（光学工程专业论文）eps集成控制模块设计、优化与试验研究.pdf

南京理t 人学硕上学位论文 摘要 摘要 本课题深入分析了e p s 的基本结构、工作原理，明确其功能需求及设计中涉及到的 关键技术，在此基础上对e p s 集成控制模块进行了总体研发方案的制定、软硬件设计优 化以及对样机的试验分析。主要包括：确定e p s 集成控制模块的v 型开发模式，将e p s 集成控制模块分成数个子模块进行设计分析，最后逐一进行集成调试；详细研究电动助 力转向系统控制方法，初步确定了数字p i d 控制算法中的三个关键参数；总结归纳课题 组开发的前两代e p s 集成控制模块的优缺点，在此基础上详细设计e p s 集成控制模块的 硬件系统，并对其进行优化改进。其中包括过程输入输出电路、驱动电路、供电电路、 通信电路的设计与优化以及对低功耗设计的探讨；详细设计了e p s 集成控制软件的流程， 以时基为基础，定义各个任务的执行条件。其中，重点介绍了助力特性曲线在单片机系 统中软件化实现；分析e p s 集成控制模块的关键特性，并对其做相应的仿真研究，确定 e p s 集成控制模块中的几个重要参数；建立e p s 系统模拟试验台环境，包括：拟定e p s 系统试验台总体方案；试验台架的设计、制作；试验设备及元件的选取；设计不同信号 的具体采集过程等；采集、分析试验数据，对e p s 样机的性能进行评价。试验结果表明， 本项研究已达到了原设计指标要求。 关键词：汽车，电动助力转向，控制方法，优化，试验 南京理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf u l l ya n a l y s e st h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fe p s ，s p e c i f i e si t sf u n c t i o n r e q u i r e m e n ta n dt h ek e yt e c h n o l o g y b a s eo nt h e s ep r e p a r a t i v e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h e p a r t i c u l a rb l u e p r i n lo p t i m i z e st h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g na n dm a k e sal o to ft e s t s a b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fe p si c m ( i n t e g r a t i o nc o n t r o lm o d u l e ) w o r k st h ep a p e rh a sd o n e s h o wa sb e l o w ：u s et h ev d e v e l o p m e n tm o d e l ，b r e a ke p si c mi n t oac o u p l eo f s u b m o d u l e ，a t t h el a s t ，i n t e g r a t et h eo n eb yo n e ；s t u d yt h ec o n t r o lm e t h o do f t h e e p s ，f i r s t l yc h o o s et h r e ek e y p a r a m e t e ro ft h ep i d ；s u m m a r i z et h em e r i t sa n dt h ed e m e r i t so fl a s tt w og e n e r a t i o nc i r c u i t s ， d e s i g na n do p t i m i z et h eh a r d w a r eo ft h ee p si c m ，w h i c hi n c l u d ei oc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ， p o w e rs u p p l yc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t a tl a s td i s c u s st h el o wp o w e rd i s s i p a t i o n c o n s t r u c t i v e ；a c c o r d i n gt h es o i t w a r ep r o g r a mf l o w , p r e s c r i b et h ee x e c u t i n gc o n d i t i o no fe v e r y t a s k ；a n a l y z et h ec r u c i a lc h a r a c t e r i s t i co f e p si c m a s c e r t a i ni t sk e yp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o ns t u d y ；e s t a b l i s he p st e s te n v i r o n m e n t ，w h i c