基于DSP的电动助力转向系统的设计

    摘要：电动助力转向(EPS)是一种新型的汽车动力转向技术。设计了一种基于TMS320LF2407A DSP控制的汽车电动助力转向系统，介绍了其硬件组成及软件结构，采用PID控制策略对电机电流进行闭环控制，利用PWM技术控制电机的电压，以调节助力电流达到助力转向的目的。并做了Matlah仿真实验，仿真结果表明，该系统具有良好的助力特性。
关键词：汽车；电动助力转向；TMS320LF2407A；脉宽调制

0 引言
    电动助力转向(Electric Power Steering，EPS)系统是一种依靠电动机直接提供辅助转矩的动力转向系统，将最新电力电子技术与电机控制技术应用于汽车转向系统，大大提高了汽车的经济性、动力性和机动性，适应了现代汽车技术的要求，并且节约燃料，有利于环保，已成为目前世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。与传统的液压转向系统相比，EPS系统可较容易地实现在车速不同时电动机提供的助力也不同，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行驶时转向稳定可靠。本文基于电动助力转向原理，采用了PID控制策略，设计了一种基于TMS320LF2407A DSP控制的EPS系统，仿真结果表明采用PID控制方法可以达到较好的转向性能。

1 EPS系统结构和工作原理
    图1所示为典型的齿轮一齿条式电动助力转向系统示意图，其基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、电动机、减速机构及齿轮齿条转向器等。当汽车转向时，扭矩传感器测出方向盘的输出扭矩，送给电子控制单元(ECU)，电子控制单元再综合车速传感器送来的车速信号，并根据相应的控制策略确定一个目标电流，控制电动机转动。电动机的输出转矩通过离合器、减速机构的作用使车轮偏移一定的角度，从而起到对转向系统的助力作用。电子控制单元对传感器检测到的上述信号进行运算分析后，向驱动单元送出合理的控制信号，控制电机的电流大小和方向，同时将电压的电流信号作为反馈信号送到电子控制单元，形成闭环控制方式。

2 电动助力转向系统硬件设计
2．1 控制原理
    EPS系统硬件控制原理如图2所示，该系统是利用电流反馈技术建立起来的，其控制核心为TMS320LF2407A DSP。当汽车点火时，接通蓄电池电源，DSP上电后对EPS系统进行自检，自检通过后，闭合继电器和离合器，EPS系统开始工作。当驾驶员转动方向盘，即把扭矩传感器检测到方向盘的扭矩和转动方向信号，车速传感器检测到车速信号，经过处理之后送到TMS32LF2407A相应端口，DSP根据方向盘扭矩，通过PWM口发出电流指令和相应的转向控制端口发出转向命令，通过驱动电路及由4个MOSFET组成的H桥电路驱动电机转向。在此过程中，DSP检测到有故障发生时，将驱动警示灯发亮进行报警提示，同时断开继电器，恢复到机械转向状态。

2．2 TMS320LF2407A芯片介绍
    该系统的微处理器采用TI公司生产的TMS320LF2407A芯片。它是目前国际市场上较先进、功能较强大的16 b定点DSP芯片之一。TMS320LF 2407A是集成CAN通信接口的低成本数字处理器，面向电机的数字控制，运用于汽车电子领域。它采用高性能静态CMOS技术，具有低功耗和高速度的特点，工作电压为3．3 V，减少了控制器的功耗，40 MIPS的执行速度，提高了控制器的实时控制能力，片内32 KB的FLASH程序存储器，205 KB的数据／程序RAM，544 B双口RAM和2 KB的单口RAM，16通道10位A／D转换器，2组事件管理器：EVA、EVB，每个包括2个16 b通用定时器和8个16 b的PWM输出通道，改进的哈佛总线结构，支持动态改变锁相环的倍频系数，看门狗定时模块等，系统可靠稳定。同时该芯片对C语言的高编译效率，使得软件的开发周期大大缩短。
2．3 TMS320LF2407A电源电路
    本系统选用5 V蓄电池电源，由于TMS320LF2407A芯片的工作电压为3．3 V，所以必须使用电源转换芯片。本系统采用TI公司的TPS7333Q电源转换芯片完成5 V到3．3 V的转换。该芯片使用PMOS晶体管传送电流，其栅极由电压驱动，工作电流低且在全负载内不变，具有内部电流限制和过热保护的特点，同时该芯片提供上电复位信号。

