基于FPGA的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

許 慶 ,高 峰 ，付安英 ，徐國艷

（1.北京航空航天大學 北京 100191；2.陜西國際商貿(mào)學院 陜西 咸陽 712000）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering,EPS)系統(tǒng)正逐漸取代廣泛使用的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率更高，靈活性更強，助力可由多個輸入?yún)?shù)聯(lián)合控制，也有利于車輛各系統(tǒng)的高度集成和綜合控制[2]。

文中利用硬件描述語言，設(shè)計了基于FPGA的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模塊。相比常見的使用ECU搭配對應(yīng)的控制軟件的系統(tǒng)，純硬件電路組成的結(jié)構(gòu)更加可靠；由邏輯電路代替軟件實現(xiàn)控制算法，可使系統(tǒng)響應(yīng)速度由毫秒級提升至納秒級[4]；批量生產(chǎn)壓片的成本也大幅降低?；贔PGA的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提高車輛的安全性、可靠性與靈活性，對車輛電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都具有重要意義。

1 總體設(shè)計方案

1.1 布置方案

根據(jù)電機的位置不同，常見的電動轉(zhuǎn)向助力方式包括轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式3種[5-6]。文中選用轉(zhuǎn)向軸助力式布置方案，助力電動機布置在靠近轉(zhuǎn)向盤下方，并經(jīng)蝸輪蝸桿機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置方案Fig.1 Layoutof the EPSsystem

1.2 控制策略

作用在轉(zhuǎn)向盤上力矩增量與對應(yīng)轉(zhuǎn)向器輸出力增量的比值，稱為路感強度。以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為基礎(chǔ)的電動助力轉(zhuǎn)向器的路感強度E為：

其中，dMh為作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩增量；dF為轉(zhuǎn)向器輸出力的增量。

選用不同的助力特性將對轉(zhuǎn)向操縱輕便性和駕駛員路感有不同影響。理想的助力特性應(yīng)既能滿足低速轉(zhuǎn)向時有足夠的輕便性，又能滿足高速轉(zhuǎn)向時具有良好的路感。一般將助力特性曲線設(shè)計成隨著汽車行駛速度變化而變化，并稱這種助力特性為車速感應(yīng)型[7]。助力既是作用到轉(zhuǎn)向盤上的力矩的函數(shù)，也是車速的函數(shù)。

為實現(xiàn)助力功能并保證駕駛員路感，文中根據(jù)力矩傳感器、車速傳感器和轉(zhuǎn)向角度傳感器的輸入，在硬件電路寄存器中直接查表得到對應(yīng)的電機驅(qū)動信號。當車速va=0時，相當于汽車在原地轉(zhuǎn)向，助力特性曲線的位置居于其他各條曲線之上，助力強度達到最大。隨著車速va的不斷升高，助力特性曲線的位置也逐漸降低，直至車速va達到最高車速vamax為止。此時助力強度最小，而路感強度達到最大。查表方式犧牲一定的靈活性，但具有以下優(yōu)點：

1)適合于不同車型。在不同車輛上安裝時，只需測試并改寫表中數(shù)據(jù)；

2)響應(yīng)速度快。控制量通過離線計算與測量得到，工作時直接查得地址對應(yīng)的控制量，而無需計算；3）結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用自頂向下設(shè)計。EPS頂層模塊包括頻率計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)讀取查詢模塊、脈寬調(diào)制模塊3部分。頻率計數(shù)模塊的主要作用是接收從傳感器傳出的頻率脈沖信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對模擬信號提供A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字接口；數(shù)據(jù)讀取查詢模塊通過查表的方式，由頻率計數(shù)模塊讀取的傳感器輸入信號查詢映射得到電機控制信號；脈寬調(diào)制模塊用于產(chǎn)生一連串定頻調(diào)寬的不同占空比數(shù)字信號以控制電機。

圖2 基于Top-down設(shè)計的模塊關(guān)系Fig.2 Relationship ofmodules based on Top-down design

