電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、XX理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)概括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS）是汽車(chē)工程領(lǐng)域的熱門(mén)話題之一。本文在研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了EPS電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）的硬件電路及相應(yīng)的控制軟件框圖。89c52單片機(jī)為微處理器，研發(fā)了電控單元。控制單元具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制功能。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，確定電機(jī)輸出的目標(biāo)電流，采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)H橋電路控制電機(jī)的輸出電流和旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向功能。 .實(shí)驗(yàn)ECU裝置研制完成后，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的控制軟件?？刂栖浖譃榭刂撇呗缘膶?shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)信號(hào)的采集與分析兩部分。整個(gè)

2、軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。在數(shù)據(jù)信號(hào)采集與控制部分，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序、 A/D采集程序、車(chē)速信號(hào)采集程序和PWM控制程序。EPS電控單元性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，與整車(chē)匹配性能好，可以保證EPS能夠達(dá)到良好的轉(zhuǎn)向助力效果。關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 電控單元 單片機(jī) 控制策略目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc26452 前言 PAGEREF _Toc26452 1 HYPERLINK l _Toc5524 第1章 緒論 PAGEREF _Toc5524 2 HYPERLINK l _Toc17848 1.1汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc17848

3、2 HYPERLINK l _Toc17998 1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc17998 4 HYPERLINK l _Toc3190 1.3 EPS的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù) PAGEREF _Toc3190 5 HYPERLINK l _Toc12656 1.4本課題研究的目的與意義 PAGEREF _Toc12656 6 HYPERLINK l _Toc11934 第2章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定與工作原理 PAGEREF _Toc11934 7 HYPERLINK l _Toc15221 2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc1

4、5221 9 HYPERLINK l _Toc28093 2.1.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理 PAGEREF _Toc28093 9 HYPERLINK l _Toc23212 2.1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類(lèi) PAGEREF _Toc23212 11 HYPERLINK l _Toc7674 2.1.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求 PAGEREF _Toc7674 12 HYPERLINK l _Toc13677 2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc13677 13 HYPERLINK l _Toc3056 2.2.1轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型 PAGEREF _

5、Toc3056 14 HYPERLINK l _Toc12031 2.2.2電動(dòng)機(jī)模型 PAGEREF _Toc12031 14 HYPERLINK l _Toc6779 2.2.3輸出軸子模型 PAGEREF _Toc6779 16 HYPERLINK l _Toc16570 2.2.4齒輪齒條子模型 PAGEREF _Toc16570 16 HYPERLINK l _Toc8150 2.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分 PAGEREF _Toc8150 17 HYPERLINK l _Toc10535 2.3.1轉(zhuǎn)矩傳感器 PAGEREF _Toc10535 18 HYPERLINK l _T

6、oc1208 2.3.2車(chē)速傳感器 PAGEREF _Toc1208 19 HYPERLINK l _Toc2345 2.3.3直流電動(dòng)機(jī) PAGEREF _Toc2345 20 HYPERLINK l _Toc32086 2.3.4電磁離合器 PAGEREF _Toc32086 21 HYPERLINK l _Toc1917 2.3.5減速機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc1917 22 HYPERLINK l _Toc13170 2.3.6電子控制單元ECU PAGEREF _Toc13170 23 HYPERLINK l _Toc5383 第3章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF

7、_Toc5383 24 HYPERLINK l _Toc12765 3.1電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc12765 24 HYPERLINK l _Toc204 3.2控制器微處理芯片的選擇 PAGEREF _Toc204 26 HYPERLINK l _Toc9497 3.2.1控制器微處理器常用芯片與選型 PAGEREF _Toc9497 26 HYPERLINK l _Toc16528 3.2.2 89C52芯片與A/D轉(zhuǎn)換芯片介紹 PAGEREF _Toc16528 26 HYPERLINK l _Toc25088 3.2.3 89C52外部總線擴(kuò)展與片外R

8、OM的連接 PAGEREF _Toc25088 28 HYPERLINK l _Toc15203 3.3控制器輸入通道的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15203 30 HYPERLINK l _Toc27282 3.3.1轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集 PAGEREF _Toc27282 30 HYPERLINK l _Toc3498 3.3.2電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的采集 PAGEREF _Toc3498 31 HYPERLINK l _Toc10851 3.3.3車(chē)速信號(hào)的采集 PAGEREF _Toc10851 33 HYPERLINK l _Toc14953 3.4控制器輸出通道的設(shè)計(jì) PAGEREF _To

9、c14953 34 HYPERLINK l _Toc12088 3.4.1電動(dòng)機(jī)的PWM控制 PAGEREF _Toc12088 34 HYPERLINK l _Toc7124 3.4.2電磁離合器和顯示控制電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc7124 39 HYPERLINK l _Toc2009 3.4.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路與繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2009 40 HYPERLINK l _Toc13681 3.5系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc13681 41 HYPERLINK l _Toc545 3.6系統(tǒng)硬件抗干擾措施 PAGEREF _Toc545

