摘 要： 在研究了電動助力轉向系統(EPS" title="EPS">EPS)及其控制器" title="控制器">控制器(ECU)結構和工作原理的基礎上，設計了基于ARM S3C44B0X單片機" title="單片機">單片機的控制系統。通過方向控制電路、H橋電機驅動電路和PWM脈寬調制技術實現對電機的控制。研制的硬件控制器通過了有關的電氣性能測試，并采用模糊PD控制策略" title="控制策略">控制策略對EPS原地轉向的助力特性進行了仿真分析。
關鍵詞： EPS 控制器 單片機 控制策略
電動助力轉向系統(EPS)是汽車工程領域的熱門課題之一，目前研究的主要內容為EPS系統的控制規則和硬件控制器(ECU)的設計，而控制規則的實現必須以一個穩定、可靠的控制器為基礎?，F有的控制器多數基于功能增強的8位單片機，也有的用DSP。目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統開發的核心是嵌入式技術發展的必然趨勢。ARM處理器因其具有突出的優點在32位微控制器領域里得到非常廣泛的應用,在32位嵌入式系統應用中穩居世界第一[1]。在汽車電子技術領域，從車身控制、底盤控制、發動機管理、主被動安全系統到車載娛樂、信息系統等，都離不開嵌入式技術的支持[2]，因此，ARM處理器在汽車電子領域有著良好的應用前景。本文研究了電動助力轉向系統(EPS)及其控制器(ECU)的結構和工作原理，并在此基礎上研究了基于ARM S3C44B0X單片機的電動助力轉向控制系統。
1 EPS工作原理
圖1是一個典型的電動助力轉向系統原理圖。當汽車轉向時，轉矩傳感器測出方向盤的輸出轉矩，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，并根據相應的控制策略確定一個目標電流，控制電動機轉動。電動機的輸出轉矩通過離合器、減速機構施加給轉向柱輸出軸，并經過齒輪齒條等轉向機構的作用使車輪偏轉一定的角度，從而起到對轉向系統的助力作用。
2 控制器的結構和原理
控制器主要由A/D采集電路、H橋電機控制電路和系統保護電路等組成，其結構如圖2所示。當車輛啟動后，系統接收到點火信號，開始進入工作狀態，采集轉矩信號和車速信號并送給單片機。根據已定的控制規則，由系統確定一個目標電流和電機轉動的方向，并以PWM調制的方式通過H橋電路來驅動電機轉動。同時，系統對電機的輸出電流進行采樣，一方面將采樣結果與目標電流相比較，用以對電機進行控制；另一方面結合車速信號，用以對系統的保護[3]。當電機電流大于設定值或車速高于設定值時，為了保護電機和系統的安全，控制器將對繼電器發出一個控制信號，斷開電機電源，停止助力，待系統正常后，再恢復助力功能。
3 控制器的設計
本文設計的控制器采用32位的ARM S3C44B0X單片機作為控制器的核心，由于S3C44B0X單片機集成了豐富的硬件資源，使得電路設計大為簡化，提高了系統的可靠性，同時也為系統將來的擴展和升級留有一定余地。方向控制信號和PWM信號相結合，經光耦加載到H橋驅動電路，控制電機的運行狀態，電路簡單易行。脈寬調制方式采用單極性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整。
3.1 ARM S3C44B0X介紹
SUMSUNG公司的S3C44B0X是基于ARM7 TDMI的體系結構，并在此基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，主要有：8KB的Cache,外部擴充存儲控制器，LCD控制器，2個UART，5個PWM定時器和1個內部定時器，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單片機支持C語言開發，有利于系統控制軟件的開發和調試。
3.2 A/D數據的采集
S3C44B0X采用的是逐次逼近式10位ADC，輸入電壓范圍為0~2.5V，轉換精度為2.5V/210=2.4mV。對于轉矩傳感器，其輸出電壓范圍為0~5V，所以只需對信號進行低通濾波處理和分壓處理。對于電機的采樣電流，由于有正負區別，還應通過電平轉換使其成為正電壓。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)轉換成相應的電壓信號。
3.3電機控制電路
電機的控制電路由方向控制電路和光耦隔離MOSFET H橋電機驅動電路組成。電機驅動電路原理如圖4所示。T1、T2、T3、T4為光耦部件，一方面用于系統強電和弱電的隔離，另一方面用于驅動MOSFET部件。所以在選擇光耦型號時，應選擇輸出功率較強的光耦(如TLP250，其輸出電流最大可達1.5A)。電機的PWM控制信號和方向控制信號都是經光耦后加載到MOSFET部件的。當T1和T4導通、T2和T3關斷時，對應的Q1、Q2導通，Q2、Q3關斷，電機電流經Q1、MOTOR、Q4流向地，此時電機正轉；電機反轉時，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，系統采用單極性PWM調制方式，D1、D2為方向控制信號。D1、D2共有四種組合。11時電機正轉，00時電機反轉，01和10時電機停止。當D1、D2為11時，與門U1、U2輸出高電平，其中，U2的信號用于驅動光耦T4，開啟MOS管Q4。U3根據PWM信號和U1的信號驅動光耦T1，開啟MOS管Q1，即Q1、Q4導通。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關斷，電機正轉。當D1、D2為00時，情況正好相反，T1、T4截止,Q1、Q2關斷，T2、T3開啟，Q2、Q3導通，電機反轉。
3.4 電路的保護設計
保護電路主要由MOSFET緩沖電路和系統的繼電器保護電路組成。開關器件在開通和關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過程中保護開關器件，抑制高電壓和大電流的防護措施。本設計采用的是RCD充、放電緩沖電路，如圖6所示。當MOSFET關斷時，經二極管D向電容C充電，由于二極管正向導通時壓降很小，所以關斷時的過壓吸收效果與電容的吸收效果相當。當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器件的開關特性，減小開關器件本身的功耗發熱。
繼電器保護電路主要是用于電機的過流保護并確保EPS在設定的車速范圍內工作。ECU通過對電機電流的采樣來確保電機工作在額定電流范圍內。一旦電機電流高于設定的保護值，或車速超出設定范圍，ECU就會向繼電器發出一個關斷信號，切斷電機的電源，停止助力。
4 系統控制策略及仿真
國內外學者研究了不同的EPS控制策略，如PID控制[5～6]、H_∞魯棒控制[7]、模糊控制[8]等。由于轉矩信號和車速信號的輸入特點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，本文采用了模糊PD控制策略。其控制結構框圖如圖7所示。
這里，系統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，Kd為PD的微分系數，Ia為目標電流，Tm為電機輸出轉矩。模糊控制器通過對轉矩傳感器信號的采集，在線整定Kp、Kd參數，用于PD控制，再由PD控制來確定系統的目標電流。在MATLAB環境下應用上述控制策略對EPS系統進行原地轉向仿真，給定如圖8所示的轉向盤轉向力矩的輸入曲線，設定系統電流上限為30A。經過仿真計算得到的EPS系統對該輸入的電流響應如圖9所示。
從仿真結果可以看出，采用該種控制策略，電動機輸出電流對方向盤輸入轉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。
參考文獻
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