基于单片机的EPS驱动电路设计

1 EPS系统基本结构及工作原理

电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动机直接提供转向助力，具有调整简单、装置灵活以及无论在何种工况下都能提供转向助力的特点。EPS最为突出的是该系统可在不更换系统硬件的情况下，通过改变控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，使汽车能在不同车速下获得不同的助力特性，以满足不同工况下驾驶员对路感的要求。

电动助力转向系统（EPS）主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作，系统结构如图1所示。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号，由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。

2 EPS控制系统硬件电路设计

2.1 微控制器的选择

MOTOROLA公司的MC9S12系列单片机是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工艺的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根据当前汽车的要求设计出来的一个系列。它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。设计方案采用MC9S12DP256单片机，其主频高达25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI，3个同步串行通信口SPI，8通道输人捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/0口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.OA/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块；片内拥有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，资源十分丰富。

2.2 硬件电路总体框架

电动助力转向系统的硬件电路主要包括以下模块：MC9S12DP256微控制器、电源电路、信号处理电路、直流电机功率驱动模块、故障诊断模块与显示模块、车速传感器、扭矩传感器、发动机点火信号、电流及电流传感器等接人处理电路，另外还有电磁离合器等，EPS系统的硬件逻辑框架如图2所示。

　　2.3 电机控制电路设计

直流电动机是EPS系统的执行元件，电机的控制电路在系统设计中有着特殊的地位。在本系统中采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制，由4个功率MOSFET组成，如图3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个International Reetifier公司生产的IRF3205型MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。IRF3205具有8 mΩ导通电阻、功耗小、耐压达55V、最大直流电流110A、满足EPS系统对MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30 A）的要求。

2.3.1 H桥上侧桥臂MOSFET功率管驱动电路设计

上侧桥臂的MOSFET功率管驱动电路如图4所示，其中Qa/Qb为上侧桥臂的功率MOSFET a管或b管，vdble为倍压电源电路提供的电源电压。当MOSFET的控制信号a（b）为高电平时，Q1和Q2导通，电源通过Q2，D1以及R5与C1的并联电路向Qa充电，直至Qa完全导通，Q3截止。当Qa导通时，忽略Qa的漏极和源极之间的电压降，则Qa的源极电压等于蓄电池电源电压。此时，Qa的栅-源极电压降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE为2N2907的集一射极饱和导通电压，其典型值为0.4V，VF为D1的正向导通压降，其典型值为0.34V，Vbat为蓄电池电压。为保证器件可靠导通，降低器件的直流导通损耗，VGS不低于l0V。因此需设计高效的倍压电源电路，以保证Vdble的值足够大，满足功率MOSFET的驱动要求。如果蓄电池电压为12V时，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。

当MOSFET的控制信号a（b）管为低电平时，Q1和Q2均截止，Q3导通，Qa的栅-源极电压通过R5与C1的并联电路及Q3迅速释放，直至Qa关断。Qa关断时，连接其栅-源之间的电阻R6使其栅-源电压为零。IRF3205的导通门限电压为2～4V，OV的栅-源极电压能够使其关断。

2.3.2 下侧桥臂的功率MOSFET管驱动电路

下侧桥臂的功率MOSFET驱动电路如图5所示，其中Qc/Qd为下侧桥臂的功率MOSFET的c管或d管。当MOSFET的控制信号c（d）为高电平时，Q1导通，Q2截止，Q1的栅极电压通过R3与C1组成的并联电路、D１及Q1迅速释放，Qc/Qd关断。

当MOSFET的控制信号c（d）低电平时， Q1截止，Q2导通，电源通过Q2以及R3与C，组成的并联电路对Qc