中心論題:
- 簡介EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
- EPS控制系統(tǒng)具體電機控制電路的設(shè)計
- 電機驅(qū)動電路臺架試驗表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能
解決方案:
- 利用MC9S12系列單片機作為高性能的微控制器
- 采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路實施對直流電動機的控制
- 電源倍壓電路中采用NE555定時器滿足電源需求
一、EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS,Electric Power Steering)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機直接提供轉(zhuǎn)向助力,具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下,通過改變控制器軟件的設(shè)計,十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性,使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性,以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器,控制器運行內(nèi)部控制算法,向執(zhí)行器發(fā)出指令,控制執(zhí)行器的動作,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為:在操縱方向盤時,轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小,產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號,由此電動式動力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小,同時,根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速,再控制電動機的電流,形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。
二、EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
微控制器的選擇
MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器,是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù),使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率,在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多,因而高頻噪聲低,抗干擾能力強,更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計方案采用MC9S12DP256單片機,其主頻高達25 MHz,同時片上還集成了許多標準模塊,包括2個異步串行通信口SCI,3個同步串行通信口SPI,8通道輸人捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/0口(其中20個具有外部中斷及喚醒功能)、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個CAN模塊以及一個內(nèi)部IC總線模塊;片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM,12KB的RAM及4KB的EEPROM,資源十分豐富。
硬件電路總體框架
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊:MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機點火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路,另外還有電磁離合器等,EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。
電機控制電路設(shè)計
直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件,電機的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路實施對直流電動機的控制,由4個功率MOSFET組成,如圖3所示。采用PWM伺服控制方式,MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單,工作頻率高,可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓(正常工作不超過15V)大電流(額定電流30 A)的要求。
1.H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計
上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖4所示,其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管,vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號a(b)為高電平時,Q1和Q2導(dǎo)通,電源通過Q2,D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電,直至Qa完全導(dǎo)通,Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時,忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降,則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時,Qa的柵—源極電壓降VGS=( Vdble-VCE-VF-Vbat),其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓,其典型值為0.4V,VF為D1的正向?qū)▔航担涞湫椭禐?.34V,Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通,降低器件的直流導(dǎo)通損耗,VGS不低于l0V。因此需設(shè)計高效的倍壓電源電路,以保證Vdble的值足夠大,滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時,Vdble≥12V+0.34V+0.4V+10V=22.74V。
當(dāng)MOSFET的控制信號a(b)管為低電平時,Q1和Q2均截止,Q3導(dǎo)通,Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放,直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時,連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2~4V,OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。
2.下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動電路
下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動電路如圖5所示,其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號c(d)為高電平時,Q1導(dǎo)通,Q2截止,Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D1及Q1迅速釋放,Qc/Qd關(guān)斷。
當(dāng)MOSFET的控制信號c(d)低電平時, Q1截止,Q2導(dǎo)通,電源通過Q2以及R3與C,組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電,直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時,其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導(dǎo)通電壓,而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以,Qc的柵—源極電壓VGS=(Vbat-VCE-VF),當(dāng)蓄電池電壓為12V,取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V,滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(10V)所需的電壓。
蓄電池倍壓工作電源
由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V,而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計蓄電池倍壓電源,產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓,提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動電路,保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。
電源倍壓電路如圖6所示,NE555定時器工作于多諧振蕩器模式,于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓,頻率為1/0.7(R2+2R1)C1的矩形波。C3、C4,Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時,由于電容電壓不能突變,C3正極電壓為24V或接近24V,并通過D2向C4充電,使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限制,使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍,即供電電壓為12V時,輸出電壓低于24V,當(dāng)供電電源為12V時,倍壓電源電壓約為22.9V,大于Vdb1(22.74V),可以滿足需要。
三、電機驅(qū)動電路臺架試驗
根據(jù)電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要,采用最優(yōu)H二控制器編制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序,并在汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺上進行臺架模擬試驗,車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖7為中等車速轉(zhuǎn)向助力時,測量的方向盤轉(zhuǎn)矩(T)和助力電動機電流(I)變化曲線。從圖7中可以看出,在轉(zhuǎn)向過程中,助力電動機電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化,電動機電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合,表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時,無助力滯后感,轉(zhuǎn)向平穩(wěn),表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。
四、結(jié)論與展望
MC9S12系列16位單片機片內(nèi)資源豐富,對于一般的簡單應(yīng)用,只需一片單片機加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機電路經(jīng)初步試驗,性能良好,可基本滿足電動助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基本框架,為獲取良好的控制效果,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個基本的信號進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制,轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。