【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到改變電壓的目的。由于試驗(yàn)中選用的微控制器具有脈沖寬度調(diào)節(jié)器，因此不需要另外添加。電機(jī)工作時(shí)要不斷換向，采用橋式電路可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。橋式電路在前面的章節(jié)中己經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，主要有四個(gè)MOSFET管組成、通過兩組MOS管的導(dǎo)通和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。當(dāng)電機(jī)在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)整脈沖寬度調(diào)節(jié)器，改變電壓信號(hào)的占空比，就可以使控制電機(jī)的電樞電壓，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電流的控制[46]。 電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩控制圖電機(jī)PID控制 參考電流+電流檢測(cè) 反饋電流 電流閉環(huán)控制圖助力電機(jī)工作過程中，電流控制電路把電機(jī)的實(shí)際電流值和目標(biāo)電流值進(jìn)行比較，生成一個(gè)差值信號(hào)，在閉環(huán)回路上通過PID算法控制電機(jī)的電流。EPS能否獲得滿意的性能，關(guān)鍵是在電動(dòng)機(jī)的電流閉環(huán)控制。汽車行駛的工況千差萬別，加上EPS的安裝位置一般在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的熱輻射與電磁干擾對(duì)EPS有很大影響，這些都對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流閉環(huán)控制提出很高的要求。PID控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、魯棒控制技術(shù)等控制理論的發(fā)展為EPS的成功開發(fā)提供了保障，作為一項(xiàng)新技術(shù)，EPS的控制策略還需要在發(fā)展中不斷地加以完善。參考一些文獻(xiàn)[15]之后，我們發(fā)現(xiàn)采用積分分離PID控制算法比普通的PID算法使控制系統(tǒng)的性能有了較大的改善。因此我們采用這種控制算法。PID參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計(jì)法和試驗(yàn)確定法。理論設(shè)計(jì)法確定PID控制參數(shù)的前提，是要有被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電動(dòng)機(jī)模型中往往很難做到。因此，用下列兩種試驗(yàn)確定法來選擇PID控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用，并且是行之有效的方法。 算法的效果對(duì)比湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，來改變參數(shù)，反復(fù)湊試，直到認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為止。湊試前，要先了解PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)有哪些影響。增大比例系數(shù)KP，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜態(tài)誤差；但是，過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，因此產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分常數(shù)TI，會(huì)有利于減少超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù)Tp，也可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加；但系統(tǒng)的抗干擾能力降低。用湊試法確定PID參數(shù)需要經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，為了減少湊試次數(shù)，提高工作效率，可以借鑒他人的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)一定的要求，事先作少量的試驗(yàn)，以得到若干基準(zhǔn)參數(shù)，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式，用這些基準(zhǔn)參數(shù)導(dǎo)出PID控制參數(shù)，這就是經(jīng)驗(yàn)法。數(shù)字PID控制算法是模仿連續(xù)系統(tǒng)的PID控制器，要求采樣周期足夠短，一般要遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。采樣周期越短，數(shù)字控制效果就越接近實(shí)際連續(xù)控制。采樣周期的選擇要受到多方面因素的影響（比如單片機(jī)響應(yīng)速度和精度、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能、執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求）。在電動(dòng)機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中，采樣周期也是一個(gè)重要的參數(shù)。在實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須根據(jù)具體情況和要求綜合做出選擇。本章介紹了助力特性的確定，針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)助力控制、回正控制的工作原理以及它們之間的關(guān)系和切換作了研究，在此基礎(chǔ)上研究了基本的電機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法。第三章硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)中的核心執(zhí)行部件為電機(jī),而向電機(jī)提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就顯得尤為重要。硬件電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的平臺(tái)，其各種功能的實(shí)現(xiàn)都要利用這個(gè)平臺(tái)來執(zhí)行，本文的硬件電路由幾個(gè)相互獨(dú)立的模塊化電路組成，整個(gè)ECU電路由信號(hào)采集及處理、強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)控制、故障診斷等基本電路模塊構(gòu)成，通過對(duì)單片機(jī)的選型、EPS的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電路模塊的分析，闡述了EPS系統(tǒng)硬件電路的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程、信號(hào)處理電路、助力電機(jī)和電磁離合器功率驅(qū)動(dòng)控制電路，并分析了各模塊電路的工作原理。 EPS控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) EPS總體電路框圖80C552片內(nèi)擴(kuò)展了兩路PWM輸出口，很大程度上簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，它的定時(shí)器T2有4個(gè)完全相同的捕捉中斷，可以用于捕捉加在中斷輸入腳的外部脈沖信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)脈沖上升或下降沿引起的捕捉中斷捕捉到T2中的內(nèi)容，可以方便的計(jì)算出被測(cè)脈沖的周期；80C552內(nèi)置的10bitADC使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無需外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器件，有利于控制電路板的體積小型化；80C552的工作頻率可達(dá)到30MHZ，能夠滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求；80C552除了具有全雙工的UART串行借口外，還有I2C串行接口，能夠方便地與系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行總線級(jí)集成和通訊，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與汽車上其它控制單元的通訊聯(lián)系,以實(shí)現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)一體化[16]。