電流保護電路[6][7]

電流信號檢測是由 H橋最下端的一個電流傳感器完成的，這個電流傳感器實際上是一個阻值約0.01Ω的電阻（圖4中R39），流過電機的電流在這個電阻上產(chǎn)生和電流大小成正比的電壓降。通過圖7中的CYDLA端輸入，經(jīng)過運放U12，經(jīng)過放大后的信號送入電壓比較器LM311（U10），比較U10輸入端和電位器R70滑動觸點的電壓，當(dāng)采樣電流產(chǎn)生的壓降低于電位器滑動觸點的電壓時，LM311輸出端輸出高電平，光耦U9導(dǎo)通。同時XL端接通相關(guān)的電路，就能順利的控制H橋的下管。否則，LM311輸出端輸出低電平，使H橋下管進入關(guān)閉狀態(tài)，這樣電機電流就被迫下降，同時電流傳感器的壓降也下降，當(dāng)這個電壓低于電位器滑動觸點電壓時，LM311的輸出又變?yōu)楦唠娖剑笻橋的下管開啟。如此反復(fù)，就可以使流過電機的電流限定在安全范圍內(nèi)?？梢酝ㄟ^調(diào)整電位器滑動觸點大小來調(diào)整比較電壓，從而調(diào)整電機的實際保護電流大小。

圖7 電動機電壓采樣電路

（5）繼電器控制電路

繼電器的作用是使電池和H橋連通或斷開。單片機輸出信號使繼電器吸合則能使電池和H橋之間形成通路，電池給H橋供電。信號從JDQ輸入，通過光耦，三極管Q8導(dǎo)通時，繼電器與GND和VDD接通，開關(guān)K2閉合，電機就接通了12V電壓。如圖8所示。

圖8 繼電器控制電路

3.2 輸入信號接口電路

輸入接口電路設(shè)計包括扭矩傳感器接口電路、車速信號處理電路以及發(fā)動轉(zhuǎn)速信號處理電路等。

（1）扭矩信號處理電路

我們用扭矩傳感器測量方向盤上扭矩信號的大小，扭矩傳感器輸出信號為電壓信號，為了保證其信號的可靠性，必須對信號進行濾波，濾波之后送單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。如圖9所示為我們所采用的扭矩信號濾波電路，C6、C7進行濾波，主要消除扭矩中的高頻信號。主副扭矩從IN1和IN2輸入，輸出為TOR1和TOR2，OUT1為扭矩傳感器的電源，OUT2是扭矩傳感器的接地端。

圖9 扭矩信號處理電路

（2）車速信號和發(fā)動機信號處理電路

車速信號與發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號都是由傳感器輸出的脈沖信號，因?qū)⑦@些脈沖信號濾波、整形，成為規(guī)則的方波信號，再送到單片機，使單片機檢測汽車行駛速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。電路如圖10所示，C34對信號起濾波作用，D36是抗干擾二極管，用來消除脈沖干擾信號。R83和R87構(gòu)成分壓電路，產(chǎn)生合適的比較門檻電壓，R90為輸出上拉電阻，R88為反饋電阻。當(dāng)輸入信號為高于5V時，D35截止；輸入信號為低于4.7V，LM311的3腳電壓低于2腳的門檻值時，輸出引腳7為高電平；當(dāng)比較器LM311的3腳電壓高于2腳的門檻值時，輸出引腳7為低電平，這樣速度信號就變成了方波信號。

圖10 車速信號處理電路

（3）故障燈驅(qū)動電路

圖11 故障燈驅(qū)動電路

EPS故障燈的作用是當(dāng)EPS系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障時，單片機驅(qū)動EPS燈發(fā)亮報警提示駕駛員。EPS燈電阻為100Ω左右，驅(qū)動電流為0.1A。其驅(qū)動電路如圖11所示。當(dāng)單片機發(fā)出的“故障輸出”為高電平時，則Q6導(dǎo)通，從而EPS燈發(fā)亮，反之，則Q6不通，EPS熄滅。

4 結(jié)束語

本文主要對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件部分進行設(shè)計研究。以P87C591單片機為核心微控制器，設(shè)計了電路模塊有電機控制電路、過電流保護電路、繼電器控制電路、輸入信號接口電路、電磁離合器控制電路、故障診斷電路等。

[1] 毛愛瑛,黃兆麟.電動轉(zhuǎn)向的現(xiàn)狀與未來.天津汽車,1998(3):11-14.

[2] 林逸,施國標(biāo).汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.公路交通科技,2001(13):79-82.

[3] 郭順生,李益兵,楊明忠.電動動力轉(zhuǎn)向器的發(fā)展與研究.北京汽車，2001(4):1-2.

[4] 郭建新,伍少初,羅永革.汽車電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2001(3):4-8.

[5] 王豪,許鎮(zhèn)琳.電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析.汽車科技,2003(3):16-18.

[6] 肖生發(fā),馮櫻,劉洋.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的研究.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,Vol15,(3):34-37.

[7] 劉照,楊家軍,廖道訓(xùn).基于動態(tài)分析的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與研究.華中科技大學(xué)學(xué)報,Vol 29(12):24-26.

[8] 林逸,施國標(biāo),鄒常豐.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的客觀評價.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,Vol34(4):4-7.

[9] 邱明,楊家軍,劉照.基于H∞魯棒控制原理的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究.華中科技大學(xué)學(xué)報,Vol 32(12):71-73.

[10] 劉照,楊家軍,廖道訓(xùn).基于混合靈敏度方法的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制.中國機械工程,Vol 14(10):874-876.

Electric power steering system hardware design

Hua Yongxing
( Nanjing institute of technology of profession of traffic automotive engineering college, Jiangsu Nanjing 211188 )

Electric power steering (EPS) conforms to the requirement of modern automobile electronic and intelligent development, become the focus of power steering technology research now.The thesis introduces the basic composition of EPS system.In terms of ECU hardware circuit design, this paper mainly relates to a motor control circuit, over current protection circuit, relay control circuit, the input signal interface circuit, electromagnetic clutch control circuit, the circuit fault diagnosis, etc.Completed the development of the EPS system ECU physical, needed to complete the various modules and the overall circuit in the laboratory stage the hardware debugging.

EPS; Hardware; circuit; PWM; The working principle of

U463.4

A

1671-7988(2017)22-58-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.020

化永星，（1985.11-），講師，就職于南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院。研究方向：汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)。

CLC NO.:U463.4

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