胡瑞忠

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

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淺談POLO電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元

胡瑞忠

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

摘要：首先介紹了POLO轎車電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元的組成及特點，簡單敘述了該控制單元的工作原理。該控制單元的主要作用在于控制無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)。因此文章隨后詳細闡述了由該控制單元控制的無刷直流電機的啟停、調(diào)速、驅(qū)動保護以及轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的選擇。

關(guān)鍵詞：POLO；電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；直流無刷電機

電子控制技術(shù)在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達到了令人滿意的程度。電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在低速行駛時使轉(zhuǎn)向變輕、靈活；當(dāng)汽車在中高速區(qū)域轉(zhuǎn)向時，又能保證提供最優(yōu)的動力放大倍率及穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速行使的操縱穩(wěn)定性。

1POLO電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrically Hydraulic Powered Steering，簡稱EHPS)是一種將傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)相結(jié)合的第三代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于第二代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(機械液壓助力)大幅消耗發(fā)動機動力，所以人們在此基礎(chǔ)上進行改進，開發(fā)出了更節(jié)省能耗的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如圖1所示，上海大眾的老款POLO、奧迪A1、斯柯達菲晶銳等車型上裝配有該系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一體化的電動泵機組和控制閥(分配閥、扭桿)、轉(zhuǎn)向助力傳感器、動力缸、齒輪和齒條等組成。系統(tǒng)中的電動泵機組是由美國天合公司(TRW)設(shè)計的。

圖1　POLO汽車EHPS配件布置圖[1]

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)的核心部件電動泵機組主要由以下幾部分組成，它們是助力轉(zhuǎn)向控制單元J500、齒輪泵、電動泵、儲油罐、限壓閥、CAN總線系統(tǒng)等組成。助力轉(zhuǎn)向控制單元J500根據(jù)助力轉(zhuǎn)向傳感器G250傳來的轉(zhuǎn)角信號，兼顧CAN總線上傳來的車輛速度信號，進行電動泵的轉(zhuǎn)速控制。這也意味著控制了齒輪泵的流量，從而達到控制助力轉(zhuǎn)向傳動裝置的目的。這樣我們就可以根據(jù)車輛方向盤的轉(zhuǎn)向角速度和車輛當(dāng)前的行駛速度來確定我們當(dāng)前所需要的轉(zhuǎn)向助力的大小。由于齒輪泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的排量為1.5 mL不變，所以電動泵的瞬時電機轉(zhuǎn)速和瞬時供油量是成正比的。因此助力轉(zhuǎn)向控制單元J500的最終控制對象是該電動泵的直流無刷外轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)速。該電機的瞬時轉(zhuǎn)速與方向盤的轉(zhuǎn)向角速度和汽車行駛速度之間的數(shù)學(xué)模型圖如圖3。

圖2　POLO汽車EHPS系統(tǒng)配置圖[1]

圖3　瞬時供油量特性場(瞬時電機轉(zhuǎn)速)

2EHPS電控單元J500工作原理

圖4　POLO汽車EHPS電控單元J500原理框圖

2.1電控單元J500電源系統(tǒng)

電控單元J500的電源選用了英飛凌公司的5 V低壓降穩(wěn)壓電源TLE4271-2G。該電源輸入電壓范圍0～40 V，瞬時最高電壓65 V(≤400 ms)，輸出電壓容限≤±2%，帶有短路保護。該電源還自帶電源看門狗電路，看門狗時間可根據(jù)兩個外接電容的值來進行調(diào)整。在規(guī)定時間內(nèi)單片機不喂狗的話，將對單片機產(chǎn)生上電復(fù)位信號。

2.2電控單元J500單片機的性能

電控單元J500選用了英飛凌公司的16位單片機SAK-C164CL，該芯片采用單電源供電，4 MHz的外接晶體。該單片機還有如下幾個特點：

1) 抗環(huán)境干擾，能滿足汽車級芯片溫度范圍的要求，即-40 ℃～+125 ℃。

2) 有較多的I/O口，以實現(xiàn)多種控制功能；快速的計算速度，以滿足實時控制要求。

3) 采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，以便于診斷功能的實現(xiàn)，同時具有與車輛上其它CPU進行通訊的能力。

