基于MC9S08JM60的電動助力轉向控制系統設計

祝勇俊，朱學莉，劉文波，吳 寅

(1.蘇州科技學院 ，江蘇蘇州215009;2.南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0 引 言

電動助力轉向系統(以下簡稱EPS)是汽車電子行業的熱門研究課題之一，它是一種利用助力電機(DC motor或AC motor)提供輔助轉向力矩的動力轉向控制系統是保障車輛可靠性和安全性的關鍵系統之一。EPS不僅可以解決轉向輕便性和轉向安全性的問題，還能給駕駛員提供良好的路感，因而當代汽車工業越來越重視EPS的研究和設計。目前EPS研究的內容主要集中在助力特性的研究和硬件控制器的設計兩個方面，其中硬件控制器的研究和設計就尤為重要，本文在基于Freescale高性能芯片MC9S08JM60的基礎上對汽車電動助力轉向控制系統的進行了一定的研究和設計。

1 EPS的構成

EPS主要由電子控制部件和機械轉向部件兩個部分構成，其中電子控制部分主要有電子控制單元(ECU)、扭矩傳感器、車速傳感器、霍爾電流傳感器、助力電機等組成;而機械轉向部分包括離合器、減速機構、齒輪齒條等組成。圖1為EPS系統結構示意圖。

圖1 電動助力轉向系統結構

ECU是EPS的所有構成部件中的最關鍵部分，它的作用在于能夠依據扭矩傳感器和車速傳感器檢測到的扭矩信號和車速信號，經過特定的控制算法計算出轉向所需的助力電機驅動信號，再根據這個驅動信號經過驅動放大模塊來控制助力電機的轉動，助力電機的輸出通過減速機構增扭來驅動機械轉向部件，進而產生相宜的輔助轉向力矩［1］。同時EPS控制系統還能實時根據車況和路況等綜合信息為車輛轉向提供可變的輔助轉向力矩，提升汽車高速行駛時的穩定性和低速行駛時的靈敏度，進而提升整車轉向性能［3，6］。

2 微控制器JM60的簡介

微控制器是控制系統的核心，因而微控制器的選型在控制系統的開發過程中就顯得極其重要。EPS控制系統開發過程中的關鍵環節就是為系統選擇一款性能優良的微控制器，為控制系統取得良好的控制效果奠定堅實的基礎。

本控制系統采用 Freescale微處理器MC9S08JM60作為主控芯片，它具有如下特點：4k片內RAM;60k片內Flash程序存儲器，具有在線編程能力和保密功能;增強的HCS08 CPU結構，最高支持32個中斷源;51根通用I/O腳，包括37根多功能I/O腳和14根專用I/O腳;兩個增強型串行通訊口SCI，兩個串行外圍接口SPI，兩個集成電路內部通信接口I2C，兩個16位雙通道定時器接口模塊(TIM1和TIM2)，12路12位AD轉換模塊，一個實時時鐘計數器模塊;優化支持C語言。這些特征都使得它適合用于工業控制應用［5］。

3 EPS控制系統的設計

EPS系統涉及多個相互關聯的部件，因而其控制系統的設計也較為復雜。本文主要從硬件的分層模塊化結構和軟件的模糊控制策略以及綜合考慮補償控制等因素來設計EPS控制系統。

3.1 EPS控制系統的硬件電路設計

EPS控制系統的硬件電路設計是一個系統過程，本文采用了分層模塊化設計思想，首先選用了芯片JM60設計了該控制系統的最小系統;其次選用汽車電子行業專用元器件進行了除最小系統外的相關電路設計;最后將兩者進行了數據的對接和調試。這樣設計的優點在于一方面保證了最小系統的普適性，另一方面也保證了外圍電路的靈活多變性，同時也還有利于硬件電路板降低功耗和提高抗干擾能力。

根據EPS控制系統的特殊性，本文所設計硬件電路采用了模塊化設計思想，主要包含ECU控制模塊、信號采集輸入模塊、控制信號輸出模塊以及電源、報警和信息顯示等其他配套模塊，如圖2所示。其中信號采集輸入模塊由扭矩信號采集處理電路、車速信號采集處理電路、方向盤轉角采集處理電路、反饋電流采集處理電路、發動機轉速信號處理電路構成;控制信號輸出模塊由電機驅動電路、離合器驅動電路等組成。

圖2 EPS控制系統的硬件電路總成

3.1.1 信號采集輸入模塊

信號采集輸入模塊由多個相互關聯的子電路構成，這里詳細介紹其中的兩個信號采集電路。

(1)扭矩信號采集處理電路

根據車輛扭矩傳感器的電氣輸出特性可知，其電氣信號輸出為0～5 V的模擬電壓信號，而控制系統的JM60微理器處理信號的范圍僅為0～3.3 V，因而需要對原始扭矩信號先降壓處理再接入微控制器的輸入端。扭矩信號采集處理電路如圖3所示，該電路具有濾波、分壓和去噪功能。其中普通電容起到抗干擾作用，極性電容構成的RC電路起低通濾波作用，電阻起分壓作用，穩壓管起限幅保護作用。

