專利名稱：電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器，適用于轉(zhuǎn)向助力較小，安裝了 轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的小型車輛。
背景技術(shù)：
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，是目前在汽車上應(yīng)用最為廣泛的汽車 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。但其存在不少缺點(diǎn)，其一，助力效果固定，無法根據(jù)車速的變 化對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)整，造成低速時(shí)輕便性與高速時(shí)穩(wěn)定型之間的矛盾難以解 決；其二，發(fā)動(dòng)機(jī)要一直驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，以保持系統(tǒng)的油壓，導(dǎo)致油耗增加； 其三，系統(tǒng)的液壓油泄漏造成污染，廢棄液壓油難于處理等問題。環(huán)境污染的 加重和能源危機(jī)的凸顯，都使得對(duì)環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品的需求不斷增加，而電動(dòng)助 力轉(zhuǎn)向技術(shù)相比液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)可以使燃油消耗率下降達(dá)到5%到10%，并且沒
有液壓系統(tǒng)的液壓油污染問題，很好的符合了環(huán)保節(jié)能的要求。除此之外，電 動(dòng)助力還可以根據(jù)不同的車速提供不同的助力水平，兼顧車輛在低速時(shí)的輕便 性和高速時(shí)的穩(wěn)定性。
雖然很多汽車公司都對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并且有一些 產(chǎn)品已經(jīng)開始在汽車上使用，但是由于技術(shù)上的不完善，尤其是控制器功能的 欠缺，導(dǎo)致電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)沒有得到完全的體現(xiàn)。
主要的問題集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
在助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式上，當(dāng)前使用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器一般利用獨(dú)立mos 管搭建H橋，通過脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)對(duì)mos管打開和關(guān)閉的時(shí)機(jī)和時(shí)間進(jìn) 行調(diào)整來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和電流大小。這種采用獨(dú)立的mos管搭建H橋驅(qū)動(dòng)電 機(jī)的方案有以下缺點(diǎn)獨(dú)立的mos管需要驅(qū)動(dòng)電路，并且驅(qū)動(dòng)高端PNP型mos 管需要升壓電路來提供高于電源的電壓，導(dǎo)致整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；由于mos 管制造工藝的原因，助力電流比較小，無法提供較大的助力，限制了系統(tǒng)的應(yīng) 用。
在助力電流閉環(huán)控制方式上，當(dāng)前使用的控制器大部分都采用數(shù)字控制器 來完成系統(tǒng)的功能。即微處理器采集扭矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過查取助力特性 曲線圖計(jì)算出應(yīng)有的助力電機(jī)電流給定，再配合電機(jī)電流反饋信號(hào)應(yīng)用數(shù)字比 例積分微分控制算法，計(jì)算數(shù)字控制器輸出，得到用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的具有
相應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)。這種數(shù)字控制方案的缺點(diǎn)在于控制器
計(jì)算所需的扭矩信號(hào)通過A/D采樣獲得，但是A/D采樣的采樣精度，采樣速度 的限制使得控制器的控制精度比較差；微處理器根據(jù)扭矩和車速信號(hào)得到電機(jī) 電流給定信號(hào)需要進(jìn)行大量的計(jì)算，但是一般微處理器的計(jì)算速度不夠快，使 系統(tǒng)存在滯后明顯，反應(yīng)遲鈍，控制效果不理想，惡劣情況下甚至發(fā)生振動(dòng)；
