基于DSP的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)是一種新型的汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)。設(shè)計了一種基于TMS320LF2407A DSP控制的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，介紹了其硬件組成及軟件結(jié)構(gòu)，采用PID控制策略對電機電流進(jìn)行閉環(huán)控制，利用PWM技術(shù)控制電機的電壓，以調(diào)節(jié)助力電流達(dá)到助力轉(zhuǎn)向的目的。并做了Matlah仿真實驗，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的助力特性。
關(guān)鍵詞：汽車；電動助力轉(zhuǎn)向；TMS320LF2407A；脈寬調(diào)制

0 引言
    電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering，EPS)系統(tǒng)是一種依靠電動機直接提供輔助轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將最新電力電子技術(shù)與電機控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，大大提高了汽車的經(jīng)濟性、動力性和機動性，適應(yīng)了現(xiàn)代汽車技術(shù)的要求，并且節(jié)約燃料，有利于環(huán)保，已成為目前世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點和前沿技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)可較容易地實現(xiàn)在車速不同時電動機提供的助力也不同，保證汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便靈活，高速行駛時轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠。本文基于電動助力轉(zhuǎn)向原理，采用了PID控制策略，設(shè)計了一種基于TMS320LF2407A DSP控制的EPS系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明采用PID控制方法可以達(dá)到較好的轉(zhuǎn)向性能。

1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    圖1所示為典型的齒輪一齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖，其基本組成包括扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電動機、減速機構(gòu)及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，扭矩傳感器測出方向盤的輸出扭矩，送給電子控制單元(ECU)，電子控制單元再綜合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，控制電動機轉(zhuǎn)動。電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過離合器、減速機構(gòu)的作用使車輪偏移一定的角度，從而起到對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用。電子控制單元對傳感器檢測到的上述信號進(jìn)行運算分析后，向驅(qū)動單元送出合理的控制信號，控制電機的電流大小和方向，同時將電壓的電流信號作為反饋信號送到電子控制單元，形成閉環(huán)控制方式。

2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 控制原理
    EPS系統(tǒng)硬件控制原理如圖2所示，該系統(tǒng)是利用電流反饋技術(shù)建立起來的，其控制核心為TMS320LF2407A DSP。當(dāng)汽車點火時，接通蓄電池電源，DSP上電后對EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)開始工作。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，即把扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)動方向信號，車速傳感器檢測到車速信號，經(jīng)過處理之后送到TMS32LF2407A相應(yīng)端口，DSP根據(jù)方向盤扭矩，通過PWM口發(fā)出電流指令和相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制端口發(fā)出轉(zhuǎn)向命令，通過驅(qū)動電路及由4個MOSFET組成的H橋電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向。在此過程中，DSP檢測到有故障發(fā)生時，將驅(qū)動警示燈發(fā)亮進(jìn)行報警提示，同時斷開繼電器，恢復(fù)到機械轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

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2．2 TMS320LF2407A芯片介紹
    該系統(tǒng)的微處理器采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片。它是目前國際市場上較先進(jìn)、功能較強大的16 b定點DSP芯片之一。TMS320LF 2407A是集成CAN通信接口的低成本數(shù)字處理器，面向電機的數(shù)字控制，運用于汽車電子領(lǐng)域。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有低功耗和高速度的特點，工作電壓為3．3 V，減少了控制器的功耗，40 MIPS的執(zhí)行速度，提高了控制器的實時控制能力，片內(nèi)32 KB的FLASH程序存儲器，205 KB的數(shù)據(jù)／程序RAM，544 B雙口RAM和2 KB的單口RAM，16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，2組事件管理器：EVA、EVB，每個包括2個16 b通用定時器和8個16 b的PWM輸出通道，改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)，看門狗定時模塊等，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。同時該芯片對C語言的高編譯效率，使得軟件的開發(fā)周期大大縮短。
2．3 TMS320LF2407A電源電路
    本系統(tǒng)選用5 V蓄電池電源，由于TMS320LF2407A芯片的工作電壓為3．3 V，所以必須使用電源轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用TI公司的TPS7333Q電源轉(zhuǎn)換芯片完成5 V到3．3 V的轉(zhuǎn)換。該芯片使用PMOS晶體管傳送電流，其柵極由電壓驅(qū)動，工作電流低且在全負(fù)載內(nèi)不變，具有內(nèi)部電流限制和過熱保護的特點，同時該芯片提供上電復(fù)位信號。

