基于MC9S12XET256技术的线控转向系统电控单元设计

招永铸

摘 要：线控转向技术是汽车电子转向技术发展的高级阶段，它将进一步改善汽车的综合性能。文章以MC9S12XET256 芯片为核心技术，提出了一种线控转向系统的电控单元设计，并对其设计过程以及实现方式进行了详细的论述。

关键词：线控转向控制器；电机控制算法；试验台试验

在19世纪50年代，人们开始研究汽车的线控转向系统。这汽车线控转向系统由于取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，提高了汽车的转向性能，是汽车转向系统的重大革新。

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。

（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。

1.1 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。

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。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。

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。

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。路感电机的三个采样电阻分别为1 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：

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。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。

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 隨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。

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

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。

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h δ 。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；δh 为前轮转角；ω 为横摆角速度。

只需要在任何车速和方向盘转角下，让基于横摆角速度增益Gωδh 为一定值，就能使驾驶员获得更容易掌握车辆转向特性。方向盘转角到横摆角速度ω 的增益Gωδh可表示为：

3.结论

总之，伴随着电子技术和控制技术的发展，许多功能强大的电控单元被应用在车辆操控系统之中。本研究提出了一种线控转向系统电子控制单元设计，同时设计并搭建了线控转向系统实验台架，对转向执行电机控制策略进行试验台试验，其结果与仿真相符，提高了汽车的安全性，操纵稳定性，舒适性等，对相关研究具有一定的工程价值。

参考文献：

[1]沙飞.线控转向系统电控单元的开发与研究[D].哈尔滨理工大学， 2013.

[2]姚江云.车辆线控转向系统控制策略的研究[D].广西工学院， 2012.

[3]刘永.汽车线控转向系统的研究[D].武汉理工大学， 2005.