责任编辑：万翀 Automotive Electronics EPS电动助力转向系统的软硬件设计 Hardware and Software Design of Electric Power Steering System 谭群林 株洲南车时代电气股份有限公司（湖南 株洲412001） 摘要：本文详细介绍了基于C8051F31X系列微处理器的电动助力转向 （EPS）系统的方案设计，给出了详细的硬件设计和软件设计。试验结果 表明，该系统具有电路设计方便、性能稳定可靠、保护电路齐全、性价比 好等突出优点，为汽车EPS系统提供一个优秀的设计方案。本文网络版地 址：http://www.eepw.com.cn/article/170165.htm 关键词：EPS；电动助力转向系统；C8051F；微控制器；电路；硬件 DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.013 电动助力转向系统基本结构及工 作原理 汽车的助力转向系统是协助驾 驶员进行汽车方向调整，为驾驶员减 轻打方向盘的用力强度，目前汽车上 配置的助力转向系统大致可以分为 三类：（1）机械式液压动力转向系 统；（2）电子液压助力转向系统； （3）另外一种电动助力转向系统， 英文全称是Electronic Power Steering， 也就是我们常说的EPS，也可以称为 “电子控制助力”，它是在EPS控制 器的作用下驱动电动机产生的动力协 助驾车者进行转向控制。EPS的构成 一般是由扭矩传感器、电子控制单元 ECU、助力电机、减速器、机械转向 器、以及畜电池电源。现在我们介绍 的主要是电子控制单元ECU的软硬件 设计方案。 主要工作原理：驾驶员在操作 汽车转向时，扭矩传感器会“感觉” 到方向盘的扭矩和转向，这些信号会 通过AD模数转换器，量化后传送给 电子控制单元的微处理器，电控单元 会根据转向轴的转动力矩、转向等数 据，向EPS控制器发出动作指令，助 力电机就会根据具体的需要，输出相 应大小的转动力矩，从而实现助力转 向。如果不打方向盘，则EPS系统就 不工作，处于等待调用状态，而且， 助力电机的助力输出也随着车速的提 高而减小，当车速超过设定值时会停 止工作，助力消失，这使车在高速行 驶时更加稳定。由于电动助力转向这 样的工作特性，你会感觉到方向盘的 方向感好，轻便，高速时稳定不发 飘。图形1为电动助力转向系统的基 本结构。 硬件电路原理设计 EPS控制器由C8051F系列微处理 器、扭矩传感器、模拟信号调理、光 电隔离、单稳态保护电路、PWM信 号驱动电路、铝基板电机驱动电路、 离合器控制电路，电流反馈电路、故 图1　电动助力转向系统基本结构 图2　系统硬件原理框图 www.eepw.com.cn 2013.10 73 30583050 2013010.indd 73 2013/9/24 13:32:03 

汽车电子 责任编辑：万翀 图4　行车信号调理 分的信号直接关系到EPS系统的正确 执行。同时也是后面保护电路的输入 条件，非常重要。 扭矩传感器信号的提取、调理 图4所示：车载信号通过接插件把24V 左右的行车信号引入VI1的光电隔离 前端，隔离输出变为3.3V低压信号， 以实现强弱电隔离输出。 我们采用的扭矩传感器其输出包 H 桥 驱 动 电 路 、 P W M 调 速 原 括力矩与角度两种信号，力矩信号的 输出有两路，分别是T1、T2，角度信 号（转向角）的输出有三路，分别是 P1、P2、P3，具体传感器的输出特性 请参照相关的数据手册，提取算法将 在软件设计部分完成。这里侧重讲述 信号的调理，原理如下图3，传感器 具有5路模拟信号输出，原理相同， 我们讨论其中一路T1。传感器的输出 是0~5V信号，通过R1，R2电阻分压 原理与3.3V系统进行匹配。C1，C2， R3组成了一个阻容滤波器滤掉前端的 信号噪声，V1为TVS管，用于限制信 号的幅度在0~VCC之间，N1是LM324 运放，接成射极跟随形式，以提高信 号的输入阻抗，降低信号的输 出阻 抗。输出信号Sensor_T1_out直接输出 给微处理器的内部AD转换，量化后 提供给力矩提取算法使用，其它4路 原理一致。 理、保护电路及电流反馈电路 H桥电机驱动电路与PWM调速原理 我 们 采 用 了Inf ineon 公 司 的 智 能 功 率 开 关 管 BTS 5 5 0 P 和 M O S 管 I P B 8 0 N 0 8 S 2 L 构 建 了 H 桥 电 路 ， BTS550P具有过载保护、过流限制、 短路保护、超温保护、超压保护、负 载电流反馈等，可以利用其负载反 馈功能代替传统电路中的电流传感 器。