EPS电动助力转向系统的软硬件设计

　　摘要：本文详细介绍了基于C8051F31X系列微处理器的电动助力转向(EPS)系统的方案设计，给出了详细的硬件设计和软件设计。试验结果表明，该系统具有电路设计方便、性能稳定可靠、保护电路齐全、性价比好等突出优点，为汽车EPS系统提供一个优秀的设计方案。

　　电动助力转向系统基本结构及工作原理

　　汽车的助力转向系统是协助驾驶员进行汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，目前汽车上配置的助力转向系统大致可以分为三类：(1)机械式液压动力转向系统；(2)电子液压助力转向系统；(3)另外一种电动助力转向系统，英文全称是Electronic Power Steering，也就是我们常说的EPS，也可以称为“电子控制助力”，它是在EPS控制器的作用下驱动电动机产生的动力协助驾车者进行转向控制。EPS的构成一般是由扭矩传感器、电子控制单元ECU、助力电机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源。现在我们介绍的主要是电子控制单元ECU的软硬件设计方案。

　　主要工作原理：驾驶员在操作汽车转向时，扭矩传感器会“感觉”到方向盘的扭矩和转向，这些信号会通过AD模数转换器，量化后传送给电子控制单元的微处理器，电控单元会根据转向轴的转动力矩、转向等数据，向EPS控制器发出动作指令，助力电机就会根据具体的需要，输出相应大小的转动力矩，从而实现助力转向。如果不打方向盘，则EPS系统就不工作，处于等待调用状态，而且，助力电机的助力输出也随着车速的提高而减小，当车速超过设定值时会停止工作，助力消失，这使车在高速行驶时更加稳定。由于电动助力转向这样的工作特性，你会感觉到方向盘的方向感好，轻便，高速时稳定不发飘。图形1为电动助力转向系统的基本结构。

　　硬件电路原理设计

　　EPS控制器由C8051F系列微处理器、扭矩传感器、模拟信号调理、光电隔离、单稳态保护电路、PWM信号驱动电路、铝基板电机驱动电路、离合器控制电路，电流反馈电路、故障指示、电源。由于C8051F系列微处理器的各部分功能十分强大，定时器、PCA、AD转换器、比较器、交叉开关、IIC、SPI、温度传感器在CPU内部集成，从而大大降低电路的复杂性及成本，担高了可靠性。硬件原理如图2所示。

　　微处理器电路

　　C8051F310处理器是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具备25MIPS流水线结构CIP-51内核，单周期的指令、带模拟多路开关、10位200ksps的25通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz内部振荡器、16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280byte片内RAM，四个通用的16位定时器，这为EPS系统的车速、发动机转速提供很好解决方案。PCA模块方便了PWM电机调速、端口交叉开关编程为引脚多功能复用提供实用条件。增强型UART和SPI串行接口、硬件实现的SMBus、片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，这些可为EPS实现通讯扩展，故障诊断，温度保护等功能。

　　EPS的前端信号处理电路

　　这部分电路包括扭矩传感器的信号提取、调理及行车信号(车速、发动机转速、点火信号)的隔离与获取，它是EPS执行的先决条件，这部分的信号直接关系到EPS系统的正确执行。同时也是后面保护电路的输入条件，非常重要。

　　扭矩传感器信号的提取、调理

　　我们采用的扭矩传感器其输出包括力矩与角度两种信号，力矩信号的输出有两路，分别是T1、T2，角度信号(转向角)的输出有三路，分别是P1、P2、P3，具体传感器的输出特性请参照相关的数据手册，提取算法将在软件设计部分完成。这里侧重讲述信号的调理，原理如下图3，传感器具有5路模拟信号输出，原理相同，我们讨论其中一路T1。传感器的输出是0~5V信号，通过R1，R2电阻分压原理与3.3V系统进行匹配。C1，C2，R3组成了一个阻容滤波器滤掉前端的信号噪声，V1为TVS管，用于限制信号的幅度在0~VCC之间，N1是LM324运放，接成射极跟随形式，以提高信号的输入阻抗，降低信号的输出阻抗。输出信号Sensor_T1_out直接输出给微处理器的内部AD转换，量化后提供给力矩提取算法使用，其它4路原理一致。

　　行车信号的调理

　　由于车速CS、发动机转速FDJ、点火KEY这些信号幅度达到24V，也是需要调理后才能跟3.3V系统兼容，采用光电隔离是比较好的措施，参照图4所示：车载信号通过接插件把24V左右的行车信号引入VI1的光电隔离前端，隔离输出变为3.3V低压信号，以实现强弱电隔离输出。

　　H桥驱动电路、PWM调速原理、保护电路及电流反馈电路

　　H桥电机驱动电路与PWM调速原理

　　我们采用了Infineon公司的智能功率开关管BTS550P和MOS管IPB80N08S2L构建了H桥电路，BTS550P具有过载保护、过流限制、短路保护、超温保护、超压保护、负载电流反馈等，可以利用其负载反馈功能代替传统电路中的电流传感器。图5由V1、V2、V3、V4构成的H桥的简化框图。高端智能功率开关管BTS550P不需要增加倍压驱动电路，只要在2脚和地之间加上电压控制信号即可。

　　PWM调速原理：如果把DIR换向信号施加到高端管V1，把调速信号PWM施加到V4上，就会得到电流A-B的电动机正向助力；如果DIR、PWM信号施加到V2和V3上，则得到电流C-D的反向助力。根据BTS550P的驱动要求，上管的控制信号不需要倍压器件产生，接地或者接24V。BTS550P用于选择正向还是反向控制，PWM信号控制低端MOS管IPB80N08S2L电流大小，从而实现电机M的PWM调速。

