基于MSC12 10单片机的汽车电动助力转向ECU系统的开发

李 伟，宋晓华

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

随着电子技术的迅猛发展，汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向（HPS）以及电控液压助力转向（EHPS）发展到电动助力转向系统（EPS），最终还将过渡到线控转向系统（Steer By Wire）。在国内EPS已成为现代汽车新技术的研究热点。EPS采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元ECU控制。它具有传统转向系统不可比拟的一系列优点，不仅能节约燃料、提高主动安全性，且有利于环保，一经出现就受到高度重视。随着电子元器件价格的不断降低和可靠性的提高，EPS越来越受到人们的青睐，在汽车上的使用将更加广泛[1-2]。

1 ECU系统硬件设计

当汽车点火开关闭合时，ECU上电开始对EPS系统进行自检。自检通过后，闭合继电器和离合器、EPS系统便开始工作。当转动方向盘时，位于转向轴上的扭矩传感器把测得的方向盘力矩传递给ECU，ECU根据传感器主副端两个信号并结合车速等信息，控制电机产生相应的助力，实现在全速范围内最佳控制。在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便；在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠，具有良好的“路感”。

EPS系统硬件电路主要包括微处理器及其外围电路、扭矩信号、车速信号、发动机转速信号的采集及处理电路、电源变换电路、功率驱动及逻辑控制电路、过流保护电路、故障诊断电路等。系统供电为12V车用蓄电池。当系统检测到发动机正常工作后，首先对整个EPS系统进行自检，确保系统能正常工作，然后将继电器闭合，此时系统处于正常工作状态。输入接口电路将检测到的扭矩信号、车速信号、发动机转速信号处理后送入单片机的控制端口。单片机根据设定好的助力模型，以及接收的端口信号，确定助力的大小及方向，并产生相应的PWM信号驱动直流电动机进行助力转向。当系统出现异常时，故障指示灯亮，并切断继电器，从而保护直流电机[3-4]。

1.1 ECU工作原理

ECU硬件电路的总体框图如图1所示。系统的控制核心为MSC1210单片机。ECU工作时，扭矩、车速等传感器把采集到的信号经过输入接口电路处理后送至单片机的相应端口，单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据分析处理，以确定助力电流的大小和方向，并通过单片机的PWM口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电路和H桥电路控制直流电动机工作。在电动机的驱动电路上设有电流传感器，把检测到的电机实际工作电流通过电流探测电路反馈到单片机，单片机再根据相应的控制算法对电机实现闭环控制。如EPS系统工作出现异常，单片机将驱动EPS灯亮进行报警提示，同时断开继电器和离合器，退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式[5-7]。

1.2 MSC1210单片机简介

MSC1210芯片的ADC高精度微位移传感器电路模块的核心是MSC1210单片机。它具有微弱信号8通道多路切换、信号缓冲、PGA编程放大、24位ΣΔA/D转换、数字滤波、数据处理、信号校准以及UART通信等功能。模拟部分的主要特点有[8]：24位无丢失码，在10 Hz数据输出率时有22位有效位；低噪声，只有75 nv；PGA的范围为1～128；精确的片上参考电压，精度0.2%，飘移5 PPm/℃；片上偏移和增益校正；单周期转换。

MSC1210微控制器的外围电路如下图2所示。

1.3 双H桥功率驱动电路

功率驱动电路由两个IR2112器件U1、U2组成。IR2110具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600 V，在15 V下静态功耗仅116 mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20 V；逻辑电源电压范围（脚9VDD）3.3～20 V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5 V的偏移量；工作频率高，可达100 kHz；开通、关断延迟小，分别为120 ns和94 ns；图腾柱输出峰值电流为2 A[9]。

U1和U2的驱动控制信号SD是相同的，但是其HIN和LIN端输入的信号却是相反的。U1的HIN和U2的LIN输入的是PWM0信号，U1的LIN和U2的HIN是将PWM0信号取反后输入的，这就决定了它们的输出信号刚好相反，即U1的HO端和U2的LO端信号相同。

H桥电路主要由四个场效应管Q1、Q2、Q3、Q4和四个续流二极管D1、D2、D3、D4组成。场效应管型号为IRF540N。如图3所示，四个场效应管的截止与导通与否由LM393的输出信号SD和单片机的输出PWM0波控制。这四个场效应管分为两组：Q1和Q4一组，Q2和Q3一组，在驱动电路的输出信号作用下两组交替导通。在SD信号为低电平时，随着PWMO信号的占空比的变化，从而改变加载在电机两端的电压大小。此外，根据CPU判断的汽车行驶状态，还可以改变加载电压的极性，表现为电机的正反转[10-11]。

2 ECU系统软件设计

从车速传感器输出的车速信号以及从发动机转速传感器输出的转速信号均是脉冲信号，不需要进行A/D转换，可以直接利用单片机的定时/计数器来完成车速和发动机转速的采集和计算[6]。车速和发动机转速是通过统计一定时间内的脉冲个数，即利用定时器T2，当达到指定时间长度t的时候产生中断，在中断服务程序中读取计数器T1和T2所记录的脉冲个数，再将脉冲个数除以时间长度t，即为单位时间内的脉冲数。对于车速和发动机转速而言，分别使用标准定时/计数器T0、Tl记录车速和发动机转速在指定时间长度t内的脉冲数。

利用计数器的第二个功能。将车速传感器和发动机转速传感器连接到MSC1210的T0和T1口，并且持续监控，每来一次脉冲计数器就累加1。计数器2是用作定时器，用来对定时器1和定时器2计数定时[12]。测速子程序的具体实现步骤如下：

初始化定时器0,1,2；启动各定时器：定时器0,1开始计数，定时器2开始计时；定时器2计时时间到后进入中断服务子程序,将T0和T1的计数转化为转速，具体的公式[13]：

PlusCounter0=TH0×256+TL0;

PlusCounter1=TH1×256+TL1;

speed0=K×(PlusCounter0/PLUS_PER)×60;

speed1=(int)(PI×(PlusCounter1/PLUS_PER)×2.88);

PLUS_PER=10是个常数，2.88与所选车型的轮胎尺寸有关。

图4为定时器2的中断服务程序框图。

3 结束语

本文在对EPS系统的原理和助力控制过程的分析基础上，对EPS控制系统的硬件电路进行了研究开发，提出了采用受限单极性可逆PWM控制模式控制直流电机；探索了在汽车电动助力转向系统中直流电机的控制方法。采用精密电阻进行电机电流采样的方法，实现了对直流电机输出电流的闭环控制。在完成了硬件电路设计和软件编程后，按照预定的助力特性曲线，对EPS系统进行了台架试验。试验结果表明，电子控制单元信号采集的实时性较高，对电机闭环控制的跟随性较好，整个系统具有良好的电动助力特性，硬件部分的抗干扰能力和可靠性都很高。

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