摘要：簡單分析了電動助力轉向(EPs)系統的結構與工作原理．介紹了 EPs系統無刷直流電機的電路構成和控制方法。設計開發了采用單片機進行控制．車載蓄電池供電，用MOsFET構成的三相逆變器驅動的EPs控制系統的電控單元(Ecu)。詳細介紹了硬件電路利軟件的毆計，最終通過EPs臺架實驗，驗證了所采用的PwM控制策略對EPs系統助力轉向過程的有效控制。該系統實現簡單，具有較強的實用性和經濟性。
關鍵詞：電動助力轉向；無刷直流電機；電控單元
1 引言
電動助力轉向(EPs)是一種直接依靠電力提供輔助力矩的動力轉向系統，助力大小由電控單元(Ecu)控制。廢系統僅依靠汽車上的蓄電池作為其電源，也不需要復雜的控制執行機構，只需要控制電動機電流／電壓的幅值，就能實現轉向系統的自動控制。
作為EPs系統的動力單元 一助力電機，其應當具有啟動迅速，伺服性能好，轉動慣量小，噪聲低，易控制，可靠性和安全性高，對其它控制電路的電磁干擾盡量小，體積小，重量輕等特點。目前，傳統的EPs系統多采用永磁有刷直流電動機，然而有刷直流電動機換向時產生的噪聲和火花對汽車的行駛安全性帶來很大影響以及其自身的功率密度低，能耗較大，給EPs系統的普及帶來不便。為此，使用電子換向、高功率密度、高安全性和可靠性的無刷直流電機是EPs系統的發展方向。
本文設計的基于無刷直流電機的EPs系統由車載蓄電池供電，主電路采用三相全橋逆變電路，主開關管采用開關速度快、損耗低、驅動功率小的MoSFET。無刷直流電機的控制采用上橋臂常通，下橋臂PWM斬波的三相六狀態、兩兩導通方式，每一時刻只有兩相導通，這．方式開關管總損耗低，實現起來簡單。
2 EPS系統的構成和工作原理
EPs系統由Ecu、轉矩傳感器、助力電機、電磁離合器、減速機構和機械式轉向器等組成。 EPS基本工作原理如下：Ecu根據轉矩信號和車速信號以及EPS系統中轉矩、車速和助力電流三者之問的特定關系，將轉矩信號和車速信號轉換為給定電流信號，輸入到運算單元進行閉環控制，從而實現了EPs系統的助力轉向特性。此外，EcU還有安全保護和自我診斷功能，ECu通過采集電動機的電流、輸入電壓等信號判斷系統丁作狀態是否正常，一旦系統工作異常，助力將自動取消，并切換至方向盤機械轉動，不影響車輛的安全行駛，同時ECU將進行故障診斷分析，輸出顯示故障代碼。
3助力電機的控制
3．1 EPs系統的總體結構與控制
Rps擋制器采集點火信號、轉矩傳感器信號、車速信號、發動機轉速信號和直流側電流信號，并通過無刷直流電機的霍耳位置傳感器信號得到轉予位置．將以上信號綜合起來判斷方向盤目前所處的狀態．根據所處狀態的不同，實施相應的助力控制策略．從而達到協助駕駛員進行轉向操作的目的。
功率驅動電路采用三相全橋逆變結構，電動機定子繞組為Y接法，電動機為三相六狀態、兩兩導通工作模式。本文選用的電機自身帶傳感器，實時將3路位置信號送人單片機，經過軟件處理得到6路PwM控制信號，電機的霍耳信號與相應的導通相的關系。 助力電機的轉矩控制是EPs控制的關鍵，由無刷直流電機的控制可以知道，控制電機的電流就可以實現電機的助力轉矩控制。本實驗系統采用電流單閉環方式，由表l可知，電機任一時刻只有兩相導通，即相應時刻直流母線上流過的電流就等于相應導通相的電流，通過控制直流母線上的電流就可以實現電機相電流的控制。這種控制方式忽略了電機繞組電感的續流作用，是一種近似電流控制，只需在直流母線l一串聯檢測電阻來采樣一路電流，有利于EPs控制器的小型化與經濟化，性價比高。
