液壓助力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)

1、 液壓助力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)汽車與交通學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課 程 名 稱:汽車電控系統(tǒng)實(shí)習(xí)及課程設(shè)計(jì) 課 程 代 碼: 106010319 題 目: 液壓助力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng) 年級(jí)/專業(yè)/班: 2013級(jí)車輛工程汽電(1)班 學(xué) 生 姓 名: XX 學(xué) 號(hào): 開(kāi) 始 時(shí) 間: 2017 年 1 月 4 日完 成 時(shí) 間: 2017 年 1 月 10 日課程設(shè)計(jì)成績(jī)：文獻(xiàn)查閱（10）標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用（10）設(shè)計(jì)手段應(yīng)用（20）說(shuō)明書(shū)內(nèi)容（40）說(shuō)明書(shū)質(zhì)量（10）答辯 （10）總 分（100）指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目 錄 摘要31 引言41.1問(wèn)題的提出41.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀41.3任務(wù)與分析41.3.1硬件

2、需求41.3.2軟件需求42 設(shè)計(jì)方案52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證52.1.1信號(hào)輸入方案設(shè)計(jì)52.1.2系統(tǒng)顯示方案設(shè)計(jì) 52.1.3 信號(hào)輸出的方案設(shè)計(jì)52.2 總體設(shè)計(jì)方案框圖62.2.1 方案一設(shè)計(jì)框圖62.2.1 方案二設(shè)計(jì)框圖72.3最終方案確定73系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 AT89C51介紹83.2 ADC0804芯片介紹113.2.1 ADC0804芯片的時(shí)鐘頻率113.2.1 ADC0804采集的信號(hào)處理113.3 LCD1602液晶顯示器123.4L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 124 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1 主程序流程圖134.2 子程序流程圖144.2.1 助力控制策略子流程圖

3、144.2.2 ADC0804子流程圖154.2.2 PID控制算法子流程圖165. 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程175.1 原題圖和印制板圖繪制和檢測(cè)175.1.1 在Protel99se繪制原理圖175.1.2 在Protell99se生成PCB圖185.1 keil程序調(diào)試195.3 Proteus 仿真調(diào)試 19結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn) 25附錄原題圖和印制板圖26C語(yǔ)言代碼 摘 要 本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是液壓助力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于89C51單片機(jī)，通過(guò)AD0804數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采集電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入控制器，以此同時(shí)按鍵輸入速度信號(hào)結(jié)合AD采集的方向盤扭矩信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的助力策略以及控制算法輸出最

4、佳的助力扭矩。在Proteus軟件繪制硬件電路，通過(guò)keil程序編譯軟件編寫相應(yīng)的C語(yǔ)言代碼，以及相應(yīng)的控制算法，輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)仿真基本實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。最后用protel軟件繪制硬件原理圖以及PCB板的制作。該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了汽車低速行駛的轉(zhuǎn)向輕便性以及高速行駛的轉(zhuǎn)向安全性的任務(wù)要求。關(guān)鍵詞：XX1 引 言 1.1 問(wèn)題的提出 本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求是.1.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能保證在不同的方向盤扭矩與汽車行駛速度給出相應(yīng)的助力，因此在汽車發(fā)展過(guò)程中，就出現(xiàn)了EPS，EHPS，以及線控助力轉(zhuǎn)向。在液壓助力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)的研究及發(fā)展已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)了，因此該系統(tǒng)也相對(duì)成熟，在基于si

5、mulation X電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中就有對(duì)輸入轉(zhuǎn)矩以及汽車速度時(shí)的系統(tǒng)仿真，改仿真基本實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向助力的要求，在汽車電器與電子技術(shù)書(shū)內(nèi)也講解了對(duì)助力策略的內(nèi)容，因此該設(shè)計(jì)思路也是基于改助力策略展開(kāi)的。1.3任務(wù)與分析 本課題主要的目的是為了保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的助力最優(yōu)化，需要對(duì)汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩以及汽車駕駛的速度分析，在預(yù)先設(shè)定的助力策略中給定相對(duì)優(yōu)化的助力轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的輕便性以及安全性。分析了上述的任務(wù)要求，并且查閱了相應(yīng)的文獻(xiàn)，確定了硬件方面采用89C51單片機(jī)控制芯片，使用非接觸式扭矩傳感器采集方向盤的轉(zhuǎn)向扭矩，集成式霍爾傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入至控制器中計(jì)算分析，由助力策略給

6、出相應(yīng)的助力轉(zhuǎn)矩，輸入至電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向，再由電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速至控制器中，經(jīng)過(guò)增量式控制算法得到優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM。1.3.1硬件需求.1.3.2軟件需求.2 設(shè)計(jì)方案 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證2.1.1信號(hào)輸入方案設(shè)計(jì)方案1：方向盤扭矩信號(hào)是有非接觸式扭矩傳感器產(chǎn)生差分電壓信號(hào)，因此采用AD0804采集電壓信號(hào)，AD芯片不需要定時(shí)器以及外部中斷口的使用，比較簡(jiǎn)單。方案2：方向盤扭矩信號(hào)是有非接觸式扭矩傳感器產(chǎn)生差分電壓信號(hào)，采用ADC0809，該芯片的使用有查詢或者中斷的方式得到采集信號(hào)，相比第一種方案要復(fù)雜很多。.2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖2.2.1 方案一設(shè)計(jì)框圖LED顯示AD

