【導讀】域的熱門課題之一。本文在研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設計開?？刂茊卧哂袑崟r數(shù)據(jù)信號采集和系統(tǒng)控制。術(shù)，通過H橋式電路控制電動機的輸出電流和轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能。在研制了實驗用ECU裝置后，開發(fā)了相應的控制軟件。整個軟件系統(tǒng)采用了模塊化的設計思想。程序和PWM控制程序。本文所設計的EPS電子控制單元性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，與整車匹配性能好，可保證EPS實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向助力效果。

　　

【正文】 信號，電壓在 V 以上。在課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來模擬車速信號，輸入到單片機。單片機所能處理的信號高電壓在 左右，所以車速信號的通道設計主要是完成信號的電平匹配設計，一般采用一個前位分壓電路即可實現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設計中采用的是光耦合器的電平匹配方式。其具體電路設計比較簡單，如圖 310 所示。輸入的車速信號經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的脈沖信號，經(jīng)電阻 R2 , R3(阻值相同 )分壓后輸入給單片機的計數(shù)器，再通過軟件處理得到對應的車速。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 34 圖 310 車速信號處理電路 控制器輸出通道的設計 ECU 的輸出通道主要是電機的驅(qū)動電路和離合器的開斷控制電路。電機的驅(qū)動電路采用了常用的 H 全橋 PWM 電路，方向控制由門電路組成， 離合器的開斷用繼電器來控制。下面將分別說明。 電動機的 PWM 控制 在控制器的硬件設計中，電動機的控制設計是重要的一環(huán)。電動機是系統(tǒng)直接控制的對象，所以這部分的設計直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性 。 1. 電動機的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理 直流電動機的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩種。其中勵磁控制方法在低速時受次級飽和的限洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 35 制，在高速時受換向火花和換向其結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用的很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應用場合都使用電樞控制方法。 對電動機的驅(qū)動離不開半導體功率器件。在對直流電機的電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。線性放大驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu) 點是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機的驅(qū)動。絕大多數(shù)直流的電動機采用的是開關(guān)驅(qū)動方式，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)電機的控制。 PWM 調(diào)制的原理圖如圖 311 所示。 圖 311 電動機控制電路原理圖 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 36 采用開關(guān)驅(qū)動方式，通過 PWM 來控制電機電壓時，電動機的電樞繞組兩端的平均電壓 U0 為 : U0=(t1Us 十 0) /(t1+t2)=tt Us/T Us? （ 31） 式中 a 為占空比， a=tl/To，開關(guān)器件導通的時間， T 為脈寬調(diào)制 PWM的周期。占空比 a 表示了在一個周期 T 中，開關(guān)管導通的時間與周期的比值。 a 的變化范圍為。 0 ? a? l。在電源電壓 Us 不變的情況下，電樞的端電壓 Uo 的平均值取決于占空比 a 的大小，改變 a 的值就可以改變端電壓的平均值，從而達到控制目的。 在 PWM 調(diào)制時，占空比 a 是一個重要參數(shù)。 改變占空比 a 的主要方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)頻調(diào)寬法和定頻調(diào)寬法。前兩種方法由于在控制時改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法很少用。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 根據(jù)電動助力的原理，要求電動機能正反轉(zhuǎn)工作，這就需要可逆 PWM控制系統(tǒng)。可逆 PWM 控制系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動和單極性驅(qū)動。雙極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期中，直流電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點，但存在著電流波動大，功耗較大的缺點，尤其是必 須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。單極性驅(qū)動方式是指在一個 PWM 周期內(nèi)，直流電動機電樞只能承受單極性電壓。