电动助力转向系统的研究与设计说明

1、XX理工学院毕业设计（论文）电动助力转向系统的研究与设计概括转向系统（ EPS）是汽车工程领域的热门话题之一。本文在研究电动助力转向系统工作原理的基础上，设计开发了EPS电子控制单元ECU（Electronic Control Unit）的硬件电路及相应的控制软件框图。89c52单片机为微处理器，研发了电控单元。控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能。根据采集到的数据信号，确定电机输出的目标电流，采用PWM脉宽调制技术，通过H桥电路控制电机的输出电流和旋转方向，实现动力转向功能。 .实验ECU装置研制完成后，开发了相应的控制软件。控制软件分为控制策略的实现和数据信号的采集与分析两部分。整个

2、软件系统采用模块化设计思想。在数据信号采集与控制部分，设计了系统主程序、 A/D采集程序、车速信号采集程序和PWM控制程序。EPS电控单元性能稳定，结构合理，与整车匹配性能好，可以保证EPS能够达到良好的转向助力效果。关键词：电动助力转向 电控单元 单片机 控制策略目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc26452 前言 PAGEREF _Toc26452 1 HYPERLINK l _Toc5524 第1章 绪论 PAGEREF _Toc5524 2 HYPERLINK l _Toc17848 1.1汽车电动助力转向系统的特点 PAGEREF _Toc17848

3、2 HYPERLINK l _Toc17998 1.2电动助力转向系统国内外的研究现状 PAGEREF _Toc17998 4 HYPERLINK l _Toc3190 1.3 EPS的发展趋势和急待解决的核心技术 PAGEREF _Toc3190 5 HYPERLINK l _Toc12656 1.4本课题研究的目的与意义 PAGEREF _Toc12656 6 HYPERLINK l _Toc11934 第2章 电动助力转向系统方案确定与工作原理 PAGEREF _Toc11934 7 HYPERLINK l _Toc15221 2.1电动助力转向系统的工作原理 PAGEREF _Toc1

4、5221 9 HYPERLINK l _Toc28093 2.1.1电动助力转向系统的组成和工作原理 PAGEREF _Toc28093 9 HYPERLINK l _Toc23212 2.1.2电动助力转向系统的分类 PAGEREF _Toc23212 11 HYPERLINK l _Toc7674 2.1.3电动助力转向系统的技术要求 PAGEREF _Toc7674 12 HYPERLINK l _Toc13677 2.2电动助力转向系统的数学模型 PAGEREF _Toc13677 13 HYPERLINK l _Toc3056 2.2.1转向盘和转向柱输入轴子模型 PAGEREF _

5、Toc3056 14 HYPERLINK l _Toc12031 2.2.2电动机模型 PAGEREF _Toc12031 14 HYPERLINK l _Toc6779 2.2.3输出轴子模型 PAGEREF _Toc6779 16 HYPERLINK l _Toc16570 2.2.4齿轮齿条子模型 PAGEREF _Toc16570 16 HYPERLINK l _Toc8150 2.3电动助力转向系统的主要部分 PAGEREF _Toc8150 17 HYPERLINK l _Toc10535 2.3.1转矩传感器 PAGEREF _Toc10535 18 HYPERLINK l _T

6、oc1208 2.3.2车速传感器 PAGEREF _Toc1208 19 HYPERLINK l _Toc2345 2.3.3直流电动机 PAGEREF _Toc2345 20 HYPERLINK l _Toc32086 2.3.4电磁离合器 PAGEREF _Toc32086 21 HYPERLINK l _Toc1917 2.3.5减速机构 PAGEREF _Toc1917 22 HYPERLINK l _Toc13170 2.3.6电子控制单元ECU PAGEREF _Toc13170 23 HYPERLINK l _Toc5383 第3章 电动助力转向系统的硬件设计 PAGEREF

7、_Toc5383 24 HYPERLINK l _Toc12765 3.1电子动力转向系统控制器的总体结构 PAGEREF _Toc12765 24 HYPERLINK l _Toc204 3.2控制器微处理芯片的选择 PAGEREF _Toc204 26 HYPERLINK l _Toc9497 3.2.1控制器微处理器常用芯片与选型 PAGEREF _Toc9497 26 HYPERLINK l _Toc16528 3.2.2 89C52芯片与A/D转换芯片介绍 PAGEREF _Toc16528 26 HYPERLINK l _Toc25088 3.2.3 89C52外部总线扩展与片外R

8、OM的连接 PAGEREF _Toc25088 28 HYPERLINK l _Toc15203 3.3控制器输入通道的设计 PAGEREF _Toc15203 30 HYPERLINK l _Toc27282 3.3.1转矩信号的采集 PAGEREF _Toc27282 30 HYPERLINK l _Toc3498 3.3.2电动机电流信号的采集 PAGEREF _Toc3498 31 HYPERLINK l _Toc10851 3.3.3车速信号的采集 PAGEREF _Toc10851 33 HYPERLINK l _Toc14953 3.4控制器输出通道的设计 PAGEREF _To

