采用PIC16F877單片機(jī)的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　1 引言

　　隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, 簡(jiǎn)稱EPS)越來(lái)越成為目前汽車電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性[1]。目前, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車公司，美國(guó)的Delphi汽車系統(tǒng)公司，德國(guó)的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國(guó)內(nèi)對(duì)EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究階段。國(guó)內(nèi)部分汽車廠商如重慶長(zhǎng)安、南昌昌河、東風(fēng)、一汽等與高校聯(lián)合研究，也都處在研制的初級(jí)階段，未達(dá)到實(shí)用程度[2]。

　　2 EPS系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

　　2.1 EPS的硬件組成

　　EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機(jī)提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。

圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 EPS的工作原理

　　當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，ECU上電開始對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開始工作，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測(cè)得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)并結(jié)合車速等信息，控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時(shí)，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時(shí)，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠。

　　3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　3.1 ECU工作原理

　　系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī)，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車載12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過(guò)單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過(guò)電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式[3]。

　　3.2 PIC16F877單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　該款機(jī)型是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達(dá)120ns)，PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個(gè)Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。

　　3.3 直流電動(dòng)機(jī)的選擇

　　無(wú)刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目采用永磁式無(wú)刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。

　　3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇

　　本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外，還提供方向盤位置信號(hào)，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。

　　3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項(xiàng)目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。

　3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。

　　FET橋式電路主要由四個(gè)大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動(dòng)電流、且具有較長(zhǎng)的使用壽命，根據(jù)電機(jī)的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來(lái)構(gòu)成H橋電路。

　　FET 基極驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET專用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性 [4]。

　　驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示，兩個(gè)IR2109的IN端為驅(qū)動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號(hào)脈沖輸入端，分別通過(guò)具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機(jī)的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口；兩個(gè)SD端分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，控制電機(jī)停車操作；每個(gè)芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；VB端通過(guò)自舉二極管UF1005與+12V 電源相連，為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓，此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。

圖3-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　3.5.2 電機(jī)電流采樣電路

　　系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣有兩方面用途，一是為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)；二是通過(guò)電流傳感器反饋電樞電流的信號(hào)，以便對(duì)電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡(jiǎn)單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過(guò)的電流，在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中，選用AD626把采樣信號(hào)放大10的n倍送至單片機(jī)相應(yīng)端口，具體電路如圖 3-3。

圖3-3 電機(jī)電流采樣電路

　　3.6 繼電器控制電路

　　如下圖3-4所示，CPU控制信號(hào)經(jīng)CPU端口PSP0輸出后，開關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節(jié)點(diǎn)，繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后可給電機(jī)、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號(hào)分別控制繼電器的合開操作。

圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

　　4 結(jié)論

　　本文在對(duì)EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過(guò)程的分析基礎(chǔ)上，對(duì) EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機(jī)；探索了在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,低壓、低速、大電流永磁式無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機(jī)電流采樣的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子控制單元信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性較高，對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。