畢業(yè)論文---電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)1</p><p>　　1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 EPS的發(fā)展趨勢和急待解決的核心技術(shù)

2、2</p><p>　　1.4 本課題研究的目的與意義3</p><p>　　2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及其工作原理4</p><p>　　2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理5</p><p>　　2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分11&

3、lt;/p><p>　　3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計16</p><p>　　3.1 電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu)16</p><p>　　3.2 控制器微處理芯片的選擇17</p><p>　　3.3 控制器輸入通道的設(shè)計20</p><p>　　3.4 控制器輸出通道的設(shè)計23</p&g

4、t;<p>　　3.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計28</p><p>　　3.6 系統(tǒng)硬件抗干擾措施28</p><p>　　4 電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計30</p><p>　　4.1 EPS.的控制策略30</p><p>　　4.2 電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計32</p><

5、;p><b>　　5 總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　附錄41</b></p><p><b>　　1 引言&

6、lt;/b></p><p>　　1.1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　由于動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)50年代以來在各國汽車上開始普遍應(yīng)用?，F(xiàn)今液壓助力轉(zhuǎn)向器(HPS)是以內(nèi)燃機(jī)作為動力的汽車助力轉(zhuǎn)向器的主流。但是傳統(tǒng)的HPS需要持續(xù)的能量消耗，降低了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時其復(fù)雜的液壓系統(tǒng)具有助力特性不可調(diào)整

7、、污染環(huán)境、維修不便等缺點(diǎn)。20世紀(jì)80年代開始研究的汽車上電能為動力的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。和HPS相比，它具有更為突出的優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1.EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減少由路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減少汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的主動安全性。并且可通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來滿足不同對象使用的需要。<

8、/p><p>　　2.提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費(fèi)了部分能量。相反電動轉(zhuǎn)向系的EPS需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機(jī)提供的能量，是真正的“按需供能型”(on demand)系統(tǒng)。裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實(shí)驗表明，在不轉(zhuǎn)向情況下、裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低2.5%;在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5.5% 。</p>

9、<p>　　3.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在EPS中，電動機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。這樣增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)部分的阻尼也使得車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強(qiáng)。和HPS相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。</p><p>　　4.該系統(tǒng)由電動機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，在停車時，也可獲得最大的轉(zhuǎn)向動力

10、。同時省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動機(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，裝配自動化程度更高，維修更簡單。</p><p>　　5.EPS沒有液壓回路，不存在滲油的問題，減少了對環(huán)境的污染。同時由于液壓油在低溫時的粘度很大，存在低溫時必須有個加溫的過程，而EPS可以在零下40℃很好的工作，基本上不存在受

11、溫度影響的問題。</p><p>　　6.在未來10-15年推出的純電動汽車或者燃料電池汽車等汽車上由于沒有的傳統(tǒng)意義上的內(nèi)燃機(jī)，因此必須考慮安裝EPS。</p><p>　　7.電動轉(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。</p><p>　　由此可見，EPS和HPS相比，是一項緊扣現(xiàn)代汽車時代發(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

12、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)。</p><p>　　1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外從1979年就開始研究電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，1988年日本鈴木公司首先在其CER車上裝備了電動式EPS。同年，美國通用公司也在某些型號的汽車上裝備了電動式EPS。1993年，本田汽車公司首次將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國際市場上同法拉利和

13、波爾舍競爭的愛克NSX跑車上;同年，在歐洲市場銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車-菲亞特幫托也將美國德爾福公司生產(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。隨后，國外很多公司和機(jī)構(gòu)介入了電動式EPS的研究和開發(fā)工作。美國的TRW公司，日本的三菱公司、KOYO公司，德國的ZF公司都相繼研制出了電動式EPS。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，EPS技術(shù)已日趨完善，其應(yīng)用范圍正從最初的微型轎車向普通轎車和商用客車方向發(fā)展。</p><p>　　EPS產(chǎn)品在

14、2002年才有國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行研制開發(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)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、天津大學(xué)、合肥工業(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。從市場應(yīng)用來看，國內(nèi)已裝有EPS產(chǎn)品的汽車主要為1.3L-1.6L的轎車(主要是電動機(jī)的功率所致)。如重慶長安的奧拓、安徽的奇瑞、南京菲亞特、廣州本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國產(chǎn)汽車各車型技術(shù)的實(shí)際情況以及使用條件的特殊性，國外的EPS與國產(chǎn)

15、汽車的匹配以及實(shí)用性還存在問題，至今還沒有與國產(chǎn)汽車相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS，僅僅在近幾年才開展EPS的技術(shù)研究，可獲得的技術(shù)資料較少，目前尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。</p><p>　　1.3 EPS的發(fā)展趨勢和急待解決的核心技術(shù)</p><p>　　首先，EPS的應(yīng)用范圍將會進(jìn)一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動

