基于ARM的汽车电动助力转向与悬架集成控制系统的研究_图文

1、江苏大学硕士学位论文基于ARM的汽车电动助力转向与悬架集成控制系统的研究姓名：戴亦宗申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：赵德安20070601江苏大学硕士研充生毕业论文摘要近年来，为提高车辆乘坐舒适性、安全性和操纵稳定性，各种电子控制技术和控制子系统得到了巨大的发展和广泛的应用。但是，这些控制子系统都是针对提高车辆某一性能指标，而嫠车性能的提高则依赖与各个子系统的协调工作。转向与悬架系统是汽车底盘系统中影响车身姿态和行驶安全性的两大关键。基与此，本文对电动助力转向（）与悬架系统集成控制系统进行了初步研究，主要在与悬架集成系统工作原理的基础上，设计开发了与悬架控制系统的硬件电路和

2、相应的软件程序，并进行了台架试验。一、研究开发了以跏单片机为微处理器的电子控制单元的硬件，控制单元具有实时数据信号采集、转换和系统控制功能。根据采集的数据信号，确定电动机输出的目标电流，利用脉宽调制技术，通过驱动电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现对系统的控制。二、提出了基于算法的模糊集成控制策略。根据，实际系统的变化情况，通过自适应模块调整带修正因子的模糊控制系统，便于跟踪实时控制过程。仿真结果表明：所设计的集成控制系统，与悬架控制系统相比，操纵稳定性、转向轻便性、行驶平顺性和安全性均得到较大改善。三，设计控制电路的软件程序。软件程序包括数据信号采集、转换与控制簧略的实现两部分，采用了模

3、块化的设计思想分别设计了系统主程序、转换程序、车速信号采集程序、加速度信号采集程序、电流采集程序、扭矩采集程序和控制程序，并部分实现了集成系统的控制算法。在自主丌发的台架上对硬件电路和软件系统进行了试验结果表明，设计的控制系统能够满足控制要求，能有效的改善汽车行驶性能，为与悬架集成控制系统的进一步研究奠定了基础关键词：悬架集成控制单片机控制策略台架试验江苏大学硕士研究生毕业论文，“，；），出菇，懈，：，学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的

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5、平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程度时，会使乘客感觉不舒适或使运载货物损坏。为了缓减汽车振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另方面要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。汽车的减振一般有三个环节，即轮胎、悬架和座椅，其中汽车悬架系统起着重要作用。目静汽车上大多采用传统的被动式悬架（）主要由弹性元件和阻尼元件构成这种悬架系统的刚度和阻尼参数，是按经验设计或优化方法选择的，然而由于汽车行驶平顺性和操纵稳定性对悬架系统是相互矛盾的所以要同时满足两项性能的要求就必须进行一定的折衷，且一经选定后，在汽车行驶过程中，其悬架特性参数无法随汽车的运行工况和激励的变化而进行调节因此，其减振性能的迸

6、一步提高受到限制。主动悬架系统解决了被动悬架的固有矛盾，代表了现代悬架系统的发展方向主动悬架的概述主动悬架系统按有源或无源分为全主动悬架系统和半主动悬架系统两大类。全主动悬架系统是在被动悬架中附加一个可控制作用力装置。它通常由执行机构、测量系统，反馈控制系统和能源系统四部分组成【“。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器。测量系统包括传感器，用于测量系统的各种状卷为控制系统所用。控制系统的作用是根据控制律处理数据并发出控制指令当控制系统接收到汽车车身与车轮的状态信息时，不仅能控制液压缸的动作，而且还可以根据需要改变悬架的刚度和阻尼，并对各车轮进行单独控制能源系统为以上各

7、部分提供能量主动悬架按其工作方式的不同，可分为全主动（）、半主动江苏大擘硕士研究生毕业论文（）和慢主动（）三大类。其中半主动悬架又可分为阻尼有级可调（）和阻尼连续可调（）两种类型川。汽车悬架分类及其结构简图如图，所示晕军蕈军毛车。韦屯车毛专（）被动悬架（”慢主动悬絮”一簧载质黛（）半主动悬架一固定阻尼器（）全主动悬架吃一可调阻尼器啊质：一主动悬架作动器图一悬架弹簧刚度屯一轮胎的刚度汽车悬架分类及结构简图汽车转向系统的概述电动助力转向系统的发展历程随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日盏提高。为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，即使在停