hi n c l u d ep l a n n i n gt h ep l a t f o r mp r o j e c t , d e s i g n i n ga n dm a k i n gt h ee p ss u p p o r t i n gf r d l l l e ，c h o o s i n gt h et e s te q u i p m e n t ，d e c i d i n gd i f f e r s i g n a lc o l l e c t i o nc o u r s e ；a tl a s t , c o l l e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee p s ，a n a l y z et h ed a t aa n d a p p r a i s et h ee p si c m t h ee x a m i n a t i o ns h o w st h a t , t h i sd e s i g nh a sa c h i e v e dt h eo r i g i n a l r e q u i r e m e m k e y w o r d s ：v e h i c l e ，e l e c t r i cp o w e r - s t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) ，c o n t r o lm e t h o d ，o p t i m i z e ，t e s t i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名 j 。7 年月谚目 j 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 啤 沙7 年占月站日 南京理工人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 转向系统是汽车的关键总成之一，其性能好坏将直接关系到车辆的操纵稳定性、主动 安全性的优劣。对于转向系统，不仅要求其工作可靠、转向轻便、节能环保，还要其能符 合驾驶员转向习惯，并有良好的路感。 如何设计和优化汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和 科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天， 针对不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 e p s 是随着h p s 后出现的又一种新型助力转向系统，它直接依靠电动机提供辅助力矩， 不需要复杂的控制机械。在应用中只要控制助力电机两端电枢电压的大小和极性，就能实 现转向系统控制的要求。另外，该系统利用了微处理器控制，为转向特性的设置提供了较 高的自由度，而且还降低了成本、提高了控制质量。 尽管国内很多科研院所设计的e p s 样机已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些 问题需要解决。本课题主要对现有e p s 的综合性能进行分析，通过试验验证，改进课题组 现有e p s 集成控制模块的性能，以达到提高可靠性、降低系统功耗的目的。 目前国外各大汽车公司都在研制e p s ，已完成批量生产e p s 的技术储备。在未来1 0 年，e p s 将可能完全替代现有的转向系统。据专家预测，到2 0 1 0 年，全球产量将达2 5 0 0 万套，因此e p s 具有非常广阔的应用前景，在我国有必要加大投入进行该方面的研究工作。 1 2 关于嵌入式系统 嵌入式系统已广泛应用于电子通信、工业控制、信息家电、军事国防等各个领域。在 不同的应用场合，嵌入式系统呈现出的外观和形式各不相同，但通过对其内部结构进行分 析可以发现，一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，见图1 2 1 。其 中嵌入式计算机是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。执 行装置也称控制对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作 或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微型电机，当手机处于信号接入时产生振 动；也可以很复杂，如s o n y 智能机器狗，上面集成了多个微型电机和多种传感器，从而 可以执行复杂的动作和感受各种状态信息。 南京理1 = 人学硕 ：学位论文绪论 i；瞳西汀繇擎l 彖铹i 图1 2 i 嵌入式系统的典型结构 目前所提及的嵌入式系统一般指嵌入式计算机系统，下面对嵌入式计算机系统的组成 进行简要描述。 ( 1 ) 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器系统、通用设备接口和i o 接口( a f t ) 、d a 、p w m 等) 组成。在一片嵌入式微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成 了一个嵌入式核心集成控制模块。嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心操作系统 和应用程序都可以固化在r o m 或f l a s h 中。 ( 2 ) 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o r a ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得 系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有相关的硬件初始化、数据的输入输出操 作和硬件设备的配置等功能。 ( 3 ) 软件层 软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口、网络系统及通用 组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。r t o s 实际上是一段嵌入式目 标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户其他应用程序都是建 立在r t o s 之上。r t o s 是一个标准的内核，它将c p u 时钟、中断、i o 、定时器等资源 封装起来，留给用户的是一个标准的a p i 函数接口。 ( 4 ) 功能层 2 堕室墨三盔兰堡主兰竺丝奎 ! 竺堡 功能层由基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。功能层 是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，一般需要一个较友好的人机界面。 1 3 关于汽车电动助力转向系统( e p s ) 近年来，“e p s ”这个名词在各类书籍杂志上出现的频率逐渐增高，大众对e p s 也渴望 有更深的了解，下面对汽车转向系统的发展历程作简要介绍。 ( 1 ) 传统转向系统 传统的汽车转向系统是机械系统，其转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和 一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。目前部分低端汽车仍然采用机械转向系统，主要 因为其结构简单，工作可靠，成本低，转向力在驾驶员的承受范围内。 虽然传统转向系统工作可靠，但是由于方向盘和转向车轮之间是机械连接，转向传动 比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化。驾驶员必须提前针对汽 车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿。这就变相地增加了驾驶员的操纵负 担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患。 ( 2 ) 液压助力转向系统 为减轻驾驶员体力负担，从上世纪四十年代起，工程师们在机械转向系统基础上增加 了液压助力机构，并逐渐发展成液压助力系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) 。这 类助力转向系统最重要的特点是液力支持转向的运动，因此可以大大减小驾驶员作用在方 向盘上的力，降低了驾驶员的劳动强度，提高了整车的操纵舒适性。由于其工作可靠、技 术成熟至今仍被广泛应用。但是液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要 多消耗0 3 加5 升的燃料；另外还存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保佳能被 日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势【4 1 。 ( 3 ) 电液动力转向系统 由于h p s 存在着上述提到的缺点，近年来，随着电子技术的不断发展，相应地出现了 电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、电控液压助力转向e c h p s ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 。e h p s 是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是将原由发 动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。 e c h p s 是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统 的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷 的操纵汽车。 ! 堕堡三盔兰堡圭兰堡丝茎 ! 堕堡 e h p s 相比传统的h p s ，增加电子控制模块，能够解决液压助力转向系统低速轻便性 和高速“路感”的矛盾，但其结构也变得更加复杂。同时，因为该系统还保留着液压机构， 所以仍然存在着效率低，功耗大的缺点问题f 6 】。 ( 4 ) 电动助力转向系统 电动转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 把机械的系统和一个电控的电动马达结合 在一起形成的动力转向系统。与液压系统不同的是，助力改由电机提供，它通过一个力矩 传感器来测量作用在方向盘上的力矩，一个车速传感器采集此时的汽车行驶速度，电子控 制单元来计算所需要的力矩，最终通过电动马达提供转向所必须要的力。