【正文】 用精確值 ()et 和 ()cet分別乘以比例因子 1eG和 1CG，得到模糊量 E(t)和 Ec(t)。設(shè)雙輸入單輸出系統(tǒng)的控 制規(guī)則表達式為 : IF Aand B Then C 根據(jù)表達式，直流電機系統(tǒng)的模糊控制可總結(jié)為表 3和表 4所示的控制規(guī)則。控制規(guī)則的好壞直接決定控制效果的好壞，是實現(xiàn)模糊控制的關(guān)鍵。由模糊控制涉及的論域和模糊語言描述，確定了Δ Kp、Δ Ki的論域?qū)哪：Z言變量的 隸屬度函數(shù)如下圖所示 。按照設(shè)計要求，本系統(tǒng)的論域為 U={6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， 1， 2， 3，4， 5， 6}。系統(tǒng)可看成是由偏差 E和偏差變化率 Ec作為輸入，控制參數(shù) KP、Ki的增量Δ Kp、Δ Ki作為輸出的雙輸入雙輸出系統(tǒng)。模糊控制器實際上是一個以自然語言為法則的控制行為。在模糊控制中，按照模糊控制規(guī)則作出模糊決策，再得到一個精確的控制量給控制對象，從而實現(xiàn)智能控制。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，通常由 AD采集的溫度值是個 精確 值，通過模糊化，這個精確值變成 一 個 反應溫度高或低的模糊量，這就是一個精確量模糊化的過程。為此，出現(xiàn)了許多繞過精確數(shù)學模型的建立對系統(tǒng)進行控制的方法，模糊控制就是其中之一。電壓控制策略直接關(guān)系著 EP8系統(tǒng)性能。在 EPS系統(tǒng)設(shè)計中，控制器控制助力電機的電樞平均電壓，實際電壓跟蹤目標電壓，從而輸出目標助力大小。 (6)控制系統(tǒng)應 該簡單、可靠，使用盡可能少的期間，降低成本。 (4)在車速較高時，控制系統(tǒng)應優(yōu)先考慮駕駛路感，減小助力或進入阻尼控制狀態(tài)。 (2)控制系統(tǒng)必須具有高響應速度，保證轉(zhuǎn)向的靈敏度。因此， EPS控制器 必須具有穩(wěn)定的魯棒性。 系統(tǒng) 欠壓檢測電路如圖 19所示： 圖 19 系統(tǒng)欠壓檢測電路 System under voltage detection circuits 25 故障指示電路如圖 20所示： 圖 20 故障指示電路 Fault indication circuit 控制策略與軟件設(shè)計 EPS系統(tǒng)是一個非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)，需要對轉(zhuǎn)向輸入做出快速響應，對干擾和傳感器噪聲也要及時處理。 ECU系統(tǒng)故障主要檢測控制器是否失效，供電是否正常等。電源故障主要是電源短路或斷路，電源欠壓等。 助力電機故障主要有電機電壓浮動，電機電流過高，電機溫度過高等。在發(fā)現(xiàn)問題時及時斷開助力系統(tǒng)。 24 圖 18 電壓反饋電路 Voltage feedback circuit 圖中， Usrc為電機電樞端電壓，通過阻容分壓電路，將該電壓按比例限幅在 AD可采集的范圍內(nèi)，再由單片機系統(tǒng)的 ADC端口讀取電壓值，帶入系統(tǒng)軟件中進行反饋運算。本系統(tǒng)簡化了電流反饋系統(tǒng)，采用 分壓電路直接得到電機電樞電壓的方法，由電機電樞平均電壓做為反饋與輸入電壓平均值做比較，形成電壓型閉環(huán)系統(tǒng)。接口電路如下圖所示： 圖 17 MC33883電氣接口電路 MC33883 electric interface 電壓反饋電路 在電子助力系統(tǒng)中，為了保證助力性能，一般都采用了電機電流的閉環(huán)控制模式，將電機電流反饋回來與助力特性確定的目標電流進行補償運算，再通過脈寬調(diào)制輸出，控制 H橋驅(qū)動助力電機。作為一款寬電壓范圍的驅(qū)動芯片， MC33883可以在 5． 5V到 55V的電壓范圍內(nèi)工作。