电动助力转向系统的设计

1、 毕 业 设 计 题目 电动助力转向系统的设计 姓名 刘好霖 学 号 2 系（院） 机电工程学院 班 级 P11机电一班 指导教师 李金亮 职 称 讲师 2014年 5月25日 目录摘要3关键词 3第一章 概述4.装.订.线.1.1电动助力转向系统的概述41.2发展历史41.3种类4第二章 电动助力转向系统优缺点52.1优点52.2缺点5第三章 汽车电动助力转向系统的关键技术6第四章 电动助力转向系统控制单元概述7第五章信号处理电路85.1角位移信号的处理电路85.2逻辑电路85.3电动机保护及故障报警电路9第六章 国内外电动助力转向研究现状12第七章 电动助力转向系统的应用发展趋势13 总结

2、14谢 辞15参考文献16摘要本文主要介绍了电动助力转向系统的发展历史，种类，优势优点，产品特点，工作原理，工作过程以及发展趋势。以转向管柱助力式EPS系统为研究对象，借助现代控制理论、现代设计方法和计算机仿真技术，紧密结合EPS产品开发的关键技术.着重研究转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案、控制过程的理论模型与动态性能、泊PS系统的控制策略、提高转向跟随性的途径和方法、分析转向回正控制方法等关健技术问题。主要研究成果如下:.装.订.线.(1)在对电动助力转向系统功能需求分析的基础上，提出了转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案，应用三维CAD技术进行了系统的结构设计。通过分析EPs转向系

3、统的组成和结构形式，确定了系统总体性能参数。详细分析了EPS所涉及的技术领域以及关键技术问题，确定了研发EPS系统的需要解决技术难点问题。(2) 通过对EPS系统组成中各部件包括助力电动机、扭矩传感器和轮齿条传动轴、方向盘等环节的分析，建立了EPS系统的动力学模型，并进一步变换得到了适合控制的状态方程模型。汽车电动助力转向系统是现代汽车中比较常规的配置，是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。主要是由于它的工作效率高，能量消耗少；系统内部采用刚性连接，反应灵敏，滞后小，驾驶员的“路感”好；结构简单，质量小；系统便于集成，整体尺寸减小，省去了油泵和辅助管路，总布置更加方便；无液压元件，对环

4、境污染少。EPS将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究。关键词：电动助力；转向；状态反馈；观测器；转向跟随性 安全性 第一章 概述1.1电动助力转向系统的概述 电动助力转向系统（缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。.装.订.线. 电子控制技术在汽车助力转向系统

5、中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制助力转向系统在低速行驶时可使转向轻便灵活；当汽车在中、高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。1.2发展历史汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：从最初的机械式转向系统（简称MS）发展为液压助力转向系统（简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（简称EHPS）和电动助力转向系统（简称EPS）。1.3种类 我们常见的电动助力转向器有管柱式与循环球式。 第二章 电动助力转向系统优缺点.装.订.线.2.1优点一、在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗，传统的液压助力转向系统有

6、发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力，而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。二、转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性

7、和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。三、结构紧凑，质量轻，生产线装配好，易于维护保养电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转

8、向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。四、通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期。由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、转矩转角传感器、车速传感器和ECU电控单元而成。2.2缺点 一、直接助力式电动转向系统提供的辅助动力较小，难以用于大型车辆； 二、减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整车性能至关重要； 三、使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了系统的成本。 第

9、三章 汽车电动助力转向系统的关键技术电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。 硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的信号源，定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。 .装.订.线.软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。第四章 电动助力转向系统控制单元概述控制单元是实现转向系统转向控制功能、保证系统具有良好性能及可靠工作的重要部件。其主要任务是处理系统各部分发送来

10、的输入信号、控制电动机和继电器等实现转向系统功能。 .装.订.线.单片机控制单元结构如图4-1所示，其核心组成主要包括：8位P87C591型微控制器、信号处理电路、驱动逻辑电路、H桥驱动电路、电动机保护电路和故障报警电路等。P87C591单片机具有内置的6通道A/D转换器和PWM功能发生器能使控制系统结构简化。把检测到的方向盘转角作为系统输入信号通过传输装置传送到P87C591单片机的ADC0脚，实际车辆转向柱转角作为系统的输出信号送到单片机的ADC1脚，单片机对输入、输出角位移信号进行计算，并通过单片机的PWM0、P03口控制输出到电动机的电压大小及方向。为了控制电动机的运行状况对电动机进行

