汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究及設(shè)計

張劭昀，王念，王義

（1.貴州師范大學(xué)貴州貴陽550001；2.中航工業(yè)貴航股份華旭科技公司貴州貴陽550009）

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究及設(shè)計

張劭昀1，王念2，王義1

（1.貴州師范大學(xué)貴州貴陽550001；2.中航工業(yè)貴航股份華旭科技公司貴州貴陽550009）

分析了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的工作原理和數(shù)學(xué)模型，建立了直線型EPS助力特性曲線和增量式閉環(huán)PID控制策略。以MC9S12DP256單片機(jī)為核心，設(shè)計了控制器電源電路，信號處理電路、CAN通信電路、時鐘電路，并給出了軟件設(shè)計流程。本設(shè)計利用MC9S12DP256豐富的內(nèi)部資源，引入了CAN技術(shù)，簡化了硬件電路，降低了電路之間的干擾，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

電動助力轉(zhuǎn)向；PID控制；CAN；MC9S12DP256

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其性能直接影響著汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。早期的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，沒有助力，轉(zhuǎn)向動力完全由駕駛員提供，駕駛體驗差。從上世紀(jì)30年代以后，逐漸出現(xiàn)了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，汽車助力轉(zhuǎn)向主要有3種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS），電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering，EHPS）以及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，EPS）［1］。相比前兩種，EPS由電機(jī)提供輔助力矩，沒有油系統(tǒng)，很大程度降低了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環(huán)境友好性等各方面具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)EPS助力電機(jī)在齒輪和轉(zhuǎn)向柱總成上位置的不同，EPS系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪助力式4種類型。小齒輪和轉(zhuǎn)向柱助力式應(yīng)用于輕型車輛，雙小齒輪助力式應(yīng)用于重型車輛。它們在構(gòu)成上都具有3個基本部件：電控單元（Electric Control Unit，ECU）、助力電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器［2］。文中針對小型轎車，以美國Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DP256為核心進(jìn)行了EPS控制器的設(shè)計。

1　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由方向盤、扭矩傳感器、電子控制單元（ECU）、電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器組成。在汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，轉(zhuǎn)動方向盤時，由安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器測得轉(zhuǎn)向力矩，并送給ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩和車速，通過預(yù)先設(shè)置好的助力特性曲線和控制策略計算出一個電機(jī)所需的最佳電流，從而控制電機(jī)輸出力矩和轉(zhuǎn)動方向，然后經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)施加到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，最終得到一個與行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向［3］。

2　控制策略

2.1EPS模型建立

根據(jù)牛頓定律，可建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型［4］。

圖1　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure diagram of EPS

轉(zhuǎn)矩測量值：

電機(jī)：

電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩：

齒輪齒條：

轉(zhuǎn)向阻力：

其中：Th為方向盤輸入轉(zhuǎn)矩，Js為轉(zhuǎn)向柱、盤總成轉(zhuǎn)動慣量，Bs為輸入軸阻尼系數(shù)，Ks為力矩傳感器剛度系數(shù)，Tm電機(jī)輸出力矩，Km為助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)，Jm為助力電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，Bm為助力電機(jī)阻尼系數(shù)，M為齒條質(zhì)量，Br為齒條和轉(zhuǎn)向輪粘性阻尼系數(shù)，Kr為齒條當(dāng)量剛度，G為助力機(jī)構(gòu)傳動比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤轉(zhuǎn)角，θm為電機(jī)轉(zhuǎn)角，xr為齒條位移，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)向阻力。

2.2助力特性曲線設(shè)計

EPS助力特性是駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩和電機(jī)助力力矩（助力電流）之間的關(guān)系。汽車在行駛過程中，轉(zhuǎn)向阻力隨著車速的增加而降低。為了獲得汽車低速行駛時轉(zhuǎn)向的輕便性和高速行駛時的穩(wěn)定性，在同種行駛狀況下，電機(jī)助力力矩隨著車速的升高而減小，并在車速超出一定范圍時，電機(jī)不進(jìn)行助力。常見的助力特性曲線有3種：直線型、折線型和曲線型。直線型助力特性曲線形式簡單，實際中容易調(diào)節(jié)和實現(xiàn)。因此，文中采用直線型助力特性進(jìn)行控制器設(shè)計。直線型助力特性可表示為如下函數(shù)關(guān)系：

