液压助力转向系统的技术比较成熟，是目前在汽车上应用最为广泛的汽车 助力转向系统。但其存在不少缺点，其一，助力效果固定，无法根据车速的变 化对助力特性进行调整，造成低速时轻便性与高速时稳定型之间的矛盾难以解 决；其二，发动机要一直驱动液压泵运转，以保持系统的油压，导致油耗增加； 其三，系统的液压油泄漏造成污染，废弃液压油难于处理等问题。环境污染的 加重和能源危机的凸显，都使得对环保、节能产品的需求不断增加，而电动助 力转向技术相比液压助力转向技术可以使燃油消耗率下降达到5％到10％，并且没 有液压系统的液压油污染问题，很好的符合了环保节能的要求。除此之外，电 动助力还可以根据不同的车速提供不同的助力水平，兼顾车辆在低速时的轻便 性和高速时的稳定性。
虽然很多汽车公司都对电动助力转向系统进行了大量的研究，并且有一些 产品已经开始在汽车上使用，但是由于技术上的不完善，尤其是控制器功能的 欠缺，导致电动助力转向系统的优点没有得到完全的体现。
主要的问题集中体现在以下几个方面：
在助力电机驱动方式上，当前使用的电动助力转向控制器一般利用独立mos 管搭建H桥，通过脉宽调制信号(PWM)对mos管打开和关闭的时机和时间进 行调整来控制电机的转向和电流大小。这种采用独立的mos管搭建H桥驱动电 机的方案有以下缺点：独立的mos管需要驱动电路，并且驱动高端PNP型mos 管需要升压电路来提供高于电源的电压，导致整个控制电路结构复杂；由于mos 管制造工艺的原因，助力电流比较小，无法提供较大的助力，限制了系统的应 用。
在助力电流闭环控制方式上，当前使用的控制器大部分都采用数字控制器 来完成系统的功能。即微处理器采集扭矩信号和车速信号，通过查取助力特性 曲线图计算出应有的助力电机电流给定，再配合电机电流反馈信号应用数字比 例积分微分控制算法，计算数字控制器输出，得到用于控制电机驱动桥的具有 相应占空比的脉宽调制信号(PWM)。这种数字控制方案的缺点在于：控制器 计算所需的扭矩信号通过A/D采样获得，但是A/D采样的采样精度，采样速度 的限制使得控制器的控制精度比较差；微处理器根据扭矩和车速信号得到电机 电流给定信号需要进行大量的计算，但是一般微处理器的计算速度不够快，使 系统存在滞后明显，反应迟钝，控制效果不理想，恶劣情况下甚至发生振动；
在扭矩输入比较小时，采用电机单极驱动方案的控制器，微处理器内存储 的程序会设定电流给定为0，即存在中央死区，但是由于电机的惯性，冷启动时 过渡不平滑，手感差。以上这些问题都难以解决。

本发明的目的是提出一种可提供更大转向助力，控制电路简单，驾驶手感 更好的电动伺服助力转向控制器。
本发明的电动伺服助力转向控制器，包括比例积分微分控制器，三角波发 生电路，比较器，电机电流检测电路，电机驱动电路，微处理器和电机电流给 定电路；微处理器采集车速信号与发动机转速信号，其一个控制信号输出端通 过SPI总线与电机电流给定电路的一个输入端相连，另一个控制信号输出端与 电机驱动电路输入端相连；电机电流给定电路的外部信号输入端接扭矩传感器 输出的主扭矩信号，电机电流给定电路输出的电压信号接比例积分微分控制器 的同向输入端；比例积分微分控制器的反向输入端与电机电流检测电路的输出 端相连，比例积分微分控制器的输出端与比较器的同向输入端相连，比较器的 反向输入端与三角波发生电路的输出端相连，比较器输出的脉宽调制信号接入 电机驱动电路的控制信号输入端，电机驱动电路的电机电流检测信号输出端与 电机电流检测电路的输入端相连，电机驱动电路过电流故障检测信号输出端， 三角波发生电路产生的三角波信号以及外部输入的故障检测信号分别连接微处 理器的故障检测端。
本发明的优点是：