10、 42 HYPERLINK l _Toc23641 第4章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23641 45 HYPERLINK l _Toc2764 4.1 EPS的控制策略 PAGEREF _Toc2764 45 HYPERLINK l _Toc3662 4.1.1 EPS的PID控制 PAGEREF _Toc3662 45 HYPERLINK l _Toc17570 4.2電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc17570 48 HYPERLINK l _Toc22217 4.2.1 A/D采集程序 PAGEREF _Toc22217 49 HY

11、PERLINK l _Toc23008 4.2.2 PWM控制程序 PAGEREF _Toc23008 50 HYPERLINK l _Toc22825 4.2.3車(chē)速信號(hào)采集程序 PAGEREF _Toc22825 51 HYPERLINK l _Toc25109 4.2.4系統(tǒng)主程序 PAGEREF _Toc25109 53 HYPERLINK l _Toc4521 結(jié)論 PAGEREF _Toc4521 55 HYPERLINK l _Toc18387 謝 辭 PAGEREF _Toc18387 56 HYPERLINK l _Toc10961 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc1096

12、1 57 HYPERLINK l _Toc13529 附錄 PAGEREF _Toc13529 59 HYPERLINK l _Toc29546 外文資料翻譯 PAGEREF _Toc29546 66前言轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車(chē)的重要組成部分，其性能將直接影響汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行車(chē)安全。汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段。國(guó)際上一些大型汽車(chē)公司一直在探討和開(kāi)發(fā)下一代線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國(guó)外，各大汽車(chē)公司對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System-EPS，或Electric Assisted Steering-EAS）的研

13、究已有20多年的歷史。近年來(lái)隨著電控技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來(lái)越受到人們的重視，并以其傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)迅速進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，部分替代了傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)HPS）。實(shí)踐證明，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、成本低、易控制、易裝載、提高操縱穩(wěn)定性和便攜性等優(yōu)點(diǎn)，滿足機(jī)電一體化的要求，正迎合了汽車(chē)行業(yè)的要求。時(shí)代。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵在于電子控制技術(shù)，包括建立合適的助力特性和采集主要參數(shù)的傳感技術(shù)。此外，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與車(chē)輛安全性和操縱穩(wěn)定性的關(guān)系，以及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可

14、靠性將成為重要的研究課題。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車(chē)的普及率會(huì)越來(lái)越高，汽車(chē)的行駛和轉(zhuǎn)向的輕便性將成為購(gòu)車(chē)者的考慮因素之一。因此，該系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于滿足社會(huì)需求、跟上世界汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。第一章簡(jiǎn)介_(kāi)1.1汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn)由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操作靈活、重量輕、吸收路面對(duì)前輪的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自1950年代以來(lái)已廣泛應(yīng)用于各國(guó)汽車(chē)。當(dāng)今的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（HPS）是內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的主流。但是傳統(tǒng)的HPS需要不斷消耗能量，降低了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，其復(fù)雜的液壓系統(tǒng)存在助力特性不可調(diào)、環(huán)境污染、維修不便等缺點(diǎn)。汽車(chē)上以電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）于1980年代開(kāi)

15、始研究。與HPS相比，它具有更突出的優(yōu)勢(shì)：1、EPS能在各種行車(chē)條件下提供最佳輔助，減少路面不平對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干擾，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，降低汽車(chē)低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向控制力，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，從而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。并且可以通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來(lái)滿足不同物體的需要。2.提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵，使液壓油不斷流動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。相反，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的EPS只有在進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供能量，是真正的“按需”系統(tǒng)。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車(chē)輛與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車(chē)輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車(chē)輛無(wú)轉(zhuǎn)向時(shí)油耗降低2.5% ；使用轉(zhuǎn)向時(shí)油耗降低5.5%。3

16、.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在EPS中，電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連以使其能量直接用于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。這樣增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)部分的阻尼也使得車(chē)輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)。和HPS相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。4.該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，在停車(chē)時(shí)，也可獲得最大的轉(zhuǎn)向動(dòng)力。同時(shí)省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪等，其零件比HPS大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置的選擇方面也更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，維修更簡(jiǎn)單。 5.EPS沒(méi)

17、有液壓回路，不存在滲油的問(wèn)題，減少了對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)由于液壓油在低溫時(shí)的粘度很大，存在低溫時(shí)必須有個(gè)加溫的過(guò)程，而EPS可以在零下40很好的工作，基本上不存在受溫度影響的問(wèn)題。 6.在未來(lái)10-15年推出的純電動(dòng)汽車(chē)或者燃料電池汽車(chē)等汽車(chē)上由于沒(méi)有的傳統(tǒng)意義上的內(nèi)燃機(jī)，因此必須考慮安裝EPS。 7.電動(dòng)轉(zhuǎn)向還可有各種安全保護(hù)措施和故障自診斷功能。使用可靠，維修方便。由此可見(jiàn)，EPS和HPS相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車(chē)時(shí)代發(fā)展主題的高新技術(shù)，必將逐步取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)外從1979年就開(kāi)始研究電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向

