汽车电动助力转向系统的硬件设计

1、第34卷第2期2006年2月华南理工大学学报(自然科学版 Journal of South China University of Technol ogy(Natural Science Editi on Vol . 34No . 2February 2006文章编号:10002565X (2006 0220052205汽车电动助力转向系统的硬件设计李伟光林颖(华南理工大学, 3摘要: , 降低能. 文中以高速数字信号处理器(DSP 为核心, 设计了一个; 通过对DSP 的选型、EPS 的结构、控制原理与系统电路模块的分析, 阐述了EPS 嵌入式系统硬件的分层结构设计过程、EPS 信号处理电路

2、、助力电机和电磁离合器功率驱动控制电路; 获得了扭矩传感器特性及信号处理电路的数据. 试验结果表明, 所采用的控制系统可实现EPS 的基本功能.关键词:电动助力转向; 嵌入式系统硬件; 数字信号处理器; 分层; 驱动中图分类号:U 463. 4; T H 239文献标识码:A汽车助力转向系统依次经历了以机械助力转向、液压助力转向、电控液压助力转向等为主流的阶段, 目前处于研究及应用热点的是电动助力转向(Electric Power Steering, EPS, 或Electric Power A ssis 2ted Steering, EP AS 系统123车上配备了EPS 系统. 功率较小的

3、低档车由于发动机功率的限制, 采用液压/电控液压助力转向装置会使其动力性能恶化, 也很有必要装备EPS 系统. 目前EPS 系统已在一些经济轻型车(轿车 上得到应用, 其应用效果已在国外得到普遍认可. 近年来国内部分车型, 如昌河的“爱迪尔”、广州本田的经济型轿车“飞度”也已开始装备EPS 系统. EPS 结合了电子技术、信息技术、计算机控制技术, 是一种很有发展前景的汽车电子产品, 它是未来动力转向技术的发展方向, 有望作为汽车的标准件, 在动力转向系统中占据主导地位.目前我国生产的汽车中装备的EPS 系统绝大多数采用的是进口总成件或关键部件采用进口部件, 进行组装. 国内还不能独立生产高性

4、能的EPS 系统, 文献4采用美国摩托罗拉公司的单片机研究了一种电动助力转向系统控制器, 已在实验台上开展了应用研究. 可以说目前国内研究具有自主知识产权的EPS 系统的工作还处于起步阶段, 有必要做深入研究, 开发高性能的EPS 系统. 由于EPS 系统中的核心执行部件为电机, 而向电机提供及时、有效、准确的驱动信号就显得尤为重要. 为了在汽车行驶过程中随时对电机的助力状态进行高性能控制, EPS 控制系统必须实时监控汽车行驶状态的信号, . 传统的机械助力转向机构复杂, 已较少使用; 液压/电控液压助力转向装置在发动机工作时, 不论是否转向, 都会消耗发动机的功率, 增加发动机的动力消耗;

5、 而电动助力转向系统具有部件少、结构简单、便于安装及维护等特点, 它通过电机、减速增加转矩机构实现助力转向. 采用电动助力转向系统的汽车, 在转向时由蓄电池向电机提供较大的驱动电流, 而在直线行驶过程蓄电池仅向电机提供很小的控制电流, 并且EPS 控制系统可根据路况及车况调整、控制电机的助力(或阻尼 状态. 可在降低对发动机瞬时功率要求的同时减少能耗, 节约能源, 并大大提高驾驶的转向舒适性及行驶安全性. 因而国外许多汽车公司, 如日本铃木、三菱, 美国Del phi 、T RW , 德国ZF 等, 已在多款中高档收稿日期:20052062283基金项目:广东省科技攻关资助项目(2005104

6、0163 ; 广州市科技攻关资助项目(053Z511001作者简介:李伟光(19582 , 男, 教授, 博士, 主要从事制造自动化与机电一体化和数控技术的研究. E 2mail:wguangliscut . edu . cn并根据一系列控制策略对电机的受控状态进行快速第2期李伟光等: 汽车电动助力转向系统的硬件设计53调整. 为此, 本研究采用高速数字信号处理器(DSP 作为电动助力转向嵌入式系统的主控单元, 以实现EPS 系统的高速、精确及稳定控制.1EPS 的主控单元及系统结构1. 1T MS320LF2407A 的特点所研究的EPS 嵌入式系统采用的DSP 型号为T MS320LF24