本文選用Inflneon公司的16位單片機XEl64作為控制系統的核心，系統主頻80 MHz。在EPs系統中，方向盤主、副轉矩信號、直流電壓信號、電機商流母線電流信號共4路模擬量．通過各自的調理電路輸入到單片機的P5口；運行、故障、狀態指示由PO¨控制；過熱保護、驅動使能檢測、電磁繼電器和電磁離合器檢測、過欠壓保護由P1 口輸入；實時狀態及故障代碼顯示電路由P2幾控制；6路驅動信號山P10．O-P10．5輸出；緊急制動由PlO.6實現；3路霍耳位置信號由PlO．7-P10.9輸入；定時／計數器T2，T3分別設定為采集車速信號和轉速信號，由p4．2和P5．3口輸入。
3．2硬件電路的設計
硬件電路的設計包括電壓調理電路、主副轉矩信號采集電路、電磁繼電器檢測與驅動、電磁離合器檢測與驅動、電動機電流采集電路、位置信號檢測、電機驅動及主電路等組成。其中電動機電流采集電路、電機驅動及主電路為本系統的關鍵模塊。
3 2．1電動機電流采集電路
本設計采用在主回路中串聯一個精密電阻．通過測量電阻兩端的電壓來獲取電流值。比起采用霍耳電流傳感器．降低了裝置成本。
本設計精密電阻阻值選用4 mΩ，與電樞電阻值(一般在200mΩ左右)相比要小得多，基本不影響系統工作。電流采樣電路如圖4所示，電阻兩端的電壓經過穩壓管z。限幅和電容C濾波，再通過運放cA3140進行信號放_人�？紤]到電機電流的波動性，CA34O的輸出電壓信號經過限幅和濾波處理，然后送給單片機的AD口和 IO口。CPU將該信號作為電動機電流反饋控制信號和故障診斷信息。
3 2．2電機驅動及主電路
該部分主要由開關管MOsFET、電流采樣電阻、驅動芯片等組成，如圖5所示。主電路采用i相全橋逆變電路，主開關管采用開關速度快、損耗低、驅動功率小的M()sFET，驅動芯片選用Infincon公司生產的6FD驅動芯片，此驅動芯片工作電壓為3～1 7．5V且自身帶有欠壓鎖定功能，典型值1 0．3 V。電阻R77一為4 mΩ／12 w的精密電阻，作為電流采樣電阻串聯在直流母線。
3．3 EPs系統的軟件設計
EPs控制系統的任務包括：跟蹤轉向轉矩的大小和方向、車輛速度、監測電機電樞電流和蓄電池電壓，并控制電磁離合器的離／合、系統故障檢測及顯示等，軟件流程如圖6所示。主程序主要用來對單片機的各片內、外設進行初始化。初始化列進行各部件初始檢查．若無故障．EPs才可工作，開放所需要的各種中斷，進行電池電壓和電機電流監測，完成車速和故障顯示。一些關鍵性的控制是以中斷方式實現的，系統中利用定時器來產生恒定的主副轉矩和電池電壓采樣頻率。電機電流是EPS控制的核心-文中采用了T12的周期巾斷來采集，采樣周期為50us，保證了電流控制的精度。
4結果分析
本文搭建了無刷直流電機EPs系統性能實驗臺架，并針對上述EcU的硬件設計和軟件設計進行了驗證。實驗臺架的驅動電機額定電壓為24 v，額定功率PN=188 w，額定轉速nN=4 OOOr／min，額定轉矩為O．6 N·m，峰值轉矩為1．85N·m。
圖7驗證，當給轉向盤一個持續轉矩的情況下，助力電流跟蹤轉矩給定的情況。通道l為通過采樣電阻經調理電路送人到單片機的電壓信號，通道2為轉矩傳感器輸出的電壓信號(所采用的轉矩傳感器中位電壓為2.5 V)。南于機械形變不均．轉矩傳感器的變化呈非平滑曲線。當操縱轉向盤從中位，先施加一個正向漸大的操作轉矩時，助力電機正轉助力，當施加一個反向漸大的操作轉矩時，助力電機反轉助力，給定電流跟隨轉向轉矩的變化而變化。由于電機啟動電流比較大，給定電流在PI的作用下出現較大尖刺(如圖7中電機正反轉啟動時所示)。
圖8為給定電流實時變化的情況下，電機電流的跟隨情況。給定電流山小漸大再由大漸小，電機電流都能實時跟隨給定。圖9為圖8的局部放大圖形。
5 結論
本文采用直流母線單電阻采集電流方式，實現了EPs系統無刷直流電機的控制，實驗結果驗證了控制方法的合理性，同時可以有效降低Ecu成本與體積。 |