在扭矩輸入比較小時(shí)，采用電機(jī)單極驅(qū)動(dòng)方案的控制器，微處理器內(nèi)存儲(chǔ) 的程序會(huì)設(shè)定電流給定為0，即存在中央死區(qū)，但是由于電機(jī)的慣性，冷啟動(dòng)時(shí) 過渡不平滑，手感差。以上這些問題都難以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種可提供更大轉(zhuǎn)向助力，控制電路簡單，駕駛手感 更好的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器。
本發(fā)明的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，包括比例積分微分控制器，三角波發(fā) 生電路，比較器，電機(jī)電流檢測電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，微處理器和電機(jī)電流給 定電路；微處理器采集車速信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，其一個(gè)控制信號(hào)輸出端通 過SPI總線與電機(jī)電流給定電路的一個(gè)輸入端相連，另一個(gè)控制信號(hào)輸出端與 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸入端相連；電機(jī)電流給定電路的外部信號(hào)輸入端接扭矩傳感器 輸出的主扭矩信號(hào)，電機(jī)電流給定電路輸出的電壓信號(hào)接比例積分微分控制器 的同向輸入端；比例積分微分控制器的反向輸入端與電機(jī)電流檢測電路的輸出 端相連，比例積分微分控制器的輸出端與比較器的同向輸入端相連，比較器的 反向輸入端與三角波發(fā)生電路的輸出端相連，比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)接入 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)輸入端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)電流檢測信號(hào)輸出端與 電機(jī)電流檢測電路的輸入端相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路過電流故障檢測信號(hào)輸出端， 三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)以及外部輸入的故障檢測信號(hào)分別連接微處 理器的故障檢測端。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1. 大部分的功能都通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)，避免了 A/D采樣精度低和微處理 器運(yùn)行速度慢對(duì)系統(tǒng)性能的不利影響；
2. 不需要微處理器根據(jù)扭矩信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，大大提高了控制器的反應(yīng)速度， 同時(shí)又節(jié)省了微處理器的內(nèi)部資源，降低了對(duì)微處理器性能的要求，有利于降 低成本，并且可以使微處理器專注于系統(tǒng)故障診斷保護(hù)的工作，提高了系統(tǒng)的 可靠性；
3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的H橋采用專用集成芯片組建，無需驅(qū)動(dòng)電路，控制電路 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性大大提高，并且可以獲得較大的助力電流，拓展了控制器的
適用范圍；
4. 比例積分微分控制器可以對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行快速穩(wěn)定的閉環(huán)控制，使電機(jī)對(duì) 轉(zhuǎn)向軸施加預(yù)設(shè)的助力轉(zhuǎn)矩，不需要微處理器對(duì)閉環(huán)控制的過程進(jìn)行干涉，同 樣節(jié)省了微處理器的資源，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度；
5. 電機(jī)采用雙極驅(qū)動(dòng)的方案，電機(jī)啟動(dòng)方式為熱啟動(dòng)，降低了電機(jī)慣性對(duì)手 感的影響，死區(qū)過渡平滑，沒有明顯的手力變化；


圖1為電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器的構(gòu)成示意圖； 圖2為三角波發(fā)生電路圖3為比較器與比例積分微分控制器電路圖； 圖4為一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖； 圖5為電機(jī)電流檢測電路圖； 圖6為電機(jī)電流給定電路圖； 圖7為微處理器管腳連接圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
