浅谈POLO电子液压助力转向系统控制单元

胡瑞忠

(山西省电子工业科学研究所，山西 太原 030006)



浅谈POLO电子液压助力转向系统控制单元

胡瑞忠

(山西省电子工业科学研究所，山西 太原 030006)

摘要：首先介绍了POLO轿车电子液压助力转向系统控制单元的组成及特点，简单叙述了该控制单元的工作原理。该控制单元的主要作用在于控制无刷直流电机的旋转。因此文章随后详细阐述了由该控制单元控制的无刷直流电机的启停、调速、驱动保护以及转速数学模型的选择。

关键词：POLO；电子液压助力转向系统；直流无刷电机

电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到了令人满意的程度。电子控制动力转向系统可以在低速行驶时使转向变轻、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率及稳定的转向手感，从而提高了高速行使的操纵稳定性。

1POLO电子液压助力转向系统简介

电子液压助力转向系统(Electrically Hydraulic Powered Steering，简称EHPS)是一种将传统液压助力转向与电子控制技术相结合的第三代汽车转向系统。由于第二代汽车转向系统(机械液压助力)大幅消耗发动机动力，所以人们在此基础上进行改进，开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。如图1所示，上海大众的老款POLO、奥迪A1、斯柯达菲晶锐等车型上装配有该系统。该系统由一体化的电动泵机组和控制阀(分配阀、扭杆)、转向助力传感器、动力缸、齿轮和齿条等组成。系统中的电动泵机组是由美国天合公司(TRW)设计的。

图1　POLO汽车EHPS配件布置图[1]

电子液压助力转向系统(EHPS)的核心部件电动泵机组主要由以下几部分组成，它们是助力转向控制单元J500、齿轮泵、电动泵、储油罐、限压阀、CAN总线系统等组成。助力转向控制单元J500根据助力转向传感器G250传来的转角信号，兼顾CAN总线上传来的车辆速度信号，进行电动泵的转速控制。这也意味着控制了齿轮泵的流量，从而达到控制助力转向传动装置的目的。这样我们就可以根据车辆方向盘的转向角速度和车辆当前的行驶速度来确定我们当前所需要的转向助力的大小。由于齿轮泵每转一转的排量为1.5 mL不变，所以电动泵的瞬时电机转速和瞬时供油量是成正比的。因此助力转向控制单元J500的最终控制对象是该电动泵的直流无刷外转子电机的转速。该电机的瞬时转速与方向盘的转向角速度和汽车行驶速度之间的数学模型图如图3。

图2　POLO汽车EHPS系统配置图[1]

图3　瞬时供油量特性场(瞬时电机转速)

2EHPS电控单元J500工作原理

图4　POLO汽车EHPS电控单元J500原理框图

2.1电控单元J500电源系统

电控单元J500的电源选用了英飞凌公司的5 V低压降稳压电源TLE4271-2G。该电源输入电压范围0～40 V，瞬时最高电压65 V(≤400 ms)，输出电压容限≤±2%，带有短路保护。该电源还自带电源看门狗电路，看门狗时间可根据两个外接电容的值来进行调整。在规定时间内单片机不喂狗的话，将对单片机产生上电复位信号。

2.2电控单元J500单片机的性能

电控单元J500选用了英飞凌公司的16位单片机SAK-C164CL，该芯片采用单电源供电，4 MHz的外接晶体。该单片机还有如下几个特点：

1) 抗环境干扰，能满足汽车级芯片温度范围的要求，即-40 ℃～+125 ℃。

2) 有较多的I/O口，以实现多种控制功能；快速的计算速度，以满足实时控制要求。

3) 采用标准的通讯接口，以便于诊断功能的实现，同时具有与车辆上其它CPU进行通讯的能力。

2.3直流无刷电机的启停

在车辆的实际使用环境中，电瓶电源30+是常火，一直在供电。当点火信号作用到电源芯片的禁止端时，电源芯片开始输出5 V的Vcc电压，整个电控单元J500开始工作。如果此时单片机的CAN总线接口收到来自车辆发动机的转速信号，并且还能够收到由车辆仪表传来的车速信号(该信号由ABS泵产生)，直流无刷电机就开始旋转，直到达到此时电控单元J500规定的目标转速。电机一旦开始旋转，电源系统将产生自锁信号，即此时已不再需要有点火电压的存在了。如果想要电机停转，就必须通过Can总线来发送发动机的停转信号，这才能使电源的自锁失效，在点火电压没有的情况下断电停机。也就是说，电机一旦开转以后，就不一定受点火钥匙的控制了，而是由电控单元J500自己根据具体的启停逻辑来进行判断。

2.4直流无刷电机的调速

系统启动后，电控单元J500就会给转向传感器G250送电，使其开始工作，随即单片机开始对转向传感器G250发出的转角信号进行采样。如果方向盘不动，转向角信号为零，电机保持一定转速。如果方向盘转动，就会产生转向角信号，电机就开始加速旋转，最高可到3 999 rpm。由于采用外转子电机，该电机的提速响应非常迅速，这会使得驾驶人员感觉转向的随动性能非常好。

另一方面，系统启动后，单片机会对车速信号进行处理。如果车速下降，电机转速会马上提高。但如果车速上升，则电机转速会缓慢降低。这使得驾驶车辆时，转向手感更好，更加安全。

2.5直流无刷电机的驱动和保护

该电机由4个55A的MOSFET管BUK9508-55A驱动。MOSFET管的栅极采用PWM控制，使直流无刷电机的效率更高，转速更好控制。电机的实际转速由两个霍尔传感器TLE4946-2L进行采样获得。两个霍尔传感器的信号经过处理后分别送到单片机的两个捕获端口，由单片机经运算后得到电机的相位和转速，从而控制PWM信号的输出。

由于MOSFET管过流会烧毁，电控单元J500对电机电流采取了严格的过流保护和超温保护措施。在两片电流采样片上产生的微小电压降，经过由LMC622组成的运放电路放大和整形后，送到单片机的两个AD转换端口。由印制线路板上的温度敏感电阻组成了温度采样电路，该信号也送到了单片机的AD转换端口。如果AD端口的值超出了允许范围，电控单元J500就会让电机停转，从而保护系统不被损坏。

2.6瞬时电机转速数学模型的选择

由于POLO车的EHPS系统可以使用到好多款车型上，如奥迪A1、斯柯达晶锐等。这些车型的前轴载荷各不相同，所需的转向助力也就各不相同。电控单元J500设计出了可供选择的多种电机转速的数学模型。这些数学模型的数据全部储存在代码存储器24C04中，在系统安装好后可以用汽车电脑诊断仪来进行这些人模型的选择，也就是助力曲线的选择。通过调整助力曲线，可以改变转向手感。另外，如果EHPS系统在运行过程中有故障，这些故障代码也会存储在24C04中，等待维修人员去用汽车电脑诊断仪来读取，同时仪表上的转向故障报警灯会亮起。

以上几点基本上概括了EHPS电控单元J500的工作原理，希望对致力于汽车转向系统进行研究的人员有所帮助。

参考文献

[1]上海POLO轿车电路图.上海大众维修手册Service.POLO2002[Z].2002.

收稿日期：2015-11-02

作者简介：胡瑞忠(1977- )，男，山西太谷人，工程师，计算机技术与应用专业。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0003- 02

中图分类号：U463.4

文献标识码：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