基于TMS320F2812的电动助力转向系统的研究
杨新华，陈超，杨丽
（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛125105）
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TMS320F2812 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。实验结果表明，该系统具有较高的可靠性和良好的助力特性。
关键词：汽车；电动助力转向；TMS320F2812；脉宽调制
中图分类号：TP271+．4 文献标志码：A 文章编号：1001-6848( 2010) 02-0074-03
0引 言
电动助力转向(EPS)系统足一种依靠电动机直接提供辅助转矩的动力转向系统，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，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之一。电动助力转向将****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。本文基于电动助力转向原理，制定了相关控制策略，设计了一种基于TMS320F2812 DSP控制的EPS系统。试验结果表明该系统具有较好的转向性能。
1 EPS系统结构
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组成。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( ECL)，电子控制单元在综合车速传感器送来的车速信号等，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，从而起到财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，向驱动单元送给合理的控制信号，控制电机的电流大小和方向，同时将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。系统的控制核心为TMS320F2812 DSP114。当汽车点火时。DSP上电后对EPS系统进行自检，白检通过后，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，扭矩传感器检测到方向盘的扭矩和转动方向，车速传感器检测到车速信号，这些信号经过信号处理之后送到TMS320F2812相应端口，DSP根据方向盘扭矩，通过TMS320F2812的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桥电路驱动电机进行转向。在工作过程中，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 TMS320F2812电源电路
由于TMS320F2812芯片的核心电压为1.8 V，I/O口电压为3.3 V，而实际控制电压采用5v，所以必须使用电源转换芯片。本系统采用TPS7333Q和TPS73018芯片，他们使用PMOS晶体管传送电流，PMOS元件的栅极由电压驱动，工作电流较低且在负载范围内不变。同时他们还具有内部电流限制和过热保护特点，把输出电流限制到大约IA。具体电路如图3和图4所示。
3控制策略
控制策略原理如图5所示。EPS控制系统助力输出转矩，由电动机目标助力控制算法和电动机转矩控制算法两部分组成。前者根据驾驶员对方向盘施加的力矩和车速确定电机助力目标电流；后者根据电机目标电流和电机反馈电流对电机实际输出转矩进行闭环控制。
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转矩的大小和方向。图6为本系统采用助力特性曲线。
助力变化区域中，方向盘输入力矩与助力矩按线性变化规律。其函数表达为：
3.2 电机转矩控制算法
电机转矩控制有电枢电压控制和电枢电流控制两种方法。电压控制为开环控制，比较简单，但是控制精度不高；电流控制为闭环控制，由电流传感器检测的电枢电流信号构成反馈通道，闭环控制精度高，抗干扰能力强。本系统采用增量式PID算法的电流控制方法控制电机转矩，将电机控制算法确定电机目标转矩直接转换成电机目标电流，与电流传感器测到的电机实际电流构成闭环，通过PID算法获得控制驱动电路的PWM信号，图7为PID算法框图。
控制器实现PID调节规律采用离散系统的差分
4 EPS系统软件设计
根据上述控制方法，设计了相应的控制软件。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，如一切正常则EPS系统开始正常的电动控制，主程序流程如图8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实验结果分析
直流电机转矩与电枢电流成正比，故用电枢电流来代替电动机输出转矩。图9为车速在40 km/h时，方向盘扭矩L和电机电枢电流变化曲线。从中可以看出，转向过程中，电机电流随着方向盘变化而变化，且变化趋势接近一致，具有良好的跟踪性能。实验结果表明，该系统具有良好的电动助力转向性能。
6结论
TMS320F2812是一种新型32位DSP，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。
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