《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TD340芯片在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

2009-06-25
作者:宋海峰1,張國印2

  摘 要: 汽車電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理,、用于汽車電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)控制的H橋,,設(shè)計了一種基于TD340芯片的汽車轉(zhuǎn)向助力電動電機(jī)驅(qū)動電路,并將該驅(qū)動電路應(yīng)用于吉利某車型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,。實驗表明,,該電路具有驅(qū)動能力大、體積小,、性能穩(wěn)定等特點,,可廣泛用于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。
  關(guān)鍵詞: TD340,;電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),;驅(qū)動電路

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  汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力,,具有調(diào)整簡單,、裝置靈活及在任何工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點[1]。EPS最為突出的優(yōu)點是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下,,通過改變控制器軟件的設(shè)計,,十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性,使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性,,以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求[2],。
1 EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
  電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件[3],。傳感器將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)處理后輸入到控制器,,控制器運(yùn)行內(nèi)部控制算法,向執(zhí)行器發(fā)出指令,,控制執(zhí)行器的動作,,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為:在操縱方向盤時,,扭矩傳感器根據(jù)輸入轉(zhuǎn)向力矩的大小,,產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號,由此EPS就可以檢測出操縱力的大小,,同時,,根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速,再控制電動機(jī)的電流,,形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力,。

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  直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件,電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有特殊地位,,具有低電壓,、大電流,、大功率等特點。目前大電流直流電機(jī)多采用達(dá)林頓管或MOS管搭制H橋?qū)崿F(xiàn)PWM脈寬調(diào)制,,因此體積較大,。另一方面,由于分立器件各個元件的特性不同,,使得驅(qū)動器的特性具有一定的離散性,;此外,由于功率管的開關(guān)電阻比較大,,因此功耗也很大,,這就需要加大功率散熱片,這無疑進(jìn)一步加大了驅(qū)動器的體積,。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展,,基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動芯片逐漸顯現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢。但目前能提供較大電流輸出的集成驅(qū)動芯片不是很多,。意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的全橋驅(qū)動芯片TD340是專用的電機(jī)驅(qū)動芯片,,用作大功率直流電機(jī)控制器,它由一個雙單片上橋臂驅(qū)動器(HSD)和兩個下橋臂開關(guān)組成,,芯片峰值輸出電流達(dá)30 A,,工作電壓高達(dá)40 V。芯片內(nèi)部集成了全面的保護(hù)電路,,如欠壓,、過壓、接地?fù)p耗,、正電源損耗等,,完全滿足汽車電路助力轉(zhuǎn)向電機(jī)的電氣參數(shù)要求。
2 H橋式汽車電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動原理
  在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路,,實施對直流電動機(jī)的控制[4],,由4個MOSFET功率放大管組成,MOSFET功率放大管的驅(qū)動電路簡單,,工作頻率高,,可工作在上百千赫茲的開關(guān)狀態(tài)下。其工作原理如下:
  H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個MOSFET功率放大管和一個電機(jī)[5],。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)通對角線上的一對MOSFET管,。根據(jù)不同MOSFET管對的導(dǎo)通情況,,電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向,。
  如圖2所示,,當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時,,電流從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極,。按圖中電流箭頭所示,,該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動(電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向)。


  圖3所示為另一對MOSFET三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況,,電流將從右至左流過電機(jī),,從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向)。


  本系統(tǒng)采用4個International Rectifier生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率放大管組成H橋路的四個臂,。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻,,耐壓55 V,最大直流電流110 A,,滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率放大管低壓(正常工作不超過15 V)大電流(額定電流30 A)的要求,。同時,較低的導(dǎo)通電阻對于減小開關(guān)條件工作下MOSFET功率放大管的功耗也十分有效,。
3 TD340控制芯片在汽車電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動電路中的應(yīng)用
3.1 TD340的引腳功能定義[6]

  TD340采用雙列貼片式封裝的引腳分布如圖4所示,,各引腳的功能如下:
  L1、L2:低邊門極驅(qū)動,;
  H1,、H2;高邊門極驅(qū)動,;
  STBY:待機(jī)模式,;
  WD:看門狗信號輸入;
  CWB:設(shè)置看門狗電容端,;
  VOUT:用于微處理器的5V電壓,;
  CF:設(shè)置PWM頻率的外部電容接入端;
  IN1,;模擬或數(shù)字信號輸入端,;
  IN2:電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制端;
??? VBATT,、GND:電源正端和地端,。