9、c14953 34 HYPERLINK l _Toc12088 3.4.1电动机的PWM控制 PAGEREF _Toc12088 34 HYPERLINK l _Toc7124 3.4.2电磁离合器和显示控制电路的设计 PAGEREF _Toc7124 39 HYPERLINK l _Toc2009 3.4.3 电动机保护电路与继电器驱动电路设计 PAGEREF _Toc2009 40 HYPERLINK l _Toc13681 3.5系统供电电源电路设计 PAGEREF _Toc13681 41 HYPERLINK l _Toc545 3.6系统硬件抗干扰措施 PAGEREF _Toc545

10、 42 HYPERLINK l _Toc23641 第4章 电动助力转向系统的软件设计 PAGEREF _Toc23641 45 HYPERLINK l _Toc2764 4.1 EPS的控制策略 PAGEREF _Toc2764 45 HYPERLINK l _Toc3662 4.1.1 EPS的PID控制 PAGEREF _Toc3662 45 HYPERLINK l _Toc17570 4.2电子动力转向系统各功能模块的软件设计 PAGEREF _Toc17570 48 HYPERLINK l _Toc22217 4.2.1 A/D采集程序 PAGEREF _Toc22217 49 HY

11、PERLINK l _Toc23008 4.2.2 PWM控制程序 PAGEREF _Toc23008 50 HYPERLINK l _Toc22825 4.2.3车速信号采集程序 PAGEREF _Toc22825 51 HYPERLINK l _Toc25109 4.2.4系统主程序 PAGEREF _Toc25109 53 HYPERLINK l _Toc4521 结论 PAGEREF _Toc4521 55 HYPERLINK l _Toc18387 谢 辞 PAGEREF _Toc18387 56 HYPERLINK l _Toc10961 参考文献 PAGEREF _Toc1096

12、1 57 HYPERLINK l _Toc13529 附录 PAGEREF _Toc13529 59 HYPERLINK l _Toc29546 外文资料翻译 PAGEREF _Toc29546 66前言转向系统作为汽车的重要组成部分，其性能将直接影响汽车的转向特性、稳定性和行车安全。汽车动力转向系统经历了机械转向系统、液压转向系统、电控液压转向系统等阶段。国际上一些大型汽车公司一直在探讨和开发下一代线控电动转向系统。在国外，各大汽车公司对电动助力转向系统（Electric Power Steering System-EPS，或Electric Assisted Steering-EAS）的研

13、究已有20多年的历史。近年来随着电控技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其传统动力转向系统无法比拟的优势迅速进入应用领域，部分替代了传统的液压动力转向。系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）。实践证明，电动助力转向系统（EPS）具有节能、成本低、易控制、易装载、提高操纵稳定性和便携性等优点，满足机电一体化的要求，正迎合了汽车行业的要求。时代。电动助力转向系统具有广阔的应用前景。电动助力转向系统发展的关键在于电子控制技术，包括建立合适的助力特性和采集主要参数的传感技术。此外，电动助力转向系统与车辆安全性和操纵稳定性的关系，以及电动助力转向系统的可

14、靠性将成为重要的研究课题。随着经济的高速发展，汽车的普及率会越来越高，汽车的行驶和转向的轻便性将成为购车者的考虑因素之一。因此，该系统的研发对于满足社会需求、跟上世界汽车技术的发展具有重要意义。第一章简介_1.1汽车电动助力转向系统特点由于动力转向系统具有转向操作灵活、重量轻、吸收路面对前轮的冲击等优点，自1950年代以来已广泛应用于各国汽车。当今的液压动力转向（HPS）是内燃气轮机驱动的汽车动力转向的主流。但是传统的HPS需要不断消耗能量，降低了汽车的燃油经济性。同时，其复杂的液压系统存在助力特性不可调、环境污染、维修不便等缺点。汽车上以电能为动力的电动助力转向系统（EPS）于1980年代开

15、始研究。与HPS相比，它具有更突出的优势：1、EPS能在各种行车条件下提供最佳辅助，减少路面不平对转向系统的干扰，改善汽车的转向特性，降低汽车低速行驶时的转向控制力，提高汽车高速行驶时的驱动力。转向稳定，从而提高汽车的主动安全性。并且可以通过设置不同的转向手力特性来满足不同物体的需要。2.提高汽车的燃油经济性。液压助力转向系统需要发动机驱动液压油泵，使液压油不断流动，浪费了部分能量。相反，电动转向系统的EPS只有在进行转向操作时才需要电机提供能量，是真正的“按需”系统。电动转向系统车辆与液压助力转向系统车辆对比实验表明，电动转向系统车辆无转向时油耗降低2.5% ；使用转向时油耗降低5.5%。3

