基于微控制器和模糊算法的EPS系統設計

劉增俊

(吉林鐵道職業技術學院電氣工程系，吉林吉林450011)

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基于微控制器和模糊算法的EPS系統設計

劉增俊*

(吉林鐵道職業技術學院電氣工程系，吉林吉林450011)

摘要:概述了電動助力轉向系統EPS(Electric Power Steering)的工作原理和硬件系統。設計了基于XC2365芯片的EPS系統，在控制策略方面采用模糊控制算法，對無刷直流電機進行控制。通過采用MATLAB軟件對系統進行仿真和采用實車進行場地實驗結果表明:相對于未使用EPS系統的車輛，采用基于模糊算法的EPS系統使得車輛操作更穩定。

關鍵詞:電動助力系統;模糊算法;仿真;微控制器

隨著汽車銷量的逐年提高，人們對汽車的環保和節能要求逐漸提高。汽車的電動助力轉向系統EPS (Electric Power Steering)和傳統的液壓助力轉向系統相比，電動助力轉向系統節能5%～10%。汽車采用EPS，取消液壓管路，減少了液壓設備中液體泄漏的可能性。同時EPS系統具有降低車輛自重，減少生產成本等優點，因此EPS系統得到了廣泛的認可［1－3］。

國內各個高校、研究所對EPS系統投入了大量的人力物力，EPS的研究集中于PID等控制算法。本文在控制策略上采用模糊算法，結合微控制器技術、電子技術，設計了EPS電動助力轉向系統。

1　系統的總體設計

EPS系統如圖1所示，整個系統由轉矩傳感器、車輛速度傳感器、機械轉向系統、控制電機、以及EPS系統的電控ECU單元構成。EPS系統的硬件系統框圖如圖2所示，轉矩傳感器和車輛機械轉向系統相連，負責采集轉向器的轉向角位移信號。轉向角位移信號傳送至電控ECU。車輛速度傳感器負責采集車輛輪速，并將信號送至EPS系統的電控ECU單元。電控ECU單元根據輸入的傳感器信號，采用模糊控制策略控制直流無刷電機的轉動方向和助力大小，從而實現車輛轉向的輔助控制。車輛EPS系統的所有數據信號通過CAN總線送至車輛的底盤控制系統［4－7］。

圖1　EPS系統結構簡圖

圖2　EPS系統硬件框圖

2　系統硬件設計

EPS系統的電控單元ECU的主控制器和采用英飛凌公司的XC2365。備份微控制器采用XC866，備份控制器和主控制器之間通過SSC接口相連接，備份控制器XC866負責監控，并在主控制器失效的情況下將EPS系統切換至機械轉向系統。

EPS系統的扭矩傳感器采用英飛凌公司的TLE4997，硬件電路圖如圖3所示。TLE4997輸出的信號為0.5 V～4.5 V模擬信號，干擾噪聲的主要來自于驅動直流無刷電機時產生的10 kHz～20 kHz赫茲噪聲和電機的1 kHz～12 kHz赫茲噪聲，為了減少信號衰減、抑制噪聲，電路上采用了截止頻率160 kHz赫茲的低通濾波器。TLE4997通過EMI和RC濾波器電路后直接連接到XC2365的AD轉換引腳上。車輛速度信號來自于車輛ABS系統的霍爾傳感器，該信號同樣需要采用RC低通濾波器(截止頻率為20K赫茲)消除噪聲信號的干擾。

圖3　扭矩傳感器硬件電路圖

在助力電機方面，經過對直流有刷電機和直流無刷電機比較發現，直流有刷電機雖然價格有優勢，但容易損壞，且直流有刷電機的換向器電火花容易對EPS系統產生電磁干擾。因此本設計采用直流無刷電機實現助力轉向。直流無刷電機的驅動芯片采用的是英飛凌的TLE7183，電路原理圖如圖4所示。TLE7183的3個高邊輸出級和3個低邊輸出級控制6個外接MOS管。

圖4　直流無刷電機驅動電路原理圖

在CAN總線接口部分，電路圖如圖5所示。主控制器XC2365芯片內部集成了CAN控制器。本文采用TI公司生產的CAN收發器SN65HVD230連接XC2365。在電氣干擾隔離方面，采用6N137構成光耦隔離電路，有效的實現底盤電控單元各部分的電氣隔離。通過CAN總線，EPS電控單元可以實現與ABS系統、車身電子穩定系統等底盤控制系統的信號通信。

圖5　CAN通信電路原理圖

整個EPS系統電源部分需要直流5 V、12 V電源，直流5 V電源負責給主控制器XC2365、從控制器XC866供電，12 V電源給驅動電機模塊供電。本文將車輛的車載蓄電池作為電源來源，通過英飛凌公司的汽車專用DC－DC穩壓芯片為EPS系統實現5 V、12 V直流供電。

3　模糊控制器的設計

本文設計的電控單元ECU中采用模糊控制算法，在算法仿真方面采用MATLAB軟件中的Fuzzy模塊工具箱。模糊控制器采用雙輸入、單輸出的模式，兩個輸入量分別為轉矩傳感器的轉矩T和車輛速度V。模糊控制器設計流程如圖6所示，輸入量經過模糊化、制定模糊規則表、反模糊化得到輸出量，即直流無刷電機的驅動電流I。