18、系統(tǒng)，1988年日本鈴木公司首先在其CER車(chē)上裝備了電動(dòng)式EPS。同年，美國(guó)通用公司也在某些型號(hào)的汽車(chē)上裝備了電動(dòng)式EPS。1993年，本田汽車(chē)公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉利和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的愛(ài)克NSX跑車(chē)上;同年，在歐洲市場(chǎng)銷(xiāo)售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)-菲亞特幫托也將美國(guó)德?tīng)柛９旧a(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。隨后，國(guó)外很多公司和機(jī)構(gòu)介入了電動(dòng)式EPS的研究和開(kāi)發(fā)工作。美國(guó)的TRW公司，日本的三菱公司、KOYO公司，德國(guó)的ZF公司都相繼研制出了電動(dòng)式EPS。經(jīng)過(guò)三十年來(lái)的發(fā)展，EPS技術(shù)已日趨完善，其應(yīng)用X圍正從最初的微型轎車(chē)向普通轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展。EPS

19、產(chǎn)品在2002年才有國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)知道的有10多家科研院校正在研制中，如清華大學(xué)、XX大學(xué)、XX大學(xué)、XX大學(xué)、XX工業(yè)大學(xué)等，另外還有10多家轉(zhuǎn)向企業(yè)和10多家配套企業(yè)也在研制中。從市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，國(guó)內(nèi)已裝有EPS產(chǎn)品的汽車(chē)主要為1.3L-1.6L的轎車(chē)(主要是電動(dòng)機(jī)的功率所致)。如XX長(zhǎng)安的奧拓、XX的奇瑞、XX菲亞特、XX本田飛度、昌XX斗星等。但是，由于國(guó)產(chǎn)汽車(chē)各車(chē)型技術(shù)的實(shí)際情況以與使用條件的特殊性，國(guó)外的EPS與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的匹配以與實(shí)用性還存在問(wèn)題，至今還沒(méi)有與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS，僅僅在近幾年才開(kāi)展EPS的技術(shù)研究，可獲得的技術(shù)資料較少，目

20、前尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。1.3 EPS的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù)首先，EPS的應(yīng)用X圍將會(huì)進(jìn)一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量達(dá)130萬(wàn)至150萬(wàn)套，按此速度發(fā)展，用不了幾年的時(shí)間，電動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車(chē)市場(chǎng)，并向微型車(chē)、輕型車(chē)和中型車(chē)擴(kuò)展。盡管EPS已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的，但仍然存在一些問(wèn)題急待解決，比如提高現(xiàn)有應(yīng)用的EPS系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)成本等。其中，進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。電動(dòng)機(jī)本身的性能與其與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操

21、縱力、轉(zhuǎn)向、路感等問(wèn)題。概括地說(shuō)，今后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要為:改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，才能滿足更高檔車(chē)的使用要求。另外，EPS的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車(chē)速、扭矩和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車(chē)特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。未來(lái)的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過(guò)總線技術(shù)電子懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這將是EPS的未來(lái)10年的發(fā)展方向。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于在這方

22、面和國(guó)外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仍須集中精力解決傳感器、電機(jī)、和電子控制器方面的研究工作。1.4本課題研究的目的與意義汽車(chē)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車(chē)低速時(shí)需要“輕”的轉(zhuǎn)向力，高速時(shí)需要“靈”的轉(zhuǎn)向效果。同時(shí)，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約。本課題將通過(guò)合適的綜合控制方法，設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)，以提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和路感，并為以后的深入研究EPS的工作打下良好的基礎(chǔ)。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)傳來(lái)的信息表明:電動(dòng)轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。本文所進(jìn)行的工作正是在這一時(shí)代背景下展開(kāi)的。通過(guò)查閱

23、國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過(guò)仿真提出了一條可供進(jìn)一步研究的控制策略。第2章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定與工作原理系統(tǒng)總體方案的確定，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步，直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的性能、安全運(yùn)行等因素的參數(shù)選定，使設(shè)計(jì)能夠有序、正確的進(jìn)行。為更好的擬定一份準(zhǔn)確、可靠的總體方案，可以采用“多選一”的形式。第一方案：此方案以80c552作微處理器。如圖2-1所示。80c552單片機(jī)是由Philips公司生產(chǎn)的一款功能非常強(qiáng)大的MCS-51系列兼容機(jī)。除了提供80C552的全部功能外，還提供了大量的硬件資源，引入了許多新的功能，是專(zhuān)為

