来源:电子设计工程 摘要:分析了电动助力转向系统(EPS)的工作原理和数学模型,建立了直线型 EPS助力特性曲线和增量式闭环PID控制策略。以MC9S12DP256单片机为核心,设计了控制器电源电路,信号处理电路、CAN通信电路、时钟电 路,并给出了软件设计流程。本设计利用MC9S12DP256丰富的内部资源,引入了CAN技术,简化了硬件电路,降低了电路之间的干扰,提高了控制系统 的可靠性。 关键词:电动助力转向;PID控制;CAN;MC9S12DP256。 转向系统是汽车的重要组成部分,其性能直接影响着汽车行驶的稳定性和安全性。早期的汽车转向系统为纯机械转向系统,没有助力,转向动力完全由驾驶员 提供,驾驶体验差。从上世纪30年代以后,逐渐出现了助力转向系统。目前,汽车助力转向主要有3种形式:液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering,HPS),电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steeing,EHPS)以及电动助力转向系统(Electric Power Steering System,EPS)。相比前两种,EPS由电机提供辅助力矩,没有油系统,很大程度降低了汽车转向系统的复杂度,且在燃油效率、模块化、助力效果和环 境友好性等各方面具有明显的优势。根据EPS助力电机在齿轮和转向柱总成上位置的不同,EPS系统分为转向柱助力式、齿条助力式、小齿轮助力式和双小齿轮 助力式4种类型。小齿轮和转向柱助力式应用于轻型车辆,双小齿轮助力式应用于重型车辆。它们在构成上都具有3个基本部件:电控单元(Electrie Control Unit,ECU)、助力电机和安装在转向柱上的扭矩传感器。文中针对小型轿车,以美国Freescale公司的16位单片机MC9S12DP256为核 心进行了EPS控制器的设计。 1 电动助力转向系统结构和工作原理 电动助力转向系统结构如图1所示,主要由方向盘、扭矩传感器、电子控制单元(ECU)、电机、电磁离合器、减速机构、齿轮齿条转向器组成。在汽车发 动机点火后,转动方向盘时,由安装在转向轴上的扭矩传感器测得转向力矩,并送给ECU,ECU根据转矩和车速,通过预先设置好的助力特性曲线和控制策略计 算出一个电机所需的最佳电流,从而控制电机输出力矩和转动方向,然后经过减速机构施加到转向机构,最终得到一个与行驶工况相适应的转向作用力,辅助驾驶员转向。 2 控制策略 2.1 EPS模型建立 根据牛顿定律,可建立转向系统数学模型。 其中:Th为方向盘输入转矩,Js为转向柱、盘总成转动惯量,Bs为输入轴阻尼系数,Ks为力矩传感器刚度系数,Tm电机输出力矩,Km为助力电机 和减速机构的刚度系数,Jm为助力电机转动惯量,Bm为助力电机阻尼系数,M为齿条质量,Br为齿条和转向轮粘性阻尼系数,Kr为齿条当量刚度,G为助力 机构传动比,rp为小齿轮半径,θs为方向盘转角,θm为电机转角,xr为齿条位移,Fr为转向阻力。 2.2 助力特性曲线设计 EPS助力特性是驾驶员输入转矩和电机助力力矩(助力电流)之间的关系。汽车在行驶过程中,转向阻力随着车速的增加而降低。为了获得汽车低速行驶时 转向的轻便性和高速行驶时的稳定性,在同种行驶状况下,电机助力力矩随着车速的升高而减小,并在车速超出一定范围时,电机不进行助力。常见的助力特性曲线 有3种:直线型、折线型和曲线型。直线型助力特性曲线形式简单,实际中容易调节和实现。因此,文中采用直线型助力特性进行控制器设计。直线型助力特性可表 示为如下函数关系: 其中:Th为电机目标力矩,f(v)为车速感应系数,Tmax为电机最大助力力矩,Td0为开始助力时驾驶员输入最小力矩,Tdmax为电机提供最大助力时驾驶员输入力矩。 助力特性参数确定:Td0=1 Nm,Tdmax=7.6Nm,Thmax=21Nm。车速感应系数按照表1所示规则确定(最终需要实车测试后进行修正),车速超过80 km/h时,电机不进行助力。 根据上述参数,助力特性曲线设计如图2所示。 电机目标电流可以由式(8)获得: 式中,ki为电机转矩系数,G为电机减速机构传动比。 2.3 控制算法 EPS系统控制是对电机电流大小和方向的控制。其控制算法的好坏直接影响着转向系统的性能。本文采用目前广泛应用于工业控制领域的PID控制算法。 PID控制稳定性和可靠性高、实时性强、且控制与调试方法简单,易于实现,适合用于汽车电动助力转向系统的控制。