11、保护，引入了电源电压、电动机电流、电动机电压监测控制，电动机电流、电源电压及电动机两端电压分别由ADC2、ADC3和ADC4脚输入单片机。当发动机没有工作时，转向系统转向将使用蓄电池中的储备电能，这是不允许的，为此我们采用光电隔离传感器对发动机输出转速进行检测，光电隔离传感器产生的脉冲信号送入T1口进行计数。单片机对这些信号进行判断，发生故障时切断H桥电源电压，并输出故障指示68。 图4-1 电动转向系统控制框图 第五章信号处理电路5.1角位移信号的处理电路.装.订.线. 从角位移传感器测得的角位移信号，可以直接送到单片机的ADC0、ADC1口。但是由于外界环境的电磁干扰、以及多种成分的噪声信

12、号，虽然可以采用数字滤波器，但是如果存在高于s/2（s为采样频率）的频率信号，根据采样定理，采样频谱中高于s/2的频率分量采样后会出现在低于s/2用的信号频段上， 这样就无法用数字滤波的方法将它们与信号分离。为了消除这种频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前先用一个截频sh/2的低通滤波器把高于s/2的频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含小于s/2的频率分量，即满足采样定理。为此，本文采用两级二阶Butterworth低通滤波器，如图5-1。对输入单片机的信号进行滤波处理，以抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加。图5-1 输入信号低通滤波电路5.2逻辑电路 逻辑电路主要作用是将转向控

13、制信号DIR、脉宽调制信号LOCK进行逻辑组合，由LOCK信号控制电动机的电流电压，DIR信号控制电动机的正反转，形成控制H桥电路的控制信号，逻辑电路还具有防止H桥电路短路的作用。逻辑电路由3个或非门(4001)和2个两输入与门(4081)组成(见图11)。当转向控制驱动电路的输出DIR为高电平时，即或非门U1C的两个输入脚8、9都为高电平时，则U1C的输出脚10为低电平，由于或非门U1A的输入脚2与DIR相同，该输入脚为高电平，因此无论其输入脚1为高电平还是低电平，它的输出脚3都为低电平，或非门U1B的输入脚6(或非门U1A的输出脚3)为低电平，同时或非门U1B的输入脚5(或非门U1C的输出

14、脚10)也为低电平，则或非门U1B的输出为高电平，也就是与门U2A的输入脚2为高电平，而与门U2B的输入脚9(或非门U1A的输出脚3)为低电平；反之，当DIR为低电平时，与门U2A的输入脚2为低电平，与门U7B的输入脚9为高电平6。综上所述，采用图5-2所示的电路保证了两个与门不可能同时输出高电平，也就不可能短路。此外，由表1可以看出，两输入与门U2A、U2B的另一个输入信号为脉宽调制信号LOCK。逻辑电路的输出信号Q3J和Q4J是H桥电路的场效应管的开关信号。表1为逻辑电路输入信号（DIR、LOCK）与输出信号（Q3J、Q4J）的工作情况表。.装.订.线.图5-2 逻辑电路表1 逻辑电路工作

15、情况表 5.3电动机保护及故障报警电路 为了对电动机进行有效保护，我们需要检测电源电压、电动机电流等。并对这些信号处理、综合、做出判断，例如：当发动机没有转速信号时，电动助力转向系统H桥电源开关K1断开，系统不能工作；当电动机电流过大时、当电源电压过小时、等等均属于不正常工作状态，需要发出警报，必要时要切断H桥电源电压，以保护电动机。图5-3为H桥电源开关电路，当发生故障时，P04输出高电平，三极管T5导通、T4关断，从而开关K1断开，通过断开K1来切断H桥电源电压。图5-4为故障灯驱动电路，当P05为高电平时T3导通，故障灯亮，同时FOUT输出低电平驱动蜂鸣器发出报警信号。对电动机电流的检测

16、我们采用了如图5-5的电路，IOUT点电压UIOUT经集成运算放大器ICI6放大为IOUTURRRRRR)4232(43)4333(32，经滤波后送到单片机ADC2口进行采样。.装.订.线.图5-3 桥电源开关电路图5-4故障灯驱动电路.装.订.线.图5-5 电动机电流检测电路第六章 国内外电动助力转向研究现状.装.订.线.国外自20世纪80年代中期就开始了对EPS进行研究和生产，并日益成为世界汽车技术发展的研究热点。最早的EPS应用于日本的微型轿车上，1988年2月日本铃木公司首先在Cervo车和Alto车上装备了EPS。此后，EPS在日本得到迅速的发展，1993年，日本本田汽车公司将EPS

