基于MC9S08JM60的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝勇俊，朱學(xué)莉，劉文波，吳 寅

(1.蘇州科技學(xué)院 ，江蘇蘇州215009;2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

0 引 言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱EPS)是汽車電子行業(yè)的熱門研究課題之一，它是一種利用助力電機(jī)(DC motor或AC motor)提供輔助轉(zhuǎn)向力矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是保障車輛可靠性和安全性的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。EPS不僅可以解決轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向安全性的問(wèn)題，還能給駕駛員提供良好的路感，因而當(dāng)代汽車工業(yè)越來(lái)越重視EPS的研究和設(shè)計(jì)。目前EPS研究的內(nèi)容主要集中在助力特性的研究和硬件控制器的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，其中硬件控制器的研究和設(shè)計(jì)就尤為重要，本文在基于Freescale高性能芯片MC9S08JM60的基礎(chǔ)上對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的進(jìn)行了一定的研究和設(shè)計(jì)。

1 EPS的構(gòu)成

EPS主要由電子控制部件和機(jī)械轉(zhuǎn)向部件兩個(gè)部分構(gòu)成，其中電子控制部分主要有電子控制單元(ECU)、扭矩傳感器、車速傳感器、霍爾電流傳感器、助力電機(jī)等組成;而機(jī)械轉(zhuǎn)向部分包括離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條等組成。圖1為EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ECU是EPS的所有構(gòu)成部件中的最關(guān)鍵部分，它的作用在于能夠依據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器檢測(cè)到的扭矩信號(hào)和車速信號(hào)，經(jīng)過(guò)特定的控制算法計(jì)算出轉(zhuǎn)向所需的助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再根據(jù)這個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大模塊來(lái)控制助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，助力電機(jī)的輸出通過(guò)減速機(jī)構(gòu)增扭來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向部件，進(jìn)而產(chǎn)生相宜的輔助轉(zhuǎn)向力矩［1］。同時(shí)EPS控制系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)根據(jù)車況和路況等綜合信息為車輛轉(zhuǎn)向提供可變的輔助轉(zhuǎn)向力矩，提升汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和低速行駛時(shí)的靈敏度，進(jìn)而提升整車轉(zhuǎn)向性能［3，6］。

2 微控制器JM60的簡(jiǎn)介

微控制器是控制系統(tǒng)的核心，因而微控制器的選型在控制系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中就顯得極其重要。EPS控制系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是為系統(tǒng)選擇一款性能優(yōu)良的微控制器，為控制系統(tǒng)取得良好的控制效果奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本控制系統(tǒng)采用 Freescale微處理器MC9S08JM60作為主控芯片，它具有如下特點(diǎn)：4k片內(nèi)RAM;60k片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，具有在線編程能力和保密功能;增強(qiáng)的HCS08 CPU結(jié)構(gòu)，最高支持32個(gè)中斷源;51根通用I/O腳，包括37根多功能I/O腳和14根專用I/O腳;兩個(gè)增強(qiáng)型串行通訊口SCI，兩個(gè)串行外圍接口SPI，兩個(gè)集成電路內(nèi)部通信接口I2C，兩個(gè)16位雙通道定時(shí)器接口模塊(TIM1和TIM2)，12路12位AD轉(zhuǎn)換模塊，一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器模塊;優(yōu)化支持C語(yǔ)言。這些特征都使得它適合用于工業(yè)控制應(yīng)用［5］。

3 EPS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

EPS系統(tǒng)涉及多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部件，因而其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。本文主要從硬件的分層模塊化結(jié)構(gòu)和軟件的模糊控制策略以及綜合考慮補(bǔ)償控制等因素來(lái)設(shè)計(jì)EPS控制系統(tǒng)。

3.1 EPS控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

EPS控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程，本文采用了分層模塊化設(shè)計(jì)思想，首先選用了芯片JM60設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng);其次選用汽車電子行業(yè)專用元器件進(jìn)行了除最小系統(tǒng)外的相關(guān)電路設(shè)計(jì);最后將兩者進(jìn)行了數(shù)據(jù)的對(duì)接和調(diào)試。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于一方面保證了最小系統(tǒng)的普適性，另一方面也保證了外圍電路的靈活多變性，同時(shí)也還有利于硬件電路板降低功耗和提高抗干擾能力。