2.3直流無刷電機的啟停

在車輛的實際使用環(huán)境中，電瓶電源30+是?；?，一直在供電。當(dāng)點火信號作用到電源芯片的禁止端時，電源芯片開始輸出5 V的Vcc電壓，整個電控單元J500開始工作。如果此時單片機的CAN總線接口收到來自車輛發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，并且還能夠收到由車輛儀表傳來的車速信號(該信號由ABS泵產(chǎn)生)，直流無刷電機就開始旋轉(zhuǎn)，直到達到此時電控單元J500規(guī)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。電機一旦開始旋轉(zhuǎn)，電源系統(tǒng)將產(chǎn)生自鎖信號，即此時已不再需要有點火電壓的存在了。如果想要電機停轉(zhuǎn)，就必須通過Can總線來發(fā)送發(fā)動機的停轉(zhuǎn)信號，這才能使電源的自鎖失效，在點火電壓沒有的情況下斷電停機。也就是說，電機一旦開轉(zhuǎn)以后，就不一定受點火鑰匙的控制了，而是由電控單元J500自己根據(jù)具體的啟停邏輯來進行判斷。

2.4直流無刷電機的調(diào)速

系統(tǒng)啟動后，電控單元J500就會給轉(zhuǎn)向傳感器G250送電，使其開始工作，隨即單片機開始對轉(zhuǎn)向傳感器G250發(fā)出的轉(zhuǎn)角信號進行采樣。如果方向盤不動，轉(zhuǎn)向角信號為零，電機保持一定轉(zhuǎn)速。如果方向盤轉(zhuǎn)動，就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角信號，電機就開始加速旋轉(zhuǎn)，最高可到3 999 rpm。由于采用外轉(zhuǎn)子電機，該電機的提速響應(yīng)非常迅速，這會使得駕駛?cè)藛T感覺轉(zhuǎn)向的隨動性能非常好。

另一方面，系統(tǒng)啟動后，單片機會對車速信號進行處理。如果車速下降，電機轉(zhuǎn)速會馬上提高。但如果車速上升，則電機轉(zhuǎn)速會緩慢降低。這使得駕駛車輛時，轉(zhuǎn)向手感更好，更加安全。

2.5直流無刷電機的驅(qū)動和保護

該電機由4個55A的MOSFET管BUK9508-55A驅(qū)動。MOSFET管的柵極采用PWM控制，使直流無刷電機的效率更高，轉(zhuǎn)速更好控制。電機的實際轉(zhuǎn)速由兩個霍爾傳感器TLE4946-2L進行采樣獲得。兩個霍爾傳感器的信號經(jīng)過處理后分別送到單片機的兩個捕獲端口，由單片機經(jīng)運算后得到電機的相位和轉(zhuǎn)速，從而控制PWM信號的輸出。

由于MOSFET管過流會燒毀，電控單元J500對電機電流采取了嚴(yán)格的過流保護和超溫保護措施。在兩片電流采樣片上產(chǎn)生的微小電壓降，經(jīng)過由LMC622組成的運放電路放大和整形后，送到單片機的兩個AD轉(zhuǎn)換端口。由印制線路板上的溫度敏感電阻組成了溫度采樣電路，該信號也送到了單片機的AD轉(zhuǎn)換端口。如果AD端口的值超出了允許范圍，電控單元J500就會讓電機停轉(zhuǎn)，從而保護系統(tǒng)不被損壞。

2.6瞬時電機轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的選擇

由于POLO車的EHPS系統(tǒng)可以使用到好多款車型上，如奧迪A1、斯柯達晶銳等。這些車型的前軸載荷各不相同，所需的轉(zhuǎn)向助力也就各不相同。電控單元J500設(shè)計出了可供選擇的多種電機轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)全部儲存在代碼存儲器24C04中，在系統(tǒng)安裝好后可以用汽車電腦診斷儀來進行這些人模型的選擇，也就是助力曲線的選擇。通過調(diào)整助力曲線，可以改變轉(zhuǎn)向手感。另外，如果EHPS系統(tǒng)在運行過程中有故障，這些故障代碼也會存儲在24C04中，等待維修人員去用汽車電腦診斷儀來讀取，同時儀表上的轉(zhuǎn)向故障報警燈會亮起。

以上幾點基本上概括了EHPS電控單元J500的工作原理，希望對致力于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行研究的人員有所幫助。

參考文獻

[1]上海POLO轎車電路圖.上海大眾維修手冊Service.POLO2002[Z].2002.

收稿日期：2015-11-02

作者簡介：胡瑞忠(1977- )，男，山西太谷人，工程師，計算機技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0003- 02

中圖分類號：U463.4

文獻標(biāo)識碼：A

Control Unit of POLO Electronic Hydraulic Power Steering System

Hu Ruzhong

(ShanxiInstituteofElectronicsIndustry,TaiyuanShanxi030006,China)

Abstract:This paper first introduces the composition and characteristics of the control unit of the electronic hydraulic power steering system of POLO car and describes the working principle of the control unit in details. The main function of the control unit is to control the rotation of the brushless dc motor. So the article then expounds on the start-stopping, speed adjusting, driving protection and speed mathematical model selection of the brushless dc motor controlled by the control unit.

Key words:POLO; EHPS; brushless DC motor