電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)論述

摘 要:為了進(jìn)一步提高汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速、精確及穩(wěn)定性控制，我們利用直流電動(dòng)機(jī)為汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力，并通過(guò)電子控制單元等相關(guān)硬件電路，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采集、脈寬調(diào)制輸出等，然后根據(jù)單片機(jī)相關(guān)指令對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并最終由機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。闡述了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用ARM7 S3C44B0X單片機(jī)為控制電路的核心部件，并實(shí)現(xiàn)該控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電子控制單元

中圖分類號(hào):TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)09-0312-02

1 前言

隨著微電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可與汽車智能系統(tǒng)充分銜接的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為汽車助力轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展方向，由于基于微處理器的數(shù)字系統(tǒng)具有信號(hào)傳輸及處理的確定性和接口的通用性，在汽車電子控制方面，已經(jīng)充分體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)，這是模擬系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的。目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，從車身控制、底盤控制、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、主被動(dòng)安全系統(tǒng)到車載娛樂(lè)、信息系統(tǒng)等，都離不開嵌入式技術(shù)的支持。為此，本文采用ARM7 S3C44B0X單片機(jī)作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的主控單元，以實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)的高速，精確及穩(wěn)定控制.

2 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是由電子控制單元(ECU)，扭矩傳感器，助力電機(jī)，機(jī)械減速機(jī)構(gòu)等組成.其工作原理為:在檢測(cè)到汽車點(diǎn)火信號(hào)有效后，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)輸出至電子控制單元ECU，ECU根據(jù)扭矩轉(zhuǎn)角信號(hào)、車速信號(hào)、汽車軸重負(fù)載信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，確定助力電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向及工作電流，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向控制。3 EPS控制器的設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

輸入控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值為0-5V，S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0-2.5V，故對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了一般的濾波處理外，還需對(duì)其進(jìn)行分壓處理。其電路原理如上圖所示。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的R1R2先將輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分壓，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，然后與C1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成第二級(jí)一階低通濾波，運(yùn)放則作為一個(gè)電壓跟隨器來(lái)使用。

3.2 電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)采集電路簡(jiǎn)介

由于助力電動(dòng)機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動(dòng)機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分。電機(jī)的反饋電流采用霍爾電流傳感器采集?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖请娏餍盘?hào)(0-50mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號(hào)，故需在傳感器的輸出引腳上接一個(gè)約100Ω的電阻，將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V-5V的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓變換電路，使其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的0-2.5V的電壓信號(hào)，最后經(jīng)濾波電路送到ARM芯片的A/D端口。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

本文采用IR2110構(gòu)成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，由圖可見(jiàn)用兩片IR2110可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)逆變?nèi)珮螂娐?，它們可以共用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源而不須隔離，使驅(qū)動(dòng)電路極其簡(jiǎn)化。IR2110本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓。由驅(qū)動(dòng)電路可見(jiàn)本電路在每個(gè)橋臂各加了負(fù)偏壓電路，以左半部為例，其工作過(guò)程如下:VDO上電后通過(guò)R1給C1充電，并在VW1的鉗位下形成+5.1V電壓，當(dāng)IR2110的腳1(LO)輸出為高電平時(shí)，下管有(VDO-5.1)V的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)在下管關(guān)斷時(shí)下管的柵源之間形

成一個(gè)-5.1V的偏壓;下管開通同時(shí)腳1(LO)輸出高電平

通過(guò)Rg2，R2開通MOSFET讓C3進(jìn)行充電;當(dāng)IR2110的腳7(HO)輸出為高電平時(shí)，由C3放電提供上管開通電流，同時(shí)給C2充電并由VW2鉗位+5.1V，下管關(guān)斷時(shí)Vc2即形成負(fù)偏壓。為了只用IR2110的保護(hù)功能，把腳11(SD)端接地。

3.4 車速信號(hào)采集電路簡(jiǎn)介

車速信號(hào)是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)，電壓在9.5V以上。本文采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車速信號(hào)，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)所能處理的信號(hào)高電壓在2.5V左右，所以車速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)中采用的是光電耦合器的電平匹配方式。

4 EPS的軟件設(shè)計(jì)

(1)A/D轉(zhuǎn)換程序。A/D轉(zhuǎn)換單元主要完成扭矩信號(hào)采集、蓄電池電壓監(jiān)測(cè)、電機(jī)工作電流監(jiān)測(cè)等主要任務(wù)。在A/D轉(zhuǎn)換開始之前要對(duì)10位A/D轉(zhuǎn)換器CMOS ADC進(jìn)行初始化設(shè)置，包括轉(zhuǎn)換采樣通道選擇，時(shí)鐘源的選擇、參考電壓的選擇等。A/D轉(zhuǎn)換主要有兩步:采樣和轉(zhuǎn)換。首先須設(shè)置A/D的數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，通過(guò)控制寄存器的設(shè)置來(lái)選擇AIN1位ADC的輸入通道。

(2)根據(jù)預(yù)先建立的EPS數(shù)學(xué)模型計(jì)算出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)電壓值，單片機(jī)輸出相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，這個(gè)波形信號(hào)用以控制功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)助力。

5 結(jié)語(yǔ)

在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，助力電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)向阻力矩以及施加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入ARM7 S3C44B0X單片機(jī)。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換程序和PWM控制程序，實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向控制?？梢?jiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS，Electric Power Steering)將成為汽車助力轉(zhuǎn)向裝置的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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[4]IR2110使用手冊(cè).