摘要：電動助力轉向" title="電動助力轉向">電動助力轉向(EPS)是一種新型的汽車" title="汽車">汽車動力轉向技術。設計了一種基于TMS320LF2407A" title="TMS320LF2407A">TMS320LF2407A DSP控制的汽車電動助力轉向系統，介紹了其硬件組成及軟件結構，采用PID控制策略對電機電流進行閉環控制，利用PWM技術控制電機的電壓，以調節助力電流達到助力轉向的目的。并做了Matlah仿真實驗，仿真結果表明，該系統具有良好的助力特性。
關鍵詞：汽車；電動助力轉向；TMS320LF2407A；脈寬調制" title="脈寬調制">脈寬調制
0 引言
電動助力轉向(Electric Power Steering，EPS)系統是一種依靠電動機直接提供輔助轉矩的動力轉向系統，將最新電力電子技術與電機控制技術應用于汽車轉向系統，大大提高了汽車的經濟性、動力性和機動性，適應了現代汽車技術的要求，并且節約燃料，有利于環保，已成為目前世界汽車技術發展的研究熱點和前沿技術之一。與傳統的液壓轉向系統相比，EPS系統可較容易地實現在車速不同時電動機提供的助力也不同，保證汽車在低速行駛時轉向輕便靈活，高速行駛時轉向穩定可靠。本文基于電動助力轉向原理，采用了PID控制策略，設計了一種基于TMS320LF2407A DSP控制的EPS系統，仿真結果表明采用PID控制方法可以達到較好的轉向性能。
1 EPS系統結構和工作原理
圖1所示為典型的齒輪一齒條式電動助力轉向系統示意圖，其基本組成包括扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、電動機、減速機構及齒輪齒條轉向器等。當汽車轉向時，扭矩傳感器測出方向盤的輸出扭矩，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的車速信號，并根據相應的控制策略確定一個目標電流，控制電動機轉動。電動機的輸出轉矩通過離合器、減速機構的作用使車輪偏移一定的角度，從而起到對轉向系統的助力作用。電子控制單元對傳感器檢測到的上述信號進行運算分析后，向驅動單元送出合理的控制信號，控制電機的電流大小和方向，同時將電壓的電流信號作為反饋信號送到電子控制單元，形成閉環控制方式。
2 電動助力轉向系統硬件設計
2．1 控制原理
EPS系統硬件控制原理如圖2所示，該系統是利用電流反饋技術建立起來的，其控制核心為TMS320LF2407A DSP。當汽車點火時，接通蓄電池電源，DSP上電后對EPS系統進行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統開始工作。當駕駛員轉動方向盤，即把扭矩傳感器檢測到方向盤的扭矩和轉動方向信號，車速傳感器檢測到車速信號，經過處理之后送到TMS32LF2407A相應端口，DSP根據方向盤扭矩，通過PWM口發出電流指令和相應的轉向控制端口發出轉向命令，通過驅動電路及由4個MOSFET組成的H橋電路驅動電機轉向。在此過程中，DSP檢測到有故障發生時，將驅動警示燈發亮進行報警提示，同時斷開繼電器，恢復到機械轉向狀態。
2．2 TMS320LF2407A芯片介紹
該系統的微處理器采用TI公司生產的TMS320LF2407A芯片。它是目前國際市場上較先進、功能較強大的16 b定點DSP芯片之一。TMS320LF 2407A是集成CAN通信接口的低成本數字處理器，面向電機的數字控制，運用于汽車電子領域。它采用高性能靜態CMOS技術，具有低功耗和高速度的特點，工作電壓為3．3 V，減少了控制器的功耗，40 MIPS的執行速度，提高了控制器的實時控制能力，片內32 KB的FLASH程序存儲器，205 KB的數據／程序RAM，544 B雙口RAM和2 KB的單口RAM，16通道10位A／D轉換器，2組事件管理器：EVA、EVB，每個包括2個16 b通用定時器和8個16 b的PWM輸出通道，改進的哈佛總線結構，支持動態改變鎖相環的倍頻系數，看門狗定時模塊等，系統可靠穩定。同時該芯片對C語言的高編譯效率，使得軟件的開發周期大大縮短。