8、车情况下转动方向盘也能轻便灵敏。由高速行驶时又不会感到轻飘不稳人们对转向系统进行了不断的改进。汽车操纵稳定性是指汽车确切地响应操纵输入与抵抗外界扰动的能力，其中操纵性指汽车系统作为随动系统，对驾驶员转向输入产生跟随响应的能力；稳定性指抵抗外界路面或阵风扰动的能力，两方面难以截然分开，统称操纵稳定性。汽车转向系统大致经历了以下几个发展阶段。首先是机械式的转向系统，由于采用纯棒的机械解决方案，不得不使用大直径的转向盘来产生足够大的转向扭矩，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙。通用汽车公司在年首次使用了液压动力转向系统。液压动力转向系统给汽车的驾驶控制性能带来了巨大的变化，这技术的进一步发展

9、，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大江苏走擘硕士研究生毕业论文的进步。后来又出现了变减速比的液压动力转向系统变流量泵助力转向系统和电动液压助力转向系统（，简称系统）但是这些液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在着一定的缺陷。经过多年的探索，电动助力转向（，）作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的热点。它属于与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系统。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而安现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时能减轻操纵力，从而提

10、高操纵的轻便性：而当汽车在高速行驶时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶时的操纵稳定性，而且它可以较好地解决液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势川世界各大汽车公司对电动助力转向系统的研究己经有多年的历史，但是在开始的数年间一直没有取得大的进展，主要原因是电子器件和传感器等技术的发展不是很理想，作为大批量应用，其成本居高不下但是近几年来，随着电子技术和传感器技术的发展，硬件成本太幅度下降，从而使得大规模的工业应用成为可能，加之电动助力转向系统的诸多优点，电动助力转向系统及其相配套的部件的研究与开发愈来愈备受各主要车

11、生产企业的青睐。￥控制技术发展现状及应用年月日本铃木公司首次在其车上装备，随后还用在了其车上从出现到现在，经过了二十多年的发展，其技术日趋完善。应用范围已经从最初的微型轿车向更高级的轿车和商用客车方向发展，如本田的和菲亚特的等中型轿车已经安装，本田甚至还在其赛车上装备了。的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。目前取得实际应用的电控动力转向系统无一例外地把传统的机械转向系统作为后备，一旦助力转向系统出现故障，驾驶员可以使用手动转向把车开到修理站州。国内科研院校（如清华大学、江苏大学，吉林大学、合肥工业大学等高校）对电动助力转向及其控制系统进行了丈量研

12、究，取得了一定的研究成果。但是，其动江苏大学硕士研究生毕业论文力学特性、控制策略与整车性能之间关系等方面尚需要深入研究，特别是以上文献中部未考虑汽车转向时悬架运动状态对转向系统的影响。事实上，悬架运动状态对其有重要影响。同本学者证明了汽车转向和悬架之间存在着很大的相互影响。从而导致所设计的控制器性能不够完善由于本文的研究对象是转向与悬架系统的集成控制，下面简介一下汽车的集成控制研究。汽车集成控制及发展现状汽车集成控制基本思想控制技术在汽车上的应用最早始于年代，并主要为了满足法规对排放和燃油消耗的限制。今天的汽车设计己经不仅仅是机械设计。而是机械设计和控制设计的逻辑综合。为此我们为未来的汽车设立

13、一个全新的框架，而其中的技术焦点是汽车的集成控制。近年来，为提高车辆乘坐舒适性，安全性和操纵稳定性的各种电子控制技术得到了巨大的发展和广泛的应用例如防抱死制动系统（）、牵引力控制（）、四轮转向系统（）以及主动悬架系统等它们的研究和应用对车辆性能的提高有重大的意义。但是以上各个控制子系统都是针对提高车辆某一项性能指标，而整车性能的提高则依赖于备个子系统的协调工作。因此车辆系统集成控制成为觋代车辆动力学控制研究的热点“系统工程中的一个重要原则是各个子系统的性能简单相加，并不能达到优化整体性能的目的，这对汽车控制也是如此。由于汽车是一个有机的系统，各个元素之间对立统一从纵向来看，把任何一个子系统变为

