EPS電機控制器的設(shè)計

1、第1章 緒 論節(jié)能、環(huán)保、舒適、廉價是廣大汽車消費者對汽車的基本要求，也是是現(xiàn)代汽車技術(shù)追求的主要目標，集中體現(xiàn)了現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展方向。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能在節(jié)能、環(huán)保及舒適方面具有非常重要的作用。傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己不能滿足其發(fā)展的要求。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展與電子技術(shù)的不斷進步，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。1.1 本設(shè)計研究的意義2全套圖紙，加隨著汽車制造技術(shù)以及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車環(huán)保、節(jié)能、舒適、安全的要求越來越高，國外汽車的電動助力轉(zhuǎn)向器正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向器。電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)代表了目前汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，將來會在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)越來越重要

2、的地位。在國內(nèi)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于初級階段，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)廠家還很少，市場上的產(chǎn)品主要被國外的公司所壟斷。國外的許多廠家除了申請必要的國際專利外，還在中國境內(nèi)申請了一些EPS專利。因此目前開發(fā)和研制用于轎車和輕型汽車的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟和社會效益，它可為汽車零部件企業(yè)的發(fā)展提供新的經(jīng)濟增長點，也為我國汽車行業(yè)在加入WTO后參與國際汽車市場競爭提供一種有競爭力的機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。同時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于汽車的環(huán)保、節(jié)能、安全等方面也具有積極的現(xiàn)實意義。1.2本設(shè)計研究的目的電動轉(zhuǎn)向器是一種新型的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)車輛的運動狀況和駕駛員的要

3、求實行多目標控制，以獲得較強的路感、較輕的操縱力、較好的回正穩(wěn)定性和回正速度、較強的抗干擾能力和較快地響應(yīng)轉(zhuǎn)向輸入，而且這些控制是在基本上不改變硬件的條件下通過軟件即可實現(xiàn)。從汽車誕生之日起，機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就已經(jīng)開始使用。幾十年來，機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直在使用著，但由于人們對轉(zhuǎn)向輕便性和舒適性要求越來越高，機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，迫切需要一種能夠幫助駕駛員輔助轉(zhuǎn)向的一種裝置，此時液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)誕生了。1953年通用汽車公司第一個使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向輕便性效果顯著。此后該技術(shù)得到了迅速發(fā)展, 使得助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在功耗、體積和價格等方面都取得了很大的進步。80年代后期,出現(xiàn)了變

4、減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，隨后又出現(xiàn)了基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)新產(chǎn)品, 具有代表性的產(chǎn)品是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會相應(yīng)地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以根據(jù)需要隨時關(guān)閉，所以也部分的降低了燃油消耗。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力, 目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在上

5、述兩種助力機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采用獨立電機直接提供助力，助力大小由電控單元根據(jù)方向盤扭矩和車速信號進行控制。它具有節(jié)能、環(huán)保、高度安全性等特點，目前正逐步取代液壓動力轉(zhuǎn)向，像時下熱賣的雨燕、飛度、SX4、速騰等車型都采用的是這種助力機構(gòu)，而它也是未來動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向之一。 如圖 1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過將裝有 EPS 和裝有 HPS 的車輛對比表明，在不轉(zhuǎn)向的情況下，EPS 能降低約為2.5%的燃油消耗；而在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗更是降低了5.5%。此外，EPS可根據(jù)車速自動控制轉(zhuǎn)向助力力度，有效解決一直困擾著傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤“輕”和“靈”的難題，提高了行駛安全性。電動助

6、力轉(zhuǎn)向有效地解決了車輛在操縱穩(wěn)定性和方向盤轉(zhuǎn)向手感方面的問題，具有兼顧低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速增強路感的優(yōu)點。三種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能比較如表1.1所示。表 1.1 三種助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能比較類型EPSEHPSHPS燃油特性耗油最少介于兩者之間耗油最多獨立與發(fā)動機工作可以可以不可以方向跟隨性很好差差路感狀況很好好差回正性能很好好差助力特性準確、靈活、控制最優(yōu)靈活性、傳遞性較HPS差中等集成性能方便不方便不方便環(huán)保性能環(huán)保不環(huán)保不環(huán)保占用空間只有四個組建、結(jié)構(gòu)緊湊占用空間最小有40到50個零部件，占用空間較大有40到50個零部件，占用空間較大耐寒性耐寒不耐寒需要預(yù)熱不耐寒需要預(yù)熱重量很高中等較差效率很高中

