基于ARM單片機(jī)的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究
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摘 要： 在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)及其控制器(ECU)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ARM S3C44B0X單片機(jī)的控制系統(tǒng)。通過(guò)方向控制電路、H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。研制的硬件控制器通過(guò)了有關(guān)的電氣性能測(cè)試，并采用模糊PD控制策略對(duì)EPS原地轉(zhuǎn)向的助力特性進(jìn)行了仿真分析。
關(guān)鍵詞： EPS 控制器 單片機(jī) 控制策略
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是汽車工程領(lǐng)域的熱門課題之一，目前研究的主要內(nèi)容為EPS系統(tǒng)的控制規(guī)則和硬件控制器(ECU)的設(shè)計(jì)，而控制規(guī)則的實(shí)現(xiàn)必須以一個(gè)穩(wěn)定、可靠的控制器為基礎(chǔ)。現(xiàn)有的控制器多數(shù)基于功能增強(qiáng)的8位單片機(jī)，也有的用DSP。目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。ARM處理器因其具有突出的優(yōu)點(diǎn)在32位微控制器領(lǐng)域里得到非常廣泛的應(yīng)用,在32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中穩(wěn)居世界第一[1]。在汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，從車身控制、底盤控制、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、主被動(dòng)安全系統(tǒng)到車載娛樂(lè)、信息系統(tǒng)等，都離不開嵌入式技術(shù)的支持[2]，因此，ARM處理器在汽車電子領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本文研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)及其控制器(ECU)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并在此基礎(chǔ)上研究了基于ARM S3C44B0X單片機(jī)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。
1 EPS工作原理
圖1是一個(gè)典型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)出方向盤的輸出轉(zhuǎn)矩，送給控制器ECU，控制器再綜合由車速傳感器送來(lái)的車速信號(hào)，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略確定一個(gè)目標(biāo)電流，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)離合器、減速機(jī)構(gòu)施加給轉(zhuǎn)向柱輸出軸，并經(jīng)過(guò)齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用使車輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而起到對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用。
2 控制器的結(jié)構(gòu)和原理
控制器主要由A/D采集電路、H橋電機(jī)控制電路和系統(tǒng)保護(hù)電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)車輛啟動(dòng)后，系統(tǒng)接收到點(diǎn)火信號(hào)，開始進(jìn)入工作狀態(tài)，采集轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)并送給單片機(jī)。根據(jù)已定的控制規(guī)則，由系統(tǒng)確定一個(gè)目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過(guò)H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣，一方面將采樣結(jié)果與目標(biāo)電流相比較，用以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；另一方面結(jié)合車速信號(hào)，用以對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)[3]。當(dāng)電機(jī)電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù)電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對(duì)繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開電機(jī)電源，停止助力，待系統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。
3 控制器的設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的控制器采用32位的ARM S3C44B0X單片機(jī)作為控制器的核心，由于S3C44B0X單片機(jī)集成了豐富的硬件資源，使得電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也為系統(tǒng)將來(lái)的擴(kuò)展和升級(jí)留有一定余地。方向控制信號(hào)和PWM信號(hào)相結(jié)合，經(jīng)光耦加載到H橋驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，電路簡(jiǎn)單易行。脈寬調(diào)制方式采用單極性PWM，避免了MOS管直通的可能性，不僅可靠，脈寬占空比也易于調(diào)整。
3.1 ARM S3C44B0X介紹
SUMSUNG公司的S3C44B0X是基于ARM7 TDMI的體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊，主要有：8KB的Cache,外部擴(kuò)充存儲(chǔ)控制器，LCD控制器，2個(gè)UART，5個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，8路10位ADC，71個(gè)通用可編程I/O口，8個(gè)外部中斷源及看門狗定時(shí)器[4]。同時(shí)，ARM單片機(jī)支持C語(yǔ)言開發(fā)，有利于系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)和調(diào)試。
3.2 A/D數(shù)據(jù)的采集