e p s 特点如下： 由于e p s 改由电机提供助力，助力大小由电控单元e c u 实时调节与控制，可以较 好解决汽车操纵时“轻”与“灵”的矛盾【1 6 1 。 e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰 动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转 向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同 使用对象的需要。 e p s 只在转向时电动机才提供助力( 不像h p s ，即使在不转向时，油泵也一直运转) ， 因而能减少燃料消耗。 e p s 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比h p s 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易。 e p s 没有液压回路，比h p s 更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通 过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。 e p s 不存在渗油现象，消除了液压助力中液压油泄漏问题，可降低维修成本，减小 对环境的污染，改善了环保性。 e p s 比h p s 具有更好的低温工作性能。 电动助力转向目前已成为世界汽车技术发展的研究热点之一。 1 4e p s 的研究及应用现状 1 4 1e p s 的国外研究及应用现状 国外在9 0 年代就已经着手对e p s 进行研究，但是由于汽车对转向系统可靠性、安全性 要求很高，这使得e p s 开发费用昂贵、困难重重。近年来，随着半导体技术的发展，电子 系统开发周期、成本的大幅下降，使得e p s 在实际工程中的运用成为可能，并由于e p s 系统 的种种优点，预示其有着广阔的应用与发展前景。 4 堕塞型三盔竺堡：生兰壁堡壅 ! 堑堡 d e l p h i 公司的a l yb a d a w y 和j e f f z u r a s k i 提出t e p s 降阶模型，在e p s 建模研究中有较大 的影响1 8 1 i 。在e p s 系统对车辆动力学特性影响的研究中，美国学者ygl i a o ，hid u 建立了 多刚体的整车动力学模型，利用动力学分析软件a d a m s 和控制系统分析软件m a t l a b 进 行了整车动力学模型e p s 系统控制器的耦合仿真m 1 。在e p s 系统控制方法的研究中， j s c h e n 分析e p s 系统分别采用比例控制方法和比例加微分控制方法性能优劣，提出了比例 加微分控制能提高e p s 系统的传递特性i3 0 1 。d e l p h i 公司的r o ym c c a n n 在研究报告中提出， 在e p s 系统控制器中引入横摆角速度反馈，以增加系统的控制稳定性8 3 】。 在应用方面，日本铃木公司于1 9 8 8 年首先在其c e r v o 车上装备电动助力转向，随后运用 在a u t o 车上。在此之后，各大汽车公司投入大量人力、物力开展电动助力转向技术的研究。 日本的大发汽车公司、三菱汽车公司，本田汽车公司，美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自的电动助力转向。如大发汽车公司的m i r a 车、三 菱汽车公司的m i n i c a 车都装备了电动助力转向系统；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选 装电动助力转向；d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 1 以及菲亚特的p u n t o 开发出电动助力转向系统。t r w 的电动助力转向已经装备在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等轿 车上 1 9 】【io 】。 经过2 0 多年的发展，e p s 系统的性能日趋完善，并日趋人性化，驾驶员甚至可以按个 人喜好设置e p s 的参数，使其控制特性符合自己的驾驶习惯。 1 4 2e p s 的国内研究及应用现状 与国外相比，国内在e p s 方面的研究起步较晚，2 0 0 0 年昌河“北斗星”装备e p s ，广 州本田“飞度”也安装e p s 后，国内掀起了电动转向系统研发的热潮。 在理论方面，合肥工业大学的王启瑞、陈无畏等教授将模糊控制和p d 控制结合，提出 了模糊自调整p d 控制策略，并进行仿真分析和试验验证，结果表明该控制策略有较好的助 力特性和抗干扰能力。江苏大学的苗立冬、何仁等教授对控制策略的研究给从事e p s 开发 的人员较大的借鉴。 在应用方面，国内仅有南京跃进汽车集团的“新雅途”、广州本田的“飞度”和昌河 的“北斗星”等少量车型装备t e p s 。国产车虽然装备t e p s 系统，但是其集成控制模块大 多还是从国外进口。 1 5 课题的主要研究内容 、 课题组在过去两年中对e p s 系统的研究取得即创性的城果，制作t e p s 系统的模拟试 验台体系，并研发出第一和第二代e p s 集成控制模块试验样板，实现t e p s 的基本控制功能。 重要里王查兰堡主竺堡堡苎 ! 箜堡 尽管e p s 集成控制模块己达到了其最初的设计目的，但仍然存在着不少技术缺憾。