單片機的EPS驅動電路設計

　　1 EPS系統基本結構及工作原理

　　電動助力轉向系統(EPS，Electric Power Steering)是未來轉向系統的發展方向。該系統由電動機直接提供轉向助力，具有調整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉向助力的特點。EPS最為突出的是該系統可在不更換系統硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設計，十分方便地調節系統的助力特性，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。

　　電動助力轉向系統(EPS)主要包括傳感器、控制器和執行器三大部件。傳感器將采集到的信號經過相應處理后輸人到控制器，控制器運行內部控制算法，向執行器發出指令，控制執行器的動作，系統結構如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時，轉矩傳感器根據輸人轉向力矩的大小，產生出相應的電壓信號，由此電動式動力系統就可以檢測出操縱力的大小，同時，根據車速傳感器產生的脈沖信號又可測出車速，再控制電動機的電流，形成適當的轉向助力。

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　　2 EPS控制系統硬件電路設計

　　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，是根據當前汽車的要求設計出來的一個系列。它使用了鎖相環技術或內部倍頻技術，使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率，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，更適合于汽車內部惡劣的環境。設計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，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轉換模塊、1個8通道脈寬調制模塊、49個獨立數字I/0口(其中20個具有外部中斷及喚醒功能)、兼容CAN2.OA/B協議的5個CAN模塊以及一個內部IC總線模塊;片內擁有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

　　電動助力轉向系統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系統的硬件邏輯框架如圖2所示。

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　　2.3 電機控制電路設計

　　直流電動機是EPS系統的執行元件，電機的控制電路在系統設計中有著特殊的地位。在本系統中采用脈寬調制(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功率管的驅動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關狀態下。系統采用4個International Reetifier公司生產的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8 mΩ導通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統對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。

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　　2.3.1 H橋上側橋臂MOSFET功率管驅動電路設計

　　上側橋臂的MOSFET功率管驅動電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當MOSFET的控制信號a(b)為高電平時，Q1和Q2導通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯電路向Qa充電，直至Qa完全導通，Q3截止。當Qa導通時，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的集一射極飽和導通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向導通壓降，其典型值為0.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導通，降低器件的直流導通損耗，VGS不低于l0V。因此需設計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅動要求。如果蓄電池電壓為12V時，Vdble≥12V+0.34V+0.4V+10V=22.74V。

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