基于FPGA的電動助力轉向系統

許 慶 ,高 峰 ，付安英 ，徐國艷

（1.北京航空航天大學 北京 100191；2.陜西國際商貿學院 陜西 咸陽 712000）

隨著汽車電子技術的發展，電動助力轉向(Electric Power Steering,EPS)系統正逐漸取代廣泛使用的液壓助力轉向系統[1]。電動助力轉向系統的效率更高，靈活性更強，助力可由多個輸入參數聯合控制，也有利于車輛各系統的高度集成和綜合控制[2]。

文中利用硬件描述語言，設計了基于FPGA的助力轉向系統控制模塊。相比常見的使用ECU搭配對應的控制軟件的系統，純硬件電路組成的結構更加可靠；由邏輯電路代替軟件實現控制算法，可使系統響應速度由毫秒級提升至納秒級[4]；批量生產壓片的成本也大幅降低。基于FPGA的電動助力轉向系統能提高車輛的安全性、可靠性與靈活性，對車輛電動助力轉向系統和主動轉向系統都具有重要意義。

1 總體設計方案

1.1 布置方案

根據電機的位置不同，常見的電動轉向助力方式包括轉向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式3種[5-6]。文中選用轉向軸助力式布置方案，助力電動機布置在靠近轉向盤下方，并經蝸輪蝸桿機構與轉向軸連接。

圖1 電動助力轉向系統布置方案Fig.1 Layoutof the EPSsystem

1.2 控制策略

作用在轉向盤上力矩增量與對應轉向器輸出力增量的比值，稱為路感強度。以齒輪齒條式轉向器為基礎的電動助力轉向器的路感強度E為：

其中，dMh為作用在轉向盤上的力矩增量；dF為轉向器輸出力的增量。

選用不同的助力特性將對轉向操縱輕便性和駕駛員路感有不同影響。理想的助力特性應既能滿足低速轉向時有足夠的輕便性，又能滿足高速轉向時具有良好的路感。一般將助力特性曲線設計成隨著汽車行駛速度變化而變化，并稱這種助力特性為車速感應型[7]。助力既是作用到轉向盤上的力矩的函數，也是車速的函數。

為實現助力功能并保證駕駛員路感，文中根據力矩傳感器、車速傳感器和轉向角度傳感器的輸入，在硬件電路寄存器中直接查表得到對應的電機驅動信號。當車速va=0時，相當于汽車在原地轉向，助力特性曲線的位置居于其他各條曲線之上，助力強度達到最大。隨著車速va的不斷升高，助力特性曲線的位置也逐漸降低，直至車速va達到最高車速vamax為止。此時助力強度最小，而路感強度達到最大。查表方式犧牲一定的靈活性，但具有以下優點：

1)適合于不同車型。在不同車輛上安裝時，只需測試并改寫表中數據；

2)響應速度快。控制量通過離線計算與測量得到，工作時直接查得地址對應的控制量，而無需計算；3）結構簡單，易于調試。

2 控制系統設計

系統采用自頂向下設計。EPS頂層模塊包括頻率計數模塊、數據讀取查詢模塊、脈寬調制模塊3部分。頻率計數模塊的主要作用是接收從傳感器傳出的頻率脈沖信號，將其轉換為數字量，并對模擬信號提供A/D轉換后的數字接口；數據讀取查詢模塊通過查表的方式，由頻率計數模塊讀取的傳感器輸入信號查詢映射得到電機控制信號；脈寬調制模塊用于產生一連串定頻調寬的不同占空比數字信號以控制電機。

圖2 基于Top-down設計的模塊關系Fig.2 Relationship ofmodules based on Top-down design

表1 頂層模塊主要接口Tab.1 M ain interfaces of the top m odule

2.1 頻率計數模塊

頻率計數模塊采用一基準時鐘，在單位時間內對被測信號的脈沖計數，得到信號的頻率。共含3個子模塊：控制模塊、計數測量模塊和鎖存器模塊。

其中，控制模塊用于產生count_en、count_clr和load3個控制信號，提供給計數模塊與鎖存器模塊；計數模塊帶有始能端和異步清零端；鎖存器模塊存儲并輸出load信號處于上升沿時刻的測量值。

表2 頻率計數模塊主要接口Tab.2 M ain interfaces of the frequency counting module

2.2 查詢模塊

查詢模塊將輸入信號合成地址，查表輸出對應的電機驅動信號。查詢模塊將助力控制、回正控制和阻尼控制3個模式放入同一表中，使結構緊湊簡單。其中，助力模式為具有一定輸入扭矩并開始轉向——即有一定轉向角度時的控制模式，對應的不同速度下的響應曲線經試驗完成。回正模式用于幾乎無扭矩輸入時，幫助駕駛員將車輪回到直線行駛的中間位置。特別的，在車輛低速時，提供較大回正力矩，幫助車輪迅速回正；在高速時，車輛自身回正力矩較大，模塊用于避免方向盤超調和左右擺動，提高轉向穩定特性。阻尼模式下電機處于制動狀態，抑制高速時路面干擾引起的橫擺振動并幫助方向盤回正收斂，提高車輛高速直線行駛穩定性和快速轉向收斂性。

2.3 PWM模塊

轉向電機通過H橋控制，PWM模塊提供電機驅動電路的輸入信號。

3 系統測試與結果分析

編譯程序，得到實現系統硬件所需邏輯單元為109個。將電路文件燒寫至FPGA，在試驗臺架上于不同工況下測試 系統，測試結果截圖如圖3所示。

圖3 不同車速下的查表測試Fig.3 Test resultwith different vehicle velocity

表3 PWM模塊主要接口Tab.3 M ain interfaces of the PWM module

顯然，系統模塊正確讀出了車速傳感器脈沖信號的周期，并能根據查詢表中給出的預定數值讀出所需要的控制脈寬。經脈寬調制，可產生符合要求的不同占空比的電機驅動信號。下載試驗表明，所設計的控制單元能夠滿足EPS系統的控制要求。

4 結束語

文中設計了基于FPGA的汽車電動助力轉向系統。該系統的主要控制部分全部由硬件描述語言編譯為硬件電路實現，電機控制輸出與傳感器輸入信號直接對應，極大地提高了系統的響應速度。試驗臺架測試表明，系統的助力效果顯著，并能提供給駕駛員良好的路感，可以滿足汽車電動助力轉向的要求。

[1]晉兵營,寧廣慶,施國標.汽車電動助力轉向系統發展綜述[J].拖拉機與農用運輸車,2010(37):1-5.JIN Bing-ying,NING Guang-qing,SHIGuo-biao.Overview of Development on Vehicle EPSsystem[J].Tractor and Farm Transporter,2010(37):1-5.

[2]荊體魁.汽車電動助力轉向系統的設計 [D].大連:大連理工大學,2005.

[3]王江鋒.智能車輛[D].北京:北京航空航天大學,2006.

[4]Palnitkar Samir,夏宇聞.Verilog HDL數字設計與綜合[M].北京:電子工業出版社,2009.

[5]王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2004.

[6]Oshita S,Mouri T,Uemura Y.Electric power steering system:U.S.Patent4,664,211[P].1987.

[7]莊繼德.汽車電子控制系統工程[M].北京:北京理工大學出版社,1998.