线控转向系统电子控制单元设计

2018-03-31彭桂枝张明驰

长沙航空职业技术学院学报 2018年1期

彭桂枝，张明驰

（江阴职业技术学院，江苏江阴 214405）

线控转向系统取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，转而用两个电机分别模拟转向盘角传递特性和力传递特性。通过电子控制系统控制电机实现前轮转向，摆脱了机械系统的局限性，提高了汽车的安全性，操纵稳定性，舒适性等。本文主要设计线控转向系统的电子控制单元，研究了转向执行电机控制算法，提升前轮转向的跟随性能。最后搭建了线控转向系统的试验台，对线控转向系统的控制策略进行了试验验证。

1 线控转向控制器硬件设计

线控转向电控单元是整个系统的核心部分，电控单元应具备如下功能：

1）实时采集并处理传感器信号（系统电流传感器，方向盘转角传感器，力矩传感器等）。

2）具有PWM信号产生模块，用于控制电机的转速，正反转使电机能够快速、准确的达到目标转角和力反馈力矩。

3）能通过CAN总线与转角传感器、能接收和处理CAN网络上其他节点发送过来的数据。

4）ECU与车载电源直接相连，保证ECU的电源模块为其他模块提供稳定可靠的电压。

根据上述要求，本文电控单元电路设计主要包括MCU外围电路、电源电路、CAN总线通讯电路、无刷电机驱动电路、电机电流采样电路、信号采集及处理电路。MCU选择 MC9S12XET256[1]。图1为线控转向系统的设计方案。

图1 线控转向系统的硬件设计

1.1 电源电路设计

ECU中用到的电源主要有对电子元器件供电的5V电源和对直流无刷电机供电的24V电源。车载自身提供24V电源，为了把24V电源转化成5V，采用了LM5575降压稳压器汽车级芯片，工作结点温度范围为-40℃～+150℃，输入电压范围为6V～75V，输出电压可调，最低低至1.225V。设计的电源电路如图2所示。

图2 电源电路

1.2 无刷电机驱动器设计

本文路感电机和转向执行电机均采用直流无刷电机[2]。三相直流无刷电机通过内部霍尔传感器检测电机转子的位置，分别控制六个MOSFET管的截止和导通，产生周期性变化的磁场，实现电机电子换向。基于无刷电机电流大，本文选择了基于三垦电气SCM6716芯片设计了无刷电机控制电路。其设计的原理图如图3所示：

1.3 CAN通讯模块

CAN总线通讯过程中使用的硬件包括CAN控制器和CAN收发器，MC9S12XET256芯片内部集成CAN控制器，所以在进行CAN总线电路设计时只需在电路上增加CAN收发器。本文选择飞利浦公司研发遵循ISO11898标准的高速CAN收发器TJA1050。基于TJA1050设计的CAN总线通讯电路如图4所示，电路中加入了 ESD保护、EMI增强电路，提高了CAN总线的EMC性能。

1.4 电机电流采样电路

电流采样方式有电流传感器式和精密电阻分流式两种。电流传感器式采样方法具有较高的灵敏度，但是成本高；精密电阻分流式采样是指在功率管的公共端串联一个精密电阻，电阻另外一端接地，电枢电流经过采样电阻时会产生一定压降，将电阻的压降经过滤波和运放后输入MCU的A/D采集模块。综合实验室条件，采用精密电阻分流式采样方法。图5为电机电流采样电路。路感电机的三个采样电阻分别为Rm_s、Rm_s2、Rm _s3，Vm_so为采样电阻压降，三个采样电阻并联是为了对电机电流进行分流，这样可以防止由于电机的瞬时电流过大而对采样电阻产生损坏。所以路感电机和转向执行电机的电流分别为：

图3 无刷电机驱动电路

图4 CAN总线通讯电路

图5 电机电流采样电路

1.5 信号采集及处理电路

线控转向系统中，ECU还需要采集的信号包括前轮转角和方向盘转角传感器信号、车速信号等。由于上述信号都是通过CAN总线与ECU之间通讯，所以不需要对其硬件电路进行设计和处理。

点火信号作为线控转向系统ECU工作的依据，对点火信号进行采集和处理至关重要。本文设计采用单片机的A/D转换模块对点火信号进行采集，点火信号的处理电路如图6所示。在点火钥匙闭合的情况下，点火信号输出为24V，点火信号通过电阻分压后经过一阶RC滤波处理，经过处理后的信号被单片机的A/D转换通道采集，然后通过软件的中断程序判断点火钥匙是闭合还是断开。若采集到的电压信号等于标定值，则点火钥匙闭合，若电压信号等于零，则点火钥匙关闭。

图6 点火电路

BLDC内置三个霍尔传感器感应转子位置，电机有八根接线，除三根电机的U、V、W线外，还有 Hall-a、Hall-b、Hall-c、+5V、GND。+5V为电源，GND接地，Hall-a、Hall-b、Hall-c随电机的转动输出的脉冲信号经过霍尔信号处理电路到达SCM6716芯片的HallU、HallV、HallW端口用来实现绕组的正确换相控制[3]。霍尔传感器的处理电路如图7，将电阻R7、R8、R9上拉至5V电压；电容C3、C4、C5这三个滤波电容对霍尔信号进行滤波，去除干扰毛刺。