16、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以9%-10%的增長速度發(fā)展，年增長量達(dá)130萬至150萬套，估計至2005年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的150萬套增長到800萬套，2007年將達(dá)到1140萬套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動轉(zhuǎn)向?qū)耆碱I(lǐng)轎車市場，并向微型車、輕型車和中型車擴(kuò)展。</p><p>　　盡管EPS已達(dá)到了其最初的設(shè)計目的，但仍然存在一些問題急待解決，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

17、，進(jìn)一步改善電動機(jī)的性能是下一步努力的一個主要方向。電動機(jī)本身的性能及其與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向、路感等問題。概括地說，今后電動助力轉(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，才能滿足更高檔車的使用要求。另外，EPS的控制信號將不再僅僅依靠車速、扭矩和方向盤轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控制，

18、以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。未來的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過總線技術(shù)電子懸架、發(fā)動機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)動。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10年的發(fā)展方向。</p><p>　　對于我國來說，由于在這方面和國外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長的一段時間內(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。</p&

19、gt;<p>　　1.4 本課題研究的目的與意義</p><p>　　汽車電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車低速時需要“輕”的轉(zhuǎn)向力，高速時需要“靈”的轉(zhuǎn)向效果。同時，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約。本課題將通過合適的綜合控制方法，設(shè)計合適的控制系統(tǒng)，以提高汽車轉(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)委員會第十一屆學(xué)術(shù)年會傳來的信息表明:

20、電動轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。因此我們必須大力對電動轉(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代背景下展開的。通過查閱國內(nèi)外的文獻(xiàn)，本文詳細(xì)介紹了國內(nèi)外的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過仿真提出了一條可供進(jìn)一步研究的控制策略。</p><p>　　2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及其工作原理</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的確定，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計最重要、最關(guān)鍵

21、的一步，直接影響到整個控制系統(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。</p><p><b>　　第一方案：</b></p><p>　　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

22、80C51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，是專為儀表控制、工業(yè)過程控制、汽車發(fā)動機(jī)與傳動控制等實(shí)時應(yīng)用場合而設(shè)計的高性能單片機(jī)。但是由于80C552沒有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需對程序存儲器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 </p><p>　　圖2-1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖</p><p><b>　　第二方案：</b></p><p

23、>　　此方案是由89c51作為微控制器，如圖2-2所示。以扭矩傳感器、車速傳感器、發(fā)動機(jī)電流傳感器的輸出信號作為輸入信號，并經(jīng)放大電路、ADC0809轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到89c51單片機(jī)，再由89c51對輸出電路進(jìn)行分時控制，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。與80c552相比，89c51不需對程序存儲器進(jìn)行外部擴(kuò)展。</p><p>　　圖2-2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖</p><p>　　與

24、方案一相比，此方案的特點(diǎn)是以實(shí)際使用性能為出發(fā)點(diǎn)，比較方案一來說更節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存空間，在使用中有較強(qiáng)的隨機(jī)應(yīng)變能力。根據(jù)上述種種分析得出，方案二為本設(shè)計中的最佳方案。故本設(shè)計中選方案二為設(shè)計方案。</p><p>　　2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　2.1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理</p><p>　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電機(jī)

25、作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)和車速信號，由電子控制裝置來執(zhí)行助力控制的。典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖2-3示:</p><p>　　圖2-3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成</p><p>　　從圖上可以看出，所謂的EPS系統(tǒng)就是在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制器、電動機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)，直接利用動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸提供助力轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器測量轉(zhuǎn)矩與方向盤轉(zhuǎn)角大小

26、并和車速信號一起送入電子控制器?？刂破鞲鶕?jù)得到的信號判斷是否助力以及助力的方向。若需要助力，則依照既定的控制策略計算電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應(yīng)控制信號給驅(qū)動電路。后者提供相應(yīng)的電壓或者電流給電動機(jī)。電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)助力作用。</p><p>　　當(dāng)汽車點(diǎn)火后，方向盤轉(zhuǎn)動時，裝在轉(zhuǎn)向盤輸入軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷的測出轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)向力矩，該信號與車速信號同時輸入給控制器ECU。控制器根

27、據(jù)輸入的這些信號，依據(jù)相應(yīng)的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動機(jī)的電流大小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小。電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速轉(zhuǎn)矩后，施加給轉(zhuǎn)向桿輸出軸，并經(jīng)過齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用，使之得到一個與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。</p><p>　　2.1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類</p><p>　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照其轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和位置的不同，

28、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。</p><p>　　1:轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assist type)</p><p>　　此時電動機(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，是一種目前常見的助力形式。由于各部件相對獨(dú)立，因此維修方便。設(shè)計時也有很大的靈活性。但是電