7、等較差1.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀在國外，從1979年開始研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，至今已有30多年的歷史。之前一直沒有取得很大的進展，主要是因為 EPS 的成本太高。隨著近幾年來電子技術(shù)的快速發(fā)展，EPS 的成本已大幅度降低，再加上它獨特的優(yōu)點，因而越來越受到人們的重視，并迅速邁向應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EPS 系統(tǒng)在日本最先獲得實際應(yīng)用,1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三

8、菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國的Lucas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來越大。在國外，EPS已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段，并成為汽車零部件高新技術(shù)產(chǎn)品。由于技術(shù)保密，很難獲得控制參數(shù)，要想實現(xiàn)技術(shù)自主創(chuàng)新，還需國人自己鉆研。在國內(nèi)，電動助力轉(zhuǎn)向技

9、術(shù)大多還處于實驗室開發(fā)研究階段，部分科研院所已經(jīng)進行了裝車實驗。國內(nèi)的清華大學早在1992年就開始了EPS的研究，曾研制出EPS的樣機，并在試驗臺上進行了性能試驗。2002年，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)國內(nèi)至少13家企業(yè)和科研院校正在研制中，如清華大學、吉林大學、江蘇大學、同濟大學以及南摩股份有限公司等。2003年上海市科委科技立項900多萬元用于電動助力轉(zhuǎn)向器的開發(fā)與研究，其中投資300多萬給同濟大學汽車學院用于EPS控制器的開發(fā)。但大多都是在實驗室臺架試驗上取得了一些進展，在試驗車上轉(zhuǎn)向的效果有待改進；特別是在轉(zhuǎn)向盤抖動，以及回正控制等方面還存在著一定的問題，南摩股份有限公司(生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向軸式EPS產(chǎn)品)能

10、進行小批量生產(chǎn)用于汽車裝配。目前主要裝配在排量在1.3L1.6L的緊湊型轎車。目前21個國內(nèi)汽車廠家的43個品種均可裝配EPS產(chǎn)品，其中有6個廠家8個車型具有裝配 EPS 的潛力，其中有重慶長安的奧拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 QQ，天津豐田的威馳，悅達起亞的千里馬，東南汽車的菱帥，廣州本田的飛度等。昌河在其北斗星轎車和愛迪爾等車型上已把EPS作為選裝器件，在三星級以上轎車上作為標準配置?？刂茩C理是EPS的核心技術(shù)之一，國內(nèi)外學者先后提出了PID、模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制策略，絕大多數(shù)只進行了模擬仿真研究，進行實驗研究的較少。本研究采用 PID控制策略，并進行了理論和實驗研究，取得了良

11、好的控制效果。1.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電機和電子控制單元（ECU）等裝置，電機通過減速機構(gòu)作用在轉(zhuǎn)向柱上，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向的助力。電動助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)總成如圖1.2所示：圖1.2 電動助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)總成圖與液壓動力轉(zhuǎn)向相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)及機電一體化等技術(shù)，具有以下優(yōu)點：（1）EPS能在不同車速下提供不同的助力特性。在低速行駛時，增加轉(zhuǎn)向助力，使得轉(zhuǎn)向更加輕便；在高速行駛時減少轉(zhuǎn)向助力，為了提高路感可以增加轉(zhuǎn)向阻尼。（2）EPS只有在轉(zhuǎn)向時電動機才工作，汽車在行駛過程中大部分時間較少助力，因

12、而很大程度上減少能耗。（3）EPS取消了油泵、皮帶、皮帶輪、液壓軟管、液壓油及密封件等，其零件與 HPS相比大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置選擇方面也更容易，并且能降低噪聲。（4）電動機由蓄電池供電，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在發(fā)動機不工作的情況下工作，因此提高了汽車行駛安全性。（5）EPS 與液壓助力系統(tǒng)相比，裝配自動化程度更高，而且電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過改變微處理器中的助力程序算法，改變助力特性很容易實現(xiàn)。（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越，由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計，為設(shè)計不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性。1.5 本設(shè)計研究的主要內(nèi)容本文首先對EPS的工作原理