參照圖1，本發(fā)明的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，包括比例積分微分控制器1，
三角波發(fā)生器2，比較器3，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4，電機(jī)電流檢測電路5，微處理器6 和電機(jī)電流給定電路7，
微處理器6采集車速信號(hào)A與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)B，它的一個(gè)控制信號(hào)輸出端通 過SPI總線與電機(jī)電流給定電路7的一個(gè)輸入端相連，微處理器6的另一個(gè)控 制信號(hào)輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4輸入端相連；電機(jī)電流給定電路7的外部信號(hào) 輸入端接扭矩傳感器輸出的主扭矩信號(hào)C，電機(jī)電流給定電路7輸出的電壓信號(hào) 接比例積分微分控制器1的同向輸入端；比例積分微分控制器的反向輸入端與 電機(jī)電流檢測電路5的輸出端相連，比例積分微分控制器的輸出端與比較器3 的同向輸入端相連，比較器3的反向輸入端與三角波發(fā)生電路2的輸出端相連， 比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4的控制信號(hào)輸入端，電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路4的電機(jī)電流檢測信號(hào)輸出端與電機(jī)電流檢測電路5的輸入端相連， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4過電流故障檢測信號(hào)輸出端，三角波發(fā)生器2產(chǎn)生的三角波信 號(hào)以及外部輸入的故障檢測信號(hào)D分別連接微處理器6的故障檢測端。
電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器中的三角波發(fā)生電路2如圖2所示，其包括兩個(gè) 運(yùn)算放大器U1， U2和兩個(gè)邏輯非門U1E和U1F， 一個(gè)穩(wěn)壓管Z以及外圍的電
阻、電容元件。其中運(yùn)算放大器U1采用芯片LM2卯3 ，運(yùn)算放大器U2采用芯 片AD824，兩個(gè)邏輯非門U1E和U1F分別采用芯片74HC14。三角波發(fā)生電路 的+2.5V基準(zhǔn)電壓由電機(jī)電流檢測電路5提供，芯片LM2903的引腳8接+ 5V 電源，引腳4接地，弓l腳2與電機(jī)電流檢測電路5的+2.5V輸出端相連，弓l腳 1通過上拉電阻Rl接+ 5V電源Vcc，并且通過電阻R2接U1F芯片74HC14的 引腳13， U1F芯片74HC14的引腳12與U1E芯片74HC14的引腳11連接，U1E 芯片74HC14的引腳10接電阻R5的一端，電阻R5的另一端分三路，其一路經(jīng) 電阻R4接芯片LM2卯3的引腳3，第二路經(jīng)電阻R6接芯片AD824的引腳13， 第三路經(jīng)穩(wěn)壓管Z與電機(jī)電流檢測電路5的+2.5V輸出端相連，芯片AD824的 引腳12通過電阻R7與電機(jī)電流檢測電路5的+2.5V輸出端相連，在芯片AD824 的引腳13與引腳14之間接入電容Cl，在芯片AD824的引腳14輸出三角波。 此電路為自激振蕩電路，產(chǎn)生的三角波信號(hào)幅度為0.3 4.7V，頻率為20.8KHz。
比較器與比例積分微分控制器如圖3所示，比例積分微分控制器1由具有 軌對(duì)軌特性的運(yùn)算放大器U3及外圍電阻、電容元件組成。運(yùn)算放大器U3采用 芯片AD824。芯片AD824的引腳5通過電阻R8接電機(jī)電流給定電路7輸出的 電機(jī)電流給定信號(hào)Isv，引腳6通過電阻R9接電機(jī)電流檢測電路5輸出的電機(jī) 電流反饋信號(hào)Ifb，在芯片AD824的引腳6與引腳7之間接入電阻R11的兩端 并聯(lián)電阻R10串聯(lián)電容C2的電路，比例積分微分控制器的輸出電壓由芯片 AD824的引腳7輸出。
比較器3采用芯片AD824，芯片AD824的引腳10通過電阻R12接比例積 分微分控制器芯片AD824的引腳7，芯片AD824的引腳9通過電阻R13接三角 波發(fā)生電路2的輸出端Fosc，比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM由芯片AD824 的引腳8輸出。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4如圖4所示，其包括兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960A和 BTS7960B，三個(gè)邏輯非門U1A， U1B和U1C，以及一些外圍電阻、電容元件。 用于根據(jù)比較器3輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM以及微處理器6輸出的Run控制 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
