详解如何设计汽车助力转向系统电控单元

PID参数可以由试凑发初步得到，然后根据试验结果进行修正。

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。