主要 归纳如下： ( 1 ) e p s 集成控制模块中没有设置保护电路，在出现较严重的故障时无法保护电路及 元器件不被损坏； ( 2 ) e p s 集成控制模块对车速传感器输入的脉冲信号的采集时间较长，并成为系统响 应时间的瓶颈； ( 3 ) 助力电机控制逻辑不尽合理，以及组成h 桥的四个m o s f e t 驱动电路不完善，使 整个电路运行不稳定； ( 4 ) 电路的功耗较大，使主要供电部件的工况变差，如为弱电部分供电的7 8 0 5 ，其 工作温度达到8 0 0 c ； 理等 件流程比较简单，没有编写执行错误检查、任务超时处 。 的主要研究内容将体现在以下几个方面： ( 1 ) 熟悉e p s 基本原理及控制策略，这是对e p s 系统研究的基础。明确e p s 集成控制 模块应具备的功能，了解设计中所涉及到的关键技术。其中对数字p i d 控制在e p s 中的应用 做了深入分析。 ( 2 ) 确定e p s 集成控制模块的总体开发模式及其开发流程。本课题采用v 型开发模式， 将e p s 集成控制模块分成数个子模块进行设计分析，最后逐一进行集成调试。 ( 3 ) 总结归纳课题组前两代设计的e p s 集成控制模块的优缺点，在此基础上，详细设 计e p s 集成控制模块的硬件系统。其中包括过程输入输出电路、驱动电路、供电电路、通 信电路的设计与优化以及对低功耗设计的探讨； ( 4 ) 详细设计t e p s 集成控制软件的流程，以时基为基础，规定各个任务的执行条件。 根据软件流程，应用模块化思想，设计软件系统中的各个任务。其中，重点介绍了助力特 性曲线在单片机系统中数字化应用； ( 5 ) 分析e p s 集成控制模块的关键特性，并对其做相应的仿真研究，初步确定e p s 集 成控制模块中的几个重要参数； ( 6 ) 建立e p s 系统模拟试验台环境，包括：拟定e p s 系统试验台总体方案；试验台架 的设计、制作；各个试验设备的选取；设计不同信号的具体采集过程； ( 7 ) 采集、分析试验数据。 6 塑塞里三奎堂堡主兰堡垒塞 ! ! ! ! 茎查堕里墨丝型丝1 2e p s 基本原理及控制策略 2 1 电动助力转向系统的分类 根据电动机布置位置不同，电动助力转向系统可分为三种类型，如图2 1 1 所示1 3 1 ： ( 1 ) 转向柱助力式电动转向系统( c - e p s ) 电动机安装在转向柱的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转 向。这种类型的e p s 主要运用于转向负荷较小的场合( 如轻型汽车) ，目前国内已有厂家 制造。 ( 2 ) 齿轮助力式电动转向系统( p - e p s ) 电动机和减速机构安装在转向器上直接驱动转向小齿轮。这种类型e p s 运用于负荷中 等的车辆上( 如卡车等) 。 ( 3 ) 齿条助力式电动转向系统( r e p s ) 电动机安装在齿条上直接驱动齿条。这种类型e p s 被运用于转向负荷较大的车辆上( 如 工程机械等) 。 ( 1 ) c e p s( 2 ) p - e p s( 3 ) r - e p s 图2 t i 三种结构的e p s 由于本课题所研究的e p s 集成控制模块的应用对象为轻型汽车转向系统，因此本文研 究拟采用c e p s 布置方式。 2 2 电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统原理见图2 2 1 。 南京理工大学硕士学位论文 2e p s 基本原理及控制簧略 图2 2 i 电动助力转向原理图 电动助力转向系统主要由转矩传感器、车速传感器、减速机构、电动机、电磁离合器、 机械转向器总成和e p s 集成控制模块组成。当车辆需要转弯时，驾驶员转动方向盘，此时 转矩传感器采集到方向盘的转矩信号，将其转化为电信号传递给e p s 集成控制模块。e p s 集成控制模块根据方向盘转矩的大小以及此前测得车速，按照转向控制策略及助力模型， 计算出所需的输出电流大小，通过过程输出通道传给助力电机。电流传感器采集助力电机 回路的实际电流，如果实际电流与目标电流有差值，则通过p i d 控制算法将其调整到目标 电流。这使得e p s 系统具有快速的响应特性，并能实现在不同车速下提供不同的助力效果， 保证汽车在低速时的转向轻便性和高速时有足够的路感。 2 3e p $ 机械执行部分 机械执行部分的功能是传递转向转矩并最终完成汽车转向。e p s 的机械执行部件主要 包括： ( 1 ) 机械转向器：本课题选择传统的齿轮齿条式机械转向器作为研究对象，其主要 优点有：结构紧凑、传动效率高、制造成本低、并可减小冲击和噪声。 ( 2 ) 减速机构：减速机构是用来减速与增大电动机的输出转矩，主要有两种结构形 式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向柱助力式电动转向系统， 后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式电动转向系统。因此，课题选择蜗轮蜗杆作为减速 机构。 ( 3 ) 电磁离合器：其功能是在e p s 预先设定的车速范围内闭合，使电动机的辅助力 宾 塑塞矍三查兰堡主兰竺堡壅! 星! ! 苎查堕里墨篓型整堕 矩可传至转向器。当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机提供的助力不再输出 到转向系统，转入手动转向状态。