轉向系統是汽車的重要組成部分，其性能直接影響著汽車行駛的穩定性和安全性。早期的汽車轉向系統為純機械轉向系統，沒有助力，轉向動力完全由駕駛員 提供，駕駛體驗差。從上世紀30年代以后，逐漸出現了助力轉向系統。目前，汽車助力轉向主要有3種形式：液壓助力轉向系統（Hydraulic Power Steering，HPS），電控式液壓助力轉向系統（Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS）以及電動助力轉向系統（Electric Power Steering System，EPS）。
　　相比前兩種，EPS由電機提供輔助力矩，沒有油系統，很大程度降低了汽車轉向系統的復雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環 境友好性等各方面具有明顯的優勢。根據EPS助力電機在齒輪和轉向柱總成上位置的不同，EPS系統分為轉向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪 助力式4種類型。小齒輪和轉向柱助力式應用于輕型車輛，雙小齒輪助力式應用于重型車輛。它們在構成上都具有3個基本部件：電控單元（Electrie Control Unit，ECU）、助力電機和安裝在轉向柱上的扭矩傳感器。文中針對小型轎車，以美國Freescale公司的16位單片機MC9S12DP256為核 心進行了EPS控制器的設計。

　　1 電動助力轉向系統結構和工作原理

　　電動助力轉向系統結構如圖1所示，主要由方向盤、扭矩傳感器、電子控制單元（ECU）、電機、電磁離合器、減速機構、齒輪齒條轉向器組成。在汽車發 動機點火后，轉動方向盤時，由安裝在轉向軸上的扭矩傳感器測得轉向力矩，并送給ECU，ECU根據轉矩和車速，通過預先設置好的助力特性曲線和控制策略計 算出一個電機所需的最佳電流，從而控制電機輸出力矩和轉動方向，然后經過減速機構施加到轉向機構，最終得到一個與行駛工況相適應的轉向作用力，輔助駕駛員 轉向。

　　2 控制策略

　　2.1 EPS模型建立

　　根據牛頓定律，可建立轉向系統數學模型。

　　其中：Th為方向盤輸入轉矩，Js為轉向柱、盤總成轉動慣量，Bs為輸入軸阻尼系數，Ks為力矩傳感器剛度系數，Tm電機輸出力矩，Km為助力電機 和減速機構的剛度系數，Jm為助力電機轉動慣量，Bm為助力電機阻尼系數，M為齒條質量，Br為齒條和轉向輪粘性阻尼系數，Kr為齒條當量剛度，G為助力 機構傳動比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤轉角，θm為電機轉角，xr為齒條位移，Fr為轉向阻力。

　　2.2 助力特性曲線設計

　　EPS助力特性是駕駛員輸入轉矩和電機助力力矩（助力電流）之間的關系。汽車在行駛過程中，轉向阻力隨著車速的增加而降低。為了獲得汽車低速行駛時 轉向的輕便性和高速行駛時的穩定性，在同種行駛狀況下，電機助力力矩隨著車速的升高而減小，并在車速超出一定范圍時，電機不進行助力。常見的助力特性曲線 有3種：直線型、折線型和曲線型。直線型助力特性曲線形式簡單，實際中容易調節和實現。因此，文中采用直線型助力特性進行控制器設計。

　　2.3 控制算法

　　EPS系統控制是對電機電流大小和方向的控制。其控制算法的好壞直接影響著轉向系統的性能。本文采用目前廣泛應用于工業控制領域的PID控制算法。 PID控制穩定性和可靠性高、實時性強、且控制與調試方法簡單，易于實現，適合用于汽車電動助力轉向系統的控制。因此，PID控制是現階段EPS控制系統 主要的控制策略。

　　3 硬件設計

　　3.1 總體設計

　　單片機是控制器的核心，其選型需要考慮適用性、可靠性、片內資源、價格等多種因素。單片機選型恰當與否直接影響機構控制系統的性能及設計難易程度 度。本設計采用Freescale公司的16位高精度MC9S12DP256單片機。MC9S12DP256內置5個CAN模塊、2個8通道10位A/D 轉換模塊、8個PWM通道，總線速度25 MHz，采用5 V供電，112腳LQFP封裝。此單片機，內部資源豐富，可大大簡化控制系統硬件電路，其可靠性高，非常適用于EPS控制。設計中沒有用到的管腳引到電路 板上，以便于后續開發。

　　硬件設計如圖3所示。車速、發動機、轉矩信號經處理后送給MC9S12DP256單片機，經單片機計算后，得到電機助力電流值，經驅動電路后作用于 助力電機，控制電機輸出力矩的大小和方向，同時對電機電流進行采樣，并送回單片機，形成閉環控制。在助力控制基礎上，設計了電機保護電路和故障診斷與提示 電路。一旦檢測到故障存在，立即斷開離合器，改用純手動轉向，并發出故障信號，從而保證了行車安全。

　　3.2 控制系統硬件電路設計

　　硬件電路設計主要包括電源轉換電路、扭矩信號處理電路、車速信號處理電路、CAN通信電路、時鐘電路。具體設計如下：

　　電源轉換由于單片機工作時管腳電壓為+5 V供電，而車載電源電壓為+12 V。因此，需要對+12 V電壓進行轉換，變成+5 V。本設計中采用7805電壓轉換芯片進行電壓變換。

　　扭矩信號處理由于扭轉傳感器獲得的是一些微弱的小信號，容易受干擾，因此需要對其進行濾波處理。本設計采用型濾波電路，R12取大電阻，提高輸入阻抗。

　　車速處理電路車速信號為+12 V單極性方波，電壓太高，不能直接用于單片機，需要將其變換為+5 V以內的方波。利用LM358對其進行處理，經轉換后得到高電平為3.72 V，低電平為0.01V的方波信號。

　　CAN總線驅動電路MC9S12DP256內部集成了CAN總線控制器，CAN驅動電路只需要物理層驅動即可。本設計選用82C250芯片進行設計。

　　時鐘電路時鐘是單片機工作的基礎。MC9S12DP256單片機內部集成了壓控振蕩器，可在其43、44和46、47引腳分別接上鎖相環電路和16MHz的晶振電路。組成MC9S12DP256時鐘電路，提供25MHz的時鐘信號。

　　具體電路設計如圖4所示。

　　4 系統軟件設計

　　EPS控制軟件采用模塊化設計，包括進行系統初始化、信號采集、控制狀態判、控制模式判斷、PWM占空比計算、系統狀態監控及保護、電流閉環模塊、 通信模塊等。EPS控制系統需要同時執行多個任務，為了保證系統的實時性和可靠性，采用中斷服務方式，將整個軟件部分分為主程序和中斷服務子程序。主程序 設計流程如圖5所示。

　　5 結束語

　　文中分析了汽車電動助力轉向系統的工作原理。設計了直線型助力特性曲線，建立了增量式閉環PID控制策略，減小了芯片的計算量，增強了系統的助力跟 隨性。利用MC9S1 2DP256單片機的豐富內部資源，簡化了EPS硬件電路系統，降低了電路間的干擾，從而提升了系統可靠性，設計了基于MC9S12DP256的EPS控 制系統硬件電路，并給出了軟件設計流程。本文設計的EPS系統可以編寫多種EPS控制算法，有利于后續深入研究。對于控制性能的優化將在進一步的控制策略 研究和試驗中進行。