电动助力转向系统课程设计.

1、电动助力转向系统的设计设计题目：电动助力转向系统的设计设计者：李铭专业： 车辆工程09-2学校：山东科技大学学 号：200901040413设计日期：2012年6月22日指导教师：韩以伦目录一、设计目的 4二、该方案的功能 5三、助力转向系统 63.1助力转向系统简介 63.2液压回路设计工作原理 6四、动力转向器的机构 124.1动力转向器的机构简介 124.2转向器的材料 124.3转向器的组成及工作原理 12五、传感器 135.1转矩传感器 135.1.1电位计式转矩传感器 135.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器 14145.1.3非接触式扭矩传感器155.2车速传感器5.2.1接触式

2、车速传感器 155.2.2非接触式车速传感器 16六、其他机构的简介 176.1电动机 176.2电磁离合器 176.3减速机构 186.3.1双行星齿轮式减速机构 186.3.2涡轮蜗杆式减速机构 206.4助力控制 206.5回正控制 216.6阻尼控制 21七、EPS控制系统 237.1电子控制单元简介 237.2电子控制单元基本结构 237.3 EPS控制系统总体结构 247.4 ECU的控制芯片80C552 247.5电源电路和信号处理电路 267.5.1电源电路 267.5.2扭矩信号 277.5.3车速信号 28八、电动助力转向系统的软件流程 298.1控制策略 298.2故障诊

3、断 30九、电动助力转向系统的工作原理 329.1 EPS工作原理 329.2 EPS关键技术 339.3 EPS结构特点 339. 4电动助力转向系统的控制策略 33十、结论 35十、心得体会 36参考文献 37一、设计目的汽车转向系统是用于改变和保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽车在 行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来 的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶行驶系统配合共同保持汽车继 续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。对转向系统的要求主要概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性。高的转向灵敏 性，要求转向器具有小

4、的传动比，以小的转向盘转角迅速转向；好的操纵轻便性， 则要求转向器具有大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得较大的转向力 矩。可见上述两个要求是相互矛盾的，因此，在实际设计过程中，一般规定，当转 向轮达到最大设计转角时，转向盘总转数不宜超过 5圈，而转向盘操纵力最大不超 过 250N。为了满足以上要求，除尽量减轻自重，选择最佳轴向分配；提高转向系统传动 效率；减小主销后倾角；选择最佳的转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转 向方式。尤其对中、重型车，由于轴荷重，助力转向几乎是唯一的选择。近年来， 随着对小轿车舒适性要求的提高，助力转向的应用比较普遍。助力转向系统应满足以下的要求：1）能

5、有效的减小操纵力，特别是停车转向操纵力，行车转向的操纵力不应大 于 250N.2）转向灵敏性好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产生 助力作用的快慢程度。助力作用快，转向就灵敏。3）具有直线行驶的稳定性。转向结束时转向盘应自动回正，驾驶员应具有良 好的“路感”。4）要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的 关系，并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。5）工作可靠。当助力转向失效或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操 纵。二、该方案的功能助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液 体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。助力转向是一种

6、以驾驶员的操纵转向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。助力转向系统使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵 活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此在汽车制造中普遍使用。 电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，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。电动助力转向系统（EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由 电子控制单元（ECU完成助力控制。它能节约燃料，提高主动安全性

7、，且有利于 环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。该系统主要由转矩传感器、车 速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条 式转向器等组成。EPS系统可以对转向过程中的每一个环节（转向、回正、中间位置）进行精确控 制，从而提高汽车转向助力性能。微机可以根据各种传感器的信号、判断转向状 态，选择执行不同控制模式，并根据这些要求制定 EPS的控制策略。主要包括助 力控制、回正控制、阻尼控制。三、助力转向系统3. 1助力转向系统简介助力转向系统，也就是动力转向，目前已成为绝大多数轿车的一项标准配置， 顾名思义，助力转向就是协助驾驶员做汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘

8、强度 的装置。助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向 车轮的角位移为输出信号，产生与转向阻力相平衡的辅助力。电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，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。助力转向系统的类型主要有1）传统的液压式助力转向系统：这种转向系统的一个致命缺点是即若要保证 汽车在停车或低速调头时转向轻便，那么当汽车在高速行驶时就会感到有“发飘” 的感觉，反之，若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感，那么当其

