EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

　　摘要：本文詳細(xì)介紹了基于C8051F31X系列微處理器的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有電路設(shè)計(jì)方便、性能穩(wěn)定可靠、保護(hù)電路齊全、性價(jià)比好等突出優(yōu)點(diǎn)，為汽車EPS系統(tǒng)提供一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　汽車的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是協(xié)助駕駛員進(jìn)行汽車方向調(diào)整，為駕駛員減輕打方向盤的用力強(qiáng)度，目前汽車上配置的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致可以分為三類：(1)機(jī)械式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);(2)電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);(3)另外一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，英文全稱是Electronic Power Steering，也就是我們常說的EPS，也可以稱為“電子控制助力”，它是在EPS控制器的作用下驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕車者進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。EPS的構(gòu)成一般是由扭矩傳感器、電子控制單元ECU、助力電機(jī)、減速器、機(jī)械轉(zhuǎn)向器、以及畜電池電源?，F(xiàn)在我們介紹的主要是電子控制單元ECU的軟硬件設(shè)計(jì)方案。

　　主要工作原理：駕駛員在操作汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器會(huì)“感覺”到方向盤的扭矩和轉(zhuǎn)向，這些信號(hào)會(huì)通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，量化后傳送給電子控制單元的微處理器，電控單元會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，向EPS控制器發(fā)出動(dòng)作指令，助力電機(jī)就會(huì)根據(jù)具體的需要，輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。如果不打方向盤，則EPS系統(tǒng)就不工作，處于等待調(diào)用狀態(tài)，而且，助力電機(jī)的助力輸出也隨著車速的提高而減小，當(dāng)車速超過設(shè)定值時(shí)會(huì)停止工作，助力消失，這使車在高速行駛時(shí)更加穩(wěn)定。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向這樣的工作特性，你會(huì)感覺到方向盤的方向感好，輕便，高速時(shí)穩(wěn)定不發(fā)飄。圖形1為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

　　硬件電路原理設(shè)計(jì)

　　EPS控制器由C8051F系列微處理器、扭矩傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理、光電隔離、單穩(wěn)態(tài)保護(hù)電路、PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、鋁基板電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、離合器控制電路，電流反饋電路、故障指示、電源。由于C8051F系列微處理器的各部分功能十分強(qiáng)大，定時(shí)器、PCA、AD轉(zhuǎn)換器、比較器、交叉開關(guān)、IIC、SPI、溫度傳感器在CPU內(nèi)部集成，從而大大降低電路的復(fù)雜性及成本，擔(dān)高了可靠性。硬件原理如圖2所示。

　　微處理器電路

　　C8051F310處理器是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具備25MIPS流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，單周期的指令、帶模擬多路開關(guān)、10位200ksps的25通道單端/差分ADC，高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器、16KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，1280byte片內(nèi)RAM，四個(gè)通用的16位定時(shí)器，這為EPS系統(tǒng)的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提供很好解決方案。PCA模塊方便了PWM電機(jī)調(diào)速、端口交叉開關(guān)編程為引腳多功能復(fù)用提供實(shí)用條件。增強(qiáng)型UART和SPI串行接口、硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus、片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，這些可為EPS實(shí)現(xiàn)通訊擴(kuò)展，故障診斷，溫度保護(hù)等功能。

　　EPS的前端信號(hào)處理電路

　　這部分電路包括扭矩傳感器的信號(hào)提取、調(diào)理及行車信號(hào)(車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火信號(hào))的隔離與獲取，它是EPS執(zhí)行的先決條件，這部分的信號(hào)直接關(guān)系到EPS系統(tǒng)的正確執(zhí)行。同時(shí)也是后面保護(hù)電路的輸入條件，非常重要。

　　扭矩傳感器信號(hào)的提取、調(diào)理

　　我們采用的扭矩傳感器其輸出包括力矩與角度兩種信號(hào)，力矩信號(hào)的輸出有兩路，分別是T1、T2，角度信號(hào)(轉(zhuǎn)向角)的輸出有三路，分別是P1、P2、P3，具體傳感器的輸出特性請(qǐng)參照相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，提取算法將在軟件設(shè)計(jì)部分完成。這里側(cè)重講述信號(hào)的調(diào)理，原理如下圖3，傳感器具有5路模擬信號(hào)輸出，原理相同，我們討論其中一路T1。傳感器的輸出是0~5V信號(hào)，通過R1，R2電阻分壓原理與3.3V系統(tǒng)進(jìn)行匹配。C1，C2，R3組成了一個(gè)阻容濾波器濾掉前端的信號(hào)噪聲，V1為TVS管，用于限制信號(hào)的幅度在0~VCC之間，N1是LM324運(yùn)放，接成射極跟隨形式，以提高信號(hào)的輸入阻抗，降低信號(hào)的輸出阻抗。輸出信號(hào)Sensor_T1_out直接輸出給微處理器的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換，量化后提供給力矩提取算法使用，其它4路原理一致。