3 控制策略
    利用电动机转矩和电流成正比的特性，采用控制电动机电枢电流的方法，实现助力控制。助力控制是在转向过程中为减轻方向盘的操纵力，通过涡轮蜗杆减速机构把电动机转矩作用在转向轴上的一种基本控制模式。将方向盘转矩传感器检测到的转矩信号和车速传感器检测到的车速信号输入到DSP控制器中，根据“扭矩-电动机助力目标电流”，确定电动机助力的目标电流，输入到电动机，然后将霍尔电流传感器检测到的实际电流和目标电流进行比较，利用PID调节器进行调节，然后输出PWM信号到驱动电路，进行电动机助力，电动助力转向系统(EPS)的基本控制过程如图4所示。

3．1 电机助力控制算法
    控制系统根据驾驶员加在方向盘上的力矩和当时的车速，按照预制助力特性确定电机目标助力电流的大小和方向。助力变化区域中，方向盘输入力矩与助力矩按线性规律变化。其函数表达为：
   
    式中：I为电动机目标电流；Imax为电动机最大工作电流；Td为方向盘输入转矩；k(v)为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；Td0为系统开始助力时的方向盘输入力矩；Tdmax为系统提供最大助力时的方向盘输入力矩。
    本系统采用直线型助力特性曲线，横坐标为方向盘输入扭矩(单位：N·m)，纵坐标为助力电流Im，其中，Td0=±1 N·m，Tdmax=±7 N·m，Vmax=80 km／h，方向盘转矩工作在-10～+10 N·m之间，进入-7～+7 N·m后电动机电流达到饱和，电动机的最大工作电流小于20 A。随着车速的增加，电机电流减小，助力斜率减小，手感由轻转重，方向盘顺时针转向和逆时针转向时曲线对称。

3. 2 电机电流控制算法
    本系统使用的是数字PID控制器，其算法有位置式控制算法和增量式控制算法两种。位置式PID控制算法为全量输出，其产生的控制电动机的电流易产生方向盘振动，因此采用增量式PID控制算法来进行电动机电流的控制。
    增量式PID控制算法表达式为：
   
    式中：Un为控制量，也是电机驱动电路的输入量；en为电机目标电流和实际电流之间的差值；kP为比例系数，kI为积分系数，kD为微分系数。
3．3 仿真结果分析
    由于EPS的助力转矩跟电动机的电流成正比，因此分析系统助力转矩的变化就能得出系统助力电流的变化规律，从而研究EPS中电动机助力电流控制的算法。

    图5是系统在Matlab中PID控制下电动机输出的助力转矩对方向盘输入转矩的阶跃响应曲线，从中可以很明显地看出，采用PID控制系统达到稳态值需要的时间短、超调量小，振荡次数少，说明PID控制系统的稳定性和响应品质都比较好。因此，采用PID控制算法能较好地按照控制策略的要求提供转向助力。

4 EPS系统软件设计
    根据上述控制方法，设计了相应控制软件。DSP上电后要进行特殊功能寄存器的初始化，包括定时器工作方式、A／D采样方式设置等。初始化设置结束后，开始检查EPS系统中的电机、离合器、扭矩传感器等工作是否正常，如有故障则点亮警示灯进行报警，若一切正常则EPS系统开始正常的电动助力控制，主程序流程如图6所示。整个程序还包括一些子程序、如系统初始化子程序、定时器中断子程序、故障信号检测子程序、信号采集滤波子程序等。

5 结论
    TMS320LF2407A是一种新型16 bDSP，利用它作为控制核心，简化了电动助力转向系统的硬件电路的设计，有利于控制系统小型化。同时采用PID控制对电动机输出电流进行闭环控制，系统助力跟随性能好，响应速度快，控制精度高。