基于PIC18F458的汽車電動助力轉向控制系統設計

蘇慶列，王麟珠

(福建船政交通職業學院，福建 福州350007)

基于PIC18F458的汽車電動助力轉向控制系統設計

蘇慶列，王麟珠

(福建船政交通職業學院，福建 福州350007)

針對國內汽車電動助力轉向系統(EPS)的發展現狀和性能要求，基于PIC18F458系列單片機對EPS系統電控單元軟硬件進行設計，著重闡述了方向盤扭矩傳感器信號采集和帶有CAN總線的信息采集模塊，以及通過全控橋電機驅動電路實現的PWM脈寬調制永磁無刷直流電機控制模塊的工作原理及其實現方法.試驗結果表明該電控單元工作正常、性能可靠，滿足汽車助力轉向的舒適性和安全性要求.

EPS；電子控制單元；PIC18F458；單片機；CAN總線

汽車電動助力轉向系統 (EPS)依靠車載電源，由電動機提供助力，其操縱方便、節約能源、安全環保，符合現代汽車發展需求，已開始運用于中高級以上轎車和商務車上，但國內EPS系統電子控制單元嚴重依賴國外進口，成本高、維修不方便，而國產產品起步晚，特別在永磁無刷電機控制和車載網絡CAN-BUS的信息共享上技術不成熟[1-3].本電控單元以Microchip公司推出的PIC18F458高性能微處理器為核心，設計汽車電動助力轉向系統(EPS)電控單元，并通過電氣測試和改裝試驗.

1 系統總體設計

EPS系統主要由信息采集模塊(包括轉矩傳感器信號、電機反饋信號和CAN-BUS共享信號)、電子控制單元(ECU)、執行器控制模塊(包括電機控制和離合器控制)、減速裝置、傳動裝置等組成，其系統結構如圖1所示.

圖1 汽車電動助力轉向系統結構Fig.1 Architecture diagram of EPS

EPS系統工作時，通過轉矩傳感器檢測駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結合CAN總線共享的車速、發動機轉速、點火信號、休眠喚醒信號等，運用模糊免疫PID控制策略計算得出理想助力目標PWM占空比，控制電機助力，通過電機動態閉環控制，電機助力轉矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉向阻力矩，實現車輛智能動態方向助力轉向作用，有效保障車輛低速行駛時的操縱性和高速行駛時的安全性.EPS電控單元系統結構拓撲如圖2所示.

圖2 EPS電控系統設計框圖Fig.2 The frame of control system

2 硬件設計

2.1 控制器模塊

EPS系統電控單元采用microchip公司的16位微處理器PIC18F458，該芯片除了具有PIC18458系列單片機哈佛架構精簡指令結構、計算能力強、性能穩定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等特點外，還引進了一系列串行通信外設，內置CAN控制器，并支持運行、休眠、空閑等多種工作模式，支持車載網絡CAN-BUS通訊協議，其增強型CCP模塊，在PWM模式下能提供多路經調制輸出，這些優異的性能為汽車EPS系統的軟硬件設計提供了方便，且工作溫度-40～+125 ℃，能夠完全滿足汽車使用環境的要求[4].

2.2 信息采集模塊

1) 轉矩信號采集

EPS系統采用KISTLER公司生產的高精度4503A10L型電位計式扭矩傳感器來獲取駕駛員加載在方向盤上的力矩和方向，傳感器帶有主、副雙路對稱的轉矩信號，其中一路轉矩信號采集電路原理圖如圖3所示,另一路轉矩信號采集電路與之相同.電路中，C7、C8和R12共同組成π型RC濾波電路，濾除轉矩信號中的高頻部分，穩壓管D1起限壓保護作用，大電阻R11用來減少輸入阻抗.

圖3 轉矩信號采集電路Fig.3 Acquisition circuit of torque signal

2 )CAN總線通信

車載網絡在汽車上的應用，提高了車載信息的共享能力、節約了成本，因此EPS系統采用CAN總線共享車速信號、發動機轉速信號、點火開關IG信號、故障信息及網絡節點休眠喚醒信號等.PIC18F458單片機集成了CAN通信接口，執行Bosch公司的CAN2.0A/B協議[5]，可以方便的利用CAN總線與全車網絡實現信息共享，軟件編程只需對相關寄存器進行相應設置即可，外圍接口電路也得以簡化，只需要一個Philips公司的PCA82C250 作為CAN總線接口芯片，中間用高速光電耦合器6N137隔開，可以很好地實現總線上節點之間的電氣隔離，提高系統抗干擾能力和信號傳輸能力，CAN總線通信接口電路如圖4所示.

圖4 CAN總線通信接口電路原理圖Fig.4 CAN Bus communication circuit

2.3 執行器控制模塊

1) 無刷直流電機驅動控制

EPS系統選用無刷直流電機作為助力電機，由PIC18F458單片機為 Freescale公司開發的高性能無刷直流電機專業集成電路MC33035提供無刷直流電機的轉向和PWM信號，MC33035通過霍爾傳感器檢測電機當前的轉子位置，并對其進行譯碼，轉換成具有正確時序的頂部輸出信號和底部輸出信號給電機控制的驅動器IR2130芯片，IR2130是美國International Rectifier公司生產的一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT器件的驅動芯片，分別有3個獨立的高端和低端輸入/輸出通道，以此驅動由6個N溝道功率MOSFET管組成的三相六步全控橋電路[6-7].電機驅動電路原理如圖5所示.