13、及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作分析，建立了EPS的數(shù)學模型，具體分析EPS的動態(tài)特性中的助力特性，同時介紹電動轉(zhuǎn)向中的三種控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。最后得出本文結(jié)論及其展望。所做工作如下：1、理論分析。分析電動助力轉(zhuǎn)向電機控制器的主要結(jié)構(gòu)及工作原理，研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略。2、控制器硬件及軟件設(shè)計。設(shè)計電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的硬件電路，繪制圖紙，研究了單片機資源和編程原理，并進行了硬件和軟件調(diào)試。3、實驗研究。在實驗臺架上進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗、轉(zhuǎn)向回正性能等試驗，驗證自主開發(fā)控制器的性能。 第2章 EPS電機控制器的結(jié)構(gòu)原理和控制方法2.1工作原理及結(jié)構(gòu)組成電動助力轉(zhuǎn)向系電機控制器主要

14、由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元（ECU）、離合器、助力電動機及減速機構(gòu)等組成。工作原理：汽車在運行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器及電機電流傳感器會產(chǎn)生各自的電信號，這些信號經(jīng)過濾波、信號電平調(diào)整后傳給ECU，ECU經(jīng)過分析處理后輸出 PWM信號給電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對助力電機扭矩控制。EPS電機控制器的主要組成部件主要有：助力電機、電磁離合器、電位計式扭矩傳感器、車速傳感器和電子控制單元。2.1.1 助力電機本設(shè)計開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用的助力電機為直流永磁有刷電機，額定電流為30A,額定電壓為12V，額定轉(zhuǎn)速為1050r/min，額定輸出功率為170W，額定轉(zhuǎn)矩為1.48N

15、m。由于汽車轉(zhuǎn)向過程中電機助力的大小是通過PWM進行調(diào)整的，因此要求電動機要有很好的機械特性和調(diào)速特性?？紤]到對原機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，要求電動機具有噪聲低、低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小和質(zhì)量輕等特點，以便達到良好的動態(tài)特性和可靠性。2.1.2 電磁離合器電磁離合器的結(jié)構(gòu)主要由電磁線圈，主動輪，從動輪和壓板等部件構(gòu)成。工作原理：當電磁線圈中有電流通過時，電磁線圈產(chǎn)生的吸力吸引壓板與主動輪接合。這樣，電動機的動力就經(jīng)過主動輪、壓板、花鍵輸出到從動軸上。當線圈中沒有電流流過時，電磁線圈就不會產(chǎn)生電磁吸力，壓板和主動輪之間就沒有接觸壓力，因此電動機的動力傳遞路線就被切斷，助力停止。電磁離合

16、器的作用有以下兩個方面：第一，防止動力過載。如果電動機產(chǎn)生的扭矩過大，主動輪就會克服在電磁吸力作用下，主動輪和壓板之間產(chǎn)生的摩擦力，從而打滑，保證電動機給系統(tǒng)的助力不致過大；第二，在電機系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，電磁離合器可以切斷電動機和機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的連接，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能夠進行轉(zhuǎn)向操作。2.1.3 電子控制單元電子控制單元是電子控制系統(tǒng)中最重要的元件之一，其性能在一定程度上決定著電子系統(tǒng)的性能，選擇優(yōu)良的控制器對取得良好的控制效果非常重要。結(jié)合 EPS 控制系統(tǒng)的特點，盡可能的減少外圍電路元件和降低成本，而且處理單元還要具備功能模塊多，運算速度快，所以該系統(tǒng)選用了飛思卡爾公司生產(chǎn)的汽車級MC9S12系

17、列微處理芯片MC9S12XS128單片機。該單片機是基于16位S12XSCPU 內(nèi)核及0.5m制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境，其主頻高達96 MHz，同時片上還集成了多個汽車用標準模塊。其主要性能如下：1. 具有在線背景調(diào)試模式（BDM）；2. 2個異步串行通信口SCI；3. 1個同步串行通信口SPI；4. 8通道輸人捕捉/輸出比較定時器；5. 8通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊（10位A/D轉(zhuǎn)換時間只需

