基于MSC12 10單片機的汽車電動助力轉(zhuǎn)向ECU系統(tǒng)的開發(fā)

李 偉，宋曉華

（重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向（HPS）以及電控液壓助力轉(zhuǎn)向（EHPS）發(fā)展到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），最終還將過渡到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer By Wire）。在國內(nèi)EPS已成為現(xiàn)代汽車新技術(shù)的研究熱點。EPS采用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元ECU控制。它具有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的一系列優(yōu)點，不僅能節(jié)約燃料、提高主動安全性，且有利于環(huán)保，一經(jīng)出現(xiàn)就受到高度重視。隨著電子元器件價格的不斷降低和可靠性的提高，EPS越來越受到人們的青睞，在汽車上的使用將更加廣泛[1-2]。

1 ECU系統(tǒng)硬件設(shè)計

當(dāng)汽車點火開關(guān)閉合時，ECU上電開始對EPS系統(tǒng)進行自檢。自檢通過后，閉合繼電器和離合器、EPS系統(tǒng)便開始工作。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時，位于轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器把測得的方向盤力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)傳感器主副端兩個信號并結(jié)合車速等信息，控制電機產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制。在低速行駛時，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便；在高速行駛時，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠，具有良好的“路感”。

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)動機轉(zhuǎn)速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)檢測到發(fā)動機正常工作后，首先對整個EPS系統(tǒng)進行自檢，確保系統(tǒng)能正常工作，然后將繼電器閉合，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，從而保護直流電機[3-4]。

1.1 ECU工作原理

ECU硬件電路的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心為MSC1210單片機。ECU工作時，扭矩、車速等傳感器把采集到的信號經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機的相應(yīng)端口，單片機根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對這些數(shù)據(jù)分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過驅(qū)動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅(qū)動電路上設(shè)有電流傳感器，把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，單片機將驅(qū)動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器和離合器，退出電動助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動助力模式[5-7]。

1.2 MSC1210單片機簡介

MSC1210芯片的ADC高精度微位移傳感器電路模塊的核心是MSC1210單片機。它具有微弱信號8通道多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位ΣΔA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)以及UART通信等功能。模擬部分的主要特點有[8]：24位無丟失碼，在10 Hz數(shù)據(jù)輸出率時有22位有效位；低噪聲，只有75 nv；PGA的范圍為1～128；精確的片上參考電壓，精度0.2%，飄移5 PPm/℃；片上偏移和增益校正；單周期轉(zhuǎn)換。

MSC1210微控制器的外圍電路如下圖2所示。

1.3 雙H橋功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動電路由兩個IR2112器件U1、U2組成。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達600 V，在15 V下靜態(tài)功耗僅116 mW；輸出的電源端（腳3Vcc，即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10～20 V；邏輯電源電壓范圍（腳9VDD）3.3～20 V，可方便地與TTL或CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5 V的偏移量；工作頻率高，可達100 kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns；圖騰柱輸出峰值電流為2 A[9]。

U1和U2的驅(qū)動控制信號SD是相同的，但是其HIN和LIN端輸入的信號卻是相反的。U1的HIN和U2的LIN輸入的是PWM0信號，U1的LIN和U2的HIN是將PWM0信號取反后輸入的，這就決定了它們的輸出信號剛好相反，即U1的HO端和U2的LO端信號相同。

H橋電路主要由四個場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4和四個續(xù)流二極管D1、D2、D3、D4組成。場效應(yīng)管型號為IRF540N。如圖3所示，四個場效應(yīng)管的截止與導(dǎo)通與否由LM393的輸出信號SD和單片機的輸出PWM0波控制。這四個場效應(yīng)管分為兩組：Q1和Q4一組，Q2和Q3一組，在驅(qū)動電路的輸出信號作用下兩組交替導(dǎo)通。在SD信號為低電平時，隨著PWMO信號的占空比的變化，從而改變加載在電機兩端的電壓大小。此外，根據(jù)CPU判斷的汽車行駛狀態(tài)，還可以改變加載電壓的極性，表現(xiàn)為電機的正反轉(zhuǎn)[10-11]。

2 ECU系統(tǒng)軟件設(shè)計

從車速傳感器輸出的車速信號以及從發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號均是脈沖信號，不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，可以直接利用單片機的定時/計數(shù)器來完成車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的采集和計算[6]。車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速是通過統(tǒng)計一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，即利用定時器T2，當(dāng)達到指定時間長度t的時候產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取計數(shù)器T1和T2所記錄的脈沖個數(shù)，再將脈沖個數(shù)除以時間長度t，即為單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。對于車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速而言，分別使用標(biāo)準(zhǔn)定時/計數(shù)器T0、Tl記錄車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速在指定時間長度t內(nèi)的脈沖數(shù)。

利用計數(shù)器的第二個功能。將車速傳感器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器連接到MSC1210的T0和T1口，并且持續(xù)監(jiān)控，每來一次脈沖計數(shù)器就累加1。計數(shù)器2是用作定時器，用來對定時器1和定時器2計數(shù)定時[12]。測速子程序的具體實現(xiàn)步驟如下：

初始化定時器0,1,2；啟動各定時器：定時器0,1開始計數(shù)，定時器2開始計時；定時器2計時時間到后進入中斷服務(wù)子程序,將T0和T1的計數(shù)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，具體的公式[13]：

PlusCounter0=TH0×256+TL0;

PlusCounter1=TH1×256+TL1;

speed0=K×(PlusCounter0/PLUS_PER)×60;

speed1=(int)(PI×(PlusCounter1/PLUS_PER)×2.88);

PLUS_PER=10是個常數(shù)，2.88與所選車型的輪胎尺寸有關(guān)。

圖4為定時器2的中斷服務(wù)程序框圖。

3 結(jié)束語

本文在對EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過程的分析基礎(chǔ)上，對EPS控制系統(tǒng)的硬件電路進行了研究開發(fā)，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機；探索了在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中直流電機的控制方法。采用精密電阻進行電機電流采樣的方法，實現(xiàn)了對直流電機輸出電流的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對EPS系統(tǒng)進行了臺架試驗。試驗結(jié)果表明，電子控制單元信號采集的實時性較高，對電機閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個系統(tǒng)具有良好的電動助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。

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