图5由V1、V2、V3、V4构成的H 桥的简化框图。高端智能功率开关管 BTS550P不需要增加倍压驱动电路， 只要在2脚和地之间加上电压控制信 号即可。 PWM调速原理：如果把DIR换 向信号施加到高端管V1，把调速信 号PWM施加到V4上，就会得到电流 A-B的电动机正向助力；如果DIR、 PWM信号施加到V2和V3上，则得到 电流C-D的反向助力。根据BTS550P 的 驱 动 要 求 ， 上 管 的 控 制 信 号 不 需 要 倍 压 器 件 产 生 ， 接 地 或 者 接 24V。BTS550P用于选择正向还是反 向控制，PWM信号控制低端MOS管 IPB80N08S2L电流大小，从而实现电 图3　扭矩传感器信号调理 障指示、电源。由于C8051F系列微 处理器的各部分功能十分强大，定时 器、PCA、AD转换器、比较器、交叉 开关、IIC、SPI、温度传感器在CPU 内部集成，从而大大降低电路的复杂 性及成本，担高了可靠性。硬件原理 如图2所示。 微处理器电路 C8051F310处理器是完全集成的 混合信号片上系统型MCU芯片，具 备25MIPS流水线结构CIP-51内核， 单周期的指令、带模拟多路开关、10 位200ksps的25通道单端/差分ADC， 高精度可编程的25MHz内部振荡器、 16KB可在系统编程的FLASH存储器， 1280byte片内RAM，四个通用的16位 定时器，这为EPS系统的车速、发动 机转速提供很好解决方案。PCA模块 方便了PWM电机调速、端口交叉开 关编程为引脚多功能复用提供实用 条件。增强型UART和SPI串行接口、 硬件实现的SMBus、片内上电复位、 VDD监视器和温度传感器，这些可为 EPS实现通讯扩展，故障诊断，温度 保护等功能。 EPS的前端信号处理电路 行车信号的调理 这部分电路包括扭矩传感器的 信号提取、调理及行车信号（车速、 发动机转速、点火信号）的隔离与获 取，它是EPS执行的先决条件，这部 由于车速CS、发动机转速FDJ、 点火KEY这些信号幅度达到24V，也 是需要调理后才能跟3.3V系统兼容， 采用光电隔离是比较好的措施，参照 74 51 2013.10 www.eepw.com.cn 2013010.indd 74 2013/9/24 13:32:03 

责任编辑：万翀 Automotive Electronics 图5　H桥MOS驱动电路与PWM调速原理 图6　MOS管驱动电路 图7 保护电路 机M的PWM调速。 电流反馈电路：BTS550P的第4脚 为电流反馈端，接一个电阻就可以把 电流信号转换成电压信号，供后面的 比较器和AD转换使用。 采用智能功率开关BTS550P和 MOS管IPB80N08S2L搭建的H桥电机 驱动电路与传统的H桥电路相比就具 有如下特点： 第一，高边管控制简单，控制 电平信号不需要倍压器件专门产生， 上，实现完美的散热工艺。 MOS管驱动电路 图6采用V1、R1-R4、C1组成的 电子开关电路，用于驱动H桥高边管 的BTS550P的控制极，实现弱电控制 强电的目的。当H桥高边管控制信号 输出高电平时，V1导通，BTS550P的 控制极第2脚变低，反之变高，以实 现高边管开关。PWM信号通过V3控 制H桥的低边管V4，此为H桥的单边 桥的控制原理，另一边相同。 由普通的逻辑器件加晶体管就可实 保护电路 现。第二，简化H桥的电流测量，负 载电流的反馈信号可直接输入到单片 机作为控制参数。第三，智能功率开 关BTS550P本身具有过载保护机制， 可简化电路过载保护设计。整个H桥 设计在一块铝基板的PCB板上，功率 器件的热量通过铝基板传导到散热器 保护电路是以可重触发的单稳 态触发器设计而成，此电路有两种状 态，稳态和暂稳态。对于可重触发型 单稳态器件，当电路的暂稳态还没有 结束之前，再来一次触发信号作用 后，电路将对这个新的触发信号进行 响应，还要再延迟一个暂稳态时间， 图8　系统原理简图 电路才能返回稳态，此暂稳态时间由 逻辑符号中的CX、RX/CX是外接阻 容元件决定。图中D1A、D2B的第1、 9脚为脉冲触发端，Q端为暂稳态输出 端，其高电平为暂稳态。我们利用这 个特性进行H桥的得电保护设计。 发动机转速脉冲、看门狗脉冲、 传感器信号电平是EPS正常工作的三 个重要条件，只要其中任何一个条件 不满足，EPS的H桥驱动将不能正常 得电。我们把转速脉冲和看门狗脉冲 作为触发器的触发信号。车子启动和 EPS的程序正常正是由这个条件来判 断的。只要这个脉冲不消失，单稳态 器件D1的输出永远是暂稳态高电平， 也直接影响到U1A三个输入条件的建 立。 图中U1A的三个输入端同时为高 电平时，即三个条件同时成立，经过 www.eepw.com.cn 2013.10 75 30583052 2013010.indd 75 2013/9/24 13:32:04 

