影响汽车行驶稳定性以及安全性的重要组成部分是转向系统，早期汽车转向系统并无助力乃是纯机械转向系统，转向动力完全靠驾驶员提供，驾驶体验欠佳，从上世纪30年代往后，助力转向系统渐渐应运而生。现在，汽车助力转向存在着三种主要形式，即液压助力转向系统，也就是Hydraulic Power Steering，简称HPS，还有电控式液压助力转向系统，即Electric Hydraulic Power Steeing，简称为EHPS，另外还有电动助力转向系统，也就是Electric Power Steering System，简称为EPS。相对于前两种而言，EPS是由电机供给辅助力矩的，它不存在油系统，这在很大程度上削减了汽车转向系统的复杂程度，并且在燃油效率、模块化、助力效果以及环境友好性等各类方面具备显著的优势。依据EPS助力电机在齿轮以及转向柱总成上位置的差异，EPS系统被划分成了转向柱助力式、齿条助力式、小齿轮助力式以及双小齿轮助力式这4种类型。小齿轮和转向柱助力式被应用于轻型车辆，双小齿轮助力式被应用于重型车辆。文中针对小型轿车，以美国Freescale公司的16位单片机MC9S12DP256为核心开展了EPS控制器的设计，它们在构成上皆具备3个基本部件，分别是电控单元(Electrie Control Unit，ECU)、助力电机以及安装在转向柱上的扭矩传感器。
1 电动助力转向系统结构和工作原理
如图1所示的电动助力转向系统结构，其主要构建部分包含方向盘，还有扭矩传感器，以及电子控制单元，也就是ECU，另外还有电机，电磁离合器，减速机构，齿轮齿条转向器。汽车发动机点火后，转动方向盘时，扭传感器装在转向轴上 ，测得转向力矩后传送至ECU，ECU依据转矩与车速情况 ，借助预先设好的助力特性曲线及控制策略 ，算出电机所需最佳电流 ，进而控制电机输出力矩与转动方向 ，经减速机构施加于转向机构 ，最终获与行驶工况适配的转向作用力 ，辅助驾驶员转向。
2 控制策略
2.1 EPS模型建立
根据牛顿定律，可建立转向系统数学模型。
其中，Th是方向盘输入转矩，Js是转向柱、盘总成转动惯量，Bs是输入轴阻尼系数，Ks是力矩传感器刚度系数，Tm是电机输出力矩，Km是助力电机和减速机构的刚度系数，Jm是助力电机转动惯量，Bm是助力电机阻尼系数，M是齿条质量，Br是齿条和转向轮粘性阻尼系数，Kr是齿条当量刚度，G是助力机构传动比，rp是小齿轮半径，θs是方向盘转角，θm是电机转角，xr是齿条位移，Fr是转向阻力。
2.2 助力特性曲线设计
EPS助力特性，描述的是驾驶员输入转矩与电机助力力矩也就是助力电流之间的关联，汽车行驶时，转向阻力会因车速增加而降低，为获取汽车低速行驶转向轻便及高速行驶稳定特性，在相同行驶状况下，电机助力力矩会随车速升高而减小，且当车速超出一定范围，电机便不进行助力，常见助力特性曲线有三种，分别是直线型、折线型以及曲线型，直线型助力特性曲线形式简单，在实际当中易于调节与实现。所以，在文中针对控制器设计采用的是直线型助力特性，而直线型助力特性能够呈现为如下这般的函数关系：
其中，Th是电机目标力矩，f(v)是车速感应系数，Tmax是电机最大助力力矩，Td0是开始助力时驾驶员输入最小力矩，Tdmax是电机提供最大助力时驾驶员输入力矩。
确立助力特性参数：Td0为1 Nm，Tdmax是7.6Nm，Thmax为21Nm。车速感应系数依据表1所示规则来确定，最终要在实车测试之后予以修正，当车速超过80 km/h时，电机不开展助力。
根据上述参数，助力特性曲线设计如图2所示。
电机目标电流可以由式(8)获得：
式中，ki为电机转矩系数，G为电机减速机构传动比。
2.3 控制算法
EPS系统控制，是针对电机电流大小的控制，也是对其方向的控制。其控制算法优劣，直接对转向系统性能产生影响。本文采用的是，目前在工业控制领域广泛应用的PID控制算法。PID控制具备稳定性高的特点，有着可靠性高的特性，实时性很强。并且其控制与调试方法简单，易于实现，适用于汽车电动助力转向系统的控制。所以，PID控制是现阶段EPS控制系统主要的控制策略。
PID控制的表达式可表示为：
其当中，助力电机电流目标值是r(t)，控制系统实际输出值是y(t)，PID控制器的输出信号为u(t)，积分时间常数是Ti，微分时间常数是Td。EPS控制系统的核心，乃是采用数字信号的单片机。所以，要对式(10)开展如此这般的处理：