7、07A , 这是美国TI 公司C24X 系列中功能最完整、资源最丰富的16. 用改进的哈佛结构, 间; 指令5. 此外, 2、2个16位图1汽车EPS 的结构Fig . 1Structure of aut omokile EPS通用定时器、8个16位脉宽调制通道和3个捕获单元、8个16位脉宽调制(P WM 通道、16通道的10位ADC (转换时间为500ns 、串行异步通信接口(SC I 、串行同步外设接口(SP I 、CAN 总线2. 0标准接口等. 其寻址范围包括64k ×16b 程序空间, 64k ×16b 数据空间, 64k ×16b I/O空间; 片内集

8、成32k ×16b Flash 程序空间, 集成2. 5k ×16b RAM 数2EPS 嵌入式系统的硬件电路设计2. 1EPS 系统控制电路的分层设计EPS 嵌入式系统的硬件主要包括汽车点火信据空间, 包括544×16b DARAM (其中256×16b 与6程序空间共享 和2k ×16b 的S ARAM .T MS320LF2407A 硬件结构的高集成度及高速号、电源监控、扭矩转角传感器、速度传感器、载重传感器信号处理、助力电机驱动及电流反馈、A /D转换、电磁离合器驱动、系统通讯以及系统故障诊断输出等模块, 如图2所示 .处理特征使得其非

9、常适合电机的数字控制, 采用该芯片在电动助力转向系统中对助力电机进行实时控制, 可减少助力电机输出扭矩的波动, 减少或消除助力电机的振动, 增强助力控制系统的跟踪性能4.1. 2EPS 系统的结构EPS 系统可根据驾驶员的转向动作、路况及车况信息, 经EPS 处理后向电机发出控制信号, 经减速增矩机构后产生助力转矩, 协助驾驶员完成转向过程. EPS 系统通常由电子控制单元ECU 、电动机、电磁离合器、减速机构、扭矩传感器、车速传感器等组成, 其结构如图1所示. 在检测到汽车点火信号有效后, 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU, ECU 根据扭矩转角信

10、号、车速信号、汽车轴重负载信号进行分析和计算, 确定助力电机的运转方向及工作电流, 从而实现助力转向控制.EPS 系统在助力的同时, 实时检测系统部件的图2EPS 嵌入式系统的结构框图Fig . 2Contr ol bl ock of EPS E mbedded Syste m硬件系统中既有TT L 逻辑电平信号、03. 3V 的DSP 逻辑控制信号, 也有电磁离合器及助力电机驱动等大电流信号; 既包括了经过隔离驱动放大的脉宽调制P WM 信号, 又包括了要求精确A /D转换模拟电路部分. 因此, 为增强嵌入式硬件系统抗干扰能力、提高系统可靠性, 将硬件系统分层次设计. 具体做法是将低电平逻辑

11、电路、A /D转换电路、通讯电路与系统微处理器DSP 设计成与其它电路分离的核心电路板, 而将功率较大、发热量大的助力电机驱动模块及电磁离合器驱动电路设计成配带散热片的驱动电路板, 两电路板之间的电机控制信号、电磁离合器控制等信号通过引线联接, 如图3所示. 虚线框表示核心电路板与外部信号传输接口, 包括工作状态, 当检测到某一部件发生故障时, 如蓄电池电源欠压, 车速传感器无信号输出等, 立即断开电磁离合器, 使助力系统脱离机械转向系统, 同时点亮故障信号指示灯, 显示故障特征码, 输出故障信号 .54华南理工大学学报(自然科学版 第34 卷CAN 、RS232/485、各传感器信号接口以及

