摘 要： 在研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS" title="EPS">EPS)及其控制器" title="控制器">控制器(ECU)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,，設(shè)計了基于ARM S3C44B0X單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)的控制系統(tǒng)。通過方向控制電路,、H橋電機(jī)驅(qū)動電路和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制,。研制的硬件控制器通過了有關(guān)的電氣性能測試，并采用模糊PD控制策略" title="控制策略">控制策略對EPS原地轉(zhuǎn)向的助力特性進(jìn)行了仿真分析,。
關(guān)鍵詞： EPS 控制器 單片機(jī) 控制策略
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是汽車工程領(lǐng)域的熱門課題之一,，目前研究的主要內(nèi)容為EPS系統(tǒng)的控制規(guī)則和硬件控制器(ECU)的設(shè)計，而控制規(guī)則的實(shí)現(xiàn)必須以一個穩(wěn)定,、可靠的控制器為基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的控制器多數(shù)基于功能增強(qiáng)的8位單片機(jī)，也有的用DSP,。目前,，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。ARM處理器因其具有突出的優(yōu)點(diǎn)在32位微控制器領(lǐng)域里得到非常廣泛的應(yīng)用,在32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中穩(wěn)居世界第一[1],。在汽車電子技術(shù)領(lǐng)域,，從車身控制、底盤控制,、發(fā)動機(jī)管理,、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、信息系統(tǒng)等,，都離不開嵌入式技術(shù)的支持[2],，因此，ARM處理器在汽車電子領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景,。本文研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)及其控制器(ECU)的結(jié)構(gòu)和工作原理,，并在此基礎(chǔ)上研究了基于ARM S3C44B0X單片機(jī)的電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。
1 EPS工作原理
圖1是一個典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖,。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時,，轉(zhuǎn)矩傳感器測出方向盤的輸出轉(zhuǎn)矩，送給控制器ECU，控制器再綜合由車速傳感器送來的車速信號,，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略確定一個目標(biāo)電流,，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動。電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過離合器,、減速機(jī)構(gòu)施加給轉(zhuǎn)向柱輸出軸,，并經(jīng)過齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用使車輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而起到對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用,。
2 控制器的結(jié)構(gòu)和原理
控制器主要由A/D采集電路,、H橋電機(jī)控制電路和系統(tǒng)保護(hù)電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示,。當(dāng)車輛啟動后,，系統(tǒng)接收到點(diǎn)火信號，開始進(jìn)入工作狀態(tài),，采集轉(zhuǎn)矩信號和車速信號并送給單片機(jī),。根據(jù)已定的控制規(guī)則，由系統(tǒng)確定一個目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向,，并以PWM調(diào)制的方式通過H橋電路來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動,。同時，系統(tǒng)對電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣,，一方面將采樣結(jié)果與目標(biāo)電流相比較,，用以對電機(jī)進(jìn)行控制；另一方面結(jié)合車速信號,，用以對系統(tǒng)的保護(hù)[3],。當(dāng)電機(jī)電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時，為了保護(hù)電機(jī)和系統(tǒng)的安全,，控制器將對繼電器發(fā)出一個控制信號,，斷開電機(jī)電源，停止助力,，待系統(tǒng)正常后,，再恢復(fù)助力功能。
3 控制器的設(shè)計
本文設(shè)計的控制器采用32位的ARM S3C44B0X單片機(jī)作為控制器的核心,，由于S3C44B0X單片機(jī)集成了豐富的硬件資源,，使得電路設(shè)計大為簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性,，同時也為系統(tǒng)將來的擴(kuò)展和升級留有一定余地,。方向控制信號和PWM信號相結(jié)合，經(jīng)光耦加載到H橋驅(qū)動電路,，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),，電路簡單易行。脈寬調(diào)制方式采用單極性PWM，避免了MOS管直通的可能性,，不僅可靠,，脈寬占空比也易于調(diào)整。
3.1 ARM S3C44B0X介紹
