基于微控制器和模糊算法的EPS系統(tǒng)設計

劉增俊

(吉林鐵道職業(yè)技術學院電氣工程系，吉林吉林450011)

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基于微控制器和模糊算法的EPS系統(tǒng)設計

劉增俊*

(吉林鐵道職業(yè)技術學院電氣工程系，吉林吉林450011)

摘要:概述了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(Electric Power Steering)的工作原理和硬件系統(tǒng)。設計了基于XC2365芯片的EPS系統(tǒng)，在控制策略方面采用模糊控制算法，對無刷直流電機進行控制。通過采用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真和采用實車進行場地實驗結(jié)果表明:相對于未使用EPS系統(tǒng)的車輛，采用基于模糊算法的EPS系統(tǒng)使得車輛操作更穩(wěn)定。

關鍵詞:電動助力系統(tǒng);模糊算法;仿真;微控制器

隨著汽車銷量的逐年提高，人們對汽車的環(huán)保和節(jié)能要求逐漸提高。汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS (Electric Power Steering)和傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能5%～10%。汽車采用EPS，取消液壓管路，減少了液壓設備中液體泄漏的可能性。同時EPS系統(tǒng)具有降低車輛自重，減少生產(chǎn)成本等優(yōu)點，因此EPS系統(tǒng)得到了廣泛的認可［1－3］。

國內(nèi)各個高校、研究所對EPS系統(tǒng)投入了大量的人力物力，EPS的研究集中于PID等控制算法。本文在控制策略上采用模糊算法，結(jié)合微控制器技術、電子技術，設計了EPS電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)的總體設計

EPS系統(tǒng)如圖1所示，整個系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩傳感器、車輛速度傳感器、機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制電機、以及EPS系統(tǒng)的電控ECU單元構成。EPS系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，轉(zhuǎn)矩傳感器和車輛機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相連，負責采集轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向角位移信號。轉(zhuǎn)向角位移信號傳送至電控ECU。車輛速度傳感器負責采集車輛輪速，并將信號送至EPS系統(tǒng)的電控ECU單元。電控ECU單元根據(jù)輸入的傳感器信號，采用模糊控制策略控制直流無刷電機的轉(zhuǎn)動方向和助力大小，從而實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的輔助控制。車輛EPS系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)信號通過CAN總線送至車輛的底盤控制系統(tǒng)［4－7］。

圖1　EPS系統(tǒng)結(jié)構簡圖

圖2　EPS系統(tǒng)硬件框圖

2　系統(tǒng)硬件設計

EPS系統(tǒng)的電控單元ECU的主控制器和采用英飛凌公司的XC2365。備份微控制器采用XC866，備份控制器和主控制器之間通過SSC接口相連接，備份控制器XC866負責監(jiān)控，并在主控制器失效的情況下將EPS系統(tǒng)切換至機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

EPS系統(tǒng)的扭矩傳感器采用英飛凌公司的TLE4997，硬件電路圖如圖3所示。TLE4997輸出的信號為0.5 V～4.5 V模擬信號，干擾噪聲的主要來自于驅(qū)動直流無刷電機時產(chǎn)生的10 kHz～20 kHz赫茲噪聲和電機的1 kHz～12 kHz赫茲噪聲，為了減少信號衰減、抑制噪聲，電路上采用了截止頻率160 kHz赫茲的低通濾波器。TLE4997通過EMI和RC濾波器電路后直接連接到XC2365的AD轉(zhuǎn)換引腳上。車輛速度信號來自于車輛ABS系統(tǒng)的霍爾傳感器，該信號同樣需要采用RC低通濾波器(截止頻率為20K赫茲)消除噪聲信號的干擾。

圖3　扭矩傳感器硬件電路圖

在助力電機方面，經(jīng)過對直流有刷電機和直流無刷電機比較發(fā)現(xiàn)，直流有刷電機雖然價格有優(yōu)勢，但容易損壞，且直流有刷電機的換向器電火花容易對EPS系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。因此本設計采用直流無刷電機實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。直流無刷電機的驅(qū)動芯片采用的是英飛凌的TLE7183，電路原理圖如圖4所示。TLE7183的3個高邊輸出級和3個低邊輸出級控制6個外接MOS管。

圖4　直流無刷電機驅(qū)動電路原理圖

在CAN總線接口部分，電路圖如圖5所示。主控制器XC2365芯片內(nèi)部集成了CAN控制器。本文采用TI公司生產(chǎn)的CAN收發(fā)器SN65HVD230連接XC2365。在電氣干擾隔離方面，采用6N137構成光耦隔離電路，有效的實現(xiàn)底盤電控單元各部分的電氣隔離。通過CAN總線，EPS電控單元可以實現(xiàn)與ABS系統(tǒng)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)等底盤控制系統(tǒng)的信號通信。

圖5　CAN通信電路原理圖

整個EPS系統(tǒng)電源部分需要直流5 V、12 V電源，直流5 V電源負責給主控制器XC2365、從控制器XC866供電，12 V電源給驅(qū)動電機模塊供電。本文將車輛的車載蓄電池作為電源來源，通過英飛凌公司的汽車專用DC－DC穩(wěn)壓芯片為EPS系統(tǒng)實現(xiàn)5 V、12 V直流供電。

3　模糊控制器的設計

本文設計的電控單元ECU中采用模糊控制算法，在算法仿真方面采用MATLAB軟件中的Fuzzy模塊工具箱。模糊控制器采用雙輸入、單輸出的模式，兩個輸入量分別為轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩T和車輛速度V。模糊控制器設計流程如圖6所示，輸入量經(jīng)過模糊化、制定模糊規(guī)則表、反模糊化得到輸出量，即直流無刷電機的驅(qū)動電流I。