29、機(jī)輸出力矩的波動容易傳遞到方向盤上。如果電動機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對電動機(jī)噪聲的抑制。</p><p>　　2:小齒輪助力式(Pinion-assist type)</p><p>　　這也是一種目前較為常見的助力形式，此時電動機(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的全部優(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，而不用改變轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。<

30、/p><p>　　3:齒條助力式(Rack-assist type)</p><p>　　電動機(jī)的電樞通過傳動機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼訌亩鴮?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，電機(jī)的力矩波動不易傳遞到方向盤上。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件

31、出現(xiàn)故障，必須拆下整個轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。</p><p>　　2.1.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求</p><p>　　對轉(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比，以小的轉(zhuǎn)向盤轉(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比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩。可見，上述的兩個要求是矛盾的。

32、而電動式助力轉(zhuǎn)向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)時的調(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。一般來說，電動式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿足動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的如下要求：</p><p>　　(1)能有效減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力。而行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于245N。</p><p>　　(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。</p><p>　

33、　(3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時轉(zhuǎn)向盤應(yīng)能自動回正;駕駛員應(yīng)有良好的“路感”。</p><p>　　(4)要有隨動作用。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角保持一定關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。</p><p>　　(5)工作可靠。當(dāng)動力轉(zhuǎn)向失敗或發(fā)生故障時，應(yīng)能保證通過人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。</p><p>　　2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

34、</p><p>　　為了研究EPS系統(tǒng)的動態(tài)特性及EPS系統(tǒng)對汽車操縱性的影響，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環(huán)節(jié)。EPS的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸、電動機(jī)、減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對象，忽略一些次要因素，對EPS部件進(jìn)行簡化，在簡化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動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。

35、</p><p>　　圖2-4 EPS動態(tài)模型</p><p>　　2.2.1 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型</p><p>　　對轉(zhuǎn)向盤和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼考慮在內(nèi)，可以得到如下運(yùn)動方程:</p><p>　　J+B=T-T 　　(2-1)</

36、p><p>　　式中Js—轉(zhuǎn)向盤、輸入軸的轉(zhuǎn)動慣量，Kg·m;</p><p>　　Bs—輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，N·m /( rad / s) ;</p><p>　　—輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad ;</p><p>　　T—作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，N·m;</p><p>　　Tsen—扭桿的

37、反作用轉(zhuǎn)矩，N·m 。</p><p>　　由于轉(zhuǎn)矩傳感器是依靠扭桿的相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿受到的轉(zhuǎn)矩與扭</p><p>　　桿的扭轉(zhuǎn)角度成正比，即有</p><p>　　Tsen = Ks (s-e) 　　 (2-2)</p><p>　　式中KS—扭桿的剛性系數(shù)，N&#

38、183;m/rad ; </p><p>　　s—輸出軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。</p><p>　　2.2.2 電動機(jī)模型</p><p>　　系統(tǒng)采用永磁式直流電動機(jī)，如圖2-5所示，電動機(jī)的端電壓U與電感L、</p><p>　　電樞電阻R、反電動勢常數(shù)Kb、轉(zhuǎn)速m、電流I和時間t之間的關(guān)系如下:</p><p>

39、　　U二L十RI十Km （2-3）</p><p>　　圖2-5 永磁式直流電動機(jī)模型</p><p>　　電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:</p><p>　　Tm = Ka I 　　 (2-4)</p><p>　

40、　式中Ka—電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù):N·m·A。</p><p>　　對電動機(jī)機(jī)械部分受力分析，可以得到:</p><p>　　Jm·m + Bm·m=Tm-Ta 　　 (2-５)</p><p>　　式中Jm,—電動機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動慣量，Kg·m;</p><p

41、>　　Bm—電動機(jī)粘性阻尼系數(shù)，N·m/(rad/s);</p><p>　　m—電動機(jī)的轉(zhuǎn)角，rad;</p><p>　　Tm—電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m;</p><p>　　Ta—電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m 。</p><p>　　在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，電動機(jī)助力轉(zhuǎn)矩Ta可以如下式所示</p>

42、<p>　　Ta = Km （m –Ge） (2-6)</p><p>　　式中Km—電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)，N·m/rad 。</p><p>　　2.2.3 輸出軸子模型</p><p>　　對轉(zhuǎn)向柱輸出軸及電機(jī)輸出軸進(jìn)行動力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動學(xué)方程:&l

43、t;/p><p>　　Je·e +Be·e=Tsen + G·Ta – Tw (2-7)</p><p>　　式中Je—輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量，Kg·m;</p><p>　　Be—輸出軸的阻尼系數(shù)，N·m /(rad / s) ;</p><p&g

