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浅谈基于PIC18F458 的汽车电动助力转向控制系统设计论文
汽车电动助力转向系统( EPS) 依靠车载电源，由电动机提供助力，其操纵方便、节约能源、安全环保，符号现代汽车发展需求，已开始运用于中高级以上轿车和商务车上，但国内EPS 系统电子控制单元严重依赖国外进口，成本高、维修不方便，而国产产品起步晚，特别在永磁无刷电机控制和车载网络CAN-BUS 的信息共享上技术不成熟. 本电控单元以Microchip 公司推出的PIC18F458 高性能微处理器为核心，设计汽车电动助力转向系统( EPS) 电控单元，并通过电气测试和改装试验.
1 系统总体设计
EPS 系统主要由信息采集模块( 包括转矩传感器信号、电机反馈信号和CAN-BUS 共享信号) 、电子控制单元( ECU) 、执行器控制模块( 包括电机控制和离合器控制) 、减速装置、传动装置等组成，其系统结构.
EPS 系统工作时，通过转矩传感器检测驾驶员作用在方向盘上的操纵方向和力矩，结合CAN 总线共享的车速、发动机转速、点火信号、休眠唤醒信号等，运用模糊免疫PID 控制策略计算得出理想助力目标PWM 占空比，控制电机助力，通过电机动态闭环控制，电机助力转矩与驾驶员的操纵力矩共同克服车轮转向阻力矩，实现车辆智能动态方向助力转向作用，有效保障车辆低速行驶时的操纵性和高速行驶时的安全性. EPS 电控单元系统结构拓扑.
2 硬件设计
2. 1 控制器模块
EPS 系统电控单元采用microchip 公司的16 位微处理器PIC18F458，该芯片除了具有PIC18458 系列单片机哈佛架构精简指令结构、计算能力强、性能稳定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等有点晚，还引进了一系列串行通信外设，内置CAN 控制器，并支持运行、休眠、空闲等多种工作模式，支持车载网络CANBUS通讯协议，其增强型CCP 模块，在PWM 模式下能提供多路经调制输出，这些优异的性能为汽车EPS系统的软硬件设计提供了方便，且工作温度- 40 ～ +125℃，能够完全满足汽车使用环境的要求.
2. 2 信息采集模块
( 1) 转矩信号采集
EPS 系统采用KISTLER 公司生产的高精度4503A10L 型电位计式扭矩传感器来获取驾驶员加载在方向盘上的力矩和方向，传感器带有主、副双路对称的转矩信号，其中一路转矩信号采集电路原理图，另一路转矩信号采集电路与之相同.电路中，C7、C8 和R12 共同组成π 型RC 滤波电路，滤除转矩信号中的高频部分，稳压管D1 起限压保护作用，大电阻R11 用来减少输入阻抗.
( 2) CAN 总线通信
车载网络在汽车上的应用，提高了车载信息的共享能力、节约了成本，因此EPS 系统采用CAN 总线共享车速信号、发动机转速信号、点火开关IG 信号、故障信息及网络节点休眠唤醒信号等.
PIC18F458 单片机集成了CAN 通信接口，执行Bosch 公司的CAN2. 0A/B 协议，可以方便的利用CAN 总线与全车网络实现信息共享，软件编程只需对相关寄存器进行相应设置即可，外围接口电路也得以简化，只需要一个Philips 公司的PCA82C250作为CAN 总线接口芯片，中间用高速光电耦合器6N137 隔开，可以很好地实现总线上节点之间的电气隔离，提高系统抗干扰能力和信号传输能力，CAN总线通信接口电路.
2. 3 执行器控制模块
( 1) 无刷直流电机驱动控制
EPS 系统选用无刷直流电机作为助力电机，由PIC18F458 单片机为Freescale 公司开发的高性能无刷直流电机专业集成电路MC33035 提供无刷直流电机的转向和PWM 信号，MC33035 通过霍尔传感器检测电机当前的转子位置，并对其进行译码，转换成具有正确时序的顶部输出信号和底部输出信号给电机控制的驱动器IR2130 芯片， IR2130 是美国International Rectifier 公司生产的一种高电压、高速度的功率MOSFET 和IGBT 器件的驱动芯片，分别有3 个独立的高端和低端输入/输出通道，以此驱动由6 个N 沟道功率MOSFET 管组成的三相六步全控桥电路. 电机驱动电路原理图.
( 2) 电磁离合器控制
EPS 系统电磁离合器由单片机控制4 个功率晶体管组成的全桥控制电路来实现动力传递通断控制，提供一种结构简单、安全可靠的汽车EPS 电磁离合器控制电路，能够在满足电磁离合器有效、牢固接合的前提下，根据系统助力需要及时、稳定通断电磁离合器，以实现行驶转向助力和确保行车安全的目的.
2. 4 辅助电路
( 1) 电源电路: EPS 系统电源电路采用Infineon公司汽车专用电源芯片TLE7469，其输入电压范围宽( 7 ～ 45V) ，工作温度- 40℃ ～ 150℃，输出电压精度高，带有外部看门狗电路，以及短路、过温和电池反接保护等功能，保证EPS 系统在汽车恶劣的环境下长期稳定工作.
( 2) 复位电路: EPS 系统中复位电路主要完成系统的上电复位功能，PIC18F458 的MCLR 引脚提供了外部硬件触发器件复位的方法，将MCLR 引脚通过一个10k? 电阻连接到电源，这样还可以省去产生上电复位延时通常所需的外部RC 元件，上电复位事件由POR 位( RCON < 1 > ) 捕捉，只要发生上电复位，此位的状态就被置为0，它不会因任何其他复位事件发生改变.
3 软件设计
针对EPS 系统电控单元硬件电路设计，结合汽车EPS 系统对电机助力特性的要求，进行相应的软件开发，主要涉及系统初始化、CAN 总线通讯、信息采集及处理、PWM 占空比计算等. 首先，PIC18F 单片机唤醒上电并对时钟和各I /O 口等进行系统初始化，同时检测EPS 节点工作和CAN 总线通讯是否正常，如发现异常将存储故障码并显示故障指示灯; 接着，检测发动机转速是否达到怠速，怠速及以上时进入主程序; 然后，单片机对两路扭矩信号进行AD 转换及滤波处理，通过两路信号相减判断电机运转方向，结合CAN 总线共享得到车速信息等，综合这些信息进行模糊免疫PID 控制算法处理并最终得出控制电机的PWM 占空比; 最后，输出PWM 信号、助力方向、离合器闭合信号，驱动助力电机，并返回主程序进入程序再循环.
4 结语
综合以上EPS 系统设计，印制了电路板并形成产品，编写相应控制程序，通过电气测试，并在长安福特蒙迪欧汽车上进行替换改装试验，实验结果表明基于PIC18F458 单片机的汽车电动助力转向系统工作稳定、成本低廉、安全性能好，在与车载CAN-BUS 通信上比较稳定，抗干扰性能好; 电机助力能很好满足车辆在不同车速、车况下的行驶助力要求，性能可靠、易于维修.
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