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1、电动助力转向硬件系统设计 化永星 南京交通职业技术学院汽车工程学院 摘 要： 电动助力转向 (EPS) 符合现代汽车电子化、智能化发展的要求, 成为现在动力转向技术研究的焦点。论文中介绍了 EPS 系统的基本组成。在 ECU 的硬件电路设计方面, 文中主要涉及的有电机控制电路、过电流保护电路、继电器控制电路、输入信号接口电路、电磁离合器控制电路、故障诊断电路等。完成了 EPS系统 ECU 实物的研制, 完成了各个模块和整体电路需要在实验室阶段所需的硬件调试。关键词： EPS; 硬件电路; PWM; 工作原理; 作者简介：化永星, (1985.11-) , 讲师, 就职于南京交通职业技术学院汽车
2、工程学院。研究方向:汽车发动机电控系统。Electric power steering system hardware designHua Yongxing Nanjing institute of technology of profession of traffic automotive engineering college; Abstract： Electric power steering (EPS) conforms to the requirement of modern automobile electronic and intelligent development, bec
3、ome the focus of power steering technology research now.The thesis introduces the basic composition of EPS system.In terms of ECU hardware circuit design, this paper mainly relates to a motor control circuit, over current protection circuit, relay control circuit, the input signal interface circuit,
4、 electromagnetic clutch control circuit, the circuit fault diagnosis, etc.Completed the development of the EPS system ECU physical, needed to complete the various modules and the overall circuit in the laboratory stage the hardware debugging.Keyword： EPS; Hardware; circuit; PWM; The working principl
5、e of; 1 概述随着科技的发展和社会的进步, 汽车技术对汽车的助力系统提出了如下要求:汽车驾驶员的转向助力能够随着车辆运行状况和驾驶员的要求提供不同的助力, 提高驾驶员的路感, 提供较高的回正稳定性、较强的抗干扰能力和较快的反应能力。与 HPS (液压助力转向系统) 相比, EPS 主要具有以下 6 点优势, 是未来汽车动力转向机构的发展方向1。1) 效率高, 可达 90%以上, HPS 只有 60%-70%;2) 能耗低, 电机只在需要助力时工作, 相比 HPS 可降低油耗达 3%;3) 无污染, EPS 的使用过程中不对环境造成污染, 而 HPS 则存在液压油泄露问题;4) 路感好,
6、EPS 系统可根据汽车情况和驾驶员要求通过 ECU 不断调整助力, 增强驾驶员路感, 而 HPS 只能提供恒定的助力;5) 结构紧凑, EPS 包括机械转向装置、传感器、ECU 和助力电机, 与 HPS 相比, 没有液压缸、油泵和液压管道, 减少了零部件数量, 减轻了重量, 使系统易于布置;6) 易于调整, EPS 可根据车型的不同对 ECU 程序进行修改, 与 HPS 相比, 简化了开发时间和开发成本。2 EPS 系统简介2.1 EPS 系统工作原理一个 EPS 系统通常由机械部分、转矩传感器、车速传感器、电子控制单元 (ECU) 、电动机、减速机构和电磁离合器等组成, 如图 1 所示。图
7、1 EPS 系统结构图 下载原图1方向盘;2输入轴;3扭矩传感器;4减速机构;5输出轴;6转向器;7电磁离合器;8电动机电动助力转向系统的基本工作原理是:当轿车转向时, 安装在转向轴上的转矩传感器测量出施加在方向盘上的转矩, 并产生一个电信号;在此同时, 车速传感器测量出轿车的车速, 也产生一个电信号。这两个信号被送入到 ECU 中, ECU 进行逻辑分析运算, 依据一定的助力特性曲线产生目标电流, 对目标电流进行适当调整, 输出的 PWM 信号通过驱动电机产生合适的助力转矩, 经减速机构施加在转向机构上, 得到一个与工况相适应的转向, 保证轿车在低速行驶时轻便灵活, 高速行驶时稳定可靠2。2
8、.2 ECU 工作过程简介图 2 系统的硬件连接框图 下载原图EPS 系统硬件电路主要包括微处理器及其外围电路, 扭矩信号, 车速信号, 发动机点火信号的采集及处理电路, 电源变换电路, 功率驱动及逻辑控制电路, 过流保护电路, 故障诊断电路等。系统供电为 12V 车用蓄电池。当系统检测到点火开关闭合后, 首先对整个 EPS 系统进行自检, 确保系统能正常工作, 然后分别将继电器与电机离合器闭合, 此时系统处于正常工作状态。输入接口电路将检测到的扭矩信号, 车速信号。发动机转速信号处理后送入单片机的控制端口。单片机根据设定好的助力模型, 以及接收的端口信号, 确定助力的大小及方向, 并产生相应
