核心提示：　　電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案的研究羅石，商高高（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案：上、下管均采用N溝道MOS管，

　　電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案的研究羅石，商高高（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案：上、下管均采用N溝道MOS管，上管常通或常閉，下管由PWM邏輯電平控制。該方案應(yīng)用于筆者所開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，試驗(yàn)表明，切實(shí)可行，可靠性高，能夠滿足要求。

　　近年來，隨著電子技術(shù)和控制理論研究的深入，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）得到了飛速的發(fā)展。它不但改善了汽車轉(zhuǎn)向的力控制特性，而且有效地降低了駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)荷。

　　整個(gè)EPS系統(tǒng)由減速機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)以及控制器等部分組成，電動(dòng)機(jī)根據(jù)控制器的指令輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向器上，實(shí)現(xiàn)助力的功能。其中控制電路是控制軟件的硬件基礎(chǔ)，直接影響控制器的性能和可靠性，因此，對(duì)控制器硬件電路設(shè)計(jì)方案的研究具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1設(shè)計(jì)方案分析1.1EPS系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作要求在行駛過程中，駕駛員根據(jù)實(shí)際道路情況不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，調(diào)整行駛方向，因此，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要能夠?qū)崿F(xiàn)雙向運(yùn)行。汽車是以蓄電池為其電源，考慮到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的隨動(dòng)性和反應(yīng)的快速性，這樣就決定了選用有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)（或無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)）作為其助力源，對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的要求是能夠以高精度，快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩K5. 1.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案分析在助力轉(zhuǎn)向器的控制中常用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路l6*7. H橋電路中的四個(gè)大功率MOS管可以分別采用N溝道型和P溝道型MOS管，而P溝道MOS管一般不用于下管驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就有兩種可行的方案：一種是采用所示的電路，上、下管分別用兩基金項(xiàng)目：江蘇省六大人才高峰基金資助項(xiàng)目（E-2002-12）個(gè)P溝道和兩個(gè)N溝道的大功率管，圖中Vdd為供電上管導(dǎo)通時(shí)，Ugs在1015V之間，也就是控制極電電源；另一種上、下管均用N溝道MOS管（見）。壓要隨柵極電壓的變化而變化，即浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)。相對(duì)來說，利用兩個(gè)N溝道和兩個(gè)P溝道的大功率MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，控制電路簡單、成本低；但由于加工工藝的原因，P溝道MOS管的性能要比N溝道的差；該方案驅(qū)動(dòng)電流較小，多運(yùn)用于功率較小的驅(qū)動(dòng)電路中l(wèi)8，9.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，工作狀態(tài)變化頻繁，要求控制電路具有較好的性能和較高的使用壽命。一方面，N溝道的MOS管載流子的遷移率較高，頻率響應(yīng)較好，跨導(dǎo)較大；另一方面，N溝道的MOS管增大了導(dǎo)通電流、減小了導(dǎo)通電阻、降低了成本，減小了面積l9*10.綜合考慮功率要求、可靠性要求，以及N溝道的MOS管的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采用了使用4個(gè)相同的N溝道型MOS管的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性。

　　在4個(gè)N溝道型MOS管的H橋電路中，要控制各個(gè)MOS管，必須在各管的門極提供足夠的高于柵極電壓的電壓。通常要使管子完全可靠地導(dǎo)通，其電壓一般在10V以上，即Ugs> 10V.對(duì)于H橋下管，直接施加10V以上的電壓即可使其導(dǎo)通；而對(duì)于上面的兩個(gè)管子，要使Ugs> 10V，就必須要使Ug> Vdd+10V，即驅(qū)動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)升壓電路，提供高于1.3采用浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路國際上各大芯片制造商都推出了各自的浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)的PWM驅(qū)動(dòng)芯片。文中采用了IR公司的IR2103芯片，驅(qū)動(dòng)電路原理如所示，其中高端驅(qū)動(dòng)的輸入為PWM波，該P(yáng)WM波作為控制高端PWM的信號(hào)源，作為IR2103內(nèi)部自舉電路的激勵(lì)源，產(chǎn)生高端驅(qū)動(dòng)所需的高電壓。低端驅(qū)動(dòng)直接用邏輯電平控制，使低端MOS管工作時(shí)處于常開或常閉狀態(tài)。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，器件較少。