14、可控的那么这种控制会对汽车的各个使用性能产生影响。从横向来看，多个可控子系统并存，他们之问必然存在着相互协调的问题。当各个子系统按各自不伺的性能指标进行优化控制时，这些可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能，这就引出了集成控制的概念。从系统工程的观点来看，任何事物都是相互联系的，因此考虑问题，必须研究各子系统日相互制约和相互影响，也就是说要从整体性、相关性上解决汽车的控制闽题。为了避免单独控制的相互干扰，以改善整个车辆的动力学性能。绝对有必要对单个控制系统进行协调，因此可以说集成控制就是侨调控制“汽车集成控制系统的发展现状近年来已有不少学者在底盘集成控制技术这方面进行了大量的研究工作。英

15、国的江苏太擎项士研究生毕业论丈的教授提出了基于相互作用的多目标优化和集成控制【“，用于底盘系统的主动控制；本的等人提出用于改善汽车侧向动力学性能的集成控制模型，在主动悬架模型、汽车角输入操纵模型和模型的基础上，建立了全车阶集成模型，并设计了日控制器“：文献“”中设计的转向与悬架集成控制器使汽车在转向行驶中动力学特性和操纵稳定性优于分别进行控制的简单相加。国内有关汽车底盘部分子系统集成控制的研究才刚起步，尚处于理论研究和仿真分析阶段，相关的研究报道还不太多。文献“”提出了采用转向和制动系的联合协调主动控制，很好地改善了汽车的动力学特性；文献“设计了一种汽车控制系统的集成开发系统，将模拟计算、实时

16、硬件仿真和实车试验结合在一起，提高了控制系统的实用性和有效性。由于转向与悬架系统是影响汽车车身姿态的两大关键系统，两者在各自的研究领域也有了相对成熟的理论。文献？指出了具有良好控制策略的可获得理想的静态主动助力特性，有效地减少由路面不平度所引起的对转向系的扰动，此外，它可大大改善转向响应，使汽车在经历弯道后引起的横向摆动快速收敛；但当汽车在高速转弯行驶时，产生的高频侧向加速度易引起汽车的快速瞬态侧倾，此时则难以消除之当有外界输入和汽车本身状态的变化时。悬架可根据一定的控制规律来改变悬架的剐度和阻尼，以减少车身加速度和其姿奈的变化（如侧倾、横摆、俯仰等），并保证在弯曲路段和高速行驶时的操纵稳定性

17、。应用悬架来控制汽车转弯时的姿态变化，对改善汽车在较大侧向加速度范围内的操纵性能有较好的效果。同时，随着电子技术的发展，与自适应悬架系统的集成控制技术成为当今研究的熟点。课题研究目的与主要内容研究目的汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势继电器技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外轿车和轻型汽车电动助力转向系统正逐步取代传统液压助力转向系统。目前，电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。主动悬架是一种可同时改善操纵稳定性和乘坐舒适性的电控系统。应用主动悬架来控制汽车转弯时的姿态变化，控制车轮动载荷，增加轮胎侧偏刚，江苏大学硕士研究生毕业论文度，可在横

18、摆和侧倾方面获得良好的频率响应。若在设汁过程中将和主动悬架相结合，在不同的工况下，通过对转向力和车身姿态协调控制，可以更好的改善汽车的操纵性和稳定性。但是这两个控制系统肓不同的评价指标和控制策略，不能将它们简单的叠加。由于￥和主动悬架这两个子系统之间有复杂的相互关系，同时为改善汽车的动力学特性，必须深入研究它们之的相互制约、相互影响和相互协调问题，建立将这者柜结合的整车模型，并进行集成控制。本文对电动助力转向（）与悬架系统集成控制系统进行了初步研究，主要在与悬粲集成系统工作原理的基础上设计丌发了与悬架控制系统的硬件电路和相应的软件程序，并进行了台架试验主要研究内容本文结合国家自然科学基台项目汽