16、.增强了转向跟随性。在EPS中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。和HPS相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。4.该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件比HPS大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简单。 5.EPS没

17、有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须有个加温的过程，而EPS可以在零下40很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。 6.在未来10-15年推出的纯电动汽车或者燃料电池汽车等汽车上由于没有的传统意义上的内燃机，因此必须考虑安装EPS。 7.电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。使用可靠，维修方便。由此可见，EPS和HPS相比，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，必将逐步取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。1.2电动助力转向系统国内外的研究现状国外从1979年就开始研究电动式电子控制动力转向

18、系统，1988年日本铃木公司首先在其CER车上装备了电动式EPS。同年，美国通用公司也在某些型号的汽车上装备了电动式EPS。1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克NSX跑车上;同年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车-菲亚特帮托也将美国德尔福公司生产的电控助力转向系统作为标准装备。随后，国外很多公司和机构介入了电动式EPS的研究和开发工作。美国的TRW公司，日本的三菱公司、KOYO公司，德国的ZF公司都相继研制出了电动式EPS。经过三十年来的发展，EPS技术已日趋完善，其应用X围正从最初的微型轿车向普通轿车和商用客车方向发展。EPS

19、产品在2002年才有国内企业进行研制开发，目前已经知道的有10多家科研院校正在研制中，如清华大学、XX大学、XX大学、XX大学、XX工业大学等，另外还有10多家转向企业和10多家配套企业也在研制中。从市场应用来看，国内已装有EPS产品的汽车主要为1.3L-1.6L的轿车(主要是电动机的功率所致)。如XX长安的奥拓、XX的奇瑞、XX菲亚特、XX本田飞度、昌XX斗星等。但是，由于国产汽车各车型技术的实际情况以与使用条件的特殊性，国外的EPS与国产汽车的匹配以与实用性还存在问题，至今还没有与国产汽车相协调匹配的、且具有自主知识产权的EPS，仅仅在近几年才开展EPS的技术研究，可获得的技术资料较少，目

20、前尚处于技术攻关阶段。1.3 EPS的发展趋势和急待解决的核心技术首先，EPS的应用X围将会进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界汽车行业中，电动转向系统每年正以9%-10%的增长速度发展，年增长量达130万至150万套，按此速度发展，用不了几年的时间，电动转向将会完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。尽管EPS已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题急待解决，比如提高现有应用的EPS系统性能的可靠性、降低生产成本等。其中，进一步改善电动机的性能是下一步努力的一个主要方向。电动机本身的性能与其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操

21、纵力、转向、路感等问题。概括地说，今后电动助力转向技术的发展方向主要为:改进控制系统的性能、提高系统可靠性和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统的性能，才能满足更高档车的使用要求。另外，EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速、扭矩和方向盘转角，还包括转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向和路感。未来的EPS将向电子四轮转向的方向发展，并与通过总线技术电子悬架、发动机电子控制等一起统一协调控制汽车的运动。随着电子技术的发展，今后有可能取消转向系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统。这将是EPS的未来10年的发展方向。对于我国来说，由于在这方

22、面和国外的差距很大，所以在今后相当长的一段时间内，仍须集中精力解决传感器、电机、和电子控制器方面的研究工作。1.4本课题研究的目的与意义汽车电子动力转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，即汽车低速时需要“轻”的转向力，高速时需要“灵”的转向效果。同时，转向力与路感也相互制约。本课题将通过合适的综合控制方法，设计合适的控制系统，以提高汽车转向系统的操纵稳定性和路感，并为以后的深入研究EPS的工作打下良好的基础。从中汽转向专业委员会第十一届学术年会传来的信息表明:电动转向是现代汽车转向系统发展的必然趋势。因此我们必须大力对电动转向技术进行研究。本文所进行的工作正是在这一时代背景下展开的。通过查阅

23、国内外的文献，本文详细介绍了国内外的电动转向系统的发展现状、硬件系统、控制系统并通过仿真提出了一条可供进一步研究的控制策略。第2章 电动助力转向系统方案确定与工作原理系统总体方案的确定，是进行系统设计最重要、最关键的一步，直接影响到整个控制系统的性能、安全运行等因素的参数选定，使设计能够有序、正确的进行。为更好的拟定一份准确、可靠的总体方案，可以采用“多选一”的形式。第一方案：此方案以80c552作微处理器。如图2-1所示。80c552单片机是由Philips公司生产的一款功能非常强大的MCS-51系列兼容机。除了提供80C552的全部功能外，还提供了大量的硬件资源，引入了许多新的功能，是专为