7、0809電壓采集89C51反饋轉(zhuǎn)速M(fèi)驅(qū)動(dòng)放大等電路DA轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電流輸出控制端口復(fù)位電路脈沖信號(hào)輸入時(shí)鐘電路XTAL1，XTAL2 P0RES P2 P2.1 INT0P1 IN1 方案一：使用AD0804采集電壓信號(hào)模擬方向盤轉(zhuǎn)矩，使用的是查詢方式的話系統(tǒng)控制效率不好，采用中斷方式就需要使用其中一個(gè)外部中斷端口，由于此方案端口不夠，采用查詢方式，脈沖信號(hào)的頻率表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要采用一個(gè)外部中斷以及一個(gè)定時(shí)器才能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的測(cè)量，兩者的信號(hào)輸入控制器計(jì)算后在LED上顯示，使用P0口加上拉電阻驅(qū)動(dòng)LED動(dòng)態(tài)顯示汽車速度，P2端口的某些口為控制端口，比如AD轉(zhuǎn)換，DA轉(zhuǎn)換的WR,CS等控制，

8、P2.1輸出控制電流經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離電路，放大電路以及保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最后由電機(jī)反饋實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速至控制器進(jìn)行PID控制算法。2.2.2 方案二設(shè)計(jì)框圖LCD1602顯示器XTAL1 XTAL2 P0 RST P2 P1 P3.2時(shí)鐘電路復(fù)位電路汽車行駛速度設(shè)定按鍵相應(yīng)的控制端口P3.6 P2.1脈沖信號(hào)輸入輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)ADC0804轉(zhuǎn)換電路反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入P3.3圖2.2 系統(tǒng)總體框圖方案二：采用ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集信號(hào)模擬汽車轉(zhuǎn)向扭矩，按鍵輸入汽車速度，將信號(hào)輸入控制器中通過(guò)助力策略得出相應(yīng)的PWM占空比，由P2.1口輸入L298驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速至單

9、片機(jī)進(jìn)行增量式PID控制算法得到最終的PWM占空比。2.3最終方案確定方案一對(duì)比于方案二較為復(fù)雜，.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 AT89C51單片機(jī)介紹AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 以下主要是設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的引腳及其功能的設(shè)計(jì)。P0口：方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，

10、對(duì)端口P0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 將單片機(jī)需要顯示的結(jié)果由P0口向LCD1602輸入。P1口：P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL 邏輯 門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。本次設(shè)計(jì)將AD芯片采集的模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)的P1端口輸入。例如為5V電壓則輸出0xff,向全部P1端口輸入高電平。P2口：P2口與P1口相差不大，在此次設(shè)計(jì)中的將某些端口定義為某些控制端口，比如AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制端CS，RD，WR等，以及PWM信號(hào)輸出也由P2.1口向L298芯片輸出。P3口：較以上端口

11、來(lái)說(shuō)，P3口的大多口都有復(fù)用功能。在此次設(shè)計(jì)中就用到了P3.2端口的復(fù)用功能外部中斷0，以及P3.4，P3.5的計(jì)數(shù)功能等。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 .XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。設(shè)計(jì)中將XTAL1，XTAL2輸入外部硬件產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)。3.2 ADC0804芯片介紹ADC0804是一款8位、單通道、低價(jià)格A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點(diǎn)是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大約100us；方便TTL或CMOS標(biāo)準(zhǔn)接口；可以滿足差分電壓輸入；具有參考電壓輸入端；內(nèi)含時(shí)鐘發(fā)生器；單電源工作時(shí)（05）V輸入電壓

12、范圍是05V；不需要調(diào)零等等。 Vin（+）Vin(-)：兩模擬信號(hào)輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號(hào)；DB7DB0：具有三態(tài)特性數(shù)字信號(hào)輸出口；AGND：模擬信號(hào)地；DGNA：數(shù)字信號(hào)地；CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端；CLKR：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK端配合可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為1/(1.1RC)；CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明AD轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動(dòng)工作WR：寫信號(hào)輸入，低電平啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換；RD：讀信號(hào)輸入，低電平輸出端有效；INTR：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成；Vref/2：參考電平輸入，決定量化單位；Vcc：芯片電源5V