S3C44B0X采用的是逐次逼近式10位ADC，輸入電壓范圍為0~2.5V，轉(zhuǎn)換精度為2.5V/210=2.4mV。對(duì)于轉(zhuǎn)矩傳感器，其輸出電壓范圍為0~5V，所以只需對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理和分壓處理。對(duì)于電機(jī)的采樣電流，由于有正負(fù)區(qū)別，還應(yīng)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換使其成為正電壓。其電路如圖3所示。其中，R1的作用是將霍爾傳感器的輸出信號(hào)(0~50mA)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。
3.3電機(jī)控制電路
電機(jī)的控制電路由方向控制電路和光耦隔離MOSFET H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示。T1、T2、T3、T4為光耦部件，一方面用于系統(tǒng)強(qiáng)電和弱電的隔離，另一方面用于驅(qū)動(dòng)MOSFET部件。所以在選擇光耦型號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇輸出功率較強(qiáng)的光耦(如TLP250，其輸出電流最大可達(dá)1.5A)。電機(jī)的PWM控制信號(hào)和方向控制信號(hào)都是經(jīng)光耦后加載到MOSFET部件的。當(dāng)T1和T4導(dǎo)通、T2和T3關(guān)斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的Q1、Q2導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，電機(jī)電流經(jīng)Q1、MOTOR、Q4流向地，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，器件的通斷情況正好相反。
方向控制電路主要由與門和或非門組成，其電路原理如圖5所示。U1、U2、U3、U6為與門，U4、U5為或非門，系統(tǒng)采用單極性PWM調(diào)制方式，D1、D2為方向控制信號(hào)。D1、D2共有四種組合。11時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，00時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，01和10時(shí)電機(jī)停止。當(dāng)D1、D2為11時(shí)，與門U1、U2輸出高電平，其中，U2的信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)光耦T4，開啟MOS管Q4。U3根據(jù)PWM信號(hào)和U1的信號(hào)驅(qū)動(dòng)光耦T1，開啟MOS管Q1，即Q1、Q4導(dǎo)通。此時(shí)，或非門U4、U5和與門U6的輸出為低電平，光耦T2、T3截止，MOS管Q2、Q3關(guān)斷，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)D1、D2為00時(shí)，情況正好相反，T1、T4截止,Q1、Q2關(guān)斷，T2、T3開啟，Q2、Q3導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
3.4 電路的保護(hù)設(shè)計(jì)
保護(hù)電路主要由MOSFET緩沖電路和系統(tǒng)的繼電器保護(hù)電路組成。開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過(guò)程中可能同時(shí)承受過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)大的di/dt、du/dt以及過(guò)大的瞬時(shí)功率，緩沖電路就是在開關(guān)過(guò)程中保護(hù)開關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施。本設(shè)計(jì)采用的是RCD充、放電緩沖電路，如圖6所示。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，經(jīng)二極管D向電容C充電，由于二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小，所以關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng)MOSFET開通時(shí)，電容C通過(guò)電阻R放電，限制了MOSFET中的開通尖峰電流。RCD緩沖電路能有效地改善開關(guān)器件的開關(guān)特性，減小開關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。
繼電器保護(hù)電路主要是用于電機(jī)的過(guò)流保護(hù)并確保EPS在設(shè)定的車速范圍內(nèi)工作。ECU通過(guò)對(duì)電機(jī)電流的采樣來(lái)確保電機(jī)工作在額定電流范圍內(nèi)。一旦電機(jī)電流高于設(shè)定的保護(hù)值，或車速超出設(shè)定范圍，ECU就會(huì)向繼電器發(fā)出一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，切斷電機(jī)的電源，停止助力。
4 系統(tǒng)控制策略及仿真
國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同的EPS控制策略，如PID控制[5～6]、H_∞魯棒控制[7]、模糊控制[8]等。由于轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)的輸入特點(diǎn)非常適合采用模糊控制，而PD控制則具有較好的控制性能，因而綜合這兩種方法的特點(diǎn)，本文采用了模糊PD控制策略。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
這里，系統(tǒng)輸入為地面反作用力矩，Tsw為方向盤把持力矩，Kp為PD控制的比例系數(shù)，Kd為PD的微分系數(shù)，Ia為目標(biāo)電流，Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。模糊控制器通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)的采集，在線整定Kp、Kd參數(shù)，用于PD控制，再由PD控制來(lái)確定系統(tǒng)的目標(biāo)電流。在MATLAB環(huán)境下應(yīng)用上述控制策略對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向仿真，給定如圖8所示的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩的輸入曲線，設(shè)定系統(tǒng)電流上限為30A。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到的EPS系統(tǒng)對(duì)該輸入的電流響應(yīng)如圖9所示。
從仿真結(jié)果可以看出，采用該種控制策略，電動(dòng)機(jī)輸出電流對(duì)方向盤輸入轉(zhuǎn)矩有較好的跟蹤性能，說(shuō)明本文研究的模糊PD控制策略具有良好的助力效果。
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