12、助力电机03. 3V 内, 然后进行滤波处理, 再通过DSP 片内A /D 进行模数转换. 对速度传感器频率信号的处理是先(f 2进行整形与隔离, 然后通过“频率2电压”V 转换模和电磁离合器控制信号输出接口, DSP 核心电路中的JT AG 是一个仿真器的接口; 点划线框表示与以DSP 为核心的电路分离的大功率驱动电路板 .块, 对信号进行线性变换后进行A /D转换; 对汽车载重传感器和助力电机电流的反馈信号均为电流信号, 处理过程先进行“电流-电压”信号线性变换, 然后进, 转换 .图3嵌入式系统硬件的分层设计Fig . 3Stratified structure design of e

13、mbedded syste m hard ware图4传感信号接口电路Fig . 4Signal interface circuit of sens ors2. 2DSP 逻辑控制电路DSP 逻辑控制电路位于核心电路板, 其电路组成参见图3. 它是整个嵌入式系统控制的核心, 完成对汽车点火信号的监测、各部件信号的采集及工作状态判断、传感器信号的处理、A /D转换、与车载信息系统通讯等工作, 同时根据采集信号进行高速实时分析计算、输出助力电机的驱动状态信号和电磁离合器控制信号.以T MS320LF2407A DSP 为核心的嵌入式系统控制电路需解决的一个重要问题是EPS 系统与整车控制系统间的信

14、息通讯, 主要体现在与车载信息系统的实时通讯、系统与组件之间的信号传输, 以及在助力系统出现故障时的处理信号传输. 随着汽车电子控制装置应用的日趋广泛, 以CAN 总线为基础的汽车信息分布式控制系统得到了广泛应用, 各类车载电子控制装置, 如电子燃油喷射、防抱死制动、安全气囊等可以在一个实时分布式系统中统一协调管理. 因此, 为保证系统兼容性、通用性, EPS 系统设计中采用CAN 总线接口, 实现助力转向装置与整车控制系统的通讯.扭矩传感器的输入输出曲线如图5所示, 图中x 轴、y 轴分别表示传感器输入转角和输出电压信号, S CH1和S CH2分别表示传感器输入转角信号曲线和对应的扭矩信号

15、曲线; o , s , m , e 分别表示转角处于静态初始角度、起始转动角度、中间位置和最大转角位置. 安装时, 方向盘中间位置对应转角中间位置, 建立并调整图5中所示的“x -y ”坐标系. 当方向盘左转时, s S CH1m , 扭矩信号对应的电压范围为10. 512V; 当转向盘右转时m S CH2e , 扭矩信号对应的电压范围为910. 5V .图5扭矩传感器输出特性曲线Fig . 5Out put curves of t orque sens or2. 3信号处理电路设计EPS 控制系统的信号处理模块, 需对扭矩传感器、速度传感器、汽车负载轴重传感器以及助力电机的电流反馈信号进行实

16、时高精度处理, 如图4所示.本研究项目在EPS 嵌入式系统的硬件电路设计中, 扭矩传感器采用电压输出信号, 对其信号的处理过程为:首先对电压信号进行幅值调整, 调整电压至以扭矩传感器信号处理分析过程为例, 说明EPS 控制系统信号处理的设计思路. 如图6所示, 先采用误差为0. 01%的两级增益差动放大器I N A105精密除2电路对传感器电压信号幅值进行高精度调整, 信号通过二阶低通滤波器后由电压跟随器输出至DSP 的A /D转换模块, 完成信号的处理. 依据驾驶汽车时转动方向盘的速率特征, 本文选取二阶低通滤波器的截止频率为10Hz, 回路中的电阻及电容取如 第2期李伟光等:汽车电动助力转

17、向系统的硬件设计556. 6I nterface circuit of the t orque sens or图7助力电机及电磁离合器驱动控制电路Fig . 7D river contr ol circuit of assisted electr omot or and electr omagnetis m device, C i 1=C i 2=1. 6F , 截止频下值:R i 1=R i 2=10k率f =9. 95Hz , i =1, 2. =i 1R i 2C i 1C i 22四个场效应管的逻辑驱动电路, 通过控制逻辑实现电机控制的正转、反转、释放和制动时的三种状态. 若记H 桥式

