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1、第3 7 卷第4 期拖拉机与农用运输车V 0 1 3 7N o 420lO年8月TractorFarmT r a n s p o r t e rA u g，2 0 1 0基于A R M 单片机的汽车电动助力转向系统的设计陆文昌。顾灶德(江苏大学汽车与交通工程学院。江苏镇江2 1 2 0 1 3)摘要：在阐述了电动助力转向系统(E P S)及其控制器(E C U)结构和工作原理的基础上，设计了基于A R MI。P I c 2 1 1 9 单片机的电动助力转向系统。采集的速度、转矩等信号通过L P c 2 1 1 9 的信号处理，通过阿M 技术和H 桥电机驱动电路实现对电机进行控制，实现汽车的电动
2、助力转向，且可以通过C A N 总线实现E P S 数据的传输。研究的硬件控制器通过了有关的电气性能测试，对所设计的硬件系统进行了台榘试验试验结果证明了硬件系统设计的正确性。关键词：电动助力转向；嵌入式A R M；F N V M；电机控制中圈分类号：U 4 6 3 4 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-0 0 0 6(2 0 1 0)0 4 0 0 9 0 一0 3D e s i g no fE l e c t r i cP o w e rS t e e r i n gB a s e do nA R ML UW e n c h a n g，G UZ a o d e(S c h o o
3、lo fA u t o m o t i v ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g，J i a n g s uU n i v e r s i t y，Z h e n)i a n g2 1 2 0 0 3，C h i n a)A b S t r a e t：A ne m b e d d e dE P Ss y s t e mW 8 8d e s i g n e d w i t haA R Mc h i pa st h ec o r eo ft h es y s t e m E l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs
4、y s t e m(E P S)，w h i c hc o m b i n e sat r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e mw i t h 衄e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e r，i san wt y p eo fv e h i c l es t e e r i n gs y s t e m 既eh a r d w a r eo fs y s t e mi n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o nm o d
5、 u l e，s p e e ds i g m am o d u l e，m o t e rd r i v em o d u l ea n d8 0o n A c c o r d i n gt ot h es p e e ds i 掣l a la n ds t e e r i n gw h e e lt o r q u e，t h ec o n t r o lu n i tc a l c u l a t e st h en e c e s s a r ym o t o rc u r r e n t F i n a l l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h i
6、 sc o n t r o l l e ri Sv e r i f i e do nt h et e s t-b e d E x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tE P Sc o n t r o l l e rd e s i g n e di n t h i sp a p e rh a ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n da p p r o p r i a t es t r u c t u r e K e yW O r d s：E P S；E m b e d d e dA R M；P W M；M o
