外文翻译--汽车电动助力转向系统控制单元的开发【中英文文献译文】
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汽车电动助力转向系统控制单元的开发曾群 南昌大学信息工程学院,南昌,中国,电子邮箱:zengqunncu.edu.cn黄巨华 南昌大学机电工程学院,南昌,中国,电子邮箱:huangjuhua163.com摘要:电动助力转向系统使用电动马达,提供必要的控制驱动程序。EPS系统采用变量协助,当车辆速度减小时,它提供多的助力,相反的,当车辆速度增大时,它提供少的助力。此功能今几年才可用,需要动力和控制间微妙的平衡。EPS系统已被用来取代传统的液压助力转向系统(HPS),EPS系统广泛用于高端和低端汽车,它注定很快成为主流来制造汽车。在本文中,控制单元与直流电动机协助EPS系统。再加上相应的软件开发,硬件电路,可以有效地满足电动助力转向系统的需求。关键词:电动助力转向系统;控制单元:逻辑电路;驱动电路;汽车.简介 大多数现代汽车都装有电动助力转向系统来增加汽车的操控性能并降低方向盘上的输入扭矩,因为当汽车前轴负荷越大,需要手动转向盘转动车轮的力越大。电动助力转向系统将要在转向市场上扮演重要的角色,因为他们更高的助力性能,更高的可靠性和低价格1。 图1. EPS的结构 EPS系统的效率优势是,只有需要用到的时候它才会被激活。因此,相比配备了传统的HPS系统23的车辆可以降低约3-5%的油耗。方向盘转矩传感器和车速传感器输入信号;电动马达驱动器输出信号,EPS协助转向。 汽车的电动助力转向由EPS的电子控制单元(ECU)控制。EPS系统在小型汽车上广泛使用,因为它们代替了动力转向助力器模块。这种结果节省重量和空间同时提高了燃油经济性。EPS是一个复杂的系统,采用传感器不断测量车轮扭矩,以保持车辆的路径。通过不断复位,以适应不断变化的路面情况或车辆转弯。 根据辅助直流电动机的布置,EPS分为三种形式:协助列类型EPS(C-EPS),协助齿轮类型EPS(P-EPS),和协助机架类型EPS(R-EPS)。C-EPS的硬件结构如图1所示。 C-EPS系统的车辆,如汽车和卡车通常包括方向盘,电动马达,控制器,一个或多个传感器,转向轴和转向齿轮装配。舵机组件可以是一个齿轮齿条式,循环球式转向齿轮传动装置或任何其他合适的转向器装配。电动机通常通过螺纹连接马达和蜗轮连接加上转向轴,一个扭矩传感器提供反馈信号给控制器。反馈信号所需要的驱动程序是转动方向盘。随着驱动的增加,电动机的蜗轮旋转并带动其他的蜗轮旋转。蜗轮连接在转向轴上减少了转动方向盘所需要的驱动力。在本文中,根据电动助力转向控制系统的特点,我们设计的硬件系统是采用单片机MC9S12DP256B。C-EPS的目的是使转向更安全,更方便。.控制单元的整体设计 在我们设计EPS的电控单元之前,知道这个系统的整体结构是重要的。EPS的控制单元主要包括两个模块:逻辑电路模块和功率驱动模块,如图2所示。图2. ECU模块 逻辑电路模块由三部分组成:最小单片机系统,外部信号处理电路和驱动信号分配电路。功率驱动模块由两部分组成:直流电动机和H桥驱动电路,包括H桥67。外部信号处理电路接收传感器信号,包括转向信号,电流信号和开关信号,然后通过A/D端口或其他I/O端口把这些信号转换成合适的形式给单片机。该电路在输入噪声信号抑制也起着重要作用。 最小单片机系统指单片机能够正常运行的最低配置。这里我们主要定义它为必要的I/O端口和芯片硬件。驱动信号分配电路过程是从MCU的PWM信号,然后发送到电机驱动芯片PWM或脉冲宽度调制是指迅速脉冲数字信号在电路上模拟不同电压的概念。这种方法通常用于驱动不同强度或速度的电机,取暖机或灯。 H桥驱动电路实现了MOSFET的开关控制和一些保护功能。H桥由四个N沟道MOSFET组成。它的功能是控制直流电动机旋转。 EPS控制器的硬件结构如图3所示。图3. EPS的硬件逻辑图 它显示了典型车辆上的EPS控制器的结构。