線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元設(shè)計(jì)

彭桂枝，張明馳

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)而用兩個(gè)電機(jī)分別模擬轉(zhuǎn)向盤(pán)角傳遞特性和力傳遞特性。通過(guò)電子控制系統(tǒng)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，擺脫了機(jī)械系統(tǒng)的局限性，提高了汽車的安全性，操縱穩(wěn)定性，舒適性等。本文主要設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元，研究了轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制算法，提升前輪轉(zhuǎn)向的跟隨性能。最后搭建了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 線控轉(zhuǎn)向控制器硬件設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向電控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，電控單元應(yīng)具備如下功能：

1）實(shí)時(shí)采集并處理傳感器信號(hào)（系統(tǒng)電流傳感器，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器，力矩傳感器等）。

2）具有PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)使電機(jī)能夠快速、準(zhǔn)確的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角和力反饋力矩。

3）能通過(guò)CAN總線與轉(zhuǎn)角傳感器、能接收和處理CAN網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

4）ECU與車載電源直接相連，保證ECU的電源模塊為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電壓。

根據(jù)上述要求，本文電控單元電路設(shè)計(jì)主要包括MCU外圍電路、電源電路、CAN總線通訊電路、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)電流采樣電路、信號(hào)采集及處理電路。MCU選擇 MC9S12XET256[1]。圖1為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

ECU中用到的電源主要有對(duì)電子元器件供電的5V電源和對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)供電的24V電源。車載自身提供24V電源，為了把24V電源轉(zhuǎn)化成5V，采用了LM5575降壓穩(wěn)壓器汽車級(jí)芯片，工作結(jié)點(diǎn)溫度范圍為-40℃～+150℃，輸入電壓范圍為6V～75V，輸出電壓可調(diào)，最低低至1.225V。設(shè)計(jì)的電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.2 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

本文路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)均采用直流無(wú)刷電機(jī)[2]。三相直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)內(nèi)部霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，分別控制六個(gè)MOSFET管的截止和導(dǎo)通，產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電子換向?；跓o(wú)刷電機(jī)電流大，本文選擇了基于三墾電氣SCM6716芯片設(shè)計(jì)了無(wú)刷電機(jī)控制電路。其設(shè)計(jì)的原理圖如圖3所示：

1.3 CAN通訊模塊

CAN總線通訊過(guò)程中使用的硬件包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，MC9S12XET256芯片內(nèi)部集成CAN控制器，所以在進(jìn)行CAN總線電路設(shè)計(jì)時(shí)只需在電路上增加CAN收發(fā)器。本文選擇飛利浦公司研發(fā)遵循ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器TJA1050?；赥JA1050設(shè)計(jì)的CAN總線通訊電路如圖4所示，電路中加入了 ESD保護(hù)、EMI增強(qiáng)電路，提高了CAN總線的EMC性能。

1.4 電機(jī)電流采樣電路

電流采樣方式有電流傳感器式和精密電阻分流式兩種。電流傳感器式采樣方法具有較高的靈敏度，但是成本高；精密電阻分流式采樣是指在功率管的公共端串聯(lián)一個(gè)精密電阻，電阻另外一端接地，電樞電流經(jīng)過(guò)采樣電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定壓降，將電阻的壓降經(jīng)過(guò)濾波和運(yùn)放后輸入MCU的A/D采集模塊。綜合實(shí)驗(yàn)室條件，采用精密電阻分流式采樣方法。圖5為電機(jī)電流采樣電路。路感電機(jī)的三個(gè)采樣電阻分別為Rm_s、Rm_s2、Rm _s3，Vm_so為采樣電阻壓降，三個(gè)采樣電阻并聯(lián)是為了對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行分流，這樣可以防止由于電機(jī)的瞬時(shí)電流過(guò)大而對(duì)采樣電阻產(chǎn)生損壞。所以路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的電流分別為：