19、车主动悬架控制的研究（编号：），江苏省高新技术项目汽车电动助力转向与主动悬架集成控制的研究（编号：），对与自适应悬架系统集成控制中的一些关键技术作初步探索：、研究开发了以单片机为微处理器的电子控制单元的硬件，控制单元具有实时数据信号采集、转换和系统控制功能。根据采集的数掘信号，确定电动机输出的目标电流，利用脉宽调制技术，通过驱动电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现对系统的控制。二、提出了基于瞒算法的模糊集成控策略根据实际系统的变化情况。通过自适应模块调整带修正因子的模糊控制系统。便于跟踪实时控制过程。仿真结果表明：所设计的集成控制系统，与悬架控制系统相比，操纵稳定性、转向轻便性、行驶平顺性

20、和安全性均得到较大改善。三、设计控制电路的软件程序。软件程乎包括数据信号采集、转换与控制策略的实现两部分，采用了模块化的设计思想。分别设计了系统主程序、转换程序、车速信号采集程序，加速度信号采集程序，电流采集程序、扭矩采集程序和哪控制程序，并部分实现了集成系统的控制算法。在自主开发的台架上对硬件电路和软件系统进行了试验。结果表明设计的控制系统能够满足控制要求，能有效的改善汽车行驶性能，为与悬架集成控制系统的进一步研究奠定了基础江苏大擘项士研究生毕业论文本章小节本章主要是对全文的综述性的论述，对目前汽车集成控制系统的概况做了简要介绍，在分析国内外相关文献的基础上讨论了集成系统国内外研究的现状及本

21、课题研究的目的和意义，并介绍了本文的主要研究内容，使读者对本文所要研究的对象和内容有个初步的了解。江苏大学硕士研究生毕业论文第二章集成控制的工作原理集成控制系统简介是当前汽车技术的研究熟点之一“，但是目前的研究大多是以单纯的模型为研究对象的，未考虑其与车身、悬架之蒯的相互影响关系，即设计控制系统时，认为汽车的悬架系统对转向没有影响。同样，在设计自适应悬架控制系统时，假设对其不产生任何影响，或者根本不考虑转向问题。事实上，转向与悬架之间存在着很大的影响关系。从对转向工况下悬架系统的分析可知，转向对悬架运动的确有重要影响。因此针对或悬架其中某一子系统进行的控制研究显然是不够客观的，考虑与自适应悬架

22、这两个子系统之闻的相互影响设计相应的集成控制系统，使与自适应悬架子系统的性能得到综合提高，是很有必要的在集成控制的研究中，可以采用两种策略实现：一种是分别对主动悬架和电动助力转向系统设计控制器，利用两者在状态变量上的耦合，分别调节两个控制器的控制参数，从而达到集成控制的目的：一种是将两者的动力学系统完全融合，把悬架系统和转向系视为一个系统，设计一独立控制器实现集成控制。本来探讨了后一种实现方法及其集成优化设计问题。的工作原理的构成与工作原理系统按照其转向助力机构结构与位胃的不同，可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种形式，但不同类型的基本工作原理是相同的。转向轴助力式电动助力转向系统

23、组成如图一所示。其工作原理为：的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构一离合器与助力电机相连。驾驶者在操纵方向盘时，给输入轴输入了角位移目，输入轴和输出轴之目的相对角位角位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元，与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合方向盘的扭矩、转动方向以及车速等输入信号，判断是否需要助力以及助力的方向。若需要助力，则依扛苏大学硕士研究生毕业论文图转向轴式屯动助力转向系统组成结构图照既定的助力控制镱略计算电动机助力转矩的大小并输

24、出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用从而完成实时控制助力转向。若出现故障或车速超出设定值则停止对电机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电机惯性力矩的影响，系统转为人工手动助力。正是由于系统有了电控单元，较传统，的助力大小可以根据控制策略调整，这给了设计性能优良的助力转向系统提供了可能。的类型的类型通常可以按其助力转向机构位置和结构的不同可分为“齿条助力式（图）、转向器小齿轮助力式（图）和转向轴助力式（图）齿条助力式：助力机构安装在转向齿条处电动机通过减速机构直接驱动转向齿条处。因该方