44、t;　　G—蝸輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比;</p><p>　　Tw—作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩，N·m 。</p><p>　　2.2.4 齒輪齒條子模型</p><p>　　對齒條和小齒輪進(jìn)行動力學(xué)建模，可以得到</p><p>　　Mr Xr + Br Xr=-FTR

45、 (2-8) </p><p>　　式中Mr—齒條及小齒輪的等效質(zhì)量，Kg;</p><p>　　Br—齒條的阻尼系數(shù)，N/(m/s);</p><p>　　Xr—齒條的位移，m;</p><p>　　Rp—小齒輪半徑，m;</p><p>　　FTR—輪胎轉(zhuǎn)向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力，N。</p&g

46、t;<p>　　轉(zhuǎn)向阻力FTR主要受轉(zhuǎn)向時車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時它還與車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。對于常規(guī)助力控制過程該模型的簡化對控制策略的影響不大，這里給出簡化的計算公式：</p><p>　　FTR= Kr Xr+F (2-9)</p>

47、;<p>　　式中Kr—等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m ;</p><p>　　F—路面的隨機(jī)信號，N。</p><p>　　其中e=。聯(lián)立上面所建的動力學(xué)方程，可以得到:</p><p>　　Jss + Bss+ Kss=Ts + Ks （2-10）</p><p>　　Jm m

48、+Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11）</p><p>　　Mr r+Br r+Kr Xr=+-F （2-12）</p><p>　　Mr=mr+——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量，Kg；</p><p>　　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）。

49、</p><p>　　Kt=kt+——小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m；</p><p>　　2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分</p><p>　　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類型，但其主要部件幾乎相同。除了本身的機(jī)械傳動部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、直流電動機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器ECU (Electronic

50、 Control Unit)。</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)矩傳感器</p><p>　　轉(zhuǎn)矩傳感器用于測量方向盤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發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類，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

51、接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價格較高。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡單，價格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。</p><p>　　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?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向移動。同時，滑塊通過一個銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當(dāng)輸入軸相對輸出軸轉(zhuǎn)動時，

52、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(在軸方向)，(等于輸入軸相對于輸出軸旋轉(zhuǎn))。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時，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，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)換為圖2-6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魉偷娇刂破鱁CU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號分為主、副兩路。當(dāng)方向盤處于中間位置時，主、副兩路輸出的信號都為2.5 V;當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn)矩信號大于2.

53、5 V，副轉(zhuǎn)矩信號小于2.5 V;當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn)矩信號小于2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號大于2.5 V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。</p><p>　　圖2-6 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性</p><p>　　2.3.2 車速傳感器</p><p>　　車速信號也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流

54、，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時，系統(tǒng)將停止助力，改為手動操作。車速信號由車速傳感器測得，車速傳感器也有多種類型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見的車速傳感器工作原理如圖2-7所示，車速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。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，從傳感器的永久磁鐵出來的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會產(chǎn)生交流電流。圖2-7為車速傳感器的工作原理。</p&g

55、t;<p>　　1.輪毅 2.轉(zhuǎn)子 3.永久磁鐵 4.輸出信號電壓 5.高速時 6.低速時</p><p>　　圖2-7 車速傳感器的工作原理</p><p>　　車速傳感器的輸出信號一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號送給控制系統(tǒng)。在本文的研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來模擬實(shí)際的車速信號，用于對控制策略的研究。</p><p>　　2.3.3

56、 直流電動機(jī)</p><p>　　EPS用直流電動機(jī)與一般的起動電機(jī)在原理上基本相同，但一般采用永磁電動機(jī)。為了降低噪聲和減小振動，有的電動機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面開有斜槽。作為EPS系統(tǒng)助力的提供者，直流電動機(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：</p><p>　　1)盡可能寬的調(diào)速范圍;</p><p>　　2)較小的轉(zhuǎn)動慣量;</p>&

57、lt;p>　　3)良好的低速平穩(wěn)性;</p><p>　　4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低;</p><p><b>　　5)過載能力強(qiáng);</b></p><p>　　按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動機(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)

58、矩為1.48Nm.</p><p>　　2.3.4 電磁離合器</p><p>　　電磁離合器安裝在電動機(jī)和減速齒輪之間，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，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，離合器又?jǐn)嚅_電動機(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

59、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、 主動輪、從動軸、壓板</p><p>　　1 滑環(huán) 2 電磁線圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動軸 6 主動軸 7 滾珠軸承</p><p>　　圖2-8 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　等組成。其工作原理如下:裝在電動機(jī)輸出軸上的主動輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過滑環(huán)引入電

60、流。當(dāng)離合器通電時，電磁線圈產(chǎn)生的電磁力使壓板與主動輪端面壓緊。于是，電動機(jī)的動力經(jīng)主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳給減速齒輪滅。</p><p>　　2.3.5 減速機(jī)構(gòu)</p><p>　　減速機(jī)構(gòu)也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動機(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