3.2 PWM信號調(diào)節(jié)方式
??? PWM信號是TD340最重要的控制信號,其最大工作頻率為25 kHz,。PWM信號通過控制H橋上功率管的導(dǎo)通時間,,實現(xiàn)對輸出負(fù)載平均電壓的調(diào)節(jié)。PWM信號的一個低電平狀態(tài)將會關(guān)閉兩個下橋臂開關(guān),,而當(dāng)PWM輸入端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r,,下橋臂導(dǎo)通與否取決于輸入信號IN1,只有輸入信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r,,下橋臂L1和L2才能重新導(dǎo)通,。
3.3 汽車電動助力電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號和剎車信號
??? IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號,,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和剎車;當(dāng)IN2為高電平時電機(jī)將正轉(zhuǎn),,當(dāng)IN2為低電平時電機(jī)將反轉(zhuǎn),;當(dāng)IN1處于低電平連續(xù)200 ?滋s以上時,系統(tǒng)將處于剎車模式,,此時不論IN2為何種電平,,電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動。
3.4 汽車電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動器電路設(shè)計
  本文所設(shè)計的汽車電動助力轉(zhuǎn)向電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖5所示,。該系統(tǒng)由方向盤扭矩傳感器輸入信號,、微控制器、TD340和H橋電路,、直流電機(jī)和汽車轉(zhuǎn)向柱組成,。其中TD340用于構(gòu)成PWM發(fā)生器,功率放大電路是由4個MOSFET管組成的H橋電路,。

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  本系統(tǒng)中直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理如圖6,,圖中的MOSFET管采用IRFP3250,當(dāng)加上一個足夠的門信號電壓時,,功率MOSFET的通路電阻小于常規(guī)二極管,,而在沒有門信號電壓的情況下,它具有常規(guī)二極管的反向特性,。IN2用于控制直流電機(jī)M的正反轉(zhuǎn),。IN2為高電平時,電機(jī)正轉(zhuǎn),;IN2為低電平時,,電機(jī)反轉(zhuǎn)。IN1輸出可調(diào)PWM信號,,同時給MOSFET的門極施加開關(guān)驅(qū)動信號并通過調(diào)節(jié)占空比的大小來調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)速,。電阻R1~R4用于控制MOS門的升降時間,也有利于避免門電壓的振蕩,,門電壓的振蕩通常是與門電容處連接線的平行電感所引起的,。R1~R4的值通常為10 Ω~100 Ω。電容C6用于存儲能量并對通過電橋電壓進(jìn)行濾波,。在電壓上升和下降期間,,為了保證系統(tǒng)的可靠性,可在兩個低端MOS管的門極各接一個下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷,,但高端MOS管不能接下拉電阻,,因為電荷泵不能為其提供必要的電流。


  用TD340芯片構(gòu)成的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在吉利某車型上得到測試,測試結(jié)果表明具有如下特性:
  (1)輸出電流大,、驅(qū)動能力強(qiáng)、體積小,。本實驗中,,其輸出連續(xù)電流8 A,最大輸出連續(xù)工作電流可達(dá)30 A,;
  (2)電流調(diào)節(jié)范圍寬,,占空比調(diào)節(jié)靈活,可在0 %~100 %之間任意調(diào)節(jié),;
  (3)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),,調(diào)速性能好。
??? 本文介紹的由TD340和H橋構(gòu)成的汽車電動助力轉(zhuǎn)向直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有元件需求少,、所占空間小,、裝配成本低、能耗小等優(yōu)點,。實踐證明,,此電路可靠性高、控制方便,,具有較高的實用價值,。

參考文獻(xiàn)
[1] 郝金魁,張超風(fēng).電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計[J].汽車技術(shù),,2006(5).
[2] 林逸,,施國標(biāo).汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].公路交通科技,2001(6).
[3] 李偉光.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,,2006,,34(2).
[4] 羅石,商高高.電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計方案的研究[J].江蘇大學(xué)學(xué)報,,2004,,25(6).
[5] 胡壽松.自動控制原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994.
[6] ST公司.TD340 Datasheet[Z].http://www.st.com.2004,,1-26

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