基于PIC18F458的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PIC18F458的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇慶列，王麟珠

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州350007)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的發(fā)展現(xiàn)狀和性能要求，基于PIC18F458系列單片機(jī)對(duì)EPS系統(tǒng)電控單元軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，著重闡述了方向盤扭矩傳感器信號(hào)采集和帶有CAN總線的信息采集模塊，以及通過全控橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的PWM脈寬調(diào)制永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制模塊的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法.試驗(yàn)結(jié)果表明該電控單元工作正常、性能可靠，滿足汽車助力轉(zhuǎn)向的舒適性和安全性要求.

關(guān)鍵詞：EPS；電子控制單元；PIC18F458；單片機(jī)；CAN總線

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-01-22

基金項(xiàng)目：福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA14373)；福建省交通廳科技項(xiàng)目(2014Y062).

作者簡(jiǎn)介：蘇慶列(1980-)，男，福建德化人，碩士，講師，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用工程、機(jī)電一體化.

System Design of Automobile Electric Power Steering

System Based on PIC18F458 Series MCU

SU Qing-lie ,WANG Lin-zhu

(Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Abstract:According to the domestic development status and performance requirements of electric power steering system (EPS), the software and hardware of electronic control unit of EPS is designed based on PIC18F458 Series MCU. The paper focuses on the principle and realization method of the information acquisition module that contains steering wheel torque sensor signals and the information of CAN Bus, and the control module of permanent magnet brushless DC motor which drives by fully controlled bridge circuit. The experimental results show that the electronic control unit works normally and reliably, safely meets the requirements of automotive power steering.

Key words:electric power steering (EPS); ECU; PIC18F458; microcomputer control units (MCU); CAN-BUS

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)依靠車載電源，由電動(dòng)機(jī)提供助力，其操縱方便、節(jié)約能源、安全環(huán)保，符號(hào)現(xiàn)代汽車發(fā)展需求，已開始運(yùn)用于中高級(jí)以上轎車和商務(wù)車上，但國(guó)內(nèi)EPS系統(tǒng)電子控制單元嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口，成本高、維修不方便，而國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品起步晚，特別在永磁無(wú)刷電機(jī)控制和車載網(wǎng)絡(luò)CAN-BUS的信息共享上技術(shù)不成熟[1-2].本電控單元以Microchip公司推出的PIC18F458高性能微處理器為核心，設(shè)計(jì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)電控單元，并通過電氣測(cè)試和改裝試驗(yàn).

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

EPS系統(tǒng)主要由信息采集模塊(包括轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)、電機(jī)反饋信號(hào)和CAN-BUS共享信號(hào))、電子控制單元(ECU)、執(zhí)行器控制模塊(包括電機(jī)控制和離合器控制)、減速裝置、傳動(dòng)裝置等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖1).

圖1　汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EPS系統(tǒng)工作時(shí)，通過轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結(jié)合CAN總線共享的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火信號(hào)、休眠喚醒信號(hào)等，運(yùn)用模糊免疫PID控制策略計(jì)算得出理想助力目標(biāo)PWM占空比，控制電機(jī)助力，通過電機(jī)動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉(zhuǎn)向阻力矩，實(shí)現(xiàn)車輛智能動(dòng)態(tài)方向助力轉(zhuǎn)向作用，有效保障車輛低速行駛時(shí)的操縱性和高速行駛時(shí)的安全性.EPS電控單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?見圖2).

圖2　EPS電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器模塊

EPS系統(tǒng)電控單元采用microchip公司的16位微處理器PIC18F458，該芯片除了具有PIC18458系列單片機(jī)哈佛架構(gòu)精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)、計(jì)算能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等有點(diǎn)晚，還引進(jìn)了一系列串行通信外設(shè)，內(nèi)置CAN控制器，并支持運(yùn)行、休眠、空閑等多種工作模式，支持車載網(wǎng)絡(luò)CAN-BUS通訊協(xié)議，其增強(qiáng)型CCP模塊，在PWM模式下能提供多路經(jīng)調(diào)制輸出，這些優(yōu)異的性能為汽車EPS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了方便，且工作溫度-40～+125℃，能夠完全滿足汽車使用環(huán)境的要求.

