《汽车转向辅助控制系统设计（论文）》

一、绪论（一）研究背景随着世界科学技术的进步，汽车已成为每个家庭必不可少的交通工具。在一些工业化国家，家用汽车的普及率已达到70%以上。中国汽车市场在世界汽车市场中的份额不断增加。根据全球网络的报告，中国汽车工业的增长速度已达到全球汽车工业的72%。无疑，中国正在发展，中国的汽车普及率正在逐步提高。基于电子控制的车辆控制技术是汽车工业可持续发展的重要保证。电子控制是现代产品中的一种技术产品。它们的主要优点是节能减排，以及改善的性能和安全性。近年来，在汽车控制系统中使用的电子产品的比例有所增加。据有关统计，机动车辆的电子控制技术已达到机动车辆产品创新的90%。随着环境保护和安全要求的提高，新能源产品和技术逐渐被引入汽车系统。2010年，中国汽车电子市场的规模显著增加。即使在2008年金融危机席卷全球时，中国电子市场仍然增长了11.3%。这表明未来的中国汽车电子市场潜力巨大。从一般情况来看，汽车由许多先进的控制系统组成，例如：汽车牵引系统，汽车稳定系统，汽车转向系统和汽车悬架系统。其中，汽车转向系统的功能是控制汽车的行驶方向。与摩托车和自行车不同，汽车转向系统是指辅助系统，驾驶员可以在其中控制汽车以改变运动方向。对于我们通常每天看到的家用汽车，汽车转向的过程是：驾驶员转动方向盘以向齿轮机构施加力，并且齿轮比用于移动连接前轮的水平轴。因此，汽车的前轮向方向盘转动一定角度。常规机械液压转向系统的转向辅助由液压泵和其他设备提供。在低速转弯或停车时，特别是对于力量较小的驾驶员而言，转向过低，严重地妨碍了驾驶，为此，引入了由电动机驱动的转向系统。（二）研究意义与其他转向系统相比，用于汽车的转向辅助控制系统具有以下特性和优点：（1）节约能源。用于汽车的转向辅助的控制系统直接由辅助马达支持，辅助性能由电子控制单元控制，该原理显然可以节省燃料。另外，汽车转向辅助控制系统完全消除了液压部件，解决了液压系统漏油的问题。（2）效率高。液压助力转向系统的电动机连续驱动液压泵工作，这会浪费能量，而汽车转向系统的辅助转向系统仅在需要时且能量利用率高时才提供动力。（3）路感强。手动输入扭矩和车速决定了汽车转向辅助控制系统所支持的动力。汽车转向辅助控制系统可以在不同的条件下（不同的地面，不同的速度）获得最佳的驾驶体验，这可以确保车辆在高车速下安全稳定，并且在低车速下汽车转向省力。（4）结构简单。用于机动车的转向辅助的控制系统包括一些部件和紧凑的结构，该结构对于整体布置和安装是简单的。（5）成本低，可控性强。批量生产后的总成本低于液压助力转向。此外，可通过软件将用于汽车转向辅助的控制系统编程为不同的车型，从而降低成本并缩短开发周期。汽车转向辅助控制系统是汽车转向系统的发展趋势，是一种性能优越，环保的新型零部件。对汽车转向控制系统的深入研究可以提高中国汽车工业的核心技术水平，使中国能够效仿外国汽车公司的汽车发展轨迹，并掌握电动助力转向的核心技术。因此，本文对汽车转向辅助控制系统的研究，特别是控制系统的设计和开发进行了深入的讨论和研究。（三）国内外研究现状1.国外研究现状汽车稳定性控制是在ABS和ASR的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控制概念是在ABS和ASR的基础上加以算法上的改进，使之能部分解决汽车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，只是在ABS和ASR基础上的改进。上世纪90年代初，各个生产厂商开始了关于汽车稳定性控制系统相关的研究。BMW公司与BOSCH公司合作于1992年在ABS/ASR的基础上开发出车辆的动力学稳定控制系统（DSC)REF_Ref6317\w\h[1]，它是通过横摆角速度反馈控制来调节发动机的输出扭矩，从而实现了对车辆行驶方向性和稳定性的控制。该系统安装在BMW850Ci轿车上，这种系统只是在原有的ABS/ASR的基础上增加了方向盘转角传感器，通过两内外非驱动轮的轮速差来间接估算的，在极限工况下这种估算是不准确的。