三個(gè)邏輯非門U1A， U1B， U1C分別采用芯片74HC14， BTS7960A的引腳 1和BTS7960B的引腳1相連并接地，BTS7960A的引腳7和BTS7960B的引腳 7相連并接+ 12V電源；BTS7960A的引腳3和BTS7960B的引腳3均為使能端， 與U1C芯片74HC14的引腳6相連，U1C芯片74HC14的引腳5接微控制器6 的使能信號(hào)Run輸出端，U1A芯片74HC14的引腳1接比較器3的脈寬調(diào)制信
7
號(hào)PWM輸出端，U1A芯片74HC14的引腳2和U1B芯片74HC14的引腳3相 連，U1A芯片74HC14的引腳2接芯片BTS7960A的引腳2作為控制信號(hào)輸入 端，U1B芯片74HC14的引腳4接BTS7960B的引腳2作為控制信號(hào)輸入端， 芯片BTS7960A的引腳6接微處理器6的電機(jī)過電流故障檢測端ISA，芯片 BTS7960B的引腳6接微處理器的電機(jī)過電流故障檢測端ISB。芯片BTS7960A 的引腳4與芯片BTS7960B的引腳4之間接入取樣電阻R18和電機(jī)。
電機(jī)電流檢測電路5如圖5所示，其由芯片AD8210，芯片1009D，以及外 圍電阻、電容元件組成。芯片AD8210的引腳2和引腳6之間接入電容C11和 電容C12的并聯(lián)電路，引腳2接地，弓I腳6接+5V電源，芯片AD8210的引腳 1通過電阻R19接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4中芯片BTS7960A的引腳4，輸入取樣電阻 R18 —端的電壓信號(hào)I+，芯片AD8210的引腳8通過電阻R20接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 中取樣電阻R18與電機(jī)的連接點(diǎn)，輸入取樣電阻R18另一端的電壓信號(hào)I一，芯 片AD8210的引腳3與引腳7短接后與芯片1009D的引腳6相連，并輸出+2.5V 基準(zhǔn)電壓，芯片AD8210的引腳5為電機(jī)電流檢測信號(hào)的輸出端Ifb，與比例積 分微分控制器相連。
電機(jī)電流給定電路7如圖6所示，其包括兩個(gè)運(yùn)算放大器U5、 U6，數(shù)字電 位器U7，肖特基二極管T，邏輯非門U1D以及外圍電阻電容元件。用于根據(jù)輸 入扭矩信號(hào)和微處理器6的SPI總線控制信號(hào)輸出電機(jī)電流給定信號(hào)Isv。
運(yùn)算放大器U5采用芯片AD824，運(yùn)算放大器U6采用芯片LM2904D，數(shù) 字電位器U7采用芯片AD5160，邏輯非門U1D采用芯片74HC14。芯片AD824 的引腳3 —路經(jīng)電阻R22連接扭據(jù)傳感器輸出的主扭矩信號(hào)C，另一路經(jīng)電阻 R23與電機(jī)電流檢測電路5的+2.5V輸出端相連，芯片AD824的引腳1與引腳 2之間接入電阻R27，芯片AD824的引腳2通過電阻R26與芯片LM2904的引 腳1相連，在芯片LM2904的引腳2與弓l腳1之間接入電阻R25，芯片LM2904 的3腳通過電阻R24與芯片74HC14的引腳8相連，芯片74HC14的引腳9與 微處理器6的參考電壓信號(hào)輸出端相連，芯片AD824的引腳1通過肖特基二極 管T和電阻R28與芯片AD5160的引腳8相連,芯片AD5160的引腳7與電機(jī)電 流檢測電路5的+2.5V輸出端相連，芯片AD5160的引腳4接微處理器6輸出 的時(shí)鐘信號(hào)CLK， AD5160的引腳5接微處理器6輸出的控制信號(hào)SDI， AD5160 的引腳6接微處理器6輸出的片選信號(hào)CS，芯片AD5160的引腳1輸出電機(jī)電 流給定信號(hào)Isv，接比例積分微分控制器1的輸入端Isv。
微處理器選用的是飛思卡爾公司研發(fā)的MC9S08AW32芯片(見圖7)。引腳
8采集汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)B，設(shè)定只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)高于500r/min時(shí)，電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器開始工作，引腳11接外部車速脈沖信號(hào)輸入端，引腳26接 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4中的Rim信號(hào)輸入端，弓|腳17接電機(jī)電流給定電路7中的數(shù)字 電位器AD5160的時(shí)鐘信號(hào)CLK的輸入端，弓l腳19接電機(jī)電流給定電路7中 的數(shù)字電位器AD5160的控制信號(hào)SDI的輸入端，弓l腳20接電機(jī)電流給定電路 7中的數(shù)字電位器AD5160的片選信號(hào)CS的輸入端，引腳15接電機(jī)電流給定電 路7中的參考電壓PWM-0輸入端，引腳52接外部扭矩信號(hào)C輸入端。