單片機(jī)的EPS驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

　　1 EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS，Electric Power Steering)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設(shè)計(jì)，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求。

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器，控制器運(yùn)行內(nèi)部控制算法，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小，產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號，由此電動式動力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小，同時(shí)，根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速，再控制電動機(jī)的電流，形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。

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　　2 EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 微控制器的選擇

　　MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)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(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)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(nèi)部IC總線模塊;片內(nèi)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

　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(jī)功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機(jī)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(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。

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　　2.3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

　　直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制(PWM)控制H橋電路實(shí)施對直流電動機(jī)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(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)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(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓(正常工作不超過15V)大電流(額定電流30 A)的要求。

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　　2.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

　　上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側(cè)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(dāng)MOSFET的控制信號a(b)為高電平時(shí)，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)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(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V+0.34V+0.4V+10V=22.74V。

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　　當(dāng)MOSFET的控制信號a(b)管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵-源極電壓通過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(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵-源極電壓能夠使其關(guān)斷。