3 控制策略
    利用電動機轉(zhuǎn)矩和電流成正比的特性，采用控制電動機電樞電流的方法，實現(xiàn)助力控制。助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕方向盤的操縱力，通過渦輪蝸桿減速機構(gòu)把電動機轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向軸上的一種基本控制模式。將方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩信號和車速傳感器檢測到的車速信號輸入到DSP控制器中，根據(jù)“扭矩-電動機助力目標(biāo)電流”，確定電動機助力的目標(biāo)電流，輸入到電動機，然后將霍爾電流傳感器檢測到的實際電流和目標(biāo)電流進(jìn)行比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出PWM信號到驅(qū)動電路，進(jìn)行電動機助力，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的基本控制過程如圖4所示。

3．1 電機助力控制算法
    控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員加在方向盤上的力矩和當(dāng)時的車速，按照預(yù)制助力特性確定電機目標(biāo)助力電流的大小和方向。助力變化區(qū)域中，方向盤輸入力矩與助力矩按線性規(guī)律變化。其函數(shù)表達(dá)為：
   
    式中：I為電動機目標(biāo)電流；Imax為電動機最大工作電流；Td為方向盤輸入轉(zhuǎn)矩；k(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減小；Td0為系統(tǒng)開始助力時的方向盤輸入力矩；Tdmax為系統(tǒng)提供最大助力時的方向盤輸入力矩。
    本系統(tǒng)采用直線型助力特性曲線，橫坐標(biāo)為方向盤輸入扭矩(單位：N·m)，縱坐標(biāo)為助力電流Im，其中，Td0=±1 N·m，Tdmax=±7 N·m，Vmax=80 km／h，方向盤轉(zhuǎn)矩工作在-10～+10 N·m之間，進(jìn)入-7～+7 N·m后電動機電流達(dá)到飽和，電動機的最大工作電流小于20 A。隨著車速的增加，電機電流減小，助力斜率減小，手感由輕轉(zhuǎn)重，方向盤順時針轉(zhuǎn)向和逆時針轉(zhuǎn)向時曲線對稱。[!--empirenews.page--]
3. 2 電機電流控制算法
    本系統(tǒng)使用的是數(shù)字PID控制器，其算法有位置式控制算法和增量式控制算法兩種。位置式PID控制算法為全量輸出，其產(chǎn)生的控制電動機的電流易產(chǎn)生方向盤振動，因此采用增量式PID控制算法來進(jìn)行電動機電流的控制。
    增量式PID控制算法表達(dá)式為：
   
    式中：Un為控制量，也是電機驅(qū)動電路的輸入量；en為電機目標(biāo)電流和實際電流之間的差值；kP為比例系數(shù)，kI為積分系數(shù)，kD為微分系數(shù)。
3．3 仿真結(jié)果分析
    由于EPS的助力轉(zhuǎn)矩跟電動機的電流成正比，因此分析系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)矩的變化就能得出系統(tǒng)助力電流的變化規(guī)律，從而研究EPS中電動機助力電流控制的算法。

    圖5是系統(tǒng)在Matlab中PID控制下電動機輸出的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤輸入轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)曲線，從中可以很明顯地看出，采用PID控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值需要的時間短、超調(diào)量小，振蕩次數(shù)少，說明PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)品質(zhì)都比較好。因此，采用PID控制算法能較好地按照控制策略的要求提供轉(zhuǎn)向助力。

4 EPS系統(tǒng)軟件設(shè)計
    根據(jù)上述控制方法，設(shè)計了相應(yīng)控制軟件。DSP上電后要進(jìn)行特殊功能寄存器的初始化，包括定時器工作方式、A／D采樣方式設(shè)置等。初始化設(shè)置結(jié)束后，開始檢查EPS系統(tǒng)中的電機、離合器、扭矩傳感器等工作是否正常，如有故障則點亮警示燈進(jìn)行報警，若一切正常則EPS系統(tǒng)開始正常的電動助力控制，主程序流程如圖6所示。整個程序還包括一些子程序、如系統(tǒng)初始化子程序、定時器中斷子程序、故障信號檢測子程序、信號采集濾波子程序等。

5 結(jié)論
    TMS320LF2407A是一種新型16 bDSP，利用它作為控制核心，簡化了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計，有利于控制系統(tǒng)小型化。同時采用PID控制對電動機輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)助力跟隨性能好，響應(yīng)速度快，控制精度高。