【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)。對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可以分為簡(jiǎn)單控制和復(fù)雜控制兩種。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通 過繼電器、可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時(shí)往往需要非常精確的控制。隨著控制要求的提高，對(duì)自動(dòng)化的要求越來越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)電樞電壓的控制，因此也屬于電動(dòng)機(jī)復(fù)雜控制的范疇。 轉(zhuǎn)向時(shí)，控制單元根據(jù)檢測(cè)到傳感器的信號(hào)以及電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制信號(hào)，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)占空比，使電動(dòng)機(jī)按方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和車速信號(hào)提供所需的助力轉(zhuǎn)矩。 電控單元是電子控制系統(tǒng)中最重 要的原件之一，其性能在一定程序上決定著電子 10 系統(tǒng)的性能，選擇油路的控制器對(duì)取得良好的控制效果非常重要。 STC89C52RC 是的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，另外 STC 單片機(jī)成本較低，性能較好，原有程序可以直接使用，硬件無需改動(dòng)。 STC89C51 系列單片機(jī)選型如表 。 HD 版本和 90C 版本內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。其主要性能如下： （ 1）增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 2）工作電壓： （ 5V 單片機(jī)） /（ 3V 單片機(jī)） 。 （ 3）工作頻率范圍： 0~40MHz 相當(dāng)于普通 8051 的 0~80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。 （ 4）用戶應(yīng)用程序空間： 4K/8K/12K/16K/32K/64K 字節(jié) 。 （ 5）片上集成 1280 字節(jié)或 512 字節(jié) RAM。 （ 6）通過 I/O 口（ 35/39 個(gè)），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通8051 傳統(tǒng) I/O 口）； P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時(shí)，需加上拉電阻 。 表 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)選型一 覽 型號(hào) STC89C52RC STC89LE53RC STC89C54RD+ 工作電壓（ V） ~ ~ ~ 最高時(shí)鐘頻率 Hz 5V 0~80M — 0~80M 3V — 0~80M — Flash 程序存儲(chǔ)器（字節(jié)） 8K 13K 16K SRAM 字節(jié) 512 512 1280 定時(shí)器 3 3 3 UART 串口 1 個(gè) 1 個(gè) 1 個(gè) DPTR 2 2 2 EEP ROM（字節(jié)） 4K 4K 45K 看門狗 有 有 有 A/D — — — 中斷源 8 8 8 中優(yōu)先級(jí) 4 4 4 I/O 35/39 35/39 35/39 支持掉電喚醒外部中斷 4 個(gè) 4 個(gè) 4 個(gè) 11 內(nèi)置復(fù)位 有 有 有 （ 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 。 （ 8）有 EEPRROM 功能 。 （ 9）看門狗 。 （ 10）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（ HD 版本和 90C 版本才有），外部晶體20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路。 （ 11）共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，其 中定時(shí)器 0 還可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位定時(shí)器使用。 （ 12）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 （ 13）通過異步串行口（ UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART （ 14）工作溫度范圍： 40~85℃ （工業(yè)級(jí)） /0~75℃ （商業(yè)級(jí)） （ 15）封裝： LQFP44,PDIP40,PLCC44, STC89 系列，優(yōu)先選擇LQFP44 封裝 。 本設(shè)計(jì)采用的 STC89C52RC 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示， STC89C52RC 單片 機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲(chǔ)器（ SRAM）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、 I/O接口、 EEPROM、看門狗等模塊、 STC89C52RC 單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 如 圖 是內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 12 圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框 圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 類型，并對(duì)傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行比較 。