24、仪表控制、工业过程控制、汽车发动机与传动控制等实时应用场合而设计的高性能单片机。但是由于80C552没有片内程序存贮器，系统需对程序存储器进行外部扩展。41.1却有4.12.PWMA/DA/D80c5280c552车速信号发动机转速信号扭矩信号7LS373AT2864动电路图2-1 电动助力转向系统方案框图B计划：本方案采用89c52作为单片机，如图2-2所示。扭矩传感器、车速传感器和发动机电流传感器的输出信号作为输入信号，经放大电路和ADC0808转换器转换成89c52单片机，再由89c52及时控制输出电路- 共享，以保证系统的正常运行。与80c552相比，89c52不需要外部扩展程序存储器

25、。电离离合器直流电机89C5扭矩传感车速传器发动电流系统电源点火关输入处理电路输监控图2-2 电动助力转向系统方案框图与方案一相比，本方案的特点是基于实际使用性能。与方案一相比，节省了系统内存储空间，使用适应性强。根据以上分析，第二种方案是设计中的最佳方案。因此，本次设计选择第二种方案作为设计方案。2.1电动助力转向系统工作原理2.1.1 电动助力转向系统组成及工作原理电动助力转向系统以电机为动力源，电子控制装置根据扭矩参数和车速信号进行助力控制。典型的电动助力转向系统的组成如图2-3所示：图2-3 电动助力转向系统组成从图中可以看出，所谓EPS系统是在原有机械转向系统的基础上，增加了车速传感

26、器、扭矩角传感器、电子控制器、直流电机及其传动机构，直接使用直流电机驱动转向轴提供动力转向。片刻。扭矩角度传感器测量扭矩和方向盘角度，并将其与车速信号一起发送到电子控制器。控制器根据获得的信号判断是否辅助以及辅助的方向。如果需要辅助，则根据预定的控制策略计算电机辅助扭矩的大小，并向驱动电路输出相应的控制信号。后者为电机提供相应的电压或电流。电动机输出的扭矩通过传动机构带动转向轴转动，达到助推效果。当汽车点火转动方向盘时，安装在方向盘输入轴上的扭矩传感器不断测量转向轴上的转向扭矩，并将信号和车速信号同时输入到控制器ECU。控制器根据输入信号和相应的控制策略确定助力的大小和方向，即确定电机电流的大

27、小和方向，调整转向助力的大小。减速机构通过电磁离合器将减速力矩减速后，将电动机的输出力矩施加到转向杆的输出轴上，通过齿轮齿条等转向机构的作用，可以得到适合汽车工作条件的转向力。2.1.2 电动助力转向系统的分类电动助力转向系统按其转向助力机构的结构和位置可分为转向轴助力式、转向轴小齿轮助力式和齿条助力式三种形式。1:转向柱助力式(Column-assist Type)此时电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装在转向柱上的任意合适位置，一般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向。工作环境好，电机的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形式。由于各部件相对独立，因此维修方便。设计时也有很大的灵活性。但是

28、电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。2:小齿轮助力式(Pinion-assist Type)这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器直接与转向小齿轮相连。它具有转向柱助力式EPS的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。因此本设计采用此种助力方式。3:齿条助力式(Rack-assist Type) 电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从而实现助力。作为最初应用的EPS，这种助力形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较大的助力力矩，

29、电机的力矩波动不易传递到方向盘上。缺点是结构复杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电动机的输出力矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不方便。2.1.3电动助力转向系统的技术要求对转向系统的要求，主要可以概括为转向的灵敏性和操纵的稳定性。高的转向灵敏性，要求转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获得迅速转向。好的操纵轻便性，则要求转向器具有较大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。可见，上述的两个要求是矛盾的。而电动式助力转向器由于采用电子控制系统，实时的调节和控制电机提供助力，因而能较好的解决这一矛盾。一般来说，电动式助力转向器应当满

30、足动力转向系统的如下要求：(1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。而行车转向的操纵力不应大于245N。(2)转向灵敏度好。转向灵敏度就是转向助力器产生助力作用的快慢程度。(3)具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应能自动回正;驾驶员应有良好的“路感”。(4)要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动的转角保持一定关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位上。(5)工作可靠。当动力转向失败或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。2.2电动助力转向系统的数学模型为了研究EPS系统的动态特性与EPS系统对汽车操纵性的影响，EPS数学模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。EPS的机械部分

31、主要可分为转向盘和转向轴、电动机、减速结构和齿轮齿条四个主要部分，根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对EPS部件进行简化，在简化的基础上，根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型，然后再根据各部件之间的相互约束关系，联立各模型，得到如图2-4所示的模型。图2-4 EPS动态模型2.2.1转向盘和转向柱输入轴子模型对转向盘和输入轴受力分析，这里考虑了转向盘的转动惯量，并且把输入轴的粘性阻尼考虑在内，可以得到如下运动方程:J EMBED Equation.3 +B EMBED Equation.3 =T-T(2-1)式中Js转向盘、输入轴的转动惯量，Kgm; Bs输入轴的粘性阻尼系数，N