圖6　模糊控制器設計流程

3.1輸入量和輸出量的模糊化

輸入量車輛速度V的范圍0～150 km/h，論域設置為V［1，2，3，4，5，6，7］。方向盤扭矩T范圍0～17 N·m，論域設置為T［1，2，3，4，5，6，7］。輸出量電流I的范圍0～17 A。本文將車輛速度V、方向盤扭矩T、目標電流I均分為7個模糊集，分別為［PB、PM、PS、Z、NS、NM、NB］。

3.2模糊規(guī)則推理表

采用“IF-THEN”語句得到模糊規(guī)則表，如表1所示。在制定模糊規(guī)則時，賦予每條規(guī)則加權系數(shù)，避免輸出規(guī)則沖突。

表1　模糊控制規(guī)則

3.3反模糊

模糊推理方法采用Mandain推理法，反模糊法采用重心法。模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則表，采用查表的方法控制助力電機的大小和方向。

4　仿真結(jié)果

在MATLAB軟件中對采用模糊控制算法的EPS系統(tǒng)和未使用EPS的系統(tǒng)進行了模擬仿真。仿真數(shù)據(jù)時根據(jù)車輛在T=1 N·m，V=45 km/h情況下仿真得到的，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)在Amesim軟件中繪圖。圖7所示為兩種仿真的橫擺角速度相應的對比圖，其中圖中實線圖是未使用EPS系統(tǒng)的仿真結(jié)果，虛線是使用了EPS系統(tǒng)的情形。圖8為橫擺角加速度相應對比圖，圖中實線圖為使用EPS系統(tǒng)的情形，虛線圖是未使用EPS系統(tǒng)的情形。從圖中可以分析得知使用了EPS系統(tǒng)后，穩(wěn)定時間σ從3.4 s下降至2 s，超調(diào)量從90%下降到了10%，說明系統(tǒng)的響應速度得到了提高，抑制了系統(tǒng)振蕩，提高了車輛的操作穩(wěn)定性和舒適性。

圖7　橫擺角速度相應圖

圖8　橫擺角加速度相應對比圖

5　實驗部分

在對EPS系統(tǒng)進行實驗設計方面，根據(jù)《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置技術條件與臺架試驗方法(意見稿)》設計了兩個實驗:(1)對助力電機進行控制的實際輸出電流與目標電流對比實驗。(2)助力電流實驗。

實驗1是在方向盤角度信號以正弦方式輸入的情況下，觀察EPS系統(tǒng)輸出的電機實際控制電流和目標電流是否基本重合。實驗1結(jié)果如圖9所示，實際電流和目標電流走勢基本相同，說明EPS系統(tǒng)響應快且準確的特點。

圖9　實際電流和目標電流

實驗2主要是測量車輛在不同的車速下，轉(zhuǎn)向力矩和助力電流是否符合EPS系統(tǒng)的要求。實驗結(jié)果如圖10所示，車輛在原地轉(zhuǎn)向、時速20 km、40 km、60 km、80 km情況下，測量助力電機的實際控制電流。由圖10可知，車輛速度升高，助力電機的實際電流減小。車輛速度達到時速80 km以上，助力電機的控制電流已經(jīng)很小。助力電機的實際控制電流正比于助力電機的輸出扭矩，意味著在車輛在高速行駛時，助力電機輸出扭矩很小，保證了車輛高速運行時的穩(wěn)定性。由圖10也可得知，車輛在低速運行時，實際控制電流較大，助力電機扭矩輸出也較大，這樣可以確保車輛低速轉(zhuǎn)向的輕便。

圖10　助力電流特性圖

6　結(jié)論

本文設計了基于模糊控制算法的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并進行了實車實驗。實驗表明:該系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器采集的信號送入EPS電控單元。根據(jù)控制策略輔助駕駛員控制轉(zhuǎn)向盤，使得車輛在轉(zhuǎn)向時操作平穩(wěn)，保證安全駕駛。

本文在車輛的底盤控制領域做出了初步的開發(fā)和實現(xiàn)，整個車輛電控系統(tǒng)還需要進一步改善，下一階段的工作重點是: (1)車輛EPS系統(tǒng)的硬件設計方面，需要加強抗EMC性能。(2)將電控單元集成入直流無刷電機，實現(xiàn)EPS系統(tǒng)的小型化。

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劉增俊(1978－)，男，碩士，主要研究方向為微電子技術，檢測技術的研究。

Research and Design for Low Voltage Motor’s Intelligent Protection Device

FENG Xinghui1，ZHANG Xiutai2，ZHAI Yafang2*
(1.Hennan Institute of Electronic Product Quality Supervision and Testing，Zhengzhou 450000，China;
2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000，China)

Abstract:For the electrical fault of low voltage motor operation process，and the combination with present’s situation of motor protecting，an intelligent protection device for low voltage motor is designed.This device uses the ARM processor LM3S2B93 as the master chip，and it is able to collect the signals of three phase input voltage and current to provide protection for the electrical fault such as start-up out-time，locked rotor，unbalanced current，overheating.The overall structure，hardware design，main program design and typical application are analyzed，and the results of testing and inspection are given.This device has higher application value，which has the features of simple structure，easy operation，high popularity.

Key words:low voltage motor; protection device; electrical fault; plug-in architecture

中圖分類號:U463.4

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0667－04

收稿日期:2014－07－28修改日期: 2014－08－19

doi:EEACC: 814010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.040