根據(jù)EPS控制系統(tǒng)的特殊性，本文所設(shè)計(jì)硬件電路采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包含ECU控制模塊、信號(hào)采集輸入模塊、控制信號(hào)輸出模塊以及電源、報(bào)警和信息顯示等其他配套模塊，如圖2所示。其中信號(hào)采集輸入模塊由扭矩信號(hào)采集處理電路、車速信號(hào)采集處理電路、方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路、反饋電流采集處理電路、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路構(gòu)成;控制信號(hào)輸出模塊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、離合器驅(qū)動(dòng)電路等組成。

圖2 EPS控制系統(tǒng)的硬件電路總成

3.1.1 信號(hào)采集輸入模塊

信號(hào)采集輸入模塊由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子電路構(gòu)成，這里詳細(xì)介紹其中的兩個(gè)信號(hào)采集電路。

(1)扭矩信號(hào)采集處理電路

根據(jù)車輛扭矩傳感器的電氣輸出特性可知，其電氣信號(hào)輸出為0～5 V的模擬電壓信號(hào)，而控制系統(tǒng)的JM60微理器處理信號(hào)的范圍僅為0～3.3 V，因而需要對(duì)原始扭矩信號(hào)先降壓處理再接入微控制器的輸入端。扭矩信號(hào)采集處理電路如圖3所示，該電路具有濾波、分壓和去噪功能。其中普通電容起到抗干擾作用，極性電容構(gòu)成的RC電路起低通濾波作用，電阻起分壓作用，穩(wěn)壓管起限幅保護(hù)作用。

圖3 扭矩信號(hào)采集處理電路

(2)車速信號(hào)采集處理電路

由車速傳感器的電氣輸出特性可知，其產(chǎn)生的輸出信號(hào)是與車速成特定比例的正弦脈沖波，再經(jīng)過(guò)里程表調(diào)理成相應(yīng)的方波信號(hào)，此方波信號(hào)的高電平是4～6 V，低電平是0～1 V，因而該信號(hào)需要處理后再接輸入端口。圖4為具有抗干擾和光電隔離功能的車速信號(hào)采集處理電路。

圖4 車速信號(hào)采集處理電路

(3)方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路

方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)采用光電感應(yīng)式傳感器獲得，信號(hào)形式為一對(duì)相角相差90°的交互方波信號(hào)，通過(guò)比較兩路信號(hào)的相位關(guān)系來(lái)判斷方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)刻t1和t2之間的方波個(gè)數(shù)就能知道方向盤的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再加上初始時(shí)刻的相位角就能得到方向盤任意時(shí)刻的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

由于光電感應(yīng)式傳感器產(chǎn)生的方波信號(hào)幅值在0～5 V之間，而且信號(hào)含有一些高頻噪聲，故方向盤轉(zhuǎn)角采集處理電路包含降壓、濾波和去噪三個(gè)部分。

(4)其他采集處理電路

電機(jī)反饋電流信號(hào)采用霍爾電流傳感器采集，是一個(gè)模擬電壓信號(hào)，其采集處理電路可以參考扭矩信號(hào)處理電路;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)是一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)成比例的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)采集處理電路和車速信號(hào)采集處理電路有相近之處，這里不再詳述。

3.1.2 控制信號(hào)輸出模塊

控制信號(hào)輸出模塊主要包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，其中離合器的設(shè)計(jì)可以采用電磁繼電器直接控制，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，本文不做詳述，下面重點(diǎn)介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)中的EPS控制系統(tǒng)的助力電機(jī)采用有刷直流電動(dòng)機(jī)，而要實(shí)現(xiàn)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向功能，就必須設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路，因而該驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)非常重要，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向性能的好壞。電機(jī)的調(diào)流調(diào)矩是采用開關(guān)電源式控制三極管輸入電流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)助力電機(jī)輸出電流的控制，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩控制。目前，常用的直流電機(jī)調(diào)速方式有：可控硅直流調(diào)速和大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速兩種。

相對(duì)于可控硅直流調(diào)速，PWM調(diào)速控制有如下優(yōu)點(diǎn)：①電機(jī)損耗和噪聲小;②系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，工作頻帶寬;③電機(jī)低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)速波動(dòng)和電流脈動(dòng)小，穩(wěn)態(tài)精度高;④工作于開關(guān)狀態(tài)下的晶體管，損耗低、能源利用率高、控制簡(jiǎn)便;⑤系統(tǒng)響應(yīng)靈敏。因此本系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速方式采用PWM調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)。