25、案的助力输入在齿条上，要求电动机输出最大力矩相对要大些，与转向器小齿轮助力式相比，可以提供更大的转向力，适用于大型车。转向器小齿轮助力式：转向助力结构安装在转向器小齿轮处，与转向轴助力相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车，其助力控制特性方面比较复杂。转向轴助力式：助力转向机构安装在转向轴上，当驾驶员转动转向盘时，控制单元控制直流电机，输出助力，电机的动力经离合器、电机齿轮传给转向轴的齿轮，然后经万向节及中间轴传给转向器，因助力输入经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩小 江苏大学硕士研究生毕业论文的主要部件￥的主要部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等。电动

26、助力转向系统的控制决策主要取决与车速传感器信号和扭矩传感器信号，它们性能的优劣、寿命的长短，直接影响着转向系统各部分的控制效果和监测质量。多多妗岁夕盈龉自，】¨诧髓斌目往力杰圈助力转向机构位置不同的的类型转矩传盛器早期的电动助力转向系统中用的是电位器式传感器这种扭矩传感器原理简单、成本较低，但是它存在着精度不是很高、测量系统较复杂、寿命相对较短等固有缺陷，决定了在未来的电动助力转向系统中不是理想的扭矩传感器。本文采用了光电扭矩传感器，主要由光电编码器组成。光电编码器是在平板玻璃圆盘或其它透明材料上，通过光学刻化和照相复制，对盘面按一定的数学模式分割，形成明暗相间的刻线或刻区而制成的传

27、感器。基本上可分为两类：一类是圆光栅编码器；另一类是在很多同心圆上刻制了绝对位置码。如图。该类传感器是通过测量扭杆的相对扭转角来获得作用在转向拄上的扭力的大小，应用于电动助力转向系统时，在光电编码器盘的一侧放上光源向盘投射可见光，在盘的另一面设置一组光电器件转动方向盘时，带动圆盘转动，光电器件可以把透过圆盘和指标光栅或狭缝的光信号转换成电信号，经过放大、整形等后续处理，就将转动信息传递给控制单元，从而获得转向轴上的扭矩的大小其输出为格雷码，转化也比较方便，所设计系统中的光电传感器是采用软件译玛的方法。光电传感器测量精度较高，数字化结构比较简单，寿命比较长，但价格较高。本系统采用的是八位的光电扭

28、矩传感器。江苏大学硕士研究生毕业论文图光电扭矩传感器结构与工作原理车速传感器车速传感器位于变速器输出轴上。为磁感应式，如图所示。它能产生频图车速佶感器率与车速成正比的正弦脉冲信号，该信号经里程表电路处理后，形成方波信号，该方波信号一方面给罩程表使用一方面通过导线送至控制器，向控制器提供车速信号。控制器根据车速的高低决定助力的大小，一般低速时助力大，转向轻便：高速时减小助力，以提高路感和操纵稳定性。直流电动机电动助力转向控制系统中电动机的工作状态需要报据指令信号而改变，根据电动机在助力转向系统中的作用和特点，一般需满足如下要求：）尽可能高的响应频率：）机械持性的硬度的数值尽可能大；）尽可能宽的调

29、速范围；）良好的低速平稳性；江苏大学硕士矸究生毕业论吏）过载能力强；本系统所采用的直流电机的规格如表表直流有刷永磁电动机规格直流有刷永磁电动机规格型式额定宅压（）额定功率（）直流永磁额定时间旋转方向励磁方式外壳彤式绝缘等级最大电流（）绝缘电阻正反向永久磁铁全封蝴额定转速（册）额定扣矩（）额定电流（）转动惯垃大电磁离合器与减速机构电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间，它的作用主要是便电机与减速机构快速的结合和分离。当系统工作于助力模式时，离合器便电机与减速齿轮结合，传送电机的输出扭矩。当系统车速高于设定值或电机电流高于设定值或系统出现故障时，离合器又断开电动机与减速齿轮的连接，使系统停止助力，改