24、儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)控制等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的高性能單片機(jī)。但是由于80C552沒(méi)有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。41.1卻有4.12.PWMA/DA/D80c5280c552車(chē)速信號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)扭矩信號(hào)7LS373AT2864動(dòng)電路圖2-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案框圖B計(jì)劃：本方案采用89c52作為單片機(jī)，如圖2-2所示。扭矩傳感器、車(chē)速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)電流傳感器的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)放大電路和ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成89c52單片機(jī)，再由89c52及時(shí)控制輸出電路- 共享，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。與80c552相比，89c52不需要外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器

25、。電離離合器直流電機(jī)89C5扭矩傳感車(chē)速傳器發(fā)動(dòng)電流系統(tǒng)電源點(diǎn)火關(guān)輸入處理電路輸監(jiān)控圖2-2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案框圖與方案一相比，本方案的特點(diǎn)是基于實(shí)際使用性能。與方案一相比，節(jié)省了系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)空間，使用適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)以上分析，第二種方案是設(shè)計(jì)中的最佳方案。因此，本次設(shè)計(jì)選擇第二種方案作為設(shè)計(jì)方案。2.1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理2.1.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及工作原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電機(jī)為動(dòng)力源，電子控制裝置根據(jù)扭矩參數(shù)和車(chē)速信號(hào)進(jìn)行助力控制。典型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖2-3所示：圖2-3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成從圖中可以看出，所謂EPS系統(tǒng)是在原有機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車(chē)速傳感

26、器、扭矩角傳感器、電子控制器、直流電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸提供動(dòng)力轉(zhuǎn)向。片刻。扭矩角度傳感器測(cè)量扭矩和方向盤(pán)角度，并將其與車(chē)速信號(hào)一起發(fā)送到電子控制器?？刂破鞲鶕?jù)獲得的信號(hào)判斷是否輔助以及輔助的方向。如果需要輔助，則根據(jù)預(yù)定的控制策略計(jì)算電機(jī)輔助扭矩的大小，并向驅(qū)動(dòng)電路輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。后者為電機(jī)提供相應(yīng)的電壓或電流。電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到助推效果。當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，安裝在方向盤(pán)輸入軸上的扭矩傳感器不斷測(cè)量轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向扭矩，并將信號(hào)和車(chē)速信號(hào)同時(shí)輸入到控制器ECU?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號(hào)和相應(yīng)的控制策略確定助力的大小和方向，即確定電機(jī)電流的大

27、小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小。減速機(jī)構(gòu)通過(guò)電磁離合器將減速力矩減速后，將電動(dòng)機(jī)的輸出力矩施加到轉(zhuǎn)向桿的輸出軸上，通過(guò)齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用，可以得到適合汽車(chē)工作條件的轉(zhuǎn)向力。2.1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類(lèi)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按其轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和位置可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向軸小齒輪助力式和齒條助力式三種形式。1:轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assist Type)此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見(jiàn)的助力形式。由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。但是

28、電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤(pán)上。如果電動(dòng)機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的抑制。2:小齒輪助力式(Pinion-assist Type)這也是一種目前較為常見(jiàn)的助力形式，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向小齒輪相連。它具有轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且還可在現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向器上直接設(shè)計(jì)，而不用改變轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。因此本設(shè)計(jì)采用此種助力方式。3:齒條助力式(Rack-assist Type) 電動(dòng)機(jī)的電樞通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力。作為最初應(yīng)用的EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置的限制，可以提供較大的助力力矩，

29、電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤(pán)上。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動(dòng)機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。2.1.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。高的轉(zhuǎn)向靈敏性，要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動(dòng)比，以小的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角獲得迅速轉(zhuǎn)向。好的操縱輕便性，則要求轉(zhuǎn)向器具有較大的傳動(dòng)比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤(pán)操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩?？梢?jiàn)，上述的兩個(gè)要求是矛盾的。而電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和控制電機(jī)提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿

30、足動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的如下要求：(1)能有效減小操縱力，特別是停車(chē)轉(zhuǎn)向操縱力。而行車(chē)轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于245N。(2)轉(zhuǎn)向靈敏度好。轉(zhuǎn)向靈敏度就是轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。(3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)能自動(dòng)回正;駕駛員應(yīng)有良好的“路感”。(4)要有隨動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角保持一定關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車(chē)輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。(5)工作可靠。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向失敗或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過(guò)人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為了研究EPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與EPS系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)操縱性的影響，EPS數(shù)學(xué)模型的建立是進(jìn)行理論研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。EPS的機(jī)械部分