7、 t o rc o n t r o l电动助力转向系统(E l m S)是汽车工程领域的热门课题之一，它是一种直接依靠电机提供助力转矩的转向系统，可使驾驶员获得较强的路感不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性，因此E P S 已经成为现代汽车发展的必然趋势。目前研究的主要内容为E P S 系统的控制规则和硬件控制器(E C U)的设计。现有的控制器多数是基于功能增强的8 位单片机，然而，随着微电子产品快速的发展市场的成熟，以3 2 位微处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心是汽车电子发展的趋势。A R M 处理器因为其具有的优点在3 2 位微控制器领域里有着非常广泛
8、的应用。笔者基于城2 1 1 9 微控制器研究了电动助力转向(E P S)系统。笔者设计的控制器采用3 2 位的A R MU C 2 1 1 9 作为控制器的核心，从发展的角度看将来的电动助力转向系统不仅仅需要车速信号和转矩信号，还包括转向角、横向加速度、转向速度等信号，控制策略也会向智能化的方向发展，要求控制系统有更高的处理速度寻址能力、更好的电磁兼容性能、支持多任务系统。因此，本试验没有选用8 位微控制器，而是选用了基于A R M 的、带有C A N 总线功能的、1 6 3 2 位的L P c 2 l1 9 微控制器。它是电机控制、伺服环路控制、功率管理和数据采集等应用系统的理想选择。1E
9、 P S 工作原理转向轴式电动助力转向系统结构示意图如图l 所示，主要由机械转向装置、转矩传感器、车速传感器、助力电动机、减速机构、电子控制单元(E C U)和电磁离合器等构成。其基本工作原理为：汽车转向时，电控单元(E C U)根据检测到的转向盘转矩和车速以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态，通过控制电动机H 桥式驱动电路上的场效应晶体管按一定的占空比导通，使电动机产生相应方收稿日期：2 0 0 9-0 9-2 1-9 0 向的助力转矩，然后经过减速机构减速增扭，协同驾驶员进行转向操纵；在助力转向的同时，随着转向轴的旋转，感应转向盘转矩的转矩传感器信号也将随之改变，从而又影响转向助力，
10、如此不断的循环控制。P。1 图1电动助力转向系统结构简圈R g A m h i t e c t u r eD i a g r a mo fE P SS y s t e m2 控制器的结构和原理当系统检测到点火开关闭合后，首先对整个E P s 系统进行自检，确保系统能正常工作。然后分别将继电器与电机离合器闭合，此时系统处于正常工作状态。输入接口电路将检测到的转矩信号、车速信号、发动机转速信号处理后送入L P C 2 1 1 9 的控制端口。单片机根据设定好的助力模型，以及接收的端口信号，确定助力的大小及方向，并产生相应的P W M 信号驱动直流电动机进行助力转向。当系统出现异常时，故障指示灯亮，
11、并切断继电器和离合器。从而保护直流电机【2 j。E P S 系统硬件电路的总体框图如图2 所示。万方数据陆文昌等：基于A R M 单片机的汽车电动助力转向系统的设计故障检测电路堕丝堡堕矍堡!H 输垂堕酬金巫巫引呈百万蘸雨丌一路故障显示C A N 总线传输过流保护助力电机卫维电器保自田2 控制系统结构F 嘧2S t r u c t u r eo fC o n t r o lS y s t e m3 硬件设计3 1 信号采集模块1)转矩信号如图3 所示转矩传感器的一路转矩信号经过滤波钳位后，送给L P C 2 1 1 9 进行A D 转换。C 2 8，R 8 9 进行滤波。而I)2 1。D 1 7
12、 是钳位二极管，选用肖特基管。当输入转矩信号大于5 2V 时，D 2 1 导通，传给单片机的A D I 信号保持在5 2V；当输入转矩信号小于一0 2V 时D 1 7 导通，A D I 信号恒定在一O 2V，这样就将输入转矩信号钳位在一0 2 5 2V 之间。c 2 8，R 8 9 构成的滤波电路主要消除转矩中的高频信号。另外一路转矩信号处理电路与之相同。圈3 转矩信号采集电路F 叼3A c q u i s i t i o nC i r c u i to fT o r q u eS i g n a l2)车速信号与发动机转速信号都是由传感器输出的脉冲信号。需要将这些脉冲信号滤波整形为规则的方波