圖5 電機驅動電路原理圖Fig.5 Motor drive circuit

2) 電磁離合器控制

EPS系統電磁離合器由單片機控制4個功率晶體管組成的全橋控制電路來實現動力傳遞通斷控制，提供一種結構簡單、安全可靠的汽車EPS電磁離合器控制電路，能夠在滿足電磁離合器有效、牢固接合的前提下，根據系統助力需要及時、穩定通斷電磁離合器，以實現行駛轉向助力和確保行車安全的目的.

2.4 輔助電路

1)電源電路：EPS系統電源電路采用Infineon公司汽車專用電源芯片TLE7469，其輸入電壓范圍寬(7～45 V)，工作溫度-40～150 ℃，輸出電壓精度高，帶有外部看門狗電路，以及短路、過溫和電池反接保護等功能，保證EPS系統在汽車惡劣的環境下長期穩定工作.

2)復位電路：EPS系統中復位電路主要完成系統的上電復位功能，PIC18F458的MCLR引腳提供了外部硬件觸發器件復位的方法，將 MCLR 引腳通過一個10 kΩ電阻連接到電源，這樣還可以省去產生上電復位延時通常所需的外部 RC 元件，上電復位事件由 POR 位 (RCON<1>)捕捉，只要發生上電復位，此位的狀態就被置為0，它不會因任何其他復位事件發生改變.

3 軟件設計

針對EPS系統電控單元硬件電路設計，結合汽車EPS系統對電機助力特性的要求，進行相應的軟件開發，主要涉及系統初始化、CAN總線通訊、信息采集及處理、PWM占空比計算等，圖6所示為EPS電機控制系統程序流程圖.首先，PIC18F單片機喚醒上電并對時鐘和各I/O口等進行系統初始化，同時檢測EPS節點工作和CAN總線通訊是否正常，如發現異常將存儲故障碼并顯示故障指示燈；接著，檢測發動機轉速是否達到怠速，怠速及以上時進入主程序；然后，單片機對兩路扭矩信號進行AD轉換及濾波處理，通過兩路信號相減判斷電機運轉方向，結合CAN總線共享得到車速信息等，綜合這些信息進行模糊免疫PID控制算法處理并最終得出控制電機的PWM占空比[8]；最后，輸出PWM信號、助力方向、離合器閉合信號，驅動助力電機，并返回主程序進入程序再循環.

圖6 EPS控制系統程序流程圖Fig.6 Program Flow Chart of EPS Control System

4 助力特性測試

綜合以上EPS系統設計，印制了電路板并形成產品，編寫相應控制程序，通過電氣測試，并在長安福特蒙迪歐汽車臺架上進行替換改裝試驗，將-10～10 Nm的正弦波信號作為方向盤緩變的扭矩信號輸入至控制系統，車速從0～80 km/h分為5擋遞增測試，獲得輸入扭矩與輸出電流的控制系統助力特性曲線如圖7所示，其在同一扭矩下助力電流隨車速的增大而減小，在扭矩增大到一定值時助力電流達到飽和，且具有良好的對稱性，能很好保障車輛低速行駛時的轉向舒適性和高速行駛時的操作安全性.

圖7 EPS控制系統助力特性曲線Fig.7 Power Characteristic Curve of EPS

5 結束語

實驗結果表明基于PIC18F458單片機的汽車電動助力轉向系統工作穩定、成本低廉、安全性能好，在與車載CAN-BUS通信上比較穩定，抗干擾性能好；電機助力能很好滿足車輛在不同車速、車況下的行駛助力要求，性能可靠、易于維修.

[1] 祝勇俊,朱樹先,郭勝輝,等.基于LPC2131的EPS控制系統設計[J].自動化技術與應用,2012, 31(5):7-11.

[2] J.S Chen.Control of Electric Power Steering Systems [C].SAE Paper No.981116.

[3] 王壽峰.EPS用無刷直流電機控制系統開發研究[D].江蘇大學碩士論文,2010-06.

[4] Microchip.PIC18FXX8 MANUAL[Z].2006.

[5] (法)胡思德.汽車車載網絡(VAN/CAN/LIN)技術詳解[M].北京:機械工業出版社,2008.

[6] 錢學武,馬明星,劉永智.電動公交車車用無刷直流電機控制器的設計[J].揚州大學學報,2010, 13(1):66-70.

[7] 張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2006.

[8] 蘇慶列,王麟珠.模糊免疫PID在電動汽車空調控制系統中的應用[J].湖北理工學院學報,2013,30(5):15-18.

[責任編輯：徐明忠]

Design of automobile electric power steering system based on PIC18F458

SU Qinglie ,WANG Linzhu

(Fujian Chuanzheng Communications Technology College, Fuzhou 350007, China)

According to the domestic development status and performance requirements of electric power steering system (EPS), the software and hardware of electronic control unit of EPS is designed based on PIC18F458 Series MCU.Focuses on the principle and realization method of the information acquisition module that contains steering wheel torque sensor signals and the information of CAN Bus, and the control module of permanent magnet brushless DC motor which drives by fully controlled bridge circuit.The experimental results show that the electronic control unit works normally and reliably, comfort and safety meets the requirements of automotive power steering.

electric power steering (EPS); ECU; PIC18F458; microcomputer control units (MCU); CAN-BUS

2015-04-22;

2015-04-28

福建省教育廳A類項目(JA14373)；福建省交通廳科技項目(2014Y062)

蘇慶列(1980-)，男，福建德化人，福建船政交通職業學院講師，碩士，主要從事汽車運用工程、機電一體化的研究.

TP273

A

1672-3600(2015)09-0036-05