13、輸入；3.2.1 ADC0804芯片的時(shí)鐘頻率ADC0804的工作時(shí)鐘頻率允許在范圍為100KHZ-1460KHZ之間，本次設(shè)計(jì)采用640KHZ的時(shí)鐘頻率，根據(jù)1/(1.1RC)公式計(jì)算采用. 3.2.2 ADC0804采集的信號(hào)處理.3.3 LCD1602液晶顯示器 LCD1602是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，其中相應(yīng)的引腳作用如下VSS：電源地；VCC：電源；V0： 電源顯示偏壓，接入滑動(dòng)變阻器可調(diào)節(jié)顯示屏亮度；R/S： 命令/數(shù)據(jù)選擇的引腳，當(dāng)寫入0時(shí)為指令選擇，此時(shí)輸入的信號(hào)為指令信號(hào)，當(dāng)寫入1時(shí)，就為數(shù)據(jù)信號(hào)。R/W： 該端口為讀/寫端口，寫入1為讀數(shù)據(jù)，寫入0為

14、寫數(shù)據(jù)。由于此次課程設(shè)計(jì)只選用寫的功能，在Proteus的連線將此端口接地。E： 使能端，寫1即選中。DB0-DB7：并行數(shù)據(jù)端口。BLA,BLK：為被光源正負(fù)級(jí)端口。3.4 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹 L298驅(qū)動(dòng)芯片下面是L298引腳及相應(yīng)功能介紹：在本次課程設(shè)計(jì)由于.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖 結(jié) 束調(diào)用顯示子程序按鍵輸入速度信號(hào)助力控制策略處理輸入信號(hào)調(diào)用增量式PID控制算法AD0804電壓信號(hào)采集 開(kāi) 始介工作過(guò)程.4.2 子程序流程圖4.2.1 助力控制策略子流程圖 開(kāi) 始計(jì)算車速Yv>0&v<=20NYv>20&v<=30YK(v)=

15、3.8021K(v)=2.9211Nv>30&v<=40NK(v)=1.8532Yv>40&v<=60NYv>60&v<=90K(v)=0.8511K(v)=0.4379 K(v)=0N 返 回 電控轉(zhuǎn)向助力控制策略流程圖介工作過(guò)程.4.2.2 ADC0804子流程圖 開(kāi) 始轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，寫準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)，讀準(zhǔn)備 均值濾波 返 回 ADC0804數(shù)據(jù)采集流程圖介工作過(guò)程.4.2.2 PID控制算法子流程圖流程圖加介紹。 5 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程 通過(guò)上面的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。下面主要實(shí)現(xiàn)Protell99se的原理圖、印制板圖的繪制和做相關(guān)檢測(cè)，

16、對(duì)Keil進(jìn)行相應(yīng)的檢查和調(diào)試，并用Proteus對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。5.1原理圖和印制板圖繪制和檢查5.1.1 在Protel99se繪制原理圖打開(kāi)Protel99se，繪制系統(tǒng)的原理圖。原理圖包括能輸出時(shí)鐘電路，驅(qū)動(dòng)電路以及復(fù)位電路。繪制完成的原理圖如下圖所示： 圖5.1.11 原理圖的繪制具體大圖見(jiàn)附錄1。繪制完原理圖之后，對(duì)原理圖進(jìn)行同一網(wǎng)絡(luò)命名多個(gè)網(wǎng)絡(luò)名稱檢測(cè)、未連接的電路標(biāo)號(hào)檢測(cè)、未連接的電源檢測(cè)、電路編號(hào)重號(hào)檢測(cè)、元件編號(hào)重復(fù)檢測(cè)等檢測(cè)。ERC檢測(cè)結(jié)果如圖5.2: 圖5.1.12 ERC電氣規(guī)則檢查5.1.2 在Protell99se生成PCB圖在創(chuàng)建完原理圖后，對(duì)各元器件的引

17、腳進(jìn)行封裝，對(duì)于生成的PCB圖中各器件進(jìn)行調(diào)整，并布線，最終生成PCB圖。結(jié)果如圖5.1.21所示: 圖5.1.21 生成PCB圖在圖中將電源線，和地線均加粗處理。5.2 Keil程序調(diào)試程序調(diào)試結(jié)果如圖5.2所示： 圖5.2 程序調(diào)試結(jié)果5.3 Proteus仿真調(diào)試1.在proteus仿真開(kāi)始，速度為0，PWM=0，電機(jī)不轉(zhuǎn)。2.方向盤轉(zhuǎn)矩為3.927牛頓米，速度為17千米每小時(shí)，PWM脈沖占空比較大，電機(jī)助力較大。3. 方向盤轉(zhuǎn)矩為3.863牛頓米，速度為34千米每小時(shí)，PWM脈沖占空比較大，電機(jī)助力較大。4.方向盤轉(zhuǎn)矩為2.454牛頓米，速度為57千米每小時(shí)，PWM脈沖占空比較小，電機(jī)助力較小。5.方向盤轉(zhuǎn)矩為1.542牛頓米，速度為94千米每小時(shí)，PWM脈沖占空幾乎為0，電機(jī)幾乎不產(chǎn)生助力。6.方向盤轉(zhuǎn)矩為1.542牛頓米，速度為119千米每小時(shí)，PWM脈沖占空幾乎為0，電機(jī)幾乎不產(chǎn)生助力。綜上仿真結(jié)果可知，基本達(dá)到了任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)了低速駕駛的轉(zhuǎn)向輕便性與高速駕駛的