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。在断 开的情况下，离合器可清除电动机惯性的影响。根据系统性能要求，本课题采用干式单片 电磁离合器。 2 4e p s 中直流电动机的控制原理 2 4 1 直流电动机工作原理分析 图2 4 1 为直流电动机等效电路，图中端电压u 与电感工、电枢电阻r 、反电动势常数磁、 转速心、电流i 和时间t 之间的关系如下川： u = l ( 堡j - + r i 十k b n m q n 口 当电动机电流稳定时，可以简化为下式6 1 】： u = r 件k b k ( 2 2 ) 由于电动机产生的转矩，。与电流，成正比，可见电动机转矩控制方式有电流控制和电 压控制两种。本课题采用电压控制方式，则电动机输出转矩为陋1 j ： 死= 蜀仁恐r 一岛m( 2 3 ) 式中：亿一电动机转矩系数。 图2 4 1 电动机等效电路 2 4 2p w m 调压调速原理 图2 4 2 是利用开关管对直流电动机进行p w m 调速控制的原理和电压波形。 ( a ) 控制电路图 ( b ) 输入电压波形 图2 4 2p 删调速控制原理和电源波形图 9 塑塞里三查堂堡主兰竺丝苎! ! ! ! 茎查堕型丝篓型墨竖 在( a ) 图中，当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有 电压u s 。t t 秒后栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0 ；( t t i ) 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电 平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2 4 2 的( b ) 所示。一个周期内电动机 的电枢绕组两端的平均电压为： u a ：型兰：口u s ( 2 4 ) 。r 式中：口一占空比，口= t l t ，0 口s 1 。 占空比口表示了在一个脉冲电压周期t 里，开关管导通的时间与周期的比值。由式 ( 2 4 ) 可知，在电源电压孤不变的情况下，电枢的端电压的平均值u a 取决于占空比的 大小，改变占空比的大小就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是p w m 调速的原理。 直流电动机p w m 控制系统可分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单 向旋转；可逆系统是指电动机可正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可分为单极性驱动 和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个p w m 周期里，作用在电动机电枢两端的 脉冲电压是单一极性的；双极性驱动则是指在一个p w m 周期里，作用在电枢两端的脉冲 电压是正负交替的。 由于转向动作中分左和右，所以要求电机必须提供正反向力矩来提供助力。本课题选 用可逆p w m 控制方法。同时，双极性可逆控制系统虽然有低速运行平稳的优点，但存在 着电路波动大，功耗较大的缺点，尤其是它有同臂开关管直通的危险，因此将之应用在安 全性能要求很高的汽车电孚领域显然是不合适的。所以，本课题最终采用h 型受限单极性 可逆p w m 控制系统驱动直流电动机。 2 4 3 受限单极性驱动可逆p w m 控制原理 图2 4 3 为受限单极性驱动可逆p w m 控制原理示意图。图中为典型的四m o s f e t 管 控制的h 桥电机驱动电路，控制h 桥中的4 个m o s f e t ，就能控制电机的正反转，调速 等动作。直流电动机正转情况是v l 控制脚受p w m 控制信号控制，v 2 、v 3 旌加低电平， 使其均处于截止状态，v 4 加高电平，使其完全导通；直流电动机反转情况是v 2 受p w m 控制信号控制，v l 、v 4 施加低电平，使其截止，v 3 加高电平使其常开。 南京理工大学硕士学位论文2e p s 基本原理及控制燕略 图2 4 3 受限单极性可逆p 删控制系统 现以直流电动机正转为例，介绍受限单极性驱动p w m 控制系统的特点。 直流电动机正转情况下，在每个p w m 周期的0 t l 区间，v 。导通，电流沿图2 4 3 所示的虚线1 流经电枢绕组，方向为从a 到b ，直流电动机工作在驱动状态。在t l t 2 区 间，v l 截止，电流在自感电动势的作用下经v 4 和d 3 形成续流回路，沿图2 4 3 中虚线2 ， 直流电动机继续工作在电动状态。直流电动机正转情况下的输入电压与输出电流波形如图 2 4 4 所示。 o ( a ) 输入电压( b ) 输出电流 图2 4 4 电动机正转输出电流波形图 在直流电动机制动情况下，p w m 控制信号的占空比减小，使电枢两端的平均电压小 于反向电动势。在反向电动势的作用下，电流的线路从b 到a ，如图2 4 3 中的虚线3 所 示；但由于v 3 处于截止状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受限”即由此而来。 受限单极性驱动方式在轻载情况下会出现断流现象，可以通过提高开关频率的方法或 改进电路设计克服；但是由于能够避免开关管同臂直通，可大幅提高系统的可靠性，因此， 适用于在大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电动机控制。