1.大部分的功能都通过模拟电路来实现，避免了A/D采样精度低和微处理 器运行速度慢对系统性能的不利影响；
2.不需要微处理器根据扭矩信号进行计算，大大提高了控制器的反应速度， 同时又节省了微处理器的内部资源，降低了对微处理器性能的要求，有利于降 低成本，并且可以使微处理器专注于系统故障诊断保护的工作，提高了系统的 可靠性；
3.电机驱动所需的H桥采用专用集成芯片组建，无需驱动电路，控制电路 结构简单，可靠性大大提高，并且可以获得较大的助力电流，拓展了控制器的 适用范围；
4.比例积分微分控制器可以对电机电流进行快速稳定的闭环控制，使电机对 转向轴施加预设的助力转矩，不需要微处理器对闭环控制的过程进行干涉，同 样节省了微处理器的资源，提高了系统的反应速度；
5.电机采用双极驱动的方案，电机启动方式为热启动，降低了电机惯性对手 感的影响，死区过渡平滑，没有明显的手力变化；
附图说明
图1为电动伺服助力转向控制器的构成示意图；
图2为三角波发生电路图；
图3为比较器与比例积分微分控制器电路图；
图4为一种电机驱动电路图；
图5为电机电流检测电路图；
图6为电机电流给定电路图；
图7为微处理器管脚连接图。

下面结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的电动伺服助力转向控制器，包括比例积分微分控制器1， 三角波发生器2，比较器3，电机驱动电路4，电机电流检测电路5，微处理器6 和电机电流给定电路7， 微处理器6采集车速信号A与发动机转速信号B，它的一个控制信号输出端通 过SPI总线与电机电流给定电路7的一个输入端相连，微处理器6的另一个控 制信号输出端与电机驱动电路4输入端相连；电机电流给定电路7的外部信号 输入端接扭矩传感器输出的主扭矩信号C，电机电流给定电路7输出的电压信号 接比例积分微分控制器1的同向输入端；比例积分微分控制器的反向输入端与 电机电流检测电路5的输出端相连，比例积分微分控制器的输出端与比较器3 的同向输入端相连，比较器3的反向输入端与三角波发生电路2的输出端相连， 比较器输出的脉宽调制信号PWM接入电机驱动电路4的控制信号输入端，电机 驱动电路4的电机电流检测信号输出端与电机电流检测电路5的输入端相连， 电机驱动电路4过电流故障检测信号输出端，三角波发生器2产生的三角波信 号以及外部输入的故障检测信号D分别连接微处理器6的故障检测端。
电动伺服助力转向控制器中的三角波发生电路2如图2所示，其包括两个 运算放大器U1，U2和两个逻辑非门U1E和U1F，一个稳压管Z以及外围的电 阻、电容元件。其中运算放大器U1采用芯片LM2903，运算放大器U2采用芯 片AD824，两个逻辑非门U1E和U1F分别采用芯片74HC14。三角波发生电路 的+2.5V基准电压由电机电流检测电路5提供，芯片LM2903的引脚8接+5V 电源，引脚4接地，引脚2与电机电流检测电路5的+2.5V输出端相连，引脚 1通过上拉电阻R1接+5V电源Vcc，并且通过电阻R2接U1F芯片74HC14的 引脚13，U1F芯片74HC14的引脚12与U1E芯片74HC14的引脚11连接，U1E 芯片74HC14的引脚10接电阻R5的一端，电阻R5的另一端分三路，其一路经 电阻R4接芯片LM2903的引脚3，第二路经电阻R6接芯片AD824的引脚13， 第三路经稳压管Z与电机电流检测电路5的+2.5V输出端相连，芯片AD824的 引脚12通过电阻R7与电机电流检测电路5的+2.5V输出端相连，在芯片AD824 的引脚13与引脚14之间接入电容C1，在芯片AD824的引脚14输出三角波。 此电路为自激振荡电路，产生的三角波信号幅度为0.3～4.7V，频率为20.8KHz。
