輕型載貨汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器研究設(shè)計(jì)

前言

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能、環(huán)保兩大主題的推廣，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）以其優(yōu)越性能表現(xiàn)得到業(yè)界的廣泛關(guān)注，逐漸成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。目前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輕型載貨汽車上的應(yīng)用正處于起步期，而作為EPS核心技術(shù)——控制器的研究，更是具有重要的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。本文對(duì)某輕型載貨汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了研究和開發(fā)。

1 EPS工作過(guò)程和原理

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器會(huì)檢測(cè)到駕駛員施加到轉(zhuǎn)向盤上的操縱力?？刂茊卧诮邮盏脚ぞ貍鞲衅鬏敵龅呐ぞ?a target="_blank">信號(hào)后，結(jié)合汽車當(dāng)前的車速信號(hào)對(duì)系統(tǒng)所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而獲得系統(tǒng)當(dāng)前的控制模式，在數(shù)據(jù)處理后向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)行指令，電動(dòng)機(jī)會(huì)根據(jù)需要提供相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)矩來(lái)達(dá)到助力、阻尼或回正控制模式。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)增扭后施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。

EPS的控制原理如圖1所示。控制單元ECU控制作為動(dòng)力源的電機(jī)提供助力，達(dá)到期望的助力效果。ECU根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器輸出信號(hào)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)，此信號(hào)輸給驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并經(jīng)減速機(jī)構(gòu)提供給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)助力；電動(dòng)機(jī)由直流電源經(jīng)繼電器、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路供電；在驅(qū)動(dòng)電路與電動(dòng)機(jī)之間設(shè)有霍爾傳感器，使ECU能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電流大??；通過(guò)PID控制算法來(lái)調(diào)整使檢測(cè)電流值接近目標(biāo)值，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)過(guò)流的時(shí)候，斷開繼電器以保護(hù)電路。

圖1 EPS控制原理圖

2 EPS控制方法

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器會(huì)檢測(cè)到駕駛員施加到轉(zhuǎn)向盤上的操縱力?？刂茊卧诮邮盏脚ぞ貍鞲衅鬏敵龅男盘?hào)后，對(duì)汽車轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行選擇，再結(jié)合汽車當(dāng)前的車速信號(hào)對(duì)系統(tǒng)所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而獲得系統(tǒng)當(dāng)前的控制模式。在數(shù)據(jù)處理后向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)行指令，電機(jī)會(huì)根據(jù)需要提供相應(yīng)大小轉(zhuǎn)矩來(lái)達(dá)到助力、阻尼或回正控制模式。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)增扭后施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上。本文的控制方法如圖2所示。

圖2 控制方法框圖

由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，在實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，將描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程化為離散系統(tǒng)的差分方程，故只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。以采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代替連續(xù)時(shí)間 ，以和式代替積分，以增量式代替微分，則可得到數(shù)字PID控制器。電動(dòng)機(jī)電流增量式數(shù)字PID控制算法如下：

該方式控制過(guò)程簡(jiǎn)單，使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器始終處于一個(gè)比較平穩(wěn)的工作狀態(tài)，同時(shí)還能夠獲得較好的助力效果。

3 控制器設(shè)計(jì)

若將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的引航者，則可用控制器作為EPS系統(tǒng)的“心臟”以表明其至關(guān)重要的作用。硬件電路在控制器中就起著中流砥柱的作用。硬件電路不僅要面對(duì)復(fù)雜、惡劣的汽車行駛工況，還承載信號(hào)指令的接收與發(fā)送，所以硬件電路設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著控制器的使用壽命和EPS系統(tǒng)的可靠性；而軟件設(shè)計(jì)則可看成控制器的“大腦”，承擔(dān)著繁復(fù)數(shù)據(jù)處理的責(zé)任和指令發(fā)布的功能。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

