單片機的EPS驅動(dòng)電路設計

1 EPS系統基本結構及工作原理

電動(dòng)助力轉向系統（EPS，Electric Power Steering）是未來(lái)轉向系統的發(fā)展方向。該系統由電動(dòng)機直接提供轉向助力，具有調整簡(jiǎn)單、裝置靈活以及無(wú)論在何種工況下都能提供轉向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統可在不更換系統硬件的情況下，通過(guò)改變控制器軟件的設計，十分方便地調節系統的助力特性，使汽車(chē)能在不同車(chē)速下獲得不同的助力特性，以滿(mǎn)足不同工況下駕駛員對路感的要求。

電動(dòng)助力轉向系統（EPS）主要包括傳感器、控制器和執行器三大部件。傳感器將采集到的信號經(jīng)過(guò)相應處理后輸人到控制器，控制器運行內部控制算法，向執行器發(fā)出指令，控制執行器的動(dòng)作，系統結構如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤(pán)時(shí)，轉矩傳感器根據輸人轉向力矩的大小，產(chǎn)生出相應的電壓信號，由此電動(dòng)式動(dòng)力系統就可以檢測出操縱力的大小，同時(shí)，根據車(chē)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車(chē)速，再控制電動(dòng)機的電流，形成適當的轉向助力。

2 EPS控制系統硬件電路設計

2.1 微控制器的選擇

MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根據當前汽車(chē)的要求設計出來(lái)的一個(gè)系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內部倍頻技術(shù)，使內部總線(xiàn)速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類(lèi)單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車(chē)內部惡劣的環(huán)境。設計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標準模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉換模塊、1個(gè)8通道脈寬調制模塊、49個(gè)獨立數字I/0口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內部IC總線(xiàn)模塊；片內擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。

2.2 硬件電路總體框架

電動(dòng)助力轉向系統的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車(chē)速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統的硬件邏輯框架如圖2所示。

2.3 電機控制電路設計

直流電動(dòng)機是EPS系統的執行元件，電機的控制電路在系統設計中有著(zhù)特殊的地位。在本系統中采用脈寬調制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對直流電動(dòng)機的控制，由4個(gè)功率MOSFET組成，如圖3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。系統采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂。IRF3205具有8 mΩ導通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿(mǎn)足EPS系統對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過(guò)15V）大電流（額定電流30 A）的要求。

2.3.1 H橋上側橋臂MOSFET功率管驅動(dòng)電路設計

上側橋臂的MOSFET功率管驅動(dòng)電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當MOSFET的控制信號a（b）為高電平時(shí)，Q1和Q2導通，電源通過(guò)Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導通，Q3截止。當Qa導通時(shí)，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí)，Qa的柵-源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向導通壓降，其典型值為0.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導通，降低器件的直流導通損耗，VGS不低于l0V。因此需設計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿(mǎn)足功率MOSFET的驅動(dòng)要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

當MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導通，Qa的柵-源極電壓通過(guò)R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí)，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導通門(mén)限電壓為2～4V，OV的柵-源極電壓能夠使其關(guān)斷。

2.3.2 下側橋臂的功率MOSFET管驅動(dòng)電路

下側橋臂的功率MOSFET驅動(dòng)電路如圖5所示，其中Qc/Qd為下側橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當MOSFET的控制信號c（d）為高電平時(shí)，Q1導通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過(guò)R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。

當MOSFET的控制信號c（d）低電平時(shí)， Q1截止，Q2導通，電源通過(guò)Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導通。當Qc導通時(shí)，其柵-源極電壓等于電源電壓減去Q2的集-射極飽和導通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向導通電壓。所以，Qc的柵-源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當蓄電池電壓為12V，取各參數為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿(mǎn)足IRF3205的柵極驅動(dòng)（10V）所需的電壓

2.4 蓄電池倍壓工作電源

由于上側橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設計蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅動(dòng)電路，保證高側MOSFET功率管能夠完全導通。

電源倍壓電路如圖6所示，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構成電荷泵電路。當NE555引腳3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過(guò)D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限制，使得系統輸出電壓低于供電電壓的2倍。

3 電機驅動(dòng)電路臺架試驗

根據電動(dòng)轉向控制系統對穩定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉向系統控制程序，并在汽車(chē)電動(dòng)轉向試驗臺上進(jìn)行臺架模擬試驗，車(chē)速信號用模擬車(chē)速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖7為中等車(chē)速轉向助力時(shí)，測量的方向盤(pán)轉矩（T）和助力電動(dòng)機電流（I）變化曲線(xiàn)。從圖7中可以看出，在轉向過(guò)程中，助力電動(dòng)機電流隨著(zhù)方向盤(pán)轉矩的變化而變化，電動(dòng)機電流的變化趨勢和方向盤(pán)轉矩的變化趨勢相吻合，表明電動(dòng)機的助力轉矩對方向盤(pán)轉矩有良好的跟蹤性能。轉向操作時(shí)，無(wú)助力滯后感，轉向平穩，表明轉向系統具有良好的跟蹤性能和操縱穩定性。

4 結語(yǔ)

MC9S12系列16位單片機片內資源豐富，對于一般的簡(jiǎn)單應用，只需一片單片機加少量圍電路即可。開(kāi)發(fā)的直流電機電路經(jīng)初步試驗，性能良好，可基本滿(mǎn)足電動(dòng)助力系統轉向系統的需要。文中只介紹電動(dòng)助力轉向系統硬件電路設計的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉向系統將不僅僅局限于依據車(chē)速和扭矩這2個(gè)基本的信號進(jìn)行電動(dòng)助力轉向系統的研制，轉向角、轉向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來(lái)的電動(dòng)助力轉向系統中可能都是要考慮的因素。