　　這種電路的內(nèi)部升壓電路是利用輸入PWM控制信號(hào)作為升壓泵的振蕩源，在實(shí)際使用中，當(dāng)PWM波占空比較高時(shí)，其內(nèi)部電路無法正常工作，使得輸出的控制電壓下降，即Ugs電壓下降，管子無法完全導(dǎo)通，內(nèi)阻增加，造成MOS管溫升過高，同時(shí)還使得驅(qū)動(dòng)電流下降，影響PWM波的工作范圍，惡化助力轉(zhuǎn)向器的工作性能，使助力不足。

　　造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于PWM波既作為控制信號(hào)，又作為升壓泵的振蕩源。

　　1.4帶多諧振蕩器驅(qū)動(dòng)電路為使電路提高工作范圍，增加一多諧振蕩器作為升壓泵的振蕩源，如所示。

　　當(dāng)PWM波占空比較大時(shí)，該振蕩器給升壓電路充電。這樣就克服了大占空比時(shí)PWM波既作為控制信號(hào)又作為升壓泵的振蕩源所帶來的問題，采用該方案后基本上達(dá)到了要求。該電路實(shí)際上是在原來的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)充電泵電路，較大占空比時(shí)，主要是充電泵電路在工作，這樣大大擴(kuò)展了PWM的工作范圍。

　　從應(yīng)用的角度來看，的方案尚有缺陷。

　　首先，該電路的元器件較多，不利于制版，電路板體積較大；其次，該電路成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

　　1.5直接利用充電泵控制高端的驅(qū)動(dòng)電路通過上述分析，可以看出，要實(shí)現(xiàn)較大范圍的PWM控制，一個(gè)充電泵是不可缺少的，而如果有充電泵電路，則高端就具備了完全導(dǎo)通的必要條件，那么是否能夠直接用充電泵電路來驅(qū)動(dòng)H橋的高端呢，為此，在電路上作了改動(dòng)，去掉了浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)芯片，直接由PWM波控制高端MOS管的開關(guān)，如所示。電荷泵由振蕩器、兩個(gè)二極管和電容構(gòu)成，振蕩器產(chǎn)生12V的方波，方波通過電容C1疊加在A點(diǎn)；方波低電平時(shí)D1導(dǎo)通，D2截止，A點(diǎn)電壓為Vdd；方波正半周時(shí)，A點(diǎn)電壓等于Vdd+12V，D2導(dǎo)通，D1截止，通過D2向電容C2充電，直到C2兩端電壓達(dá)到Vdd+12V，考慮到二極管的壓降為0.7V，實(shí)際電容兩端電壓達(dá)到Vdd+10.6V左右，電容C2的大小決定了該電荷泵的驅(qū)動(dòng)能力，C2越大，輸出電流越大，但是在初始狀態(tài)下，其充電時(shí)間也越長。

　　實(shí)際使用中，該電路會(huì)使高端MOS管過熱，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這種電路的上管開啟速度較慢，工作頻率低，高頻時(shí)會(huì)發(fā)生上管不完全導(dǎo)通，輸出功率下降，管子功耗增加等現(xiàn)象。助力電機(jī)的PWM工作頻率在15kHz以上，該電路顯然不實(shí)用。

　　2EPS驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)最終方案的驅(qū)動(dòng)電路，PWM波的控制無論是直接施加在高端還是直接施加低端，都能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的控制電壓，因此可以考慮采用如下方案：電機(jī)工作時(shí)，上管處于常開或常閉狀態(tài)，而用PWM邏輯電平控制下管，控制電路如所示。

　　該方案中，高端MOS管只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開關(guān)切換，而電機(jī)的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號(hào)電平切換較快，所以可以滿足要求；而且，該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于上管開啟較慢，而下管關(guān)斷較快，所以，在實(shí)際控制時(shí)，換向不會(huì)出現(xiàn)上下管瞬間同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，減小了換向時(shí)的電流沖擊，提高了MOS管的壽命。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，H橋兩邊可以用同一個(gè)振蕩器作為充電泵激勵(lì)源。

　　3試驗(yàn)結(jié)果采用上述方案設(shè)計(jì)的電路，已應(yīng)用于實(shí)際開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器中，并且經(jīng)過了臺(tái)架試驗(yàn)和裝車后幾千公里的道路試驗(yàn)。

　　堵轉(zhuǎn)時(shí)助力特性試驗(yàn)曲線4結(jié)論綜上所述，EPS驅(qū)動(dòng)電路宜采用上、下管均為N溝道型MOS管，上管處于常開或常閉的狀態(tài)，高端MOS管只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開關(guān)切換，下管由PWM邏輯電平控制，H橋兩邊用同一個(gè)振蕩器作為充電泵激勵(lì)源。該方案的電路成本低廉，器件少，電路簡單可靠。