其中：Th為電機(jī)目標(biāo)力矩，f（v）為車速感應(yīng)系數(shù)，Tmax為電機(jī)最大助力力矩，Td0為開始助力時駕駛員輸入最小力矩，Tdmax為電機(jī)提供最大助力時駕駛員輸入力矩。

助力特性參數(shù)確定［5-7］：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6 Nm，Thmax= 21 Nm。車速感應(yīng)系數(shù)按照表1所示規(guī)則確定（最終需要實車測試后進(jìn)行修正），車速超過80 km/h時，電機(jī)不進(jìn)行助力。

表1　pf1不同車速下的感應(yīng)系數(shù)Tab.1The induction coefficient of different speed

根據(jù)上述參數(shù)，助力特性曲線設(shè)計如圖2所示。

圖2　助力特性曲線Fig.2Assist characteristics curves

電機(jī)目標(biāo)電流可以由式（8）獲得：

式中，ki為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，G為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動比。

2.3控制算法

EPS系統(tǒng)控制是對電機(jī)電流大小和方向的控制。其控制算法的好壞直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。本文采用目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的PID控制算法。PID控制穩(wěn)定性和可靠性高、實時性強(qiáng)、且控制與調(diào)試方法簡單，易于實現(xiàn)，適合用于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。因此，PID控制是現(xiàn)階段EPS控制系統(tǒng)主要的控制策略。

PID控制的表達(dá)式可表示為：

其中：r（t）為助力電機(jī)電流目標(biāo)值，y（t）是控制系統(tǒng)實際輸出值，u（t）為PID控制器的輸出信號，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。EPS控制系統(tǒng)的核心是采用數(shù)字信號的單片機(jī)。因此，需要對式（10）進(jìn)行如下處理：

為了減小計算量，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實時性，本設(shè)計采用增量式PID控制，用控制量的增量Δu作為作為控制器的輸出。其實現(xiàn)方法如下：

設(shè)助力電機(jī)目標(biāo)電流為i，實際當(dāng)前助力電流為io，則控制偏差為：

助力電機(jī)目標(biāo)電流可以由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前車速、輸入轉(zhuǎn)矩、助力特性曲線計算得到。然后由式（11）、（12）、（13）可獲得對應(yīng)的PWM增量Δu。

PID參數(shù)可以由試湊發(fā)初步得到，然后根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行修正。

3　硬件設(shè)計

3.1總體設(shè)計

單片機(jī)是控制器的核心，其選型需要考慮適用性、可靠性、片內(nèi)資源、價格等多種因素。單片機(jī)選型恰當(dāng)與否直接影響機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的性能及設(shè)計難易程度度。本設(shè)計采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256單片機(jī)。MC9S12DP256內(nèi)置5個CAN模塊、2個8通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、8個PWM通道，總線速度25 MHz，采用5 V供電，112腳LQFP封裝。此單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富，可大大簡化控制系統(tǒng)硬件電路，其可靠性高，非常適用于EPS控制。設(shè)計中沒有用到的管腳引到電路板上，以便于后續(xù)開發(fā)。

硬件設(shè)計如圖3所示。車速、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)矩信號經(jīng)處理后送給MC9S12DP256單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)計算后，得到電機(jī)助力電流值，經(jīng)驅(qū)動電路后作用于助力電機(jī)，控制電機(jī)輸出力矩的大小和方向，同時對電機(jī)電流進(jìn)行采樣，并送回單片機(jī)，形成閉環(huán)控制。在助力控制基礎(chǔ)上，設(shè)計了電機(jī)保護(hù)電路和故障診斷與提示電路。一旦檢測到故障存在，立即斷開離合器，改用純手動轉(zhuǎn)向，并發(fā)出故障信號，從而保證了行車安全。

圖3　EPS電控單元硬件電路原理Fig.3Hardware circuit principle of ECU

3.2控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、扭矩信號處理電路、車速信號處理電路、CAN通信電路、時鐘電路。具體設(shè)計如下：