32、m /( rad / s) ;输入轴的旋转角，rad ; T作用在转向盘上的转向转矩，Nm; Tsen扭杆的反作用转矩，Nm 。由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形，扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比，即有 Tsen = Ks (s-e) (2-2)式中KS扭杆的刚性系数，Nm/rad ; s输出轴的旋转角，rad 。2.2.2电动机模型系统采用永磁式直流电动机，如图2-5所示，电动机的端电压U与电感L、电枢电阻R、反电动势常数Kb、转速m、电流I和时间t之间的关系如下:U=L十RI十Km （2-3）图2-5 永磁式直流电动机模型电动机产生的电磁转矩为:Tm = Ka I (2-4

33、)式中Ka电动机的转矩系数: NmA。对电动机机械部分受力分析，可以得到:Jmm + Bmm=Tm-Ta (2-5)式中Jm,电动机和离合器的转动惯量，Kgm; Bm电动机粘性阻尼系数，Nm/(rad/s);m电动机的转角，rad; Tm电动机电磁转矩，Nm; Ta电动机输出转矩，Nm 。在实际的控制系统中，电动机助力转矩Ta可以如下式所示Ta = Km (m Ge)(2-6)式中Km电动机和减速机构的输出轴刚性系数，Nm/rad 。2.2.3输出轴子模型对转向柱输出轴与电机输出轴进行动力学分析，得到下面的运动学方程: Jee +Bee=Tsen + GTa Tw (2-7)式中Je输出轴的转

34、动惯量，Kgm; Be输出轴的阻尼系数，Nm /(rad / s) ; G蜗轮-蜗杆减速机构的减速比; Tw作用在输出轴上的反作用转矩，Nm 。2.2.4齿轮齿条子模型对齿条和小齿轮进行动力学建模，可以得到Mr Xr + Br Xr=-FTR(2-8) 式中Mr齿条与小齿轮的等效质量，Kg; Br齿条的阻尼系数，N/(m/s); Xr齿条的位移，m; Rp小齿轮半径，m; FTR轮胎转向阻力与回正力矩等作用于齿条上的轴向力，N。转向阻力FTR主要受转向时车轮与地面的摩擦、回正力矩与转向系统中各种摩擦力和力矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以与转向盘的转速等有关。对于常规助力控制过程

35、该模型的简化对控制策略的影响不大，这里给出简化的计算公式：FTR=KrXr+F(2-9)式中Kr等效弹簧的弹性系数，N/m ; F路面的随机信号，N。其中e=。联立上面所建的动力学方程，可以得到:Jss + Bss+ Kss=T（2-10）Jmm +Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11）Mrr+Brr+KrXr= EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 -F（2-12）Mr=mr+减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量，Kg；Br=br+减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数，N/（m/s）。Kt=kt+小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数，N/

36、m；2.3电动助力转向系统的主要部分电动助力转向系统虽然有着三种不同的类型，但其主要部件几乎一样。除了本身的机械传动部件外，主要的部件还包括转矩传感器、车速传感器、直流电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制器ECU (Electronic Control Unit)。2.3.1转矩传感器转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU，作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。转矩传感器有接触式和非接触式两类，非接触式主要是使用下列三种技术之一；磁、光和感应技术。非接触式转矩传感器的线

37、性功能和滞后性能好，但价格较高。接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器，主要由滑块、钢球、环和电位器组成。钢球通过螺旋球表面固定在输入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞里。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。同时，滑块通过一个销安装到输出轴，使它仅可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对输出轴转动时，滑块按照输入轴旋转的方向和输出轴的旋转量，垂直移动(在轴方向)，(等于输入轴相对于输出轴旋转)。当转动方向盘，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输出轴之间的旋转方向里出现偏差。这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为图2

38、-6所示的控制杆里电位器的旋转角度。结果，转矩转变为电压变化，并传送到控制器ECU.送到控制器的转矩信号分为主、副两路。当方向盘处于中间位置时，主、副两路输出的信号都为2.5 V;当方向盘右转时，主转矩信号大于2.5 V，副转矩信号小于2.5 V;当方向盘左转时，主转矩信号小于2.5 V，副转矩信号大于2.5 V。系统利用主、副转矩信号即可判断方向盘转向的方向和转矩大小。图2-6 电位式转矩传感器的输出特性2.3.2车速传感器车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力X围时，系统将停止助力，

