电动汽车EPS数字模型与电路原理分析

转向系统是汽车的重要组成部分，其性能直接影响着汽车行驶的稳定性和安全性。早期的汽车转向系统为纯机械转向系统，没有助力，转向动力完全由驾驶员 提供，驾驶体验差。从上世纪30年代以后，逐渐出现了助力转向系统。目前，汽车助力转向主要有3种形式：液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)，电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS)以及电动助力转向系统(Electric Power Steering System，EPS)。

相比前两种，EPS由电机提供辅助力矩，没有油系统，很大程度降低了汽车转向系统的复杂度，且在燃油效率、模块化、助力效果和环境友好性等各方面具有明显的优势。根据EPS助力电机在齿轮和转向柱总成上位置的不同，EPS系统分为转向柱助力式、齿条助力式、小齿轮助力式和双小齿轮 助力式4种类型。小齿轮和转向柱助力式应用于轻型车辆，双小齿轮助力式应用于重型车辆。它们在构成上都具有3个基本部件：电控单元(Electrie Control Unit，ECU)、助力电机和安装在转向柱上的扭矩传感器。文中针对小型轿车，以美国Freescale公司的16位单片机MC9S12DP256为核 心进行了EPS控制器的设计。

1、电动助力转向系统结构和工作原理

电动助力转向系统结构如图1所示，主要由方向盘、扭矩传感器、电子控制单元(ECU)、电机、电磁离合器、减速机构、齿轮齿条转向器组成。在汽车发 动机点火后，转动方向盘时，由安装在转向轴上的扭矩传感器测得转向力矩，并送给ECU，ECU根据转矩和车速，通过预先设置好的助力特性曲线和控制策略计 算出一个电机所需的最佳电流，从而控制电机输出力矩和转动方向，然后经过减速机构施加到转向机构，最终得到一个与行驶工况相适应的转向作用力，辅助驾驶员 转向。

2、控制策略

2.1 EPS模型建立

根据牛顿定律，可建立转向系统数学模型。

其中：Th为方向盘输入转矩，Js为转向柱、盘总成转动惯量，Bs为输入轴阻尼系数，Ks为力矩传感器刚度系数，Tm电机输出力矩，Km为助力电机 和减速机构的刚度系数，Jm为助力电机转动惯量，Bm为助力电机阻尼系数，M为齿条质量，Br为齿条和转向轮粘性阻尼系数，Kr为齿条当量刚度，G为助力 机构传动比，rp为小齿轮半径，θs为方向盘转角，θm为电机转角，xr为齿条位移，Fr为转向阻力。

2.2 助力特性曲线设计

EPS助力特性是驾驶员输入转矩和电机助力力矩(助力电流)之间的关系。汽车在行驶过程中，转向阻力随着车速的增加而降低。为了获得汽车低速行驶时 转向的轻便性和高速行驶时的稳定性，在同种行驶状况下，电机助力力矩随着车速的升高而减小，并在车速超出一定范围时，电机不进行助力。常见的助力特性曲线 有3种：直线型、折线型和曲线型。直线型助力特性曲线形式简单，实际中容易调节和实现。因此，文中采用直线型助力特性进行控制器设计。

2.3 控制算法

EPS系统控制是对电机电流大小和方向的控制。其控制算法的好坏直接影响着转向系统的性能。本文采用目前广泛应用于工业控制领域的PID控制算法。 PID控制稳定性和可靠性高、实时性强、且控制与调试方法简单，易于实现，适合用于汽车电动助力转向系统的控制。因此，PID控制是现阶段EPS控制系统 主要的控制策略。

3、硬件设计

3.1 总体设计

单片机是控制器的核心，其选型需要考虑适用性、可靠性、片内资源、价格等多种因素。单片机选型恰当与否直接影响机构控制系统的性能及设计难易程度 度。本设计采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256单片机。MC9S12DP256内置5个CAN模块、2个8通道10位A/D 转换模块、8个PWM通道，总线速度25 MHz，采用5 V供电，112脚LQFP封装。此单片机，内部资源丰富，可大大简化控制系统硬件电路，其可靠性高，非常适用于EPS控制。设计中没有用到的管脚引到电路 板上，以便于后续开发。

硬件设计如图3所示。车速、发动机、转矩信号经处理后送给MC9S12DP256单片机，经单片机计算后，得到电机助力电流值，经驱动电路后作用于 助力电机，控制电机输出力矩的大小和方向，同时对电机电流进行采样，并送回单片机，形成闭环控制。在助力控制基础上，设计了电机保护电路和故障诊断与提示 电路。一旦检测到故障存在，立即断开离合器，改用纯手动转向，并发出故障信号，从而保证了行车安全。

3.2 控制系统硬件电路设计

硬件电路设计主要包括电源转换电路、扭矩信号处理电路、车速信号处理电路、CAN通信电路、时钟电路。具体设计如下：

电源转换由于单片机工作时管脚电压为+5 V供电，而车载电源电压为+12 V。因此，需要对+12 V电压进行转换，变成+5 V。本设计中采用7805电压转换芯片进行电压变换。

扭矩信号处理由于扭转传感器获得的是一些微弱的小信号，容易受干扰，因此需要对其进行滤波处理。本设计采用型滤波电路，R12取大电阻，提高输入阻抗。

车速处理电路车速信号为+12 V单极性方波，电压太高，不能直接用于单片机，需要将其变换为+5 V以内的方波。利用LM358对其进行处理，经转换后得到高电平为3.72 V，低电平为0.01V的方波信号。

CAN总线驱动电路MC9S12DP256内部集成了CAN总线控制器，CAN驱动电路只需要物理层驱动即可。本设计选用82C250芯片进行设计。

时钟电路时钟是单片机工作的基础。MC9S12DP256单片机内部集成了压控振荡器，可在其43、44和46、47引脚分别接上锁相环电路和16MHz的晶振电路。组成MC9S12DP256时钟电路，提供25MHz的时钟信号。

具体电路设计如图4所示。

4、系统软件设计

EPS控制软件采用模块化设计，包括进行系统初始化、信号采集、控制状态判、控制模式判断、PWM占空比计算、系统状态监控及保护、电流闭环模块、 通信模块等。EPS控制系统需要同时执行多个任务，为了保证系统的实时性和可靠性，采用中断服务方式，将整个软件部分分为主程序和中断服务子程序。主程序 设计流程如图5所示。

5、结束语

文中分析了汽车电动助力转向系统的工作原理。设计了直线型助力特性曲线，建立了增量式闭环PID控制策略，减小了芯片的计算量，增强了系统的助力跟 随性。利用MC9S1 2DP256单片机的丰富内部资源，简化了EPS硬件电路系统，降低了电路间的干扰，从而提升了系统可靠性，设计了基于MC9S12DP256的EPS控 制系统硬件电路，并给出了软件设计流程。本文设计的EPS系统可以编写多种EPS控制算法，有利于后续深入研究。对于控制性能的优化将在进一步的控制策略 研究和试验中进行。