電動助力轉向系統設計論述

摘 要:為了進一步提高汽車電動助力轉向系統的快速、精確及穩定性控制，我們利用直流電動機為汽車的轉向系統提供輔助動力，并通過電子控制單元等相關硬件電路，進行數字信號采集、脈寬調制輸出等，然后根據單片機相關指令對電動機進行實時控制，并最終由機械傳動裝置實現助力轉向。闡述了電動助力轉向系統的工作原理和結構特點，使用ARM7 S3C44B0X單片機為控制電路的核心部件，并實現該控制器的硬件和軟件設計。

關鍵詞:單片機;電動助力轉向系統;電子控制單元

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0312-02

1 前言

隨著微電子技術在汽車領域的廣泛應用，可與汽車智能系統充分銜接的電動助力轉向系統成為汽車助力轉向裝置的發展方向，由于基于微處理器的數字系統具有信號傳輸及處理的確定性和接口的通用性，在汽車電子控制方面，已經充分體現了它的優勢，這是模擬系統無法達到的。目前，以32位處理器作為高性能嵌入式系統開發的核心是嵌入式技術發展的必然趨勢。在汽車電子技術領域，從車身控制、底盤控制、發動機管理、主被動安全系統到車載娛樂、信息系統等，都離不開嵌入式技術的支持。為此，本文采用ARM7 S3C44B0X單片機作為電動助力轉向的主控單元，以實現EPS系統的高速，精確及穩定控制.

2 EPS系統結構及工作原理

電動助力轉向系統(EPS)是由電子控制單元(ECU)，扭矩傳感器，助力電機，機械減速機構等組成.其工作原理為:在檢測到汽車點火信號有效后，當轉向軸轉動時，扭矩傳感器將檢測到的轉矩和轉角信號輸出至電子控制單元ECU，ECU根據扭矩轉角信號、車速信號、汽車軸重負載信號進行分析和計算，確定助力電機的運轉方向及工作電流，從而實現助力轉向控制。3 EPS控制器的設計

3.1 轉矩信號采集電路設計簡介

輸入控制器的轉矩信號幅值為0-5V，S3C44B0X的A/D轉換器的輸入電壓范圍為0-2.5V，故對轉矩信號除了一般的濾波處理外，還需對其進行分壓處理。其電路原理如上圖所示。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的R1R2先將輸入的轉矩信號分壓，幅值變為原來的一半，然后與C1構成一階低通濾波電路，R3與C2構成第二級一階低通濾波，運放則作為一個電壓跟隨器來使用。

3.2 電動機電流信號采集電路簡介

由于助力電動機提供左右兩個方向的助力，電動機的助力電流也就有正負之分。電機的反饋電流采用霍爾電流傳感器采集。霍爾傳感器輸出的是電流信號(0-50mA)，而系統接收的是電壓信號，故需在傳感器的輸出引腳上接一個約100Ω的電阻，將輸入的信號轉換為-5V-5V的電壓信號，然后經過電壓變換電路，使其轉換為對應的0-2.5V的電壓信號，最后經濾波電路送到ARM芯片的A/D端口。

3.3 電機驅動控制實現

本文采用IR2110構成電機的驅動電路，由圖可見用兩片IR2110可以驅動一個逆變全橋電路，它們可以共用同一個驅動電源而不須隔離，使驅動電路極其簡化。IR2110本身不能產生負偏壓。由驅動電路可見本電路在每個橋臂各加了負偏壓電路，以左半部為例，其工作過程如下:VDO上電后通過R1給C1充電，并在VW1的鉗位下形成+5.1V電壓，當IR2110的腳1(LO)輸出為高電平時，下管有(VDO-5.1)V的驅動電壓，同時在下管關斷時下管的柵源之間形

成一個-5.1V的偏壓;下管開通同時腳1(LO)輸出高電平

通過Rg2，R2開通MOSFET讓C3進行充電;當IR2110的腳7(HO)輸出為高電平時，由C3放電提供上管開通電流，同時給C2充電并由VW2鉗位+5.1V，下管關斷時Vc2即形成負偏壓。為了只用IR2110的保護功能，把腳11(SD)端接地。

3.4 車速信號采集電路簡介

車速信號是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號，電壓在9.5V以上。本文采用脈沖發生器來模擬車速信號，輸入到單片機。單片機所能處理的信號高電壓在2.5V左右，所以車速信號的通道設計主要是完成信號的電平匹配設計，電路設計中采用的是光電耦合器的電平匹配方式。

4 EPS的軟件設計

(1)A/D轉換程序。A/D轉換單元主要完成扭矩信號采集、蓄電池電壓監測、電機工作電流監測等主要任務。在A/D轉換開始之前要對10位A/D轉換器CMOS ADC進行初始化設置，包括轉換采樣通道選擇，時鐘源的選擇、參考電壓的選擇等。A/D轉換主要有兩步:采樣和轉換。首先須設置A/D的數據寄存器和控制寄存器，通過控制寄存器的設置來選擇AIN1位ADC的輸入通道。

(2)根據預先建立的EPS數學模型計算出控制電機轉速的目標電壓值，單片機輸出相對應的PWM信號，這個波形信號用以控制功率驅動電路，實現電動機轉速的控制，從而實現助力。

5 結語

在一定的時間范圍內，轉動轉向盤，助力電機的電流、轉向阻力矩以及施加在轉向盤上的力矩通過多功能數據采集系統送入ARM7 S3C44B0X單片機。通過A/D轉換程序和PWM控制程序，實現助力轉向控制。可見電動助力轉向系統(EPS，Electric Power Steering)將成為汽車助力轉向裝置的發展方向。

參考文獻

[1]Masahiko Noguchi. Trends and Future Prospects Regarding Steering System Technology[J]. Koyo Engineering Journal， 2001， 159:37-41.

[2]何瑋，劉昭度，楊其校等.汽車嵌入式SoC系統的應用與發展[J].電子技術應用，2005:31(7)51-54.

[3]華容茂，楊家樹，吳雪芬，等.電路與模擬電子技術[M].北京:中國電力出版社，2002:207-228.

[4]IR2110使用手冊.