9、要停车或低 速调头时就会感到转向太重，两者不能兼顾。2）电子控制式液压助力转向系统：电子控制式液压助力转向系统（ EHPS， 主要由电子控制系统、转向齿轮箱、油泵、分流阀等组成。电子控制式液压助力转 向系统是通过控制电磁阀，使助力转向系统的油压随车速的变化而改变，在大转角 或低速行驶时，转向轻便；在中、高速时，能获得具有一定手感的转向力。3）电动助力转向系统；电动助力转向系统（EPS是利用电动机作为助力源， 根据车速和转向参数等，由电子控制单元（ECU完成助力控制。该系统主要由转 矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手 动齿轮齿条式转向器等组成。3.2液压回路

10、设计工作原理该回路主要是应用在电控液压助力转向系统。此次设计的是电控助力转向系统，因 此在这里简单介绍下液压回路的设计：EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、 车速传感器和电子控制单元等装置构成的，电子控制单元根据检测到的车速信号， 控制电磁阀的开度，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转 向助力要求。电动式EPS则是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向 参数和车速信号，控制电机输出扭矩。电动机的输出扭矩经由电磁离合器通过减速 机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用 力。EHPS从控制方式可以分为以下几

11、种类型：序号名称控制对象(1)流量控制式向助力系统供给的流量(2)动力缸分流控制式动力缸有效的工作压力(3)油压反馈控制式作用于油压反馈机构的压力(4)阀特性控制式系统屮控制阀的压力其中，第（1种和第（2）种类型是EHPS发展初期的控制方式，主要的控制 目标都是将系统中的动力泄荷掉一部分以实现高速时减小助力，但这样做的弊病就 是浪费了动力，不利于车辆省油，而且，还有急转弯反应迟钝的缺点，需要安装特 别装置才能解决，现在已很少采用。第（3）种油压反馈控制式现在使用的比较普 遍，其根据车速传感器，控制反力室油压，改变压力油的输入、输出的增益幅度以 控制操舵力。操舵力的变化量，按照控制的反馈压力，在

12、油压反馈机构的容量范围 内可任意给出，急转弯也没问题，但是其结构复杂，各部分的加工精度要求较高， 价格也较高。第（4）种阀特性控制式是近几年开发的类型，是根据车速控制电磁 阀，直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）以控制油压的新方法。这种 控制方式使来自油泵的供给流量没有浪费，结构简单，部件少、价格便宜，有较大 的选择操舵力的自由度，可获得自然的操舵感和最佳的操舵特性。又因其阀结构简 单，在传统的液力转向系统上不须做太多的改动就可实现，所以成为EHP聆后发展的主流。车速感应式电子控制液压动力转向系统1系统概要简介该系统在传统的液压动力转向器的转阀上做了局部改进，并增加了比例电磁 阀、电子

13、控制单元、车速传感器等实现。转阀的可变油口分为低速油口和高速油 口两种，高速油口的前后设有低速油口。在高速油口之后设有旁通回路，在旁通 回路中又设置了比例电磁阀，根据车速开启电磁阀，改变电磁阀的灵敏度以控制 操纵力。系统备有故障安全保险功能，当电气系统发生故障时，具有确保高速工 况的操作特性。典型的系统如图所示。图31 EHPS系统图1 发动机2 前轮3、17动力转向泵4 齿轮齿条机构5、19油箱6 18比例电磁阀7、20电控单元（ECU 8 车速传感器9 车灯开关10空挡开关11 离合器开关12保险丝13 蓄电池14 动力缸15外体16 内体1主要部件的结构及工作过程转阀转阀一般在圆周上形成

14、6条或8条沟槽。图3.3示出了用于可变特性的 具有12条沟槽的系统，各沟槽利用阀体，与泵、动力缸、电磁阀及油箱连接。图 3.2示出实际的转阀结构剖面图。阀部的等效电桥电路如图3.3所示。图3.2转阀及电磁阀剖面图图3.3阀部电桥电路 系统在动力缸与回油口之间配置了两个可变油口，在这两个可变油口之间设有 电磁阀控制的油压回路。可变油口 1R 1L、2R 2L是能以较小的转向扭矩关 闭的低速油口； 3R、3L是能以较大转向扭矩关闭的高速油口，工作原理如图 3.4。当车辆处于低速行驶或停车时，电磁阀完全关闭，由于旁通回路截止，高灵敏 度低速油口 1R及2R以较小的转向扭矩关闭，所以具有轻便的转向特性

