TD340芯片在汽车电动助力转向系统中的应用
2009-06-25
作者：宋海峰1，张国印2
摘 要： 汽车电动转向助力系统的基本结构及原理、用于汽车电动助力转向电机控制的H桥，设计了一种基于TD340芯片的汽车转向助力电动电机驱动电路，并将该驱动电路应用于吉利某车型的电动助力转向系统中。实验表明，该电路具有驱动能力大、体积小、性能稳定等特点，可广泛用于汽车电动助力转向系统中。
关键词： TD340；电动助力转向系统；驱动电路
汽车电动助力转向系统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、装置灵活及在任何工况下都能提供转向助力的特点[1]。EPS最为突出的优点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[2]。
1 EPS系统基本结构及工作原理
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[3]。传感器将采集到的信号经过相应处理后输入到控制器，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，扭矩传感器根据输入转向力矩的大小，产生相应的电压信号，由此EPS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。
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特殊地位，具有低电压、大电流、大功率等特点。目前大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制H桥实现PWM脉宽调制，因此体积较大。另一方面，由于分立器件各个元件的特性不同，使得驱动器的特性具有一定的离散性；此外，由于功率管的开关电阻比较大，因此功耗也很大，这就需要加大功率散热片，这无疑进一步加大了驱动器的体积。随着半导体技术的迅猛发展，基于大功率MOS管的H桥驱动芯片逐渐显现出其不可替代的优势。但目前能提供较大电流输出的集成驱动芯片不是很多。意法半导体公司(ST)推出的全桥驱动芯片TD340是专用的电机驱动芯片，用作大功率直流电机控制器，它由一个双单片上桥臂驱动器(HSD)和两个下桥臂开关组成，芯片峰值输出电流达30 A，工作电压高达40 V。芯片内部集成了全面的保护电路，如欠压、过压、接地损耗、正电源损耗等，完全满足汽车电路助力转向电机的电气参数要求。
2 H桥式汽车电动助力转向电机驱动原理
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[4]，由4个MOSFET功率放大管组成，MOSFET功率放大管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫兹的开关状态下。其工作原理如下：
H桥式电机驱动电路包括4个MOSFET功率放大管和一个电机[5]。要使电机运转，必须导通对角线上的一对MOSFET管。根据不同MOSFET管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
如图2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图3所示为另一对MOSFET三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
本系统采用4个International Rectifier生产的IRF3205型MOSFET功率放大管组成H桥路的四个臂。IRF3205具有8 mΩ导通电阻，耐压55 V，最大直流电流110 A，满足EPS系统对MOSFET功率放大管低压(正常工作不超过15 V)大电流(额定电流30 A)的要求。同时，较低的导通电阻对于减小开关条件工作下MOSFET功率放大管的功耗也十分有效。
3 TD340控制芯片在汽车电动助力转向电机驱动电路中的应用
3.1 TD340的引脚功能定义[6]
TD340采用双列贴片式封装的引脚分布如图4所示，各引脚的功能如下：
L1、L2：低边门极驱动；
H1、H2；高边门极驱动；
STBY：待机模式；
WD：看门狗信号输入；
CWB：设置看门狗电容端；
VOUT：用于微处理器的5V电压；
CF：设置PWM频率的外部电容接入端；
IN1；模拟或数字信号输入端；
IN2：电机旋转方向控制端；
VBATT、GND：电源正端和地端。
3.2 PWM信号调节方式
PWM信号是TD340最重要的控制信号，其最大工作频率为25 kHz。PWM信号通过控制H桥上功率管的导通时间，实现对输出负载平均电压的调节。PWM信号的一个低电平状态将会关闭两个下桥臂开关，而当PWM输入端由低电平变为高电平时，下桥臂导通与否取决于输入信号IN1，只有输入信号从低电平变为高电平时，下桥臂L1和L2才能重新导通。
3.3 汽车电动助力电机转向控制信号和刹车信号
IN2为电机转向控制信号，控制电机的转向和刹车；当IN2为高电平时电机将正转，当IN2为低电平时电机将反转；当IN1处于低电平连续200 ?滋s以上时，系统将处于刹车模式，此时不论IN2为何种电平，电机将停止转动。
3.4 汽车电动助力转向电机驱动器电路设计
本文所设计的汽车电动助力转向电机调速系统框图如图5所示。该系统由方向盘扭矩传感器输入信号、微控制器、TD340和H桥电路、直流电机和汽车转向柱组成。其中TD340用于构成PWM发生器，功率放大电路是由4个MOSFET管组成的H桥电路。
本系统中直流电机PWM调速系统的电路原理如图6，图中的MOSFET管采用IRFP3250，当加上一个足够的门信号电压时，功率MOSFET的通路电阻小于常规二极管，而在没有门信号电压的情况下，它具有常规二极管的反向特性。IN2用于控制直流电机M的正反转。IN2为高电平时，电机正转；IN2为低电平时，电机反转。IN1输出可调PWM信号，同时给MOSFET的门极施加开关驱动信号并通过调节占空比的大小来调节直流电机M的转速。电阻R1～R4用于控制MOS门的升降时间，也有利于避免门电压的振荡，门电压的振荡通常是与门电容处连接线的平行电感所引起的。R1～R4的值通常为10 Ω～100 Ω。电容C6用于存储能量并对通过电桥电压进行滤波。在电压上升和下降期间，为了保证系统的可靠性，可在两个低端MOS管的门极各接一个下拉电阻以确保电桥保持关断，但高端MOS管不能接下拉电阻，因为电荷泵不能为其提供必要的电流。
用TD340芯片构成的汽车电动助力转向系统在吉利某车型上得到测试，测试结果表明具有如下特性：
(1)输出电流大、驱动能力强、体积小。本实验中，其输出连续电流8 A，最大输出连续工作电流可达30 A；
(2)电流调节范围宽，占空比调节灵活，可在0 %～100 %之间任意调节；
(3)电机运行平稳，调速性能好。
本文介绍的由TD340和Ｈ桥构成的汽车电动助力转向直流电机调速系统具有元件需求少、所占空间小、装配成本低、能耗小等优点。实践证明，此电路可靠性高、控制方便，具有较高的实用价值。
参考文献
[1] 郝金魁，张超风.电动助力转向系统电机驱动电路的设计[J].汽车技术，2006(5).
[2] 林逸，施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技，2001(6).
[3] 李伟光.汽车电动助力转向系统的硬件设计[J].华南理工大学学报，2006，34(2).
[4] 罗石，商高高.电控助力转向系统电机驱动电路设计方案的研究[J].江苏大学学报，2004，25(6).
[5] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，1994.
[6] ST公司.TD340 Datasheet[Z].http：//www.st.com.2004，1-26