基于TMS320LF2407A的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 全文

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　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering，EPS)系統(tǒng)是一種依靠電動(dòng)機(jī)直接提供輔助轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，將最新電力電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，大大提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和機(jī)動(dòng)性，適應(yīng)了現(xiàn)代汽車技術(shù)的要求，并且節(jié)約燃料，有利于環(huán)保，已成為目前世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一。設(shè)計(jì)了一種基于TMS320LF2407A DSP控制的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，介紹了其硬件組成及軟件結(jié)構(gòu)，采用PID控制策略對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，利用PWM技術(shù)控制電機(jī)的電壓，以調(diào)節(jié)助力電流達(dá)到助力轉(zhuǎn)向的目的。并做了Matlah仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的助力特性?！　?/p>

? ?1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　圖1所示為典型的齒輪一齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖，其基本組成包括扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)及齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器測(cè)出方向盤(pán)的輸出扭矩，送給電子控制單元(ECU)，電子控制單元再綜合車速傳感器送來(lái)的車速信號(hào)，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略確定一個(gè)目標(biāo)電流，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)離合器、減速機(jī)構(gòu)的作用使車輪偏移一定的角度，從而起到對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用。電子控制單元對(duì)傳感器檢測(cè)到的上述信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析后，向驅(qū)動(dòng)單元送出合理的控制信號(hào)，控制電機(jī)的電流大小和方向，同時(shí)將電壓的電流信號(hào)作為反饋信號(hào)送到電子控制單元，形成閉環(huán)控制方式。

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　　2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制原理

　　EPS系統(tǒng)硬件控制原理如圖2所示，該系統(tǒng)是利用電流反饋技術(shù)建立起來(lái)的，其控制核心為T(mén)MS320LF2407A DSP。當(dāng)汽車點(diǎn)火時(shí)，接通蓄電池電源，DSP上電后對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，即把扭矩傳感器檢測(cè)到方向盤(pán)的扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)，車速傳感器檢測(cè)到車速信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理之后送到TMS32LF2407A相應(yīng)端口，DSP根據(jù)方向盤(pán)扭矩，通過(guò)PWM口發(fā)出電流指令和相應(yīng)的轉(zhuǎn)向控制端口發(fā)出轉(zhuǎn)向命令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路及由4個(gè)MOSFET組成的H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向。在此過(guò)程中，DSP檢測(cè)到有故障發(fā)生時(shí)，將驅(qū)動(dòng)警示燈發(fā)亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開(kāi)繼電器，恢復(fù)到機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

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　　2.2 TMS320LF2407A芯片介紹

　　該系統(tǒng)的微處理器采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片。它是目前國(guó)際市場(chǎng)上較先進(jìn)、功能較強(qiáng)大的16 b定點(diǎn)DSP芯片之一。TMS320LF 2407A是集成CAN通信接口的低成本數(shù)字處理器，面向電機(jī)的數(shù)字控制，運(yùn)用于汽車電子領(lǐng)域。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，具有低功耗和高速度的特點(diǎn)，工作電壓為3.3 V，減少了控制器的功耗，40 MIPS的執(zhí)行速度，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力，片內(nèi)32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，205 KB的數(shù)據(jù)/程序RAM，544 B雙口RAM和2 KB的單口RAM，16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2組事件管理器：EVA、EVB，每個(gè)包括2個(gè)16 b通用定時(shí)器和8個(gè)16 b的PWM輸出通道，改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，支持動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)，看門(mén)狗定時(shí)模塊等，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。同時(shí)該芯片對(duì)C語(yǔ)言的高編譯效率，使得軟件的開(kāi)發(fā)周期大大縮短。

　　2.3 TMS320LF2407A電源電路

　　本系統(tǒng)選用5 V蓄電池電源，由于TMS320LF2407A芯片的工作電壓為3.3 V，所以必須使用電源轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用TI公司的TPS7333Q電源轉(zhuǎn)換芯片完成5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換。該芯片使用PMOS晶體管傳送電流，其柵極由電壓驅(qū)動(dòng)，工作電流低且在全負(fù)載內(nèi)不變，具有內(nèi)部電流限制和過(guò)熱保護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)該芯片提供上電復(fù)位信號(hào)。