18、要7us），轉(zhuǎn)換結(jié)果有左對齊和右對齊模式，可作為普通I/O口使用；6. 1個8通道8位脈寬調(diào)制模塊（PWM），可以設(shè)置成4通道16位PWM信號，占空比可以從0100%設(shè)置；7. 具有片內(nèi)電壓調(diào)整模塊；8.1個低電壓喚醒定時器，定時器溢出時間從0.2ms13s之間設(shè)置；9.49個獨立數(shù)字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）；10.1個 MSCAN模塊，兼容CAN2.OA/B協(xié)議，具有標準和擴展數(shù)據(jù)幀模式，通信速率最快可達1Mbps；11.片內(nèi)擁有128KB的Flash EEPROM，8KB的RAM，資源十分豐富；12.芯片正常工作溫度范圍在40C到 125C之間，基本上適應(yīng)汽車復(fù)雜環(huán)境。

19、2.2 EPS 電機控制器的基本控制方式EPS 電機控制器根據(jù)車速、轉(zhuǎn)矩和電機電流來執(zhí)行控制策略，提高轉(zhuǎn)向靈敏度。因而系統(tǒng)有三種控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的轉(zhuǎn)向過程中，通常是助力控制。當駕駛員釋放方向盤后，作用在方向盤上的力減小，且小于助力控制的門限值，同時，系統(tǒng)判斷此時檢測轉(zhuǎn)矩大小的加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向是否相異，如果兩者相異，系統(tǒng)就執(zhí)行回正控制。EPS系統(tǒng)中的電機、減速機構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)等都有很大的摩擦力與慣性力矩，這些都構(gòu)成了汽車的回正阻力矩，當回正阻力矩過大，阻止車輪回正時，使用回正控制，利用電機提供輔助回正力矩。為了防止提供的輔助回正力矩過大，產(chǎn)生回正過頭現(xiàn)象或在回

20、正過程中出現(xiàn)擺振現(xiàn)象，在車輪將要回到中間位置時要施加阻尼，此時選用阻尼控制模型。2.2.1 助力控制助力控制是指在轉(zhuǎn)向過程中為了減輕方向盤的操縱力,通過減速機構(gòu)把電動機轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向小齒輪上的一種基本控制模式。利用電動機轉(zhuǎn)矩和電動機電流成正比的特性采用控制電動機電樞電流的方法實現(xiàn)助力控制。助力控制是EPS系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容,是電動助力轉(zhuǎn)向控制內(nèi)容中的“重頭戲”電動助力轉(zhuǎn)向的名字正是由此而來。駕駛員都希望車輛轉(zhuǎn)向時有助力轉(zhuǎn)向力“輕”些(可減少駕駛員的體力消耗);但又不能太“輕”,太“輕”則意味著太“靈”,路感較差。汽車轉(zhuǎn)向中的“輕”與“靈”成為一對需要調(diào)和的矛盾體。在設(shè)計電動轉(zhuǎn)向時,一方面必須保

21、證駕駛員操縱的輕便性,另一方面還要使駕駛員獲得良好的路感。2.2.2 回正控制在EPS取代HPS的初期, EPS的任務(wù)就是在操縱方向盤轉(zhuǎn)向時提供助力,所以助力控制是EPS研制初期的全部控制內(nèi)容。純機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有回正控制,駕駛時將方向盤回正后,輪胎的自動回位主要靠轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)(主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角)來保證?；卣刂频膶崿F(xiàn)與助力控制類似,即ECU控制電動機產(chǎn)生一個與方向盤轉(zhuǎn)角相反的適當?shù)幕卣亍；卣氐拇笮】捎秒娏鞔笮肀硎?回正控制時,助力電動機的參考輸出電流。2.2.3 阻尼控制汽車高速行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏，會影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，

22、提出在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速駛時手感的“穩(wěn)重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，一般情況下只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻尼效果。第3章 硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件電路是實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)，EPS硬件電路設(shè)計的科學性和合理性，直接關(guān)系到EPS系統(tǒng)的控制效果。本章主要研究E

