摘 要： 汽車電動轉向助力系統的基本結構及原理、用于汽車電動助力轉向電機控制的H橋，設計了一種基于TD340芯片的汽車轉向助力電動電機驅動電路，并將該驅動電路應用于吉利某車型的電動助力轉向系統中。實驗表明，該電路具有驅動能力大、體積小、性能穩定等特點，可廣泛用于汽車電動助力轉向系統中。
關鍵詞： TD340；電動助力轉向系統；驅動電路
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汽車電動助力轉向系統EPS(Electric Power Steering)是未來轉向系統的發展方向。該系統由電動機直接提供轉向助力，具有調整簡單、裝置靈活及在任何工況下都能提供轉向助力的特點[1]。EPS最為突出的優點是該系統可在不更換系統硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設計，十分方便地調節系統的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同工況下駕駛員對路感的要求[2]。
1 EPS系統基本結構及工作原理
電動助力轉向系統（EPS）主要包括傳感器、控制器和執行器三大部件[3]。傳感器將采集到的信號經過相應處理后輸入到控制器，控制器運行內部控制算法，向執行器發出指令，控制執行器的動作，系統結構如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時，扭矩傳感器根據輸入轉向力矩的大小，產生相應的電壓信號，由此EPS就可以檢測出操縱力的大小，同時，根據車速傳感器產生的脈沖信號又可測出車速，再控制電動機的電流，形成適當的轉向助力。
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直流電動機是EPS系統的執行元件，電機的控制電路在系統設計中有特殊地位，具有低電壓、大電流、大功率等特點。目前大電流直流電機多采用達林頓管或MOS管搭制H橋實現PWM脈寬調制，因此體積較大。另一方面，由于分立器件各個元件的特性不同，使得驅動器的特性具有一定的離散性；此外，由于功率管的開關電阻比較大，因此功耗也很大，這就需要加大功率散熱片，這無疑進一步加大了驅動器的體積。隨著半導體技術的迅猛發展，基于大功率MOS管的H橋驅動芯片逐漸顯現出其不可替代的優勢。但目前能提供較大電流輸出的集成驅動芯片不是很多。意法半導體公司(ST)推出的全橋驅動芯片TD340是專用的電機驅動芯片，用作大功率直流電機控制器，它由一個雙單片上橋臂驅動器(HSD)和兩個下橋臂開關組成，芯片峰值輸出電流達30 A，工作電壓高達40 V。芯片內部集成了全面的保護電路，如欠壓、過壓、接地損耗、正電源損耗等，完全滿足汽車電路助力轉向電機的電氣參數要求。
2 H橋式汽車電動助力轉向電機驅動原理
在本系統中采用脈寬調制(PWM)控制H橋電路，實施對直流電動機的控制[4]，由4個MOSFET功率放大管組成，MOSFET功率放大管的驅動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫茲的開關狀態下。其工作原理如下：
H橋式電機驅動電路包括4個MOSFET功率放大管和一個電機[5]。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對MOSFET管。根據不同MOSFET管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。
如圖2所示，當Q1管和Q4管導通時，電流從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。
圖3所示為另一對MOSFET三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。
本系統采用4個International Rectifier生產的IRF3205型MOSFET功率放大管組成H橋路的四個臂。IRF3205具有8 mΩ導通電阻，耐壓55 V，最大直流電流110 A，滿足EPS系統對MOSFET功率放大管低壓(正常工作不超過15 V)大電流(額定電流30 A)的要求。同時，較低的導通電阻對于減小開關條件工作下MOSFET功率放大管的功耗也十分有效。