MCU接受转矩传感器和速度传感器信号,通过驱动电路来驱动马达计算当前电机的需求。马达的能量是由外部继电器和电机驱动电路。连接到EPS的所有传感器和执行器由单片机控制。一旦系统异常,ECU警告灯将被点亮,发出警报信号,然后通过中断电路切断电源来阻止事故。单片机的输入信号包括扭矩传感器,角度传感器,车速传感器,发动机转速,电池电压和通过直流电动机的反馈电流。单片机的输出信号时PWM信号,根据电机的实际需要改变占空比。 另外的,电机有一个离合控制电路。它是用来在减速机构万一失效的情况下断开电机的。.微处理器的选择 飞思卡尔MC9S12DP256B微控制器单元是一个由标准片上外设组成的16位设备,包括一个16位中央处理单元(HCS12系列的CPU),256字节的闪存EEPROM,12.0K字节的RAM,4.0K字节的EEPROM,两个异步串行通信接口(SCI),三个串行外设接口(SPI),一个8通道的IC/IO增强型捕捉定时器,两个8通道10位模数转换器(ADC),一个8通道脉冲宽度调制器(PWM),89离散数字I/O通道(端口A,端口B,端口K和端口E),20个离散数字I/O线带中断和开启功能,五个A,B软件兼容模块(MSCAN12)和一条总线。这一系列的飞思卡尔芯片被广泛应用于汽车电子领域。单片机的功能和特点是适合于EPS系统的。图4显示了MC9S12DP256B设备的图框。图4. MC9S12DP256B设备图框 该系统资源映射中断控制和总线接口管理系统集成模块(SIM)。MC9S12DP256B有完整的16位数据路径。然而,外部总线可以工作在8位窄模式,所以单一的8位宽度的存储器可以是成本较低的系统。PLL电路允许功耗和性能能进行调整,以适应运行需求。.直流电动机的驱动电路设计 直流电动机是EPS系统的执行元件,电机驱动电路对系统设计是非常重要的。在这个系统中,我们使用脉冲宽度调制技术控制H桥电路,这个是由四个MOSFET89组成的。 当EPS系统工作时,它需要电机正方向和反方向运行,所以我们需要H桥电路来实现,H桥电路系统如图5所示。这个电路有四个MOSFET(V1V4)和四个连续二极管(VD1VD4)组成。当电机左转,电流从+US流经电机和V4流入负极。当电机右转,电流反方向流。图5. H桥电路 由于它的最大工作电压为12伏,它的最大电流为20安培,我们选择IRF3205,它是高速N通道MOS,它的额定电流是110安培。 MOSFET更好的工作状态显示的它的高性能,它减少了开关时间,开关功耗,提高了电源转换电路的运行效率。MOSFET有三种驱动形式:变压器驱动,直接驱动和光耦隔离驱动。变压器驱动能隔离驱动信号,动力损失非常小。但是它的频率受限制,不利于PWM信号传输。直接驱动的方式适用于小容量和MOSFET不受保护的场合。光耦合器隔离的驱动方式需要光耦合器具有更高的速度,对电源电压具有更高的绝缘承受能力和较大的共同抑制比。我们选择IR2130作为全桥驱动。IR2130芯片是一种高电压高速功率的MOSFET和带三个独立的高端与低端IGBT驱动器参考输出通道。 它采用高集成度的电频转换技术,它大大简化了功率器件的逻辑电路的要求,同时它也提高了驱动电路的可靠性。它可以用来驱动MOSFET或IGBT,总线电压不高于600伏,最大正向峰值输出驱动电流是250MA,而反向峰值电流为500MA。IR2130经常被用来驱动BLDC电机,但是它也能被用来驱动BDC电机。 当IR2130在正常工况下,6通道脉冲输入信号被分为两组。L1L3信号通过输出驱动放大器功率器件直接驱动低的电桥。信号H1H3先通过IR2130内部脉冲处理器和被三电平转换器转换成3路潜在的驱动脉冲,然后通过3路输出锁存。最后经过功率放大器之后,这些信号被发送到相应的MOSFET。 一旦负载电流过大,从目前检测到的单元电压大于0.5伏,IR2130内部电流将迅速扭转,从而使故障输出逻辑处理单元降低,阻止3路脉冲信号处理器的输出,所以整个IR2130输出低,从而能保护功率管。