基于MC9S12XET256技術(shù)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元設(shè)計(jì)

招永鑄

摘 要：線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是汽車電子轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段，它將進(jìn)一步改善汽車的綜合性能。文章以MC9S12XET256 芯片為核心技術(shù)，提出了一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控單元設(shè)計(jì)，并對(duì)其設(shè)計(jì)過程以及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向控制器；電機(jī)控制算法；試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

在19世紀(jì)50年代，人們開始研究汽車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，不但可以自由設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計(jì)帶來無限的空間，提高了汽車的轉(zhuǎn)向性能，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。

1.線控轉(zhuǎn)向控制器硬件設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向電控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，電控單元應(yīng)具備如下功能：

（1）實(shí)時(shí)采集并處理傳感器信號(hào)。

（2）具有PWM 信號(hào)產(chǎn)生模塊，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)使電機(jī)能夠快速、準(zhǔn)確的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角和力反饋力矩。

（3）能通過CAN 總線與轉(zhuǎn)角傳感器、能接收和處理CAN 網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)主要包括MCU 外圍電路、電源電路、CAN 總線通訊電路、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)電流采樣電路、信號(hào)采集及處理電路。MCU 選擇 MC9S12XET256。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

ECU 中用到的電源主要有對(duì)電子元器件供電的5V 電源和對(duì)直流無刷電機(jī)供電的24V 電源。車載自身提供24V 電源，為了把24V 電源轉(zhuǎn)化成5V，采用了LM5575 降壓穩(wěn)壓器汽車級(jí)芯片，工作結(jié)點(diǎn)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。

1.2 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

本文路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)均采用直流無刷電機(jī)。三相直流無刷電機(jī)通過內(nèi)部霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，分別控制六個(gè)MOSFET管的截止和導(dǎo)通，產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電子換向。基于無刷電機(jī)電流大，本文選擇了基于三墾電氣SCM6716 芯片設(shè)計(jì)了無刷電機(jī)控制電路。

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(jìn)行CAN 總線電路設(shè)計(jì)時(shí)只需在電路上增加CAN 收發(fā)器。

1.4 電機(jī)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(gè)精密電阻，電阻另外一端接地，電樞電流經(jīng)過采樣電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定壓降，將電阻的壓降經(jīng)過濾波和運(yùn)放后輸入MCU 的A/D 采集模塊。綜合實(shí)驗(yàn)室條件，采用精密電阻分流式采樣方法。路感電機(jī)的三個(gè)采樣電阻分別為1 Rm_ s、Rm_ s2、Rm_ s3， _ Vm so 為采樣電阻壓降，三個(gè)采樣電阻并聯(lián)是為了對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行分流，這樣可以防止由于電機(jī)的瞬時(shí)電流過大而對(duì)采樣電阻產(chǎn)生損壞。所以路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的電流分別為：

1.5 信號(hào)采集及處理電路線

控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，ECU 還需要采集的信號(hào)包括前輪轉(zhuǎn)角和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)、車速信號(hào)等。由于上述信號(hào)都是通過CAN 總線與ECU 之間通訊，所以不需要對(duì)其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理。點(diǎn)火信號(hào)作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU 工作的依據(jù)，對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集和處理至關(guān)重要。在點(diǎn)火鑰匙閉合的情況下，點(diǎn)火信號(hào)輸出為24V，點(diǎn)火信號(hào)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(hào)被單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換通道采集，然后通過軟件的中斷程序判斷點(diǎn)火鑰匙是閉合還是斷開。若采集到的電壓信號(hào)等于標(biāo)定值，則點(diǎn)火鑰匙閉合，若電壓信號(hào)等于零，則點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉。

BLDC 內(nèi)置三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，電機(jī)有八根接線，除三根電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過霍爾信號(hào)處理電路到達(dá)SCM6716 芯片的HallU、HallV、HallW 端口用來實(shí)現(xiàn)繞組的正確換相控制。

2.線控轉(zhuǎn)向算法及軟件設(shè)計(jì)

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將軟件設(shè)計(jì)分為管理應(yīng)用層和底層驅(qū)動(dòng)層。管理應(yīng)用層包括主控程序設(shè)計(jì)，控制策略程序設(shè)計(jì)。

2.1 主控程序設(shè)計(jì)

當(dāng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)首先采集信號(hào)，主要包括方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)電流、力反饋電機(jī)電流、車速等。通過變傳動(dòng)比的方法計(jì)算出轉(zhuǎn)向車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向和路感模擬。

2.2 控制策略程序設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向控制策略主要包括前輪轉(zhuǎn)角控制和路感控制，本文主要對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略進(jìn)行研究。控制器接收各傳感器傳來的信號(hào)，主要包括車速信號(hào)u 、方向盤δ 和前輪轉(zhuǎn)角h δ 。根據(jù)理想傳動(dòng)比算法如式（（1）所示，得到目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角，目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角與實(shí)際前輪前輪轉(zhuǎn)角作差進(jìn)行閉環(huán)控制。其中 k1 分別為為前后輪側(cè)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(zhuǎn)向傳動(dòng)比；δh 為前輪轉(zhuǎn)角；ω 為橫擺角速度。

只需要在任何車速和方向盤轉(zhuǎn)角下，讓基于橫擺角速度增益Gωδh 為一定值，就能使駕駛員獲得更容易掌握車輛轉(zhuǎn)向特性。方向盤轉(zhuǎn)角到橫擺角速度ω 的增益Gωδh可表示為：

3.結(jié)論

總之，伴隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，許多功能強(qiáng)大的電控單元被應(yīng)用在車輛操控系統(tǒng)之中。本研究提出了一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制策略進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，其結(jié)果與仿真相符，提高了汽車的安全性，操縱穩(wěn)定性，舒適性等，對(duì)相關(guān)研究具有一定的工程價(jià)值。

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