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淺談基于PIC18F458 的汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)設計論文
汽車電動助力轉向系統(tǒng)( EPS) 依靠車載電源，由電動機提供助力，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，已開始運用于中高級以上轎車和商務車上，但國內EPS 系統(tǒng)電子控制單元嚴重依賴國外進口，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控制和車載網(wǎng)絡CAN-BUS 的信息共享上技術不成熟. 本電控單元以Microchip 公司推出的PIC18F458 高性能微處理器為核心，設計汽車電動助力轉向系統(tǒng)( EPS) 電控單元，并通過電氣測試和改裝試驗.
1 系統(tǒng)總體設計
EPS 系統(tǒng)主要由信息采集模塊( 包括轉矩傳感器信號、電機反饋信號和CAN-BUS 共享信號) 、電子控制單元( ECU) 、執(zhí)行器控制模塊( 包括電機控制和離合器控制) 、減速裝置、傳動裝置等組成，其系統(tǒng)結構.
EPS 系統(tǒng)工作時，通過轉矩傳感器檢測駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結合CAN 總線共享的車速、發(fā)動機轉速、點火信號、休眠喚醒信號等，運用模糊免疫PID 控制策略計算得出理想助力目標PWM 占空比，控制電機助力，通過電機動態(tài)閉環(huán)控制，電機助力轉矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉向阻力矩，實現(xiàn)車輛智能動態(tài)方向助力轉向作用，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)結構拓撲.
2 硬件設計
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 系列單片機哈佛架構精簡指令結構、計算能力強、性能穩(wěn)定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等有點晚，還引進了一系列串行通信外設，內置CAN 控制器，并支持運行、休眠、空閑等多種工作模式，支持車載網(wǎng)絡CANBUS通訊協(xié)議，其增強型CCP 模塊，在PWM 模式下能提供多路經(jīng)調制輸出，這些優(yōu)異的性能為汽車EPS系統(tǒng)的軟硬件設計提供了方便，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、副雙路對稱的轉矩信號，其中一路轉矩信號采集電路原理圖，另一路轉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，濾除轉矩信號中的高頻部分，穩(wěn)壓管D1 起限壓保護作用，大電阻R11 用來減少輸入阻抗.
( 2) CAN 總線通信
車載網(wǎng)絡在汽車上的應用，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)動機轉速信號、點火開關IG 信號、故障信息及網(wǎng)絡節(jié)點休眠喚醒信號等.
PIC18F458 單片機集成了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)絡實現(xiàn)信息共享，軟件編程只需對相關寄存器進行相應設置即可，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，可以很好地實現(xiàn)總線上節(jié)點之間的電氣隔離，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) 無刷直流電機驅動控制
EPS 系統(tǒng)選用無刷直流電機作為助力電機，由PIC18F458 單片機為Freescale 公司開發(fā)的高性能無刷直流電機專業(yè)集成電路MC33035 提供無刷直流電機的轉向和PWM 信號，MC33035 通過霍爾傳感器檢測電機當前的轉子位置，并對其進行譯碼，轉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控制的驅動器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 器件的驅動芯片，分別有3 個獨立的高端和低端輸入/輸出通道，以此驅動由6 個N 溝道功率MOSFET 管組成的三相六步全控橋電路. 電機驅動電路原理圖.
( 2) 電磁離合器控制
EPS 系統(tǒng)電磁離合器由單片機控制4 個功率晶體管組成的全橋控制電路來實現(xiàn)動力傳遞通斷控制，提供一種結構簡單、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，以實現(xiàn)行駛轉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) 復位電路: EPS 系統(tǒng)中復位電路主要完成系統(tǒng)的上電復位功能，PIC18F458 的MCLR 引腳提供了外部硬件觸發(fā)器件復位的方法，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)生上電復位延時通常所需的外部RC 元件，上電復位事件由POR 位( RCON < 1 > ) 捕捉，只要發(fā)生上電復位，此位的狀態(tài)就被置為0，它不會因任何其他復位事件發(fā)生改變.
3 軟件設計
針對EPS 系統(tǒng)電控單元硬件電路設計，結合汽車EPS 系統(tǒng)對電機助力特性的要求，進行相應的軟件開發(fā)，主要涉及系統(tǒng)初始化、CAN 總線通訊、信息采集及處理、PWM 占空比計算等. 首先，PIC18F 單片機喚醒上電并對時鐘和各I /O 口等進行系統(tǒng)初始化，同時檢測EPS 節(jié)點工作和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)動機轉速是否達到怠速，怠速及以上時進入主程序; 然后，單片機對兩路扭矩信號進行AD 轉換及濾波處理，通過兩路信號相減判斷電機運轉方向，結合CAN 總線共享得到車速信息等，綜合這些信息進行模糊免疫PID 控制算法處理并最終得出控制電機的PWM 占空比; 最后，輸出PWM 信號、助力方向、離合器閉合信號，驅動助力電機，并返回主程序進入程序再循環(huán).
4 結語
綜合以上EPS 系統(tǒng)設計，印制了電路板并形成產(chǎn)品，編寫相應控制程序，通過電氣測試，并在長安福特蒙迪歐汽車上進行替換改裝試驗，實驗結果表明基于PIC18F458 單片機的汽車電動助力轉向系統(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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