門驅(qū)動通道可以由四個單獨的控制信號控制，下橋控制以地為參考點，上橋通道為柵浮動驅(qū)動。 MC33883是摩托羅拉公司生產(chǎn)的一款 H橋門驅(qū)動芯片。這就要求門極的輸入驅(qū)動需要增壓電路，以提供高與柵極 10V的電壓，考慮 Ugs的上限要求， MOS管導通時， Ugs要隨柵極電壓在 10到 15V左右浮動，即浮動柵驅(qū)動。 IRF3205功率管的導通電壓一般在 10V以上，即 Ugs10V。 在正反向切換時，系統(tǒng)軟件設(shè)置延時，以保證對橋的上下橋完全關(guān)斷，避免上下橋臂的短路 。當系統(tǒng)分析需要正向助力時， VT1受到 PWM控制，輸出脈寬調(diào)制信號， VT4受到 IO操作，直接開啟， VT VT3控制信號輸入為 0，電機正轉(zhuǎn)。 在圖 16中， VT VT2由單片機的 PWM脈寬調(diào)制輸出控制， VT vT4由單片機 IO口直接控制。此時，電機的反電動勢經(jīng)過VT VT3的續(xù)流二極管形成回路。以電機正轉(zhuǎn)為例，所謂單極式，即 VT4在助力過程中始終開啟，只有 VT1受 PWM控制，當 VT1截止時，電機的反電動勢經(jīng)過Ⅵ 4和 VT2的續(xù)流二極管形成回路。圖給出了 雙極式和單極受限式控制方式的比較。 H橋的控制方式分為雙極式、單極式和受限單極式三種。該型號 MOS管的電氣參數(shù)完全滿足 EPS驅(qū)動電路設(shè)計的需要 [18]。 圖中使用的 MOS管具體型號為 IRF3205S，其參數(shù)如下： 最大漏源電壓： ross=55V；導通狀態(tài)漏源輸入電阻： Rns(DⅣ )=8m；柵源電壓為 1V時，連續(xù)漏電流 ID=110A(25℃ )、 80A(100℃ )；柵源電壓 GSV =177。電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，需要較大的助力電流，工作狀態(tài)變換多，對驅(qū)動電路的性能和使用壽命要求較高。由于加工工藝的限制， P溝道 MOS管的性能比 N溝 道的差，驅(qū)動電流比較小。 圖 15 H橋電機驅(qū)動電路 H bridge drive circuit 功率開關(guān)管可以采用 N溝道的 MOS管，也可以采用 P溝道的 MOS管。電樞端電壓的平均值取決于 a。 sa aUU? （ 25） 式中， Tta? ，為占空比。尤其是在 EPS的電機控制系統(tǒng)中，要求電機必須能夠在正反兩個方向上都能實現(xiàn)助力，采用 H橋式斬波電路無疑是最好的控制方法。隨著新型的電力電子功率元件的出現(xiàn)和計算機在運動控制領(lǐng)域的不斷更新，直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制方式都有了很多新的技術(shù)手段。 圖 14 發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號采集電路 Engine speed signal collection circuit 21 電機 驅(qū)動電路 由于受到汽車蓄電池的限制， EPS系統(tǒng)中助力電機一般都選用永磁式直流電動機，本系統(tǒng)中選用了日本 NSK公司的直流有刷電機，額定電壓為 12V，額定電流 30A，額定扭矩 12NM，額定轉(zhuǎn)速 1200r／ min，輸出功率 150W。需要經(jīng)過信號后由單片機的頻率捕捉系統(tǒng)進行定時計數(shù)，從而換算成汽車的車速。針對該傳感器， ECU中設(shè)計了如下扭矩傳感器信號采集電路 [17]。傳感器為 5V供電，以2． 5V為校零點位置，當主端電壓大于 2． 5V時，設(shè)定為右轉(zhuǎn)向，則當主端電壓小于 2． 5V時即為左轉(zhuǎn)向。扭矩傳感器將轉(zhuǎn)向扭矩引起的位移轉(zhuǎn)換為電位器上電阻值的變化，并經(jīng)過滑動端輸出扭矩電壓信號。 本系統(tǒng)使用的是電位計式扭矩傳感器。單片機的最小系統(tǒng)包括時鐘電路，復位電路和下載接口電路。