《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 采用PIC16F877單片機(jī)的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
采用PIC16F877單片機(jī)的汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
唐愛(ài)民 趙武 謝剛 張?jiān)倮?/div>
摘要: 整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載12V蓄電池供電,ECU工作時(shí),扭矩、轉(zhuǎn)角、車(chē)速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向,并通過(guò)單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。
Abstract:
Key words :

 

     1 引言
  隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering, 簡(jiǎn)稱(chēng)EPS)越來(lái)越成為目前汽車(chē)電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈活性大,可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性,能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)汽車(chē)行駛狀況的變化,在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性。目前, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用,如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車(chē)公司,美國(guó)的Delphi汽車(chē)系統(tǒng)公司,德國(guó)的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國(guó)內(nèi)對(duì)EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚,僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開(kāi)展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究,但處在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究階段。國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)廠商如重慶長(zhǎng)安、南昌昌河、東風(fēng)、一汽等與高校聯(lián)合研究,也都處在研制的初級(jí)階段,未達(dá)到實(shí)用程度。
 
  2 EPS系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

  2.1 EPS的硬件組成
  EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖2-1所示,它由電子控制單元(ECU)控制電機(jī)提供助力,系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車(chē)速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。
 
圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
 
  2.2 EPS的工作原理
 
  當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合時(shí),ECU上電開(kāi)始對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢,自檢通過(guò)后,閉合繼電器和離合器,EPS系統(tǒng)便開(kāi)始工作,當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測(cè)得方向盤(pán)上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU,ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)并結(jié)合車(chē)速等信息,控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力,實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制:在低速行駛時(shí),減輕轉(zhuǎn)向力,保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈活、輕便,在高速行駛時(shí),適當(dāng)增加阻尼控制,保證轉(zhuǎn)向盤(pán)操作穩(wěn)重、可靠。
 
  3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
 
圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
 
  3.1 ECU工作原理
  系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī),控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車(chē)載12V蓄電池供電,ECU工作時(shí),扭矩、轉(zhuǎn)角、車(chē)速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向,并通過(guò)單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器,該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過(guò)電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī),單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示,同時(shí)斷開(kāi)繼電器、離合器,退出電動(dòng)助力工作模式,轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式。
 
  3.2 PIC16F877單片機(jī)簡(jiǎn)介
  該款機(jī)型是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī),具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達(dá)120ns),PIC16F877內(nèi)部自帶看門(mén)狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試(ISP)功能,寬電壓工作,可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧,RAM區(qū)的每個(gè)Byte位都可以尋址,有4條專(zhuān)用的位操作指令和2條移位指令。
 
  3.3 直流電動(dòng)機(jī)的選擇
  無(wú)刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目采用永磁式無(wú)刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。
 
  3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇
  本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器,該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外,還提供方向盤(pán)位置信號(hào),為回正和阻尼邏輯的開(kāi)發(fā)提供了便利。
 
  3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)
        電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩,從而滿足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種,根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求,本項(xiàng)目采用受限單極可逆PWM控制模式,主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開(kāi)關(guān)管同臂導(dǎo)通,運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高,特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。
 
       3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
  電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。
 
  FET橋式電路主要由四個(gè)大功率MOSFET功率管組成,要求功率管具有良好的開(kāi)關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動(dòng)電流、且具有較長(zhǎng)的使用壽命,根據(jù)電機(jī)的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性,我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來(lái)構(gòu)成H橋電路。
 
  FET 基極驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET專(zhuān)用柵極集成電路IR2109作為核心模塊,該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件,采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù),大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求,上管采用外部自舉電容上電,使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目大大減少,控制了電路板的體積,降低了成本,提高了系統(tǒng)可靠性 [4]。
 
  驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示,兩個(gè)IR2109的IN端為驅(qū)動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號(hào)脈沖輸入端,分別通過(guò)具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機(jī)的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口;兩個(gè)SD端分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連,控制電機(jī)停車(chē)操作;每個(gè)芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連,控制電機(jī)轉(zhuǎn)速;VB端通過(guò)自舉二極管UF1005與+12V 電源相連,為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓,此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。
 
 
圖3-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
 
  3.5.2 電機(jī)電流采樣電路
  系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣有兩方面用途,一是為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù);二是通過(guò)電流傳感器反饋電樞電流的信號(hào),以便對(duì)電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器,由于其簡(jiǎn)單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過(guò)的電流,在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中,選用AD626把采樣信號(hào)放大10的n倍送至單片機(jī)相應(yīng)端口,具體電路如圖 3-3。
 
 
圖3-3 電機(jī)電流采樣電路
 
  3.6 繼電器控制電路
  如下圖3-4所示,CPU控制信號(hào)經(jīng)CPU端口PSP0輸出后,開(kāi)關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)功率三極管 Q12,使繼電器通電并閉合節(jié)點(diǎn),繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后可給電機(jī)、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號(hào)分別控制繼電器的合開(kāi)操作。
 
 
圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)
 
  4 結(jié)論
  本文在對(duì)EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過(guò)程的分析基礎(chǔ)上,對(duì) EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì),提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機(jī);探索了在汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,低壓、低速、大電流永磁式無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機(jī)電流采樣的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程后,按照預(yù)定的助力特性曲線,對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:電子控制單元信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性較高,對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的跟隨性較好,整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性,硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。