1 EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

    電動(dòng)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(dòng)機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力,，具有調(diào)整簡(jiǎn)單,、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統(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(jì),，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(duì)路感的要求,。

    電動(dòng)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,。傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器,，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(dòng)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(shí),，轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小,，產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號(hào)，由此電動(dòng)式動(dòng)力系統(tǒng)就可以檢測(cè)出操縱力的大小,，同時(shí),，根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)又可測(cè)出車速，再控制電動(dòng)機(jī)的電流,，形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力,。

    2 EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

    2.1 微控制器的選擇

    MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器,，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列,。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率,，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多,，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng),，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境,。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊,，包括2個(gè)異步串行通信口SCI,，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器,、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊,、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）,、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊,；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM,，資源十分豐富,。

    2.2 硬件電路總體框架

    電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路,、信號(hào)處理電路,、直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊,、車速傳感器,、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào),、電流及電流傳感器等接人處理電路,，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示,。

　　2.3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

    直流電動(dòng)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(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制,，由4個(gè)功率MOSFET組成,，如圖3所示。采用PWM伺服控制方式,，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下,。系統(tǒng)采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂,。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小,、耐壓達(dá)55V,、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對(duì)MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求,。

    2.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示,，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管,，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）為高電平時(shí),，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2,，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電,，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止,。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí),，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓,。此時(shí),，Qa的柵-源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓,，其典型值為0.4V,，VF為D1的正向?qū)▔航担涞湫椭禐?.34V,，Vbat為蓄電池電壓,。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗,，VGS不低于l0V,。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大,，滿足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求,。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V,。

    當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）管為低電平時(shí),，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通,，Qa的柵-源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放,，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí),，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零,。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵-源極電壓能夠使其關(guān)斷,。

    2.3.2 下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路

    下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示,，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）為高電平時(shí),，Q1導(dǎo)通,，Q2截止,，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放,，Qc/Qd關(guān)斷,。

    當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）低電平時(shí)， Q1截止,，Q2導(dǎo)通,，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對(duì)Qc的柵極充電,，直至Qc完全導(dǎo)通,。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵-源極電壓等于電源電壓減去Q2的集-射極飽和導(dǎo)通電壓,，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵-源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF）,，當(dāng)蓄電池電壓為12V,，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(dòng)（10V）所需的電壓

    2.4 蓄電池倍壓工作電源

    由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V,，而蓄電池電壓只有12V,。因此需要設(shè)計(jì)蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓,，提供給H橋a,、b功率管的驅(qū)動(dòng)電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通,。

    電源倍壓電路如圖6所示,，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓,，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波,。C3、C4,，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路,。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變,，C3正極電壓為24V或接近24V,，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V,。由于受電路的工作效率,、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負(fù)載能力的限制,，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍,。

    3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)

    根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序,，并在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，車速信號(hào)用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)代替網(wǎng),。圖7為中等車速轉(zhuǎn)向助力時(shí),，測(cè)量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動(dòng)機(jī)電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出,，在轉(zhuǎn)向過程中,，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢(shì)和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)相吻合,，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時(shí),，無助力滯后感,，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性,。

    4 結(jié)語(yǔ)

    MC9S12系列16位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富,，對(duì)于一般的簡(jiǎn)單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可,。開發(fā)的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn),，性能良好，可基本滿足電動(dòng)助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要,。文中只介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基本框架,，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個(gè)基本的信號(hào)進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制,，轉(zhuǎn)向角,、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號(hào)在未來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素,。<