電源轉(zhuǎn)換由于單片機(jī)工作時管腳電壓為+5 V供電，而車載電源電壓為+12 V。因此，需要對+12 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成+5 V。本設(shè)計中采用7805電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓變換。

扭矩信號處理由于扭轉(zhuǎn)傳感器獲得的是一些微弱的小信號，容易受干擾，因此需要對其進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計采用型濾波電路，R12取大電阻，提高輸入阻抗。

車速處理電路車速信號為+12 V單極性方波，電壓太高，不能直接用于單片機(jī)，需要將其變換為+5 V以內(nèi)的方波。利用LM358對其進(jìn)行處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到高電平為3.72 V，低電平為0.01V的方波信號［8］。

CAN總線驅(qū)動電路MC9S12DP256內(nèi)部集成了CAN總線控制器，CAN驅(qū)動電路只需要物理層驅(qū)動即可。本設(shè)計選用82C250芯片進(jìn)行設(shè)計。

時鐘電路時鐘是單片機(jī)工作的基礎(chǔ)。MC9S12DP256單片機(jī)內(nèi)部集成了壓控振蕩器，可在其43、44和46、47引腳分別接上鎖相環(huán)電路和16MHz的晶振電路，組成MC9S12DP256時鐘電路，提供25MHz的時鐘信號。

具體電路設(shè)計如圖4所示。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

EPS控制軟件采用模塊化設(shè)計，包括進(jìn)行系統(tǒng)初始化、信號采集、控制狀態(tài)判、控制模式判斷、PWM占空比計算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及保護(hù)、電流閉環(huán)模塊、通信模塊等。EPS控制系統(tǒng)需要同時執(zhí)行多個任務(wù)，為了保證系統(tǒng)的實時性和可靠性，采用中斷服務(wù)方式，將整個軟件部分分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序設(shè)計流程如圖5所示。

5　結(jié)束語

文中分析了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了直線型助力特性曲線，建立了增量式閉環(huán)PID控制策略，減小了芯片的計算量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的助力跟隨性。利用MC9S12DP256單片機(jī)的豐富內(nèi)部資源，簡化了EPS硬件電路系統(tǒng)，降低了電路間的干擾，從而提升了系統(tǒng)可靠性，設(shè)計了基于MC9S12DP256的EPS控制系統(tǒng)硬件電路，并給出了軟件設(shè)計流程。本文設(shè)計的EPS系統(tǒng)可以編寫多種EPS控制算法，有利于后續(xù)深入研究。對于控制性能的優(yōu)化將在進(jìn)一步的控制策略研究和試驗中進(jìn)行。

圖4　MC9S12DP256系統(tǒng)電路Fig.4System circuit based on MC9S12DP256

圖5　主程序流程Fig.5Main program process

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Study and design of ECU for automobile electric power steering system

ZHANG Shao-yun1，WANG Nian2，WANG Yi1
（1.Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China；2.Avic Guihang Shares Huaxu Scientifec and Technical Company，Guiyang 550009，China）

The working principle and the mathematical models of electric power steering system（EPS）were analyzed.Linear assist characteristic curves and incremental PID closed-loop control strategy of EPS were established.MC9S12DP256 chip as the core，power supply circuit，signal processing circuit，CAN communication circuit and clock circuit of the controller were designed and the software design process were given.Using the abundant internal resource of MC9S12DP256，introducing CAN technology，this design simplified the hardware circuit，thus it reduced the interference of the circuits and improved the reliability of the control system.

electric power steering system；PID control；CAN；MC9S12DP256

TN409

A

1674－6236（2015）24-0152-04

2015-02-09稿件編號：201502085

貴州省科技廳國際科技合作計劃項目（黔科合外G字［2014］7007號）；貴州省科技廳省校合作計劃項目（黔科合［2013］7001）；貴州省普通高等學(xué)校汽車電子技術(shù)特色重點(diǎn)實驗室（黔教合KY字［2014］213）

張劭昀（1987—），男，陜西咸陽人，碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)、智能網(wǎng)絡(luò)控制。