18、电路中四个半桥分别为S 1, S 2, S 3和S 4, 则电机正转时的对应状态:S 1=S 4为ON , S 2=S 3为OFF; 反转时的对应状态:S 1=S 4为OFF, S 2=S 3为ON; 释放时的对应状态:S i (i =14 为OFF . 此时,2. 4功率驱动控制电路功率驱动控制电路包括助力电机和电磁离合器驱动电路. 驱动电路包括由场效应管组成的H 桥式电机驱动电路、逻辑控制电路、光电隔离电路、电流反馈电路及电磁离合器驱动电路, 如图7所示. 图7中R s 为用于检测电机电流的电压采样电阻, V r ef 为设定的比较参考电压, 采集的电压信号通过电压比较器后同时将信号送至电

19、机的H 型驱动逻辑控制端及DSP 的外部中断逻辑端, 确定电机是否过载, 图中虚线框表示与上层板的信号接口.电路中, P WM 载波信号同时加载到H 桥式电路上半桥逻辑控制电路, 电机转向信号加载到H 桥电动机的转动轴处于释放状态; 助力电机高速阻尼对应的制动状态是:S 1=S 2为ON 且S 3=S 4为OFF 或者S 1=S 2为OFF 且S 3=S 4为OFF, 此时, 电动机 在反电动势的作用下产生与外力相反的制动力.对电磁离合器的控制是将控制信号通过光电隔离后驱动场效应管加载到助力电机的电磁离合器.3结论本文采用T MS320LF2407A 型DSP 为核心, 构56华南理工大学学报

20、(自然科学版 第34 卷造了一个EPS 嵌入式系统, 该系统包括DSP 逻辑控制电路, 功率驱动控制电路, 扭矩、速度、负载轴重及助力电机状态反馈信号处理等模块. 设计过程由于采用了分层模块化的方式, 提高了EPS 系统的工作稳定性, 其助力性能的优化需要通过从大量试验数据中提取各种车况助力曲线获取, 这点也是制约国内EPS 发展的瓶颈.利用本文设计的EPS 嵌入式系统硬件平台, 可编写多种EPS 的复杂控制策略及软件算法, 进行EPS . , . 方向盘12V, 处于右转极限位置时的扭矩采样电压为9V. 进一步的控制策略研究及实验结果将在后续研究中提供. 参考文献:1陈奎元, 马小平, 季学

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22、 J i Xue 2wu, . Devel opment of or f steering contr ol J .Engineering, ( :2.Ganesan . DSP p r ocess or based electric power steer 2ing syste m C 1999Fall Technical Conference . S . l . :AS ME, 1999:19224.5江思敏. T MS320LF240x DSP 硬件开发教程M.北京:机械工业出版社, 2003:1224.6刘和平, 严利平, 张学峰, 等. T M S320LF240x DSP 结构、原

23、理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社, 2002:1214.7季学武, 张德新, 陈奎元. 电动助力转向系统直流伺服的研究J .江苏大学学报:自然科学版, 2004, 25(1 :21224.Chen Kui 2yuan, Ma Xiao 2p ing, J i Xue 2wu . Research on contr ol method of electric power steering syste m J .Journal of J iangsu University:Natural Science Editi on, 2004, 25(1 :21224.2宋武强, 佘建强, 姚胜华,

24、 等. 电动助力转向系统控制器技术的研究J .农业机械学报, 2004, 35(5 :528.J i Xue 2wue, Zhang De 2xin, Chen Kui 2yuan . Study on DC servo technol ogy for an electric power steering syste m J .Transacti ons of the Chinese Society f or Agricultural Machinery, 2004, 35(5 :528.Hardware Desi gn of Auto mobile Electri c Power Steer

25、i n g Syste mL i W ei 2guang L in Ying W ang Yuan 2cong(College of Mechanical Engineering, South China Univ . of Tech . , Guangzhou 510640, Guangdong, China Abstract:The po wer conditi on of a mot or in an aut omobile EPS (Electric Power Steering syste m can be adjusted according t o r oad conditi on and aut omobile conditi on, s o that the energy consump ti on can be reduced and the steer 2ing characteristics and driving safety can be i m p r ove