中心論題：

• 簡介EPS係統基本結構及工作原理
• EPS控製係統具體電機控製電路的設計
• 電機驅動電路台架試驗表明電動機的助力轉矩對方向盤轉矩有良好的跟蹤性能

解決方案：

• 利用MC9S12係列單片機作為高性能的微控製器
• 采用脈寬調製（PWM）控製H橋電路實施對直流電動機的控製
• 電源倍壓電路中采用NE555定時器滿足電源需求

一
、EPS係統基本結構及工作原理
電動助力轉向係統（EPS
，Electric Power Steering）是未來轉向係統的發展方向。該係統由電動機直接提供轉向助力
，具有調整簡單
、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉向助力的特點。EPS最zui為wei突tu出chu的de是shi該gai係xi統tong可ke在zai不bu更geng換huan係xi統tong硬ying件jian的de情qing況kuang下xia
，通tong過guo改gai變bian控kong製zhi器qi軟ruan件jian的de設she計ji，十shi分fen方fang便bian地di調tiao節jie係xi統tong的de助zhu力li特te性xing，使shi汽qi車che能neng在zai不bu同tong車che速su下xia獲huo得de不bu同tong的de助zhu力li特te性xing
，以yi滿man足zu不bu同tong工gong況kuang下xia駕jia駛shi員yuan對dui路lu感gan的de要yao求qiu。

電動助力轉向係統（EPS）主要包括傳感器、控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)執(zhi)行(xing)器(qi)三(san)大(da)部(bu)件(jian)。傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)相(xiang)應(ying)處(chu)理(li)後(hou)輸(shu)人(ren)到(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)，控(kong)製(zhi)器(qi)運(yun)行(xing)內(nei)部(bu)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，向(xiang)執(zhi)行(xing)器(qi)發(fa)出(chu)指(zhi)令(ling)

，控(kong)製(zhi)執(zhi)行(xing)器(qi)的(de)動(dong)作(zuo)，係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)如(ru)圖(tu)1所示。其工作原理為：zaicaozongfangxiangpanshi，zhuanjuchuanganqigenjushurenzhuanxianglijudedaxiao
，chanshengchuxiangyingdedianyaxinhao

，youcidiandongshidonglixitongjiukeyijiancechucaozonglidedaxiao，tongshi，genjuchesuchuanganqichanshengdemaichongxinhaoyoukecechuchesu
，zaikongzhidiandongjidedianliu，xingchengshidangdezhuanxiangzhuli。


二
、EPS控製係統硬件電路設計

微控製器的選擇
MOTOROLA公司的MC9S12係列單片機是基於16位HCS12 CPU及0.5μm製造工藝的高速
、高性能5.0V FLASH微wei控kong製zhi器qi，是shi根gen據ju當dang前qian汽qi車che的de要yao求qiu設she計ji出chu來lai的de一yi個ge係xi列lie。它ta使shi用yong了le鎖suo相xiang環huan技ji術shu或huo內nei部bu倍bei頻pin技ji術shu，使shi內nei部bu總zong線xian速su度du大da大da高gao於yu時shi鍾zhong產chan生sheng器qi的de頻pin率lv，在zai同tong樣yang速su度du下xia所suo使shi用yong的de時shi鍾zhong頻pin率lv較jiao同tong類lei單dan片pian機ji低di很hen多duo
，因yin而er高gao頻pin噪zao聲sheng低di
，抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang，更geng適shi合he於yu汽qi車che內nei部bu惡e劣lie的de環huan境jing。設she計ji方fang案an采cai用yongMC9S12DP256單片機

，其主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊
，包括2個異步串行通信口SCI，3個同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時器
、2個10位8通道A/D轉換模塊、1個8通道脈寬調製模塊、49個獨立數字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協議的5個CAN模塊以及一個內部IC總線模塊
；片內擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM
，資源十分豐富。

硬件電路總體框架
電動助力轉向係統的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控製器
、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器
、扭矩傳感器

、發動機點火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS係統的硬件邏輯框架如圖2所示。


電機控製電路設計
直流電動機是EPS係統的執行元件，電機的控製電路在係統設計中有著特殊的地位。在本係統中采用脈寬調製（PWM）控製H橋電路實施對直流電動機的控製，由4個功率MOSFET組成
，如圖3所示。采用PWM伺服控製方式
，MOSFET功率管的驅動電路簡單

，工作頻率高
，可工作在上百千赫的開關狀態下。係統采用4個International Reetifier公司生產的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8 mΩ導通電阻、功耗小、耐壓達55V
、最大直流電流110A、滿足EPS係統對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。


 

1．H橋上側橋臂MOSFET功率管驅動電路設計
上側橋臂的MOSFET功率管驅動電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側橋臂的功率MOSFET a管或b管
，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當MOSFET的控製信號a（b）為高電平時，Q1和Q2導通
，電源通過Q2
，D1以及R5與C1的並聯電路向Qa充電，直至Qa完全導通
，Q3截止。當Qa導通時
，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等於蓄電池電源電壓。此時
，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向導通壓降