在另一方面,IR2130的错误脚本在同一时间给出故障指示。如果电源输送的电压低,IR2130的电压检测器将会翻转,它也进行了类似的行动10。 当IR2130是受保护的,故障逻辑处理单元的输出将保持故障状态。当故障信号消失,输入信号LIN1LIN3设置为高,我们可以清楚故障状况。当自举电源电压IR2130驱动供给桥臂管低,驱动信号探测器迅速采取行动,阻止输出路径以避免损坏。当H桥臂的两个相同的功率器件同时接收高的输入信号时,从IR2130输出的两路驱动信号将会变低,从而避免了直接流经桥臂的情况发生。 带IR2130的电机驱动电路如图6所示。从MCU的PWM信号被发送到IR2130芯片内部端口HO1和LO2直接控制MOSFET的V1和V4。通过反相芯片(74LS04)的PWM信号被发送到端口HO2和LO1控制MOSFET的V2和V3。PWM信号同时控制四个MOSFET,在这里我们使用双极性PWM控制模式。当占空比介于0和50%时,电机左转。当占空比等于50%时,电机停止。当占空比大于50%时,电机右转1112。 在电机驱动电路中,KF157和IN4007是高速二极管,电阻R1R4是用来限制MOSFET的驱动电流,我们在这里选择的阻止是1030欧姆。直流电动机连接MOC+和MOC-。图6. 驱动电路 C4被称为外部自举电容,它的值大约是0.1uf2uf,我们建议使用钽电容。 自举电容值可以由下式得到: 这里: :高端设备的栅极电荷。 F:工作频率。 (max):高端设备的最大静态电流。 :在每个周期中的电平转换电路要求。 (leak):自举电容的电流。 :电源电压。 :自举二极管的正向压降。 :低端设备或高端负载电压。五:结论 因为MC9S12DP256B许多强大的功能,以及其丰富的芯片资源,通常,我们为了得到进一步的应用,只需增加一些简单的外围电路。开发的硬件电路能有效地满足电动助力转向系统的需要。然而,电动助力转向系统的设计不只是依赖车辆的速度和扭矩信号,转向角,转向速度,横向加速度,前轴电信号这些因素需要被考虑来提高EPS系统的系能。在本文中,电动助力转向系统放大电路的设计和它的过程的设计是经过讨论的。为了获得良好的控制效果,相应的软件设计是必要的。EPS系统在发动机效率,空间效率和环境兼容性方面比传统的液压助力转向系统有许多优势。汽车技术的发展趋势是汽车产品电气化。越来越多的电子控制装置将被应用于汽车领域。线控转向(SBW)是EPS的发展方向。致谢这项工作的财政支持是由江西省政府和南昌大学提供的。参考文献1 田中.EPS电控转矩的主动转向性.AVEC04,pp.501-506.2 J.M米勒,D金卡明斯基,惠普.新一代汽车电气系统.国际运输电子大会,凯越丽晶酒店,迪尔伯恩(美国),1988.10,pp.19-21.3 H.Schwab,A.Klonne,S.Reck,I.Ramesohl,G.Sturtzer,B.Keith.汽车应用的永磁电机驱动器的可靠性评估P,图卢兹(法国),2003.4 T.A凯,一种只使用三种程控交换机的可变频率的三相异步电机驱动系统,IEEE的工业应用,第37期,11-12,2001,pp.1739-1745.5 马努帕尔马,约翰红,辅助转向系统建模和电力传感器控制器优化设计P,第3卷,2002,pp.1784-1789.6 夏普R.S和格兰杰R,车在停车速度转向扭矩,机械工程师学会,第217期,D部分:汽车工程,2003,pp.87-96.7 Neureder,U,四轮定位调查,机械工程师学会公诉,第216期,D部分:汽车工程P,2002,pp.267-277.8 A,T.Zaremba,M.K Liubakka,R,M.Stuntz,在电动助力转向系统设计中控制和转向感觉的问题P,1988,pp.36-40.9 L. 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