15、（图3.4 ）。图3.4低速或停车时车辆高速行驶时，电磁阀完全开启，液压油经过旁通回路，流回油箱，灵敏度 低的高速油口 3R控制通向动力缸的油压，所以具有重工况的转向特性（图3.5 ）。从低速到高速的过渡区间，由于电磁阀的作用，根据车速控制其可变 油口的开度，可按顺序改变转向特性（见图3.6 ）。图3.5高速时图3.6系统的操作特性电磁阀 图3.2示出了电磁阀的一种结构。该阀设有控制流量的旁通油路，是 可变节流阀。在低速时电磁线圈通过最大的电流，可变油口关闭，随着车速的 提高，顺次减小通电电流，可变油口开启，在高速时开启面积达到最大值。该 阀在左右转向时，液压油的流动方向可以逆转，所以在上下流

16、动方向中，可变 油口必须具有相同的特性。为确保高压时流体力作用于阀，必须提供稳定的油 压控制。电子控制单元（ECU ECU接受来自车速传感器的信号，换算后向电磁阀的电磁线圈中输出相应的电流，同时，ECU®监测自身及附件的工作情况，一旦出现异常会立刻作出反应。图3.7示出了控制力特性图。.?3,0申 0 H O C图3.7车速一电流特性电子控制动力转向系统的发展前景理论上来讲，液压式EPS是在优化车速所对应的操纵性和稳定性处于均衡状态 下，控制助力大小而获得最佳手感的系统，同常规的液压动力转向系统相比， 它有以下优点：（1）阀特性可变，手感好。电子控制单元接受速度传感器传递来的脉冲信

17、号，按照预先设定的转换规则输出相对应的电磁阀控制信号，控制电磁阀口的开 度，进而得到此时刻的最佳助力。实际使用时，可根据路面状况、车辆性能及个人 习惯设置不同的阀特性曲线系数，使转向系统适应范围更加广泛；（2）结构简单、部件少、成本低，在原有转向器的基础上不需太大的改动；（3）能够把油泵提供的流量尽可能的变成作用在动力缸中的压力，耗能少， 效率高；（4）系统具有失效自动保护装置。因为电子控制系统只是附加在原来的转向 机上，所以当电子控制系统失效而使电子信号消失时，系统会自动恢复到普通液压 动力转向状态。四、动力转向器的结构4.1动力转向器的机构简介齿轮齿条式转向器具有结构简单，加工方便，工作可

18、靠，传动效率高等优点， 因此在轿车和微型，轻型货车上得到广泛的应用。4.2转向器的材料转向器的壳体材料一般为：有铸铁，铝合金等齿轮齿条：钢转向器摇臂轴材料：20CrM nTi汽车转向器支撑套采用具有极好耐磨性的材料 CSB-M3制成，其在确保低磨损率 的情况下能长CSB-M豺料可以在-40+100C下长期运行；此材料出色的自润滑性能可确保 在无油脂润滑的情况下也能正常工作。持久保持支撑套必须的回弹性能；确保齿条在整个转向系统中始终保持较为平 缓的运动状态。4.3转向器的组成及工作原理图4-1所示为齿轮齿条式转向器工作示意图。转向器壳体11支撑在车身上。作为传动副主动件的转向齿轮 4垂直地安装在

19、壳体中，在其上端的安全万向节 3相连。与传动齿轮啮合的转向齿条 9水平布置，转向减震器5一端连接在转 向器壳体上，另一端连接在齿条上，用以减小转向轮的摆振。有效长度可调的转向拉杆10 一端铰接在转向节臂上，另一端支撑在齿条上。2-1齿花吿圣式轻間耳工柞示审戛严何応我卜齋全耳E* 1-55整:-汩更供：”-緒简世事1L-W转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向 轴.安全万向节带动转向齿轮转动，齿轮使齿条轴向移动，带动拉杆移动，使车轮 偏移，实现转向。图4.1齿轮齿条式转向器工作示意图五、传感器5.1转矩传感器5.1.1电位计式转矩传感器扭杆式转矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭

20、杆弹簧主 要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移， 由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块 通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入 轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂 直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出 现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角 度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位 计

21、转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。目前采用较多的转 矩传感器是扭杆式电位计传感器。它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入 轴和输出轴的相对扭转位移得到的转矩。图所示为转矩传感器的基本原理。在转矩传感器中，用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁路，线圈A B、C、D分别绕在极靴上，接成一个桥式回路。转向轴扭转变形的扭转角与转矩成比例，所 以只要测定转向轴的扭转角，就可间接的知道转向角的大小。在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号 Ui，当转向轴上的转矩为零时，定子 与转子的相对转角也为零。这时转子的纵向对称面处于图示定子

