EPS电子控制单元的PIC单片机设计研究

EPS电子控制单元的PIC单片机设计研究

唐鹏程

【关键词】EPS单片机设计LABVIEW

前言

引言电动助力转向(ElectricPowerSteering,简称EPS)是依靠电动机来提供助力,由电子控制单元控制助力大小的转向助力方式,它符合现代汽车“安全、节能、环保”的三大要求,是汽车转向系统研究的方向和发展的目标。由于EPS系统直接依靠电动机来提供助力,EPS控制单元设计是满足转向性能要求和实现可靠运行的关键技术之一。PIC18F4431以其结构紧凑、使用方便、可靠性高、功能丰富、成本较低、功耗小等优势得到用户的关注。EPS即电动助力转向系统，是由传感器、电控单元和助力电机构成的，在电动机提供助力的条件下，电子控制单元能够控制助力大小的转向助力方式。该系统由于具有结构简单、质量轻、容易维护等优点而成为汽车改变方向系统研究和发展的主要方向。因为PIC18F4431具有工作的可靠度高、功能多样、方便操作、功耗较小等优点而受到人们的关注，以它为核心的电动助力转向控制单元的设计至关重要。

一EPS系统发展现状

20世纪末期，在日本和美国在某些型号车上首次成功采用EPS系统之后，欧洲市场的经济型汽车也将EPS作为标配，经过三十多年的发展，该系统的技术已经逐步趋于完善，它的应用范围也在向多种车型全面发展。我国在21世纪出开始进行EPS系统的研发，不过因为国产汽车车型技术的实际情况和使用条件的限制，并不能与国外的EPS完全协调匹配。另一方面，EPS研发所获取的相关核心技术资料相对缺乏，目前仍处于技术攻关阶段。EPS系统结构及工作原理EPS系统主要由传感器(包括扭矩传感器、车速传感器、电流传感器等)、电子控制单元ECU、电动机、离合器、减速装置、传动装置等组成。EPS系统工作时,转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩,车速传感器测出车辆当前的行驶速度,电流传感器测得电机的反馈电流,然后将这些信号传递给ECU;ECU根据内置的控制策略,计算出理想的助力目标电流给电机;然后,电机产生的助力力矩经减速机构放大后作用在机械式转向系统上,和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩,实现车辆的转向。

二EPS系统工作原理

EPS的硬件主要有传感器、助力电机和电控单元组成，软件部分包括控制策略和故障诊断与保护程序两个内容。EPS系统工作原理：转矩传感器与转轴相连接，当驾驶员对方向盘施加扭转力矩的作用转动方向盘时，通过传感器将位移信号转变为电信号，同时将其传递给ECU，此时，车速传感器所测得的当前车速信号也传输至ECU。通过ECU内置控制作用对以上两个信号的处理便可以确定理想的助力电流给电机，减速机构将力矩放大和司机的操作力矩共同作用克服阻力，使车辆转向。

三PIC18F4431单片机的设计

PIC18F4431单片机具有高性能PWM和A/D功能，是一种8位单片机，具有以下优势：拥有以互补形式输出的PWM模块、灌电流和拉电流的峰值较高、采样速度较快、功耗模式良好、振荡器结构灵活等。以上的优势方便了后续的结构设计和软件设计。

1电控单元的结构

PIC18F4431型单片机是ECU的核心控制部分，控制单元的组成如下图所示，车载12V的蓄电池所供电量通过内部电源的转换后保证其正常工作。当经过处理的传感器信号到达单片机的对应端口时，单片机可以依据EPS的助力特性和正确算法分析所接收的数据，获得理想助力电流的数值和方向，并产生PWM信号同时经过PIC18F4431输出控制指令，信号在驱动电路和H桥的作用下控制直流电机的运转。微处理器把电动机驱动电路上的传感器正常工作时检测到的实时工作电流依据内部的控制算法进行计算从而实现对电机的闭环控制。当EPS系统工作出现故障时，报警模式开启在做出提示的同时断开继电器用人工助力代替电动助力模式。

2直流电动机驱动控制电路

要满足EPS系统高速、可靠性的要求，直流电机驱动控制电路需要有足够的精度和速度实现对直流电动机转速和输出转矩的控制。因此可以采用PWM控制模式控制H桥电路，直流电动机的驱动控制电路，它适合对可靠性要求较高的大功率、重载的场合。

四LABVIEW显示

采用LABVIEW的虚拟测试系统中的VISA库来检测系统的工作情况，完成对电动助力转向系统的串口数据通信的同时，全面显示数据并完成监测。LABVIEW实验显示为了分析EPS控制系统的好坏并能够检测系统的工作状况,采用LABVIEW的虚拟测试系统中VISA[4]库来完成对电动助力转向系统的串口数据通信,并进行全面监测和数据显示。将设计好的原理图,设计成PCB板,然后加工制版,焊板,得到最后实物图。(a)电子控制单元PCB(b)电子控制单元实物。电子控制单元根据已有的助力特性和闭环模糊PID控制算法,编写PIC单片机程序,烧写至单片机中。再将制作成功的电子控制单元安装在实验台架上进行实验,将控制方向盘输入扭矩,使其按照正弦曲线形式输入扭矩,得到LABVIEW显示速度为0km/h的实验结果中可以看出电机助力电流对称性和线性度较好,已基本满足的助力效果要求。结论在对EPS系统的原理和助力控制过程的进行分析基础上,对EPS控制系统的硬件电路进行了研究设计,提出将PIC18F4431作为控制器采用受限单极性可逆PWM控制模式控制直流电机,并进行了实验分析,探索了在汽车电动助力转向系统中,低压、低速、大电流直流电机的控制方法,实验显示,该方法满足汽车助力效果要求。

结束语

分析研究EPS系统的工作原理和助力控制后，对EPS控制系统的硬件电路进行了设计并进行实验分析，探索出低压、低速、大电流直流电机的控制方法在汽车电动助力转向系统中能够满足汽车助力效果的要求。

参考文献

[1]季学武，陈奎元.动力转向系统的发展与节能[J].世界汽车，1999.

[2]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2004.

[3]李谋.位置检测与数显技术[M].北京：机械工业出版社，1993.