摘要：简单分析了电动助力转向(EPs)系统的结构与工作原理．介绍了 EPs系统无刷直流电机的电路构成和控制方法。设计开发了采用单片机进行控制．车载蓄电池供电，用MOsFET构成的三相逆变器驱动的EPs控制系统的电控单元(Ecu)。详细介绍了硬件电路利软件的殴计，最终通过EPs台架实验，验证了所采用的PwM控制策略对EPs系统助力转向过程的有效控制。该系统实现简单，具有较强的实用性和经济性。

关键词：电动助力转向；无刷直流电机；电控单元

1         引言

    电动助力转向(EPs)是一种直接依靠电力提供辅助力矩的动力转向系统，助力大小由电控单元(Ecu)控制。废系统仅依靠汽车上的蓄电池作为其电源，也不需要复杂的控制执行机构，只需要控制电动机电流／电压的幅值，就能实现转向系统的自动控制。

    作为EPs系统的动力单元  一助力电机，其应当具有启动迅速，伺服性能好，转动惯量小，噪声低，易控制，可靠性和安全性高，对其它控制电路的电磁干扰尽量小，体积小，重量轻等特点。目前，传统的EPs系统多采用永磁有刷直流电动机，然而有刷直流电动机换向时产生的噪声和火花对汽车的行驶安全性带来很大影响以及其自身的功率密度低，能耗较大，给EPs系统的普及带来不便。为此，使用电子换向、高功率密度、高安全性和可靠性的无刷直流电机是EPs系统的发展方向。

    本文设计的基于无刷直流电机的EPs系统由车载蓄电池供电，主电路采用三相全桥逆变电路，主开关管采用开关速度快、损耗低、驱动功率小的MoSFET。无刷直流电机的控制采用上桥臂常通，下桥臂PWM斩波的三相六状态、两两导通方式，每一时刻只有两相导通，这．方式开关管总损耗低，实现起来简单。

    2         EPS系统的构成和工作原理

EPs系统由Ecu、转矩传感器、助力电机、电磁离合器、减速机构和机械式转向器等组成。   EPS基本工作原理如下：Ecu根据转矩信号和车速信号以及EPS系统中转矩、车速和助力电流三者之问的特定关系，将转矩信号和车速信号转换为给定电流信号，输入到运算单元进行闭环控制，从而实现了EPs系统的助力转向特性。此外，EcU还有安全保护和自我诊断功能，ECu通过采集电动机的电流、输入电压等信号判断系统丁作状态是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，并切换至方向盘机械转动，不影响车辆的安全行驶，同时ECU将进行故障诊断分析，输出显示故障代码。

    3助力电机的控制

    3．1  EPs系统的总体结构与控制

Rps挡制器采集点火信号、转矩传感器信号、车速信号、发动机转速信号和直流侧电流信号，并通过无刷直流电机的霍耳位置传感器信号得到转予位置．将以上信号综合起来判断方向盘目前所处的状态．根据所处状态的不同，实施相应的助力控制策略．从而达到协助驾驶员进行转向操作的目的。

    功率驱动电路采用三相全桥逆变结构，电动机定子绕组为Y接法，电动机为三相六状态、两两导通工作模式。本文选用的电机自身带传感器，实时将3路位置信号送人单片机，经过软件处理得到6路PwM控制信号，电机的霍耳信号与相应的导通相的关系。 助力电机的转矩控制是EPs控制的关键，由无刷直流电机的控制可以知道，控制电机的电流就可以实现电机的助力转矩控制。本实验系统采用电流单闭环方式，由表l可知，电机任一时刻只有两相导通，即相应时刻直流母线上流过的电流就等于相应导通相的电流，通过控制直流母线上的电流就可以实现电机相电流的控制。这种控制方式忽略了电机绕组电感的续流作用，是一种近似电流控制，只需在直流母线l一串联检测电阻来采样一路电流，有利于EPs控制器的小型化与经济化，性价比高。