61、組合式，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。兩級行星齒輪減速機(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行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿足微型車的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小以及成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛。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)，它是與電動機(jī)及電磁離合

62、器集成為一體的一個組成機(jī)構(gòu)。圖2-9為電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。</p><p>　　圖2-9 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成</p><p>　　2.3.6 電子控制單元ECU</p><p>　　ECU的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，進(jìn)行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制電動機(jī)和離合器的動作。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

63、心一般采用8位的單片機(jī)?，F(xiàn)以昌河北斗星微型車所用的。ECU來說明其控制結(jié)構(gòu)(如圖2-10示)和工作原理。</p><p>　　圖2-10 電子控制單元ECU結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　ECU控制模塊接收到A1的點(diǎn)火信號后，接通蓄電池電源，系統(tǒng)開始工作。根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器A8(主信號)、A10(副信號)和車速傳感器A2的輸入信號，確定助力控制的大小和方向，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動(B1, B3)和離合器(

64、(A6, All)的開斷除此之外，P/S控制模塊還具有故障自我診斷(A12)和安全防護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警時，系統(tǒng)將停止助力控制，并顯示故障代碼。</p><p>　　3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　控制器ECU是電動助力轉(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接影響EPS系統(tǒng)的控制效果。在研究了電動助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理和結(jié)構(gòu)的

65、基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計開發(fā)了硬件控制器ECU。控制器的設(shè)計主要包括兩大部分，一是數(shù)據(jù)輸入通道，即數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計，二是控制輸出通道，主要是電動機(jī)的控制電路。對于硬件設(shè)計中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡要介紹。</p><p>　　電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　EPS控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。</p><p>　　當(dāng)控制器接收到汽車點(diǎn)火信號

66、時，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開始工作。汽車在行駛過程中，ECU采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的輸入信號，根據(jù)已定的控制規(guī)則，確定一個目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過H橋電路來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。同時，系統(tǒng)對電機(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)合車速信號，用于系統(tǒng)的保護(hù)。若電機(jī)電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時，為了保護(hù)電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對繼電器發(fā)出一個控制信號，斷開電機(jī)電源，

67、停止助力，待系統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。</p><p>　　3.2 控制器微處理芯片的選擇</p><p>　　3.2.1 控制器微處理器常用芯片及選型</p><p>　　作為汽車電子技術(shù)研究的熱門課題之一，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對控制器的硬件設(shè)計進(jìn)行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上?，F(xiàn)在常用的芯片有很多種，如8031,8051,89C51,8

68、9C52等，本設(shè)計中選擇89C51作為微處理器。</p><p>　　89C51芯片及A/D轉(zhuǎn)換芯片介紹</p><p>　　89C51單片機(jī)芯片引腳如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 89C51單片機(jī)芯片引腳</p><p>　?。?） 89C51的40個引腳按其功能來分，可分為如下三類：</p><p

69、>　　(1)電源及時鐘引腳：V、V；XTAL1、XTAL2</p><p>　　(2)控制引腳： 、ALE、、RESET（即RST）</p><p>　　(3)I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。</p><p>　?。?） 8通道8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 0809</p><p>　　由于單片機(jī)不能直

70、接與模擬信號相連接，所以必須有一個器件完成從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，而ADC0809就是這樣一個器件。ADC0809 是CMOS的8位單片A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可控制選擇8個模擬量中的一個。A/D轉(zhuǎn)換采用逐漸逼近原理。輸出的數(shù)字信號有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路多路開關(guān)，可由三位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK信號控制

71、內(nèi)部電路的工作，由START信號控制轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在內(nèi)部鎖存，通過三態(tài)緩沖器接至輸出端。ADC0809與89C51連接圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 ADC0809與單片機(jī)89C51的連接圖</p><p>　　3.2.3 89C51外部總線擴(kuò)展及片外ROM的連接</p><p>　　由于89C51的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下

72、，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。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。本設(shè)計中，采用74LS373來擴(kuò)展89C51的外部總線。圖3-4為74LS373引腳圖。</p><p>　　圖3-4 74LS373的引腳圖</p><p>　　74LS373是帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門OE為有效低電平，使能端G為有效高電平時，輸出跟隨輸入變化；

73、當(dāng)G端有高變低時，輸出端8位信息被鎖存，直到G端再次有效為止。

74、

75、 </p><p>　　由于89C51的數(shù)據(jù)存儲器不能滿足設(shè)計系統(tǒng)的要求，必須外接RAM。RAM是程序存儲器的簡稱，用來存放用戶數(shù)據(jù)的存儲器，具有RAM型存儲器的單片機(jī)價格最低，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，需要由控制信號和片外信號確定。外部程序存儲器的讀信號為PSEN。單片機(jī)片外RAM芯片的種類和型號非常多。例如6116(2k)、6264（8k）、62

