輕型載貨汽車的電動助力轉向系統的控制器研究設計

前言

近年來，隨著電子技術的發展和節能、環保兩大主題的推廣，電動助力轉向系統（EPS）以其優越性能表現得到業界的廣泛關注，逐漸成為世界汽車技術發展的重點和熱點之一。目前電動助力轉向系統在輕型載貨汽車上的應用正處于起步期，而作為EPS核心技術——控制器的研究，更是具有重要的理論意義和實踐指導價值。本文對某輕型載貨汽車的電動助力轉向系統的控制器進行了研究和開發。

1 EPS工作過程和原理

汽車轉向時，扭矩傳感器會檢測到駕駛員施加到轉向盤上的操縱力?？刂茊卧诮邮盏脚ぞ貍鞲衅鬏敵龅呐ぞ?a target="_blank">信號后，結合汽車當前的車速信號對系統所處的運動狀態進行判斷，進而獲得系統當前的控制模式，在數據處理后向電動機驅動器發出運行指令，電動機會根據需要提供相應大小的轉矩來達到助力、阻尼或回正控制模式。電動機的轉矩通過減速機構增扭后施加在汽車的轉向機構上。

EPS的控制原理如圖1所示?？刂茊卧狤CU控制作為動力源的電機提供助力，達到期望的助力效果。ECU根據車速傳感器和扭矩傳感器輸出信號計算出電動機的目標驅動電流信號，此信號輸給驅動電路以驅動電機轉動，并經減速機構提供給轉向機構助力；電動機由直流電源經繼電器、電動機的驅動電路供電；在驅動電路與電動機之間設有霍爾傳感器，使ECU能夠實時檢測電流大??；通過PID控制算法來調整使檢測電流值接近目標值，同時能夠實現對電流進行監測，當過流的時候，斷開繼電器以保護電路。

圖1 EPS控制原理圖

2 EPS控制方法

汽車轉向時，扭矩傳感器會檢測到駕駛員施加到轉向盤上的操縱力?？刂茊卧诮邮盏脚ぞ貍鞲衅鬏敵龅男盘柡?，對汽車轉向方式進行選擇，再結合汽車當前的車速信號對系統所處的運動狀態進行判斷，進而獲得系統當前的控制模式。在數據處理后向電動機驅動器發出運行指令，電機會根據需要提供相應大小轉矩來達到助力、阻尼或回正控制模式。電動機的轉矩通過減速機構增扭后施加在汽車的轉向機構上。本文的控制方法如圖2所示。

圖2 控制方法框圖

由于單片機控制是一種采樣控制，在實現PID控制時，將描述連續系統的微分方程化為離散系統的差分方程，故只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。以采樣時刻點KT代替連續時間 ，以和式代替積分，以增量式代替微分，則可得到數字PID控制器。電動機電流增量式數字PID控制算法如下：

該方式控制過程簡單，使電動助力轉向器始終處于一個比較平穩的工作狀態，同時還能夠獲得較好的助力效果。

3 控制器設計

若將轉向系統作為汽車的引航者，則可用控制器作為EPS系統的“心臟”以表明其至關重要的作用。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復雜、惡劣的汽車行駛工況，還承載信號指令的接收與發送，所以硬件電路設計的好壞關系著控制器的使用壽命和EPS系統的可靠性；而軟件設計則可看成控制器的“大腦”，承擔著繁復數據處理的責任和指令發布的功能。

3.1 硬件設計

EPS控制器通過信號調理電路以及芯片的A/D轉換器將主要的扭矩信號、車速信號以及電機的反饋電流信號采集后，送入控制器，控制器根據這些數據以及設定的控制策略進行運算處理，通過驅動電路給助力電機輸出控制信號?？刂破飨到y結構如圖3所示。

圖3控制器結構圖

3.1.1 單片機系統

系統選用Infineon公司的增強型16位的XC166家族的XC164CM微控制器作為EPS系統的處理器，它具備出色的數字信號處理（DSP）性能以及先進的中斷處理能力。雖然單片機已經將CPU、FLASH、ROM、RAM以及I/O等全部集成在一個電路芯片上，但仍需要有外部電路的支持。通過能夠維持單片機運行的最簡單配置的電路來構成單片機最小系統。以XC164CM芯片為核心的最小硬件系統主要包括：電源電路、時鐘電路、片上調試支持（OCDS）電路、復位電路。

3.1.2 驅動控制電路

本系統采用的是無刷直流電機的平滑驅動方案， 驅動電路如圖4所示。控制系統由Infineon公司的三相驅動芯片6ED003L06-F控制SPP80N08S2-07型MOSFET功率管的開關來實現，這將大大簡化了電路的規模。三組橋臂（M1、M2，M3、M4，M5、M6）分別對應了W、V、U三相，而且在同一時刻上下橋有且只能各有一個導通以形成唯一通路，這樣通過PWM調制和三相相位的調節就實現了調節電機轉速和轉向的目的。

圖4驅動控制電路

3.2 軟件設計

結合DAVE平臺確定出EPS控制系統的軟件設計采用模塊化設計，利用KeiluVision4

對控制系統軟件進行程序代碼編寫。軟件設計根據-電機電流控制的信訪室對主程序進行設計，系統的主程序如圖5的流程圖所示。為了使EPS系統性能更加可靠、穩定，系統對信號采集程序和數字濾波程序進行了設計。

圖5主程序流程圖

4 控制器的驗證

驗證時，電動助力轉向系統安裝在輕型貨車上，與轉向管柱和轉向搖臂分別連接，具體試驗設備連接如圖6所示?？刂破饔沈寗影?、控制板和計算機組成，來完成電動助力轉向系統的試驗驗證。

1——示波器2——計算機3——24V電源4——5V電源 5——驅動板 6——控制板

7——轉向器 8——輕型貨車

圖6 電動助力轉向系統試驗圖

驗證過程中，由RMS方向盤傳感器將采集到的轉向盤扭矩信號輸入給示波器，經過計算機的分析處理獲得試驗力矩曲線。將兩組曲線在同一位置開始進行整合，獲得無助力和助力曲線的某一工作段對比力矩曲線如圖7所示。

1——轉向曲線2——助力轉向曲線

圖7 原地轉向試驗對比曲線

從試驗曲線可以看出，曲線1在極限轉向時的力矩值均超過30N?m，而曲線2的力矩值被控制在30N?m范圍之內。與純機械轉向相比，采用電動助力轉向系統能夠有效的減少轉向盤輸入扭矩，實現助力控制。

5 結論

電動助力轉向系統通過轉向試驗的驗證，證明了系統的控制方法和控制器的設計方式的可行性，使該電動助力轉向系統能夠滿足預期設計的要求。試驗過程中，駕駛員能夠感覺到利用電機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。通過電動助力轉向系統的效果驗證，雖然控制器能夠滿足試驗要求，但無論在軟件上還是硬件上都需要進行完善，以實現產品化的目標。