23、PS硬件的設(shè)計，主要的有單片機、電源轉(zhuǎn)換電路、傳感器、電機、蓄電池和繼電器等。3.1硬件電路圖及系統(tǒng)框圖 圖3.1硬件系統(tǒng)電路圖EPS系統(tǒng)主要硬件電路包括：（1）單片機的選擇（2）電源（3）傳感器（4）驅(qū)動器的選擇（5）電機蓄電池驅(qū)動電路助力電機驅(qū)動及功率電路電池模塊電磁離合器助力電機MC9S12XS128方向盤扭矩信號處理電路故障指示燈電壓處理電路圖 3.2 EPS 控制系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要工作流程為：首先對系統(tǒng)進行自動檢測，確保系統(tǒng)各部分工作正常。然后單片機采集各傳感器信號，經(jīng)過分析運算后，判斷是否提供助力，如果實施助力控制，啟動繼電器驅(qū)動電路，輸出PWM信號控制助力電機的轉(zhuǎn)矩，進而輔助駕駛

24、員轉(zhuǎn)向；否則進行其他相應(yīng)控制。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電磁離合器與電機脫離，助力電機停止工作，故障指示燈點亮。3.2傳感器3.2.1 電位計式扭矩傳感器扭矩傳感器主要用來測量方向盤上力矩的大小，扭力桿是它的主要的測力元件。扭力桿的信號測量方式有電位計式、差動式和光電式三種。其中差動式和光點式的成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于高速測量。本論文中采用的是導(dǎo)電塑料電位計式扭矩傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，使用壽命在3000萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。電位計式的主要工作原理如圖3.2所示。傳感器的兩個輸入端分別是VCC和GND(分別是輸入端1和4)。當轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時，傳感器的兩個輸出端T1和T2上的電

25、壓均為2.5V；當轉(zhuǎn)向盤向右旋轉(zhuǎn)時，其輸出端T1上的電壓大于2.5V，輸出端T2上的電壓小于2.5V；當轉(zhuǎn)向盤向左旋轉(zhuǎn)時，恰好相反。因此，輸出電壓T1減去輸出電壓T2得到的差動電壓值就可以用來表示轉(zhuǎn)矩的大小和方向。差動輸出電壓有利于提高傳感器的靈敏度，消除靜態(tài)誤差。電子控制單元根據(jù)扭矩傳感器輸出差動電壓的大小和正負，就可以判斷轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)動方向。圖3.3 電位計式扭矩傳感器原理圖3.2.2 車速傳感器大多數(shù)汽車上裝載的車速傳感器一般是磁感應(yīng)式車速傳感器，如圖3.4所示。該傳感器穩(wěn)定性較好，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理就可以轉(zhuǎn)成方波信號，供單片機采集。考慮到目前決大部分汽車都有電子儀表板，有現(xiàn)成的

26、車速信號，可以直接使用。但是在實驗室中，較難采集到實際的車速信號，一般用信號發(fā)生器模擬車速信號。 圖3.4 磁感應(yīng)式車速傳感器3.3 ECU3.3.1單片機的選擇 圖3.5 MC9S12XS128 單片機如圖3-4MC9S12XS128單片機最小系統(tǒng)硬件電路設(shè)計比較復(fù)雜，需要考慮電磁兼容、晶振電路設(shè)計技巧，以及防干擾濾波電路設(shè)計技巧等。3.3.2 時鐘電路原理時鐘電路在單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計中往往是一個關(guān)鍵部分，由于晶振體的工作頻率很高，設(shè)計不當很有可能使其工作時產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾，尤其是對 A/D 轉(zhuǎn)矩輸入信號的干擾；甚至導(dǎo)致晶振體不工作，導(dǎo)致整個單片機系統(tǒng)無法正常運行。MC9S1

27、2XS128單片機的時鐘輸入接口在34（EXTAL）和35 (XTAL)引腳上，通常接一個 16MHZ晶振體。外部晶振體的連接分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源晶振器3種方式。但是在實際應(yīng)用電路設(shè)計中一般采用并聯(lián)型方式。時鐘電路如圖3.6所示。圖3.6 時鐘電路3.3.3 濾波電路原理濾波電路常用來濾去電壓中的紋波，保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，它一般由電抗元件組成,如負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或者負載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組成的各種復(fù)式濾波電路。MC9S12XS128單片機內(nèi)部帶有電壓調(diào)整器，它主要負責為單片機的內(nèi)部提供不同的電壓。主要濾波引腳有9（VDDF）、49（VDD）、33(VSSPL

