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淺談基于PIC18F458 的汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS) 依靠車載電源，由電動機(jī)提供助力，其操縱方便、節(jié)約能源、安全環(huán)保，符號現(xiàn)代汽車發(fā)展需求，已開始運(yùn)用于中高級以上轎車和商務(wù)車上，但國內(nèi)EPS 系統(tǒng)電子控制單元嚴(yán)重依賴國外進(jìn)口，成本高、維修不方便，而國產(chǎn)產(chǎn)品起步晚，特別在永磁無刷電機(jī)控制和車載網(wǎng)絡(luò)CAN-BUS 的信息共享上技術(shù)不成熟. 本電控單元以Microchip 公司推出的PIC18F458 高性能微處理器為核心，設(shè)計(jì)汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( EPS) 電控單元，并通過電氣測試和改裝試驗(yàn).
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
EPS 系統(tǒng)主要由信息采集模塊( 包括轉(zhuǎn)矩傳感器信號、電機(jī)反饋信號和CAN-BUS 共享信號) 、電子控制單元( ECU) 、執(zhí)行器控制模塊( 包括電機(jī)控制和離合器控制) 、減速裝置、傳動裝置等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu).
EPS 系統(tǒng)工作時，通過轉(zhuǎn)矩傳感器檢測駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結(jié)合CAN 總線共享的車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火信號、休眠喚醒信號等，運(yùn)用模糊免疫PID 控制策略計(jì)算得出理想助力目標(biāo)PWM 占空比，控制電機(jī)助力，通過電機(jī)動態(tài)閉環(huán)控制，電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉(zhuǎn)向阻力矩，實(shí)現(xiàn)車輛智能動態(tài)方向助力轉(zhuǎn)向作用，有效保障車輛低速行駛時的操縱性和高速行駛時的安全性. EPS 電控單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?
2 硬件設(shè)計(jì)
2. 1 控制器模塊
EPS 系統(tǒng)電控單元采用microchip 公司的16 位微處理器PIC18F458，該芯片除了具有PIC18458 系列單片機(jī)哈佛架構(gòu)精簡指令結(jié)構(gòu)、計(jì)算能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等有點(diǎn)晚，還引進(jìn)了一系列串行通信外設(shè)，內(nèi)置CAN 控制器，并支持運(yùn)行、休眠、空閑等多種工作模式，支持車載網(wǎng)絡(luò)CANBUS通訊協(xié)議，其增強(qiáng)型CCP 模塊，在PWM 模式下能提供多路經(jīng)調(diào)制輸出，這些優(yōu)異的性能為汽車EPS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了方便，且工作溫度- 40 ～ +125℃，能夠完全滿足汽車使用環(huán)境的要求.
2. 2 信息采集模塊
( 1) 轉(zhuǎn)矩信號采集
EPS 系統(tǒng)采用KISTLER 公司生產(chǎn)的高精度4503A10L 型電位計(jì)式扭矩傳感器來獲取駕駛員加載在方向盤上的力矩和方向，傳感器帶有主、副雙路對稱的轉(zhuǎn)矩信號，其中一路轉(zhuǎn)矩信號采集電路原理圖，另一路轉(zhuǎn)矩信號采集電路與之相同.電路中，C7、C8 和R12 共同組成π 型RC 濾波電路，濾除轉(zhuǎn)矩信號中的高頻部分，穩(wěn)壓管D1 起限壓保護(hù)作用，大電阻R11 用來減少輸入阻抗.
( 2) CAN 總線通信
車載網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用，提高了車載信息的共享能力、節(jié)約了成本，因此EPS 系統(tǒng)采用CAN 總線共享車速信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號、點(diǎn)火開關(guān)IG 信號、故障信息及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠喚醒信號等.
PIC18F458 單片機(jī)集成了CAN 通信接口，執(zhí)行Bosch 公司的CAN2. 0A/B 協(xié)議，可以方便的利用CAN 總線與全車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享，軟件編程只需對相關(guān)寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可，外圍接口電路也得以簡化，只需要一個Philips 公司的PCA82C250作為CAN 總線接口芯片，中間用高速光電耦合器6N137 隔開，可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力和信號傳輸能力，CAN總線通信接口電路.