30、为人工操作，从而保证系统的安全性和可靠性。电磁离合器的选用主要是要满足稳定可靠的结合与分离能够很好的传递扭矩。现已知电动机的额定扭矩，考虑余量离合器的额定扭矩选择。减速机构起减速增扭作用，通常为蜗轮蜗杆式、双摊行星齿轮式或球螺旋机构式。主动悬架的工作原理汽车在瞬态转向时，考虑车身的侧偏，横摆，跳跃，俯仰运动，通过减振器的阻尼力将振动能量转化成热能，从而减小车轮与车身之脚的振动幅度和能量，提高汽车的平顺性和舒适性，提高汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性等综合指标。主动悬架的主要部件可调阻尼减振器口】减振器是汽车悬架系统中主要的阻尼元件，是自适应悬架的核心部件。本系统对原有的液压被动减振器进行了改动

31、，设计出了节流口可调式减振器，使用步进电机调节减振器的阻尼为控制系统实车道路试验提供了条件。可调阻尼减振器在拉伸和压缩行程中可调节流口可以通过芯杆，由步进电机进江苏大学硕士研究生毕业论文行驱动这样，步进电机接受控制器发出的指令，就可以通过改变转角来调节可调节流口的节流面积，从而达到控制减振器的阻尼值的目的。当可调节流口过流面积增大时，减振器阻尼力将相应减小；当可调节流口过流面积减小时，减振器阻尼力将相应增大。囝改进前后的液压阻尼减振器步进电机活塞杆蕃杆上腔可调节渣口下腔补偿室圈可调阻尼减振器结构图毽兰池三圈节流口可调式液压阻尼减振器作原理步进电动机步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或

32、线位移的执行器，可以直接实现数字控制，并且不需要反馈就能对位置或速度进行控制。因此，在汽车计算机控制系统中被广泛地作为执行器使用。在主动悬架控制系统中，选用三相步进电机，为 江苏太擘硕士研究生毕业论文了能准确完成可变阻尼的调节，步进电机驱动系统应满足可选择三相三拍及三相六拍两种工作方式之一进行方向为正转和反转两种，按照预置要求完成行走步数。本系统的采用了北京斯达特机电科技发展有限公司的型号电机，能够满足拖动负载所需要的力矩，最高转速不超过转分。加速度传感器试验中采用压电式加速度传感器，其基本原理是在压电晶体上固定一质量，当受到振动加速度时，质量产生的惯性力作用在压电晶体上，由于压电效应使其表面

33、产生电荷，根据电荷量的大小及其变化情况。可计算出加速度的大小。本系统采用的传感器的灵敏度为。集成控制系统的总体框架系统电控单元（）的功能是根据传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，还有安全保护和自我诊断功能，通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消。本系统采用了位的作为的处理器芯片。另外控制系统与控制算法是控制的关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制算法应快速正确满足实时控制的要求”。集成控制系统的总体框架集成控制系统基本结构如图所示该电路由电动机驱动电路、

34、扭矩信号输入电路、车速信号输入电路、电流信号输入电路、加速度信号输入电路和报警指示灯驱动电路等组成。电动机的驱动电路由专用驱动集成电路、桥式电路、和光耦逻辑驱动电路构成。¨扛苏太肇硕士研究生毕业论丈圈集成控制系统基本结构控制系统采样力矩传感器、车速传感器、霍尔传感器、加速度传感器等模拟输出信号，通过微机内部的转换器将模拟信号转换为数字信号，运用一定的控制策略对信号进行处理，输出控制信号控制信号主要包括两个方面：一方面向（场效应晶体管）驱动电路输出控制信号，由哪（脉宽调制）驱动桥式电路，以确定目标电流的大小和助力方向，从而驱动助力电机达到转向助力的效果：另一方面通过脉冲信号控制步进电机