图7 电机霍尔检测电路

图8为蓄电池端电压检测电路，采用电阻分压法检测蓄电池两端电压。蓄电池电压信号通过电阻分压后经过一阶RC滤波处理，经过处理后的信号被单片机的A/D转换通道采集。检测蓄电池电压是为了防止蓄电池因过度放电而损坏，单片机根据采集到的值判断是否需要欠压保护和过压保护。

图8 电池电压检测电路

2 线控转向算法及软件设计

本文采用模块化的设计理念，将软件设计分为管理应用层和底层驱动层。管理应用层包括主控程序设计，控制策略程序设计。

2.1 主控程序设计

软件设计框图如图9所示，当线控转向系统初始化完成后，系统首先采集信号，主要包括方向盘转角、转向前轮转角、转向执行电机电流、力反馈电机电流、车速等。通过变传动比的方法计算出转向车轮的目标转动角度，转动转向电机实现前轮转向和路感模拟。

图9 软件设计框图

2.2 控制策略程序设计

线控转向控制策略主要包括前轮转角控制和路感控制，本文主要对转向执行控制策略进行研究。控制器接收各传感器传来的信号，主要包括车速信号u、方向盘δ和前轮转角hδ。根据理想传动比算法如式（1）所示，得到目标前轮转角，目标前轮转角与实际前轮前轮转角作差进行闭环控制。其中k1分别为为前后轮侧偏刚度；u为汽车纵向速度；a为质心到前轴的距离；m为整车质量；l为车辆轴距；i为转向传动比；hδ为前轮转角；ω为横摆角速度。

为获理想的转向特性，应设计一个理想的转向传动比iω使横摆角速度增益Ks为一定值。则基于横摆角速度增益一定的理想传动比iω可表示为:

3 转向执行电机控制算法研究

滑模变结构控制[4]本质上是一种特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。本文设计的滑模变结构控制器，运用指数趋近律在无刷直流电机中进行调节控制。

3.1 指数趋近律

一般，为了减弱滑动模态下的高频抖动，可以采用趋近律的方法来设计滑模变结构控制。指数趋近律可以表示为：

其中，k＞0，δ＞0，sgn为符号函数，s为滑模切换函数。在指数趋近律中，趋近速度从较大的值逐渐减小为零。这样，在缩短了趋近时间的同时，还使运动点到达切换面时的速度变小。经过不断地调整指数趋近律的参数k和δ,可以减弱控制信号的高频抖动和滑动模态运动过程的动态品质。

3.2 滑动模态的到达条件和稳定性

系统的初始点可在状态空间的任意位置，但在系统运行后，为了使系统正常启动滑模运动，则要求运动点在有限的时间内到达切换面s=0，即系统的运动必须趋于切换面。到达条件为：

根据(3.1)式，得

3.3 控制器设计

式中，x1表示转角误差，x2表示转角滑模变结构调节器输入，rθ为给定目标转角；θ为电机的实际转角。把(2.4)和(2.5)带入式(3.3)，得系统在状态空间的数学模型为：

式中，c为常数，且c＞0。由(3.1)式和(3.5)，得

联立式(3.4)和式(3.6)得

4 线控转向试验台试验

由于条件限制不能进行实车试验，搭建了线控转向系统试验台架，进行了相关的台架试验。验证线控转向控制策略及电机控制策略能否完成跟随[5]。在实验中进行角阶跃实验，给定方向盘转角的幅值为32°，即目标前轮转角为2°，对其分别使用PID控制和滑膜变结构控制，仿真步长分别为0.1s和0.01s，仿真时间长为10s，按照GB/T6323.2-94要求，在转角阶跃输入试验中，汽车以试验车速直线行驶，先按输入方向轻轻靠紧方向盘，消除转向盘自由行程并开始记录各测量变量的零线。以尽快的速度（起跃时间不大于0.2s或起跃速度不低于200°/s）转动转向盘，使其达到预先选好的位置并固定数秒钟（待所测变量过渡到新稳态值），停止记录。系统响应曲线如图10、11、12、13所示。

图10 PID控制下的前轮转角响应

图11 滑膜变结构控制下的前轮转角响应

图12 PID控制下的转向电机电流响应

图13 滑膜变结构控制下的转向电机电流曲线

该实验结果表明，当系统采用PID控制时，前轮转角有0.2deg的超调量，电机的电流在调节过程中略有波动，峰值为4A，而采用滑模变结构控制时，前轮转角响应速度快，无超调，与仿真趋势基本吻合，而电流突变量较大，峰值为5.6A，到达稳态的时间相对较短，从上述硬件在环仿真实验可以看出，滑模变结构控制在快速性和跟随性方面都要优于PID控制。