圖3 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖4 CAN總線通訊電路

圖5 電機(jī)電流采樣電路

1.5 信號(hào)采集及處理電路

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，ECU還需要采集的信號(hào)包括前輪轉(zhuǎn)角和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)、車速信號(hào)等。由于上述信號(hào)都是通過(guò)CAN總線與ECU之間通訊，所以不需要對(duì)其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理。

點(diǎn)火信號(hào)作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU工作的依據(jù)，對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集和處理至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集，點(diǎn)火信號(hào)的處理電路如圖6所示。在點(diǎn)火鑰匙閉合的情況下，點(diǎn)火信號(hào)輸出為24V，點(diǎn)火信號(hào)通過(guò)電阻分壓后經(jīng)過(guò)一階RC濾波處理，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)被單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道采集，然后通過(guò)軟件的中斷程序判斷點(diǎn)火鑰匙是閉合還是斷開(kāi)。若采集到的電壓信號(hào)等于標(biāo)定值，則點(diǎn)火鑰匙閉合，若電壓信號(hào)等于零，則點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉。

圖6 點(diǎn)火電路

BLDC內(nèi)置三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，電機(jī)有八根接線，除三根電機(jī)的U、V、W線外，還 有 Hall-a、Hall-b、Hall-c、+5V、GND。+5V為電源，GND接地，Hall-a、Hall-b、Hall-c隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)霍爾信號(hào)處理電路到達(dá)SCM6716芯片的HallU、HallV、HallW端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)繞組的正確換相控制[3]。霍爾傳感器的處理電路如圖7，將電阻R7、R8、R9上拉至5V電壓；電容C3、C4、C5這三個(gè)濾波電容對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行濾波，去除干擾毛刺。

圖7 電機(jī)霍爾檢測(cè)電路

圖8為蓄電池端電壓檢測(cè)電路，采用電阻分壓法檢測(cè)蓄電池兩端電壓。蓄電池電壓信號(hào)通過(guò)電阻分壓后經(jīng)過(guò)一階RC濾波處理，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)被單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道采集。檢測(cè)蓄電池電壓是為了防止蓄電池因過(guò)度放電而損壞，單片機(jī)根據(jù)采集到的值判斷是否需要欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)。

圖8 電池電壓檢測(cè)電路

2 線控轉(zhuǎn)向算法及軟件設(shè)計(jì)

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將軟件設(shè)計(jì)分為管理應(yīng)用層和底層驅(qū)動(dòng)層。管理應(yīng)用層包括主控程序設(shè)計(jì)，控制策略程序設(shè)計(jì)。

2.1 主控程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖9所示，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)首先采集信號(hào)，主要包括方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)電流、力反饋電機(jī)電流、車速等。通過(guò)變傳動(dòng)比的方法計(jì)算出轉(zhuǎn)向車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向和路感模擬。

圖9 軟件設(shè)計(jì)框圖

2.2 控制策略程序設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向控制策略主要包括前輪轉(zhuǎn)角控制和路感控制，本文主要對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略進(jìn)行研究?？刂破鹘邮崭鱾鞲衅鱾鱽?lái)的信號(hào)，主要包括車速信號(hào)u、方向盤(pán)δ和前輪轉(zhuǎn)角hδ。根據(jù)理想傳動(dòng)比算法如式（1）所示，得到目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角，目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角與實(shí)際前輪前輪轉(zhuǎn)角作差進(jìn)行閉環(huán)控制。其中k1分別為為前后輪側(cè)偏剛度；u為汽車縱向速度；a為質(zhì)心到前軸的距離；m為整車質(zhì)量；l為車輛軸距；i為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比；hδ為前輪轉(zhuǎn)角；ω為橫擺角速度。

為獲理想的轉(zhuǎn)向特性，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)理想的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比iω使橫擺角速度增益Ks為一定值。則基于橫擺角速度增益一定的理想傳動(dòng)比iω可表示為:

3 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制算法研究

滑模變結(jié)構(gòu)控制[4]本質(zhì)上是一種特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。本文設(shè)計(jì)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器，運(yùn)用指數(shù)趨近律在無(wú)刷直流電機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

3.1 指數(shù)趨近律

一般，為了減弱滑動(dòng)模態(tài)下的高頻抖動(dòng)，可以采用趨近律的方法來(lái)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制。指數(shù)趨近律可以表示為：

其中，k＞0，δ＞0，sgn為符號(hào)函數(shù)，s為滑模切換函數(shù)。在指數(shù)趨近律中，趨近速度從較大的值逐漸減小為零。這樣，在縮短了趨近時(shí)間的同時(shí)，還使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面時(shí)的速度變小。經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)整指數(shù)趨近律的參數(shù)k和δ,可以減弱控制信號(hào)的高頻抖動(dòng)和滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

3.2 滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件和穩(wěn)定性

系統(tǒng)的初始點(diǎn)可在狀態(tài)空間的任意位置，但在系統(tǒng)運(yùn)行后，為了使系統(tǒng)正常啟動(dòng)滑模運(yùn)動(dòng)，則要求運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面s=0，即系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)必須趨于切換面。到達(dá)條件為：

根據(jù)(3.1)式，得

3.3 控制器設(shè)計(jì)

式中，x1表示轉(zhuǎn)角誤差，x2表示轉(zhuǎn)角滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器輸入，rθ為給定目標(biāo)轉(zhuǎn)角；θ為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角。把(2.4)和(2.5)帶入式(3.3)，得系統(tǒng)在狀態(tài)空間的數(shù)學(xué)模型為：

式中，c為常數(shù)，且c＞0。由(3.1)式和(3.5)，得

聯(lián)立式(3.4)和式(3.6)得

4 線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

由于條件限制不能進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，搭建了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行了相關(guān)的臺(tái)架試驗(yàn)。驗(yàn)證線控轉(zhuǎn)向控制策略及電機(jī)控制策略能否完成跟隨[5]。在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行角階躍實(shí)驗(yàn)，給定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的幅值為32°，即目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角為2°，對(duì)其分別使用PID控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制，仿真步長(zhǎng)分別為0.1s和0.01s，仿真時(shí)間長(zhǎng)為10s，按照GB/T6323.2-94要求，在轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)中，汽車以試驗(yàn)車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊方向盤(pán)，消除轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程并開(kāi)始記錄各測(cè)量變量的零線。以盡快的速度（起躍時(shí)間不大于0.2s或起躍速度不低于200°/s）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使其達(dá)到預(yù)先選好的位置并固定數(shù)秒鐘（待所測(cè)變量過(guò)渡到新穩(wěn)態(tài)值），停止記錄。系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖10、11、12、13所示。

圖10 PID控制下的前輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)

圖11 滑膜變結(jié)構(gòu)控制下的前輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)

圖12 PID控制下的轉(zhuǎn)向電機(jī)電流響應(yīng)

圖13 滑膜變結(jié)構(gòu)控制下的轉(zhuǎn)向電機(jī)電流曲線

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)采用PID控制時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角有0.2deg的超調(diào)量，電機(jī)的電流在調(diào)節(jié)過(guò)程中略有波動(dòng)，峰值為4A，而采用滑模變結(jié)構(gòu)控制時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)速度快，無(wú)超調(diào)，與仿真趨勢(shì)基本吻合，而電流突變量較大，峰值為5.6A，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相對(duì)較短，從上述硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，滑模變結(jié)構(gòu)控制在快速性和跟隨性方面都要優(yōu)于PID控制。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了線控轉(zhuǎn)向控制器的軟硬件，同時(shí)研究了轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的控制策略。設(shè)計(jì)并搭建了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制策略進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，其結(jié)果與仿真相符。該模型的建立，為直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試提供了有效的工具和手段，也為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了方便。

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