22、AC BD的对称平面上，每个级靴上的磁通是相同的，因而电桥是平衡的，在V、W两端的电位差Uo=0.如果转向轴上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子 间产生如图所示的角位移 9 .极靴A、D间的磁阻增加，B、C间的磁阻减少，各个 极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在 V、W之间出现电位差。这个电位差与转 向轴的扭转角9和输入电压Ui成比例。若比例系数为k，则有：Uo=k Ui 9由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向轴的扭转角，从而便可以知道转向轴 的转矩。图5.1转矩传感器基本原理5.1.2金属电阻应变片的扭矩传感器传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量

23、电桥，当 弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电 信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换：在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是：(1弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。(2采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度(3采用高精度的稳压电源。5.1.3非接触式扭矩传感器图5.2非接触式扭矩传感器的结构如图5.2所示的为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连 接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作

24、用发生 扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽 的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的 变化，通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号 部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，因而寿命长、可 靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，现在 已经广泛用于轿车和轻型车中，是 EPS传感器的主流产品 5.2车速传感器速度传感器是一种将非电量（如速度、压力）的变化转变为电量变化的原件， 根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等，是进行测 量、控

25、制仪器及设备的零件、附件。单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就 有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。在机器人自动化技术中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通 过旋转速度间接测量。目前广泛使用的速度传感器是直流测速发电机，可以将旋转 速度转变成电信号。测速机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压 陡度大，时间及温度稳定性好。测速机一般可分为直流式和交流式两种。直流式测 速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印 刷电路等形式，其中带槽式最为常用。旋转式速度传感器的结构和特征旋转式速度传感器按安装

26、形式分为接触式和非接触式两类。521接触式车速传感器旋转式速度传感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触 时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串 的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度。接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物 体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器 又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿 电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。因此传感器 使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的

27、材料，尽可能减小 滑差。5.2.2非接触式车速传感器旋转式速度传感器与运动物体无直接接触，非接触式测量原理很多，以下仅简 单介绍两点，以供参考。1.光电流速传感器叶轮的叶片边缘贴有反射膜，流体流动时带动叶论旋转，页轮每转动一周光纤传输 反光一次，产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数，计算出流速。2.光电风速传感器风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被徒轮轮番遮断形成 一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。非接触式旋转速度传感器寿命长，无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离整数倍，因此速度运算相对比较复杂。旋转式速度传感器的性能可归纳如下：(1.传感器的输出信号

28、为脉冲信号，其稳定性比较好，不易受外部噪声干扰，对测 量电路无特殊要求。(2.结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片，使运算变换系 数易于获得，故目前速度传感器应用极为普遍。六、其他机构的简介6.1电动机EPS的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩。电动机是影响 EPS性能的主要因素之一，不仅要求 低速大转矩，波动小，转动惯量小，尺寸小，质量轻，而且要求可靠性高，控制性 能好。在电动机设计时，应着重考虑如何提高路感，降低噪声和振动，如在电动机 转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高 电动机的性

29、能。转向助力用的电动机需要正反转控制。一种比较简单适用的转向助 力电动机正反转控制电路如图 6.1所示，图中al、a2为触发信号端， 从微机系统的D/A转换器得到的直流信号输入到al、a2端，用以触发 电动机正反转。当al端得到输入信号时，晶体管 VT3导通，VT2得到 基极电流而导通，电流经 VT2的集电极和发射极、电动机 M VT3的集 电极和发射极搭铁，电动机有电流通过而正转。当a2端得到输入信号时，晶体管VT4导通，VT1得到基极电流而导通，电流经过 VT1的发射 极和集电极、电动机 M VT4的集电极和发射搭铁，电动机有反向电流 通过而反转。控制触发信号端的电流大小，就可以控制电动机

30、通过电 流的大小。图6.1电动机正反转控制电路6.2电磁离合器离合器采用干式电磁离合器，其功能是保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。当车速超出设定的范围时，离合器断开，电动机不在提 供助力，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。为了提高性能，离合器设计成具有磁滞特性，并可实现无 级离合。干式单片电磁离合器的工作原理如图所示。工作电压为 DC12V额定转速时传递的转矩为15N*m线圈电阻（20C）为19.5 Q。当电流通过滑环进入离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力， 带花键的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的动力经过电动机轴、主 动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。由