2. 3 執(zhí)行器控制模塊
( 1) 無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制
EPS 系統(tǒng)選用無刷直流電機(jī)作為助力電機(jī)，由PIC18F458 單片機(jī)為Freescale 公司開發(fā)的高性能無刷直流電機(jī)專業(yè)集成電路MC33035 提供無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和PWM 信號，MC33035 通過霍爾傳感器檢測電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置，并對其進(jìn)行譯碼，轉(zhuǎn)換成具有正確時序的頂部輸出信號和底部輸出信號給電機(jī)控制的驅(qū)動器IR2130 芯片， IR2130 是美國International Rectifier 公司生產(chǎn)的一種高電壓、高速度的功率MOSFET 和IGBT 器件的驅(qū)動芯片，分別有3 個獨(dú)立的高端和低端輸入/輸出通道，以此驅(qū)動由6 個N 溝道功率MOSFET 管組成的三相六步全控橋電路. 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖.
( 2) 電磁離合器控制
EPS 系統(tǒng)電磁離合器由單片機(jī)控制4 個功率晶體管組成的全橋控制電路來實(shí)現(xiàn)動力傳遞通斷控制，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的汽車EPS 電磁離合器控制電路，能夠在滿足電磁離合器有效、牢固接合的前提下，根據(jù)系統(tǒng)助力需要及時、穩(wěn)定通斷電磁離合器，以實(shí)現(xiàn)行駛轉(zhuǎn)向助力和確保行車安全的目的.
2. 4 輔助電路
( 1) 電源電路: EPS 系統(tǒng)電源電路采用Infineon公司汽車專用電源芯片TLE7469，其輸入電壓范圍寬( 7 ～ 45V) ，工作溫度- 40℃ ～ 150℃，輸出電壓精度高，帶有外部看門狗電路，以及短路、過溫和電池反接保護(hù)等功能，保證EPS 系統(tǒng)在汽車惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作.
( 2) 復(fù)位電路: EPS 系統(tǒng)中復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位功能，PIC18F458 的MCLR 引腳提供了外部硬件觸發(fā)器件復(fù)位的方法，將MCLR 引腳通過一個10k? 電阻連接到電源，這樣還可以省去產(chǎn)生上電復(fù)位延時通常所需的外部RC 元件，上電復(fù)位事件由POR 位( RCON < 1 > ) 捕捉，只要發(fā)生上電復(fù)位，此位的狀態(tài)就被置為0，它不會因任何其他復(fù)位事件發(fā)生改變.
3 軟件設(shè)計(jì)
針對EPS 系統(tǒng)電控單元硬件電路設(shè)計(jì)，結(jié)合汽車EPS 系統(tǒng)對電機(jī)助力特性的要求，進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)，主要涉及系統(tǒng)初始化、CAN 總線通訊、信息采集及處理、PWM 占空比計(jì)算等. 首先，PIC18F 單片機(jī)喚醒上電并對時鐘和各I /O 口等進(jìn)行系統(tǒng)初始化，同時檢測EPS 節(jié)點(diǎn)工作和CAN 總線通訊是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常將存儲故障碼并顯示故障指示燈; 接著，檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到怠速，怠速及以上時進(jìn)入主程序; 然后，單片機(jī)對兩路扭矩信號進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換及濾波處理，通過兩路信號相減判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，結(jié)合CAN 總線共享得到車速信息等，綜合這些信息進(jìn)行模糊免疫PID 控制算法處理并最終得出控制電機(jī)的PWM 占空比; 最后，輸出PWM 信號、助力方向、離合器閉合信號，驅(qū)動助力電機(jī)，并返回主程序進(jìn)入程序再循環(huán).
4 結(jié)語
綜合以上EPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，印制了電路板并形成產(chǎn)品，編寫相應(yīng)控制程序，通過電氣測試，并在長安福特蒙迪歐汽車上進(jìn)行替換改裝試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于PIC18F458 單片機(jī)的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作穩(wěn)定、成本低廉、安全性能好，在與車載CAN-BUS 通信上比較穩(wěn)定，抗干擾性能好; 電機(jī)助力能很好滿足車輛在不同車速、車況下的行駛助力要求，性能可靠、易于維修.
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