徐寅 趙林峰 柯超 王安 龐磊 雍文亮

摘要：在闡述電動助力轉向（Electric Power Steering， EPS）系統(tǒng)的基本組成和工作原理的基礎上，設計了以STM32F103VET6單片機為核心的永磁同步電機電動助力轉向控制器。介紹了其硬件組成及軟件結構，并采用矢量控制對永磁同步電機進行了閉環(huán)電流控制，且可以通過CAN總線實現(xiàn)EPS與整車的數(shù)據(jù)傳輸。對所設計的系統(tǒng)進行了硬件在環(huán)試驗，試驗結果證明了硬件設計的正確性。

關鍵詞：單片機；永磁同步電機；電動助力轉向

中圖分類號：U463. 4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0006-04

The Permanent Magnet Synchronous Motor of Electric Power Steering System

XU Yin，ZHAO Lin-feng，KE Chao，WANG An，PANG Lei，YONG Wen-liang

（School of Mechainery and Automobile Engineering Hefei University of technology， Hefei 230009， China）

Abstract: This paper sets forth the basic structure and work principle of EPS system， Designed to STM32F103VET6 microcontroller as the core of the permanent magnet synchronous motor electric power steering control. Introduces the hardware and software structure .With the vector control technology， we build the closed loop current control and through the can bus the EPS and vehicle can transmit the data. Finally， the performance of this EPS controller is verified on the hardware-in-loop（HIL） experiment， Experiment results show that the EPS control designed has stable performance and appropriate structure.

Key words: MCU；PMSM；EPS

汽車助力轉向系統(tǒng)先后經(jīng)歷了機械助力轉向、液壓助力轉向、電控液壓助力轉向等階段。以電動助力轉向為代表的轉向系統(tǒng)正成為汽車技術的前沿和研究熱點。目前EPS助力電機主要分成兩大類：一類是傳統(tǒng)的有刷直流電機，另一類為無刷直流電機。后者根據(jù)其反電動勢和供電電流的波形不同又可以分為由方波驅動的無刷直流電機（BLDCM）和由正弦波驅動的永磁同步電機（PMSM）。其中永磁同步電機因相對于無刷直流電機具有體積小、噪聲低、重量輕、免維護、高效率、高轉矩慣性比和高功率因數(shù)的明顯優(yōu)勢，很適合作為大中型轎車電動助力轉向系統(tǒng)的驅動電機。目前國內電動助力轉向技術的研究主要以直流有刷EPS為主，而基于永磁同步電機電動助力轉向技術的研究還比較少。由ST公司推出的Cortex-M3內核的ARM處理器因其高性價比在32位微控制器領域得到了廣泛的應用，特別是汽車電子領域。因此本文設計了以STM32F103VET6單片機為核心的永磁同步電機電動助力轉向系統(tǒng)。實現(xiàn)了對電機的助力控制、回正控制和阻尼控制。

1 EPS工作原理

圖1所示為轉向軸式電動助力轉向系統(tǒng)。主要有機械傳動部分、轉矩傳感器、電動機、蝸輪蝸桿減速機構和電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）等組成。轉矩傳感器一般安裝于轉向柱上；蝸輪蝸桿減速機構和電機一般做成一體，安裝于轉向管柱或轉向齒條上；ECU一般安裝于轉向器的上方。

其基本工作原理為：安裝于轉向柱上的轉矩傳感器測得方向盤的轉矩信號，然后傳遞給ECU。ECU根據(jù)檢測到的轉矩、車速和電機電流等信號，判斷汽車的轉向狀態(tài)，計算出電動機助力電流的大小，最后通過蝸輪蝸桿減速機構的減速增扭實現(xiàn)轉向助力、回正控制或阻尼控制。

2 控制器工作原理

當EPS系統(tǒng)檢測到點火信號和發(fā)動機運轉CAN信號后，首先對整個EPS系統(tǒng)進行自診斷，診斷無誤后閉合繼電器，此時ECU處于正常工作狀態(tài)。STM32F103VET6檢測到轉矩傳感器、車速信號后，根據(jù)這些輸入信號的大小確定助力的大小和方向，并產(chǎn)生相應的電流驅動永磁同步電機。如果系統(tǒng)檢測到故障，則ECU切斷離合器，點亮儀表盤中的EPS故障指示燈，同時顯示故障代碼。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 STM32F103VET6功能特點

STM32F103VET6是由意法半導體（ST）公司推出的基于Cortex-M3內核的一款32位標準處理器。最高工作頻率為72 MHz，擁有512 KB的Flash存儲空間，64 KB的SRAM，擁有一個CAN通信接口方便與整車進行通信，多達3個的USATR接口方便調試程序和2個SPI接口。同時擁有2個12位精度的μs級的ADC轉換器允許雙通道采樣/保持，3個16位的定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器和編碼器接口輸入。一個高級PWM定時器可提供：①6路PWM輸出；②邊沿對齊和中心對齊；③死區(qū)產(chǎn)生；④緊急故障停車，可與2路ADC同步及其它定時器同步；⑤可編程的防范機制，用于防止對寄存器的非法寫入。以上專門的外圍電路與Cortex-M3內核的結合，可使執(zhí)行矢量控制環(huán)軟件執(zhí)行時間最短為20 μs，所以STM32F103VET6非常適合永磁同步電機的控制。

3.2CAN通信模塊設計

CAN通信模塊主要包括STM32F103VET6（內置CAN控制器）和CAN總線收發(fā)器。其中STM32F103VET6負責完成CAN的通信協(xié)議，實現(xiàn)報文的打包和拆分、信息的過濾和校驗等。CAN收發(fā)器選用TLE6250，實現(xiàn)CAN控制器和CAN總線的物理連接。如圖2所示。CAN通信模塊主要完成EPS系統(tǒng)與整車的通信和信息的共享。包括車速、發(fā)動機運轉等信號的接收和轉矩轉角信號、EPS狀態(tài)信號的輸出。

