【文章內(nèi)容簡介】 到改變電壓的目的。由于試驗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。電機工作時要不斷換向，采用橋式電路可以實現(xiàn)電機的換向。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MOSFET管組成、通過兩組MOS管的導(dǎo)通和關(guān)閉來實現(xiàn)電機的換向。當(dāng)電機在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，調(diào)整脈沖寬度調(diào)節(jié)器，改變電壓信號的占空比，就可以使控制電機的電樞電壓，也就實現(xiàn)了對電機電流的控制[46]。 電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩控制圖電機PID控制 參考電流+電流檢測 反饋電流 電流閉環(huán)控制圖助力電機工作過程中，電流控制電路把電機的實際電流值和目標(biāo)電流值進(jìn)行比較，生成一個差值信號，在閉環(huán)回路上通過PID算法控制電機的電流。EPS能否獲得滿意的性能，關(guān)鍵是在電動機的電流閉環(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)動機附近，發(fā)動機發(fā)出的熱輻射與電磁干擾對EPS有很大影響，這些都對電動機的電流閉環(huán)控制提出很高的要求。PID控制技術(shù)、動態(tài)補償技術(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)計法和試驗確定法。理論設(shè)計法確定PID控制參數(shù)的前提，是要有被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電動機模型中往往很難做到。因此，用下列兩種試驗確定法來選擇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。 算法的效果對比湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行系統(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，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，并根據(jù)一定的要求，事先作少量的試驗，以得到若干基準(zhǔn)參數(shù)，然后按照經(jīng)驗公式，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)的時間常數(shù)。采樣周期越短，數(shù)字控制效果就越接近實際連續(xù)控制。采樣周期的選擇要受到多方面因素的影響（比如單片機響應(yīng)速度和精度、系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾性能、執(zhí)行元件的響應(yīng)速度和要求）。在電動機控制軟件設(shè)計中，采樣周期也是一個重要的參數(shù)。在實際選擇采樣周期時，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，針對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點，對助力控制、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控制系統(tǒng)的控制算法。第三章硬件控制系統(tǒng)設(shè)計電機控制系統(tǒng)中的核心執(zhí)行部件為電機,而向電機提供及時、有效、準(zhǔn)確的驅(qū)動信號就顯得尤為重要。硬件電路是整個控制系統(tǒng)的平臺，其各種功能的實現(xiàn)都要利用這個平臺來執(zhí)行，本文的硬件電路由幾個相互獨立的模塊化電路組成，整個ECU電路由信號采集及處理、強電驅(qū)動控制、故障診斷等基本電路模塊構(gòu)成，通過對單片機的選型、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)計過程、信號處理電路、助力電機和電磁離合器功率驅(qū)動控制電路，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，很大程度上簡化了電動機驅(qū)動電路的設(shè)計，它的定時器T2有4個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，根據(jù)兩個脈沖上升或下降沿引起的捕捉中斷捕捉到T2中的內(nèi)容，可以方便的計算出被測脈沖的周期；80C552內(nèi)置的10bitADC使得系統(tǒng)設(shè)計中無需外擴(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)行總線級集成和通訊，實現(xiàn)電動助力轉(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,以實現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)一體化[16]。H橋及驅(qū)動電路:電機驅(qū)動電路是由4個功率MOSFET管構(gòu)成的H橋式功率變換電路，4個大功率管分為兩組，同一組的兩個晶體管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷，由于單片機輸出為弱電信號，必須在單片機系統(tǒng)和功率驅(qū)動電路之間設(shè)置前置驅(qū)動電路，將單片機輸出的弱電信號轉(zhuǎn)換為強電控制信號才能應(yīng)用于功率驅(qū)動電路，利用兩片IR2110構(gòu)成4個MOSFET的基極驅(qū)動電路。波形處理電路:MCU需要采集的模擬電壓信號包括主副扭矩信號和電機電流信號：主副扭矩信號進(jìn)入ECU后經(jīng)過濾波,然后經(jīng)過阻抗匹配進(jìn)入單片機；電機電流信號要經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換、濾波進(jìn)入ECU。另外車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號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)計的一個重要環(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、工控機和數(shù)字信號處理(DSP)等，這四種控制器各有優(yōu)缺點。本文采用的控制芯片是Philips公司的8位微控制器80C552，選擇這個芯片是基于對所研究、開發(fā)的應(yīng)用對象的控制特性要求。汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是典型的實時、隨動性系統(tǒng)，從控制的角度講，系統(tǒng)對時性有一定的要求，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，由于每個人的控制力度和感覺的不同，所以對精確性要求不是多高，汽車電動助力轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外在反映是駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗與感覺，經(jīng)驗與感覺的模糊性決定了事實上控制系對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)計要求，可以從下面幾個方面分析[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位單片機的爭奪戰(zhàn)中，80C51處于極有利地位，現(xiàn)已成為全世界單片機電路設(shè)計中最廣泛的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此對于研究開發(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，是因為它強大的實際應(yīng)用功能。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要對采集近來的車速和扭矩信號進(jìn)行快速處理，80C552的主機頻率可以達(dá)到33MHz,運算速度滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要控制對象是直流電動機，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，很大程度上簡化了電動機驅(qū)動電路的設(shè)計。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的扭矩信號和電機反饋電流信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，80C552含有一個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位核心的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，其硬件電路更為簡單。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號均為脈沖信號，利用80C552的T2捕捉寄存器CT3—CT0捕捉T2中時間的功能可以很方便地測量一個周期性變化事件的時間間隔?，F(xiàn)代的高檔汽車基本都配置了防抱死制動裝置(ABS)、定速巡航自動控制系統(tǒng)(CCS)、電控自動變速器(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滿足電路中運算放大器的需要，另外單片機A/D轉(zhuǎn)換需要的+5V精密基準(zhǔn)電壓由LM336產(chǎn)生。 扭矩信號處理電路在測控系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號一般是一些微弱的電壓或電流信號，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公司利用動態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。 車速信號處理電路車速信號是12V的單極性脈沖信號，此信號是從車速里程表里面引出的。因為單片機所能處理的信號高電壓在5V左右，所以車速信號的通道設(shè)計主要是完成信號的電平匹配設(shè)計，也即將12V的信號轉(zhuǎn)化為5V的數(shù)字信號。對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，車速信號經(jīng)光電耦合器，傳送到T2捕捉0輸入線，對車速頻率信號進(jìn)行計數(shù)，通過軟件處理可以得到車速信號的頻率大小，從而知道車速。電動機控制電路的設(shè)計在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計中是比較關(guān)鍵的一塊。隨著計算機進(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)，直流電動機的結(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 ,簡稱PWM)的控制方式已成為絕對主流。而且這種控制方式也很容易在單片機控制中實現(xiàn)。所設(shè)計系統(tǒng)的電機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:需要的大功率可控器件少，線路簡單；調(diào)速范圍寬；快速性好；電流波形系數(shù)好，附加損耗小。這主要是因為PWM調(diào)制頻率高，不需要平波電抗器就可以獲得脈動很小的直流電流，波形系數(shù)約等于1，故而電樞電流脈動分量對電動機轉(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。所以，PWM控制方式是一種很理想的驅(qū)動方式。由感應(yīng)電勢、電磁轉(zhuǎn)矩以及機械特性