圖3 扭矩信號采集處理電路

(2)車速信號采集處理電路

由車速傳感器的電氣輸出特性可知，其產生的輸出信號是與車速成特定比例的正弦脈沖波，再經過里程表調理成相應的方波信號，此方波信號的高電平是4～6 V，低電平是0～1 V，因而該信號需要處理后再接輸入端口。圖4為具有抗干擾和光電隔離功能的車速信號采集處理電路。

圖4 車速信號采集處理電路

(3)方向盤轉角采集處理電路

方向盤轉角信號采用光電感應式傳感器獲得，信號形式為一對相角相差90°的交互方波信號，通過比較兩路信號的相位關系來判斷方向盤的轉動方向，進而通過測量兩個時刻t1和t2之間的方波個數就能知道方向盤的相對轉動角度，再加上初始時刻的相位角就能得到方向盤任意時刻的絕對轉動角度。

由于光電感應式傳感器產生的方波信號幅值在0～5 V之間，而且信號含有一些高頻噪聲，故方向盤轉角采集處理電路包含降壓、濾波和去噪三個部分。

(4)其他采集處理電路

電機反饋電流信號采用霍爾電流傳感器采集，是一個模擬電壓信號，其采集處理電路可以參考扭矩信號處理電路;發動機轉數信號是一個與發動機轉數成比例的脈沖信號，這個信號采集處理電路和車速信號采集處理電路有相近之處，這里不再詳述。

3.1.2 控制信號輸出模塊

控制信號輸出模塊主要包含兩個驅動電路的設計，其中離合器的設計可以采用電磁繼電器直接控制，設計較為簡單，本文不做詳述，下面重點介紹電機驅動電路的設計。

本設計中的EPS控制系統的助力電機采用有刷直流電動機，而要實現電機輔助轉向功能，就必須設計電機調流調速電路，因而該驅動電路的設計非常重要，其設計的優劣直接關系到轉向性能的好壞。電機的調流調矩是采用開關電源式控制三極管輸入電流方式來實現對助力電機輸出電流的控制，從而達到轉矩控制。目前，常用的直流電機調速方式有：可控硅直流調速和大功率晶體管脈寬調制(PWM)調速兩種。

相對于可控硅直流調速，PWM調速控制有如下優點：①電機損耗和噪聲小;②系統動態響應好，工作頻帶寬;③電機低速狀態下轉速波動和電流脈動小，穩態精度高;④工作于開關狀態下的晶體管，損耗低、能源利用率高、控制簡便;⑤系統響應靈敏。因此本系統電機的調速方式采用PWM調速電路實現。

本文所設計的PWM電機調流調速電路，利用大功率晶體三極管對電機調流實現調矩，并采用兩個P型和兩個N型MOS管搭建可逆H橋電路實現調壓調速，同時在控制信號端采用光耦器件進行光電隔離，電源部分采用電感器件對模擬電源與數字電源進行模數隔離。當 PWM1輸出脈寬信號、PWM2為高電平、PWM3和PWM4為低電平時，電機電流經Q1、電機、Q4和Q5流向電源地，這時電機正轉。相應地，當電機反轉時，元器件的通斷情況恰好相反。具體EPS控制系統如何通過輸出PWM方波信號實現助力控制如圖5所示。

圖5 PWM電機調流調速電路

3.1.3 ECU 控制模塊

EPS控制系統的ECU采用 Freescale微處理器MC9S08JM60來實現，由于JM60有多達37個多功能I/O口和14個專用I/O口，本設計根據各部分硬件電路的具體功能要求，將JM60的各個I/O端口進行了合理的配置，建立了ECU控制模塊與各個子功能模塊之間的關聯，使之能完成對整個系統部件的精確控制。具體ECU控制模塊的I/O端口配置及用途如表1所示。

表1 ECU控制模塊的I/O端口配置

3.2 EPS控制系統的軟件設計

EPS控制系統中，助力電機的目標電流與方向盤扭矩信號、車速信號之間的關系是非線性的，而助力電機本身的電流控制方式采用的是線性方法。本設計考慮到EPS控制系統兼具線性和非線性的雙重特點，決定采用模糊控制和傳統PID控制相結合的控制策略，應用模糊控制算法求解助力電機的目標電流，以增量式PID方式來實現對電機電流的精確反饋控制。

模糊控制是建立在模糊集控制理論基礎上的，采用模糊語言變量和邏輯推理兩種工具，利用人的經驗與知識，將直覺推理納入決策的一種智能控制［7-8］。具體實現方法是：先利用量化因子將輸入變量x模糊化為關系X，然后選擇模糊控制規則，將關系X模糊推理求得模糊輸出Y，最后對模糊輸出Y進行解模糊求得相應的數值輸出y。