比较器与比例积分微分控制器如图3所示，比例积分微分控制器1由具有 轨对轨特性的运算放大器U3及外围电阻、电容元件组成。运算放大器U3采用 芯片AD824。芯片AD824的引脚5通过电阻R8接电机电流给定电路7输出的 电机电流给定信号Isv，引脚6通过电阻R9接电机电流检测电路5输出的电机 电流反馈信号Ifb，在芯片AD824的引脚6与引脚7之间接入电阻R11的两端 并联电阻R10串联电容C2的电路，比例积分微分控制器的输出电压由芯片 AD824的引脚7输出。
比较器3采用芯片AD824，芯片AD824的引脚10通过电阻R12接比例积 分微分控制器芯片AD824的引脚7，芯片AD824的引脚9通过电阻R13接三角 波发生电路2的输出端Fosc，比较器输出的脉宽调制信号PWM由芯片AD824 的引脚8输出。
电机驱动电路4如图4所示，其包括两个电机驱动芯片BTS7960A和 BTS7960B，三个逻辑非门U1A，U1B和U1C，以及一些外围电阻、电容元件。 用于根据比较器3输出的脉宽调制信号PWM以及微处理器6输出的Run控制 信号驱动电机运转。
三个逻辑非门U1A，U1B，U1C分别采用芯片74HC14，BTS7960A的引脚 1和BTS7960B的引脚1相连并接地，BTS7960A的引脚7和BTS7960B的引脚 7相连并接+12V电源；BTS7960A的引脚3和BTS7960B的引脚3均为使能端， 与U1C芯片74HC14的引脚6相连，U1C芯片74HC14的引脚5接微控制器6 的使能信号Run输出端，U1A芯片74HC14的引脚1接比较器3的脉宽调制信 号PWM输出端，U1A芯片74HC14的引脚2和U1B芯片74HC14的引脚3相 连，U1A芯片74HC14的引脚2接芯片BTS7960A的引脚2作为控制信号输入 端，U1B芯片74HC14的引脚4接BTS7960B的引脚2作为控制信号输入端， 芯片BTS7960A的引脚6接微处理器6的电机过电流故障检测端ISA，芯片 BTS7960B的引脚6接微处理器的电机过电流故障检测端ISB。芯片BTS7960A 的引脚4与芯片BTS7960B的引脚4之间接入取样电阻R18和电机。
电机电流检测电路5如图5所示，其由芯片AD8210，芯片1009D，以及外 围电阻、电容元件组成。芯片AD8210的引脚2和引脚6之间接入电容C11和 电容C12的并联电路，引脚2接地，引脚6接+5V电源，芯片AD8210的引脚 1通过电阻R19接电机驱动电路4中芯片BTS7960A的引脚4，输入取样电阻 R18一端的电压信号I+，芯片AD8210的引脚8通过电阻R20接电机驱动电路 中取样电阻R18与电机的连接点，输入取样电阻R18另一端的电压信号I-，芯 片AD8210的引脚3与引脚7短接后与芯片1009D的引脚6相连，并输出+2.5V 基准电压，芯片AD8210的引脚5为电机电流检测信号的输出端Ifb，与比例积 分微分控制器相连。
电机电流给定电路7如图6所示，其包括两个运算放大器U5、U6，数字电 位器U7，肖特基二极管T，逻辑非门U1D以及外围电阻电容元件。用于根据输 入扭矩信号和微处理器6的SPI总线控制信号输出电机电流给定信号Isv。