為了提 高系統(tǒng)的可靠性，微處理器6采集了多種信號(hào)進(jìn)行故障檢測，包括引腳35接 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960A的過電流信號(hào)輸出端ISA，引腳36接 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B的過電流信號(hào)輸出端ISB，引腳37采 集系統(tǒng)+ 12V電源信號(hào)，引腳54采集系統(tǒng)+ 5V電源信號(hào)，引腳46采集扭據(jù)傳 感器輸出的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)S3，引腳47采集扭據(jù)傳感器輸出的副轉(zhuǎn)角信號(hào)S2， 引腳50采集扭據(jù)傳感器輸出的主轉(zhuǎn)角信號(hào)，引腳51采集扭據(jù)傳感器輸出的副 扭矩信號(hào)Ts。
微處理器選用的是飛思卡爾公司研發(fā)的MC9S08AW32芯片。引腳8采集汽 車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)B，設(shè)定只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)高于500r/min時(shí)，電動(dòng)助 力轉(zhuǎn)向控制器開始工作，引腳11接外部車速脈沖信號(hào)A輸入端，引腳26接電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4中的Rmi信號(hào)輸入端，引腳17接電機(jī)電流給定電路7中的數(shù)字電 位器AD5160的時(shí)鐘信號(hào)CLK的輸入端，弓l腳19接電機(jī)電流給定電路7中的 數(shù)字電位器AD5160的控制信號(hào)SDI的輸入端，弓l腳20接電機(jī)電流給定電路7 中的數(shù)字電位器AD5160的片選信號(hào)CS的輸入端，引腳15接電機(jī)電流給定電 路7中的參考電壓PWM-0輸入端，引腳52接外部扭矩信號(hào)C輸入端。為了提 高系統(tǒng)的可靠性，微處理器6采集了多種信號(hào)進(jìn)行故障檢測，包括引腳35接 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960A的電機(jī)電流故障檢測端ISA，引腳36 接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B的電機(jī)電流故障檢測端ISB，弓l腳 37采集系統(tǒng)+12V電源信號(hào)，引腳54采集系統(tǒng)+5V電源信號(hào)，引腳46釆集扭 據(jù)傳感器輸出的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)S3，引腳47采集扭據(jù)傳感器輸出的副轉(zhuǎn)角信號(hào) S2，引腳50采集扭據(jù)傳感器輸出的主轉(zhuǎn)角信號(hào)，引腳51采集扭據(jù)傳感器輸出 的副扭矩信號(hào)Ts。 工作原理
本發(fā)明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理如下
來自扭矩傳感器的主扭矩信號(hào)經(jīng)過濾波電路處理以后輸入電機(jī)電流給定電
路。電機(jī)電流給定電路設(shè)計(jì)完成以后，輸入扭矩信號(hào)電壓的高低決定了電機(jī)電 流給定電路中數(shù)字電位器的輸出端電壓，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流給定電壓信號(hào)Isv隨 著輸入扭矩信號(hào)的變化而變化。
微處理器采集車速信號(hào)A，根據(jù)微處理器中存儲(chǔ)的程序查取出與車速信號(hào)相 對(duì)應(yīng)的電機(jī)電流給定電路中數(shù)字電位器的阻值。微處理器通過SPI總線輸出控 制信號(hào)，控制數(shù)字電位器的阻值。由于電路中存在分壓作用，因此數(shù)字電位器 阻值的變化可以影響電機(jī)電流給定信號(hào)輸出端Isv的電壓高低，即微處理器實(shí)現(xiàn) 了根據(jù)車速對(duì)助力轉(zhuǎn)向控制器助力特性的修正。
存在輸入扭矩信號(hào)C時(shí)，電機(jī)中有助力電流流過，串聯(lián)在電機(jī)回路中的取 樣電阻R18兩端的壓降與電機(jī)電流成正比，電機(jī)電流檢測電路5對(duì)取樣電阻兩 端的壓降進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量，經(jīng)過電機(jī)電流檢測電路5中的芯片AD8210整形放 大以后即可輸出與電機(jī)電流給定信號(hào)匹配，并與電機(jī)實(shí)際電流成比例的電機(jī)電 流反饋電壓信號(hào)Ifb。