76、256（32k）等。本系統(tǒng)選擇6264來外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器。6264的各個功能引腳如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 6264的各個功能引腳</p><p>　　●Vcc：電源電壓，+5V。</p><p><b>　　●GND：接地。</b></p><p>　　●A0-A12:地址線。</p>

77、<p>　　●D0-D7:數(shù)據(jù)線。</p><p>　　●OE：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號線。</p><p>　　●WE:寫允許引腳，低電平有效。</p><p>　　單片機(jī)和片外RAM的電路連接圖如圖3-6所示.。</p><p>　　圖3-6 單片機(jī)89C51和片外RAM的電路連接</p><p>

78、　　圖中P2口和6264的高8位地址線以及片選信號CE連接；P0口經(jīng)過地址鎖存器輸出的地址線和6264的高8地址總線相連，同時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；PSEN連接6264的輸出允許OE端。</p><p>　　3.3 控制器輸入通道的設(shè)計</p><p>　　3.3.1 轉(zhuǎn)矩信號的采集</p><p>　　控制器接

79、收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來的轉(zhuǎn)矩信號有主、副兩路，如前所述，這兩路信號是對稱的，故在設(shè)計時只需采用一種電路。輸入的轉(zhuǎn)矩信號幅值為0-5 V,A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0-2.5 Y,故對轉(zhuǎn)矩信號除了一般的濾波處理外，還需對其進(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，阻值相同的R1, R2先將輸入的轉(zhuǎn)矩信號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话耄缓笈cC1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成第二級一階低通濾波，運(yùn)放則作為一個

80、電壓跟隨器來使用。轉(zhuǎn)矩信號采集電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 轉(zhuǎn)矩信號采集電路</p><p>　　3.3.2 電動機(jī)電流信號的采集</p><p>　　電動機(jī)的反饋電流是電動機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個參數(shù)，它一方面用來與目標(biāo)電流的比較，使其更接近于目標(biāo)電流;另一方面，可以利用它來對電動機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流高于保護(hù)值時，切斷電機(jī)供電電源，

81、用軟件的方式替代硬件過流保護(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)時間快，過載能力強(qiáng)，全程范圍內(nèi)極高的線性度的特點(diǎn)。其電氣參數(shù)見表3-1.</p><p>　　表3-1 電動機(jī)的電氣參數(shù)表</p><p>　　PAS-HID50的接線方式如圖3-8所示。</p><p>　

82、　圖3-8 PAS-HID50霍爾傳感器電路連接圖</p><p>　　由于助力電動機(jī)提供左右兩個方向的助力，電動機(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?0-50mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號，故需在傳感器的輸出引腳上接一個約100的電阻，將輸入的信號轉(zhuǎn)換為-5V到5V的電壓信號，然后經(jīng)過電壓變換電路如圖3-9示，使其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0V到2.5 V的電壓信號，最后經(jīng)濾波電路送到89C51芯片的A/

83、D端口。</p><p>　　圖3-9 電動機(jī)電流采集電路</p><p>　　3.3.3 車速信號的采集</p><p>　　車速信號是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號，電壓在9.5 V以上。在課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來模擬車速信號，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)所能處理的信號高電壓在2.5V左右，所以車速信號的通道設(shè)計主要是完成信號的電平匹配設(shè)計，一般采

84、用一個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)計中采用的是光耦合器的電平匹配方式。其具體電路設(shè)計比較簡單，如圖3-10所示。輸入的車速信號經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V的脈沖信號，經(jīng)電阻R2 , R3(阻值相同)分壓后輸入給單片機(jī)的計數(shù)器，再通過軟件處理得到對應(yīng)的車速。</p><p>　　圖3-10 車速信號處理電路</p><p>　　3.4 控制器輸出通道的設(shè)計</p&g

85、t;<p>　　ECU的輸出通道主要是電機(jī)的驅(qū)動電路和離合器的開斷控制電路。電機(jī)的驅(qū)動電路采用了常用的H全橋PWM電路，方向控制由門電路組成，離合器的開斷用繼電器來控制。下面將分別說明。</p><p>　　3.4.1 電動機(jī)的PWM控制</p><p>　　在控制器的硬件設(shè)計中，電動機(jī)的控制設(shè)計是重要的一環(huán)。電動機(jī)是系統(tǒng)直接控制的對象，所以這部分的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)控制的

86、有效性和穩(wěn)定性。</p><p>　　3.4.1.1 電動機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速原理</p><p>　　直流電動機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩種。其中勵磁控制方法在低速時受次級飽和的限制，在高速時受換向火花和換向其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(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)用場合都使用電樞控制方法。</p&g