鉴于要将计算量予以减小，并且还得把转向系统的实时性予以提升，所以此设计采用的是增量式PID控制法，把控制量的增量u当作控制器的输出，其实现的方法是这样的：
设定这样一种情况，助力电机有着目标电流，这个目标电流被设定为i ，而实际当下的助力电流是io ，所以由此得出，控制偏差呈现为：
ek=i-io (12)
u=u(k)-u(k-1) (13)
单片机能够，根据当前车速 ，以及输入转矩 ，还有助力特性曲线 ，计算得出助力电机目标电流，随后依据式(11) 、(12) 、(13) ，能获取对应的PWM增量u。
PID参数可以由试凑发初步得到，然后根据试验结果进行修正。
3 硬件设计
3.1 总体设计
单片机属于控制器予以掌控的关乎核心用途的关键部分，针对它的选型操作，得把适用性、可靠性、片内所具备的资源、价格等诸多不同程度的因素纳入考量范畴。单片机的选型正确与否，会直接对机构控制系统所具备的性能以及设计的难易程度产生影响作用。在此次设计过程当中，选用了Freescale公司推出的16位高精度的MC9S12DP256单片机。MC9S12DP256内部设置了5个CAN模块，还有2个8通道10位A/D转换模块以及8个PWM通道，其总线速度为25 MHz，采用5 V供电方式，并通过112脚LQFP进行封装。这款单片机，它内部具备丰富的资源，能够极大程度地简化控制系统的硬件电路，它有着很高的可靠性，极其适用于EPS控制。在设计期间，那些没有被使用到的管脚，被引到了电路板之上，以此便于后续的开发。
如图3所示为硬件设计，车速信号经处理后送给MC9S12DP256单片机，发动机信号经处理后送给MC9S12DP256单片机，转矩信号经处理后送给MC9S12DP256单片机，经单片机计算后得到电机助力电流值，经驱动电路后作用于助力电机，控制电机输出力矩的大小，控制电机输出力矩的方向，同时对电机电流进行采样，并送回单片机，形成闭环控制。在助力控制基础上，设计了电机保护电路，设计了故障诊断与提示电路。一旦检测到故障存在，立即断开离合器，改用纯手动转向，发出故障信号，从而保证了行车安全。
3.2 控制系统硬件电路设计
硬件电路设计主要涵盖电源转换电路，扭矩信号处理电路，车速信号处理电路，CAN通信电路，时钟电路，具体设计如下：
因为单片机工作的时候，其管脚电压是由+5V供电的，然而车载电源电压却是+12V，所以，得把+12V电压予以转换，使之变为+5V，在本设计当中，采用的是7805电压转换芯片来进行电压的变换。
被扭转传感器获取的那些微弱的小信号用于扭矩信号处理，这种信号容易受到干扰，所以要对其开展滤波处理。本设计运用型滤波电路，R12选取大电阻，以此提升输入阻抗。
车速处理电路的车速信号，是呈+12 V单极性的方波，其电压过高，没办法直接用于单片机，得把它变换成+5 V以内的方波。借助LM358来对它进行处理，经过转换后，得到了高电平为3.72 V，低电平为0.01V的方波信号。
一种CAN总线驱动电路，其为处于MC9S12DP256内部所集成的CAN总线控制器，该CAN驱动电路仅仅需要物理层驱动便可。而此设计选用了82C250芯片来开展设计。
单片机工作的基础是时钟电路时钟，MC9S12DP256 单片机内部集成了压控振荡器，该压控振荡器呢，能在其 43、44 引脚接上锁相环电路，还能在 46、47 引脚接上 16MHz 的晶振电路，进而组成 MC9S12DP256 时钟电路，最终提供 25MHz 的时钟信号。
具体电路设计如图4所示。
4 系统软件设计
EPS控制软件运用模块化设计，涵盖系统初始化，信号采集，控制状态判，控制模式判断，PWM占空比计算，系统状态监控与保护，电流闭环模块，通信模块等。EPS控制系统要同时执行多个任务，为确保系统实时性与可靠性，采用中断服务方式，把整个软件部分划分为主程序和中断服务子程序。主程序设计流程如图5所示。
5 结束语
在文中，针对汽车电动助力转向系统的工作原理展开了分析，设计出了直线型助力特性曲线，构建了增量式闭环PID控制策略，达成了芯片计算量的减小、系统助力跟随性的增强。借助MC9S12DP256单片机所具备的丰富内部资源，实现了EPS硬件电路系统的简化，降低了电路间的干扰，进而提升了系统可靠性，完成了基于MC9S12DP256的EPS控制系统硬件电路设计，还给出了软件设计流程。本文所设计的EPS系统，能够编写多种EPS控制算法，这对后续深入研究很有益处。而对于控制性能的优化，会在进一步的控制策略研究以及试验当中去开展。
关键词： EPS PID