本文所設(shè)計(jì)的PWM電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路，利用大功率晶體三極管對(duì)電機(jī)調(diào)流實(shí)現(xiàn)調(diào)矩，并采用兩個(gè)P型和兩個(gè)N型MOS管搭建可逆H橋電路實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，同時(shí)在控制信號(hào)端采用光耦器件進(jìn)行光電隔離，電源部分采用電感器件對(duì)模擬電源與數(shù)字電源進(jìn)行模數(shù)隔離。當(dāng) PWM1輸出脈寬信號(hào)、PWM2為高電平、PWM3和PWM4為低電平時(shí)，電機(jī)電流經(jīng)Q1、電機(jī)、Q4和Q5流向電源地，這時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，元器件的通斷情況恰好相反。具體EPS控制系統(tǒng)如何通過(guò)輸出PWM方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)助力控制如圖5所示。

圖5 PWM電機(jī)調(diào)流調(diào)速電路

3.1.3 ECU 控制模塊

EPS控制系統(tǒng)的ECU采用 Freescale微處理器MC9S08JM60來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于JM60有多達(dá)37個(gè)多功能I/O口和14個(gè)專用I/O口，本設(shè)計(jì)根據(jù)各部分硬件電路的具體功能要求，將JM60的各個(gè)I/O端口進(jìn)行了合理的配置，建立了ECU控制模塊與各個(gè)子功能模塊之間的關(guān)聯(lián)，使之能完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)部件的精確控制。具體ECU控制模塊的I/O端口配置及用途如表1所示。

表1 ECU控制模塊的I/O端口配置

3.2 EPS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

EPS控制系統(tǒng)中，助力電機(jī)的目標(biāo)電流與方向盤扭矩信號(hào)、車速信號(hào)之間的關(guān)系是非線性的，而助力電機(jī)本身的電流控制方式采用的是線性方法。本設(shè)計(jì)考慮到EPS控制系統(tǒng)兼具線性和非線性的雙重特點(diǎn)，決定采用模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的控制策略，應(yīng)用模糊控制算法求解助力電機(jī)的目標(biāo)電流，以增量式PID方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的精確反饋控制。

模糊控制是建立在模糊集控制理論基礎(chǔ)上的，采用模糊語(yǔ)言變量和邏輯推理兩種工具，利用人的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，將直覺(jué)推理納入決策的一種智能控制［7-8］。具體實(shí)現(xiàn)方法是：先利用量化因子將輸入變量x模糊化為關(guān)系X，然后選擇模糊控制規(guī)則，將關(guān)系X模糊推理求得模糊輸出Y，最后對(duì)模糊輸出Y進(jìn)行解模糊求得相應(yīng)的數(shù)值輸出y。

模糊控制器以車速V和扭矩T兩個(gè)精確量作為模糊控制器的輸入變量，以助力電機(jī)目標(biāo)電流I作為輸出變量。首先通過(guò)車速、扭矩信號(hào)的量化因子和目標(biāo)電流的比例因子分別對(duì)車速V、扭矩T以及電流I進(jìn)行模糊化。量化因子和比例因子的確定如下：

式中：m、n和l分別為車速、扭矩和電流的量化論域等級(jí);其次采用三角形隸屬度函數(shù)，其表達(dá)式：

式中：參數(shù)a、b、c用來(lái)指定三角形隸屬函數(shù)的形狀，a表示三角形隸屬函數(shù)的起點(diǎn)，b表示三角形隸屬函數(shù)最大隸屬度時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，c表示三角形隸屬函數(shù)的終點(diǎn);再者選用查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則;最后采用重心法來(lái)進(jìn)行反模糊化求出助力電機(jī)所需要的目標(biāo)電流，從而實(shí)現(xiàn)模糊控制策略。

此外作為一個(gè)實(shí)際運(yùn)行綜合控制系統(tǒng)，EPS控制系統(tǒng)還需要考慮多方面的實(shí)際影響因素，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，加入了摩擦補(bǔ)償控制、阻尼補(bǔ)償控制以及回正補(bǔ)償控制。