    本文选用Inflneon公司的16位单片机XEl64作为控制系统的核心，系统主频80 MHz。在EPs系统中，方向盘主、副转矩信号、直流电压信号、电机商流母线电流信号共4路模拟量．通过各自的调理电路输入到单片机的P5口；运行、故障、状态指示由PO¨控制；过热保护、驱动使能检测、电磁继电器和电磁离合器检测、过欠压保护由P1 口输入；实时状态及故障代码显示电路由P2几控制；6路驱动信号山P10．O-P10．5输出；紧急制动由PlO.6实现；3路霍耳位置信号由PlO．7-P10.9输入；定时／计数器T2，T3分别设定为采集车速信号和转速信号，由p4．2和P5．3口输入。

    3．2硬件电路的设计

硬件电路的设计包括电压调理电路、主副转矩信号采集电路、电磁继电器检测与驱动、电磁离合器检测与驱动、电动机电流采集电路、位置信号检测、电机驱动及主电路等组成。其中电动机电流采集电路、电机驱动及主电路为本系统的关键模块。

    3 2．1电动机电流采集电路

本设计采用在主回路中串联一个精密电阻．通过测量电阻两端的电压来获取电流值。比起采用霍耳电流传感器．降低了装置成本。

    本设计精密电阻阻值选用4 mΩ，与电枢电阻值(一般在200mΩ左右)相比要小得多，基本不影响系统工作。电流采样电路如图4所示，电阻两端的电压经过稳压管z。限幅和电容C滤波，再通过运放cA3140进行信号放_人。考虑到电机电流的波动性，CA34O的输出电压信号经过限幅和滤波处理，然后送给单片机的AD口和 IO口。CPU将该信号作为电动机电流反馈控制信号和故障诊断信息。

    3 2．2电机驱动及主电路

该部分主要由开关管MOsFET、电流采样电阻、驱动芯片等组成，如图5所示。主电路采用i相全桥逆变电路，主开关管采用开关速度快、损耗低、驱动功率小的M()sFET，驱动芯片选用Infincon公司生产的6FD驱动芯片，此驱动芯片工作电压为3～1 7．5V且自身带有欠压锁定功能，典型值1 0．3 V。电阻R77一为4 mΩ／12 w的精密电阻，作为电流采样电阻串联在直流母线。

 

    3．3 EPs系统的软件设计

EPs控制系统的任务包括：跟踪转向转矩的大小和方向、车辆速度、监测电机电枢电流和蓄电池电压，并控制电磁离合器的离／合、系统故障检测及显示等，软件流程如图6所示。主程序主要用来对单片机的各片内、外设进行初始化。初始化列进行各部件初始检查．若无故障．EPs才可工作，开放所需要的各种中断，进行电池电压和电机电流监测，完成车速和故障显示。一些关键性的控制是以中断方式实现的，系统中利用定时器来产生恒定的主副转矩和电池电压采样频率。电机电流是EPS控制的核心-文中采用了T12的周期巾断来采集，采样周期为50us，保证了电流控制的精度。

    4结果分析

本文搭建了无刷直流电机EPs系统性能实验台架，并针对上述EcU的硬件设计和软件设计进行了验证。实验台架的驱动电机额定电压为24 v，额定功率PN=188 w，额定转速nN=4 OOOr／min，额定转矩为O．6 N·m，峰值转矩为1．85N·m。

    图7验证，当给转向盘一个持续转矩的情况下，助力电流跟踪转矩给定的情况。通道l为通过采样电阻经调理电路送人到单片机的电压信号，通道2为转矩传感器输出的电压信号(所采用的转矩传感器中位电压为2.5 V)。南于机械形变不均．转矩传感器的变化呈非平滑曲线。当操纵转向盘从中位，先施加一个正向渐大的操作转矩时，助力电机正转助力，当施加一个反向渐大的操作转矩时，助力电机反转助力，给定电流跟随转向转矩的变化而变化。由于电机启动电流比较大，给定电流在PI的作用下出现较大尖刺(如图7中电机正反转启动时所示)。

    图8为给定电流实时变化的情况下，电机电流的跟随情况。给定电流山小渐大再由大渐小，电机电流都能实时跟随给定。图9为图8的局部放大图形。

    5  结论

    本文采用直流母线单电阻采集电流方式，实现了EPs系统无刷直流电机的控制，实验结果验证了控制方法的合理性，同时可以有效降低Ecu成本与体积。