新能源客車雙源轉向系統設計及控制實現

林立成

摘 要：資源節約型和環境友好型社會的建設，促使了新能源汽車的發展和興起。新能源汽車已經成為當下社會各界關注和熱點之一。為了達到客車轉向動力系統更為安全，本文提出了一種新能源客車雙源轉向系統。首先進行了轉向系統的概念及原理的概述，進而對其轉向系統進行設計及控制實現進行論述。

關鍵詞：新能源;雙源轉向;助力;控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.100

1 轉向系統概述

汽車在行進過程中，常常需要對方向進行控制。為了實現這個功能，汽車都配置了相應的控制部件，駕駛員就能夠利用該部件，對轉向橋上的車輪進行控制，進而對汽車的方向進行有效的控制。實際上，當汽車在以直線的方式行進時，由于可能會出現側向上的干擾力，進而影響其行進方向。而為了保障汽車依然沿著原定的直線軌道行進，駕駛員就可以借助于該控制機構，對汽車的行進方向進行控制。

2 電動液壓助力轉向系統原理

駕駛員在駕駛汽車過程中，希望駕駛員能夠用最小的操舵力對方向進行穩定的控制，汽車行進速度的高低與其所需的操舵力呈正相關的關系。傳統液壓助力系統，很難同時滿足這兩種狀態的方向穩定控制，為了兼顧這兩種需求，引入了電動液壓助力轉向系統。這種系統就是在傳統液壓系統中，增設一套電子控制部件，由此結合車速動態調整操舵力，實現操舵力和方向穩定性的兼顧。

3 雙源轉向系統的設計

3.1 雙源轉向系統的架構設計

雙源轉向系統采購高壓直流輸出源和低壓直流輸源同時接入轉向電機控制器，其中高壓供電源為車載高壓儲能單元，低壓供電源為車載24V蓄電池。轉向驅動系統由轉向電機控制器和轉向油泵組成。低壓蓄電池輸出單元通過車載雙向DCDC與轉向電機制控制器相連，高壓儲能輸出單元通過動力線與轉向電機控制器連接。

為了有效監測雙源電壓信號，高壓儲能輸出單元和低壓蓄電池分別通過電壓輸出反饋信號接入到雙源電壓監測控制器，由雙源電源檢測控制器對兩者輸出電壓進行監測比較后再輸出控制信號給車載雙向DCDC實現DCDC升壓啟?？刂?。

3.2 車載雙向DCDC裝置

車載雙向DCDC模塊，高壓側電壓范圍為350VDC-750VDC，低壓側電壓為27.5VDC;順流降壓模式的連續輸出功率為3KW，最高效率為95%，逆流升壓模式的最大輸出功率為5KW。該雙向DC-DC變換器高壓側具有過壓、欠壓保護以及反接保護等功能。

當高壓側電壓突然下降時車載控制系統（本文指雙源電壓檢測控制器）可以通過使能信號使能雙向DCDC模塊升壓工作，實現快速響應保證高壓轉向電機控制器不間斷供電，確保車輛安全?？俊?/p>

3.3 雙源轉向系統的電路設計

（1）主控制器設計。根據功能需要，雙源轉向系統控制模主芯片采用的是意法半導體（ST）公司的STM32103系列32位MCU，型號為：STM32F103RE。該芯片具有64K閃存、20K RAM、4個定時器、2路SPI通信、3路USART通信接口、1路CAN通信、51個IO、2個12位同步ADC。主頻工作頻率為72MHz。主芯片主要電路設計如圖1。

（2）電源設計。汽車的低壓電源指的是鉛酸蓄電池，客車一般為24V。主MCU和高壓采樣AD芯片及外圍電路為3.3V供電，因此需要一路隔離的3.3V穩壓電源，并有一定的輸出功率和耐壓的要求。

本文采用TI公司的LM2576HVS-3.3開關型降壓穩壓器，LM2576系列的穩壓器是單片集成電路，能提供降壓開關穩壓器的各種功能，能驅動3A的負載，有優異的線性和負載調整能力。

（3）電壓采樣設計。根據設計需要，雙源轉向系統雙源電源檢測模塊需要監測高壓儲能單元的電壓以及24V低壓蓄電池的電壓，本文針對高壓采樣電路采用AD芯片加SPI隔離通信芯片達到電氣隔離目的。

本文采用ADS1118采樣芯片，高壓儲能單元的輸入電壓通過分壓電阻：R3 （1M/0.1%）、R4（1M/0.1%）、R5（1M/0.1%）、R6（1M/0.1%）、R8（10K/0.1%）分壓后R8前后端電壓分壓系數為：

R8前后端實際電壓為：V8，高壓儲能輸入電壓為：Vh。按上述計算分壓系數，計算高壓儲能單元輸入電壓值Vh = V8/i，例如V8輸入模擬量AD值轉換成電壓值為1.436V，則Vh = 1.436/2.49376e-3 = 575.8V。

低壓24V采樣電路采用電阻分壓方式分壓VCC輸入電壓，分壓電阻兩端電壓模擬信號直接接入主芯片AD采樣通道進行AD采樣計算對應的分壓值，再乘以電阻分壓系數從而得到VCC輸入電壓值。

（4）輸出使能控制設計。根據設計需要，雙源轉向系統雙源電源檢測模塊實時監測高壓儲能單元的電壓以及24V低壓蓄電池的電壓，當判斷高壓儲能單元電壓突然消失時及時輸出DCDC升壓模塊使能控制信號，使能雙向DCDC逆向升壓工作輸出高電壓給轉向電機控制器供電，確保轉向電機正常工作。本文針對雙向DCDC逆向使能控制信號由主芯片IO輸出高電平控制信號通過TLP181光耦實現隔離輸出高電平，使能DCDC升壓工作。

4 雙源轉向系統的控制實現

雙源轉向系統控制實現是通過結合雙源電壓檢測模塊實時監測高壓儲能單元電壓及低壓蓄電池電壓，通過撲捉高壓儲能單元電壓驟降信號由主芯片IO輸出雙向DCDC逆向升壓的使能控制信號使能雙向DCDC逆向升壓工作，保障高壓儲能單元電壓丟失后系統正常運轉實現轉向系統雙源保障目的。

4.1 主要控制代碼實現

系統初始化：

5 結語

本文重點論述了新能源客車的雙源電動液壓助力轉向系統設計及控制實現，闡述了現有新能源客車轉向系統特點及潛在的單一供電電源失效造成的安全風險。首先對這種驅動系統的構成和實現機制進行了系統設計，隨后對雙電壓源的監測原理和實現電路進行設計，最后通過嵌入式軟件算法實現在高壓源丟失的情況下通過輸出使能控制信號使能車載雙向DCDC逆向升壓工作，實現在高壓源丟失的情況下保證轉向系統繼續供電進而提升了新能源客車轉向系統的安全等級。