31、主要可分為轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個(gè)主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對(duì)象，忽略一些次要因素，對(duì)EPS部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立各部分的力學(xué)模型，然后再根據(jù)各部件之間的相互約束關(guān)系，聯(lián)立各模型，得到如圖2-4所示的模型。圖2-4 EPS動(dòng)態(tài)模型2.2.1轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼考慮在內(nèi)，可以得到如下運(yùn)動(dòng)方程:J EMBED Equation.3 +B EMBED Equation.3 =T-T(2-1)式中Js轉(zhuǎn)向盤(pán)、輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kgm; Bs輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，N

32、m /( rad / s) ;輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad ; T作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，Nm; Tsen扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，Nm 。由于轉(zhuǎn)矩傳感器是依靠扭桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿受到的轉(zhuǎn)矩與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度成正比，即有 Tsen = Ks (s-e) (2-2)式中KS扭桿的剛性系數(shù)，Nm/rad ; s輸出軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。2.2.2電動(dòng)機(jī)模型系統(tǒng)采用永磁式直流電動(dòng)機(jī)，如圖2-5所示，電動(dòng)機(jī)的端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Kb、轉(zhuǎn)速m、電流I和時(shí)間t之間的關(guān)系如下:U=L十RI十Km （2-3）圖2-5 永磁式直流電動(dòng)機(jī)模型電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:Tm = Ka I (2-4

33、)式中Ka電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù): NmA。對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械部分受力分析，可以得到:Jmm + Bmm=Tm-Ta (2-5)式中Jm,電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kgm; Bm電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)，Nm/(rad/s);m電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，rad; Tm電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Nm; Ta電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，Nm 。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩Ta可以如下式所示Ta = Km (m Ge)(2-6)式中Km電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)，Nm/rad 。2.2.3輸出軸子模型對(duì)轉(zhuǎn)向柱輸出軸與電機(jī)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程: Jee +Bee=Tsen + GTa Tw (2-7)式中Je輸出軸的轉(zhuǎn)

34、動(dòng)慣量，Kgm; Be輸出軸的阻尼系數(shù)，Nm /(rad / s) ; G蝸輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比; Tw作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩，Nm 。2.2.4齒輪齒條子模型對(duì)齒條和小齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，可以得到Mr Xr + Br Xr=-FTR(2-8) 式中Mr齒條與小齒輪的等效質(zhì)量，Kg; Br齒條的阻尼系數(shù)，N/(m/s); Xr齒條的位移，m; Rp小齒輪半徑，m; FTR輪胎轉(zhuǎn)向阻力與回正力矩等作用于齒條上的軸向力，N。轉(zhuǎn)向阻力FTR主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪與地面的摩擦、回正力矩與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時(shí)它還與車(chē)速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以與轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。對(duì)于常規(guī)助力控制過(guò)程

35、該模型的簡(jiǎn)化對(duì)控制策略的影響不大，這里給出簡(jiǎn)化的計(jì)算公式：FTR=KrXr+F(2-9)式中Kr等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m ; F路面的隨機(jī)信號(hào)，N。其中e=。聯(lián)立上面所建的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到:Jss + Bss+ Kss=T（2-10）Jmm +Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11）Mrr+Brr+KrXr= EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 -F（2-12）Mr=mr+減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量，Kg；Br=br+減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量阻尼系數(shù)，N/（m/s）。Kt=kt+小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/

36、m；2.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類(lèi)型，但其主要部件幾乎一樣。除了本身的機(jī)械傳動(dòng)部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車(chē)速傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器ECU (Electronic Control Unit)。2.3.1轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器用于測(cè)量方向盤(pán)的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)傳送給控制器ECU，作為系統(tǒng)控制策略的重要依據(jù)之一，它直接影響到控制效果的好壞，所以很多廠家都非常重視轉(zhuǎn)矩傳感器的研究與開(kāi)發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類(lèi)，非接觸式主要是使用下列三種技術(shù)之一；磁、光和感應(yīng)技術(shù)。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線

37、性功能和滯后性能好，但價(jià)格較高。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。鋼球通過(guò)螺旋球表面固定在輸入軸外側(cè)的螺旋球槽和滑塊內(nèi)側(cè)的球洞里。滑塊相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向移動(dòng)。同時(shí)，滑塊通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)安裝到輸出軸，使它僅可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸旋轉(zhuǎn)的方向和輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)(在軸方向)，(等于輸入軸相對(duì)于輸出軸旋轉(zhuǎn))。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時(shí)，輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為圖2

38、-6所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，并傳送到控制器ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分為主、副兩路。當(dāng)方向盤(pán)處于中間位置時(shí)，主、副兩路輸出的信號(hào)都為2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)左轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于2.5 V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可判斷方向盤(pán)轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。圖2-6 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性2.3.2車(chē)速傳感器車(chē)速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車(chē)速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力X圍時(shí)，系統(tǒng)將停止助力，