1994年和1996年BMW公司与BOSCH公司在DSC的基础上分别开发出了第二代和第三代系统REF_Ref7839\w\h[2]。但考虑到系统的成本，最早出现的稳定性控制所用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，因此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证汽车的稳定。1995年，BOSCH公司提出的VDC以及TOYOTA公司提出的VSC的概念REF_Ref8622\w\h[3]，都是通过直接测量汽车的行驶中的横摆角速度、侧向加速度的信号，因此扩大了汽车稳定性系统的应用范围。在这一阶段，基于这种组成结构的汽车稳定性控制算法开始大量出现，其中Bosch的VDC是其中比较典型的控制方法之一，它采用车辆实际运行状态与车辆理想运动状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制中比较常用的控制方怯。初期的汽车稳定性控制系统大多应用在高档的轿车或商用车上。2001年，AdvancTrac汽车稳定性控制系统成为第一个应用于经济型汽车上的系统。控制策略和算法的开发是汽车稳定性控制开发的核心工作。常用的控制方法有：采用车辆实际运行状态与车辆理想运行状态的误差反馈来决策车辆的控制横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对车辆横摆运动的调节REF_Ref11643\w\h[4]。基于车身侧偏角和车身侧偏角的变化率的相平面方法分析车辆在紧急转向时的稳定性，并采用相应的控制方法实行控制。如基于横摆角速度偏差值的门限控制方法；采用横摆角速度、侧偏角、侧向加速度作为反馈信号的PID控制方法REF_Ref12130\w\h[5]。2.国内研究现状国内对汽车转向动力学稳定性控制的研究起步较晚，到目前为止，只有少许汽车（如奥迪A6、新式帕萨特）上安装了汽车动力学稳定性控制系统，并且没有自己的实际开发系统的能力，大多数学者只是基于理论研究。张成宝REF_Ref9511\w\h[6]从理论上对汽车动力学稳定性控制策略进行了分析，分别采用单一变量和多变量为控制参数进行了控制，并且分别以横摆角速度、横摆角加速度、左右轮速差为单控制变量，采用了传统的PID控制算法，多变量控制釆用了以转向角和横摆角速度的反馈控制方法和以横摆角速度和整车侧偏角为控制参数的最优控制方法。田佳卿等人REF_Ref12793\w\h[7]在汽车二自由度分析模型的基础上，设计了以横摆角速度为控制变量并基于单神经元控制器的自适应控制系统，通过固定方向盘转角仿真，自适应控制有更好的控制性能，但是没有考虑算法的稳定性以及制动力的具体分配问题。徐巍等人REF_Ref13678\w\h[8]根据所设计的汽车转向辅助系统，利用PID控制原理提出控制原理图，建立汽车模型、Matlab框图、汽车ADAMS三维模型，并进行汽车转向辅助系统联合仿真。邹辉等人REF_Ref14471\w\h[9]分析汽车失稳的原因，提出汽车稳定性控制的关键是控制轮胎纵、侧向力的分布，而轮胎的纵、侧向力又受到滑移率、侧偏角和垂直载荷等因素影响。宋丹丹REF_Ref15425\w\h[10]通过建立汽车及转向状态下的动力学模型，提出基于模糊控制器的汽车防侧滑控制方案。朱宏波REF_Ref15712\w\h[11]在ESC系统基础上，对ESC系统控制策略进行了深入研究，优化了控制系统的算法和系统的可靠性。王建涛REF_Ref17430\w\h[12]对比前轮转向和四轮转向车辆的侧向运动控制进行研究，提出了三种控制策略和两种控制系统。并通过对比分析各个方案的可行性得出了一种滑模自适应控制方法设计的控制器。杨益提REF_Ref18442\w\h[13]出了基于载荷转移比等高线的侧翻预警，并依此提出一种磁流变阀控半主动悬架汽车侧翻控制方案。薛健REF_Ref19203\w\h[14]以横向载荷转移率作为判断依据，提出了通过差动制动技术改变车辆的转向特性和力学性质来调整汽车运动状态的一种防侧翻系统。3.研究述评汽车转向辅助控制系统的控制原理类似于汽车牵引力控制系统。