39、改为手动操作。车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。常见的车速传感器工作原理如图2-7所示，车速传感器由永久磁铁、铁芯与线圈组成。由于传感器的顶端设置在附有齿的转子附近，当附有齿的转子旋转时，从传感器的永久磁铁出来的磁通量发生变化，在线圈上就会产生交流电流。图2-7为车速传感器的工作原理。 1.轮毅 2.转子 3.永久磁铁 4.输出信号电压 5.高速时 6.低速时图2-7 车速传感器的工作原理车速传感器的输出信号一般是经里程表处理后，变成方波信号送给控制系统。在本文的研究中，作者采用脉冲发生器来模拟实际的车速信号，用于对控制策略的研究。2.3.3直

40、流电动机EPS用直流电动机与一般的起动电机在原理上基本一样，但一般采用永磁电动机。为了降低噪声和减小振动，有的电动机转子外圆表面开有斜槽。作为EPS系统助力的提供者，直流电动机应当有较好的机械特性和调速特性。一般应满足如下要求： 1)尽可能宽的调速X围; 2)较小的转动惯量; 3)良好的低速平稳性; 4)体积小、质量轻、噪声低; 5)过载能力强;按照上述要求，本课题选用了直流有刷永磁电动机作为EPS系统的助力电机，其工作的额定电压为12 V,额定电流为30A,，额定转速为1050r/min,额定输出功率为170W，额定转矩为1.48Nm.2.3.4电磁离合器电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间

41、，它的作用主要是使电机与减速机构快速地结合和分离。当系统工作于助力模式时，离合器使电机与减速齿轮结合，传送电机的输出转矩。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，改为人工操作，从而保证系统的安全性和可靠性。一般的EPS系统通常采用干式单片式电磁离合器，它的结构如图2-8所示，主要由电磁线圈、 主动轮、从动轴、压板等组成。其工作原理如下:装在电动机输出轴上的主动轮内装有电磁线圈，通过滑环引入电流。当离合器通电时，电磁线圈产生的电磁力使压板与主动轮端面压紧。于是，电动机的动力经主动轮、压板、花键、从动轴传给减速齿轮灭。1 滑环

42、2 电磁线圈 3 压板 4 花键 5 从动轴 6 主动轴 7 滚珠轴承图2-8 电磁离合器结构图2.3.5减速机构减速机构也是电动助力转向系统不可缺少的部件，减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速，从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。目前实用的减速机构有多种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。两级行星齿轮减速机构能提供较大的助力，一般用于小齿轮助力和齿条助力式EPS系统。蜗轮蜗杆减速机构提供的助力虽不如两级行星齿轮减速机构的大，但已能满足微型车的应用需求，加之其减速机构传动平稳、结构简单、体积小以与成本低，所以目前应用较为广泛

43、。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。在本课题的研究中，所选用的就是蜗轮蜗杆减速机构，它是与电动机与电磁离合器集成为一体的一个组成机构。图2-9为电机、离合器、减速机构组成。图2-9 电机、离合器、减速机构组成2.3.6电子控制单元ECUECU的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，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。由于EPS系统处理的数据量还不是很大，所以目前的控制器核心一般采用8位的单片机。第3章 电动助力转向系统的硬件设计控制器ECU是电动助力转向系统研究的主要内容之一，是控制策略实现的硬件基础，控制器的硬件性能直

44、接影响EPS系统的控制效果。在研究了电动助力转向控制器的工作原理和结构的基础上，作者自行设计开发了硬件控制器ECU。控制器的设计主要包括两大部分，一是数据输入通道，即数据采集电路的设计，二是控制输出通道，主要是电动机的控制电路。对于硬件设计中所采用的抗干扰措施，本章也做了简要介绍。3.1电子动力转向系统控制器的总体结构EPS控制器结构图如图3-1所示。图3-1 EPS控制器结构图当控制器接收到汽车点火信号时，接通蓄电池电源，控制系统开始工作。汽车在行驶过程中，ECU采集转矩传感器和车速传感器的输入信号，根据已定的控制规则，确定一个目标电流和电机转动的方向，并以PWM调制的方式通过H桥电路来驱动

45、电机转动。同时，系统对电机的输出电流进行采样，采样的结果一方面与目标电流相比较，用于电机的控制;另一方面结合车速信号，用于系统的保护。若电机电流大于设定值或车速高于设定值时，为了保护电机和系统的安全，控制器将对继电器发出一个控制信号，断开电机电源，停止助力，待系统正常后，再恢复助力功能。3.2控制器微处理芯片的选择3.2.1控制器微处理器常用芯片与选型作为汽车电子技术研究的热门课题之一，国内外很多研究机构和高校对控制器的硬件设计进行了新的尝试和探讨，主要体现在控制芯片的选择上。现在常用的芯片有很多种，如8031,8051,89C51,89C52等，本设计中选择89C52作为微处理器。3.2.2

