EPS电动助力转向系统的软硬件设计

　　摘要：本文详细介绍了基于C8051F31X系列微处理器的电动助力转向(EPS)系统的方案设计，给出了详细的硬件设计和软件设计。试验结果表明，该系统具有电路设计方便、性能稳定可靠、保护电路齐全、性价比好等突出优点，为汽车EPS系统提供一个优秀的设计方案。

　　电动助力转向系统基本结构及工作原理

　　汽车的助力转向系统是协助驾驶员进行汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，目前汽车上配置的助力转向系统大致可以分为三类：(1)机械式液压动力转向系统;(2)电子液压助力转向系统;(3)另外一种电动助力转向系统，英文全称是Electronic Power Steering，也就是我们常说的EPS，也可以称为“电子控制助力”，它是在EPS控制器的作用下驱动电动机产生的动力协助驾车者进行转向控制。EPS的构成一般是由扭矩传感器、电子控制单元ECU、助力电机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源。现在我们介绍的主要是电子控制单元ECU的软硬件设计方案。

　　主要工作原理：驾驶员在操作汽车转向时，扭矩传感器会“感觉”到方向盘的扭矩和转向，这些信号会通过AD模数转换器，量化后传送给电子控制单元的微处理器，电控单元会根据转向轴的转动力矩、转向等数据，向EPS控制器发出动作指令，助力电机就会根据具体的需要，输出相应大小的转动力矩，从而实现助力转向。如果不打方向盘，则EPS系统就不工作，处于等待调用状态，而且，助力电机的助力输出也随着车速的提高而减小，当车速超过设定值时会停止工作，助力消失，这使车在高速行驶时更加稳定。由于电动助力转向这样的工作特性，你会感觉到方向盘的方向感好，轻便，高速时稳定不发飘。图形1为电动助力转向系统的基本结构。

　　硬件电路原理设计

　　EPS控制器由C8051F系列微处理器、扭矩传感器、模拟信号调理、光电隔离、单稳态保护电路、PWM信号驱动电路、铝基板电机驱动电路、离合器控制电路，电流反馈电路、故障指示、电源。由于C8051F系列微处理器的各部分功能十分强大，定时器、PCA、AD转换器、比较器、交叉开关、IIC、SPI、温度传感器在CPU内部集成，从而大大降低电路的复杂性及成本，担高了可靠性。硬件原理如图2所示。

　　微处理器电路

　　C8051F310处理器是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具备25MIPS流水线结构CIP-51内核，单周期的指令、带模拟多路开关、10位200ksps的25通道单端/差分ADC，高精度可编程的25MHz内部振荡器、16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280byte片内RAM，四个通用的16位定时器，这为EPS系统的车速、发动机转速提供很好解决方案。PCA模块方便了PWM电机调速、端口交叉开关编程为引脚多功能复用提供实用条件。增强型UART和SPI串行接口、硬件实现的SMBus、片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，这些可为EPS实现通讯扩展，故障诊断，温度保护等功能。

　　EPS的前端信号处理电路

　　这部分电路包括扭矩传感器的信号提取、调理及行车信号(车速、发动机转速、点火信号)的隔离与获取，它是EPS执行的先决条件，这部分的信号直接关系到EPS系统的正确执行。同时也是后面保护电路的输入条件，非常重要。

　　扭矩传感器信号的提取、调理

　　我们采用的扭矩传感器其输出包括力矩与角度两种信号，力矩信号的输出有两路，分别是T1、T2，角度信号(转向角)的输出有三路，分别是P1、P2、P3，具体传感器的输出特性请参照相关的数据手册，提取算法将在软件设计部分完成。这里侧重讲述信号的调理，原理如下图3，传感器具有5路模拟信号输出，原理相同，我们讨论其中一路T1。传感器的输出是0~5V信号，通过R1，R2电阻分压原理与3.3V系统进行匹配。C1，C2，R3组成了一个阻容滤波器滤掉前端的信号噪声，V1为TVS管，用于限制信号的幅度在0~VCC之间，N1是LM324运放，接成射极跟随形式，以提高信号的输入阻抗，降低信号的输出阻抗。输出信号Sensor_T1_out直接输出给微处理器的内部AD转换，量化后提供给力矩提取算法使用，其它4路原理一致。