2．3 TMS320LF2407A電源電路
本系統選用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換芯片。本系統采用TI公司的TPS7333Q電源轉換芯片完成5 V到3．3 V的轉換。該芯片使用PMOS晶體管傳送電流，其柵極由電壓驅動，工作電流低且在全負載內不變，具有內部電流限制和過熱保護的特點，同時該芯片提供上電復位信號。
3 控制策略
利用電動機轉矩和電流成正比的特性，采用控制電動機電樞電流的方法，實現助力控制。助力控制是在轉向過程中為減輕方向盤的操縱力，通過渦輪蝸桿減速機構把電動機轉矩作用在轉向軸上的一種基本控制模式。將方向盤轉矩傳感器檢測到的轉矩信號和車速傳感器檢測到的車速信號輸入到DSP控制器中，根據“扭矩-電動機助力目標電流”，確定電動機助力的目標電流，輸入到電動機，然后將霍爾電流傳感器檢測到的實際電流和目標電流進行比較，利用PID調節器進行調節，然后輸出PWM信號到驅動電路，進行電動機助力，電動助力轉向系統(EPS)的基本控制過程如圖4所示。
3．1 電機助力控制算法
控制系統根據駕駛員加在方向盤上的力矩和當時的車速，按照預制助力特性確定電機目標助力電流的大小和方向。助力變化區域中，方向盤輸入力矩與助力矩按線性規律變化。其函數表達為：
式中：I為電動機目標電流；Imax為電動機最大工作電流；Td為方向盤輸入轉矩；k(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減小；Td0為系統開始助力時的方向盤輸入力矩；Tdmax為系統提供最大助力時的方向盤輸入力矩。
本系統采用直線型助力特性曲線，橫坐標為方向盤輸入扭矩(單位：N·m)，縱坐標為助力電流Im，其中，Td0=±1 N·m，Tdmax=±7 N·m，Vmax=80 km／h，方向盤轉矩工作在-10～+10 N·m之間，進入-7～+7 N·m后電動機電流達到飽和，電動機的最大工作電流小于20 A。隨著車速的增加，電機電流減小，助力斜率減小，手感由輕轉重，方向盤順時針轉向和逆時針轉向時曲線對稱。
3. 2 電機電流控制算法
本系統使用的是數字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，其產生的控制電動機的電流易產生方向盤振動，因此采用增量式PID控制算法來進行電動機電流的控制。
增量式PID控制算法表達式為：
式中：Un為控制量，也是電機驅動電路的輸入量；en為電機目標電流和實際電流之間的差值；kP為比例系數，kI為積分系數，kD為微分系數。
3．3 仿真結果分析
由于EPS的助力轉矩跟電動機的電流成正比，因此分析系統助力轉矩的變化就能得出系統助力電流的變化規律，從而研究EPS中電動機助力電流控制的算法。
圖5是系統在Matlab中PID控制下電動機輸出的助力轉矩對方向盤輸入轉矩的階躍響應曲線，從中可以很明顯地看出，采用PID控制系統達到穩態值需要的時間短、超調量小，振蕩次數少，說明PID控制系統的穩定性和響應品質都比較好。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向助力。
4 EPS系統軟件設計
根據上述控制方法，設計了相應控制軟件。DSP上電后要進行特殊功能寄存器的初始化，包括定時器工作方式、A／D采樣方式設置等。初始化設置結束后，開始檢查EPS系統中的電機、離合器、扭矩傳感器等工作是否正常，如有故障則點亮警示燈進行報警，若一切正常則EPS系統開始正常的電動助力控制，主程序流程如圖6所示。整個程序還包括一些子程序、如系統初始化子程序、定時器中斷子程序、故障信號檢測子程序、信號采集濾波子程序等。
5 結論
TMS320LF2407A是一種新型16 bDSP，利用它作為控制核心，簡化了電動助力轉向系統的硬件電路的設計，有利于控制系統小型化。同時采用PID控制對電動機輸出電流進行閉環控制，系統助力跟隨性能好，響應速度快，控制精度高。