13、信号才能直接送给C P U 的1 n 0 和T l，以准确地检测汽车行驶速度和发动机转速。车速信号整形电路如图4 所示。主要由L M 3 1 1 组成。输入信号是脉冲信号，经过C 1 6 滤波。然后再输入给比较器L M 3 1 l 的引脚3，与引脚2的电压，进行比较 U=V C C R 6 2(R 6 0+R 6 2)。当3 端信号电压超过u 时，C P U 内部的计数器1 D 计数一个高电平，反之，1 D 输出低电平。这样通过1 D 在一定的时问内的计数即可采集到车速。发动机转速信号整形电路和车速整形电路类似。V C CG N DV C CV B l H 0H 0V S l I R 2 1
14、3 0L OL 0图4 车速信号采集电路F i g 4A c q u i s i t i o nC i r c u i to fS p e e dS i g n a l3 2 控制器的设计1)L P C 2 1 1 9 的介绍L P C 2 1 1 9 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位A R M r 7 T D M I S T MC P U，并带有1 2 8k B 嵌入的高速R a s h 存储器”J。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位T h u m b 模式将代码规模降低超过3 0
15、，而性能的损失却很小，实行流水线作业提供E m b e d d e dI C E 逻辑，支持片上断点和调试点，具有先进的软件开发和调试环境。L P C 2“9 具有非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位A D C、2 路C A N、P W M 通道、多个串行接口，包括2 个1 6 C,5 5 0 工业标准U A R T、高速1 2 C 接口(4 0 0k H z)和2 个S P I 接口，4 6 个G P l 0 以及多达9 个外部中断，特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线【4 j。2)电机控制电机的正反转与调速通过控制A R M 的P W
16、 M 功能来实现”J。P W M 控制方式具有线路简单、调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、附加损耗小，以及效率高等优点。由于L I)c 2 11 9 的驱动电流小，不能直接驱动场效应管，所以需要前置驱动器用于驱动。美国I n t e r-n a t i o n a lR e c t i f i e r 公司的I R 2 1 3 0 是为数字电机控制电路设计的，用于高电压、高速的功率管的驱动器。I R 2 1 3 0 为单电源工作，可直接驱动6 0 0V 高压系统，自带硬件死区和欠压锁定功能与过流保护功能，通过外围自举电路，可同时驱动6 个M O S 管。I R 2 1 3 0 的自举电容必
17、须能够提供足够大的驱动电荷否则，将无法驱动高端M O S 管。其内部设计有过流、过压及欠压保护电路，可以利用这些功能简化硬件设计。来自A R M 芯片I P C 2 1 1 9 的P W M 信号通过I R 2 1 3 0 的芯片的H 0 1，H 0 2 分别控制桥式电路的G l，G 3 的通断，通过L 0 1，L 0 2 分别控制桥式电路的G 2，c 4 的通断，实现对电机正反转的控制。通过调节P W M 的占空比实现对电机的调速埔J，如图5 所示。o V C CM围5 电机控制电路F i g 5C o n t r o lC i r c u i to fM o t o r(1)自举电容的选择
18、式中。以为高端器件栅极电荷；，为工作频率；(m a x)为高端驱动自举电容所需的最小电荷为电路最大静态电流；缸(e a k)为自举电容漏电流；仇为每个周期内，口一吼+丝竽+Q b+T c 6 U e a k)(1)曼豫她舯眦极靶5 舢啪5n c 嘲啪9 l 需掣队港万方数据拖拉机与农用运输车第4 期2 0 1 0 年8 月自举电容所需的最小电容值，可由式(2)计算2【以+丝掣地+I a(1 广e a k)】C _ 芳了广了r 上_=(2)u 掰一，一u j 5式中，为芯片供电电压；啡为自举二极管正向压降；乩为低端器件压降或高端负载压降。自举电容的最小值是理论计算的，为了避免过充电和电压纹波，可
19、将其乘以一个系数1 5。另外，电容只在高端器件关断且I R 2 1 3 0 的两个引脚V 8(参见图5)被拉到地时才被充电。因此低端器件开通时问(或高端器件关断时间)应足够长，以保证自举电容的电荷被高端驱动电路吸收后，能重新补充完全，因此对低端器件的开通时间(或高端器件的关断时间)有最小要求。(2)自举二极管的选择在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极管。以减小从自举电容向电源的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时，高温反向漏电流指标也很重要(，=口b 力。3 3C A N 模块设计C A N 接口部分包括L P(=2 1 1 9(内置C A N 控制器)、光电耦合器
