線控轉向系統(tǒng)電子控制單元設計

彭桂枝，張明馳

（江陰職業(yè)技術學院，江蘇 江陰 214405）

線控轉向系統(tǒng)取消了方向盤和轉向輪之間的機械連接，轉而用兩個電機分別模擬轉向盤角傳遞特性和力傳遞特性。通過電子控制系統(tǒng)控制電機實現(xiàn)前輪轉向，擺脫了機械系統(tǒng)的局限性，提高了汽車的安全性，操縱穩(wěn)定性，舒適性等。本文主要設計線控轉向系統(tǒng)的電子控制單元，研究了轉向執(zhí)行電機控制算法，提升前輪轉向的跟隨性能。最后搭建了線控轉向系統(tǒng)的試驗臺，對線控轉向系統(tǒng)的控制策略進行了試驗驗證。

1 線控轉向控制器硬件設計

線控轉向電控單元是整個系統(tǒng)的核心部分，電控單元應具備如下功能：

1）實時采集并處理傳感器信號（系統(tǒng)電流傳感器，方向盤轉角傳感器，力矩傳感器等）。

2）具有PWM信號產(chǎn)生模塊，用于控制電機的轉速，正反轉使電機能夠快速、準確的達到目標轉角和力反饋力矩。

3）能通過CAN總線與轉角傳感器、能接收和處理CAN網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

4）ECU與車載電源直接相連，保證ECU的電源模塊為其他模塊提供穩(wěn)定可靠的電壓。

根據(jù)上述要求，本文電控單元電路設計主要包括MCU外圍電路、電源電路、CAN總線通訊電路、無刷電機驅(qū)動電路、電機電流采樣電路、信號采集及處理電路。MCU選擇 MC9S12XET256[1]。圖1為線控轉向系統(tǒng)的設計方案。

圖1 線控轉向系統(tǒng)的硬件設計

1.1 電源電路設計

ECU中用到的電源主要有對電子元器件供電的5V電源和對直流無刷電機供電的24V電源。車載自身提供24V電源，為了把24V電源轉化成5V，采用了LM5575降壓穩(wěn)壓器汽車級芯片，工作結點溫度范圍為-40℃～+150℃，輸入電壓范圍為6V～75V，輸出電壓可調(diào)，最低低至1.225V。設計的電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.2 無刷電機驅(qū)動器設計

本文路感電機和轉向執(zhí)行電機均采用直流無刷電機[2]。三相直流無刷電機通過內(nèi)部霍爾傳感器檢測電機轉子的位置，分別控制六個MOSFET管的截止和導通，產(chǎn)生周期性變化的磁場，實現(xiàn)電機電子換向。基于無刷電機電流大，本文選擇了基于三墾電氣SCM6716芯片設計了無刷電機控制電路。其設計的原理圖如圖3所示：

1.3 CAN通訊模塊

CAN總線通訊過程中使用的硬件包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，MC9S12XET256芯片內(nèi)部集成CAN控制器，所以在進行CAN總線電路設計時只需在電路上增加CAN收發(fā)器。本文選擇飛利浦公司研發(fā)遵循ISO11898標準的高速CAN收發(fā)器TJA1050。基于TJA1050設計的CAN總線通訊電路如圖4所示，電路中加入了 ESD保護、EMI增強電路，提高了CAN總線的EMC性能。

1.4 電機電流采樣電路

電流采樣方式有電流傳感器式和精密電阻分流式兩種。電流傳感器式采樣方法具有較高的靈敏度，但是成本高；精密電阻分流式采樣是指在功率管的公共端串聯(lián)一個精密電阻，電阻另外一端接地，電樞電流經(jīng)過采樣電阻時會產(chǎn)生一定壓降，將電阻的壓降經(jīng)過濾波和運放后輸入MCU的A/D采集模塊。綜合實驗室條件，采用精密電阻分流式采樣方法。圖5為電機電流采樣電路。路感電機的三個采樣電阻分別為Rm_s、Rm_s2、Rm _s3，Vm_so為采樣電阻壓降，三個采樣電阻并聯(lián)是為了對電機電流進行分流，這樣可以防止由于電機的瞬時電流過大而對采樣電阻產(chǎn)生損壞。所以路感電機和轉向執(zhí)行電機的電流分別為：