圖6　模糊控制器設計流程

3.1輸入量和輸出量的模糊化

輸入量車輛速度V的范圍0～150 km/h，論域設置為V［1，2，3，4，5，6，7］。方向盤扭矩T范圍0～17 N·m，論域設置為T［1，2，3，4，5，6，7］。輸出量電流I的范圍0～17 A。本文將車輛速度V、方向盤扭矩T、目標電流I均分為7個模糊集，分別為［PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB］。

3.2模糊規則推理表

采用“IF-THEN”語句得到模糊規則表，如表1所示。在制定模糊規則時，賦予每條規則加權系數，避免輸出規則沖突。

表1　模糊控制規則

3.3反模糊

模糊推理方法采用Mandain推理法，反模糊法采用重心法。模糊控制器根據模糊規則表，采用查表的方法控制助力電機的大小和方向。

4　仿真結果

在MATLAB軟件中對采用模糊控制算法的EPS系統和未使用EPS的系統進行了模擬仿真。仿真數據時根據車輛在T=1 N·m，V=45 km/h情況下仿真得到的，根據仿真數據在Amesim軟件中繪圖。圖7所示為兩種仿真的橫擺角速度相應的對比圖，其中圖中實線圖是未使用EPS系統的仿真結果，虛線是使用了EPS系統的情形。圖8為橫擺角加速度相應對比圖，圖中實線圖為使用EPS系統的情形，虛線圖是未使用EPS系統的情形。從圖中可以分析得知使用了EPS系統后，穩定時間σ從3.4 s下降至2 s，超調量從90%下降到了10%，說明系統的響應速度得到了提高，抑制了系統振蕩，提高了車輛的操作穩定性和舒適性。

圖7　橫擺角速度相應圖

圖8　橫擺角加速度相應對比圖

5　實驗部分

在對EPS系統進行實驗設計方面，根據《汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法(意見稿)》設計了兩個實驗:(1)對助力電機進行控制的實際輸出電流與目標電流對比實驗。(2)助力電流實驗。

實驗1是在方向盤角度信號以正弦方式輸入的情況下，觀察EPS系統輸出的電機實際控制電流和目標電流是否基本重合。實驗1結果如圖9所示，實際電流和目標電流走勢基本相同，說明EPS系統響應快且準確的特點。

圖9　實際電流和目標電流

實驗2主要是測量車輛在不同的車速下，轉向力矩和助力電流是否符合EPS系統的要求。實驗結果如圖10所示，車輛在原地轉向、時速20 km、40 km、60 km、80 km情況下，測量助力電機的實際控制電流。由圖10可知，車輛速度升高，助力電機的實際電流減小。車輛速度達到時速80 km以上，助力電機的控制電流已經很小。助力電機的實際控制電流正比于助力電機的輸出扭矩，意味著在車輛在高速行駛時，助力電機輸出扭矩很小，保證了車輛高速運行時的穩定性。由圖10也可得知，車輛在低速運行時，實際控制電流較大，助力電機扭矩輸出也較大，這樣可以確保車輛低速轉向的輕便。

圖10　助力電流特性圖

6　結論

本文設計了基于模糊控制算法的電動助力轉向系統，并進行了實車實驗。實驗表明:該系統根據轉矩傳感器、車速傳感器采集的信號送入EPS電控單元。根據控制策略輔助駕駛員控制轉向盤，使得車輛在轉向時操作平穩，保證安全駕駛。

本文在車輛的底盤控制領域做出了初步的開發和實現，整個車輛電控系統還需要進一步改善，下一階段的工作重點是: (1)車輛EPS系統的硬件設計方面，需要加強抗EMC性能。(2)將電控單元集成入直流無刷電機，實現EPS系統的小型化。

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劉增俊(1978－)，男，碩士，主要研究方向為微電子技術，檢測技術的研究。

Research and Design for Low Voltage Motor’s Intelligent Protection Device

FENG Xinghui1，ZHANG Xiutai2，ZHAI Yafang2*
(1.Hennan Institute of Electronic Product Quality Supervision and Testing，Zhengzhou 450000，China;
2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000，China)

Abstract:For the electrical fault of low voltage motor operation process，and the combination with present’s situation of motor protecting，an intelligent protection device for low voltage motor is designed.This device uses the ARM processor LM3S2B93 as the master chip，and it is able to collect the signals of three phase input voltage and current to provide protection for the electrical fault such as start-up out-time，locked rotor，unbalanced current，overheating.The overall structure，hardware design，main program design and typical application are analyzed，and the results of testing and inspection are given.This device has higher application value，which has the features of simple structure，easy operation，high popularity.

Key words:low voltage motor; protection device; electrical fault; plug-in architecture

中圖分類號:U463.4

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0667－04

收稿日期:2014－07－28修改日期: 2014－08－19

doi:EEACC: 814010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.040