汽车电子 图9 固件程序框图 图10 助力输出特性曲线 D2A反相变高驱动V5导通，使用H桥 电源继电器闭合，H桥得电而正常工 作。但是如果U1A的三个输入端条件 只要有一个不正常，那么H桥失电而 不能正常工作，从而起到断电保护的 作用。 发 动 机 转 速 脉 冲 是 汽 车 正 常 运 转 闭。以上工作原理为EPS的断电保护 机制。 各单元电路的综合理解 以上详细介绍了各单元电路的工 作原理及电路，把图1电路简化后得 到各电路间的简图，如图8所示，分 析理解他们之间的联系： (1)主进程：转向助力的产生与 调节，力矩传感器信号与车载信号通 工 作 标 志 过调理后进入微处理器内部，经过微 之 一 ， 传 感 器 信 号 电 平 是 扭 矩 传 感 器 正 常 工 作 的 状 态 标 志 ， 看 门 狗 脉 冲 是 E P S 主 程 序 正 常 运 图11 实物图 行的标志，发动机转速脉冲、看门狗 脉冲与D1A与D1B两个单稳态触发器 相连，只要此脉冲不消失，则单稳态 触发器D1A与D1B输出为高电平，如 果传感器信号电平也为高电平时，那 么U1A输出低电平信号经D2A反相变 高后可驱动继电器闭合。反之则关 处理器内部量化，供程序算法使用， CPU获得这些外部参数，执行EPS控 制算法输出PWM信号，经过驱动后 加载到H桥的高低边功率管上，以驱 动EPS电机产生助力。 (2)保护进程：保护电路收集到 EPS控制器工作的必要外部条件，如 果这些条件都满足，保护电路会驱动 电机电源继电器闭合，以使铝基板电 机驱动板得电工作，反之将不能正常 工作，主进程也会停止，EPS不产生 助力。 (3)反馈进程：电流反馈进程有 两个作用，处理如下： 一路经过比较器输出，输出电平 用于控制PWM信号的输出，从图8中 我们可以看出PWM信号驱动上，有 76 53 2013.10 www.eepw.com.cn 责任编辑：万翀 一个3输入与门用于控制PWM 的输出，比较器的过流保护信 号就是其中输入条件之一，只 要电机过流，比较器就会产生 一低电平使3输入与门关闭， 也就关闭了PWM输出。 另外一路经过调理器后进 入微处理器内进行量化，以供 微处器执行相应程序保护。 程序设计 固 件 程 序 采 用C51 语 言 进 行 设 计，采用模块化设计思想，主要子程 序包括：扭矩传感器的力矩与角度信 号的提取算法、车速信号和发动机信 号的测量程序、助力调节控制算法、 保护电路的控制算法、设备的初始化 定义、中断程序等。 固件程序框图如图9所示。 结论 通过试验，EPS的输出特性曲线 如图10所示，硬件电路完全能满足电 动助力转向控制需要，实验证明上 述的电动助力转向系统的设计方案可 行，采用混合信号片上系统微处理 器，不仅自身处理功能强大，而且外 围扩展方便，成本低廉。同时采用表 贴安装的铝基板H桥电机驱动电路结 构，是一种新的尝试，这不仅减少了 汽车振动对EPS的影响，同时也很好 地解决了功率器件的散热问题。 参考文献： [1] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社 ,2002 [2] 季学武,张德新,陈奎元.电动助力转向系统直流伺服技术的研究 [J].农业机械学报, 2004 [3] 李书龙,许超,杨智.汽车电动助力转向系统硬件设计[J].机械工程 ,2004 [4] 潘琢金,译.C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH微控制 器数据手册[Z].2004 [5] Infineon Smart Highside High Current Power Switch BTS550P Data Sheet[Z].Infineon Technologies 2013010.indd 76 2013/9/24 13:32:04 

EPS电动助力转向系统的软硬件设计 作者： 谭群林 作者单位： 刊名： 株洲南车时代电气股份有限公司 湖南株洲412001 电子产品世界 英文刊名： Electronic Engineering & Product World 年，卷(期)： 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzcpsj201310019.aspx 2013(10)