择要：剖析了电动助力转向系统(EPS)的事情事理和数学模型，建立了直线型 EPS助力特性曲线和增量式闭环PID掌握策略。以MC9S12DP256单片机为核心，设计了掌握器电源电路，旗子暗记处理电路、CAN通信电路、时钟电 路，并给出了软件设计流程。本设计利用MC9S12DP256丰富的内部资源，引入了CAN技能，简化了硬件电路，降落了电路之间的滋扰，提高了掌握系统 的可靠性。
关键词：电动助力转向;PID掌握;CAN;MC9S12DP256。
转向系统是汽车的主要组成部分，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器转向系统，没有助力，转向动力完备由驾驶员 供应，驾驶体验差。从上世纪30年代往后，逐渐涌现了助力转向系统。目前，汽车助力转向紧张有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)。比较前两种，EPS由电机供应赞助力矩，没有油系统，很大程度降落了汽车转向系统的繁芜度，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上风。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运用于轻型车辆，双小齿轮助力式运用于重型车辆。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掌握器的设计。
1 电动助力转向系统构造和事情事理
电动助力转向系统构造如图1所示，紧张由方向盘、扭矩传感器、电子掌握单元(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，迁徙改变方向盘时，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掌握策略计 算出一个电机所需的最佳电流，从而掌握电机输着力矩和迁徙改变方向，然后经由减速机构施加到转向机构，终极得到一个与行驶工况相适应的转向浸染力，赞助驾驶员转向。
2 掌握策略
2.1 EPS模型建立
根据牛顿定律，可建立转向系统数学模型。
个中：Th为方向盘输入转矩，Js为转向柱、盘总成迁徙改变惯量，Bs为输入轴阻尼系数，Ks为力矩传感器刚度系数，Tm电机输着力矩，Km为助力电机 和减速机构的刚度系数，Jm为助力电机迁徙改变惯量，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落。为了得到汽车低速行驶时 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大略，实际中随意马虎调节和实现。因此，文中采取直线型助力特性进行掌握器设计。直线型助力特性可表 示为如下函数关系：
个中：Th为电机目标力矩，f(v)为车速感应系数，Tmax为电机最大助力力矩，Td0为开始助力时驾驶员输入最小力矩，Tdmax为电机供应最大助力时驾驶员输入力矩。
助力特性参数确定：Td0=1 Nm，Tdmax=7.6Nm，Thmax=21Nm。车速感应系数按照表1所示规则确定(终极须要实车测试后进行改动)，车速超过80 km/h时，电机不进行助力。
根据上述参数，助力特性曲线设计如图2所示。
电机目标电流可以由式(8)得到：
式中，ki为电机转矩系数，G为电机减速机构传动比。
2.3 掌握算法
EPS系统掌握是对电机电流大小和方向的掌握。其掌握算法的好坏直接影响着转向系统的性能。本文采取目前广泛运用于工业掌握领域的PID掌握算法。 PID掌握稳定性和可靠性高、实时性强、且掌握与调试方法大略，易于实现，适宜用于汽车电动助力转向系统的掌握。因此，PID掌握是现阶段EPS掌握系统 紧张的掌握策略。
PID掌握的表达式可表示为：
个中：r(t)为助力电机电流目标值，y(t)是掌握系统实际输出值，u(t)为PID掌握器的输出旗子暗记，Ti为积分韶光常数，Td为微分韶光常数。EPS掌握系统的核心是采取数字旗子暗记的单片机。因此，须要对式(10)进行如下处理：
为了减小打算量，提高转向系统的实时性，本设计采取增量式PID掌握，用掌握量的增量△u作为作为掌握器的输出。实在现方法如下：
设助力电机目标电流为i，实际当前助力电流为io，则掌握偏差为：
ek=i-io (12)
△u=u(k)-u(k-1) (13)
助力电机目标电流可以由单片机根据当前车速、输入转矩、助力特性曲线打算得到。然后由式(11)、(12)、(13)可得到对应的PWM增量△u。
PID参数可以由试凑发初步得到，然后根据试验结果进行改动。
3 硬件设计
3.1 总体设计
单片机是掌握器的核心，其选型须要考虑适用性、可靠性、片内资源、价格等多种成分。单片机选型恰当与否直接影响机构掌握系统的性能及设计难易程度 度。本设计采取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，总线速率25 MHz，采取5 V供电，112脚LQFP封装。此单片机，内部资源丰富，可大大简化掌握系统硬件电路，其可靠性高，非常适用于EPS掌握。设计中没有用到的管脚引到电路 板上，以便于后续开拓。
硬件设计如图3所示。车速、发动机、转矩旗子暗记经处理后送给MC9S12DP256单片机，经单片机打算后，得到电机助力电流值，经驱动电路后浸染于 助力电机，掌握电机输着力矩的大小和方向，同时对电机电流进行采样，并送回单片机，形成闭环掌握。在助力掌握根本上，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，并发出故障旗子暗记，从而担保了行车安全。
3.2 掌握系统硬件电路设计
硬件电路设计紧张包括电源转换电路、扭矩旗子暗记处理电路、车速旗子暗记处理电路、CAN通信电路、时钟电路。详细设计如下：
电源转换由于单片机事情时管脚电压为+5 V供电，而车载电源电压为+12 V。因此，须要对+12 V电压进行转换，变成+5 V。本设计中采取7805电压转换芯片进行电压变换。
扭矩旗子暗记处理由于旋转传感器得到的是一些微弱的小旗子暗记，随意马虎受滋扰，因此须要对其进行滤波处理。本设计采取型滤波电路，R12取大电阻，提高输入阻抗。
车速处理电路车速旗子暗记为+12 V单极性方波，电压太高，不能直接用于单片机，须要将其变换为+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的方波旗子暗记。
CAN总线驱动电路MC9S12DP256内部集成了CAN总线掌握器，CAN驱动电路只须要物理层驱动即可。本设计选用82C250芯片进行设计。
时钟电路时钟是单片机事情的根本。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，供应25MHz的时钟旗子暗记。
详细电路设计如图4所示。
4 系统软件设计
EPS掌握软件采取模块化设计，包括进行系统初始化、旗子暗记采集、掌握状态判、掌握模式判断、PWM占空比打算、系统状态监控及保护、电流闭环模块、 通信模块等。EPS掌握系统须要同时实行多个任务，为了担保系统的实时性和可靠性，采取中断做事办法，将全体软件部分分为主程序和中断做事子程序。主程序 设计流程如图5所示。
5 结束语
文等分析了汽车电动助力转向系统的事情事理，设计了直线型助力特性曲线，建立了增量式闭环PID掌握策略，减小了芯片的打算量，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，降落了电路间的滋扰，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掌握算法，有利于后续深入研究。对付掌握性能的优化将在进一步的掌握策略研究和试验中进行。
来源：电子设计工程