牵引力控制系统依靠电子传感器探测到从动轮速度低于驱动轮时(这是打滑的特征)，就会发出一个信号，调节点火时间、减小气门开度、减小油门、降挡或制动车轮，从而使车轮不再打滑REF_Ref19899\w\h[15]。此类系统一般用于高端车型，技术比重较高。国外部分高端品牌应用较多例如的\t"/baike/154/_blank"奔驰的ASR系统，\t"/baike/154/_blank"丰田的TRC系统，\t"/baike/154/_blank"宝马的DTC系统，\t"/baike/154/_blank"凯迪拉克的TCS系统等。国内品牌应用则较为少见。汽车转向辅助控制系统目前主要的控制方式为制动力矩控制。制动力矩控制是对将要空转的驱动轮施加制动力，把发动机输出的多余转矩在制动器上消耗掉，控制车轮的滑转率在期望的范围内，其方法类似ABS。制动控制方式比发动机控制方式响应速度快，能有效地防止汽车起步时或者从高附着路面突然跃变到低附着路面时车轮的空转。制动控制方式还能对每个驱动轮进行独立控制，与差速器锁止装置具有同样的功能。（四）研究内容本文主要是设计研究汽车转向辅助控制系统，设计主要分为以下6个部分：第一部分：论文的绪论部分，介绍课题的研究背景、研究意义以及研究现状，为研究设计提供参考依据。第二部分：汽车转向辅助控制系统的知识介绍，包括有：转向系统的组成、工作原理以及主要的控制部件。第三部分：对汽车转向辅助控制系统进行总体方案设计。第四部分：对汽车转向辅助控制系统的硬件部分进行设计，包括有：系统控制硬件图、控制电路设计、电机驱动电路设计以及传感器接口电路设计。第五部分：对汽车转向辅助控制系统的软件部分进行设计，主要包括有：控制系统的软件设计、工控系统的软件设计以及系统上位机的设计。第六部分：设计的总结部分，总结整个系统的主要设计内容。二、汽车转向辅助控制系统介绍（一）汽车转向辅助控制系统组成汽车转向辅助系统的控制系统结构如图2.1所示。它主要由三个模块组成：信号采集单元，电子控制单元和动力转向。其中，信号检测单元包括扭矩传感器，车速传感器，电流传感器和其他传感器。传感器与整个系统的精度和速度有关，其中电子控制单元是我们通常所说的汽车转向控制系统。负责信号处理，决策支持工作模式以及确定辅助电机提供的辅助功率（与辅助目标电流大小成线性关系，以便通常与辅助电流大小一起显示）的核心技术选择了合适的控制策略通过实际电流控制目标电流。动力转向机构包括伺服电动机，转向轴，转向齿轮，电磁离合器和减速机构。图2.1汽车转向辅助控制系统结构图（二）汽车转向辅助控制系统工作原理如图2.1所示，在转向柱辅助的汽车转向辅助控制系统中，扭矩传感器安装在转向轴上。如果不需要转向过程，则增压电动机不必运行。当需要进行转向操作时，通过手动操纵方向盘来转动转向轴，从而使安装在转向轴上的扭矩传感器工作并接收电子控制单元；扭矩传感器转换的电扭矩信号以及车速传感器，电子控制单元收集的车速信号；根据这些和这些值确定辅助电动机的旋转方向和辅助电动机的转矩（用辅助电流的大小表示），然后将其传递到增压电动机，然后通过电磁离合器和减速机构将转向轴直接驱动到提供转向所需的动力，并连接至增压电动机并实现基本的动力控制功能。在不同的速度下，汽车转向辅助控制系统的性能也不同。低速时所需的转向力较大，为了确保车辆在低速时高速行驶时的舒适性，此时必须提供大量动力，因此，为了防止这种情况发生，转向力较低。车辆在高速行驶过程中会打滑和颤动，以确保在高速条件下的安全性和稳定性。（三）汽车转向辅助控制系统主要部件此设计项目的车身底盘使用带有配重的铁块。卸下所有车辆的发动机，变速箱，汽车座椅和电气设备后，请在原始零件上安装平衡重。将整车的重量保持在1.8吨，以使整车和实际车辆的整备质量和质量分布相同。一方面，直接实现结构显示功能，另一方面，保留了车辆的转角传感器G85和扭矩传感器G269，并且可以直接使用车辆的转向机构和传感器。在此基础上，开发了更多的动力马达选择和控制ECU的额外设计，并开发了用于汽车转向助力的控制系统，包括：具有转向助力马达而不是手动转向操作的电动助力转向控制系统和PLC工作状态模拟系统。