電機(jī)電流給定信號(hào)Isv與電機(jī)電流反饋信號(hào)Ifb都輸入到比例積分微分控制
器1中，比例積分微分控制器1根據(jù)給定與反饋信號(hào)之間的差值對(duì)電機(jī)電壓信 號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到相應(yīng)的輸出電平。
三角波發(fā)生電路2輸出的三角波信號(hào)與比例積分微分控制器1輸出的信號(hào) 分別輸入到比較器3的反向端和同相端，將輸入的兩個(gè)信號(hào)的電壓高低進(jìn)行比 較以后，即可在比較器3的輸出端得到具有一定占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM。 由于電路確定以后三角波就是固定的信號(hào)，而比例積分微分控制器1輸出的電 壓信號(hào)是隨著電機(jī)電流給定和反饋信號(hào)之間的差值不斷變化的，因此就在比較 器3的輸出端得到了具有一定占空比，代表電機(jī)電壓高低的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM。 脈寬調(diào)制信號(hào)PWM輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4中電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制端，占空比的大 小決定了電機(jī)電樞平均電壓的高低，從而決定了電機(jī)電流的大小。由于三角波 是確定的，比例積分微分調(diào)節(jié)電路輸出的電平高低就決定了比較器3輸出端脈 寬調(diào)制信號(hào)PWM的占空比的高低。
在比較器3輸出沒有扭矩輸入，即輸入扭矩信號(hào)為0時(shí)，電機(jī)電流給定電 路7輸出的電機(jī)電流給定信號(hào)Isv與電機(jī)電流檢測電路5輸出的電機(jī)電流反饋信 號(hào)均為+2.5V，因此比例積分微分控制器輸出的電平也是+2.5V，如此便可以 在比較器輸出端得到占空比為50%的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM。即不需要電機(jī)進(jìn)行助 力時(shí)輸送給電機(jī)的控制信號(hào)為占空比為50%的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，這種電機(jī)驅(qū) 動(dòng)方式即為雙極驅(qū)動(dòng)，電機(jī)始終處于轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，需要電機(jī)助力時(shí)電機(jī)的
啟動(dòng)方式為熱啟動(dòng)，從而保證了本發(fā)明的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器具有更好的手感。
微處理器6輸出的控制信號(hào)Run經(jīng)過邏輯非門芯片取反后輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路4中兩片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的使能端，當(dāng)Rim信號(hào)為高電平時(shí)，輸入到兩片電 機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使能端的均為低電平，芯片不工作，為低電平時(shí)芯片處于工作狀態(tài)。 比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4中，經(jīng)過處理后使得輸入 兩片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)輸入端得到恰好相反的控制信號(hào)，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 芯片的特性，可以使電機(jī)中流過兩個(gè)方向的電流，即提供兩個(gè)方向的助力。采 用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)芯片上消耗的電壓比較低，相應(yīng) 的就使得電機(jī)上的壓降較大，因此可以獲得比較大的助力電流。