这也是本课题选用受 限单极性可逆p w m 控制方式驱动直流电动机的主要原因。 l n u门u血 南京理工大学硕士学位论文 2e p s 基本原理及控制策略 2 5e p s 转向助力特性研究 2 5 1 转向助力的基本概念 助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机 械转向系上的一种基本控制模式。 助力特性是指助力控制中电机的输出转矩随着汽车运动状态、受力状况等发生相应变 化的规律。e p s 助力特性属于车速感应型，又可分为全速型和低速型两种。全速型是指e p s 在任何车速下都提供助力，低速型是指e p s 只在低速时才提供助力，当车速超过某一预定 值时，e p s 停止工作。本课题采用低速型助力特性。 由于e p s 系统由电机提供助力，助力大小由预定的助力特性曲线调节和控制，可以较 好地提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，高速行驶时的足够路感，解决“轻” 与“灵”的矛盾。 2 5 2 理想的三维转向助力特性曲线 理想的转向助力特性应符合驾驶员的驾驶 - 3 惯，提高转向轻便性和舒适性，并要有良 好的路感。为此，理想的转向助力特性曲线应具备以下几个特点1 2 0 j ： ( 1 ) 在输入转向力矩t l 弘j , 的区域，此时地面转向阻力较小，希望助力部分的输出越 小越好，且转向助力上升应比较缓慢，以保持较好的路感； ( 2 ) 在常用的转向助力输出区间，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力效果要 明显，且助力增加的应该比较迅速； ( 3 ) 原地转向或掉头时，即当转向阻力很大时，应尽可能发挥较大的助力转向效果； ( 4 ) 随着车速的增高，输入力矩很小时不助力的区域应增大。 理想助力特性曲线如图2 5 1 所示。图中t 为驾驶员输入的转向力矩，v 为当前车辆行驶 速度，i 为最终需要的电动机控制电流。 图2 5 1e p s 的理想三维助力特性曲线 塑塞里三查兰堡主兰堡笙塞! ! 翌苎查曼兰墨丝型丝堕 2 5 3 现有e p s 的转向助力特性曲线 在实际应用中，e p s 的转向助力特性曲线会根据集成控制模块性能、车辆对e p s 性能的 要求、转向控制策略算法设计的复杂程度等因素做一定的简化。将理想的三维助力特性曲 线简化为二维的转向助力特性曲线，这样有利于减少处理器的运算时间、提高系统的响应 速度。 最常见的转向助力特性曲线主要有以下几种类型1 9 1 1 2 0 l ： ( 1 ) 直线型助力特性曲线 图2 5 2 为典型的直线型助力特性曲线。该助力特性曲线可用下式函数表示： i ( a ) 一i | 薛 | 划 图2 5 2e p s 直线形助力特性曲线 ( 2 ) 折线型助力特性曲线 图2 5 3 为e p s 典型的折线型助力特性曲线。该曲线可用下式函数表示： f o ( 0 乃 ) ，l 毛 仍一)瓯s 乃 乙) 5 1 局( v ) 阮一) + 乞( v ) 一毛) 瓯乃 乃。a ) ) ( 2 6 ) i 。瓴乃。j 式中，i 为电动机的目标电流，k j ( v ) 、k 2 ( v ) 分别为折线形助力特性曲线的梯度，随车速增大 而减小。t d l 为梯度增大为k 2 ( v ) 时的方向盘输入力矩，i m 戕为电动机最大输出电流。 1 3 南京理工大学硕士学位论文 2e p s 基本原理及控制簧略 i ( a ) i 一 | 一 | f 划纡1 t d lt d = v m t d ( n m ) 图2 5 3e p s 折线形助力特性曲线 ( 3 ) 曲线型助力特性曲线 图2 5 4 为e p s 曲线型助力特性曲线，其助力特性接近理想的助力特性。该曲线的函 数表示如下： ，= 陉一尸+ 的晚田一， i ( a ) ( o 乃 、 上符合要求 系统集成 系统性能检测与验证 小符合要求 出现系统错误 圈3 2 ie p s 系统设计流程图 3 3e p s 集成控制模块开发环境 3 3 1e p s 集成控制模块硬件开发环境 e p s 集成控制模块的硬件开发环境包括： ( 1 ) 用于电路逻辑模拟仿真的软件m u l t i s i m2 0 0 1 m u t i s i m2 0 0 1 是一种专门用于电子电路仿真和设计的e d a i 具软件，属于e l e c t r o n i c s w o r k b e n c h 系列软件的高级版本。m u l t i s i m2 0 0 1 带有丰富的电子元件库，各种形象化的虚 拟仪器，直观的电路图输入方式，具有数字、模拟及数字模拟混合电路的仿真能力以及完 备的软件测试功能，使其成为电子电路设计过程中的一件利器。 ( 2 ) 电路原理图绘制及p c b 电路板设计软件p r o t e l9 9 s e p r o t e l9 9 s e 是p r o t e lt e c h n o l o g y 公司开发的基于w i n d o w s 平台的电子电路设计创作软 件。它是目前国内最为流行的电子设计自动化( e d a ) 软件，集电路原理图设计、印制电 路板设计、信号完整性分析、电路仿真和可编程逻辑器件设计于体，功能强大，操作灵 活方便，是电子工程技术人员产品开发的一种先进工具。 ( 3 ) 用于设计电路初级调试的面包板 2 2 堕室墨王查兰堡主兰垡丝壅! ! 墅叁壁丝型堡堡璺堡查塞堕壅 由于面包板可重复利用、接插方便的特性，被较多的应用在单一功能的电路调试中。 