87、t;<p>　　對電動機(jī)的驅(qū)動離不開半導(dǎo)體功率器件。在對直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。線性放大驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機(jī)的驅(qū)動。絕大多數(shù)直流的電動機(jī)采用的是開關(guān)驅(qū)動方

88、式，通過脈寬調(diào)制P WM來控制電動機(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。</p><p>　　圖3-11 電動機(jī)控制電路原理圖</p><p>　　采用開關(guān)驅(qū)動方式，通過PWM來控制電機(jī)電壓時，電動機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓U0為:</p><p>　　U0=(t1Us十0) /(t1+t2)=ttUs /T= 　　　　　　

89、　　?。?-1）</p><p>　　式中a為占空比，a=tl/To，開關(guān)器件導(dǎo)通的時間，T為脈寬調(diào)制PWM的周期。占空比a表示了在一個周期T中，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。a的變化范圍為。０　　a　l。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。</p><p>　　在PWM調(diào)制時，占空比a是一個重要參

90、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改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法很少用。目前，在直流電動機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。</p><p>　　根據(jù)電動助力的原理，要求電動機(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)動和單極性驅(qū)動。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期中，

91、直流電動機(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)，但存在著電流波動大，功耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機(jī)的控制。單極性驅(qū)動方式是指在一個PWM周期內(nèi)，直流電動機(jī)電樞只能承受單極性電壓。由于單極性驅(qū)動方式能夠避免開關(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)動慣量、可靠性要求較高的直流電動機(jī)控制應(yīng)用上。</p>

92、<p>　　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半導(dǎo)體功率器件的選擇。</p><p>　　3.4.1.2 功率開關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動電路</p><p>　　目前應(yīng)用較多的功率開關(guān)器件有功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)和

93、MOS柵控晶體管(MCT)等。由于MOSFET開關(guān)管工作頻帶最寬，又具有一定的價格優(yōu)勢，所以在目前的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。選擇MOSFET的型號時要考慮到漏極電流的最大額定值，漏極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導(dǎo)通電阻。根據(jù)助力電動機(jī)的電氣參數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設(shè)計中，我們選用的是國際整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，它的基本電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)見表3-2。 </p><p>　　表

94、3-2 功率場效應(yīng)晶體管的電氣參</p><p>　　在選定功率開關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動器件，并設(shè)計驅(qū)動電路。功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路一般采用專用的集成驅(qū)動器件或采用光耦器件器件。專用驅(qū)動器件常用的有IR公司IR2110, IR2111, IR2112, IR2113等。光耦驅(qū)動電路由于線路簡單，可靠性高，開關(guān)性能好，是設(shè)計時被廣泛采用的一種驅(qū)動電路。驅(qū)動光耦的型號很多，所以選用的余

95、地也很大。驅(qū)動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。考慮到電機(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)計中最終采用了光耦驅(qū)動器件。所選用的光耦型號為東芝的TLP250，它包含一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，是8腳雙列封裝，適合于工GBT或功率MOSFET柵極驅(qū)動電路。TLP250的主要電氣參數(shù)如下：</p><p>　　.輸入閥值電流

96、F=5mA (max);</p><p>　　.電源電流Icc=11mA (max);</p><p>　　.電源電壓(Vcc)=10-12V;</p><p>　　.輸出電流Io=0.5A(min);</p><p>　　.開關(guān)時間tPLH//tpHL=0.5(max)。</p><p>　　另外，開關(guān)器件在開通和關(guān)

97、斷過程中可能同時承受過壓、過流、過大的di/dt, du/dt以及過大的瞬時功率，因此需要設(shè)計緩沖保護(hù)電路。緩沖電路就是為了在開關(guān)過程中保護(hù)開關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施。在電路設(shè)計中，我們采用的是RCD沖、放電緩沖電路。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，經(jīng)二極管D向電容C充電，由于二極管正向?qū)〞r壓降很小，所以關(guān)斷時的過壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng)MOSFET開通時，電容C通過電阻R放電，限制了MOSFET中的開通尖峰電流。RCD緩

98、沖電路能有效地改善開關(guān)器件的開關(guān)特性，減小開關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。</p><p>　　3.4.2 電磁離合器和顯示控制電路的設(shè)計</p><p>　　電磁離合器控制電路主要是完成功率接口電路的設(shè)計。此功率接口電路用于將單片機(jī)低電壓、小電流的控制信號轉(zhuǎn)換為用于控制電磁離合器的較大電壓、電流。為了確保繼電器工作可靠，對單片機(jī)輸出的控制信號通過上拉電阻使控制信號定位在低電平或者高電平?？紤]到