當系統(tǒng)停止助力或系統(tǒng)故障時，繼電器自動切斷，電機驅(qū)動電路電 源關(guān)閉，保護系統(tǒng)的安全和車輛駕駛的安全。在硬件電路上，由一個開關(guān)電路來實現(xiàn)點火信號開啟控制系統(tǒng)板電源，如下圖所示： 圖 10 點火信號控制系統(tǒng)板電源電路 The ignition signal circuit 控制系統(tǒng)開啟后，根據(jù)汽車行駛狀況決定是否提供助力。 圖 9 控制系統(tǒng)板電源電路 The control system board power circuit 為了節(jié)省汽車蓄電池電力， EPS系統(tǒng)通常設(shè)定在汽車發(fā)動時開啟控制系統(tǒng)電路。一路經(jīng)由繼電 MC9SDG128B 車速傳感器 車速傳感器 信號采集調(diào)理電路 10bit ADC CAN總線 故障檢測 PWM輸出端 開關(guān) 控制 故障指示輸出 H橋驅(qū)動 邏輯控制 故障碼顯示 助力電機 電機控制轉(zhuǎn)向 離合器控制 故障檢測 系統(tǒng)電源 反饋電路 18 器控制端輸入到電機驅(qū)動板，另一路通過二極管穩(wěn)壓后 ()輸出到控制電路板，經(jīng)下一級電源電路輸入到控制電路板中。圖 8所示為系統(tǒng) 的主電源供電電路。同時，電機驅(qū)動板的 12V電源同樣取自于蓄電池。 扭矩 傳感器 數(shù)據(jù)采集處理 數(shù)據(jù)采集處理 數(shù)據(jù)采集處理 A/D ECU A/D 17 圖 7 控制系統(tǒng)電源 Control system power supply 電源電路 EPS的電源由汽車蓄電池提供。 ECU 的控制流程為：單片機根據(jù) AD 模塊檢測到的扭矩傳感器的信號和來自車速傳感器的車速信號 ，計算出目標電流，同時單片機通過分壓電路檢測電機電樞兩端電壓作為反饋， 通過控制算法進行反饋控制。 硬件電路的設(shè)計 ECU 的硬件電路主要由主控部分、數(shù)據(jù)采集部分和電機驅(qū)動電路三個方面構(gòu)成，其中，數(shù)據(jù)采集和主控部分集成在一塊電路板上，電機驅(qū)動部分單獨布板。在整個助力過程中， ECU 還要檢 PWM 信號輸出 電機轉(zhuǎn)動方向控制 發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號 車速信號 離合器控制輸出 點火鑰匙信號 電動機電流檢測信號 工作狀態(tài)指示（故障碼） 電機電壓檢測信號 電機溫度檢測信號 保護電路啟動輸出 圖 6 EPS 控制單元原理圖 EPS control unit schematic 測電機 電流、電機電壓、電機溫度以及離合器狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，判斷 EPS系統(tǒng)工作是否正常，保證助力轉(zhuǎn)向能穩(wěn)定運行。扭矩傳感器采集來自方向盤上駕駛員的手力力矩和方向，車速傳感器采集汽車當前的車速 ,ECU 在綜合了這兩個傳感器輸入的數(shù)據(jù)后判斷是否提供助力， 并相位補償 助力控制 阻尼控制 回正控制 微分單元 電機電流 計算值 16 通過控制算法確定在提供助力的前提下助力的大小和方向。 ECU 工作原理 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元的工作流程和原理如圖 6 所示。在以上各章分析的基礎(chǔ)上，本章將具體闡述實際項目中的 EPS控制器的開發(fā)流程。 4 ECU電路結(jié)構(gòu)、功能和控制策略 控制單元是 EPS系統(tǒng)研究的主要部分之一， 也是國內(nèi)目前開展 EPS項目開發(fā)的重點。在電機啟動和制動時，慣性補償起作用，而在平穩(wěn)運行時，阻尼補償起主要作用。 輸入轉(zhuǎn)矩 車速 電機轉(zhuǎn)速 輸出 圖 5 EPS 電流關(guān)系的控制原理圖 EPS current relationship control schematic diagram 由此，得到電機的動力學方程為： ))(()(tmjmDaaa c jmcjam