由于單極洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 37 性驅(qū)動方式能夠避免開關(guān)管直通，可大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以適用于 在大功率、大轉(zhuǎn)動慣量、可靠性要求較高的直流電動機控制應用上。 鑒于上述原因，本課題的 EPS 控制器的電機控制部分，采用了單極性PWM 控制方式，占空比 a 的調(diào)整采用了定頻調(diào)寬法。在確定了 PWM 控制方法后，下一步的工作就是對半導體功率器件的選擇。 2. 功率開關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動 電路 目前應用較多的功率開關(guān)器件有功率場效應晶體管 (Power MOSFET)、絕緣柵晶體管 (IGBT)和 MOS 柵控晶體管 (MCT)等。由于 MOSFET 開關(guān)管工作頻帶最寬，又具有一定的價格優(yōu)勢，所以在目前的控制系統(tǒng)中應用較 多。選擇 MOSFET 的型號時要考慮到漏極電流的最大額定值，漏極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導通電阻。根據(jù)助力電動機的電氣參數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設計中，我們選用的是國際整流公司(IR)的 IRFZ48NN 型 MOSFET 管，它的基本電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)見表 32。 ]12[ 表 32 功率場效應晶體管的電氣參 額定漏極電壓 VDS 55V 柵源開啟電壓 VOS 420V 額定漏極電流 IDS 64A 導通電阻 RON 14m? 開通時間 ton 90ns 關(guān)短時間 tof 84ns 在選定功率開關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動器件，并設計驅(qū)動電路。功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路一般采用專用的集成驅(qū)動器件或洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 38 采用光耦器件。專用驅(qū)動器件常用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等。光耦驅(qū)動電路由于線路簡單，可靠性高，開關(guān)性能好，是設計時被廣泛采用的一種驅(qū)動電路 ，因此本設計采用了專用驅(qū)動器件 IR2112。驅(qū)動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動光耦選用較多的主要由東芝的 TLP 系列，夏普的 PC 系列，惠普的 HCPL 系列等?？紤]到電機的助力電流較大，為了能有效的隔離強電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設計中最終采用了光耦驅(qū)動器件。所選用的光耦型號為東芝的 TLP250，它包含一個 GaAlAs 光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，是 8 腳雙列封裝，適合于工 GBT 或功率 MOSFET 柵極驅(qū)動電路。 TLP250 的主要電氣參數(shù)如下： .輸入閥值電流 F=5mA (max)。 .電源電流 Icc=11mA (max)。 .電源電壓 (Vcc)=1012V。 .輸出電流 Io= ? (min)。 .開關(guān)時間 tPLH//tp HL= s? (max)。 另外，開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過程中可能同時承受過壓、過流、過大的 di/dt, du/dt 以及過大的瞬時功率，因此需要設計緩沖保護電路。緩沖電路就是為了在開關(guān)過程中保護開關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護措施。在電路設計中，我們采用的是 RCD 沖、放電緩沖電 路 。當 MOSFET 關(guān)斷時，經(jīng)二極管 D 向電容 C 充電，由于二極管正向?qū)〞r壓降很小，所以關(guān)洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 39 斷時的過壓吸收效果與電容的 吸收效果相當。當 MOSFET 開通時，電容 C通過電阻 R 放電，限制了 MOSFET 中的開通尖峰電流。 RCD 緩沖電路能有效地改善開關(guān)器件的開關(guān)特性，減小開關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。 電磁離合器和顯示控制電路的設計 電磁離合器控制電路主要是完成功率接口電路的設計。此功率接口電路用于將單片機低電壓、小電流的控制信號轉(zhuǎn)換為用于控制電磁離合器的較大電壓、電流。為了確保繼電器工作可靠，對單片機輸出的控制信號通過上拉電阻使控制信號定位在低電平或者高電平?？紤]到電磁繼電器的干擾信號可能竄入單片機控制系統(tǒng)，從而影響數(shù)字電路 部分的控制效果，采用光電耦合器對單片機系統(tǒng)的信號與繼電器部分的信號進行了光電隔離。電磁繼電器在接收到來自單片機控制系統(tǒng)的控制信號后做出相應的動作，系統(tǒng)設計為低電平有效，即在控制信號為低電平時電磁繼電器閉合，接通電磁離合器。 顯示電路主要是用于故障信息的顯示。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性要求很高，而所有故障信息的外在反映都是通過顯示電路。故障信號類型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來。與電磁離合器的控制方式相同，發(fā)光二極管也是采用低電平有效的方式。電磁離合器驅(qū)動電路的設計如圖 312 所示 。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 40 圖 312 電磁離合器繼電器控 制電路 當系統(tǒng)輸出控制信號 (高電平 )時，經(jīng)反相驅(qū)動變?yōu)榈碗娖?，使光耦導通，從而使繼電器吸合，接通電磁離合器的電源。