圖3 無刷電機驅(qū)動電路

圖4 CAN總線通訊電路

圖5 電機電流采樣電路

1.5 信號采集及處理電路

線控轉向系統(tǒng)中，ECU還需要采集的信號包括前輪轉角和方向盤轉角傳感器信號、車速信號等。由于上述信號都是通過CAN總線與ECU之間通訊，所以不需要對其硬件電路進行設計和處理。

點火信號作為線控轉向系統(tǒng)ECU工作的依據(jù)，對點火信號進行采集和處理至關重要。本文設計采用單片機的A/D轉換模塊對點火信號進行采集，點火信號的處理電路如圖6所示。在點火鑰匙閉合的情況下，點火信號輸出為24V，點火信號通過電阻分壓后經(jīng)過一階RC濾波處理，經(jīng)過處理后的信號被單片機的A/D轉換通道采集，然后通過軟件的中斷程序判斷點火鑰匙是閉合還是斷開。若采集到的電壓信號等于標定值，則點火鑰匙閉合，若電壓信號等于零，則點火鑰匙關閉。

圖6 點火電路

BLDC內(nèi)置三個霍爾傳感器感應轉子位置，電機有八根接線，除三根電機的U、V、W線外，還 有 Hall-a、Hall-b、Hall-c、+5V、GND。+5V為電源，GND接地，Hall-a、Hall-b、Hall-c隨電機的轉動輸出的脈沖信號經(jīng)過霍爾信號處理電路到達SCM6716芯片的HallU、HallV、HallW端口用來實現(xiàn)繞組的正確換相控制[3]。霍爾傳感器的處理電路如圖7，將電阻R7、R8、R9上拉至5V電壓；電容C3、C4、C5這三個濾波電容對霍爾信號進行濾波，去除干擾毛刺。

圖7 電機霍爾檢測電路

圖8為蓄電池端電壓檢測電路，采用電阻分壓法檢測蓄電池兩端電壓。蓄電池電壓信號通過電阻分壓后經(jīng)過一階RC濾波處理，經(jīng)過處理后的信號被單片機的A/D轉換通道采集。檢測蓄電池電壓是為了防止蓄電池因過度放電而損壞，單片機根據(jù)采集到的值判斷是否需要欠壓保護和過壓保護。

圖8 電池電壓檢測電路

2 線控轉向算法及軟件設計

本文采用模塊化的設計理念，將軟件設計分為管理應用層和底層驅(qū)動層。管理應用層包括主控程序設計，控制策略程序設計。

2.1 主控程序設計

軟件設計框圖如圖9所示，當線控轉向系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)首先采集信號，主要包括方向盤轉角、轉向前輪轉角、轉向執(zhí)行電機電流、力反饋電機電流、車速等。通過變傳動比的方法計算出轉向車輪的目標轉動角度，轉動轉向電機實現(xiàn)前輪轉向和路感模擬。

圖9 軟件設計框圖

2.2 控制策略程序設計

線控轉向控制策略主要包括前輪轉角控制和路感控制，本文主要對轉向執(zhí)行控制策略進行研究。控制器接收各傳感器傳來的信號，主要包括車速信號u、方向盤δ和前輪轉角hδ。根據(jù)理想傳動比算法如式（1）所示，得到目標前輪轉角，目標前輪轉角與實際前輪前輪轉角作差進行閉環(huán)控制。其中k1分別為為前后輪側偏剛度；u為汽車縱向速度；a為質(zhì)心到前軸的距離；m為整車質(zhì)量；l為車輛軸距；i為轉向傳動比；hδ為前輪轉角；ω為橫擺角速度。

為獲理想的轉向特性，應設計一個理想的轉向傳動比iω使橫擺角速度增益Ks為一定值。則基于橫擺角速度增益一定的理想傳動比iω可表示為:

3 轉向執(zhí)行電機控制算法研究

滑模變結構控制[4]本質(zhì)上是一種特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。本文設計的滑模變結構控制器，運用指數(shù)趨近律在無刷直流電機中進行調(diào)節(jié)控制。

3.1 指數(shù)趨近律

一般，為了減弱滑動模態(tài)下的高頻抖動，可以采用趨近律的方法來設計滑模變結構控制。指數(shù)趨近律可以表示為：

其中，k＞0，δ＞0，sgn為符號函數(shù)，s為滑模切換函數(shù)。在指數(shù)趨近律中，趨近速度從較大的值逐漸減小為零。這樣，在縮短了趨近時間的同時，還使運動點到達切換面時的速度變小。經(jīng)過不斷地調(diào)整指數(shù)趨近律的參數(shù)k和δ,可以減弱控制信號的高頻抖動和滑動模態(tài)運動過程的動態(tài)品質(zhì)。

3.2 滑動模態(tài)的到達條件和穩(wěn)定性

系統(tǒng)的初始點可在狀態(tài)空間的任意位置，但在系統(tǒng)運行后，為了使系統(tǒng)正常啟動滑模運動，則要求運動點在有限的時間內(nèi)到達切換面s=0，即系統(tǒng)的運動必須趨于切換面。到達條件為：

根據(jù)(3.1)式，得

3.3 控制器設計

式中，x1表示轉角誤差，x2表示轉角滑模變結構調(diào)節(jié)器輸入，rθ為給定目標轉角；θ為電機的實際轉角。把(2.4)和(2.5)帶入式(3.3)，得系統(tǒng)在狀態(tài)空間的數(shù)學模型為：

式中，c為常數(shù)，且c＞0。由(3.1)式和(3.5)，得

聯(lián)立式(3.4)和式(3.6)得

4 線控轉向試驗臺試驗

由于條件限制不能進行實車試驗，搭建了線控轉向系統(tǒng)試驗臺架，進行了相關的臺架試驗。驗證線控轉向控制策略及電機控制策略能否完成跟隨[5]。在實驗中進行角階躍實驗，給定方向盤轉角的幅值為32°，即目標前輪轉角為2°，對其分別使用PID控制和滑膜變結構控制，仿真步長分別為0.1s和0.01s，仿真時間長為10s，按照GB/T6323.2-94要求，在轉角階躍輸入試驗中，汽車以試驗車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊方向盤，消除轉向盤自由行程并開始記錄各測量變量的零線。以盡快的速度（起躍時間不大于0.2s或起躍速度不低于200°/s）轉動轉向盤，使其達到預先選好的位置并固定數(shù)秒鐘（待所測變量過渡到新穩(wěn)態(tài)值），停止記錄。系統(tǒng)響應曲線如圖10、11、12、13所示。

圖10 PID控制下的前輪轉角響應

圖11 滑膜變結構控制下的前輪轉角響應

圖12 PID控制下的轉向電機電流響應

圖13 滑膜變結構控制下的轉向電機電流曲線

該實驗結果表明，當系統(tǒng)采用PID控制時，前輪轉角有0.2deg的超調(diào)量，電機的電流在調(diào)節(jié)過程中略有波動，峰值為4A，而采用滑模變結構控制時，前輪轉角響應速度快，無超調(diào)，與仿真趨勢基本吻合，而電流突變量較大，峰值為5.6A，到達穩(wěn)態(tài)的時間相對較短，從上述硬件在環(huán)仿真實驗可以看出，滑模變結構控制在快速性和跟隨性方面都要優(yōu)于PID控制。

5 結論

本文設計了線控轉向控制器的軟硬件，同時研究了轉向執(zhí)行電機的控制策略。設計并搭建了線控轉向系統(tǒng)實驗臺架，對轉向執(zhí)行電機控制策略進行試驗臺試驗，其結果與仿真相符。該模型的建立，為直流無刷電機控制系統(tǒng)的設計、分析和調(diào)試提供了有效的工具和手段，也為線控轉向系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)提供了方便。

[1] 孫同景，陳桂友. Freescale 9S12 十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008：95-108.

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