但是随着电路复杂性的提高，面包板上的接线会变的非常复杂，其插线接口的可靠性较差， 调试也非常不便，这时就要用到以下的开发平台。 ( 4 ) 电路集成调试平台，即通用焊接板 由于通用焊接板上的元器件是焊接到一起的，其可靠性与p c b 相差无几，而且可以随 意更改电路的布线，很适合作为初期的集成调试平台。 ( 5 ) 电路设计调试中用到的试验测量仪器，主要有函数发生器、示波器等； ( 6 ) 用于调试软件系统的单片机在线仿真器，如图3 3 1 。 图3 3 1 单片机在线仿真器 3 3 2f p s 软件开发环境 e p s 集成控制模块的软件开发环境有： ( 1 ) m i c r o s o f tw i n d o w sx p 操作系统； ( 2 ) 单片机软件开发调试的集成编译环境k e i lu v i s i o n 3 ； ( 3 ) e p s 系统仿真及对采集到的数据进行分析的数据分析软件m a t l a b6 5 。 3 4e p s 集成控制模块硬件设计 e p s 集成控制模块的硬件组成及逻辑结构如图3 4 1 ，该电路主要被分为三大部分：供 电电路、强电电路和弱电电路。 供电电路包括汽车蓄电池接入端口、电流的滤波电路、供电保护电路、弱电供电转换 电路等：强电电路包括继电器控制电路、电机驱动电路、m o s f e t 驱动电路及电流传感器 转化电路等：弱电电路包括稳压滤波电路、单片机最小系统电路、信号采集滤波放大电路、 继电器驱动电路，过程信号输出电路等。 考虑到系统的可靠性、功耗等因素，弱电部分可以根据采集的相关信号来决定是否驱 动继电器给强电部分供电。同时，弱电电路也可以控制各个输入传感器的工作状态，如当 不需转矩传感器采集信号时，可将其供电电路关闭。 2 3 南京理工大学硕上学位论文 3e p $ 集成控制模块总体方案研究 图3 4 1e p s 硬件组成及逻辑结构 3 5e p s 集成控制模块软件设计 。 彳 对于软件的设计，通常采用模块化设计方法。所谓“模块”就是指一个具有一定功能、 相对独立的程序段。这样一个程序段可以看作为一个可调用的任务，并规定在每个任务中 只执行单一的动作，减少任务问的相互调用的次数，较少软件出错几率。这种设计的主要 优点是： ( 1 ) 单个模块比起一个完整的程序容易编写、查错和测试； ( 2 ) 有利于程序设计任务的划分，可以让具有不同经验的程序员承担不同功能模块 的编写； ( 3 ) 在软件升级过程中，可以缩小修改范围； ( 4 ) 便于程序员的阅读。 本课题根据模块化设计思想，将e p s 集成控制模块的软件系统划分为以下几个功能模 块： ( 1 ) 初始化模块：主要完成系统运行所必需的软件配置和各功能部件的初始化工作， 如看门狗初始化、i o 端口初始化、定时器初始化、p w m 发生器初始化、a d 初始化等； ( 2 ) 任务模块：该模块在主程序中进行无限循环，主要完成系统的控制功能，如a d 采集、p i d 控制算法、p w m 输出等； ( 3 ) 中断服务：主要完成时基设计，并判断各个任务是否超时。 南京理工大学硕士学位论文 3e p s 集成控制模块总体方案研究 本课题设计的软件系统功能模块及结构见图3 5 1 。 图3 5 1e p s 软件系统功能模块划分 3 6 本章小结 本章对e p s 集成控制模块的开发模式进行描述，并设计了集成控制模块的开发流程。 详细讨论了控制模块的软硬件开发环境，在此基础上，分别对硬件系统和软件系统进行总 体方案设计。 南京理工大学硕士学位论文4e p s 集成控制模块硬件设计与优化 4e p s 集成控制模块硬件设计与优化改进 4 1e p s 外围电气元件特性分析 e p s 外围电气元件包括转矩传感器、车速传感器、电磁离合器、直流电机等，其功能 描述如下： ( 1 ) 转矩传感器 转矩传感器的作用是用于采集驾驶员作用于转向盘的操纵力大小与方向信息，并输出 相应的电压信号。在本项研究中所采用的是转角传感器，由于其实际试验中采集转角与转 矩呈线性关系，因此可用转角传感器等效成转矩传感器，以下称该传感器为转矩传感器。 根据产品说明书中提供的信息，转矩传感器的电压的变化范围是o 5 v ，并经测量计 算，转矩传感器的功耗约为2 0 8 m w 。转矩传感器实物及输出信号如图4 1 1 。 ：4 l ( a ) 转矩传感器( b ) 转矩传感器输出信号 图4 1 1 转矩传感器及转矩传感器输出信号 ( 2 ) 车速传感器 车速传感器常采用电磁感应式。当汽车行驶时，固定在变速箱内侧的测速齿盘转动， 与固定在变速箱壳体上的车速传感器产生相对位移，于是传感器输出连续的脉冲信号，信 号的频率与车速成正比。图4 1 2 为5 0 k m h 时模拟车速传感器输出的信号a 在e p s 试验台中，本课题采用信号发生器来模拟车速信号。 图4 1 2 车速传感器输出信号 塑室里三盔竺堡主兰垡丝苎 ! ! 竺墨壁丝型堡垫矍堡堡盐曼垡垡 ( 3 ) 电磁离合器 电磁离合器的功能是在e p s 预先设定的车速范围内闭合，使电动机的辅助力矩传至转 向器；当车速超出设定车速范围，离合器脱开，电动机提供的助力不再输出到e p s 减速机 构，而转入手动转向状态。另外，当系统检测到e p s 软硬件产生故障信息时，离合器将强 行断开。电磁离合器的特征参数如表4 1 。经测算，本课题采用的电磁离合器的功耗约为 1 6 w 。 表4 1 电磁离合器特征参数 形式干式、单片电磁操纵 额定电压v d c l 2 v 线圈电阻胞 9 0 2 0 额定传递转矩n m5 1 2 v ，2 0 ( 4 )