运算放大器U5采用芯片AD824，运算放大器U6采用芯片LM2904D，数 字电位器U7采用芯片AD5160，逻辑非门U1D采用芯片74HC14。芯片AD824 的引脚3一路经电阻R22连接扭据传感器输出的主扭矩信号C，另一路经电阻 R23与电机电流检测电路5的+2.5V输出端相连，芯片AD824的引脚1与引脚 2之间接入电阻R27，芯片AD824的引脚2通过电阻R26与芯片LM2904的引 脚1相连，在芯片LM2904的引脚2与引脚1之间接入电阻R25，芯片LM2904 的3脚通过电阻R24与芯片74HC14的引脚8相连，芯片74HC14的引脚9与 微处理器6的参考电压信号输出端相连，芯片AD824的引脚1通过肖特基二极 管T和电阻R28与芯片AD5160的引脚8相连，芯片AD5160的引脚7与电机电 流检测电路5的+2.5V输出端相连，芯片AD5160的引脚4接微处理器6输出 的时钟信号CLK，AD5160的引脚5接微处理器6输出的控制信号SDI，AD5160 的引脚6接微处理器6输出的片选信号CS，芯片AD5160的引脚1输出电机电 流给定信号Isv，接比例积分微分控制器1的输入端Isv。
微处理器选用的是飞思卡尔公司研发的MC9S08AW32芯片(见图7)。引脚 8采集汽车发动机转速信号B，设定只有当发动机转速信号高于500r/min时，电 动助力转向控制器开始工作，引脚11接外部车速脉冲信号输入端，引脚26接 电机驱动电路4中的Run信号输入端，引脚17接电机电流给定电路7中的数字 电位器AD5160的时钟信号CLK的输入端，引脚19接电机电流给定电路7中 的数字电位器AD5160的控制信号SDI的输入端，引脚20接电机电流给定电路 7中的数字电位器AD5160的片选信号CS的输入端，引脚15接电机电流给定电 路7中的参考电压PWM-0输入端，引脚52接外部扭矩信号C输入端。为了提 高系统的可靠性，微处理器6采集了多种信号进行故障检测，包括：引脚35接 电机驱动电路的电机驱动芯片BTS7960A的过电流信号输出端ISA，引脚36接 电机驱动电路的电机驱动芯片BTS7960B的过电流信号输出端ISB，引脚37采 集系统+12V电源信号，引脚54采集系统+5V电源信号，引脚46采集扭据传 感器输出的绝对转角信号S3，引脚47采集扭据传感器输出的副转角信号S2， 引脚50采集扭据传感器输出的主转角信号，引脚51采集扭据传感器输出的副 扭矩信号Ts。
微处理器选用的是飞思卡尔公司研发的MC9S08AW32芯片。引脚8采集汽 车发动机的转速信号B，设定只有当发动机转速信号高于500r/min时，电动助 力转向控制器开始工作，引脚11接外部车速脉冲信号A输入端，引脚26接电 机驱动电路4中的Run信号输入端，引脚17接电机电流给定电路7中的数字电 位器AD5160的时钟信号CLK的输入端，引脚19接电机电流给定电路7中的 数字电位器AD5160的控制信号SDI的输入端，引脚20接电机电流给定电路7 中的数字电位器AD5160的片选信号CS的输入端，引脚15接电机电流给定电 路7中的参考电压PWM-0输入端，引脚52接外部扭矩信号C输入端。为了提 高系统的可靠性，微处理器6采集了多种信号进行故障检测，包括：引脚35接 电机驱动电路的电机驱动芯片BTS7960A的电机电流故障检测端ISA，引脚36 接电机驱动电路的电机驱动芯片BTS7960B的电机电流故障检测端ISB，引脚 37采集系统+12V电源信号，引脚54采集系统+5V电源信号，引脚46采集扭 据传感器输出的绝对转角信号S3，引脚47采集扭据传感器输出的副转角信号 S2，引脚50采集扭据传感器输出的主转角信号，引脚51采集扭据传感器输出 的副扭矩信号Ts。
工作原理
本发明电动助力转向控制器的工作原理如下：
来自扭矩传感器的主扭矩信号经过滤波电路处理以后输入电机电流给定电 路。电机电流给定电路设计完成以后，输入扭矩信号电压的高低决定了电机电 流给定电路中数字电位器的输出端电压，即实现了电机电流给定电压信号Isv随 着输入扭矩信号的变化而变化。