，其典型值為0.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導通
，降低器件的直流導通損耗，VGS不低於l0V。因此需設計高效的倍壓電源電路
，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅動要求。如果蓄電池電壓為12V時，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

當MOSFET的控製信號a（b）管為低電平時
，Q1和Q2均截止，Q3導通，Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的並聯電路及Q3迅速釋放，直至Qa關斷。Qa關斷時，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關斷。

2．下側橋臂的功率MOSFET管驅動電路

下側橋臂的功率MOSFET驅動電路如圖5所示，其中Qc/Qd為下側橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當MOSFET的控製信號c（d）為高電平時，Q1導通，Q2截止

，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的並聯電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關斷。

當MOSFET的控製信號c（d）低電平時
， Q1截止，Q2導通，電源通過Q2以及R3與C，組成的並聯電路對Qc的柵極充電
，直至Qc完全導通。當Qc導通時，其柵—源極電壓等於電源電壓減去Q2的集—射極飽和導通電壓
，而電源電壓又等於蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向導通電壓。所以，Qc的柵—源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF）
，當蓄電池電壓為12V，取各參數為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅動（10V）所需的電壓。

蓄電池倍壓工作電源
由於上側橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大於22.74V，而蓄電池電壓隻有12V。因此需要設計蓄電池倍壓電源
，產生二倍於蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a

、b功率管的驅動電路，保證高側MOSFET功率管能夠完全導通。

電源倍壓電路如圖6所示，NE555定時器工作於多諧振蕩器模式，於引腳3產生幅值等於NE555的供電電壓
，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4
，Dl和D2構成電荷泵電路。當NE555引腳3輸出高電平時，由於電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V
，並通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由於受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限製
，使得係統輸出電壓低於供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時

，輸出電壓低於24V

，當供電電源為12V時，倍壓電源電壓約為22.9V，大於Vdb1（22.74V），可以滿足需要。

三
、電機驅動電路台架試驗
根據電動轉向控製係統對穩定性和跟蹤性的需要，采用最優Herkongzhiqibianzhidiandongzhuanxiangxitongkongzhichengxu

，bingzaiqichediandongzhuanxiangshiyantaishangjinxingtaijiamonishiyan
，chesuxinhaoyongmonichesuchuanganqifachudemaichongxinhaodaitiwang。tu7為中等車速轉向助力時，測量的方向盤轉矩（T）和助力電動機電流（I）變化曲線。從圖7中zhong可ke以yi看kan出chu，在zai轉zhuan向xiang過guo程cheng中zhong，助zhu力li電dian動dong機ji電dian流liu隨sui著zhe方fang向xiang盤pan轉zhuan矩ju的de變bian化hua而er變bian化hua
，電dian動dong機ji電dian流liu的de變bian化hua趨qu勢shi和he方fang向xiang盤pan轉zhuan矩ju的de變bian化hua趨qu勢shi相xiang吻wen合he，表biao明ming電dian動dong機ji的de助zhu力li轉zhuan矩ju對dui方fang向xiang盤pan轉zhuan矩ju有you良liang好hao的de跟gen蹤zong性xing能neng。轉zhuan向xiang操cao作zuo時shi

，無wu助zhu力li滯zhi後hou感gan，轉zhuan向xiang平ping穩wen
，表biao明ming轉zhuan向xiang係xi統tong具ju有you良liang好hao的de跟gen蹤zong性xing能neng和he操cao縱zong穩wen定ding性xing。


四、結論與展望
MC9S12係列16位wei單dan片pian機ji片pian內nei資zi源yuan豐feng富fu
，對dui於yu一yi般ban的de簡jian單dan應ying用yong，隻zhi需xu一yi片pian單dan片pian機ji加jia少shao量liang圍wei電dian路lu即ji可ke。開kai發fa的de直zhi流liu電dian機ji電dian路lu經jing初chu步bu試shi驗yan，性xing能neng良liang好hao
，可ke基ji本ben滿man足zu電dian動dong助zhu力li係xi統tong轉zhuan向xiang係xi統tong的de需xu要yao。文wen中zhong隻zhi介jie紹shao電dian動dong助zhu力li轉zhuan向xiang係xi統tong硬ying件jian電dian路lu設she計ji的de基ji本ben框kuang架jia，為wei獲huo取qu良liang好hao的de控kong製zhi效xiao果guo，電dian動dong助zhu力li轉zhuan向xiang係xi統tong將jiang不bu僅jin僅jin局ju限xian於yu依yi據ju車che速su和he扭niu矩ju這zhe2個基本的信號進行電動助力轉向係統的研製
，轉向角、轉向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動助力轉向係統中可能都是要考慮的因素。