28、L)和36(VDDPLL)。 3.3.4 電源電路MC9S12XS128單片機的外部供電電壓為5V，分別為單片機的內(nèi)部電壓調(diào)整器，IO端驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。為了充分提高供電電路的電磁兼容性，去除高頻噪聲，在各供電電路中串接一個電感元件。電源引腳有59（VDDA）、77（VDDX1）和29（VDDX2）引腳。其中，VDDA的電源電路如圖3.7所示，其他引腳電路類似。圖3.7 電源電路3.3.5 復(fù)位電路單片機需要在上電之后給其一個復(fù)位信號才能正常工作，在開發(fā)和調(diào)試單片機系統(tǒng)時需要對它進行手動復(fù)位，而且當單片機系統(tǒng)供電電壓過低時，程序的運行會出現(xiàn)非正常的情況，要求在低壓時也要對單片機進行

29、復(fù)位，所以必須要設(shè)計一個復(fù)位電路。XS128單片機的RESET引腳為低電平有效，其復(fù)位電路如圖3.8所示。INPUTRESETGND圖3.8 復(fù)位電路3.4 電源轉(zhuǎn)換電路由于該系統(tǒng)中，單片機和傳感器需要電壓為5V的直流電源，以及通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性對電源要求較高，所以考慮了工業(yè)界常用的電源轉(zhuǎn)換芯片LM2576。其輸出電流可達 3A，輸入電壓范圍較寬，具有優(yōu)良的線性調(diào)節(jié)與負載調(diào)節(jié)，只需極少的外部元件，就可以做成優(yōu)良的電源轉(zhuǎn)換電路，所輸出的電流完全可以滿足對整個系統(tǒng)的供電。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3.9所示。Vin ON/OFF FBGND OUT 圖3.9 電源轉(zhuǎn)換電路圖3.5 傳感器信號（車速、扭矩）處理

30、電路3.5.1 車速信號處理電路通常車速信號都是從車輪轉(zhuǎn)速經(jīng)過計算都得出的，而且輪速信號一般幅值為1V的正弦模擬信號，所以一般首先對車速信號經(jīng)過濾波、放大和整形后方能被單片機獲得。車速信號處理電路如圖3.10所示。輪速信號經(jīng)過AD823放大后幅值為5V，經(jīng)過比較器 LM393輸出方波信號，供單片機采集。 圖3.10 車速信號處理電路3.5.2 方向盤扭矩信號我們用扭矩傳感器測量方向盤上扭矩信號的大小，扭矩傳感器輸出信號為電壓信號，為了保證其信號的可靠性，必須對信號進行濾波，濾波之后送單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。扭矩信號濾波電路，對輸入信號進行濾波，主要消除扭矩中的高頻信號。實現(xiàn)對信號電平的處理，最后

31、輸出兩路信號送給單片機兩個A/D轉(zhuǎn)換口。3.6電機驅(qū)動器的選擇圖3.12 電機驅(qū)動器實物直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機具有良好的起制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高，因此，采用硬件邏輯電路實現(xiàn)的 PWM 控制系統(tǒng)已在實踐中廣泛應(yīng)用。但是，這種方法的硬件電路比較復(fù)雜，一般也無計算機接口而本文介紹的電機驅(qū)動是采用電機專用驅(qū)動芯片 TD340實現(xiàn)直流電機調(diào)速的，該驅(qū)動系統(tǒng)可以大大簡化硬件電路在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實施對直流電動機的控制，由4個功率MOSFET組成，如圖3-13所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功

32、率管的驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個International Rectifier公司生產(chǎn)的IRF3205型 MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205僅有8m導(dǎo)通電阻，而且功耗小，耐壓達55V，最大直流電流可達110A，滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30A）的要求。圖中所示，4個MOSFET管的基極驅(qū)動電壓分為兩組，其中Q1和Q4為一組，當Q1接收PWM信號導(dǎo)通時，Q4常開；而Q2和Q3截止這時，電機兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn)，而且占空比越大，轉(zhuǎn)速越高由于直流電機是一個感性負載，當MOS關(guān)斷時，電機中的電