微处理器采集车速信号A，根据微处理器中存储的程序查取出与车速信号相 对应的电机电流给定电路中数字电位器的阻值。微处理器通过SPI总线输出控 制信号，控制数字电位器的阻值。由于电路中存在分压作用，因此数字电位器 阻值的变化可以影响电机电流给定信号输出端Isv的电压高低，即微处理器实现 了根据车速对助力转向控制器助力特性的修正。
存在输入扭矩信号C时，电机中有助力电流流过，串联在电机回路中的取 样电阻R18两端的压降与电机电流成正比，电机电流检测电路5对取样电阻两 端的压降进行实时的测量，经过电机电流检测电路5中的芯片AD8210整形放 大以后即可输出与电机电流给定信号匹配，并与电机实际电流成比例的电机电 流反馈电压信号Ifb。
电机电流给定信号Isv与电机电流反馈信号Ifb都输入到比例积分微分控制 器1中，比例积分微分控制器1根据给定与反馈信号之间的差值对电机电压信 号进行调节，得到相应的输出电平。
三角波发生电路2输出的三角波信号与比例积分微分控制器1输出的信号 分别输入到比较器3的反向端和同相端，将输入的两个信号的电压高低进行比 较以后，即可在比较器3的输出端得到具有一定占空比的脉宽调制信号PWM。 由于电路确定以后三角波就是固定的信号，而比例积分微分控制器1输出的电 压信号是随着电机电流给定和反馈信号之间的差值不断变化的，因此就在比较 器3的输出端得到了具有一定占空比，代表电机电压高低的脉宽调制信号PWM。 脉宽调制信号PWM输入电机驱动电路4中电机驱动芯片的控制端，占空比的大 小决定了电机电枢平均电压的高低，从而决定了电机电流的大小。由于三角波 是确定的，比例积分微分调节电路输出的电平高低就决定了比较器3输出端脉 宽调制信号PWM的占空比的高低。
在比较器3输出没有扭矩输入，即输入扭矩信号为0时，电机电流给定电 路7输出的电机电流给定信号Isv与电机电流检测电路5输出的电机电流反馈信 号均为+2.5V，因此比例积分微分控制器输出的电平也是+2.5V，如此便可以 在比较器输出端得到占空比为50％的脉宽调制信号PWM。即不需要电机进行助 力时输送给电机的控制信号为占空比为50％的脉宽调制信号PWM，这种电机驱 动方式即为双极驱动，电机始终处于转动的临界状态，需要电机助力时电机的 启动方式为热启动，从而保证了本发明的电动助力转向控制器具有更好的手感。
微处理器6输出的控制信号Run经过逻辑非门芯片取反后输入到电机驱动 电路4中两片电机驱动芯片的使能端，当Run信号为高电平时，输入到两片电 机驱动芯片使能端的均为低电平，芯片不工作，为低电平时芯片处于工作状态。 比较器输出的脉宽调制信号PWM输入电机驱动电路4中，经过处理后使得输入 两片电机驱动芯片的控制信号输入端得到恰好相反的控制信号，根据电机驱动 芯片的特性，可以使电机中流过两个方向的电流，即提供两个方向的助力。采 用电机驱动芯片BTS7960来驱动电机，在驱动芯片上消耗的电压比较低，相应 的就使得电机上的压降较大，因此可以获得比较大的助力电流。
为了提高系统的可靠性，微处理器6采集了多种信号进行故障检测，包括： 电机驱动电路的电机驱动芯片BTS7960A的过电流信号输出端ISA，电机驱动电 路的电机驱动芯片BTS7960B的过电流信号输出端ISB；系统+12V电源信号， 低于8V时电动助力转向控制器停止工作；系统+5V电源信号，低于4.8V时电 动助力转向控制器停止工作；扭据传感器输出的绝对转角信号S3，扭据传感器 输出的副转角信号S2，扭据传感器输出的主转角信号，扭据传感器输出的副扭 矩信号Ts，，当这些信号不符合扭据传感器特性时，电动助力转向控制器停止工 作。当以上信号的A/D采样值超出程序中所设定的范围时，微处理器通过Run 信号关闭两片电机驱动芯片BTS7960A和BTS7960B，使电动助力转向控制器停 止工作，以保证安全。