反之，繼電器斷開，切斷離合器電源。圖中所示電阻 R2 為限流電阻，二極管 D1 的作用是保護晶體管 Q1。當繼電器吸合時，二極管 D1 截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這是晶體管 Q1 已截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。此感應電壓的極性為上負下正，正端接在晶體管的集電極上。當感應電壓與 Vcc 之和大于晶體管 Q1 的集電極反向電壓時，晶體管 Q1 有可能損壞。加入二極管 D1 后，繼電器 線圈產(chǎn)生的感應電流從二極管 D1 流過，從而使晶體管 Q1 得到保護。 電動機 保護電路及繼電器驅(qū)動電路設計 前期的設計中沒有考慮電動機的保護環(huán)節(jié)，難以滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對安全性的要求。在設計中對此部分進行了補充。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 41 圖 313 電動機保護電路及繼電器驅(qū)動電路 系統(tǒng)供電電源電路設計 圖 314 系統(tǒng)電源電路 圖 314 為系統(tǒng)電源電路， 其中的 12V 電壓電源是車載電源。單片洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 42 機控制系統(tǒng)需要 5V 的供電電壓， 7805 完成 12V 到 5V 的轉(zhuǎn) 換。電路中的運算放大器等器件需要 5V 的供電電壓，由 ICL7660 產(chǎn)生所需的負電壓。ICL7660 是美國哈里斯公司生產(chǎn)的變極性 DGDC 變換器。通過該 DC/DC變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨撾妷狠敵?，?Vi 與 Vo 的極性相反。這種變換器利用振蕩器和多路模擬開關(guān)實現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。另外， ICL7660 還具有如下特點 : 工作電壓范圍寬 (+ 至 )。 可將 CMOS 或 TTL 的 +5V 電壓轉(zhuǎn)換成 5V。 空載時沒有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達 % 。 可 采用串聯(lián)方式實現(xiàn)倍壓輸出。 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 在檢測系統(tǒng)的電子線路和電子設備中， ―干擾 ‖是一種普遍存在的問題。它是檢測過程中的一種無用信號，它的存在會造成檢測系統(tǒng)檢測出的結(jié)果有偏差。為了使檢測系統(tǒng)能夠得到更加準確的檢測結(jié)果，在電路的設計時一定要考慮電路的抗干擾能力的設計。這就要求必須搞清楚干擾源、被干擾對象、干擾源和被干擾對象之間的 耦合 方式，只有這樣才能采取相應的措施，抑制干擾的影響。 在實際測控系統(tǒng)中，干擾源主要來自以下幾方面 ： ]14[ (1)機械干擾 :主要是機械的振動或沖擊造成的干擾。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 43 (2)溫度干擾 :主要指系統(tǒng)中電子測量裝置和元器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的變化造成的干擾。 (3)電磁干擾 :主要是指設備本身的電磁波或外界的電磁場的影響在設備的有關(guān)電路中感應出干擾電流或干擾電壓，從而使設備的檢測出現(xiàn)偏差、甚至不能正常工作。 干擾的 耦合 方式主要有以下幾種 : (1)靜電電容 耦合 :由于電路與電路之間存在寄生電容，產(chǎn)生靜電效應從而引起干擾。對于小電流、高電壓干擾源產(chǎn)生的干擾主要是通過電容耦合 產(chǎn)生的。 (2)電磁 耦合 :由于兩個電路之間存在互感而產(chǎn) 生的干擾。 (3)共阻抗 耦合 :當一個電路的電流流經(jīng)共阻抗時所產(chǎn)生的壓降，就要在另一個電路中產(chǎn)生干擾電壓。 為此，在硬件的設計過程中，為了抑制干擾帶來的影響，應該采取以下措施 : (1)屏蔽措施 :系統(tǒng)中的控制電路板應放置在一個鐵盒中，并且鐵盒子與被屏蔽電路的零信號基準相接，從而起到抗干擾作用。同時信號的傳輸線全部采用帶屏蔽層的信號線，這樣就可以避免信號在傳輸過程中受到干擾。 (2)一點接地和多點接地 :接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點接地，使得兩接地點的電位不為零，這個電位差對于電路的輸入輸出電壓產(chǎn)生干擾，洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 44 或由 于兩個電路經(jīng)公共接地線接地，兩個電路電流不同而產(chǎn)生干擾。 解決地線噪聲的方法有 :① 采用單點接地。所有強電信號地線都接到一個電源地線上，盡可能地把地線加粗，降低內(nèi)阻 :所有外部弱電信號用一個公共地線，并與電源地線分開。 ② 并聯(lián)接地。可以切斷由于多個設備采用公用地區(qū)串聯(lián)接地而形成的環(huán)路。 (3)數(shù)字地和模擬地 :數(shù)字地是指 TTL 或 CMOS 芯片， I/O 接口芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地。而模擬地則是指A/D 和 D/A 中模擬信號的接地端。在計算機測控系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地分別接地。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 45 第 4 章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設計 控制器硬件是電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基石，而軟件則可以說是 EPS 系統(tǒng)的靈魂。 EPS 軟件的設計除了