3.3 電源模塊設計

在一個系統(tǒng)中，電源是可靠性、穩(wěn)定性的重要組成部分，本EPS系統(tǒng)采用12 V車載蓄電池作為供電電源，選用ALLEGRO公司的汽車多輸出穩(wěn)壓器A8450。它具有寬輸入電源范圍，適用于環(huán)境溫度較高的場合?？商峁┮宦?.3 V電壓的輸出為STM32F103VET6供電，兩路5 V電壓的輸出，其中一路為模擬5 V，另一路為數(shù)字5 V。另外可使用兩個輸入引腳啟用或者禁用該器件。ENB引腳上的邏輯電路級輸入允許啟用/禁用STM32F103VET6，ENBAT引腳上接受引擎點火信號，使能A8450為邏輯電路和MCU提供電源，如圖3所示。

3.4 電機驅動模塊設計

電動機作為EPS的動力源是EPS系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)選用永磁同步電機作為EPS的助力電機，額定電壓為12 V，額定電流為40 A。電路采用6個英飛凌（Infineon）公司生產(chǎn)的SPB80N04S2型MOSFET，連續(xù)工作電流為80 A，擊穿電壓為40 V，漏源通態(tài)電阻4 mΩ。滿足本EPS系統(tǒng)對MOSFET功率放大管低壓大電流的要求。電流采樣在滿足要求的情況下考慮經(jīng)濟因素，故本系統(tǒng)采用單電阻電流采樣。因為STM32F103VET6引腳的驅動電流較小，故不能直接驅動MOSFET，所以需前置驅動器用于驅動MOSFET，美國ALLEGRO公司推出的A3935三相功率MOSFET控制器是特別為功率電機的汽車應用而設計，能為驅動外部MOSFET提供恒定的電源電壓，并可對診斷輸出進行監(jiān)視，以在電池短路、電源短路、電橋斷開和電池欠/過壓的情況下保護驅動器。故采用A3935驅動芯片。

3.5 故障代碼顯示電路設計

為了能快速排除EPS故障，本系統(tǒng)設計了EPS故障代碼顯示功能，方便駕駛員和修理人員及時準確的定位故障原因。故障診斷代碼一般由專業(yè)的故障診斷儀讀出。為了節(jié)省成本，本系統(tǒng)直接將故障診斷代碼發(fā)送到1602液晶屏，如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 控制軟件流程

本EPS系統(tǒng)軟件部分主要完成以下幾部分功能：繼電器的開閉、信號的采集和處理、CAN信號的收發(fā)、電機的FOC控制，根據(jù)轉矩信號依據(jù)助力特性確定目標電流、根據(jù)助力模式確定電機進行助力控制、回正控制和阻尼控制。主程序主要包括系統(tǒng)的初始化和助力模式的選擇，控制電機的轉向和電流、EPS的自我診斷；車速信號、轉矩轉角傳感器信號的發(fā)送和EPS狀態(tài)信息的發(fā)送主要由CAN中斷子程序完成。子程序包括永磁同步電機的FOC控制、助力電流大小的計算。程序流程圖如圖5所示。

4.2 故障診斷程序

本系統(tǒng)EPS故障診斷主要分成兩個部分：一是系統(tǒng)初始化后的自檢測，二是實時診斷。系統(tǒng)初始化后的自檢測主要包括：轉矩轉角傳感器的檢測、車速傳感器的檢測、CAN收發(fā)模塊的自檢測、電動機故障檢測和蓄電池電壓檢測等。實時診斷主要是對EPS控制程序的檢測，由于MCU工作環(huán)境往往處于電磁場干擾中，可能會造成程序跑飛，程序無法繼續(xù)工作以及發(fā)生不可預料的結果，所以必須在程序的運行過程中對MCU的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)測。故障代碼表見表1。

5 試驗結果

采用上述的硬件電路和軟件設計出EPS控制器，并在EPS硬件在環(huán)系統(tǒng)中進行試驗，圖6為使用LABVIEW所測得的汽車在原地轉向有助力和無助力時的駕駛員作用在轉向盤上的扭矩值，在EPS工作時駕駛員作用在轉向盤上的力矩遠小于EPS不工作時駕駛員作用在轉向盤上的力矩。試驗表明本EPS控制器能取得明顯的助力效果。

6 總結

本系統(tǒng)以STM32F103VET6為核心，設計了基于永磁同步電機的EPS系統(tǒng)，經(jīng)試驗證明具有良好的助力特性、回正特性和阻尼特性。自診斷功能能使使用者快速地定位錯誤原因。芯片所帶的CAN接口能方便的和整車進行通信，方便與ABS/ESP進行整車協(xié)調控制。

參考文獻：

［1］ 姜平，姜虎強，巴文廠. 基于ARM的汽車電動助力轉向系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2007，10：62-64.

［2］ 劉俊，陳無畏，王其瑞.單片機控制的汽車電動助力轉向系統(tǒng)［J］.電子技術，2004，10:7-11.

［3］ 肖生發(fā)，馮櫻，劉洋.電動助力轉向系統(tǒng)助力特性的研究［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報， 2001，3:34-37.

［4］ 王永虹，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［5］ 黃李琴，季學武，陳奎元.汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)的初步研究［J］.汽車技術，2003，6:3-6.

［6］ Ji-hoon Kim， Jac-Bok Song. Control logic for an electric power steering system using assist motor［J］.Mechatronics， 2002，12：447-459.

［7］ 時培成，姜武華，陳奎元.基于整車多體模型的電動助力轉向虛擬試驗［J］.汽車科技，2006，6:42-45.