為了提高系統(tǒng)的可靠性，微處理器6采集了多種信號(hào)進(jìn)行故障檢測，包括 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960A的過電流信號(hào)輸出端ISA，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B的過電流信號(hào)輸出端ISB;系統(tǒng)+ 12V電源信號(hào)， 低于8V時(shí)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器停止工作；系統(tǒng)+ 5V電源信號(hào)，低于4.8V時(shí)電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器停止工作；扭據(jù)傳感器輸出的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)S3，扭據(jù)傳感器 輸出的副轉(zhuǎn)角信號(hào)S2，扭據(jù)傳感器輸出的主轉(zhuǎn)角信號(hào)，扭據(jù)傳感器輸出的副扭 矩信號(hào)Ts，，當(dāng)這些信號(hào)不符合扭據(jù)傳感器特性時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器停止工 作。當(dāng)以上信號(hào)的A/D采樣值超出程序中所設(shè)定的范圍時(shí)，微處理器通過Rim 信號(hào)關(guān)閉兩片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960A和BTS7960B，使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器停 止工作，以保證安全。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，其特征是包括比例積分微分控制器(1)，三角波發(fā)生電路(2)，比較器(3)，電機(jī)電流檢測電路(5)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)，微處理器(6)和電機(jī)電流給定電路(7)；微處理器(6)采集車速信號(hào)(A)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)(B)，其一個(gè)控制信號(hào)輸出端通過SPI總線與電機(jī)電流給定電路(7)的一個(gè)輸入端相連，另一個(gè)控制信號(hào)輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)輸入端相連；電機(jī)電流給定電路(7)的外部信號(hào)輸入端接扭矩傳感器輸出的主扭矩信號(hào)(C)，電機(jī)電流給定電路(7)輸出的電壓信號(hào)接比例積分微分控制器(1)的同向輸入端；比例積分微分控制器的反向輸入端與電機(jī)電流檢測電路(5)的輸出端相連，比例積分微分控制器的輸出端與比較器(3)的同向輸入端相連，比較器(3)的反向輸入端與三角波發(fā)生電路(2)的輸出端相連，比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)的控制信號(hào)輸入端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)的電機(jī)電流檢測信號(hào)輸出端與電機(jī)電流檢測電路(5)的輸入端相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(4)過電流故障檢測信號(hào)輸出端，三角波發(fā)生電路(2)產(chǎn)生的三角波信號(hào)以及外部輸入的故障檢測信號(hào)(D)分別連接微處理器(6)的故障檢測端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，其特征是電機(jī)電流給定 電路(7)包括兩個(gè)運(yùn)算放大器(U5、 U6)，數(shù)字電位器(U7)，肖特基二極管(T)， 邏輯非門(U1D)以及外圍電阻、電容元件，其中， 一個(gè)運(yùn)算放大器(U5)采用芯片 AD824，另一個(gè)運(yùn)算放大器(U6)采用芯片LM2904，數(shù)字電位器(U7)采用芯片 AD5160，邏輯非門(U1D)采用芯片74HC14,芯片AD824的引腳3—路經(jīng)電阻 R22連接扭據(jù)傳感器輸出的主扭矩信號(hào)C，另一路經(jīng)電阻R23與電機(jī)電流檢測 電路(5)的+ 2.5V輸出端相連，芯片AD824的引腳1與引腳2之間接入電阻R27， 芯片AD824的引腳2通過電阻R26與芯片LM2904的引腳1相連，在芯片 LM2904的引腳2與引腳1之間接入電阻R25，芯片LM2卯4的3腳通過電阻 R24與芯片74HC14的引腳8相連，芯片74HC14的引腳9與微處理器(6)的參考 電壓信號(hào)輸出端相連，芯片AD824的引腳1通過肖特基二極管(T)和電阻R28 與芯片AD5160的引腳8相連,芯片AD5160的引腳7與電機(jī)電流檢測電路(5)的 +2.5V輸出端相連,芯片AD5160的引腳4接微處理器(6)輸出的時(shí)鐘信號(hào)CLK， AD5160的引腳5接微處理器(6)輸出的控制信號(hào)SDI， AD5160的引腳6接微處 理器(6)輸出的片選信號(hào)CS,芯片AD5160的引腳1輸出電機(jī)電流給定信號(hào)Isv， 接比例積分微分控制器(l)的輸入端Isv。