模糊控制器以車速V和扭矩T兩個精確量作為模糊控制器的輸入變量，以助力電機目標電流I作為輸出變量。首先通過車速、扭矩信號的量化因子和目標電流的比例因子分別對車速V、扭矩T以及電流I進行模糊化。量化因子和比例因子的確定如下：

式中：m、n和l分別為車速、扭矩和電流的量化論域等級;其次采用三角形隸屬度函數，其表達式：

式中：參數a、b、c用來指定三角形隸屬函數的形狀，a表示三角形隸屬函數的起點，b表示三角形隸屬函數最大隸屬度時所對應的點，c表示三角形隸屬函數的終點;再者選用查表法來實現控制規則;最后采用重心法來進行反模糊化求出助力電機所需要的目標電流，從而實現模糊控制策略。

此外作為一個實際運行綜合控制系統，EPS控制系統還需要考慮多方面的實際影響因素，在本系統的設計過程中，加入了摩擦補償控制、阻尼補償控制以及回正補償控制。

具體的摩擦補償電流、阻尼補償電流、回正補償電流分別由下式決定：

式中：If為摩擦補償電流;Id為阻尼補償電流;Ir為阻尼補償電流;Kf為摩擦補償增益常數;Kd為阻尼補償增益常數;Kr為回正補償增益常數;ωM為電機角速度。最終電動助力轉向控制系統的電機目標電流Iobj由基本助力電流Im和以上三個補償電流(If、Id和Ir)組成。其具體組成如下：

增量式PID反饋控制器根據系統所需的目標電流值Iobj與電機實際電流反饋值Ifed之間的偏差來進行控制，增量式PID控制算法可參考式(9)得出對應的PWM控制增量。

式中：A、B、C表示增量 Δuk與前后三次偏差信號ek、ek-1、ek-2之間的關聯系數。

圖6為EPS系統控制策略圖。EPS控制系統的控制程序采用集成開發環境ADS1.2進行編程設計。在EPS控制系統的程序設計過程中，本文結合模塊化設計方法，將整個系統程序分為主程序控制模塊和子程序功能模塊。該模塊化程序設計方法的好處是便于軟件的集成和后續軟件的維護，并且具有較好的可移植性。

圖6 EPS系統控制策略圖

EPS控制系統的主程序的工作原理如下：車輛起動后，首先微控制器對系統進行初始化設定;接著系統進行自檢，判定系統各組件的工狀;然后通過扭矩傳感器和車速傳感器收集扭矩信號和車速信號，控制器根據預存的算法進行計算，推算出助力電機的目標電流值以及電磁離合器所需的離合狀態，再者控制器依據目標電流值與反饋電流值的偏差信號算出電機控制所需的PWM占空比，最終實現對目標輸出的控制。

EPS控制系統的各個子程序包括扭矩信號采集子程序、車速信號采集子程序、助力電機集成控制子程序、離合器狀態控制子程序以及故障檢測報警子程序等。

4 電動助力轉向控制系統的可靠性設計

容錯技術原本廣泛應用于計算機系統中，用來增強計算機系統的可信度［9］。因其實用性大，現在越來越多的控制系統應用該技術來提高系統的可靠性。容錯技術主要通過冗余技術實現，冗余技術的措施主要有硬件冗余與軟件冗余。其中軟件冗余主要通過冗余算法實現容錯，無需增加硬件設備，具有成本低、性能好、功能強和實現方便等優點，因而應用廣泛。為提高系統的可靠性，本控制系統部分程序采用了解析冗余技術。

圖7 扭矩信號容錯設計流程圖

圖7為扭矩信號容錯設計流程圖。扭矩控制信號是EPS控制系統中的重要輸入量，通常它由一對主副扭矩信號求差得到，然后系統利用該信號進行轉向控制。考慮到扭矩信號傳輸過程可能存在失真或錯誤的現象，而該信號又是關鍵輸入量，本文利用主副扭矩信號之間的相關性進行了容錯設計，保障系統的可靠性。從圖7可以看出，只要有一個扭矩傳感器輸出信號正常就能保證EPS扭矩控制信號正常，從而提高了系統的可靠性。

5 結 語

對自主設計的控制系統進行了相關的試驗，驗證了其理論設計的可行性。圖8、圖9為控制系統進行雙紐線實車試驗和蛇形實車試驗扭矩控制對比效果圖。

圖8 雙紐線對比試驗

圖9 蛇行對比試驗

本文對電動助力轉向控制系統進行了系統化的設計，一是從轉向控制的軟硬件設計入手，提出先進的轉向控制策略和改進硬件電路設計，提升車輛的轉向性能和可操作性;二是從車輛的安全角度入手，提出了車輛轉向關鍵因素(扭矩控制信號)的容錯設計，提高了車輛行駛的穩定性和可靠度。

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