具體的摩擦補(bǔ)償電流、阻尼補(bǔ)償電流、回正補(bǔ)償電流分別由下式?jīng)Q定：

式中：If為摩擦補(bǔ)償電流;Id為阻尼補(bǔ)償電流;Ir為阻尼補(bǔ)償電流;Kf為摩擦補(bǔ)償增益常數(shù);Kd為阻尼補(bǔ)償增益常數(shù);Kr為回正補(bǔ)償增益常數(shù);ωM為電機(jī)角速度。最終電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的電機(jī)目標(biāo)電流Iobj由基本助力電流Im和以上三個(gè)補(bǔ)償電流(If、Id和Ir)組成。其具體組成如下：

增量式PID反饋控制器根據(jù)系統(tǒng)所需的目標(biāo)電流值Iobj與電機(jī)實(shí)際電流反饋值Ifed之間的偏差來(lái)進(jìn)行控制，增量式PID控制算法可參考式(9)得出對(duì)應(yīng)的PWM控制增量。

式中：A、B、C表示增量 Δuk與前后三次偏差信號(hào)ek、ek-1、ek-2之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

圖6為EPS系統(tǒng)控制策略圖。EPS控制系統(tǒng)的控制程序采用集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在EPS控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)系統(tǒng)程序分為主程序控制模塊和子程序功能模塊。該模塊化程序設(shè)計(jì)方法的好處是便于軟件的集成和后續(xù)軟件的維護(hù)，并且具有較好的可移植性。

圖6 EPS系統(tǒng)控制策略圖

EPS控制系統(tǒng)的主程序的工作原理如下：車輛起動(dòng)后，首先微控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)定;接著系統(tǒng)進(jìn)行自檢，判定系統(tǒng)各組件的工狀;然后通過(guò)扭矩傳感器和車速傳感器收集扭矩信號(hào)和車速信號(hào)，控制器根據(jù)預(yù)存的算法進(jìn)行計(jì)算，推算出助力電機(jī)的目標(biāo)電流值以及電磁離合器所需的離合狀態(tài)，再者控制器依據(jù)目標(biāo)電流值與反饋電流值的偏差信號(hào)算出電機(jī)控制所需的PWM占空比，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)輸出的控制。

EPS控制系統(tǒng)的各個(gè)子程序包括扭矩信號(hào)采集子程序、車速信號(hào)采集子程序、助力電機(jī)集成控制子程序、離合器狀態(tài)控制子程序以及故障檢測(cè)報(bào)警子程序等。

4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

容錯(cuò)技術(shù)原本廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用來(lái)增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可信度［9］。因其實(shí)用性大，現(xiàn)在越來(lái)越多的控制系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。容錯(cuò)技術(shù)主要通過(guò)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)，冗余技術(shù)的措施主要有硬件冗余與軟件冗余。其中軟件冗余主要通過(guò)冗余算法實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，無(wú)需增加硬件設(shè)備，具有成本低、性能好、功能強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。為提高系統(tǒng)的可靠性，本控制系統(tǒng)部分程序采用了解析冗余技術(shù)。

圖7 扭矩信號(hào)容錯(cuò)設(shè)計(jì)流程圖

圖7為扭矩信號(hào)容錯(cuò)設(shè)計(jì)流程圖。扭矩控制信號(hào)是EPS控制系統(tǒng)中的重要輸入量，通常它由一對(duì)主副扭矩信號(hào)求差得到，然后系統(tǒng)利用該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制?？紤]到扭矩信號(hào)傳輸過(guò)程可能存在失真或錯(cuò)誤的現(xiàn)象，而該信號(hào)又是關(guān)鍵輸入量，本文利用主副扭矩信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)的可靠性。從圖7可以看出，只要有一個(gè)扭矩傳感器輸出信號(hào)正常就能保證EPS扭矩控制信號(hào)正常，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)自主設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了其理論設(shè)計(jì)的可行性。圖8、圖9為控制系統(tǒng)進(jìn)行雙紐線實(shí)車試驗(yàn)和蛇形實(shí)車試驗(yàn)扭矩控制對(duì)比效果圖。

圖8 雙紐線對(duì)比試驗(yàn)

圖9 蛇行對(duì)比試驗(yàn)

本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，一是從轉(zhuǎn)向控制的軟硬件設(shè)計(jì)入手，提出先進(jìn)的轉(zhuǎn)向控制策略和改進(jìn)硬件電路設(shè)計(jì)，提升車輛的轉(zhuǎn)向性能和可操作性;二是從車輛的安全角度入手，提出了車輛轉(zhuǎn)向關(guān)鍵因素(扭矩控制信號(hào))的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性和可靠度。

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