46、 89C52芯片与A/D转换芯片介绍89C52单片机芯片引脚如图3-2所示。图3-2 89C52单片机芯片引脚（1）89C52的40个引脚按其功能来分，可分为如下三类： (1)电源与时钟引脚：V、V；XTAL1、XTAL2 (2)控制引脚： 、ALE、RESET（即RST） (3)I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。（2）8通道8位A/D转换器ADC 0808由于单片机不能直接与模拟信号相连接，所以必须有一个器件完成从模拟信号到数字信号的转换，而ADC0808就是这样一个器件。ADC0808 是CMOS的8位单片A/D转换器。片内有8路模拟开关，可控制选择8个模

47、拟量中的一个。A/D转换采用逐渐逼近原理。输出的数字信号有TTL三态缓冲器控制，故可直接连至数据总线。模拟输入部分有8路多路开关，可由三位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择。主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK信号控制内部电路的工作，由START信号控制转换开始。转换后的数字信号在内部锁存，通过三态缓冲器接至输出端。ADC0808与89C52连接图如图3-3所示。图3-3 ADC0808与单片机89C52的连接图3.2.3 89C52外部总线扩展与片外ROM的连接由于89C52的输入/输出引脚有限，一般的情况下，我们采用地址锁存器进行单片机系统总线的扩展。常用的

48、单片机地址锁存器芯片有74LS373、8282、74LS273等。本设计中，采用74LS373来扩展89C52的外部总线。图3-4为74LS373引脚图。 图3-4 74LS373的引脚图74LS373是带三态输出的8位锁存器。当三态门为有效低电平，使能端G为有效高电平时，输出跟随输入变化；当G端有高变低时，输出端8位信息被锁存，直到G端再次有效为止。 由于89C52的数据存储器不能满足设计系统的要求，必须外接RAM。RAM是程序存储器的简称，用来存放用户数据的存储器，具有RAM型存储器的单片机价格最低，它适用于大批量生产。片外的RAM可直接挂在外部系统总线上，至于RAM的选通操作，需要由控制

49、信号和片外信号确定。外部程序存储器的读信号为PSEN。单片机片外RAM芯片的种类和型号非常多。例如6116(2k)、6264（8k）、62256（32k）等。本系统选择6264来外扩数据存储器。6264的各个功能引脚如图3-5所示。图3-5 6264的各个功能引脚Vcc：电源电压，+5V。GND：接地。A0-A12:地址线。D0-D7:数据线。：片输出允许，连接单片机的读信号线。:写允许引脚，低电平有效。单片机和片外RAM的电路连接图如图3-6所示.。图3-6 单片机89C52和片外RAM的电路连接图中P2口和6264的高8位地址线连接；P0口经过地址锁存器输出的地址线和6264的高8地址总线

50、相连，同时P0口又与EPROM的数据线相连。单片机的ALE连接地址锁存器的控制端；连接6264的输出允许端。3.3控制器输入通道的设计3.3.1转矩信号的采集控制器接收从转矩传感器送来的转矩信号有主、副两路，如前所述，这两路信号是对称的，故在设计时只需采用一种电路。输入的转矩信号幅值为0-5 V,A/D转换器的输入电压X围为0-2.5 Y,故对转矩信号除了一般的滤波处理外，还需对其进行分压处理。其电路原理如图3-7示。此采样滤波电路为二阶低通有源滤波电路，阻值一样的R1, R2先将输入的转矩信号分压，幅值变为原来的一半，然后与C1构成一阶低通滤波电路，R3与C2构成第二级一阶低通滤波，运放则作

51、为一个电压跟随器来使用。转矩信号采集电路如图3-7所示。 图3-7 转矩信号采集电路3.3.2电动机电流信号的采集电动机的反馈电流是电动机闭环控制所必须的一个参数，它一方面用来与目标电流的比较，使其更接近于目标电流;另一方面，可以利用它来对电动机进行过流保护，即当电机电流高于保护值时，切断电机供电电源，用软件的方式替代硬件过流保护电路。电机的反馈电流采用霍尔电流传感器采集，电机的额定电流为30A，本课题所选用的是PAS-HID50型霍尔电流传感器，具有反应时间快，过载能力强，全程X围内极高的线性度的特点。其电气参数见表3-1.表3-1 电动机的电气参数表电源电压DC12-15V额定输入电流50

52、A电流测量X围0-70A精度0.5%线性度0.15%额定输出电流50mA失调电流优于0.2mA跟随精度200A/us响应时间us频带宽度DC-200KHz耐压AC2.5KV/min，50HzPAS-HID50的接线方式如图3-8所示。图3-8 PAS-HID50霍尔传感器电路连接图由于助力电动机提供左右两个方向的助力，电动机的助力电流也就有正负之分。霍尔传感器输出的是电流信号(0-50mA)，而系统接收的是电压信号，故需在传感器的输出引脚上接一个约100的电阻，将输入的信号转换为-5V到5V的电压信号，然后经过电压变换电路如图3-9示，使其转换为对应的0V到2.5 V的电压信号，最后经滤波电路