31、于转向助力的工作范围限定在某一转速区域内，所以离合器一般 设定一个转速范围，例如当车速的超过 30Km/h时，离合器分离，电动 机和离合器的惯性影响转向系统的工作，离合器也应及时分离，以切 断辅助动力。当系统中电动机等发生故障时，离合器会自动分离，这 时仍可以恢复手动控制转向。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感 觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合状态区 域。1.滑环2.线圈3.压板4.花键5.从动轴6.主动轮7.滚子轴承8.电动机 图6.2电磁离合器工作原理6.3减速机构减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：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

32、向柱助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式 和齿条助力式转向系统。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用 树脂材料制成，有的采用特殊齿形。6.3.1双行星齿轮减速机构按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构可以分为单行星 齿轮式和双行星齿轮式两种。双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮 合的行星齿轮，其外面一组行星齿轮和齿圈啮合，里面一组行星齿轮和太阳轮啮 合。它与单行星齿轮机构在其它条件相同的情况下相比，齿圈可以得到反向传动。下图是双行星齿轮减速机构的工作简图:(A)为了保证尺寸在尺寸方面的要求在齿轮5与内齿圈7之间增加了一个中转齿轮6,这样不仅保证了传动的高

33、效性，又保证了齿轮齿轮保证下的强度的要求。如下图：i Mta Ai e 工wfa li'审j* if也 电 > «¥- ,fif - = 鼻 -l*(B)现以(B)图所示的双行星齿轮为例简单介绍其传动过程：设输入轴A的转速为n1则可知计算如下：(1定轴部分传动比计算：i13=n3/n仁-Z3/Z仁i47=n4/n7=-Z5Z7/Z4Z6(2 差动部分传动比计算：i13H= (n1-nH) /(n3-nH= -z3/z1由图可知n1= n4，n3=n7=nB带入上式可知(3 由于 nB=n3=n7=n1/i47=-Z4Z6n1/Z5Z7则由差动部分和定轴部分计算

34、可知：nH=(Z1Z5Z7-Z3Z4Z6 n1/(Z5Z7(Z1-Z3在太阳轮、齿圈和行星架三个基本元件中，可任选两个分别作为主动件和从动 件，而使另一个元件固定不动(使该元件转速为零)或使其运动受一定约束(使该 元件的转速为某一定值)，则整个轮系即以一定的传动比传递动力。不同的连接和 固定方案可得到不同的传动比，三个基本元件的不同组合可有6种不同的组合方案，加上直接挡传动和空挡，共有 8种组合，相应能获得5种不同的传动比。而且 双行星齿轮即有行星齿轮多转速的特点，又包含了自己独有的特点，内外两组行星 齿轮增加了转矩的传输，具有传输稳定的特点，故在减速器上应用较多。6.3.2涡轮蜗杆式减速机构

35、普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂 材料制成。在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动，故 在设计蜗杆传动是，均取中间平面上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（齿顶 圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择：普通圆柱蜗杆传动的主要参数有模数 m压力角a、蜗杆头数z1、蜗杆齿数z2及 蜗杆的直径di等。进行蜗杆传动的设计时，首先要正确地选择参数。设计要求：普通圆柱蜗杆闭式传动（EP S系统中电机输出到转向轴），蜗杆转速n1=1210r/min，扭矩T仁1760N.

36、mm传动比i=31.5.双侧工作工作载荷较稳定，冲 击不大。要求寿命为5年（按每年365天，每天8小时），则使用寿命Lh=5*365*8=14600h选择涡轮蜗杆传动类型根据GB10085-88的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI ）。传动比i介于580之间， 根据推荐，确定蜗杆头数z1=1.蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸1蜗杆直径系数q=d1/m=4.8齿顶圆直径da仁d1+2ham=17.0mm齿根圆直径 df1=d1-2m（ha+c=12.0mm分度圆导程角丫 =蜗杆轴向齿厚sa= n m/2=3.1416mm2涡轮涡轮齿数z2=33;变位系数x2=+0.6;验算传动比i=z2/z仁33，这时的

37、传动比误差为（33-31.5 ） /31.5=4.76%<5%，是允 许的。涡轮分度圆直径涡轮喉圆直径涡轮齿根圆直径6.4助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操作力，通过减速机构把 电动机转矩作用到机械转向系统（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。助力控制的驱动方式为（参照电动机的控制电路）使晶体管VT1导通，VT2和VT3截止，VT4斩波。该控制利用电动机转矩和电 动机电流成比例的特性，由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测 的车速信号输入到控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩一电动机助力目 标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过对反馈