20、和总线收发器，如图6 所示。C A N 接口部分主要完成与相关电子系统对车速信号、发动机转速等信号的传输、通信，同时也有利于系统的集成控制。其中C A N 控制器只完成C A N 的通信协议，实现报文的装配和拆分，接受信息的过滤和校验等；收发器T J A l 0 5 0 则是实现C A N 控制器和通信线路的物理连接，提高C A N 总线咋驱动能力和可靠性；光耦6 N 1 3 7 提高了系统的抗干扰性能，电路中采用隔离型D C D C 模块(B 0 5 0 5 S)向收发器电路供电，这样可以很好的实现总线上各个接点的电气隔离，这部分电路虽增加了接点的复杂性，但提高了接点的稳定性和安全性。C A
21、 N H 和C A N L 与地之间并联两个小电容C H 和C L 可以滤除总线上的高频干扰并具备一定的防电磁辐射能力。另外在两根C A N 总线接人端与地之间分别反接了1 个保护二极管，当C A N 总线有较高的负电压时，二极管的短路起到了一定的电压保护作用L“。圈6C A N 总线模块F i g 6M o d u l eo fC A NB U S4 软件设计对于一个计算机控制系统来说，软件设计与硬件设计是相辅相成的，在进行系统硬件设计时必须考虑到后一阶段控制软件设计实现的可能，而控制软件的设计则是以系统硬件的设计为基础的。本E P s 系统软件设计主要完成以下一些功能：信号的采集及处理、采
22、样车速、根据助力特性计算目标助力电流、根据助力模式控制电机进行助力控制和阻尼控制等。根据系统控制软件所要实现的功能要求，本系统控制软件设计采用软件轮询、中断及其子程序调用相结合的结构形式，即主程序轮询加中断服务子程序的形式，其中主程序主要实现系统初始化、各状态标志位的轮询并发出相应的控制指令；根据转矩信号方向标志控制电机助力的转向等。中断服务子程序主要是采样车速。子程序主要是根据系统助力特性方程计算当前电机目标助力电流的大小。程序的流程图如图7 所示。9 2 圈7 系统程序漉程圈R g 7F l o wC h a r to fS y s t e mP r o g r a m5 硬件系统台架试验
23、为验证上述设计的合理性与正确性，在实验室电动助力转向系统试验台上进行了相关试验，测出了不同车速下电动机电流与转向盘转角之间的关系。图8 为不同车速下助力电流与转向盘转角的关系曲线比较图。不同车速时，随着车速的提高，助力电流是减小的。由图中可以看出，在车速为8 0k m h 时，除去1 5A 的静态电流后，电机中的实际电流是非常小的，基本没有助力效果，此时转向系统主要依靠转向盘输入转矩进行转向。当车速高于8 0k m h 以后，直接切断电机离合器，电机不再进行助力。电机的助力电流又决定了电机输出助力矩的大小，即助力矩随车速的提高有规律的减小了，这样可以保证驾驶员获得良好的路感，解决了高速时操纵稳
24、定性的问题。螽曾鑫田8 助力电流与转向盘转角的关系曲线F 叼8C u r v eb e t w e e nH e l pC u f f e n ta n dS t e e r i n gW h e e lA n g b6 结束语本设计以L P C 2 1 1 9A R M 芯片为核心构造了一个嵌入式系统。以它为核心的E P S 系统简化了传统单片机E P S 系统的硬件电路，提高了其稳定性与响应速度，扩展了其性能，芯片提供了C A N 总线功能，便于系统间数据的传输。参考文献：【1 陈奎元，马小平，季学武电动助力转向系统控制技术的研究 J 江苏大学学报，2 0 0 4(1)：2 2 2 4(下
25、转第9 4 页)万方数据拖拉机与农用运输车第4 期2 0 1 0 年8 月圈3 油箱与吊带变形圈(单位：m lF 叼3D e f o r m a t i o nD i a g r a mo fT a n ka n dS t r a p s2 吊带的优化设计为了降低汽车的制造成本和轻量化要求，对吊带进行优化设计。利用A N S Y S 中的A P D L 参数化设计语言对吊带重新进行了参数化三维建模。以吊带截面尺寸宽度曰、厚度为设计变量，提取吊带节点的最大应力为状态变量。其吊带的许用应力取值为1 0 0M P a(主要考虑到油箱的惯性力和吊带装配时的预紧力)。以吊带的体积y 为目标函数进行优化设
