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| 基于MC9S08JM6Il的电动助力转向控制系统设计(zxj) |
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摘要：采用Freescafe高性能微处理器Mc9s08lM60来设计EPs控制系统，同时采用模糊控制策略、增量式川)算法、综合补偿控制以及分层结构模块化设计思想，并利用基于软件冗余技术的容错方法来对系统进行改进，最后给出该控制系统的设计方案和相关设计内容，并进行相关的试验对控制效果进行榆验。
关键词：电动助力转向系统；模糊控制；增黾式PlD；软件冗余技术O引 言电动助力转向系统(以下简称EPS)是汽车电子行业的热门研究课题之一，它是一种利用助力电机(Dc motor或Ac motor)提供辅助转向力矩的动力转向控制系统是保障车辆可靠性和安全性的关键系统之‘。EPs不仅可以解决转向轻便性和转向安全性的问题，还能给驾驶员提供良好的路感，因而当代汽车工业越来越重视EPs的研究和设计。目前EPs研究的内容主要集中在助力特性的研究和硬件控制器的设计两个方面，其中硬件控制器的研究和设计就尤为苇要，本文在基于FTeescale高性能芯片Mc9s08JM60的基础—L对汽车电动助力转向控制系统的进行了一定的研究和没计。
1 EPs的构成EPs主要由电子控制部件和机械转向部件两个部分构成，其巾电子控制部分主要有电丁控制单元(Ecu)、扭矩传感器、车速传感器、霍尔电流传感器、助力电机等组成；而机械转向部分包括离合器、减速机构、齿轮齿条等组成。图1为EPs系统结构示意图、，Ecu是EPs的所有构成部件中的最关键部分，它的作用在于能够依据扭矩传感器和车速传感器检测到的扭矩信号和车速信号，经过特定的控制算法计算出转向所需的助力电机驱动信号，再根据这个驱动信号经过驱动放大模块来控制助力电机的转动，助力电机的输出通过减速机构增扭来驱动机械转向部件，进而产牛相宜的辅助转向力矩“。同时EPs控制系统还能实时根据车况和路况等综合信息为车辆转向提供可变的辅助转向力矩，提爿汽车高速行驶时的稳定性和低速行驶时的灵敏度，进而提升整车转阿l生能。
2微控制器JM60的简介微控制器足控制系统的核心，冈而微控制器的选型在控制系统的开发过程中就显得极其重要。
EPs控制系统开发过程中的关键环节就是为系统选择一款性能优良的微控制器，为控制系统取得良好的控制效果奠定坚实的基础。
本控制系统采用Freescak微处理器Mc9S08JM60作为主控芯片，它具有如下特点：4k片内RAM；60k片内Flash程序存储器，具有在线编程能力和保密功能；增强的HcS08 cPu结构，****支持32个中断源；5l根通用I／O脚，包括37根多功能I／O脚和14根专用I／0脚；两个增强型串行通讯口scI，两个串行外围接口sPI，两个集成电路内部通信接口Ic，两个16位双通道定时器接口模块(¨Ml和TIM2)，12路12位AD转换模块，一个实时时钟计数器模块；优化支持c语言。这些特征都使得它适合用于工业控制应用。
3 EPS控制系统的设计EPs系统涉及多个相互关联的部件，因而其控制系统的设计也较为复杂。本文主要从硬件的分层模块化结构和软件的模糊控制策略以及综合考虑补偿控制等因素来设计EPS控制系统。
3 l EPs控制系统的硬件电路设计EPs控制系统的硬件电路设计是一个系统过程，本文采用r分层模块化设计思想，片先选用丁，芯片JM60设计了该控制系统的最小系统；其次选用汽车电子行业专用元器件进行了除最小系统外的相关电路设计；最后将两者进行了数据的对接和调试。
这样设汁的优点在于一方面保证了最小系统的普适性，另一方面也保证了外围电路的灵活多变性，同时也还有利了硬件电路板降低功耗和提高抗干扰能力，根据EPs控制系统的特殊性，本文所设计硬件电路采用了模块化设汁思想，主要包含Ecu控制模块、信号采集输入模块、控制信号输出模块以及电源、报警和信息显示等其他配套模块，如图2所示。
其中信号采集输入模块由扭矩信号采集处理电路、车速信号采集处理电路、方向盘转角采集处理电路、反馈电流采集处理电路、发动机转速信号处理电路构成；控制信号输出模块南电机驱动电路、离合器驱动电路等组成．．3．1 1信号采集输入模块信号采集输入模块由多个相互关联的子电路构成，这里详细介绍其中的两个信号采集电路。