99、電磁繼電器的干擾信號可能竄入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而影響數(shù)字電路部分的控制效果，采用光電耦合器TLP521-1對單片機(jī)系統(tǒng)的信號與繼電器部分的信號進(jìn)行了光電隔離。電磁繼電器在接收到來自單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制信號后做出相應(yīng)的動作，系統(tǒng)設(shè)計為低電平有效，即在控制信號為低電平時電磁繼電器閉合，接通電磁離合器。</p><p>　　顯示電路主要是用于故障信息的顯示。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性要求很高，而所有故障信息的外在反映都是通

100、過顯示電路。故障信號類型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來。與電磁離合器的控制方式相同，發(fā)光二極管也是采用低電平有效的方式。電磁離合器驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 電磁離合器繼電器控制電路</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)輸出控制信號(高電平)時，經(jīng)反相驅(qū)動變?yōu)榈碗娖?，使光耦?dǎo)通，從而使繼電器吸合，接通電磁離合器的電源。反之，繼電器斷開，切斷離合器電源。圖中所示電阻R1

101、為限流電阻，二極管D1的作用是保護(hù)晶體管T1。當(dāng)繼電器吸合時，二極管D1截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這是晶體管T1已截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與Vcc之和大于晶體管T1的集電極反向電壓時，晶體管T1有可能損壞。加入二極管D1后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管D1流過，從而使晶體管T1得到保護(hù)。</p><

102、;p>　　電動機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　前期的設(shè)計中沒有考慮電動機(jī)的保護(hù)環(huán)節(jié)，難以滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對安全性的要求。在設(shè)計中對此部分進(jìn)行了補(bǔ)充。</p><p>　　圖3-13電動機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動電路</p><p>　　3.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計</p><p>　　圖3-14 系統(tǒng)電源電路<

103、;/p><p>　　圖3-14為系統(tǒng)電源電路，其中的12V電壓電源是車載電源。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要5V的供電電壓，7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)換。電路中的運(yùn)算放大器等器件需要-5V的供電電壓，由ICL7660產(chǎn)生所需的負(fù)電壓。ICL7660是美國哈里斯公司生產(chǎn)的變極性DGDC變換器。通過該DC/DC變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出，即Vi與Vo的極性相反。這種變換器利用振蕩器和多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜

104、態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。另外，ICL7660還具有如下特點(diǎn):</p><p>　　工作電壓范圍寬(+1.5V至10.5V);</p><p>　　可將CMOS或TTL的+5V電壓轉(zhuǎn)換成-5V;</p><p>　　空載時沒有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達(dá)99.7% ;</p><p>　　可采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)倍壓輸出。</p><p&g

105、t;　　3.6 系統(tǒng)硬件抗干擾措施</p><p>　　在檢測系統(tǒng)的電子線路和電子設(shè)備中，“干擾”是一種普遍存在的問題。它是檢測過程中的一種無用信號，它的存在會造成檢測系統(tǒng)檢測出的結(jié)果有偏差。為了使檢測系統(tǒng)能夠得到更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，在電路的設(shè)計時一定要考慮電路的抗干擾能力的設(shè)計。這就要求必須搞清楚干擾源、被干擾對象、干擾源和被干擾對象之間的耦合方式，只有這樣才能采取相應(yīng)的措施，抑制干擾的影響。</p&g

106、t;<p>　　在實(shí)際測控系統(tǒng)中，干擾源主要來自以下幾方面：</p><p>　　(1)機(jī)械干擾:主要是機(jī)械的振動或沖擊造成的干擾。</p><p>　　(2)溫度干擾:主要指系統(tǒng)中電子測量裝置和元器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的變化造成的干擾。</p><p>　　(3)電磁干擾:主要是指設(shè)備本身的電磁波或外界的電磁場的影響在設(shè)備的有關(guān)電路中

107、感應(yīng)出干擾電流或干擾電壓，從而使設(shè)備的檢測出現(xiàn)偏差、甚至不能正常工作。</p><p>　　干擾的耦合方式主要有以下幾種:</p><p>　　(1)靜電電容耦合:由于電路與電路之間存在寄生電容，產(chǎn)生靜電效應(yīng)從而引起干擾。對于小電流、高電壓干擾源產(chǎn)生的干擾主要是通過電容耦合產(chǎn)生的。</p><p>　　(2)電磁耦合:由于兩個電路之間存在互感而產(chǎn)生的干擾。</

108、p><p>　　(3)共阻抗耦合:當(dāng)一個電路的電流流經(jīng)共阻抗時所產(chǎn)生的壓降，就要在另一個電路中產(chǎn)生干擾電壓。</p><p>　　為此，在硬件的設(shè)計過程中，為了抑制干擾帶來的影響，應(yīng)該采取以下措施:</p><p>　　(1)屏蔽措施:系統(tǒng)中的控制電路板應(yīng)放置在一個鐵盒中，并且鐵盒子與被屏蔽電路的零信號基準(zhǔn)相接，從而起到抗干擾作用。同時信號的傳輸線全部采用帶屏蔽層的信號