38、电流与电动机目标电流相比 较，利用PID调节器调节，输出PWM&号到驱动回路，以驱动电机产生合适的助 力。6.5回正控制回正控制是为了改善转向特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由 于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着 车速的提高，因回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向力附着系数却减小，二者综合 作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回 正状态。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个晶体 管均处于截止状态，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回 正超调，采用阻尼控制模式。6.6

39、阻尼控制阻尼控制是汽车行驶运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速 行驶时如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为了提高直线行驶的稳定 性，在死区范围内进行阻尼控制。电动机理想模型的基本方程为：式中：u (t )、ia (t)分别为电动机的端电压和电枢电流；w (t)电动机转速；Ra La分别为电动机等效内阻和电感；电动势常数。EPS系统中所用电动机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。若将 电动机两端短路，则有：因此，用一定占空比的PW信号在电动机控制电路内部使电动机短路，电动机 旋转产生的反电动势形成阻碍电动机继续旋转的阻尼转矩，改变占空比，即改变了 阻尼转矩的大小

40、。七、EPS控制系统7.1电子控制单元简介电控单元、汽车电控单元或集成电路控制单元、多路控制装置等等。汽车制造 公司不同叫法也不同。它是由集成电路组成的用于实现对数据的分析处理发送等一 系列功能的控制装置。目前在汽车上广泛应用，并且集成度越来越高电机控制系统中的核心执行部件为电机，而向电机提供及时、有效、准确的驱 动信号就显得尤为重要。EPS的电子控制单元(ECU通常是一个8bit单片机系统， 有一个8位单片机，另加一个256B的RAM 4KB的ROM及一个A/D转换器组成。其 工作过程：当转矩信号和车速信号输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最优 化助力转矩，然后输出此值给 D/A转换器，

41、输出电流指令信号给电动机控制电路， 由控制电路决定电动机作用的大小和方向。此外，ECU也采用数字信号处理器(EPS作为控制单元的。控制系统与控制算法也是 EPS的关键之一，控制系统应 具有强抗干扰能力，控制算法应快速准确，以满足定时控制要求。ECU还具有安全保护和故障诊断功能。ECU通过采集电动机电压、转速等信号判断其系统工作状况 是否正常，一旦系统工作异常，ECU各进行故障诊断分析，单片机将记录故障类 型，点亮仪器表上的故障灯，同时 ECU上的故障码显示灯亮，离合器断开，助力被 取消，系统转入人工转向状态。硬件电路是整个控制系统的平台，其各种功能的实现都要利用这个平台来执 行，该系统硬件电路

42、由几个相互独立的模块化电路组成，整个ECU电路由信号采集及处理、强电驱动控制、故障诊断等基本电路模块构成，通过对单片机的选型、 EPS的结构、系统电路模块的分析，阐述了 EPS系统硬件电路的分层结构设计过程、信号处理电路、助力电机和干式电磁离合器功率驱动控制电路，并分析了各模 块电路的工作原理。7.2电子控制单元基本结构电控单元主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括系统电路、电源电路、输入采集接口电路、输出驱动电路等。1. 系统电路：系统电路以所选定的单片机为核心，主要有存储区扩展电路、时钟电路、复位电路、通信电路等。2. 输入接口电路：输入接口主要将从传感器中采集到的转速、油门踏板位

43、置、冷却 水温度等各种发动机信号进行放大、整形、电压转换、滤波处理等，保证实时准确地为CPU提供发动机的各种参数，以便 CPL进行监控。3. 驱动电路：驱动电路主要是将 CPU根据发动机状态和操作人员的要求计算得 到的控制信号放大驱动，实现对油量控制机构和定时控制机构的控制。图7.1电子控制单元工作原理图7.3 EPS控制系统的总体结构电子控制电动助力转向的控制系统图下图所示。该系统的核心是一个有4KB ROM和256B RAM的 8 bit 80C552.转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机，随着车速的升高，80C552控制相应地降低助力电动机电流，以减小助力转矩。发动机转速信号也被

44、送入 80C552当发动机处于怠速时，由于电力不足，助力电动机和离合器不工作。点火 开关的通断（ON/OFF信号经A/D转换接口送入80C552当点火开关通断时，电 动机和离合器不能进入工作。80C552控制指令经D/A转换接口送入电动机和离合 器的驱动放大电路中，控制电路的旋转转向和离合器的离合。电动机的电流经放大 回路、电流表A、A/D转换接口反馈给80C552将电动机的实际电流与80C552指 令应给的电流相比较，调节电动机的实际电流，使两者接近一致。随着汽车车速和 转矩的变化，助力电动机的电流也应变化。图7.2 EPS总体电路框图80C552片内扩展了两路PWM输出口，很大程度上简化了