(1)扭矩信号采集处理电路根据车辆扭矩传感器的电气输出特性可知，其电气信号输出为O～5 V的模拟电压信号，而控制系统的JM60微理器处理信号的范围仅为O～3．3 V，冈而需要对原始扭矩信号先降压处理再接人微控制器的输入端。扭矩信号采集处理电路如图3所示，该电路具有滤波、分压和去噪功能。其中普通电容起到抗r扰作用，极性电容构成的Rc电路起低通滤波作用，电阻起分压作用，稳压管起限幅保护作用。
(2)车速信号采集处理电路由车速传感器的电气输出特性可知，其产生的输出信号是与车速成特定比例的正弦脉冲波，再经过里程表调理成相廊的方波信号，此方波信号的离电平是4～6 V，低电平是O～l V，凶而该信号需要处理后再接输入端口。图4为具有抗干扰和光电隔离功能的车速信号采集处理电路。
(3)方向盘转角采集处理电路方向盘转角信号采用光电感应式传感器获得，信号形式为一对相角相差90。的交互方波信号，通过比较两路信号的相位关系来判断方向盘的转动方向，进而通过测量两个时刻t1和t2之间的方波个数就能知道方向盘的相对转动角度，再加上初始时刻的相位角就能得到方向盘任意刚刻的****转动角度。
由于光电感应式传感器产生的方波信号幅值在O～5 V之间，而且信号含有一高频噪声．故方向盘转角采集处理电路包含降压、滤波和去噪二个部分。
(4)其他采集处理电路电机反馈电流信号采用霍尔电流传感器采集，是一个模拟电压信号，其采集处理电路可以参考扭矩信号处理电路；发动机转数信号是一个与发动机转数成比例的脉冲信号，这个信号采集处理电路和车速信号采集处理电路有相近之处，这里不再详述。
3．1 2控制信号输出模块控制信号输出模块主要包含两个驱动电路的设计，其中离合器的设计可以采用电磁继电器直接控制，设训‘较为简单，本文不做详述，下面重点介绍电机驱动电路的设计。
本设计中的EPs控制系统的助力电机采用有刷直流电动机，而要实现电机辅助转向功能，就必须设计电机调流调速电路，因而该驱动电路的设计非常重要，其设计的优劣直接关系到转向性能的好坏。
电机的调流调矩是采用开关电源式控制三极管输入电流方式来实现对助力电机输出电流的控制，从而达到转矩控制。目前，常用的直流电机调速方式有：
可控硅直流调速和大功率晶体管脉宽调制(PwM)调速两种。
相对于可控硅直流调速，PwM调速控制有如下优点：①电机损耗和噪声小；②系统动态响应好，工作频带宽；③电机低速状态下转速波动和电流脉动小，稳态精度高；④工作于开关状态下的晶体管，损耗低、能源利用率高、控制简便；⑤系统响应灵敏。
因此本系统电机的调速方式采用PwM调速电路实现。
本文所设计的PwM电机调流调速电路，利用大功率晶体三极管对电机调流实现调矩，并采用两个P型和两个N型M0s管搭建可逆H桥电路实现凋压调速，同时在控制信号端采用光耦器件进行光电隔离，电源部分采用电感器件对模拟电源与数字电源进行模数隔离。当PwMl输出脉宽信号、PwM2为高电平、PwM3和PwM4为低电平时，电机电流经Ql、电机、Q4和Q5流向电源地，这时电机正转。相应地，当电机反转时，元器件的通断情况恰好相反。具体EPs控制系统如何通过输出PwM方波信号实现助力控制如图5所示。
3．1．3 Ecu控制模块EPs控制系统的Ecu采用Frcescale微处理器MC9S08JM60来实现，由于JM60有多达37个多功能I／0口和14个专用I／O口，本没计根据各部分硬件电路的具体功能要求，将JM60的各个I／O端口进行了合理的配置，建立了Ecu控制模块与各个子功能模块之间的关联，使之能完成对整个系统部件的精确控制。具体Ecu控制模块的I／0端口配置及用途如表l所示。
3 2 EPs控制系统的软件设计EPs控制系统中，助力电机的目标电流与方向盘扭矩信号、车速信号之间的关系是非线性的，而助力电机本身的电流控制方式采用的是线性方法。本设计考虑到EPs控制系统兼具线性和非线性的双重特点，决定采用模糊控制和传统PID控制相结合的控制策略，应用模糊控制算法求解助力电机的目标电流，以增量式PID方式来实现对电机电流的精确反馈控制。 |
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