39、改為手動(dòng)操作。車(chē)速信號(hào)由車(chē)速傳感器測(cè)得，車(chē)速傳感器也有多種類(lèi)型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見(jiàn)的車(chē)速傳感器工作原理如圖2-7所示，車(chē)速傳感器由永久磁鐵、鐵芯與線圈組成。由于傳感器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖2-7為車(chē)速傳感器的工作原理。 1.輪毅 2.轉(zhuǎn)子 3.永久磁鐵 4.輸出信號(hào)電壓 5.高速時(shí) 6.低速時(shí)圖2-7 車(chē)速傳感器的工作原理車(chē)速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給控制系統(tǒng)。在本文的研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的車(chē)速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。2.3.3直

40、流電動(dòng)機(jī)EPS用直流電動(dòng)機(jī)與一般的起動(dòng)電機(jī)在原理上基本一樣，但一般采用永磁電動(dòng)機(jī)。為了降低噪聲和減小振動(dòng)，有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面開(kāi)有斜槽。作為EPS系統(tǒng)助力的提供者，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。一般應(yīng)滿足如下要求： 1)盡可能寬的調(diào)速X圍; 2)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 3)良好的低速平穩(wěn)性; 4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低; 5)過(guò)載能力強(qiáng);按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動(dòng)機(jī)作為EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)，其工作的額定電壓為12 V,額定電流為30A,，額定轉(zhuǎn)速為1050r/min,額定輸出功率為170W，額定轉(zhuǎn)矩為1.48Nm.2.3.4電磁離合器電磁離合器安裝在電動(dòng)機(jī)和減速齒輪之間

41、，它的作用主要是使電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié)合和分離。當(dāng)系統(tǒng)工作于助力模式時(shí)，離合器使電機(jī)與減速齒輪結(jié)合，傳送電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)車(chē)速高于設(shè)定值或電機(jī)電流高于設(shè)定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器又?jǐn)嚅_(kāi)電動(dòng)機(jī)與減速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。一般的EPS系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，主要由電磁線圈、 主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓板等組成。其工作原理如下:裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸上的主動(dòng)輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過(guò)滑環(huán)引入電流。當(dāng)離合器通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生的電磁力使壓板與主動(dòng)輪端面壓緊。于是，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳給減速齒輪滅。1 滑環(huán)

42、2 電磁線圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動(dòng)軸 6 主動(dòng)軸 7 滾珠軸承圖2-8 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖2.3.5減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式。兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)能提供較大的助力，一般用于小齒輪助力和齒條助力式EPS系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)提供的助力雖不如兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿足微型車(chē)的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以與成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛

43、。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)脂材料制成。在本課題的研究中，所選用的就是蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，它是與電動(dòng)機(jī)與電磁離合器集成為一體的一個(gè)組成機(jī)構(gòu)。圖2-9為電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。圖2-9 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成2.3.6電子控制單元ECUECU的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)和車(chē)速傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。由于EPS系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量還不是很大，所以目前的控制器核心一般采用8位的單片機(jī)。第3章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制器ECU是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，控制器的硬件性能直

44、接影響EPS系統(tǒng)的控制效果。在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了硬件控制器ECU?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要包括兩大部分，一是數(shù)據(jù)輸入通道，即數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，二是控制輸出通道，主要是電動(dòng)機(jī)的控制電路。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡(jiǎn)要介紹。3.1電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu)EPS控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1 EPS控制器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)控制器接收到汽車(chē)點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，ECU采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車(chē)速傳感器的輸入信號(hào)，根據(jù)已定的控制規(guī)則，確定一個(gè)目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過(guò)H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)

45、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣，采樣的結(jié)果一方面與目標(biāo)電流相比較，用于電機(jī)的控制;另一方面結(jié)合車(chē)速信號(hào)，用于系統(tǒng)的保護(hù)。若電機(jī)電流大于設(shè)定值或車(chē)速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù)電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對(duì)繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開(kāi)電機(jī)電源，停止助力，待系統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。3.2控制器微處理芯片的選擇3.2.1控制器微處理器常用芯片與選型作為汽車(chē)電子技術(shù)研究的熱門(mén)課題之一，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)控制器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上。現(xiàn)在常用的芯片有很多種，如8031,8051,89C51,89C52等，本設(shè)計(jì)中選擇89C52作為微處理器。3.2.2

46、 89C52芯片與A/D轉(zhuǎn)換芯片介紹89C52單片機(jī)芯片引腳如圖3-2所示。圖3-2 89C52單片機(jī)芯片引腳（1）89C52的40個(gè)引腳按其功能來(lái)分，可分為如下三類(lèi)： (1)電源與時(shí)鐘引腳：V、V；XTAL1、XTAL2 (2)控制引腳： 、ALE、RESET（即RST） (3)I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個(gè)8位I/O口的外部引腳。（2）8通道8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 0808由于單片機(jī)不能直接與模擬信號(hào)相連接，所以必須有一個(gè)器件完成從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而ADC0808就是這樣一個(gè)器件。ADC0808 是CMOS的8位單片A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有8路模擬開(kāi)關(guān)，可控制選擇8個(gè)模