　　电流反馈电路：BTS550P的第4脚为电流反馈端，接一个电阻就可以把电流信号转换成电压信号，供后面的比较器和AD转换使用。

　　采用智能功率开关BTS550P和MOS管IPB80N08S2L搭建的H桥电机驱动电路与传统的H桥电路相比就具有如下特点：

　　第一，高边管控制简单，控制电平信号不需要倍压器件专门产生，由普通的逻辑器件加晶体管就可实现。第二，简化H桥的电流测量，负载电流的反馈信号可直接输入到单片机作为控制参数。第三，智能功率开关BTS550P本身具有过载保护机制，可简化电路过载保护设计。整个H桥设计在一块铝基板的PCB板上，功率器件的热量通过铝基板传导到散热器上，实现完美的散热工艺。

　　MOS管驱动电路

　　图6采用V1、R1-R4、C1组成的电子开关电路，用于驱动H桥高边管的BTS550P的控制极，实现弱电控制强电的目的。当H桥高边管控制信号输出高电平时，V1导通，BTS550P的控制极第2脚变低，反之变高，以实现高边管开关。PWM信号通过V3控制H桥的低边管V4，此为H桥的单边桥的控制原理，另一边相同。

　　保护电路

　　保护电路是以可重触发的单稳态触发器设计而成，此电路有两种状态，稳态和暂稳态。对于可重触发型单稳态器件，当电路的暂稳态还没有结束之前，再来一次触发信号作用后，电路将对这个新的触发信号进行响应，还要再延迟一个暂稳态时间，电路才能返回稳态，此暂稳态时间由逻辑符号中的CX、RX/CX是外接阻容元件决定。图中D1A、D2B的第1、9脚为脉冲触发端，Q端为暂稳态输出端，其高电平为暂稳态。我们利用这个特性进行H桥的得电保护设计。

　　发动机转速脉冲、看门狗脉冲、传感器信号电平是EPS正常工作的三个重要条件，只要其中任何一个条件不满足，EPS的H桥驱动将不能正常得电。我们把转速脉冲和看门狗脉冲作为触发器的触发信号。车子启动和EPS的程序正常正是由这个条件来判断的。只要这个脉冲不消失，单稳态器件D1的输出永远是暂稳态高电平，也直接影响到U1A三个输入条件的建立。

　　图中U1A的三个输入端同时为高电平时，即三个条件同时成立，经过D2A反相变高驱动V5导通，使用H桥电源继电器闭合，H桥得电而正常工作。但是如果U1A的三个输入端条件只要有一个不正常，那么H桥失电而不能正常工作，从而起到断电保护的作用。

　　发动机转速脉冲是汽车正常运转工作标志之一，传感器信号电平是扭矩传感器正常工作的状态标志，看门狗脉冲是EPS主程序正常运行的标志，发动机转速脉冲、看门狗脉冲与D1A与D1B两个单稳态触发器相连，只要此脉冲不消失，则单稳态触发器D1A与D1B输出为高电平，如果传感器信号电平也为高电平时，那么U1A输出低电平信号经D2A反相变高后可驱动继电器闭合。反之则关闭。以上工作原理为EPS的断电保护机制。

　　各单元电路的综合理解

　　以上详细介绍了各单元电路的工作原理及电路，把图1电路简化后得到各电路间的简图，如图8所示，分析理解他们之间的联系：

　　(1)主进程：转向助力的产生与调节，力矩传感器信号与车载信号通过调理后进入微处理器内部，经过微处理器内部量化，供程序算法使用，CPU获得这些外部参数，执行EPS控制算法输出PWM信号，经过驱动后加载到H桥的高低边功率管上，以驱动EPS电机产生助力。

　　(2)保护进程：保护电路收集到EPS控制器工作的必要外部条件，如果这些条件都满足，保护电路会驱动电机电源继电器闭合，以使铝基板电机驱动板得电工作，反之将不能正常工作，主进程也会停止，EPS不产生助力。

　　(3)反馈进程：电流反馈进程有两个作用，处理如下：

　　一路经过比较器输出，输出电平用于控制PWM信号的输出，从图8中我们可以看出PWM信号驱动上，有一个3输入与门用于控制PWM的输出，比较器的过流保护信号就是其中输入条件之一，只要电机过流，比较器就会产生一低电平使3输入与门关闭，也就关闭了PWM输出。

　　另外一路经过调理器后进入微处理器内进行量化，以供微处器执行相应程序保护。

　　程序设计

　　固件程序采用C51语言进行设计，采用模块化设计思想，主要子程序包括：扭矩传感器的力矩与角度信号的提取算法、车速信号和发动机信号的测量程序、助力调节控制算法、保护电路的控制算法、设备的初始化定义、中断程序等。

　　固件程序框图如图9所示。

　　结论

　　通过试验，EPS的输出特性曲线如图10所示，硬件电路完全能满足电动助力转向控制需要，实验证明上述的电动助力转向系统的设计方案可行，采用混合信号片上系统微处理器，不仅自身处理功能强大，而且外围扩展方便，成本低廉。同时采用表贴安装的铝基板H桥电机驱动电路结构，是一种新的尝试，这不仅减少了汽车振动对EPS的影响，同时也很好地解决了功率器件的散热问题。

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　　谭群林 株洲南车时代电气股份有限公司（湖南 株洲412001）