MC9S12系列16位單片機控制的EPS系統(tǒng)設(shè)計

1 EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，EleCTRIC Power Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機直接提供轉(zhuǎn)向助力，具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設(shè)計，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器，控制器運行內(nèi)部控制算法，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時，轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小，產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號，由此電動式動力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小，同時，根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速，再控制電動機的電流，形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。

2 EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器的選擇

MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個異步串行通信口SCI，3個同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個CAN模塊以及一個內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。

2.2 硬件電路總體框架

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機點火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。

2.3 電機控制電路設(shè)計

直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實施對直流電動機的控制，由4個功率MOSFET組成，如圖3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。

2.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計

上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號a（b）為高電平時，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時，Qa的柵-源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V。因此需設(shè)計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

當(dāng)MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵-源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵-源極電壓能夠使其關(guān)斷。

2.3.2 下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動電路

下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動電路如圖5所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號c（d）為高電平時，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。

當(dāng)MOSFET的控制信號c（d）低電平時， Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時，其柵-源極電壓等于電源電壓減去Q2的集-射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵-源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當(dāng)蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動（10V）所需的電壓

2.4 蓄電池倍壓工作電源

由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。

電源倍壓電路如圖6所示，NE555定時器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍。

3 電機驅(qū)動電路臺架試驗

根據(jù)電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺上進行臺架模擬試驗，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖7為中等車速轉(zhuǎn)向助力時，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動機電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動機電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動機電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

MC9S12系列16位單片機片內(nèi)資源豐富，對于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機電路經(jīng)初步試驗，性能良好，可基本滿足電動助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個基本的信號進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。
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