47、擬量中的一個(gè)。A/D轉(zhuǎn)換采用逐漸逼近原理。輸出的數(shù)字信號(hào)有TTL三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線。模擬輸入部分有8路多路開(kāi)關(guān)，可由三位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來(lái)選擇。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK信號(hào)控制內(nèi)部電路的工作，由START信號(hào)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)始。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在內(nèi)部鎖存，通過(guò)三態(tài)緩沖器接至輸出端。ADC0808與89C52連接圖如圖3-3所示。圖3-3 ADC0808與單片機(jī)89C52的連接圖3.2.3 89C52外部總線擴(kuò)展與片外ROM的連接由于89C52的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下，我們采用地址鎖存器進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展。常用的

48、單片機(jī)地址鎖存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。本設(shè)計(jì)中，采用74LS373來(lái)擴(kuò)展89C52的外部總線。圖3-4為74LS373引腳圖。 圖3-4 74LS373的引腳圖74LS373是帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門(mén)為有效低電平，使能端G為有效高電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化；當(dāng)G端有高變低時(shí)，輸出端8位信息被鎖存，直到G端再次有效為止。 由于89C52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不能滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，必須外接RAM。RAM是程序存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)稱(chēng)，用來(lái)存放用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，具有RAM型存儲(chǔ)器的單片機(jī)價(jià)格最低，它適用于大批量生產(chǎn)。片外的RAM可直接掛在外部系統(tǒng)總線上，至于RAM的選通操作，需要由控制

49、信號(hào)和片外信號(hào)確定。外部程序存儲(chǔ)器的讀信號(hào)為PSEN。單片機(jī)片外RAM芯片的種類(lèi)和型號(hào)非常多。例如6116(2k)、6264（8k）、62256（32k）等。本系統(tǒng)選擇6264來(lái)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6264的各個(gè)功能引腳如圖3-5所示。圖3-5 6264的各個(gè)功能引腳Vcc：電源電壓，+5V。GND：接地。A0-A12:地址線。D0-D7:數(shù)據(jù)線。：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號(hào)線。:寫(xiě)允許引腳，低電平有效。單片機(jī)和片外RAM的電路連接圖如圖3-6所示.。圖3-6 單片機(jī)89C52和片外RAM的電路連接圖中P2口和6264的高8位地址線連接；P0口經(jīng)過(guò)地址鎖存器輸出的地址線和6264的高8地址總線

50、相連，同時(shí)P0口又與EPROM的數(shù)據(jù)線相連。單片機(jī)的ALE連接地址鎖存器的控制端；連接6264的輸出允許端。3.3控制器輸入通道的設(shè)計(jì)3.3.1轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來(lái)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)有主、副兩路，如前所述，這兩路信號(hào)是對(duì)稱(chēng)的，故在設(shè)計(jì)時(shí)只需采用一種電路。輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值為0-5 V,A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓X圍為0-2.5 Y,故對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了一般的濾波處理外，還需對(duì)其進(jìn)行分壓處理。其電路原理如圖3-7示。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值一樣的R1, R2先將輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分壓，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，然后與C1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成第二級(jí)一階低通濾波，運(yùn)放則作

51、為一個(gè)電壓跟隨器來(lái)使用。轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路如圖3-7所示。 圖3-7 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路3.3.2電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的采集電動(dòng)機(jī)的反饋電流是電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個(gè)參數(shù)，它一方面用來(lái)與目標(biāo)電流的比較，使其更接近于目標(biāo)電流;另一方面，可以利用它來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流高于保護(hù)值時(shí)，切斷電機(jī)供電電源，用軟件的方式替代硬件過(guò)流保護(hù)電路。電機(jī)的反饋電流采用霍爾電流傳感器采集，電機(jī)的額定電流為30A，本課題所選用的是PAS-HID50型霍爾電流傳感器，具有反應(yīng)時(shí)間快，過(guò)載能力強(qiáng)，全程X圍內(nèi)極高的線性度的特點(diǎn)。其電氣參數(shù)見(jiàn)表3-1.表3-1 電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)表電源電壓DC12-15V額定輸入電流50

52、A電流測(cè)量X圍0-70A精度0.5%線性度0.15%額定輸出電流50mA失調(diào)電流優(yōu)于0.2mA跟隨精度200A/us響應(yīng)時(shí)間us頻帶寬度DC-200KHz耐壓AC2.5KV/min，50HzPAS-HID50的接線方式如圖3-8所示。圖3-8 PAS-HID50霍爾傳感器電路連接圖由于助力電動(dòng)機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動(dòng)機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖请娏餍盘?hào)(0-50mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號(hào)，故需在傳感器的輸出引腳上接一個(gè)約100的電阻，將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V到5V的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓變換電路如圖3-9示，使其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的0V到2.5 V的電壓信號(hào)，最后經(jīng)濾波電路