并對(duì)傳感器、電機(jī)和單片機(jī)的選型做了介紹 ，為下一章的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第 3 章 EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) EPS 系統(tǒng) 硬件電路結(jié)構(gòu) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能是采集來自轉(zhuǎn)矩傳感器、車勝元傳感器的信號(hào)經(jīng)過控制器（ ECU）運(yùn)算后，控制直流電機(jī)為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力，從而達(dá)到改善 13 駕駛舒適性的目的。因此控制器 ECU 是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，控制器的硬件性能直接影響 EPS 的控制效果。本課題的控制電路主要包括以下幾部分電路：（ 1）信號(hào)處理電路，（ 2）電源電路，（ 3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（ 4）單片機(jī)周邊最小電路。 下圖是 EPS 控制系統(tǒng)框圖。 EPS 控制系統(tǒng)框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)硬件中的一個(gè)關(guān)鍵部分，由于晶振體的工作頻率十分高，設(shè)計(jì)不當(dāng)很有可能使其工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)其他電路造成干擾的高頻信號(hào)，尤其是對(duì) AD轉(zhuǎn)矩輸入信號(hào)的干擾； STC89C52 單片機(jī)的時(shí)鐘輸入接口在 18（ XTAL2）和 19（ XTAL1）引腳上，當(dāng)時(shí)鐘晶振頻率為 12M~25MHz 時(shí)，時(shí)鐘電路中電容 一般 小于 47pF。 本設(shè)計(jì)采用 33pF。 3V:(可外部 24MHz,雙倍 48MHz)， 時(shí)不要進(jìn)行 IAP 擦除 /編程 。 外部晶振體的鏈接分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源晶振器 3 種方式。但是實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中一般采用并聯(lián)型方式 。 時(shí)鐘電路如 圖 所示 ： STC89C52RC 車速信號(hào) 轉(zhuǎn)矩信號(hào) 信號(hào)處理電路 時(shí)鐘電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電源模塊 信號(hào)處理電路 復(fù)位電路 助力電機(jī) 14 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位 STC89C52 系列單片機(jī)有 4 中復(fù)位方式：外部 RST 引腳復(fù)位，軟件復(fù)位，掉電復(fù)位 /上電復(fù)位。 （ 1）外部 RST 引腳復(fù)位 外部 RST 引腳復(fù)位就是外部想 RST 引腳施加一定寬度的復(fù)位脈沖，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。將 RST 復(fù)位管腳拉高并維持至少 24 個(gè)時(shí)鐘加 us 后，單片機(jī)會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，將 RST 復(fù)位管腳拉回低電平后，單片機(jī)結(jié)束復(fù)位狀態(tài)并從 用戶程序區(qū) 0000H 處開始正常工作。 （ 2）軟件復(fù)位 用戶應(yīng)用程序在運(yùn)行過程當(dāng)中，有時(shí)會(huì)有特殊需求，需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)軟復(fù)位（熱啟動(dòng)之一），傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)由于硬件上未支持此功能，用戶必須用軟件模擬實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)起來較為麻煩?，F(xiàn) STC 新推出的增強(qiáng)型 8051 根據(jù)用戶要求增加了ISP_CONTR 特殊功能寄存器，實(shí)現(xiàn)了此功能。用戶只需簡(jiǎn)單的控制 ISP_CONTR 特殊功能寄存器的其中兩位 SWBS/SWRST 就可以系統(tǒng)復(fù)位了。 （ 3）上電復(fù)位 /掉電復(fù)位 當(dāng)電源電壓 VCC 地獄上電復(fù)位 /掉電復(fù)位電路的檢查門檻電壓時(shí)，所有 的邏輯電路都會(huì)復(fù)位。當(dāng) VCC 重新恢復(fù)正常電壓時(shí)， HD 版本的單片機(jī)延遲 2048 個(gè)時(shí)鐘（ 90C版本單片機(jī)延遲 32768 個(gè)時(shí)鐘）后，上電復(fù)位 /掉電復(fù)位結(jié)束。進(jìn)入掉電模式時(shí)，上電復(fù)位 /掉電復(fù)位功能關(guān)閉。 （ 4）看門狗（ WDT）復(fù)位 適用型號(hào)： STC89C51RC ， STC89C52RC ， STC89C53RC ， STC89LE51RC ，STC89LE53RC， STC89C54RD+， STC89C58RD+， ST89C516RD+， STC89LE54RD+，STC89LE516RD+。 15 在工業(yè)控制 /汽車電子 /航空航天等需要 高可靠性的系統(tǒng)中，為了防止 “系統(tǒng)在異常情況下，受到干擾， MCU/CPU 程序跑飛，導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間異常工作 ”，通常是引進(jìn)看門狗，如果 MCU/CPU 不在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按要求訪問看門狗，就認(rèn)為 MCU/CPU 處于異常狀態(tài)，看門狗就會(huì)強(qiáng)迫 MCU/CPU 復(fù)位，使系統(tǒng)重新從頭開始按規(guī)律執(zhí)行用戶程序。 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)內(nèi)部也引進(jìn)了此看門狗功能，使單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)變得更加方便 /簡(jiǎn)潔。 