淺談基於PIC18F458 的汽車電動助力轉向控制系統設計論文
汽車電動助力轉向系統( EPS) 依靠車載電源，由電動機提供助力，其操縱方便、節約能源、安全環保，符號現代汽車發展需求，已開始運用於中高階以上轎車和商務車上，但國內EPS 系統電子控制單元嚴重依賴國外進口，成本高、維修不方便，而國產產品起步晚，特別在永磁無刷電機控制和車載網路CAN-BUS 的資訊共享上技術不成熟. 本電控單元以Microchip 公司推出的PIC18F458 高效能微處理器為核心，設計汽車電動助力轉向系統( EPS) 電控單元，並透過電氣測試和改裝試驗.
1 系統總體設計
EPS 系統主要由資訊採集模組( 包括轉矩感測器訊號、電機反饋訊號和CAN-BUS 共享訊號) 、電子控制單元( ECU) 、執行器控制模組( 包括電機控制和離合器控制) 、減速裝置、傳動裝置等組成，其系統結構.
EPS 系統工作時，透過轉矩感測器檢測駕駛員作用在方向盤上的操縱方向和力矩，結合CAN 匯流排共享的車速、發動機轉速、點火訊號、休眠喚醒訊號等，運用模糊免疫PID 控制策略計算得出理想助力目標PWM 佔空比，控制電機助力，透過電機動態閉環控制，電機助力轉矩與駕駛員的操縱力矩共同克服車輪轉向阻力矩，實現車輛智慧動態方向助力轉向作用，有效保障車輛低速行駛時的操縱性和高速行駛時的安全性. EPS 電控單元系統結構拓撲.
2 硬體設計
2. 1 控制器模組
EPS 系統電控單元採用microchip 公司的16 位微處理器PIC18F458，該晶片除了具有PIC18458 系列微控制器哈佛架構精簡指令結構、計算能力強、效能穩定、可靠性高、超低功耗、成本低廉等有點晚，還引進了一系列序列通訊外設，內建CAN 控制器，並支援執行、休眠、空閒等多種工作模式，支援車載網路CANBUS通訊協議，其增強型CCP 模組，在PWM 模式下能提供多路經調製輸出，這些優異的效能為汽車EPS系統的軟硬體設計提供了方便，且工作溫度- 40 ～ +125℃，能夠完全滿足汽車使用環境的要求.
2. 2 資訊採集模組
( 1) 轉矩訊號採集
EPS 系統採用KISTLER 公司生產的高精度4503A10L 型電位計式扭矩感測器來獲取駕駛員載入在方向盤上的力矩和方向，感測器帶有主、副雙路對稱的轉矩訊號，其中一路轉矩訊號採集電路原理圖，另一路轉矩訊號採集電路與之相同.電路中，C7、C8 和R12 共同組成π 型RC 濾波電路，濾除轉矩訊號中的高頻部分，穩壓管D1 起限壓保護作用，大電阻R11 用來減少輸入阻抗.
( 2) CAN 匯流排通訊
車載網路在汽車上的應用，提高了車載資訊的共享能力、節約了成本，因此EPS 系統採用CAN 匯流排共享車速訊號、發動機轉速訊號、點火開關IG 訊號、故障資訊及網路節點休眠喚醒訊號等.
PIC18F458 微控制器集成了CAN 通訊介面，執行Bosch 公司的CAN2. 0A/B 協議，可以方便的利用CAN 匯流排與全車網路實現資訊共享，軟體程式設計只需對相關暫存器進行相應設定即可，外圍介面電路也得以簡化，只需要一個Philips 公司的PCA82C250作為CAN 匯流排介面晶片，中間用高速光電耦合器6N137 隔開，可以很好地實現總線上節點之間的電氣隔離，提高系統抗干擾能力和訊號傳輸能力，CAN匯流排通訊介面電路.
2. 3 執行器控制模組
( 1) 無刷直流電機驅動控制
EPS 系統選用無刷直流電機作為助力電機，由PIC18F458 微控制器為Freescale 公司開發的高效能無刷直流電機專業積體電路MC33035 提供無刷直流電機的轉向和PWM 訊號，MC33035 透過霍爾感測器檢測電機當前的轉子位置，並對其進行譯碼，轉換成具有正確時序的頂部輸出訊號和底部輸出訊號給電機控制的驅動器IR2130 晶片， IR2130 是美國International Rectifier 公司生產的一種高電壓、高速度的功率MOSFET 和IGBT 器件的驅動晶片，分別有3 個獨立的高階和低端輸入/輸出通道，以此驅動由6 個N 溝道功率MOSFET 管組成的三相六步全控橋電路. 電機驅動電路原理圖.
( 2) 電磁離合器控制
EPS 系統電磁離合器由微控制器控制4 個功率電晶體組成的.全橋控制電路來實現動力傳遞通斷控制，提供一種結構簡單、安全可靠的汽車EPS 電磁離合器控制電路，能夠在滿足電磁離合器有效、牢固接合的前提下，根據系統助力需要及時、穩定通斷電磁離合器，以實現行駛轉向助力和確保行車安全的目的.
2. 4 輔助電路
( 1) 電源電路: EPS 系統電源電路採用Infineon公司汽車專用電源晶片TLE7469，其輸入電壓範圍寬( 7 ～ 45V) ，工作溫度- 40℃ ～ 150℃，輸出電壓精度高，帶有外部看門狗電路，以及短路、過溫和電池反接保護等功能，保證EPS 系統在汽車惡劣的環境下長期穩定工作.
( 2) 復位電路: EPS 系統中復位電路主要完成系統的上電覆位功能，PIC18F458 的MCLR 引腳提供了外部硬體觸發器件復位的方法，將MCLR 引腳透過一個10k? 電阻連線到電源，這樣還可以省去產生上電覆位延時通常所需的外部RC 元件，上電覆位事件由POR 位( RCON < 1 > ) 捕捉，只要發生上電覆位，此位的狀態就被置為0，它不會因任何其他復位事件發生改變.
3 軟體設計
針對EPS 系統電控單元硬體電路設計，結合汽車EPS 系統對電機助力特性的要求，進行相應的軟體開發，主要涉及系統初始化、CAN 匯流排通訊、資訊採集及處理、PWM 佔空比計算等. 首先，PIC18F 微控制器喚醒上電並對時鐘和各I /O 口等進行系統初始化，同時檢測EPS 節點工作和CAN 匯流排通訊是否正常，如發現異常將儲存故障碼並顯示故障指示燈; 接著，檢測發動機轉速是否達到怠速，怠速及以上時進入主程式; 然後，微控制器對兩路扭矩訊號進行AD 轉換及濾波處理，透過兩路訊號相減判斷電機運轉方向，結合CAN 匯流排共享得到車速資訊等，綜合這些資訊進行模糊免疫PID 控制演算法處理並最終得出控制電機的PWM 佔空比; 最後，輸出PWM 訊號、助力方向、離合器閉合訊號，驅動助力電機，並返回主程式進入程式再迴圈.
4 結語
綜合以上EPS 系統設計，印製了電路板並形成產品，編寫相應控制程式，透過電氣測試，並在長安福特蒙迪歐汽車上進行替換改裝試驗，實驗結果表明基於PIC18F458 微控制器的汽車電動助力轉向系統工作穩定、成本低廉、安全效能好，在與車載CAN-BUS 通訊上比較穩定，抗干擾性能好; 電機助力能很好滿足車輛在不同車速、車況下的行駛助力要求，效能可靠、易於維修.