33、流不能立即降到零，所以必須給這個電流提供一條釋放通路，否則將產(chǎn)生高壓破壞器件處理這種情況的通常方法是在MOSFET管旁邊并聯(lián)一個高速開關(guān)二極而本系統(tǒng)采IRF3205型MOS管，該MOS管內(nèi)部已經(jīng)并聯(lián)二極管，所以外部并聯(lián)的高速開關(guān)二極管可以省略。圖3.13 H橋電路在本系統(tǒng)中選用TD340高端智能直流電機控制芯片，TD340驅(qū)動器芯片是ST微電子公司推出的一種用于直流電機的控制器件，可用于驅(qū)動N溝道MOSFET管。該芯片具有控制簡單，外圍電路相對較少，控制靈敏的優(yōu)點，被廣泛采用。TD340采用雙列貼片式封裝的引腳分布，各引腳的功能如下：TD340芯片是N溝道功率MOS管驅(qū)動器，適合于直流電機控制

34、。該器件內(nèi)集成有可驅(qū)動N溝道高邊功率 MOS 管的電荷泵和內(nèi)部PWM發(fā)生器，可進行速度和方向控制而且功耗很低，同時具有過壓(20V)、欠壓(2);sum2=0;ATD0CTL5=0x21; /單通道采樣，通道1 ,轉(zhuǎn)矩信號T1while(!ATD0STAT0_SCF); /等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束sum2 += ATD0DR0L;sum2 += ATD0DR1L;sum2 += ATD0DR2L;sum2 += ATD0DR3L;T1=(byte)(sum22);4.2.2 電動機 PWM 控制大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機

35、電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。利用開關(guān)管對直流電動機進行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。當開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us 。T1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞電壓為0。T2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低。直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為：占空比表示了在一個周期 T 時間內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。的變化范圍為01。上式可知，當電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0 取決于占空比的值，改變的值就可以改變端電壓的平

36、均值，從而達到調(diào)速的目的。在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)，有三種方法可以改變占空比的值。（1） 定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2 ，周期T隨之改變。（2） 調(diào)頻調(diào)寬法：保持不變t2，只改變t1 ，周期T隨之改變。（3） 定頻調(diào)寬法：保持T不變，同時改變t1和t2的值。前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起系統(tǒng)振蕩，因此這兩種方法很少使用。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。MC9S12XS128單片機帶有8路8位PWM輸出通道（可構(gòu)成4路16位PWM），通過初始化設(shè)置，便能夠自動發(fā)出PWM脈沖信號，只需要增加驅(qū)動電路就

37、可以實現(xiàn)對電機助力大小的控制。下面是MC9S12XS128單片機PWM信號的產(chǎn)生原理，以8位數(shù)據(jù)的PWM 信號為例說明，PWM信號產(chǎn)生原理如圖4.3所示。圖中所示，PWMCNTx是8位計數(shù)器PWMPERx 是周期寄存器，PWMDTYx是占空比寄存器，T是PWM信號周期,t1是PWM信號高電平所占用的時間。周期寄存器和占空比寄存器設(shè)置完以后，在總線時鐘信號的驅(qū)動下,8位計數(shù)器開始計數(shù)，同時PWM信號從低電平變?yōu)楦唠娖剑?位計數(shù)器的值等于PWMDTYx時，PWM信號從高電平變?yōu)榈碗娖剑?位計數(shù)器的值等于PWMPERx時，PWM信號從低電平變?yōu)楦唠娖剑瑫r計數(shù)器清0，計數(shù)器重開開始計數(shù)。 下面簡

38、單介紹MC9S12XS128單片機PWM模塊相關(guān)寄存器的初始化步驟。（1） 初始化 PWM 控制寄存器（PWMCTL）76543210Con87Con45Con23Con01Pswa1Pfrz0000000000此寄存器可以實現(xiàn)把8個8位PWM通道級聯(lián)為4個16位PWM通道。（2） 初始化PWM居中對齊允許寄存器（PWMCAE）76543210CAE7CAE6CAE5CAE4CAE3CAE2CAE1CAE000000000此寄存器控制每個 PWM 通道輸出波形的對齊方式，可以是左對齊或者居中對齊。如果CAEx=1，則對應(yīng)通道的輸出波形為居中對齊方式；如果CAEx=0，則為左對齊方式。在設(shè)置此寄

