汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計

羅蘇安，向?qū)氳ぃ?宇，尤 虎，楊 劍，吳友宇

(武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車方向盤轉(zhuǎn)向操縱性能的要求越來越高，既要有適度的轉(zhuǎn)向輕便性，又要滿足操縱穩(wěn)定性[1]。筆者基于高性能單片機MC9S12P64設(shè)計了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)，經(jīng)臺架試驗和整車試驗證明，該系統(tǒng)滿足對EPS的各項性能要求，能較好地解決轉(zhuǎn)向“輕”與“靈”的矛盾，實現(xiàn)在各種行駛工況下提供最佳助力轉(zhuǎn)向的功能。

1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

EPS在原機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車速傳感器、扭矩傳感器、電子控制單元(ECU)、電動機、離合器，以及減速機構(gòu)等轉(zhuǎn)向的助力機構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為:當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，扭矩傳感器就開始不間斷地檢測輸入端，并把扭矩信號傳輸給控制中心ECU，ECU在接收到信號后，經(jīng)過一定的分析和處理，按程序指令的方式對電動機、離合器進行控制，通過改變電動機工作電流的大小或方向，實現(xiàn)對助力電機的實時精確控制，從而實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的目的。

2 EPS控制器的設(shè)計

2.1 主控單元設(shè)計

該系統(tǒng)主要由8個功能單元組成[3]。電動助力系統(tǒng)硬件方框圖如圖2所示。

圖2 電動助力系統(tǒng)硬件方框圖

系統(tǒng)主控芯片選用的Freescale 16位S12系列單片機MC9S12P64為低成本、高性能、低引腳數(shù)的汽車專業(yè)級單片機產(chǎn)品，在汽車電子產(chǎn)品中被廣泛采用，性能符合系統(tǒng)設(shè)計需求[4]。它負責各種傳感器信號的采集和調(diào)理，并發(fā)送命令控制H橋為電機輸出合適的助力電流。

系統(tǒng)整體的尺寸要求較小，利于安裝在汽車駕駛室內(nèi)部，但這造成控制電路部分排布較密集，容易引起相鄰電路間干擾，同時由于系統(tǒng)工作在汽車環(huán)境中，因此在設(shè)計電路時一定要注意抗干擾設(shè)計，否則會造成系統(tǒng)本身工作異常[5]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理單元設(shè)計

扭矩信號采集與處理單元用來測量駕駛員施加在方向盤上的力矩大小和方向，并以電壓量輸送至MCU[6]。車速信號由電磁型轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生，發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號來自點火系統(tǒng)的電壓脈沖信號，火花塞每跳一次便發(fā)出一個電壓脈沖，火花塞點火頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比[7]。為簡化裝置，試驗臺中用信號發(fā)生器的信號代替車速傳感器產(chǎn)生的周期信號和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號。

2.3 驅(qū)動單元設(shè)計

驅(qū)動單元包括4個MOSFET組成的H橋電路及前置驅(qū)動保護電路，驅(qū)動芯片選用IR公司的IR2130。MCU通過H橋以PWM方式控制直流電機，調(diào)節(jié)H橋輸入的PWM脈寬，即可調(diào)節(jié)電機的輸入電壓，從而改變電機電流和助力的大小。當電機電流達到助力值時，H橋根據(jù)MCU的指令輸出適宜的PWM波控制助力電機輸出合適的輔助扭矩[8]。

3 EPS軟件設(shè)計

3.1 控制策略設(shè)計

助力控制算法的數(shù)學模型為一組車速下轉(zhuǎn)矩與對應電機電流的曲線。直線型電動助力曲線如圖 3 所示[9]。

圖3 直線型電動助力曲線

助力特性分為4個區(qū)域:小角度無助力區(qū)、助力隨轉(zhuǎn)向力矩線性變化區(qū)、恒助力區(qū)和大轉(zhuǎn)角停止助力保護區(qū)[10]。MCU根據(jù)車速及方向盤轉(zhuǎn)矩計算得到目標助力轉(zhuǎn)矩，再通過PID負反饋調(diào)節(jié)算法來追蹤輸出電流大小，驅(qū)動電機輸出合適的助力。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

該系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4 試驗調(diào)試

4.1 臺架試驗調(diào)試

圖4 EPS系統(tǒng)程序流程圖

該系統(tǒng)利用EPS綜合性能試驗臺進行臺架試驗。臺架試驗的測試項目有:①測試系統(tǒng)各個輸入信號、檢測精度是否達到設(shè)計要求;②模擬系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，包括電機負載與實際車況，測試系統(tǒng)助力效果;③根據(jù)實驗結(jié)果，優(yōu)化控制算法及電路設(shè)計，確定最優(yōu)參數(shù)[11－12]。

系統(tǒng)運行時，EPS綜合試驗臺采集并實時顯示各種工作特性曲線，其界面圖如圖5所示。

圖5 EPS工作特性曲線界面圖

通過多次試驗數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)性能，不斷優(yōu)化軟硬件設(shè)計，使EPS系統(tǒng)達到最佳性能。

4.2 整車試驗調(diào)試

完成臺架試驗后，進行整車試驗，圖6為EPS整車試驗實物圖。

經(jīng)過前后4代系統(tǒng)的改進，包括對硬件電路的反復優(yōu)化以及對制版、軟件的反復修改調(diào)試，整車試驗結(jié)果得到明顯改善，助力效果明顯，達到預期設(shè)計要求。

5 結(jié)論

為改善汽車的性能，提高駕駛員駕駛的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染，滿足對汽車節(jié)能性和環(huán)保性的要求，筆者探討了EPS的軟硬件設(shè)計，并進行臺架試驗和整車試驗。結(jié)果表明，自主開發(fā)的EPS系統(tǒng)助力效果明顯，操作手感好，能夠顯著改善汽車的轉(zhuǎn)向性能，并且性能穩(wěn)定，滿足轉(zhuǎn)向性能指標。

圖6 EPS整車試驗實物圖

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