53、送到89C52芯片的A/D端口。图3-9 电动机电流采集电路3.3.3车速信号的采集车速信号是从车速里程表引出的，输出为单极性的脉冲信号，电压在9.5 V以上。在课题研究中作者采用脉冲发生器来模拟车速信号，输入到单片机。单片机所能处理的信号高电压在2.5V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，一般采用一个前位分压电路即可实现，但这不如采用光耦电路安全可靠。电路设计中采用的是光耦合器的电平匹配方式。其具体电路设计比较简单，如图3-10所示。输入的车速信号经光耦转变为5V的脉冲信号，经电阻R2 , R3(阻值一样)分压后输入给单片机的计数器，再通过软件处理得到对应的车速。图3-

54、10 车速信号处理电路3.4控制器输出通道的设计ECU的输出通道主要是电机的驱动电路和离合器的开断控制电路。电机的驱动电路采用了常用的H全桥PWM电路，方向控制由门电路组成，离合器的开断用继电器来控制。下面将分别说明。3.4.1电动机的PWM控制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。1. 电动机的PWM调压调速原理直流电动机的控制方式可分为调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法两种。其中励磁控制方法在低速时受次级饱和的限制，在高速时受换向火花和换向其结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大

55、，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电机的电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流的电动机采用的是开关驱动方式，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现电机的控制。PWM调制的原理图如图3-11所示。图3-11

56、电动机控制电路原理图采用开关驱动方式，通过PWM来控制电机电压时，电动机的电枢绕组两端的平均电压U0为:U0=(t1Us十0) /(t1+t2)=ttUs/T（3-1）式中a为占空比，a=tl/To，开关器件导通的时间，T为脉宽调制PWM的周期。占空比a表示了在一个周期T中，开关管导通的时间与周期的比值。a的变化X围为。0al。在电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压Uo的平均值取决于占空比a的大小，改变a的值就可以改变端电压的平均值，从而达到控制目的。在PWM调制时，占空比a是一个重要参数。改变占空比a的主要方法有定宽调频法、调频调宽法和定频调宽法。前两种方法由于在控制时改变了控制脉冲的周期

57、(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。根据电动助力的原理，要求电动机能正反转工作，这就需要可逆PWM控制系统。可逆PWM控制系统分为双极性驱动和单极性驱动。双极性驱动是指在一个PWM周期中，直流电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆控制系统虽然有低速平稳的优点，但存在着电流波动大，功耗较大的缺点，尤其是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。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，直流电动机电枢只能承受单极性电压。由于单极性驱动方式能够避免

58、开关管直通，可大大提高系统的可靠性，所以适用于在大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电动机控制应用上。鉴于上述原因，本课题的EPS控制器的电机控制部分，采用了单极性PWM控制方式，占空比a的调整采用了定频调宽法。在确定了PWM控制方法后，下一步的工作就是对半导体功率器件的选择。2. 功率开关部件的选择与其驱动电路目前应用较多的功率开关器件有功率场效应晶体管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)和MOS栅控晶体管(MCT)等。由于MOSFET开关管工作频带最宽，又具有一定的价格优势，所以在目前的控制系统中应用较多。选择MOSFET的型号时要考虑到漏极电流的最大额定值，漏极一源

59、极间电压的最大额定值以与器件的导通电阻。根据助力电动机的电气参数，考虑到还需留有一定的裕量，在电路设计中，我们选用的是国际整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，它的基本电气参数和结构见表3-2。表3-2 功率场效应晶体管的电气参额定漏极电压V55V栅源开启电压V4-20V额定漏极电流I64A导通电阻R14m开通时间t90ns关短时间t84ns在选定功率开关器件后，接着就要考虑选择与其相关的驱动器件，并设计驱动电路。功率开关器件的驱动电路一般采用专用的集成驱动器件或采用光耦器件。专用驱动器件常用的有IR公司IR2110, IR2111, IR2112, IR2113等。光耦驱动电路

60、由于线路简单，可靠性高，开关性能好，是设计时被广泛采用的一种驱动电路，因此本设计采用了专用驱动器件IR2112。驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的主要由东芝的TLP系列，夏普的PC系列，惠普的HCPL系列等。考虑到电机的助力电流较大，为了能有效的隔离强电与弱电，提高系统的可靠性，在设计中最终采用了光耦驱动器件。所选用的光耦型号为东芝的TLP250，它包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于工GBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250的主要电气参数如下：.输入阀值电流F=5mA (max);.电源电流Icc=11mA (max)