45、电动机驱动电路的设计， 它的定时器T2有4个完全相同的捕捉中断，可以用于捕捉加在中断输入脚的外部 脉冲信号，根据两个脉冲上升或下降沿引起的捕捉中断捕捉到T2中的内容，可以方便的计算出被测脉冲的周期；80C552内置的10-bitADC使得系统设计中无需外 扩A/D转换器件，有利于控制电路板的体积小型化；80C552的工作频率可达到30MHZ能够满足电动助力转向系统的要求；80C552除了具有全双工的UART串行 借口外，还有I2C串行接口，能够方便地与系统的其他模块进行总线级集成和通 讯，实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统一体化1。7.4 ECU

46、的控制芯片80C552主控芯片的选择是控制系统设计的一个重要环节，它直接影响到助力转向控制系统的性能。满足助力转向性能要求的主控制器有可编程逻辑器件(PLC,高性能单片机、工控机和数字信号处理(DSP等，这四种控制器各有优缺点。此次设计采用的控制芯片是 Philips公司的8位微控制器80C552选择这个 芯片是基于对所研究、开发的应用对象的控制特性要求。a. 80C552的主要性能(1片内无ROM;(22个标准的16位定时/计数器，1个附加的16位定时计数器，并配有4个捕捉寄存器和比较寄存器;(31个8路10位片内A/D转换器;(42路8位分辨率的脉冲宽度调制解调器输出PWM;(55个 8位

47、并行I/O 口，1个与A/D合用的输入口 ;(61个全双工异步串行口 UART; (7I2C串行总线口 ;(8内部监视定时器WDT; (s 2个中断优先级，15个中断源;(10有56个特殊功能寄存器SFRb. 80C552内部结构及引脚描述80C552内部结构。弓I脚功能如下:VDD VSS: +5V电源、数字地;EA:存储器访问选择输入端；PSEN:外部ROM勺读选通信号；ALE:地址锁存允许信号：STADC片内A/D转换器的启动输 入（上升沿启动;PWM0脉宽调制器PWMS道0输出;PWM1脉宽调制器 PWMg道1输出;EW:监视定时器 WDT勺时钟使能端;RST:复位输入端， 当监视定时

48、器 WDT+数溢出时，输出复位信号；XTALI, XTAL2:振荡器 输入端;AVDD, AVSS模拟电源、模拟地；AVREF十、AVREF-: A/D转换 器基准电压正、负输入端。PO.O-PO.7:8位双向I/O 口 ;P1.0-P1.7: 8位准双向I/O 口 ;P2.O-P2.7: 8 位准双向I/O 口 ;P3.O-P3.7:8 位准双 向 I/O 口;P4.O-P4.7: 8 位准双向 I/O 口;P5.0-P5.7: 8 位输入口 /ADCO-ADC模拟入口 14。单片机引脚资源配置8OC 55 2具有6个8位I/O 口 PO-P5每个口由1个寄存器、1个输入缓冲器和输出缓冲器组

49、成。除了 P1 口新增加了功能，P0-P3与8051完全一样。P4 口的功 能与P1-P3相同，P5 口只能作为输入口。下表为其使用分配情况PiXiTiD l Ait 卩Z iTtD IrJJ四島 1rn卄M理卄静即債耳"債丐F3T4棺血乂岳弓井罔鼻拳It毎”酊金MlF比-Jt.C 电：卜打审'鬥1*AJRI*ia a AI K«lE 卜亍”P*"J一电Jlfll電島他DK IB惴峠出"it盘氏吒鼻单片机I/0引脚资源配置表汽车的电动助力转向系统是典型的实时、随动性系统，从控制的角度讲，系统对 时性有一定的要求，即要求控制系统的输出能够对系统的输

50、入做出合理的控制处 理，由于每个人的控制力度和感觉的不同，所以对精确性要求不是多高，汽车电 动助力转系统的外在反映是驾驶人员的经验与感觉，经验与感觉的模糊性决定了 事实上控制系对控制精度的要求不是非常高，只要控制系统的控制效果比较平 顺，没有助力骤加或力骤减的外在表现，一般可以被用户接收。所选择的80C552满足设计要求，可以从下面几个方面分析 2:80C552的内核是In tel公司的80C51, 80C552具备80C51的所有功能，在开发 21 世纪8位单片机的争夺战中，80C51处于极有利地位，现已成为全世界单片机电路 设计中最广泛的基础结构，因此对于研究开发人员来说，可以参考的资料多