35、驱动器驱动步进电机，从而调节阻尼减振器实现悬架的主动控制。本章小结本章介绍了集成控制中的电动助力转向部分与悬架部分的基本工作原理及其类型，并研究了集成控制系统的原理与结构，从总体上勾勒了集成控制系统的功能框架。探讨了集成系统对传感器、电动机，离合器、减振器及其传动机构的基本要求，对系统的各部件进行了具体的选型，并对系统的某些部件进行了调整与改进，在试验台架上进行了实际功能验证。江苏大学硕士研究生毕业论支第三章集成控制系统的硬件实现集成控制系统硬件设计的内容集成系统要实现的主要功能是采集来自传感器的信号，经控制器运算，判决后，控制电动机在转向时为驾驶人员的转向提供辅助力并调节悬架的阻尼力另外，考

36、虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急处理方案。综合考虑系统的功能要求和一些特殊要求，集成系统的硬件设计主要包括以下一些主要模块。分别是：系统控制器核心系统设计、控制单元接口电路，电动机驱动及其保护电路，电磁离合器控制电路、传感器信号处理电路、故障诊断与故障显示电路以及电源系统电路的设计等。集成控制系统的硬件设计系统控制器核心系统设计控制系统核心电路的设计包括微控制器的选型、微控制器关键引脚设置，内部资源分配、存储器等内容。的结构功能控制系统的控制对象控制电路是比较复杂的。因此希望主控芯片能集成多项功能，如能自动产生州波、有转换器、各种同步串行接口、足够的内部和

37、、看门狗和电源管理等。通过对目市场上单片机品种的调研以及查阅相关资料，能满足上述要求比较，采用了公司的微控制器，其优点为：一、控制系统的电机都采用脉冲宽度调制（），用于调节电机电枢酶端的电压或调节电机转子角度，从而实现对电动机的控制。微处理器带有个通道，很大程度上简化了电动机驱动电路的设计。、控制系统的输入处理信号均为脉冲信号，为了获得信号的具体情况，不可避免要进行频率的测量。的定时器有路捕获电路，可以用于捕捉外部咏冲信号根据一个周期所捕获的脉冲信号，可以方便的计算出被测脉冲的周期。三，外部输入信号为模拟信号，要进行转换内置个位路转换器，在系统设计中无需外扩转换器件，有利于控制电路板的体积小型

38、化。四、系统控制的适时性较高，这就要求处理器有比较快的数据处理能力江苏太擘硕士研究生毕业论主的工作频率可达播，能够满足系统的要求。五，现代汽车往往配各有防抱制动装置（）、和其他一些电器控制单元，这些模块通过总线与汽车控制系统的总控制模块相关联，通讯。除了具有全双工的串行接口外，还有串行接口，能够方便地与系统的其他模块进行总线集成和通讯。在汽车电控系统中，普遍被采用的总线是（），作为实验阶段，现在采用倘使真正投入工业化应用可以选用带有总线扩展功能的微控制器，以便与汽车电控部分的其它控制单元相集成。传感器信号处理电路传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。在实际

39、的测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感器的输出不仅能精确地反映被测量的大小还要正确再现被测量随时间变化的规律，即要求传感器的动态特性要好。因此，传感器的选择不但要考虑其精度、静态和动态性能是否能达到检测要求，还要考虑传感器的输出信号与工控机板卡的接口标准、在现场的安装分布、易于扩展及价格等。系统需要采集到方向盘扭矩、车速、电机电流信号以及如蓄电池电压等在内的状态信号，因此传感器的选型和设计是一个必不可少的环节。扭矩信号处理电路光电扭矩传感器的信号处理电路如图所示圈光电扭矩传感器的信号处理电路光电扭矩传感器的输出信号直接连接到处理器的数据线上传感器部分的电源由系统板提供。引脚

40、用于扭矩传感器信号的选通控制。与门确保只有在扭矩传感器片选端和处理器读控制端口同时低电平的情况下，光电扭矩传感器才被选通，进行扭矩信号的读取防止与控制系统的其它设各或者动作发生总线冲突。江苏走擘硕士研究生毕业论支车速信号处理电路车速信号是的单极性脉冲信号，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，也即将的信号转化为的数字信号，可以采用光电藕合器利用分压原理，其具体电路如图所示，其中和选择合适的电阻值即可。图车速信号处理电路电机反馈电流信号处理电路系统进行电流取样有两方面的用途，其一是为电动机提供保护。另一方面通过电