26、计，使其在满足强度的条件下，减少其质量。A N S Y S 提供了两种优化方法，零阶方法和一阶方法。笔者采用零阶优化方法中的子问题方法，共进行了8 次迭代，其结果如表l 所示。从表中可看出，序列8 为最优序列。吊带的初始单元体积之和为0 1 2 37 7 1 0 3m 3，最优序列的吊带单元体积之和为0 4 4 43 8Xl O-4m 3，其体积比优化前减少了6 4 1。设计变量与优化序列的对应关系及目标函数与优化序列的对应关系如图4、图5 所示。最优序列的应力图和变形图如图6、图7 所示，其吊带最大等效应力为7 4 5M P a，位置发生了变化，发生在吊带端部拐角处。最大变形量为0 9 8
27、1n t m，其位置在油箱的一端。襄1 优化结果!竺：!金笆翌垡签堕堕!业优化序列宽度B m厚度H m目标函数(体积V)m 33 结论1)吊带在油箱重力的作用下，其最大等效应力发生在吊带底平面的拐角处，其值为3 5 5M P a，远远小于许用应力2 7 0M P a；整体的最大位移在油箱的一端，其值为0 2 8 4m m。2)为了降低汽车的制造成本和轻量化要求，利用A N S Y S 中的优优化序列田4 设计变量与优化序列的关系曲线F i g。4R e l a t i o nC u r v eb e t w e e nD e s i g nV a d a b l aa n dO p t i m
28、 i z a t i o nS e t s12 A385,26 6S优化序列田5目标函数与优化序列的关系曲线F 硷5R e l a t i o nC u r v eb e t w e e nO b j e c t i v eF u n c t i o na n dO p e r i z a 细S e t s圈6 量优序列V o nM i s e s 应力翻(单位：I D a)F i g 6V o nM i s e sS t r e s sD i a g r a mo fO p d m i z a t i o nS e t圈7 最优序列变形圈(单位：m)F 幻7D e f o r m a t i
29、 o nD i a g r a mo fO p t i m i z a t i o nS e t化模块对吊带进行了优化设计，共进行了8 次迭代，优化后的吊带体积减少了6 4 1。(编辑郭聚臣)作者简介：王文竹(1 9 7 6 一)，男。辽宁盖州人，讲师，硬士，研究方向为车辆工程。(上接第9 2 页)2】林逸，施国标，邹常丰，等电动助力转向系统转向性能的客观评价 J 农业机械学报。2 0 0 3(7)：4 7 3 马忠梅，马广云，徐英慧，等A R M 嵌入式处理品结构与应用基础 M】北京：北京航空航天出版杜。2 0 0 2。4 韩锋基于A R M 处理器的便携式振动测量分析仪的设计 J 仪表技术
30、与传感器，2 0 0 4(9)：1 4 1 5 5 季学武，张德新，陈奎元电动助力转向系统直流伺服技术的研究 J】农业机械学报，2 0 0 4(5)：5 8 9 4 6 张云安单片机控制的汽车电动助力转向系统 J 微电机，2 0 0 5(5)；3 8【7】韩聚奎，蒋宜C A N 总线技术在液压混合动力车辆上的应用 J 农业机城学报2 0 0 5。3 6(9)：1 5 1 1 5 2。1 6 3(编辑郭聚臣)作者简介：陆文鼻。男，副教授，硕士研究生导师主要从事汽车电子方面的研究；焉灶t，男，硕士研究生，主要研究方向为电动助力转向。Illl0000OO(gb_鼙嚼_辨皿万方数据基于ARM单片机的汽
31、车电动助力转向系统的设计基于ARM单片机的汽车电动助力转向系统的设计作者：陆文昌，顾灶德，LU Wen-chang，GU Zao-de作者单位：江苏大学汽车与交通工程学院,江苏,镇江,212013刊名：拖拉机与农用运输车英文刊名：TRACTOR&FARM TRANSPORTER年，卷(期)：2010,37(4)参考文献(7条)参考文献(7条)1.韩聚奎;蒋宜 CAN总线技术在液压混合动力车辆上的应用期刊论文-农业机械学报 2005(09)2.张云安 单片机控制的汽车电动助力转向系统期刊论文-微电机 2005(05)3.季学武;张德新;陈奎元 电动助力转向系统直流伺服技术的研究期刊论文-农业机械学报 2004(05)4.韩锋 基于ARM处理器的便携式振动测量分析仪的设计期刊论文-仪表技术与传感器 2004(09)5.马忠梅;马广云;徐英慧 ARM嵌入式处理品结构与应用基础 20026.林逸;施国标;邹常丰 电动助力转向系统转向性能的客观评价期刊论文-农业机械学报 2003(07)7.陈奎元;马小平;季学武 电动助力转向系统控制技术的研究期刊论文-江苏大学学报 2004(01)本文链接：http:/