17、装备于爱克NSX跑车上，并取得良好的市场销售效果。同一年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车菲亚特的Punto也将美国Delphi公司生产的EPS列为标准装备。此后，大众的Polo、欧宝的318i也相继选用并安装了Delphi公司的EPS。1999年，德国奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS;同期日本的大发汽车公司和三菱汽车公司分别在Mira和Minica车上装备了EPS, Honda公司的Insight轿车目前也己选装了EPS;英国卢卡斯(LUCAS)公司等也对EPS进行了相关研制和开发。与国外相比，国内开展EPS系统及其控制技术的研究相对较晚，1992年清华大学率先研制了EPS的试验样机，并在

18、试验台上进行了性能试验研究，国内由此开始了对EPS系统的相关研究。其后，吉林大学、华中科技大学、武汉理工大学等科研院校以及相关企业也纷纷开展了对EPS的研究和开发，在系统匹配设计、助力电机、控制系统计算机仿真、系统建模、车辆转向性能的评价、驾驶员路感、转矩及电流的补偿控制、各种传感器等领域进行了积极的探索。 第七章 电动助力转向系统的应用发展趋势EPS的应用发展，一方面需要考虑关键零部件如各种传感器、助力电机、MCU、车载电源系统等的未来发展趋势;另一方面需要综合考虑包含侧向加速度和横摆角速度等多个因素在内的实际应用系统的未来发展趋势。从关键零部件的发展来看:.装.订.线.1、 传感器目前正向

19、着小型化、集成化、更大工作温度范围的方向发展。传感器是EPS的重要部件，EPS的传感器包括转矩传感器、车速传感器、角度传感器等，主要有接触式电阻转向传感器、非接触式光电转向传感器以及新型磁阻式转向传感器之分。早期的EPS转矩传感器多为接触式传感器，这种传感器工作时容易因产生摩擦而造成磨损。非接触式转矩传感器则使用了磁、光和感应技术，有效地避免了这一不足，是未来应用的趋势。随着人们对车辆的行驶安全性、乘坐舒适性和操纵稳定性要求的进一步提高，单一功能的传感器己不能满足多种性能的需求，而采用多个传感器又势必造成成本的增加，同时还有安全的隐患，所以未来传感器将向着多功能集成的方向发展。 2、早期的EP

20、S主要为微型或者小型车辆设计，但随着EPS在中型、大型车上的广泛应用，对转向助力的需求日益加大。如此一来就必须加大助力电机的功率，也就必须增大电机的直径。然而这对于尺寸和安装位置都有较高要求的EPS尤其是C-EPS而言是很困难的。为此，对于电动机来说，如何在提高功率的同时尽量减小电动机的外形尺寸成为未来发展的主要方向。 总结电动助力转向系统代表了车辆转向系统未来的发展方向。EPS在国外己经从研发及试用阶段的实验产品，成为了汽车零部件生产的重要及关键产品并进入了批量生产的阶段;它包括了电子、计算机、控制、电力驱动、传感器、软件、机械和安全工程等八个技术领域。在应用现代电子和信息技术以后，相比传统

21、的HPS具有节能环保、高性能、低成本、高效率等优点。纯电动汽车作为节能环保的典型，在它上面应用EPS亦是必然。.装.订.线.随着现代控制技术的发展以及电力电子技术的不断进步，EPS正逐渐取代HPS。国内许多汽车厂家和科研机构近几年EPS的研究工作虽然取得了一定的成果，但是距离国际先进水平依然存在很大的差距与不足。由于国内外动力转向系统未来巨大的市场，研发具有自主知识产权的EPS具有十分重要的意义。 人们对于具有更高水平的环保、节能、安全性的动力转向系统的需求会越来越大，从液压动力转向系统到电动转向系统的转变的步伐也将会越来越快。EPS系统以其特有的优越性而受到青睐，代表着未来汽车动力转向技术的

22、发展方向。未来，EPS系统将作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位，且有可能完全取代现有的转向系统。我国应加紧对EPS系统的研究与开发，以满足社会需求并跟上世界汽车技术发展进程。通过这篇论文，使我学到了很多关于期货侧电动助力转向系统的知识。汽车的发展关键是靠技术的发展，一切有利于人民的发明，都是值得提倡的。汽车电动助力转向系统使汽车驾驶员转向省力了，使驾驶的过程中不再那么劳累。我们知道汽车在运行的过程中很多时候都是在转向，所以，这个发明无疑对驾驶员的帮助是巨大的。随着现代汽车技术的迅速发展，新技术不断被采用，汽车转向系统已经从机械式转向系统、液压动力转向系统到电动液压助力转向系统发展到如今利用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系统，已发展的比较成熟，我国需要更好的研究和发展汽