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，其特征是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 (4)包括兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，三個(gè)邏輯非門(U1A， U1B和U1C)以及一些外圍電 阻、電容元件，其中， 一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為BTS7960A，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為 BTS7960B，三個(gè)邏輯非門(U1A， U1B， U1C)分別采用芯片74HC14, BTS7960A 的引腳1和BTS7960B的引腳1相連并接地，BTS7960A的引腳7和BTS7960B 的引腳7相連并接+ 12V電源；BTS7960A的引腳3和BTS7960B的引腳3均與 第三邏輯非門(U1C)74HC14的引腳6相連，第三邏輯非門(U1C)74HC14的引腳 5接微控制器(6)的使能信號(hào)輸出端(Rim)，第一邏輯非門(U1A)74HC14的引腳1 接比較器(3)的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM輸出端，第一邏輯非門(U1A)74HC14的引腳 2及第二邏輯非門(U1B)74HC14的引腳3共接芯片BTS7960A的引腳2，第二邏 輯非門(U1B)74HC14的引腳4接BTS7960B的引腳2，芯片BTS7960A的引腳 6接微處理器(6)的電機(jī)過電流故障檢測端(ISA)，芯片BTS7960B的引腳6接微 處理器(6)的電機(jī)過電流故障檢測端(ISB)，芯片BTS7960A的引腳4與芯片 BTS7960B的引腳4之間接入取樣電阻R18和電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，其特征在于三角波發(fā)生 電路(2)是產(chǎn)生幅度為0.3~4.7V，頻率為20.8KHz三角波信號(hào)的自激振蕩電路， 包括兩個(gè)運(yùn)算放大器(U1， U2)和兩個(gè)邏輯非門(U1E， U1F)， 一個(gè)穩(wěn)壓管(Z)以及 外圍的電阻、電容元件，其中運(yùn)算放大器(U1)采用芯片LM2903 ，運(yùn)算放大器 (U2)采用芯片AD824,兩個(gè)邏輯非門(U1E和U1F)分別采用芯片74HC14，芯片 LM2903的引腳8接+ 5V電源，引腳4接地，弓,2與電機(jī)電流檢測電路(5) 的+2.5V輸出端相連，引腳l通過上拉電阻Rl接+ 5V電源(Vcc)，并且通過電 阻R2接第二邏輯非門(U1F)74HC14的引腳13，第二邏輯非門(U1F)74HC14的 引腳12與第一邏輯非門(U1E)74HC14的引腳11連接，第一邏輯非門 (U1E)74HC14的引腳10接電阻R5的一端，電阻R5的另一端分三路，其一路 經(jīng)電阻R4接芯片LM2903的引腳3,第二路經(jīng)電阻R6接芯片AD824的引腳13， 第三路經(jīng)穩(wěn)壓管(Z)與電機(jī)電流檢測電路(5)的+2.5V輸出端相連，芯片AD824 的引腳12通過電阻R7與電機(jī)電流檢測電路(5)的+2.5V輸出端相連，在芯片 AD824的引腳13與引腳14之間接入電容Cl，芯片AD824的引腳14為三角波 輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開的電動(dòng)伺服助力轉(zhuǎn)向控制器，包括比例積分微分控制器，三角波發(fā)生電路，比較器，電機(jī)電流檢測電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，微處理器和電機(jī)電流給定電路。比例積分微分控制器根據(jù)電機(jī)電流給定電路輸出的電機(jī)電流給定信號(hào)與電機(jī)電流檢測電路輸出的電機(jī)電流檢測信號(hào)之間的差值輸出調(diào)節(jié)電壓至比較器中，比較器將其與三角波發(fā)生電路輸出的三角波信號(hào)進(jìn)行比較輸出脈寬調(diào)制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中控制電機(jī)的電流。微處理器根據(jù)車速計(jì)算出并控制電機(jī)電流給定電路中數(shù)字電位器的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)助力特性的修正。采用了模擬電路完成主要功能，以及采用了專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使其可以提供更大助力，適用范圍更廣，控制電路簡單，駕駛手感更好，可靠性更高。
文檔編號(hào)B62D5/04GK101110561SQ200710069589
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者鋒 吳, 姚棟偉, 楊志家, 耘 王, 胡樹根 申請人:浙江大學(xué)