汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究及設(shè)計(jì)

摘要：分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，建立了直線(xiàn)型EPS助力特性曲線(xiàn)和增量式閉環(huán)PID控制策略。以MC9S12DP256單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了控制器電源電路，信號(hào)處理電路、CAN通信電路、時(shí)鐘電路，并給出了軟件設(shè)計(jì)流程。本設(shè)計(jì)利用MC9S12DP256豐富的內(nèi)部資源，引入了CAN技術(shù)，簡(jiǎn)化了硬件電路，降低了電路之間的干擾，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;PID控制;CAN;MC9S12DP256

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)的重要組成部分，其性能直接影響著汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性和安全性。早期的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，沒(méi)有助力，轉(zhuǎn)向動(dòng)力完全由駕駛員提供，駕駛體驗(yàn)差。從上世紀(jì)30年代以后，逐漸出現(xiàn)了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向主要有3種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering，HPS)，電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System，EPS)。相比前兩種，EPS由電機(jī)提供輔助力矩，沒(méi)有油系統(tǒng)，很大程度降低了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環(huán)境友好性等各方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)EPS助力電機(jī)在齒輪和轉(zhuǎn)向柱總成上位置的不同，EPS系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪助力式4種類(lèi)型。小齒輪和轉(zhuǎn)向柱助力式應(yīng)用于輕型車(chē)輛，雙小齒輪助力式應(yīng)用于重型車(chē)輛。它們?cè)跇?gòu)成上都具有3個(gè)基本部件：電控單元(Electrie Control Unit，ECU)、助力電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器。文中針對(duì)小型轎車(chē)，以美國(guó)Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DP256為核心進(jìn)行了EPS控制器的設(shè)計(jì)。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由方向盤(pán)、扭矩傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器組成。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，由安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)向力矩，并送給ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速，通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的助力特性曲線(xiàn)和控制策略計(jì)算出一個(gè)電機(jī)所需的最佳電流，從而控制電機(jī)輸出力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)施加到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，最終得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向。

2 控制策略

2.1 EPS模型建立

根據(jù)牛頓定律，可建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

其中：Th為方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩，Js為轉(zhuǎn)向柱、盤(pán)總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Bs為輸入軸阻尼系數(shù)，Ks為力矩傳感器剛度系數(shù)，Tm電機(jī)輸出力矩，Km為助力電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)，Jm為助力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Bm為助力電機(jī)阻尼系數(shù)，M為齒條質(zhì)量，Br為齒條和轉(zhuǎn)向輪粘性阻尼系數(shù)，Kr為齒條當(dāng)量剛度，G為助力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，θm為電機(jī)轉(zhuǎn)角，xr為齒條位移，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)向阻力。

2.2 助力特性曲線(xiàn)設(shè)計(jì)

EPS助力特性是駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩和電機(jī)助力力矩(助力電流)之間的關(guān)系。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)向阻力隨著車(chē)速的增加而降低。為了獲得汽車(chē)低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向的輕便性和高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，在同種行駛狀況下，電機(jī)助力力矩隨著車(chē)速的升高而減小，并在車(chē)速超出一定范圍時(shí)，電機(jī)不進(jìn)行助力。常見(jiàn)的助力特性曲線(xiàn)有3種：直線(xiàn)型、折線(xiàn)型和曲線(xiàn)型。直線(xiàn)型助力特性曲線(xiàn)形式簡(jiǎn)單，實(shí)際中容易調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)。因此，文中采用直線(xiàn)型助力特性進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。直線(xiàn)型助力特性可表示為如下函數(shù)關(guān)系：

其中：Th為電機(jī)目標(biāo)力矩，f(v)為車(chē)速感應(yīng)系數(shù)，Tmax為電機(jī)最大助力力矩，Td0為開(kāi)始助力時(shí)駕駛員輸入最小力矩，Tdmax為電機(jī)提供最大助力時(shí)駕駛員輸入力矩。

助力特性參數(shù)確定：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6Nm，Thmax=21Nm。車(chē)速感應(yīng)系數(shù)按照表1所示規(guī)則確定(最終需要實(shí)車(chē)測(cè)試后進(jìn)行修正)，車(chē)速超過(guò)80 km/h時(shí)，電機(jī)不進(jìn)行助力。

根據(jù)上述參數(shù)，助力特性曲線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

電機(jī)目標(biāo)電流可以由式(8)獲得：

式中，ki為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，G為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。

2.3 控制算法

EPS系統(tǒng)控制是對(duì)電機(jī)電流大小和方向的控制。其控制算法的好壞直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。本文采用目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的PID控制算法。PID控制穩(wěn)定性和可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、且控制與調(diào)試方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適合用于汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。因此，PID控制是現(xiàn)階段EPS控制系統(tǒng)主要的控制策略。

PID控制的表達(dá)式可表示為：

其中：r(t)為助力電機(jī)電流目標(biāo)值，y(t)是控制系統(tǒng)實(shí)際輸出值，u(t)為PID控制器的輸出信號(hào)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。EPS控制系統(tǒng)的核心是采用數(shù)字信號(hào)的單片機(jī)。因此，需要對(duì)式(10)進(jìn)行如下處理：