EPS控制器通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路以及芯片的A/D轉(zhuǎn)換器將主要的扭矩信號(hào)、車速信號(hào)以及電機(jī)的反饋電流信號(hào)采集后，送入控制器，控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及設(shè)定的控制策略進(jìn)行運(yùn)算處理，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路給助力電機(jī)輸出控制信號(hào)。控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3控制器結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用Infineon公司的增強(qiáng)型16位的XC166家族的XC164CM微控制器作為EPS系統(tǒng)的處理器，它具備出色的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）性能以及先進(jìn)的中斷處理能力。雖然單片機(jī)已經(jīng)將CPU、FLASH、ROM、RAM以及I/O等全部集成在一個(gè)電路芯片上，但仍需要有外部電路的支持。通過(guò)能夠維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡(jiǎn)單配置的電路來(lái)構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。以XC164CM芯片為核心的最小硬件系統(tǒng)主要包括：電源電路、時(shí)鐘電路、片上調(diào)試支持（OCDS）電路、復(fù)位電路。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)控制電路

本系統(tǒng)采用的是無(wú)刷直流電機(jī)的平滑驅(qū)動(dòng)方案， 驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。控制系統(tǒng)由Infineon公司的三相驅(qū)動(dòng)芯片6ED003L06-F控制SPP80N08S2-07型MOSFET功率管的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將大大簡(jiǎn)化了電路的規(guī)模。三組橋臂（M1、M2，M3、M4，M5、M6）分別對(duì)應(yīng)了W、V、U三相，而且在同一時(shí)刻上下橋有且只能各有一個(gè)導(dǎo)通以形成唯一通路，這樣通過(guò)PWM調(diào)制和三相相位的調(diào)節(jié)就實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的。

圖4驅(qū)動(dòng)控制電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合DAVE平臺(tái)確定出EPS控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，利用KeiluVision4

對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行程序代碼編寫。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)-電機(jī)電流控制的信訪室對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主程序如圖5的流程圖所示。為了使EPS系統(tǒng)性能更加可靠、穩(wěn)定，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集程序和數(shù)字濾波程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖5主程序流程圖

4 控制器的驗(yàn)證

驗(yàn)證時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝在輕型貨車上，與轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向搖臂分別連接，具體試驗(yàn)設(shè)備連接如圖6所示?？刂破饔沈?qū)動(dòng)板、控制板和計(jì)算機(jī)組成，來(lái)完成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1——示波器2——計(jì)算機(jī)3——24V電源4——5V電源 5——驅(qū)動(dòng)板 6——控制板

7——轉(zhuǎn)向器 8——輕型貨車

圖6 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)圖

驗(yàn)證過(guò)程中，由RMS方向盤傳感器將采集到的轉(zhuǎn)向盤扭矩信號(hào)輸入給示波器，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的分析處理獲得試驗(yàn)力矩曲線。將兩組曲線在同一位置開始進(jìn)行整合，獲得無(wú)助力和助力曲線的某一工作段對(duì)比力矩曲線如圖7所示。

1——轉(zhuǎn)向曲線2——助力轉(zhuǎn)向曲線

圖7 原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)對(duì)比曲線

從試驗(yàn)曲線可以看出，曲線1在極限轉(zhuǎn)向時(shí)的力矩值均超過(guò)30N?m，而曲線2的力矩值被控制在30N?m范圍之內(nèi)。與純機(jī)械轉(zhuǎn)向相比，采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠有效的減少轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩，實(shí)現(xiàn)助力控制。

5 結(jié)論

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)的控制方法和控制器的設(shè)計(jì)方式的可行性，使該電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。試驗(yàn)過(guò)程中，駕駛員能夠感覺(jué)到利用電機(jī)的阻力矩以及反充電原理可以獲得回正和阻尼控制的效果。通過(guò)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效果驗(yàn)證，雖然控制器能夠滿足試驗(yàn)要求，但無(wú)論在軟件上還是硬件上都需要進(jìn)行完善，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的目標(biāo)。