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EPS电动助力转向系统的软硬件设计

作者:谭群林时间:2013-09-23来源:电子产品世界

  摘要:本文详细介绍了基于31X系列微处理器的转向()系统的方案设计,给出了详细的硬件设计和软件设计。试验结果表明,该系统具有设计方便、性能稳定可靠、保护齐全、性价比好等突出优点,为汽车系统提供一个优秀的设计方案。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/170165.htm

  转向系统基本结构及工作原理

  汽车的助力转向系统是协助驾驶员进行汽车方向调整,为驾驶员减轻打方向盘的用力强度,目前汽车上配置的助力转向系统大致可以分为三类:(1)机械式液压动力转向系统;(2)电子液压助力转向系统;(3)另外一种转向系统,英文全称是Electronic Power Steering,也就是我们常说的,也可以称为“电子控制助力”,它是在EPS控制器的作用下驱动电动机产生的动力协助驾车者进行转向控制。EPS的构成一般是由扭矩传感器、电子控制单元ECU、助力电机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源。现在我们介绍的主要是电子控制单元ECU的软硬件设计方案。

  主要工作原理:驾驶员在操作汽车转向时,扭矩传感器会“感觉”到方向盘的扭矩和转向,这些信号会通过AD模数转换器,量化后传送给电子控制单元的微处理器,电控单元会根据转向轴的转动力矩、转向等数据,向EPS控制器发出动作指令,助力电机就会根据具体的需要,输出相应大小的转动力矩,从而实现助力转向。如果不打方向盘,则EPS系统就不工作,处于等待调用状态,而且,助力电机的助力输出也随着车速的提高而减小,当车速超过设定值时会停止工作,助力消失,这使车在高速行驶时更加稳定。由于电动助力转向这样的工作特性,你会感觉到方向盘的方向感好,轻便,高速时稳定不发飘。图形1为电动助力转向系统的基本结构。

  硬件原理设计

  EPS控制器由系列微处理器、扭矩传感器、模拟信号调理、光电隔离、单稳态保护电路、PWM信号驱动电路、铝基板电机驱动电路、离合器控制电路,电流反馈电路、故障指示、电源。由于系列微处理器的各部分功能十分强大,定时器、PCA、AD转换器、比较器、交叉开关、IIC、SPI、温度传感器在CPU内部集成,从而大大降低电路的复杂性及成本,担高了可靠性。硬件原理如图2所示。

  微处理器电路

  C8051F310处理器是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片,具备25MIPS流水线结构CIP-51内核,单周期的指令、带模拟多路开关、10位200ksps的25通道单端/差分ADC,高精度可编程的25MHz内部振荡器、16KB可在系统编程的FLASH存储器,1280byte片内RAM,四个通用的16位定时器,这为EPS系统的车速、发动机转速提供很好解决方案。PCA模块方便了PWM电机调速、端口交叉开关编程为引脚多功能复用提供实用条件。增强型UART和SPI串行接口、硬件实现的SMBus、片内上电复位、VDD监视器和温度传感器,这些可为EPS实现通讯扩展,故障诊断,温度保护等功能。

  EPS的前端信号处理电路

  这部分电路包括扭矩传感器的信号提取、调理及行车信号(车速、发动机转速、点火信号)的隔离与获取,它是EPS执行的先决条件,这部分的信号直接关系到EPS系统的正确执行。同时也是后面保护电路的输入条件,非常重要。

  扭矩传感器信号的提取、调理

  我们采用的扭矩传感器其输出包括力矩与角度两种信号,力矩信号的输出有两路,分别是T1、T2,角度信号(转向角)的输出有三路,分别是P1、P2、P3,具体传感器的输出特性请参照相关的数据手册,提取算法将在软件设计部分完成。这里侧重讲述信号的调理,原理如下图3,传感器具有5路模拟信号输出,原理相同,我们讨论其中一路T1。传感器的输出是0~5V信号,通过R1,R2电阻分压原理与3.3V系统进行匹配。C1,C2,R3组成了一个阻容滤波器滤掉前端的信号噪声,V1为TVS管,用于限制信号的幅度在0~VCC之间,N1是LM324运放,接成射极跟随形式,以提高信号的输入阻抗,降低信号的输出阻抗。输出信号Sensor_T1_out直接输出给微处理器的内部AD转换,量化后提供给力矩提取算法使用,其它4路原理一致。

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