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　　3 控制策略

　　利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流成正比的特性，采用控制電動(dòng)機(jī)電樞電流的方法，實(shí)現(xiàn)助力控制。助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中為減輕方向盤(pán)的操縱力，通過(guò)渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向軸上的一種基本控制模式。將方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)輸入到DSP控制器中，根據(jù)“扭矩-電動(dòng)機(jī)助力目標(biāo)電流”，確定電動(dòng)機(jī)助力的目標(biāo)電流，輸入到電動(dòng)機(jī)，然后將霍爾電流傳感器檢測(cè)到的實(shí)際電流和目標(biāo)電流進(jìn)行比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)助力，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的基本控制過(guò)程如圖4所示。

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　　3.1 電機(jī)助力控制算法

　　控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員加在方向盤(pán)上的力矩和當(dāng)時(shí)的車速，按照預(yù)制助力特性確定電機(jī)目標(biāo)助力電流的大小和方向。助力變化區(qū)域中，方向盤(pán)輸入力矩與助力矩按線性規(guī)律變化。其函數(shù)表達(dá)為：

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　　式中：I為電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流;Imax為電動(dòng)機(jī)最大工作電流;Td為方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩;k(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減小;Td0為系統(tǒng)開(kāi)始助力時(shí)的方向盤(pán)輸入力矩;Tdmax為系統(tǒng)提供最大助力時(shí)的方向盤(pán)輸入力矩。

　　本系統(tǒng)采用直線型助力特性曲線，橫坐標(biāo)為方向盤(pán)輸入扭矩(單位：N·m)，縱坐標(biāo)為助力電流Im，其中，Td0=±1 N·m，Tdmax=±7 N·m，Vmax=80 km/h，方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩工作在-10～+10 N·m之間，進(jìn)入-7～+7 N·m后電動(dòng)機(jī)電流達(dá)到飽和，電動(dòng)機(jī)的最大工作電流小于20 A。隨著車速的增加，電機(jī)電流減小，助力斜率減小，手感由輕轉(zhuǎn)重，方向盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)向和逆時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)曲線對(duì)稱。

　　3. 2 電機(jī)電流控制算法

　　本系統(tǒng)使用的是數(shù)字PID控制器，其算法有位置式控制算法和增量式控制算法兩種。位置式PID控制算法為全量輸出，其產(chǎn)生的控制電動(dòng)機(jī)的電流易產(chǎn)生方向盤(pán)振動(dòng)，因此采用增量式PID控制算法來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)電流的控制。

　　增量式PID控制算法表達(dá)式為：

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　　式中：Un為控制量，也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入量;en為電機(jī)目標(biāo)電流和實(shí)際電流之間的差值;kP為比例系數(shù)，kI為積分系數(shù)，kD為微分系數(shù)。

　　3.3 仿真結(jié)果分析

　　由于EPS的助力轉(zhuǎn)矩跟電動(dòng)機(jī)的電流成正比，因此分析系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)矩的變化就能得出系統(tǒng)助力電流的變化規(guī)律，從而研究EPS中電動(dòng)機(jī)助力電流控制的算法。

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　　圖5是系統(tǒng)在Matlab中PID控制下電動(dòng)機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)曲線，從中可以很明顯地看出，采用PID控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值需要的時(shí)間短、超調(diào)量小，振蕩次數(shù)少，說(shuō)明PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)品質(zhì)都比較好。因此，采用PID控制算法能較好地按照控制策略的要求提供轉(zhuǎn)向助力。

　　4 EPS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述控制方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制軟件。DSP上電后要進(jìn)行特殊功能寄存器的初始化，包括定時(shí)器工作方式、A/D采樣方式設(shè)置等。初始化設(shè)置結(jié)束后，開(kāi)始檢查EPS系統(tǒng)中的電機(jī)、離合器、扭矩傳感器等工作是否正常，如有故障則點(diǎn)亮警示燈進(jìn)行報(bào)警，若一切正常則EPS系統(tǒng)開(kāi)始正常的電動(dòng)助力控制，主程序流程如圖6所示。整個(gè)程序還包括一些子程序、如系統(tǒng)初始化子程序、定時(shí)器中斷子程序、故障信號(hào)檢測(cè)子程序、信號(hào)采集濾波子程序等。

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　　5 結(jié)論

　　TMS320LF2407A是一種新型16 bDSP，利用它作為控制核心，簡(jiǎn)化了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，有利于控制系統(tǒng)小型化。同時(shí)采用PID控制對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)助力跟隨性能好，響應(yīng)速度快，控制精度高。