9、的 PWM 信号驱动直流电动机进行助力转向。当系统出现异常时, 故障指示灯亮, 并切断继电器和离合器, 从而保护直流电机。EPS 系统硬件电路的总体框图如图 2 所示。2.3 EPS 控制原理电动机控制电路的设计在电动助力转向系统的设计中是最关键的部分。随着计算机进入控制领域, 以及新型的电力电子功率元器件的不断出现, 直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化, 采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (Pulse Width Modulation, 简称 PWM) 的控制方式已成为绝对主流。而且这种控制方式容易在单片机控制中实现。PWM 控制方式具有以下几方面的优点:需要的大功率可控器件少
10、, 线路简单;调速范围宽;快速性好;电流波形系数好, 附加损耗小。这主要是因为 PWM 调制频率高, 不需要平波电抗器就可以获得脉动很小的直流电流, 波形系数约等于 1, 故而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它所引起的附加损耗小。另外还有效率高, 功耗小、频带宽、滞后小等优点。所以, PWM 控制方式是一种很理想的驱动方式3。3 硬件电路设计ECU 硬件电路是实现电动助力转向的硬件基础, ECU 硬件电路设计的科学性和合理性, 关系到 EPS 系统的控制效果。3.1 信号控制电路(1) H 桥45H 桥主要由四个场效应管组成。如图 4 所示, 四个场效应管的截止与导通与否由单片机的 4
11、1 口 (P0.2) , 40 口 (P0.3) 以及 PWM0 波控制。P0.2 控制Q14、P0.3 控制 Q16、P0.2 与 PWM0 控制 Q17, P0.3 与 PWM0 控制 Q15。当 P0.2为 0, P0.3 为 1 时, Q14 导通, Q16 截止, Q15 截止, Q17 由 PWM0 波决定, 电动机电压在 PWM0 波决定下, 产生向右助力的效果。当 P0.2 为 1, P0.3 为 0 时, Q14 截止, Q16 导通, Q15 由 PWM0 波决定, Q17 截止, 电动机电压在 PWM0 波决定下, 产生向左助力的效果。当 P0.2、P0.3 都为 0 时
12、, Q14、Q16 都导通, Q15、Q17 都截止, 电动机产生一个不可调的大阻尼, 这时必须断开电磁离合器, 使转向系统处于纯机械转向的状态。当 P0.2、P0.3 都为 1 时, Q14、Q16 都截止, Q15、Q17 由 PWM0 波决定, 电动机相当于发电机, 电动机电压在 PWM0 波决定下, 产生用于控制回正的可变阻尼。这样在实际应用时, 我们并不需要关心四个 MOS 管的实际工作状态, 只需要改变单片机 P0.2、P0.3 口的值就可以实现助力方向的控制, 只需改变 PWM0 的值就可以控制助力, 及阻尼的大小, 极大的方便了程序的编写。H 桥顶部的 12V 电压由继电器相关
13、的电路控制。图 4 电动机正反转控制 H 桥 下载原图(2) 高端 MOS 管控制电路如图 4 所示, 对于场效应管 Q15、Q17, 可以直接在其 G 极和 S 极之间加+12V 电压以使其导通;但对于场效应管 Q14、Q16, 根据 GSV+10V 的要求, 场效应管导通后, G 极的电压 VG+ (10V+VDD) 。VDD 为蓄电池电压+12V, 则 VG+22V。因此, H 桥电路中, 对高端 MOS 的控制采用专门的驱动芯片来驱动。电路如图 5所示。Forward 和 Backward 两路信号控制 Q14 和 Q16 (从图 4 中也可以看出来) 。专用电源模块 DY1 和光耦
14、U4、U5 中发光二极管共同作用产生 M1G、M2G 用来控制 Q15、Q17。图 5 高端 MOS 管控制电路 下载原图(3) 电磁离合器控制电路采用 PWM 技术来改变电磁离合器线圈两端的平均电压, 原理与 PWM 控制电机的原理一样。具体的实施电路如图 6。计算机根据助力电机电流信号, 确定电磁离合器所要传递的转矩, 并由此确定电磁离合器所需要的电流, 根据这个电流发出具有适当占空比的 PWM 波驱动信号, 这个信号经过放大以后控制电力 MOS的导通与关断, 从而达到调节电磁离合器电流的目的。因为 PWM 的频率很高, 完全可以保证通过电磁离合器线圈的电流是连续的。图 6 电磁离合器 P
15、WM 控制电路 下载原图(4) 过电流保护电路67电流信号检测是由 H 桥最下端的一个电流传感器完成的, 这个电流传感器实际上是一个阻值约 0.01 的电阻 (图 4 中 R39) , 流过电机的电流在这个电阻上产生和电流大小成正比的电压降。通过图 7 中的 CYDLA 端输入, 经过运放 U12, 经过放大后的信号送入电压比较器 LM311 (U10) , 比较 U10 输入端和电位器R70 滑动触点的电压, 当采样电流产生的压降低于电位器滑动触点的电压时, LM311 输出端输出高电平, 光耦 U9 导通。同时 XL 端接通相关的电路, 就能顺利的控制 H 桥的下管。否则, LM311 输
16、出端输出低电平, 使 H 桥下管进入关闭状态, 这样电机电流就被迫下降, 同时电流传感器的压降也下降, 当这个电压低于电位器滑动触点电压时, LM311 的输出又变为高电平, 使 H 桥的下管开启。如此反复, 就可以使流过电机的电流限定在安全范围内。可以通过调整电位器滑动触点大小来调整比较电压, 从而调整电机的实际保护电流大小。图 7 电动机电压采样电路 下载原图(5) 继电器控制电路继电器的作用是使电池和 H 桥连通或断开。单片机输出信号使继电器吸合则能使电池和 H 桥之间形成通路, 电池给 H 桥供电。信号从 JDQ 输入, 通过光耦, 三极管 Q8 导通时, 继电器与 GND 和 VDD 接通, 开关 K2 闭合, 电机就接通了12V 电压。如图 8 所示。图 8 继电器控制电路 下载原图3.2 输入信号接口电路输入接口电路设计包括扭矩传感器接口电路、车速信号处理电路以及发动转速信号处理电路等。(1) 扭矩信号处理电路我们用扭矩传感器测量方向盘
