基于ARM單片機的汽車電動助力轉向系統(tǒng)的研究
摘 要： 在研究了電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)及其控制器(ECU)結構和工作原理的基礎上，設計了基于ARM S3C44B0X單片機的控制系統(tǒng)。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(xiàn)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(tǒng)(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(tǒng)的控制規(guī)則和硬件控制器(ECU)的設計，而控制規(guī)則的實現(xiàn)必須以一個穩(wěn)定、可靠的控制器為基礎?，F(xiàn)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(tǒng)開發(fā)的核心是嵌入式技術發(fā)展的必然趨勢。ARM處理器因其具有突出的優(yōu)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(tǒng)應用中穩(wěn)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(fā)動機管理、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(tǒng)(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(tǒng)。
1 EPS工作原理
圖1是一個典型的電動助力轉向系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)保護電路等組成，其結構如圖2所示。當車輛啟動后，系統(tǒng)接收到點火信號，開始進入工作狀態(tài)，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(guī)則，由系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的安全，控制器將對繼電器發(fā)出一個控制信號，斷開電機電源，停止助力，待系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，同時也為系統(tǒng)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(tài)，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(fā)，有利于系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(fā)出一個關斷信號，切斷電機的電源，停止助力。
4 系統(tǒng)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(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，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(tǒng)的目標電流。在MATLAB環(huán)境下應用上述控制策略對EPS系統(tǒng)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(tǒng)電流上限為30A。經過仿真計算得到的EPS系統(tǒng)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
1 田 澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005
2 何 瑋,劉昭度,楊其校等. 汽車嵌入式SoC系統(tǒng)的應用與發(fā)展[J].電子技術應用，2005；31(7)
3 余永權,汪明慧, 黃 英. 單片機在控制系統(tǒng)中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003
4 麻友良,丁衛(wèi)東.汽車電器與電子控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003
5 Kim, J, Song J. Control logic for an electric power steering system using assistmotor[J]. Mechatronics, 2002；12：447～459
6 Jeonghoon S, Kwanguck B, Heung Seob Kim. Model devel-opment and control methodology of a new electric power steering system[J]. Poc.Instn Mech.Engrs Part D:J. Automo-bile Engineering,2004
7 丘 明,楊家軍, 劉 照等. 基于H_∞魯棒控制原理的電動助力轉向系統(tǒng)研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2002;32(12)
8 李書龍，許 超.電動助力轉向系統(tǒng)中的模糊控制[J].公路交通科技,2004;(4)
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