中心論題：

• 簡介EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
• EPS控制系統(tǒng)具體電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)
• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能

解決方案：

• 利用MC9S12系列單片機(jī)作為高性能的微控制器
• 采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對直流電動(dòng)機(jī)的控制
• 電源倍壓電路中采用NE555定時(shí)器滿足電源需求

一、EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，Electric Power Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設(shè)計(jì)，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器，控制器運(yùn)行內(nèi)部控制算法，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動(dòng)作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小，產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號(hào)，由此電動(dòng)式動(dòng)力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小，同時(shí)，根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)又可測出車速，再控制電動(dòng)機(jī)的電流，形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。


二、EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

微控制器的選擇
MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。

硬件電路總體框架
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號(hào)處理電路、直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。


電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對直流電動(dòng)機(jī)的控制，由4個(gè)功率MOSFET組成，如圖3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。


 

1．H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）為高電平時(shí)，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí)，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí)，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí)，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。

2．下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路

下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。

當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）低電平時(shí)， Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵—源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當(dāng)蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(dòng)（10V）所需的電壓。

蓄電池倍壓工作電源
由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計(jì)蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動(dòng)電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。

電源倍壓電路如圖6所示，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負(fù)載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時(shí)，輸出電壓低于24V，當(dāng)供電電源為12V時(shí)，倍壓電源電壓約為22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以滿足需要。

三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)
根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，車速信號(hào)用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)代替網(wǎng)。圖7為中等車速轉(zhuǎn)向助力時(shí)，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動(dòng)機(jī)電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時(shí)，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。


四、結(jié)論與展望
MC9S12系列16位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，對于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn)，性能良好，可基本滿足電動(dòng)助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個(gè)基本的信號(hào)進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號(hào)在未來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。