53、送到89C52芯片的A/D端口。圖3-9 電動(dòng)機(jī)電流采集電路3.3.3車(chē)速信號(hào)的采集車(chē)速信號(hào)是從車(chē)速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)，電壓在9.5 V以上。在課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車(chē)速信號(hào)，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)所能處理的信號(hào)高電壓在2.5V左右，所以車(chē)速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，一般采用一個(gè)前位分壓電路即可實(shí)現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電平匹配方式。其具體電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，如圖3-10所示。輸入的車(chē)速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V的脈沖信號(hào)，經(jīng)電阻R2 , R3(阻值一樣)分壓后輸入給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)軟件處理得到對(duì)應(yīng)的車(chē)速。圖3-

54、10 車(chē)速信號(hào)處理電路3.4控制器輸出通道的設(shè)計(jì)ECU的輸出通道主要是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和離合器的開(kāi)斷控制電路。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用了常用的H全橋PWM電路，方向控制由門(mén)電路組成，離合器的開(kāi)斷用繼電器來(lái)控制。下面將分別說(shuō)明。3.4.1電動(dòng)機(jī)的PWM控制在控制器的硬件設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，所以這部分的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性。1. 電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩種。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受次級(jí)飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大

55、，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)消耗大部分電功率，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流的電動(dòng)機(jī)采用的是開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。PWM調(diào)制的原理圖如圖3-11所示。圖3-11

56、電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)PWM來(lái)控制電機(jī)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓U0為:U0=(t1Us十0) /(t1+t2)=ttUs/T（3-1）式中a為占空比，a=tl/To，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，T為脈寬調(diào)制PWM的周期。占空比a表示了在一個(gè)周期T中，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。a的變化X圍為。0al。在電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓Uo的平均值取決于占空比a的大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到控制目的。在PWM調(diào)制時(shí)，占空比a是一個(gè)重要參數(shù)。改變占空比a的主要方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)頻調(diào)寬法和定頻調(diào)寬法。前兩種方法由于在控制時(shí)改變了控制脈沖的周期

57、(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法很少用。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。根據(jù)電動(dòng)助力的原理，要求電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)工作，這就需要可逆PWM控制系統(tǒng)?？赡鍼WM控制系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期中，直流電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)電樞只能承受單極性電壓。由于單極性驅(qū)動(dòng)方式能夠避免

58、開(kāi)關(guān)管直通，可大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以適用于在大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用上。鑒于上述原因，本課題的EPS控制器的電機(jī)控制部分，采用了單極性PWM控制方式，占空比a的調(diào)整采用了定頻調(diào)寬法。在確定了PWM控制方法后，下一步的工作就是對(duì)半導(dǎo)體功率器件的選擇。2. 功率開(kāi)關(guān)部件的選擇與其驅(qū)動(dòng)電路目前應(yīng)用較多的功率開(kāi)關(guān)器件有功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)和MOS柵控晶體管(MCT)等。由于MOSFET開(kāi)關(guān)管工作頻帶最寬，又具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以在目前的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。選擇MOSFET的型號(hào)時(shí)要考慮到漏極電流的最大額定值，漏極一源

59、極間電壓的最大額定值以與器件的導(dǎo)通電阻。根據(jù)助力電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設(shè)計(jì)中，我們選用的是國(guó)際整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，它的基本電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3-2。表3-2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電氣參額定漏極電壓V55V柵源開(kāi)啟電壓V4-20V額定漏極電流I64A導(dǎo)通電阻R14m開(kāi)通時(shí)間t90ns關(guān)短時(shí)間t84ns在選定功率開(kāi)關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器件，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路一般采用專(zhuān)用的集成驅(qū)動(dòng)器件或采用光耦器件。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器件常用的有IR公司IR2110, IR2111, IR2112, IR2113等。光耦驅(qū)動(dòng)電路

60、由于線路簡(jiǎn)單，可靠性高，開(kāi)關(guān)性能好，是設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路，因此本設(shè)計(jì)采用了專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器件IR2112。驅(qū)動(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列，夏普的PC系列，惠普的HCPL系列等?？紤]到電機(jī)的助力電流較大，為了能有效的隔離強(qiáng)電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)中最終采用了光耦驅(qū)動(dòng)器件。所選用的光耦型號(hào)為東芝的TLP250，它包含一個(gè)GaAlAs光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，是8腳雙列封裝，適合于工GBT或功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路。TLP250的主要電氣參數(shù)如下：.輸入閥值電流F=5mA (max);.電源電流Icc=11mA (max)