2.2信息采集模塊

(1)轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集

EPS系統(tǒng)采用KISTLER公司生產(chǎn)的高精度4503A10L型電位計(jì)式扭矩傳感器來(lái)獲取駕駛員加載在方向盤上的力矩和方向，傳感器帶有主、副雙路對(duì)稱的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，其中一路轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路原理圖(見圖3),另一路轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路與之相同.電路中，C7、C8和R12共同組成π型RC濾波電路，濾除轉(zhuǎn)矩信號(hào)中的高頻部分，穩(wěn)壓管D1起限壓保護(hù)作用，大電阻R11用來(lái)減少輸入阻抗.

圖3　轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路

(2)CAN總線通信

車載網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用，提高了車載信息的共享能力、節(jié)約了成本，因此EPS系統(tǒng)采用CAN總線共享車速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、點(diǎn)火開關(guān)IG信號(hào)、故障信息及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠喚醒信號(hào)等.PIC18F458單片機(jī)集成了CAN通信接口，執(zhí)行Bosch公司的CAN2.0A/B協(xié)議[5]，可以方便的利用CAN總線與全車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享，軟件編程只需對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可，外圍接口電路也得以簡(jiǎn)化，只需要一個(gè)Philips公司的PCA82C250作為CAN總線接口芯片，中間用高速光電耦合器6N137隔開，可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力和信號(hào)傳輸能力，CAN總線通信接口電路(見圖4).

2.3執(zhí)行器控制模塊

(1)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

EPS系統(tǒng)選用無(wú)刷直流電機(jī)作為助力電機(jī)，由PIC18F458單片機(jī)為Freescale公司開發(fā)的高性能無(wú)刷直流電機(jī)專業(yè)集成電路MC33035提供無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和PWM信號(hào)，MC33035通過霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，并對(duì)其進(jìn)行譯碼，轉(zhuǎn)換成具有正確時(shí)序的頂部輸出信號(hào)和底部輸出信號(hào)給電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)器IR2130芯片，IR2130是美國(guó)International Rectifier公司生產(chǎn)的一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT器件的驅(qū)動(dòng)芯片，分別有3個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸入/輸出通道，以此驅(qū)動(dòng)由6個(gè)N溝道功率MOSFET管組成的三相六步全控橋電路[5-6].電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖(見圖5).

圖4　CAN總線通信接口電路原理圖

圖5　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

(2)電磁離合器控制

EPS系統(tǒng)電磁離合器由單片機(jī)控制4個(gè)功率晶體管組成的全橋控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞通斷控制，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的汽車EPS電磁離合器控制電路，能夠在滿足電磁離合器有效、牢固接合的前提下，根據(jù)系統(tǒng)助力需要及時(shí)、穩(wěn)定通斷電磁離合器，以實(shí)現(xiàn)行駛轉(zhuǎn)向助力和確保行車安全的目的.

2.4輔助電路

(1)電源電路：EPS系統(tǒng)電源電路采用Infineon公司汽車專用電源芯片TLE7469，其輸入電壓范圍寬(7～45V)，工作溫度-40℃～150℃，輸出電壓精度高，帶有外部看門狗電路，以及短路、過溫和電池反接保護(hù)等功能，保證EPS系統(tǒng)在汽車惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作.

(2)復(fù)位電路：EPS系統(tǒng)中復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位功能，PIC18F458的MCLR引腳提供了外部硬件觸發(fā)器件復(fù)位的方法，將MCLR引腳通過一個(gè)10k?電阻連接到電源，這樣還可以省去產(chǎn)生上電復(fù)位延時(shí)通常所需的外部RC元件，上電復(fù)位事件由POR位(RCON<1>)捕捉，只要發(fā)生上電復(fù)位，此位的狀態(tài)就被置為0，它不會(huì)因任何其他復(fù)位事件發(fā)生改變.

3軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)EPS系統(tǒng)電控單元硬件電路設(shè)計(jì)，結(jié)合汽車EPS系統(tǒng)對(duì)電機(jī)助力特性的要求，進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)，主要涉及系統(tǒng)初始化、CAN總線通訊、信息采集及處理、PWM占空比計(jì)算等，圖6為EPS電機(jī)控制系統(tǒng)程序流程圖.首先，PIC18F單片機(jī)喚醒上電并對(duì)時(shí)鐘和各I/O口等進(jìn)行系統(tǒng)初始化，同時(shí)檢測(cè)EPS節(jié)點(diǎn)工作和CAN總線通訊是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常將存儲(chǔ)故障碼并顯示故障指示燈；接著，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到怠速，怠速及以上時(shí)進(jìn)入主程序；然后，單片機(jī)對(duì)兩路扭矩信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換及濾波處理，通過兩路信號(hào)相減判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，結(jié)合CAN總線共享得到車速信息等，綜合這些信息進(jìn)行模糊免疫PID控制算法處理并最終得出控制電機(jī)的PWM占空比[8]；最后，輸出PWM信號(hào)、助力方向、離合器閉合信號(hào)，驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)，并返回主程序進(jìn)入程序再循環(huán).

圖6　EPS控制系統(tǒng)程序流程圖

4結(jié)語(yǔ)

綜合以上EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，印制了電路板并形成產(chǎn)品，編寫相應(yīng)控制程序，通過電氣測(cè)試，并在長(zhǎng)安福特蒙迪歐汽車上進(jìn)行替換改裝試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于PIC18F458單片機(jī)的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作穩(wěn)定、成本低廉、安全性能好，在與車載CAN-BUS通信上比較穩(wěn)定，抗干擾性能好；電機(jī)助力能很好滿足車輛在不同車速、車況下的行駛助力要求，性能可靠、易于維修.

參考文獻(xiàn)：

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信息啟示

水利與環(huán)境工程學(xué)院前往扶貧結(jié)對(duì)單位——臺(tái)州市黃巖區(qū)上鄭鄉(xiāng)接洽扶貧工作

1月22日上午，水利與環(huán)境工程學(xué)院副院長(zhǎng)歐劍、信息工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院金挺一行人風(fēng)塵仆仆趕往臺(tái)州市黃巖區(qū)上鄭鄉(xiāng)，與黃巖區(qū)上鄭鄉(xiāng)鄉(xiāng)長(zhǎng)林寧鄉(xiāng)、黨委副書記陳海珍、副鄉(xiāng)長(zhǎng)吳敏等進(jìn)行座談交流，對(duì)接扶貧事宜.

上鄭鄉(xiāng)是我校省級(jí)結(jié)對(duì)幫扶單位，自古就有“兩面懸崖石壁山，中間道路和溪灘，還有幾畝靠天田，又怕澇來(lái)又怕旱”的說法.上鄭鄉(xiāng)既是是黃巖永寧江的源頭，又是長(zhǎng)潭水庫(kù)的水源保護(hù)區(qū)，為了保護(hù)一方的青山綠水，必須開展黃巖溪水生態(tài)修復(fù)工程.

本次工作對(duì)接，明確了下一步扶貧開發(fā)工作事項(xiàng).水利與環(huán)境工程學(xué)院副院長(zhǎng)歐劍一行在上鄭鄉(xiāng)副鄉(xiāng)長(zhǎng)吳敏等帶領(lǐng)下，沿黃巖溪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察調(diào)研，獲取第一手資料，明確了黃巖溪水生態(tài)修復(fù)工程的主要工作內(nèi)容.雙方交流討論，規(guī)劃今后5年黃巖溪水生態(tài)修復(fù)工程發(fā)展計(jì)劃.

本次對(duì)接工作推動(dòng)了欠發(fā)達(dá)地區(qū)上鄭鄉(xiāng)水源保護(hù)工作的開展，為結(jié)對(duì)幫扶村的群眾做一點(diǎn)實(shí)實(shí)在在的事情.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)