51、，容 易学习，当然选择80C552是因为它强大的实际应用功能。电动助力转向系统需要对采集近来的车速和扭矩信号进行快速处理，80C552的主机频率可以达到33MHz运算速度满足电动助力转向系统的设计要求。电动助力转向系统的主要控制对象是直流电动机，目前多采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM )控制，80C552脉冲宽度调制器 PWM共分 PWM0 和PWM两路，分别用于PWM和PWM引脚上产生频率相同和宽度(占空比)可调 的输出脉冲，很大程度上简化了电动机驱动电路的设计。电动助力转向系统的采集的扭矩信号和电机反馈电流信号需要经过A/D转换，80C552含有一个

52、8路10位逐次比较型A/D转换器，8路模拟量由P5 口输入，A/D 转换完成后得到的10位数字量中的高8位存放在ADC高 8位寄存器ADCH和低2 位在ADC控制寄存器ADCOI中。因此适用80C552位核心的单片机应用系统，其硬 件电路更为简单。电动助力转向系统的采集的车速和发动机转速信号均为脉冲信号，利用80C552的T2捕捉寄存器CT3-CT0捕捉T2中时间的功能可以很方便地测量一个周期性变 化事件的时间间隔。现代的高档汽车基本都配置了防抱死制动装置 (ABS定速巡航自动控制系统 (CCS电控自动变速器(ECAT等电器控制单元，这些模块通过总线与汽车控制系统 的总控制模块相关联、通信。8

53、0C552除了具有全双工的UART串行接口外，还有I 2C串行接口，能够方便地与系统的其他模块进行总线级集成和通讯。7.5电源电路和信号处理电路7.5.1电源电路图7.3系统电源电路80C552需要5V的供电电源，芯片7805完成12V到5V的转变，其中12V是汽 车电源，LMC766产生的-5V满足电路中运算放大器的需要，另外单片机 A/D转换 需要的+5V精密基准电压由LM336产生。7.5.2扭矩信号在测控系统中，传感器的输出信号一般是一些微弱的电压或电流信号，另外一 些干扰因素的存在，在输入到控制电路前必须要经过一些处理电路，如上图所示： ICL7650是Intersil 公司利用动态

54、校零技术和CMOS：艺制作的斩波稳零式高精度 运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移 低、性能稳定及价格低廉等优点。7.5.3车速信号图7.5车速信号处理电路车速信号是12V的单极性脉冲信号，此信号是从车速里程表里面引出的。因为 单片机所能处理的信号高电压在 5V左右，所以车速信号的通道设计主要是完成信 号的电平匹配设计，也即将12V的信号转化为5V的数字信号。对12V电压到5V的 电压的解决方案可以采用分压原理，也可以采用光电耦合器等，本文采用后者的方 法，车速信号经光电耦合器，传送到 T2捕捉0输入线，对车速频率信号进行计 数，通过软件处理可以得到车速信号

55、的频率大小，从而知道车速。八、电动助力转向系统的软件流程8.1控制流程图8.1控制软件流程图8.2故障诊断故障诊断的工作原理：EPS系统工作时，自诊断系统把检测到的非正常输入输出信号为故障信号，自诊断 系统故障主要有以下几种：1. 当某一电路出现超出规定范围的信号时，故障诊断系统就判定该电路信号出 现故障。如扭矩传感器正常时其输出电压信号在 0.1V4.8V|范围内变化。若，ECU 即判定为故障信号，存入存储器。2. EPS工作中，当EC|J在一段时间里收不到某一传感器的输入信号或输入信号 在一段时间内不发生变化，ECU亦判定为故障信号。3. EPS正常工作中，如果偶然出现一次不正常信号，EC

56、U诊断系统不会判断为故障,只有当不正常信号持续一定时间或多次出现时，EcU才将其判定为故障。设计故障诊断码如下:故障码检查诊断项目0正常11转向力矩传感器（主）12转向力矩传感器（副）13转向力矩传感器（主、副侧压差 过大）21车速传感器（主）22车速传感器（主、副压差过大）23车速传感器（主）电压急减故障检查诊断项目码41 直流电动机42 直流电动机电流43 直流电动机过电流44 直流电动机锁止51电磁离合器54 ESP控制装置转向力矩传感器E/F回路不31交流发电机L端子ESP控制装置（微机）不良工作流程图:是一种直接依靠电机HPS( Hydraulic九、电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统(Electric Power Steering ，缩写E