39、存器前，必須把對應(yīng)通道禁止輸出。（3） 初始化 PWM 極性寄存器（PWMPOL）76543210PPCL7PPCL6PPCL5PPCL4PPCL3PPCL2PPCL1PPCL000000000 此寄存器控制著每個PWM通道輸出波形的極性。當PPOLx=1時，對應(yīng)的PWM通道的波形一開始是高電平，當占空比計數(shù)器計數(shù)完后，再變?yōu)榈碗娖?；而當PPOLx=0時，波形恰好相反。 圖4.4 左對齊PWM波形圖（4） 初始化PWM時鐘選擇寄存器（PWMCLK）76543210PCLK7PCLK6PCLK5PCLK4PCLK3PCLK2PCLK1PCLK000000000PWM的各個通道可以通過設(shè)置此寄存器

40、來選擇兩個時鐘源。（5） 初始化PWM預(yù)分頻時鐘選擇寄存器（PWMPRCLK）765432100PCKB2PCKB1PCKB00PCKA2PCKA1PCKA000000000時鐘A和B的預(yù)分頻因子選擇表如表4.3所示表 4.3 時鐘A和B的預(yù)分頻因子選擇表PCKx2PCKx1PCKx0X時鐘頻率000總線頻率001總線頻率/2010總線頻率/4011總線頻率/8100總線頻率/16101總線頻率/32110總線頻率/64111總線頻率/128 （6） 初始化PWM通道周期寄存器（PWMPERx）76543210Bit76 5 4 321011111111此寄存器中的數(shù)值大小對應(yīng)PWM通道輸出波

41、形的周期時間。（7） 初始化PWM占空比寄存器（PWMDTYx）76543210Bit7654321Bit011111111（8） 初始化PWM允許寄存器（PWME）76543210PWME7PWME6PWME5PWME4PWME3PWME2PWME1PWME000000000此寄存器中的每位都控制著對應(yīng)的PWM通道，可以通過設(shè)置相應(yīng)的控制位來開始或者停止PWM波的輸出。PWM模塊初始化子程序：void PWM_init_24MHZ(void)PWMCTL=0x10; /con01=1,構(gòu)成一個 16 位 PWM 通道PWMCAE=0x00; /輸出左對齊PWMPOL=0xFF; /正極性輸出

42、PWMCLK=0x00; /A 為 0、1 通道的時鐘給助力電機PWMPRCLK=0x00; /時鐘源 A=BusClockPWMPER01=2400; /PWM01=A/2400=10KHzPWMDTY01=0; /PWM01 初始不輸出(電機沒有轉(zhuǎn)速)PWME=0x02; /通道 1 使能4.3 本章小結(jié)本章首先闡述了傳感器信號的A/D采集、電動機PWM控制和車速信號采集在單片機內(nèi)的模塊配置，并給出了A/D數(shù)據(jù)采集、PWM模塊設(shè)置和車速信號采集部分程序；根據(jù)EPS系統(tǒng)工作原理設(shè)計了EPS系統(tǒng)的總體流程。第5章 試驗分析5.1 程序下載將單片機USB口與電腦連接，用BDM連接上單片機。進行軟

43、件編程的設(shè)置：1、點擊CodeWarrior IDE軟件。2、新建工程,選擇MC9S12XS128。圖5.1 選擇MC9S12XS1283、選擇C語言編程環(huán)境。圖5.2 選擇非在線編程4、選擇ANSI startup code圖5.3 啟動兼容程序5、選擇浮點數(shù)據(jù)類型。 圖5.4 選擇浮點運算6、選擇Full Chip Simulation和TBDML圖5.5 選擇全芯片模擬和TBDML7、將寫好的程序放在程序編寫的main.c里，編寫完成，點擊make 圖5.6 程序編寫main8、在make無錯誤的條件下，點擊Debug(調(diào)試)，等待計算機將C語言編譯單片機語言，5.2 試驗設(shè)備介紹EPS 試驗臺架主要由三部分組成：（1） 機械部分：EPS轉(zhuǎn)向機械系統(tǒng)和驅(qū)動電機；（2） 控制系統(tǒng)：EPS控制器和控制程序；（3） 監(jiān)控系統(tǒng)：PC機監(jiān)控軟件。5.3 實驗結(jié)果與分析實驗中扭轉(zhuǎn)彈簧經(jīng)測定最大扭轉(zhuǎn)