41、流传感器反馈的电枢电流信号，进行电枢电流的反馈控制。本系统采用北京柏艾斯科技有限公司的型霍尔电流传感器。”，具有反应时问快，过载能力强，全程范围内极高的线性度的特点，其电气参数如表所示，接线方式如图衷霍尔电流传感器电气参数袁电源电压额定输入电流电流测量范围精度线性度额定输出电流失调电流讲出跟随精度响应时间频带宽度耐压±一、优于±蔓，由于助力电动机提供两个方向的助力，电动机的助力电流也就有负之分。霍尔传感器输出的是电流信号（），而系统接受的是电压信号，故需在传感器江苏太学硕士研究生毕业论之的输出引脚上接一个约的电阻，将输入的信号转换为一的电压信号，然后经过一加法器将电压变换为

42、，再经过一运放电路将电压变换为，经过二阶滤波送到控制器的端口。其电路如图所示，霍尔传感器电路连接叫电流信号处理电路电荷采集电路由于来自电荷传感器的信号通常郝伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）所以运算放大器采用了差动组态柬抑制共模信号，电荷传感器的“地，与放大器的“地”不处于同一电位上有一个“地回路”引起的干扰电压，显然是一个共模信号。因此。采用如图的放大电路，干扰电压将被大大抑制，只有所需有用电路得到良好的放大。此电路是目前广泛应用的由三个集成运放组成的数据放大电路。由，两个对称的运放组成差动输入双端输出的前置放大器和，的差动组态单端输出放大器所组成。该电路输出只于差模输入电压有关，具有良好

43、的共模抑制能力采集的数据经过运放电路进行转换，由于电路的转换频率低于采集电路的频率，这就会使转换结果产生孔径误差。因此，在运放电路后加一采集保持器，如图所示电动机驱动及其保护电路在控制器的硬件设计中电动机的控制设计是重要的一环。电动机是系统直接控制的对象所以这部分的设计直接影响到系统控制的有效性和稳定性。电动机的州调压调速原理江苏太学硕士研究生毕业论支图电荷采集电路随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，采用全控型的丌关功率元件进行脉宽调制（，简称）的控制方式己成为绝对主流”删控制方式需要的大功率可控器件少，线路简单：调速范

44、围宽，快速性好：电流波形系数好，附加损耗小；效率高，功耗小、频带宽、滞后小，而且这种控制方式也很容易在单片机控制中实现。所以，删控制方式是一种很理想的驱动所设计系统的电机控制方式也是采用的该类型的控制方式采用丌关驱动方式，通过删柬控制电机电压时，如图，当开关管的棚极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压，。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为，。秒后栅极输入变为高电压，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，电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：（丰）（式中为占空比，。开关器件导通的时间，为脉宽调制的周期。占空比表示了在一个周期中，开关管导通的时间

45、与周期的比值。的变化范围为当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值就可以改变端电压的平均值。从而达到控制的目的。在调制时占空比是一个重要参数改变占空比的丰要方法有定宽调频法、调频调宽法和定频调宽法。酊两种方法由于在控制时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。江苏大学硕士研究生毕业论吏抽）氟再蓝趁（）凡电压基形圈删调制原理与输入输出波形图助力电机的控制设计电动机功率驱动电路的设计直流电动机删控制系统有可逆和不可逆系统之分可逆系统是指电动机可以正反两个

46、方向旋转：不可逆系统是指电动机只能单向旋转。电动助力转向系统有正反方向转向的要求，因此系统的执行电动机也必须能够工作在正反两个方向旋转的运行状态，所以系统采用可逆刚控制系统。对于可逆系统，又可以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”，周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个州周期里，作用在电根两端的脉冲电压是正负交替的。双极驱动电路和单极驱动电路的电路形式是一样的其自的不同之处在于控制方式不同。双极性可逆控制系统有低速平稳的优点，但存在着电流波动大，功耗较大。而且必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关管频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制单极性驱动方式于运行可靠性高，不需附加延时，因而开关频率相对可以提高。本系统设计了电动机单极性驱动脉宽调制电路，电路原理如图。、为光耦，一方面用于系统强电和弱电的隔离，另一方面用于驱动四个管电机的州控制信号和方