基于ARM單片機的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

1、基于ARM單片機的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究蔣春彬， 趙德安， 江浩斌， 陳 時間:2008年05月07日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:摘要：關(guān)鍵詞： EPS 控制器 單片機 控制策略電動助力轉(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，而控制規(guī)則的實現(xiàn)必須以一個穩(wěn)定、可靠的控制器為基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的控制器多數(shù)基于功能增強的8位單片機，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。ARM處理器因其具有突出的優(yōu)點在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

2、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)動機管理、主被動安全系統(tǒng)到車載娛樂、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單片機的電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。1 EPS工作原理圖1是一個典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器測出方向盤的輸出轉(zhuǎn)矩，送給控制器ECU，控制器再綜合由車速傳感器送來的車速信號，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略確定一個目標電流，控制電動機轉(zhuǎn)動。電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過離合器、減速機構(gòu)施加給轉(zhuǎn)向柱輸出

3、軸，并經(jīng)過齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機構(gòu)的作用使車輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而起到對轉(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橋電機控制電路和系統(tǒng)保護電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)車輛啟動后，系統(tǒng)接收到點火信號，開始進入工作狀態(tài)，采集轉(zhuǎn)矩信號和車速信號并送給單片機。根據(jù)已定的控制規(guī)則，由系統(tǒng)確定一個目標電流和電機轉(zhuǎn)動的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過H橋電路來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。同時，系統(tǒng)對電機的輸出電流進行采樣，一方面將采樣結(jié)果與目標電流相比較，用以對電機進行控制；另一方面結(jié)合車速信號，用以對系統(tǒng)的保護3。當(dāng)電機電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時，為了保護電機和系統(tǒng)的安全，控制器將對繼電

4、器發(fā)出一個控制信號，斷開電機電源，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)計本文設(shè)計的控制器采用32位的ARM S3C44B0X單片機作為控制器的核心，由于S3C44B0X單片機集成了豐富的硬件資源，使得電路設(shè)計大為簡化，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也為系統(tǒng)將來的擴展和升級留有一定余地。方向控制信號和PWM信號相結(jié)合，經(jīng)光耦加載到H橋驅(qū)動電路，控制電機的運行狀態(tài)，電路簡單易行。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

5、集成了豐富的外圍功能模塊，主要有：8KB的Cache,外部擴充存儲控制器，LCD控制器，2個UART，5個PWM定時器和1個內(nèi)部定時器，8路10位ADC，71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源及看門狗定時器4。同時，ARM單片機支持C語言開發(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02.5V，轉(zhuǎn)換精度為2.5V/210=2.4mV。對于轉(zhuǎn)矩傳感器，其輸出電壓范圍為05V，所以只需對信號進行低通濾波處理和分壓處理。對于電機的采樣電流，由于有正負區(qū)別，還應(yīng)通過電平轉(zhuǎn)換使其成為正電壓。其電路如圖3所示。其中，R1的作用

6、是將霍爾傳感器的輸出信號(050mA)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。3.3電機控制電路電機的控制電路由方向控制電路和光耦隔離MOSFET H橋電機驅(qū)動電路組成。電機驅(qū)動電路原理如圖4所示。T1、T2、T3、T4為光耦部件，一方面用于系統(tǒng)強電和弱電的隔離，另一方面用于驅(qū)動MOSFET部件。所以在選擇光耦型號時，應(yīng)選擇輸出功率較強的光耦(如TLP250，其輸出電流最大可達1.5A)。電機的PWM控制信號和方向控制信號都是經(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，對應(yīng)的Q1、Q2導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，電機電流經(jīng)Q1、MOTOR、Q4流向地，此時電機正轉(zhuǎn)；電機反轉(zhuǎn)時，器件的通斷情況

7、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。D1、D2共有四種組合。11時電機正轉(zhuǎn)，00時電機反轉(zhuǎn)，01和10時電機停止。當(dāng)D1、D2為11時，與門U1、U2輸出高電平，其中，U2的信號用于驅(qū)動光耦T4，開啟MOS管Q4。U3根據(jù)PWM信號和U1的信號驅(qū)動光耦T1，開啟MOS管Q1，即Q1、Q4導(dǎo)通。此時，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，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)D1、D2為00時，情況正好相反，T1、T4截止,Q1、Q2關(guān)斷

8、，T2、T3開啟，Q2、Q3導(dǎo)通，電機反轉(zhuǎn)。3.4 電路的保護設(shè)計保護電路主要由MOSFET緩沖電路和系統(tǒng)的繼電器保護電路組成。開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過程中可能同時承受過壓、過流、過大的di/dt、du/dt以及過大的瞬時功率，緩沖電路就是在開關(guān)過程中保護開關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護措施。本設(shè)計采用的是RCD充、放電緩沖電路，如圖6所示。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，經(jīng)二極管D向電容C充電，由于二極管正向?qū)〞r壓降很小，所以關(guān)斷時的過壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng)MOSFET開通時，電容C通過電阻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)

9、器件本身的功耗發(fā)熱。繼電器保護電路主要是用于電機的過流保護并確保EPS在設(shè)定的車速范圍內(nèi)工作。ECU通過對電機電流的采樣來確保電機工作在額定電流范圍內(nèi)。一旦電機電流高于設(shè)定的保護值，或車速超出設(shè)定范圍，ECU就會向繼電器發(fā)出一個關(guān)斷信號，切斷電機的電源，停止助力。4 系統(tǒng)控制策略及仿真國內(nèi)外學(xué)者研究了不同的EPS控制策略，如PID控制56、H_魯棒控制7、模糊控制8等。由于轉(zhuǎn)矩信號和車速信號的輸入特點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，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

10、PD控制的比例系數(shù)，Kd為PD的微分系數(shù)，Ia為目標電流，Tm為電機輸出轉(zhuǎn)矩。模糊控制器通過對轉(zhuǎn)矩傳感器信號的采集，在線整定Kp、Kd參數(shù)，用于PD控制，再由PD控制來確定系統(tǒng)的目標電流。在MATLAB環(huán)境下應(yīng)用上述控制策略對EPS系統(tǒng)進行原地轉(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)過仿真計算得到的EPS系統(tǒng)對該輸入的電流響應(yīng)如圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，采用該種控制策略，電動機輸出電流對方向盤輸入轉(zhuǎn)矩有較好的跟蹤性能，說明本文研究的模糊PD控制策略具有良好的助力效果。參考文獻1 田 澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200

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