因此,PID控制是现阶段EPS控制系统 主要的控制策略。 PID控制的表达式可表示为: 其中:r(t)为助力电机电流目标值,y(t)是控制系统实际输出值,u(t)为PID控制器的输出信号,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。EPS控制系统的核心是采用数字信号的单片机。因此,需要对式(10)进行如下处理: 为了减小计算量,提高转向系统的实时性,本设计采用增量式PID控制,用控制量的增量△u作为作为控制器的输出。其实现方法如下: 设助力电机目标电流为i,实际当前助力电流为io,则控制偏差为: ek=i-io (12) △u=u(k)-u(k-1) (13) 助力电机目标电流可以由单片机根据当前车速、输入转矩、助力特性曲线计算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可获得对应的PWM增量△u。 PID参数可以由试凑发初步得到,然后根据试验结果进行修正。 3 硬件设计 3.1 总体设计 单片机是控制器的核心,其选型需要考虑适用性、可靠性、片内资源、价格等多种因素。单片机选型恰当与否直接影响机构控制系统的性能及设计难易程度 度。本设计采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256单片机。MC9S12DP256内置5个CAN模块、2个8通道10位A/D 转换模块、8个PWM通道,总线速度25 MHz,采用5 V供电,112脚LQFP封装。此单片机,内部资源丰富,可大大简化控制系统硬件电路,其可靠性高,非常适用于EPS控制。设计中没有用到的管脚引到电路 板上,以便于后续开发。 硬件设计如图3所示。车速、发动机、转矩信号经处理后送给MC9S12DP256单片机,经单片机计算后,得到电机助力电流值,经驱动电路后作用于 助力电机,控制电机输出力矩的大小和方向,同时对电机电流进行采样,并送回单片机,形成闭环控制。在助力控制基础上,设计了电机保护电路和故障诊断与提示 电路。一旦检测到故障存在,立即断开离合器,改用纯手动转向,并发出故障信号,从而保证了行车安全。 3.2 控制系统硬件电路设计 硬件电路设计主要包括电源转换电路、扭矩信号处理电路、车速信号处理电路、CAN通信电路、时钟电路。具体设计如下: 电源转换由于单片机工作时管脚电压为+5 V供电,而车载电源电压为+12 V。因此,需要对+12 V电压进行转换,变成+5 V。本设计中采用7805电压转换芯片进行电压变换。 扭矩信号处理由于扭转传感器获得的是一些微弱的小信号,容易受干扰,因此需要对其进行滤波处理。本设计采用型滤波电路,R12取大电阻,提高输入阻抗。 车速处理电路车速信号为+12 V单极性方波,电压太高,不能直接用于单片机,需要将其变换为+5 V以内的方波。利用LM358对其进行处理,经转换后得到高电平为3.72 V,低电平为0.01V的方波信号。 CAN总线驱动电路MC9S12DP256内部集成了CAN总线控制器,CAN驱动电路只需要物理层驱动即可。本设计选用82C250芯片进行设计。 时钟电路时钟是单片机工作的基础。MC9S12DP256单片机内部集成了压控振荡器,可在其43、44和46、47引脚分别接上锁相环电路和16MHz的晶振电路。组成MC9S12DP256时钟电路,提供25MHz的时钟信号。 具体电路设计如图4所示。 4 系统软件设计 EPS控制软件采用模块化设计,包括进行系统初始化、信号采集、控制状态判、控制模式判断、PWM占空比计算、系统状态监控及保护、电流闭环模块、 通信模块等。EPS控制系统需要同时执行多个任务,为了保证系统的实时性和可靠性,采用中断服务方式,将整个软件部分分为主程序和中断服务子程序。主程序 设计流程如图5所示。 5 结束语 文中分析了汽车电动助力转向系统的工作原理,设计了直线型助力特性曲线,建立了增量式闭环PID控制策略,减小了芯片的计算量,增强了系统的助力跟 随性。利用MC9S1 2DP256单片机的丰富内部资源,简化了EPS硬件电路系统,降低了电路间的干扰,从而提升了系统可靠性,设计了基于MC9S12DP256的EPS控 制系统硬件电路,并给出了软件设计流程。本文设计的EPS系统可以编写多种EPS控制算法,有利于后续深入研究。对于控制性能的优化将在进一步的控制策略研究和试验中进行。 来源:电子设计工程 |
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