EPS電動助力轉向系統的軟硬件設計

摘要：本文詳細介紹了基于C8051F31X系列微處理器的電動助力轉向（EPS）系統的方案設計，給出了詳細的硬件設計和軟件設計。試驗結果表明，該系統具有電路設計方便、性能穩定可靠、保護電路齊全、性價比好等突出優點，為汽車EPS系統提供一個優秀的設計方案。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170165.htm

關鍵詞：EPS；電動助力轉向系統；C8051F；微控制器；電路；硬件

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.013

電動助力轉向系統基本結構及工作原理

汽車的助力轉向系統是協助駕駛員進行汽車方向調整，為駕駛員減輕打方向盤的用力強度，目前汽車上配置的助力轉向系統大致可以分為三類：（1）機械式液壓動力轉向系統；（2）電子液壓助力轉向系統；（3）另外一種電動助力轉向系統，英文全稱是Electronic Power Steering，也就是我們常說的EPS，也可以稱為“電子控制助力”，它是在EPS控制器的作用下驅動電動機產生的動力協助駕車者進行轉向控制。EPS的構成一般是由扭矩傳感器、電子控制單元ECU、助力電機、減速器、機械轉向器、以及畜電池電源。現在我們介紹的主要是電子控制單元ECU的軟硬件設計方案。

主要工作原理：駕駛員在操作汽車轉向時，扭矩傳感器會“感覺”到方向盤的扭矩和轉向，這些信號會通過AD模數轉換器，量化后傳送給電子控制單元的微處理器，電控單元會根據轉向軸的轉動力矩、轉向等數據，向EPS控制器發出動作指令，助力電機就會根據具體的需要，輸出相應大小的轉動力矩，從而實現助力轉向。如果不打方向盤，則EPS系統就不工作，處于等待調用狀態，而且，助力電機的助力輸出也隨著車速的提高而減小，當車速超過設定值時會停止工作，助力消失，這使車在高速行駛時更加穩定。由于電動助力轉向這樣的工作特性，你會感覺到方向盤的方向感好，輕便，高速時穩定不發飄。圖形1為電動助力轉向系統的基本結構。

硬件電路原理設計

扭矩傳感器信號的提取、調理

我們采用的扭矩傳感器其輸出包括力矩與角度兩種信號，力矩信號的輸出有兩路，分別是T1、T2，角度信號（轉向角）的輸出有三路，分別是P1、P2、P3，具體傳感器的輸出特性請參照相關的數據手冊，提取算法將在軟件設計部分完成。這里側重講述信號的調理，原理如下圖3，傳感器具有5路模擬信號輸出，原理相同，我們討論其中一路T1。傳感器的輸出是0～5V信號，通過R1，R2電阻分壓原理與3.3V系統進行匹配。C1，C2，R3組成了一個阻容濾波器濾掉前端的信號噪聲，V1為TVS管，用于限制信號的幅度在0～VCC之間，N1是LM324運放，接成射極跟隨形式，以提高信號的輸入阻抗，降低信號的輸出阻抗。輸出信號Sensor_T1_out直接輸出給微處理器的內部AD轉換，量化后提供給力矩提取算法使用，其它4路原理一致。

行車信號的調理

由于車速CS、發動機轉速FDJ、點火KEY這些信號幅度達到24V，也是需要調理后才能跟3.3V系統兼容，采用光電隔離是比較好的措施，參照圖4所示：車載信號通過接插件把24V左右的行車信號引入VI1的光電隔離前端，隔離輸出變為3.3V低壓信號，以實現強弱電隔離輸出。

H橋驅動電路、PWM調速原理、保護電路及電流反饋電路

圖6采用V1、R1-R4、C1組成的電子開關電路，用于驅動H橋高邊管的BTS550P的控制極，實現弱電控制強電的目的。當H橋高邊管控制信號輸出高電平時，V1導通，BTS550P的控制極第2腳變低，反之變高，以實現高邊管開關。PWM信號通過V3控制H橋的低邊管V4，此為H橋的單邊橋的控制原理，另一邊相同。

保護電路

保護電路是以可重觸發的單穩態觸發器設計而成，此電路有兩種狀態，穩態和暫穩態。對于可重觸發型單穩態器件，當電路的暫穩態還沒有結束之前，再來一次觸發信號作用后，電路將對這個新的觸發信號進行響應，還要再延遲一個暫穩態時間，電路才能返回穩態，此暫穩態時間由邏輯符號中的CX、RX/CX是外接阻容元件決定。圖中D1A、D2B的第1、9腳為脈沖觸發端，Q端為暫穩態輸出端，其高電平為暫穩態。我們利用這個特性進行H橋的得電保護設計。

發動機轉速脈沖、看門狗脈沖、傳感器信號電平是EPS正常工作的三個重要條件，只要其中任何一個條件不滿足，EPS的H橋驅動將不能正常得電。我們把轉速脈沖和看門狗脈沖作為觸發器的觸發信號。車子啟動和EPS的程序正常正是由這個條件來判斷的。只要這個脈沖不消失，單穩態器件D1的輸出永遠是暫穩態高電平，也直接影響到U1A三個輸入條件的建立。

各單元電路的綜合理解

以上詳細介紹了各單元電路的工作原理及電路，把圖1電路簡化后得到各電路間的簡圖，如圖8所示，分析理解他們之間的聯系：

（1）主進程：轉向助力的產生與調節，力矩傳感器信號與車載信號通過調理后進入微處理器內部，經過微處理器內部量化，供程序算法使用，CPU獲得這些外部參數，執行EPS控制算法輸出PWM信號，經過驅動后加載到H橋的高低邊功率管上，以驅動EPS電機產生助力。

（2）保護進程：保護電路收集到EPS控制器工作的必要外部條件，如果這些條件都滿足，保護電路會驅動電機電源繼電器閉合，以使鋁基板電機驅動板得電工作，反之將不能正常工作，主進程也會停止，EPS不產生助力。

（3）反饋進程：電流反饋進程有兩個作用，處理如下：

一路經過比較器輸出，輸出電平用于控制PWM信號的輸出，從圖8中我們可以看出PWM信號驅動上，有一個3輸入與門用于控制PWM的輸出，比較器的過流保護信號就是其中輸入條件之一，只要電機過流，比較器就會產生一低電平使3輸入與門關閉，也就關閉了PWM輸出。

另外一路經過調理器后進入微處理器內進行量化，以供微處器執行相應程序保護。

程序設計

固件程序采用C51語言進行設計，采用模塊化設計思想，主要子程序包括：扭矩傳感器的力矩與角度信號的提取算法、車速信號和發動機信號的測量程序、助力調節控制算法、保護電路的控制算法、設備的初始化定義、中斷程序等。

固件程序框圖如圖9所示。

通過試驗，EPS的輸出特性曲線如圖10所示，硬件電路完全能滿足電動助力轉向控制需要，實驗證明上述的電動助力轉向系統的設計方案可行，采用混合信號片上系統微處理器，不僅自身處理功能強大，而且外圍擴展方便，成本低廉。同時采用表貼安裝的鋁基板H橋電機驅動電路結構，是一種新的嘗試，這不僅減少了汽車振動對EPS的影響，同時也很好地解決了功率器件的散熱問題。