SUMSUNG公司的S3C44B0X是基于ARM7 TDMI的體系結(jié)構(gòu),，并在此基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊,，主要有：8KB的Cache,外部擴(kuò)充存儲控制器，LCD控制器,，2個UART,，5個PWM定時器和1個內(nèi)部定時器，8路10位ADC,，71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源及看門狗定時器[4],。同時,，ARM單片機(jī)支持C語言開發(fā)，有利于系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)和調(diào)試,。
3.2 A/D數(shù)據(jù)的采集
S3C44B0X采用的是逐次逼近式10位ADC,，輸入電壓范圍為0~2.5V，轉(zhuǎn)換精度為2.5V/210=2.4mV,。對于轉(zhuǎn)矩傳感器,，其輸出電壓范圍為0~5V，所以只需對信號進(jìn)行低通濾波處理和分壓處理,。對于電機(jī)的采樣電流,，由于有正負(fù)區(qū)別，還應(yīng)通過電平轉(zhuǎn)換使其成為正電壓,。其電路如圖3所示,。其中，R1的作用是將霍爾傳感器的輸出信號(0~50mA)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號,。
3.3電機(jī)控制電路
電機(jī)的控制電路由方向控制電路和光耦隔離MOSFET H橋電機(jī)驅(qū)動電路組成,。電機(jī)驅(qū)動電路原理如圖4所示。T1,、T2,、T3、T4為光耦部件,，一方面用于系統(tǒng)強(qiáng)電和弱電的隔離,，另一方面用于驅(qū)動MOSFET部件。所以在選擇光耦型號時,，應(yīng)選擇輸出功率較強(qiáng)的光耦(如TLP250,，其輸出電流最大可達(dá)1.5A)。電機(jī)的PWM控制信號和方向控制信號都是經(jīng)光耦后加載到MOSFET部件的。當(dāng)T1和T4導(dǎo)通,、T2和T3關(guān)斷時,，對應(yīng)的Q1、Q2導(dǎo)通,，Q2,、Q3關(guān)斷，電機(jī)電流經(jīng)Q1,、MOTOR,、Q4流向地，此時電機(jī)正轉(zhuǎn),；電機(jī)反轉(zhuǎn)時,，器件的通斷情況正好相反。
方向控制電路主要由與門和或非門組成,，其電路原理如圖5所示,。U1、U2,、U3,、U6為與門，U4,、U5為或非門,，系統(tǒng)采用單極性PWM調(diào)制方式，D1,、D2為方向控制信號,。D1、D2共有四種組合,。11時電機(jī)正轉(zhuǎn),，00時電機(jī)反轉(zhuǎn)，01和10時電機(jī)停止,。當(dāng)D1,、D2為11時，與門U1,、U2輸出高電平,，其中，U2的信號用于驅(qū)動光耦T4,，開啟MOS管Q4,。U3根據(jù)PWM信號和U1的信號驅(qū)動光耦T1，開啟MOS管Q1,，即Q1,、Q4導(dǎo)通,。此時，或非門U4,、U5和與門U6的輸出為低電平,，光耦T2、T3截止,，MOS管Q2,、Q3關(guān)斷，電機(jī)正轉(zhuǎn),。當(dāng)D1,、D2為00時，情況正好相反,，T1,、T4截止,Q1、Q2關(guān)斷,，T2,、T3開啟，Q2,、Q3導(dǎo)通,，電機(jī)反轉(zhuǎn),。
3.4 電路的保護(hù)設(shè)計
保護(hù)電路主要由MOSFET緩沖電路和系統(tǒng)的繼電器保護(hù)電路組成,。開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過程中可能同時承受過壓、過流,、過大的di/dt,、du/dt以及過大的瞬時功率，緩沖電路就是在開關(guān)過程中保護(hù)開關(guān)器件,，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施,。本設(shè)計采用的是RCD充、放電緩沖電路,，如圖6所示,。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，經(jīng)二極管D向電容C充電,，由于二極管正向?qū)〞r壓降很小,，所以關(guān)斷時的過壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng)MOSFET開通時,，電容C通過電阻R放電,，限制了MOSFET中的開通尖峰電流。RCD緩沖電路能有效地改善開關(guān)器件的開關(guān)特性,，減小開關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱,。
繼電器保護(hù)電路主要是用于電機(jī)的過流保護(hù)并確保EPS在設(shè)定的車速范圍內(nèi)工作,。ECU通過對電機(jī)電流的采樣來確保電機(jī)工作在額定電流范圍內(nèi)。一旦電機(jī)電流高于設(shè)定的保護(hù)值,，或車速超出設(shè)定范圍,，ECU就會向繼電器發(fā)出一個關(guān)斷信號，切斷電機(jī)的電源,，停止助力,。
4 系統(tǒng)控制策略及仿真
國內(nèi)外學(xué)者研究了不同的EPS控制策略，如PID控制[5～6],、H_∞魯棒控制[7],、模糊控制[8]等。由于轉(zhuǎn)矩信號和車速信號的輸入特點(diǎn)非常適合采用模糊控制,，而PD控制則具有較好的控制性能,，因而綜合這兩種方法的特點(diǎn)，本文采用了模糊PD控制策略,。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示,。
這里，系統(tǒng)輸入為地面反作用力矩,，Tsw為方向盤把持力矩,，Kp為PD控制的比例系數(shù)，Kd為PD的微分系數(shù),，Ia為目標(biāo)電流,，Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。模糊控制器通過對轉(zhuǎn)矩傳感器信號的采集,，在線整定Kp,、Kd參數(shù)，用于PD控制,，再由PD控制來確定系統(tǒng)的目標(biāo)電流,。在MATLAB環(huán)境下應(yīng)用上述控制策略對EPS系統(tǒng)進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向仿真，給定如圖8所示的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩的輸入曲線,，設(shè)定系統(tǒng)電流上限為30A,。經(jīng)過仿真計算得到的EPS系統(tǒng)對該輸入的電流響應(yīng)如圖9所示。
從仿真結(jié)果可以看出,，采用該種控制策略,，電動機(jī)輸出電流對方向盤輸入轉(zhuǎn)矩有較好的跟蹤性能，說明本文研究的模糊PD控制策略具有良好的助力效果,。
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