3 TD340控制芯片在汽車電動助力轉向電機驅動電路中的應用
3.1 TD340的引腳功能定義[6]
TD340采用雙列貼片式封裝的引腳分布如圖4所示，各引腳的功能如下：
L1、L2：低邊門極驅動；
H1、H2；高邊門極驅動；
STBY：待機模式；
WD：看門狗信號輸入；
CWB：設置看門狗電容端；
VOUT：用于微處理器的5V電壓；
CF：設置PWM頻率的外部電容接入端；
IN1；模擬或數字信號輸入端；
IN2：電機旋轉方向控制端；
??? VBATT、GND：電源正端和地端。
3.2 PWM信號調節方式
??? PWM信號是TD340最重要的控制信號，其最大工作頻率為25 kHz。PWM信號通過控制H橋上功率管的導通時間，實現對輸出負載平均電壓的調節。PWM信號的一個低電平狀態將會關閉兩個下橋臂開關，而當PWM輸入端由低電平變為高電平時，下橋臂導通與否取決于輸入信號IN1，只有輸入信號從低電平變為高電平時，下橋臂L1和L2才能重新導通。
3.3 汽車電動助力電機轉向控制信號和剎車信號
??? IN2為電機轉向控制信號，控制電機的轉向和剎車；當IN2為高電平時電機將正轉，當IN2為低電平時電機將反轉；當IN1處于低電平連續200 ?滋s以上時，系統將處于剎車模式，此時不論IN2為何種電平，電機將停止轉動。
3.4 汽車電動助力轉向電機驅動器電路設計
本文所設計的汽車電動助力轉向電機調速系統框圖如圖5所示。該系統由方向盤扭矩傳感器輸入信號、微控制器、TD340和H橋電路、直流電機和汽車轉向柱組成。其中TD340用于構成PWM發生器，功率放大電路是由4個MOSFET管組成的H橋電路。
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本系統中直流電機PWM調速系統的電路原理如圖6，圖中的MOSFET管采用IRFP3250，當加上一個足夠的門信號電壓時，功率MOSFET的通路電阻小于常規二極管，而在沒有門信號電壓的情況下，它具有常規二極管的反向特性。IN2用于控制直流電機M的正反轉。IN2為高電平時，電機正轉；IN2為低電平時，電機反轉。IN1輸出可調PWM信號，同時給MOSFET的門極施加開關驅動信號并通過調節占空比的大小來調節直流電機M的轉速。電阻R1～R4用于控制MOS門的升降時間，也有利于避免門電壓的振蕩，門電壓的振蕩通常是與門電容處連接線的平行電感所引起的。R1～R4的值通常為10 Ω～100 Ω。電容C6用于存儲能量并對通過電橋電壓進行濾波。在電壓上升和下降期間，為了保證系統的可靠性，可在兩個低端MOS管的門極各接一個下拉電阻以確保電橋保持關斷，但高端MOS管不能接下拉電阻，因為電荷泵不能為其提供必要的電流。
用TD340芯片構成的汽車電動助力轉向系統在吉利某車型上得到測試，測試結果表明具有如下特性：
(1)輸出電流大、驅動能力強、體積小。本實驗中，其輸出連續電流8 A，最大輸出連續工作電流可達30 A；
(2)電流調節范圍寬，占空比調節靈活，可在0 %～100 %之間任意調節；
(3)電機運行平穩，調速性能好。
??? 本文介紹的由TD340和Ｈ橋構成的汽車電動助力轉向直流電機調速系統具有元件需求少、所占空間小、裝配成本低、能耗小等優點。實踐證明，此電路可靠性高、控制方便，具有較高的實用價值。
參考文獻
[1] 郝金魁，張超風.電動助力轉向系統電機驅動電路的設計[J].汽車技術，2006(5).
[2] 林逸，施國標.汽車電動助力轉向技術的發展現狀與趨勢[J].公路交通科技，2001(6).
[3] 李偉光.汽車電動助力轉向系統的硬件設計[J].華南理工大學學報，2006，34(2).
[4] 羅石，商高高.電控助力轉向系統電機驅動電路設計方案的研究[J].江蘇大學學報，2004，25(6).
[5] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業出版社，1994.
[6] ST公司.TD340 Datasheet[Z].http：//www.st.com.2004，1-26