表1 頂層模塊主要接口Tab.1 M ain interfaces of the top m odule

2.1 頻率計數(shù)模塊

頻率計數(shù)模塊采用一基準時鐘，在單位時間內(nèi)對被測信號的脈沖計數(shù)，得到信號的頻率。共含3個子模塊：控制模塊、計數(shù)測量模塊和鎖存器模塊。

其中，控制模塊用于產(chǎn)生count_en、count_clr和load3個控制信號，提供給計數(shù)模塊與鎖存器模塊；計數(shù)模塊帶有始能端和異步清零端；鎖存器模塊存儲并輸出load信號處于上升沿時刻的測量值。

表2 頻率計數(shù)模塊主要接口Tab.2 M ain interfaces of the frequency counting module

2.2 查詢模塊

查詢模塊將輸入信號合成地址，查表輸出對應(yīng)的電機驅(qū)動信號。查詢模塊將助力控制、回正控制和阻尼控制3個模式放入同一表中，使結(jié)構(gòu)緊湊簡單。其中，助力模式為具有一定輸入扭矩并開始轉(zhuǎn)向——即有一定轉(zhuǎn)向角度時的控制模式，對應(yīng)的不同速度下的響應(yīng)曲線經(jīng)試驗完成?；卣Ｊ接糜趲缀鯚o扭矩輸入時，幫助駕駛員將車輪回到直線行駛的中間位置。特別的，在車輛低速時，提供較大回正力矩，幫助車輪迅速回正；在高速時，車輛自身回正力矩較大，模塊用于避免方向盤超調(diào)和左右擺動，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定特性。阻尼模式下電機處于制動狀態(tài)，抑制高速時路面干擾引起的橫擺振動并幫助方向盤回正收斂，提高車輛高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性。

2.3 PWM模塊

轉(zhuǎn)向電機通過H橋控制，PWM模塊提供電機驅(qū)動電路的輸入信號。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

編譯程序，得到實現(xiàn)系統(tǒng)硬件所需邏輯單元為109個。將電路文件燒寫至FPGA，在試驗臺架上于不同工況下測試 系統(tǒng)，測試結(jié)果截圖如圖3所示。

圖3 不同車速下的查表測試Fig.3 Test resultwith different vehicle velocity

表3 PWM模塊主要接口Tab.3 M ain interfaces of the PWM module

顯然，系統(tǒng)模塊正確讀出了車速傳感器脈沖信號的周期，并能根據(jù)查詢表中給出的預(yù)定數(shù)值讀出所需要的控制脈寬。經(jīng)脈寬調(diào)制，可產(chǎn)生符合要求的不同占空比的電機驅(qū)動信號。下載試驗表明，所設(shè)計的控制單元能夠滿足EPS系統(tǒng)的控制要求。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了基于FPGA的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要控制部分全部由硬件描述語言編譯為硬件電路實現(xiàn)，電機控制輸出與傳感器輸入信號直接對應(yīng)，極大地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。試驗臺架測試表明，系統(tǒng)的助力效果顯著，并能提供給駕駛員良好的路感，可以滿足汽車電動助力轉(zhuǎn)向的要求。

[1]晉兵營,寧廣慶,施國標.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2010(37):1-5.JIN Bing-ying,NING Guang-qing,SHIGuo-biao.Overview of Development on Vehicle EPSsystem[J].Tractor and Farm Transporter,2010(37):1-5.

[2]荊體魁.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計 [D].大連:大連理工大學,2005.

[3]王江鋒.智能車輛[D].北京:北京航空航天大學,2006.

[4]Palnitkar Samir,夏宇聞.Verilog HDL數(shù)字設(shè)計與綜合[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5]王望予.汽車設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[6]Oshita S,Mouri T,Uemura Y.Electric power steering system:U.S.Patent4,664,211[P].1987.

[7]莊繼德.汽車電子控制系統(tǒng)工程[M].北京:北京理工大學出版社,1998.