基于MSC12 10單片機的汽車電動助力轉向ECU系統的開發

李 偉，宋曉華

（重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074）

隨著電子技術的迅猛發展，汽車轉向系統已從傳統機械轉向、液壓助力轉向（HPS）以及電控液壓助力轉向（EHPS）發展到電動助力轉向系統（EPS），最終還將過渡到線控轉向系統（Steer By Wire）。在國內EPS已成為現代汽車新技術的研究熱點。EPS采用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元ECU控制。它具有傳統轉向系統不可比擬的一系列優點，不僅能節約燃料、提高主動安全性，且有利于環保，一經出現就受到高度重視。隨著電子元器件價格的不斷降低和可靠性的提高，EPS越來越受到人們的青睞，在汽車上的使用將更加廣泛[1-2]。

1 ECU系統硬件設計

當汽車點火開關閉合時，ECU上電開始對EPS系統進行自檢。自檢通過后，閉合繼電器和離合器、EPS系統便開始工作。當轉動方向盤時，位于轉向軸上的扭矩傳感器把測得的方向盤力矩傳遞給ECU，ECU根據傳感器主副端兩個信號并結合車速等信息，控制電機產生相應的助力，實現在全速范圍內最佳控制。在低速行駛時，減輕轉向力，保證汽車轉向靈活、輕便；在高速行駛時，適當增加阻尼控制，保證轉向盤操作穩重、可靠，具有良好的“路感”。

EPS系統硬件電路主要包括微處理器及其外圍電路、扭矩信號、車速信號、發動機轉速信號的采集及處理電路、電源變換電路、功率驅動及邏輯控制電路、過流保護電路、故障診斷電路等。系統供電為12V車用蓄電池。當系統檢測到發動機正常工作后，首先對整個EPS系統進行自檢，確保系統能正常工作，然后將繼電器閉合，此時系統處于正常工作狀態。輸入接口電路將檢測到的扭矩信號、車速信號、發動機轉速信號處理后送入單片機的控制端口。單片機根據設定好的助力模型，以及接收的端口信號，確定助力的大小及方向，并產生相應的PWM信號驅動直流電動機進行助力轉向。當系統出現異常時，故障指示燈亮，并切斷繼電器，從而保護直流電機[3-4]。

1.1 ECU工作原理

ECU硬件電路的總體框圖如圖1所示。系統的控制核心為MSC1210單片機。ECU工作時，扭矩、車速等傳感器把采集到的信號經過輸入接口電路處理后送至單片機的相應端口，單片機根據系統助力特性和相應算法對這些數據分析處理，以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機的PWM口發出脈沖指令和相應的換向控制端口發出換向指令，通過驅動電路和H橋電路控制直流電動機工作。在電動機的驅動電路上設有電流傳感器，把檢測到的電機實際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機，單片機再根據相應的控制算法對電機實現閉環控制。如EPS系統工作出現異常，單片機將驅動EPS燈亮進行報警提示，同時斷開繼電器和離合器，退出電動助力工作模式，轉為人工手動助力模式[5-7]。

1.2 MSC1210單片機簡介

MSC1210芯片的ADC高精度微位移傳感器電路模塊的核心是MSC1210單片機。它具有微弱信號8通道多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位ΣΔA/D轉換、數字濾波、數據處理、信號校準以及UART通信等功能。模擬部分的主要特點有[8]：24位無丟失碼，在10 Hz數據輸出率時有22位有效位；低噪聲，只有75 nv；PGA的范圍為1～128；精確的片上參考電壓，精度0.2%，飄移5 PPm/℃；片上偏移和增益校正；單周期轉換。

MSC1210微控制器的外圍電路如下圖2所示。

1.3 雙H橋功率驅動電路

功率驅動電路由兩個IR2112器件U1、U2組成。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達600 V，在15 V下靜態功耗僅116 mW；輸出的電源端（腳3Vcc，即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍10～20 V；邏輯電源電壓范圍（腳9VDD）3.3～20 V，可方便地與TTL或CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5 V的偏移量；工作頻率高，可達100 kHz；開通、關斷延遲小，分別為120 ns和94 ns；圖騰柱輸出峰值電流為2 A[9]。

U1和U2的驅動控制信號SD是相同的，但是其HIN和LIN端輸入的信號卻是相反的。U1的HIN和U2的LIN輸入的是PWM0信號，U1的LIN和U2的HIN是將PWM0信號取反后輸入的，這就決定了它們的輸出信號剛好相反，即U1的HO端和U2的LO端信號相同。

H橋電路主要由四個場效應管Q1、Q2、Q3、Q4和四個續流二極管D1、D2、D3、D4組成。場效應管型號為IRF540N。如圖3所示，四個場效應管的截止與導通與否由LM393的輸出信號SD和單片機的輸出PWM0波控制。這四個場效應管分為兩組：Q1和Q4一組，Q2和Q3一組，在驅動電路的輸出信號作用下兩組交替導通。在SD信號為低電平時，隨著PWMO信號的占空比的變化，從而改變加載在電機兩端的電壓大小。此外，根據CPU判斷的汽車行駛狀態，還可以改變加載電壓的極性，表現為電機的正反轉[10-11]。

2 ECU系統軟件設計

從車速傳感器輸出的車速信號以及從發動機轉速傳感器輸出的轉速信號均是脈沖信號，不需要進行A/D轉換，可以直接利用單片機的定時/計數器來完成車速和發動機轉速的采集和計算[6]。車速和發動機轉速是通過統計一定時間內的脈沖個數，即利用定時器T2，當達到指定時間長度t的時候產生中斷，在中斷服務程序中讀取計數器T1和T2所記錄的脈沖個數，再將脈沖個數除以時間長度t，即為單位時間內的脈沖數。對于車速和發動機轉速而言，分別使用標準定時/計數器T0、Tl記錄車速和發動機轉速在指定時間長度t內的脈沖數。

利用計數器的第二個功能。將車速傳感器和發動機轉速傳感器連接到MSC1210的T0和T1口，并且持續監控，每來一次脈沖計數器就累加1。計數器2是用作定時器，用來對定時器1和定時器2計數定時[12]。測速子程序的具體實現步驟如下：

初始化定時器0,1,2；啟動各定時器：定時器0,1開始計數，定時器2開始計時；定時器2計時時間到后進入中斷服務子程序,將T0和T1的計數轉化為轉速，具體的公式[13]：

PlusCounter0=TH0×256+TL0;

PlusCounter1=TH1×256+TL1;

speed0=K×(PlusCounter0/PLUS_PER)×60;

speed1=(int)(PI×(PlusCounter1/PLUS_PER)×2.88);

PLUS_PER=10是個常數，2.88與所選車型的輪胎尺寸有關。

圖4為定時器2的中斷服務程序框圖。

3 結束語

本文在對EPS系統的原理和助力控制過程的分析基礎上，對EPS控制系統的硬件電路進行了研究開發，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機；探索了在汽車電動助力轉向系統中直流電機的控制方法。采用精密電阻進行電機電流采樣的方法，實現了對直流電機輸出電流的閉環控制。在完成了硬件電路設計和軟件編程后，按照預定的助力特性曲線，對EPS系統進行了臺架試驗。試驗結果表明，電子控制單元信號采集的實時性較高，對電機閉環控制的跟隨性較好，整個系統具有良好的電動助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。

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