本設(shè)計(jì)采用的是 外部 RST 引腳復(fù)位 這種復(fù)位方式，在 RST 引腳上連接了一個(gè)復(fù)位按鍵，因?yàn)檫@種復(fù)位方式比較簡(jiǎn)單，而且可以達(dá)到設(shè) 計(jì)要求，故而采用這種復(fù)位方式。 電源電路 車用電器設(shè)備都由車載電瓶供電，一般為 12V 直流電源，車身為零電位。 EPS 系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用的是 12V 直流電源，單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器及反向器等集成芯片采用 5V 電源，故 EPS 系統(tǒng)的電源應(yīng)包括 12V， 5V。通常我們用 7805 進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。 78 系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是 36V，最低輸入電壓為輸出電壓的 34V以上。本設(shè)計(jì)采用的是 L7805CV，它有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 L7805CV 實(shí)物圖如 圖 所示 ： 圖 L7805CV 實(shí)物圖 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有 L297/298， MC333886， ML4428 等。本設(shè)計(jì)采用 L298。L298 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)涵二 16 個(gè) H 橋的高壓大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A以下的電機(jī)。 L298 芯片的引腳圖如 圖 所示 ， L298 的實(shí)物圖如圖 所示 ： L298的邏輯控制 如 表 所示 ： 圖 L298 芯片引腳圖 L298 的 運(yùn)行參數(shù) 如表 所示 ， L298 的 引腳功能 如表 所示 ： 表 L298 的運(yùn)行參數(shù)： 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試環(huán)境 最小值 典型值 最大值 單位 驅(qū)動(dòng)電源電壓 Vs — — 46 V 邏輯電源電壓 Vss — 5 7 V 輸入低電平電壓 ViL — — V 輸入高電平電壓 ViH — — Vss V 使能端低電平電壓 Ven=L — — V 使能端高電平電壓 Ven=H — — Vss V 全橋式驅(qū)動(dòng)器總成的電壓降（每一路） VcE (sat) IL=1A IL=2A — V V 檢測(cè)電壓 1,15 腳 Vsen — 1 — 2 V 表 L298 的引腳功能 引腳 符號(hào) 功能 1 SENSING A 此兩端與地連接電流檢測(cè)電阻，并向驅(qū)動(dòng)芯片反饋檢測(cè)到的信號(hào) 17 15 SENSING B 2 3 OUT 1 OUT 2 此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器 A 的輸出端，用來連接負(fù)載 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端 5 7 IN 1 IN 2 輸入標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器 A 的開關(guān) 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端，輸入標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電 平信號(hào)；低電平時(shí)全橋式驅(qū)動(dòng)器禁止工作 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與 8 腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸入端口 10 12 IN 3 IN4 輸入標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器 B 的開關(guān) 13 14 OUT 3 OUT 4 此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器 B 的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載 圖 L298 實(shí)物 圖 表 L298 的邏輯控制 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 三態(tài)緩沖器 緩沖器是數(shù)字元件的其中一種，它對(duì)輸入值不執(zhí)行任何運(yùn)算，其輸出值和輸入值一樣，但它在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中有著重要作用。 18 緩沖器分為兩種，常用緩沖器（常說緩沖器）和三態(tài)緩沖器。常規(guī)緩沖器總是將值直接輸出，用在推進(jìn)電流到高一級(jí)的電路系統(tǒng)。三態(tài)緩沖器除了常規(guī)緩沖器的功能外，還有一個(gè)選項(xiàng)卡通輸入端，用 E 表示。當(dāng) E=0 和 E=1 時(shí)有不同的輸出值。 緩沖器又可以分為輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設(shè)送來的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時(shí)存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)控緩 沖器，就可以使高速工作的 CPU 與慢速工作的外設(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。由于緩沖器接在數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)輸出功能。 當(dāng) E=1 時(shí)，選通，其輸入直接送到輸出； 若 E=0，緩沖器被阻止，無論輸入什么值，輸出的總是高阻態(tài)，用 Z 表示。高阻態(tài)能使電流降到足夠低。 本設(shè)計(jì)采用的是 74HC5