H橋及驅(qū)動(dòng)電路:電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是由4個(gè)功率MOSFET管構(gòu)成的H橋式功率變換電路，4個(gè)大功率管分為兩組，同一組的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷，由于單片機(jī)輸出為弱電信號(hào)，必須在單片機(jī)系統(tǒng)和功率驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)置前置驅(qū)動(dòng)電路，將單片機(jī)輸出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電控制信號(hào)才能應(yīng)用于功率驅(qū)動(dòng)電路，利用兩片IR2110構(gòu)成4個(gè)MOSFET的基極驅(qū)動(dòng)電路。波形處理電路:MCU需要采集的模擬電壓信號(hào)包括主副扭矩信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)：主副扭矩信號(hào)進(jìn)入ECU后經(jīng)過濾波,然后經(jīng)過阻抗匹配進(jìn)入單片機(jī)；電機(jī)電流信號(hào)要經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換、濾波進(jìn)入ECU。另外車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以周期脈沖的形式送給MCU之前也要經(jīng)過相應(yīng)的波形處理電路。 ECU的控制芯片主控芯片的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響到助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的性能。滿足助力轉(zhuǎn)向性能要求的主控制器有可編程邏輯器件(PLC),高性能單片機(jī)、工控機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等，這四種控制器各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用的控制芯片是Philips公司的8位微控制器80C552，選擇這個(gè)芯片是基于對(duì)所研究、開發(fā)的應(yīng)用對(duì)象的控制特性要求。汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)、隨動(dòng)性系統(tǒng)，從控制的角度講，系統(tǒng)對(duì)時(shí)性有一定的要求，即要求控制系統(tǒng)的輸出能夠?qū)ο到y(tǒng)的輸入做出合理的控制處理，由于每個(gè)人的控制力度和感覺的不同，所以對(duì)精確性要求不是多高，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外在反映是駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)與感覺，經(jīng)驗(yàn)與感覺的模糊性決定了事實(shí)上控制系對(duì)控制精度的要求不是非常高，只要控制系統(tǒng)的控制效果比較平順，沒有助力驟加或力驟減的外在表現(xiàn)，一般可以被用戶接收。所選擇的80C552滿足設(shè)計(jì)要求，可以從下面幾個(gè)方面分析[17]：80C552的內(nèi)核是Intel公司的80C51，80C552具備80C51的所有功能，在開發(fā)21世紀(jì)8位單片機(jī)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)中，80C51處于極有利地位，現(xiàn)已成為全世界單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中最廣泛的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于研究開發(fā)人員來說，可以參考的資料多，容易學(xué)習(xí)，當(dāng)然選擇80C552，是因?yàn)樗鼜?qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用功能。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要對(duì)采集近來的車速和扭矩信號(hào)進(jìn)行快速處理，80C552的主機(jī)頻率可以達(dá)到33MHz,運(yùn)算速度滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，目前多采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）控制，80C552脈沖寬度調(diào)制器PWM共分PWM0和PWM1兩路，分別用于PWM0和PWM1引腳上產(chǎn)生頻率相同和寬度（占空比）可調(diào)的輸出脈沖，很大程度上簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的扭矩信號(hào)和電機(jī)反饋電流信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，80C552含有一個(gè)8路10位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬量由P5口輸入，A/D轉(zhuǎn)換完成后得到的10位數(shù)字量中的高8位存放在ADC高8位寄存器ADCH和低2位在ADC控制寄存器ADCON中。因此適用80C552位核心的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其硬件電路更為簡(jiǎn)單。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)均為脈沖信號(hào)，利用80C552的T2捕捉寄存器CT3—CT0捕捉T2中時(shí)間的功能可以很方便地測(cè)量一個(gè)周期性變化事件的時(shí)間間隔。現(xiàn)代的高檔汽車基本都配置了防抱死制動(dòng)裝置(ABS)、定速巡航自動(dòng)控制系統(tǒng)(CCS)、電控自動(dòng)變速器(ECAT)等電器控制單元，這些模塊通過總線與汽車控制系統(tǒng)的總控制模塊相關(guān)聯(lián)、通信。80C552除了具有全雙工的UART串行接口外，還有I 2C串行接口，能夠方便地與系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行總線級(jí)集成和通訊。 系統(tǒng)電源電路80C552需要5V的供電電源，芯片7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)變，其中12V是汽車電源，LMC7660產(chǎn)生的5V滿足電路中運(yùn)算放大器的需要，另外單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換需要的+5V精密基準(zhǔn)電壓由LM336產(chǎn)生。 扭矩信號(hào)處理電路在測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號(hào)一般是一些微弱的電壓或電流信號(hào)，另外一些干擾因素的存在，在輸入到控制電路前必須要經(jīng)過一些處理電路，如上圖所示：ICL7650是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 車速信號(hào)處理電路車速信號(hào)是12V的單極性脈沖信號(hào)，此信號(hào)是從車速里程表里面引出的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)所能處理的信號(hào)高電壓在5V左右，所以車速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，也即將12V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為5V的數(shù)字信號(hào)。對(duì)12V電壓到5V的電壓的解決方案可以采用分壓原理，也可以采用光電耦合器等，本文采用后者的方法，車速信號(hào)經(jīng)光電耦合器，傳送到T2捕捉0輸入線，對(duì)車速頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過軟件處理可以得到車速信號(hào)的頻率大小，從而知道車速。電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是比較關(guān)鍵的一塊。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation ,簡(jiǎn)稱PWM)的控制方式已成為絕對(duì)主流。而且這種控制方式也很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電機(jī)控制方式也是采用的該類型的控制方式。PWM控制方式具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):需要的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)單；調(diào)速范圍寬；快速性好；電流波形系數(shù)好，附加損耗小。這主要是因?yàn)镻WM調(diào)制頻率高，不需要平波電抗器就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，波形系數(shù)約等于1，故而電樞電流脈動(dòng)分量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響以及它由所引起的附加損耗小。另外還有效率高、功耗小、頻帶寬、滯后小等優(yōu)點(diǎn)。所以，PWM控制方式是一種很理想的驅(qū)動(dòng)方式。由感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性