图2.2是为此项目开发的用于汽车转向辅助控制系统的简化示意图。图2.2汽车转向辅助控制系统简化原理图1.控制单元ECU控制单元ECU的作用：当车辆的转向辅助控制单元执行转向操作时，用手旋转方向盘以旋转转向轴，从而使安装在转向轴上的扭矩传感器工作，电子控制单元的ECU接收扭矩传感器扭矩传感器检测到的电动扭矩信号和由车速传感器，电子控制单元检测到的车速信号相应地确定了辅助电动机的旋转方向和辅助电动机的扭矩（以辅助电流的大小表示），并将这些值传输到辅助电动机，然后通过电磁离合器连接辅助电动机以及减速机构，并直接驱动转向轴以提供转向所需的辅助动力，从而为转向系统提供额外的转向扭矩。在设计用于汽车转向的辅助控制系统时，当前大多数控制控制芯片都使用单芯片系统：有8位和16位类型，有些使用数字信号处理器（DSP）作为控制单元。汽车上最常用的Freescale单片机是主控制单元。具体型号为16位MC9S12DP256单片机，适用于高端汽车的电子控制。2.转矩传感器转矩传感器是汽车转向辅助控制系统的重要组成部分之一，其性能会影响整个系统的性能。其功能是通过电信号记录驾驶员施加在方向盘上的扭矩的大小和方向，并将其发送给ECU。控制单元ECU从扭矩传感器接收电扭矩信号，并从车速信号，发动机转速信号等接收信号，以根据设计的控制策略提供帮助。扭矩传感器在汽车转向辅助控制系统中至关重要。扭矩传感器主要是接触式和非接触式传感器。为此设计选择的扭矩传感器是具有电磁感应的扭矩传感器。图2.3显示了电磁感应扭矩传感器的结构。图2.3电磁感应式转矩传感器的结构图扭矩传感器工作原理如图2.4所示，磁转子和转向柱的结构是一体的结构。类似地，磁阻传感器元件和转向小齿轮连接块的结构是一体的结构。此时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块向后移动，即，磁转子和磁阻检测元件向后移动，从而可以相应地测量转向扭矩的大小并将其传输到控制单元。图2.4电磁感应式转矩传感器工作原理图3.车速传感器如图2.5所示，它是具有电磁感应的车速传感器的结构。在空间上，车速传感器永久安装在变速箱周围。原则上，系统的左右部分形成电磁感应系统。感应线圈中的磁通量发生变化，发生电磁感应并产生感应电压。图2.5电磁感应式车速传感器结构图如图2.6所示，示波器测量的感应电压曲线类似于正弦曲线，可以通过设置电路将其转换为方波曲线。用示波器测量方波信号的频率，然后测量轮胎半径并根据计算公式确定车速。图2.6感应电压曲线本次设计拆卸发动机等，仅留下汽车的悬架和转向机构，汽车的车轮无法转动。因此，在设计中使用直流电动机（12V；80W；怠速：3800rpm），发动机转速控制器和带有相同车齿数的信号板来模拟车速和发动机转速。原理图如图2.7所示：图2.7速度信号模拟装置4.减速机构和离合器汽车转向辅助控制系统的减速机构直接连接至助力马达，从而减慢并增加扭矩。当前，减速机构具有两种主要形式：行星齿轮减速机构和蜗轮减速机构。蜗轮减速机构通常用于动力转向辅助控制系统，行星齿轮减速机构通常用于动力辅助转向系统和齿条辅助转向系统，转向柱车辆，转向辅助控制系统减速机构的结构如图2.8所示。该构造使用蜗轮减速机构。电磁离合器通过减速机构连接到增压电动机。减速机构增加扭矩后，将直接驱动增压电机以产生转向所需的动力。当电磁离合器关闭时，后两个关闭，而当电磁离合器打开时，后两个打开，从而提供安全保护。如果车速过高并且车辆的转向辅助控制系统出现问题，则该系统会断开电磁离合器的连接，并且伺服电动机会停止工作。转向系统从电动转向转向纯手动转向，以确保转向系统正常工作并且车辆继续安全行驶。图2.8蜗轮蜗杆减速机构结构图5.助力电机该设计支持电动机的附加选择设计，以提供电气支持。汽车的转向辅助控制系统由增压发动机支持，不同的增压电动机具有不同的增压效果。增压发动机的性能直接影响机动汽车转向辅助控制系统的性能。辅助马达也是用于机动车辆的转向支撑的控制系统的重要组件之一。用于机动车辆的转向辅助的控制系统对增压电动机提出了许多要求。具体而言，要求是：（1）常规的车载电源是12V直流电源，选择放大器电机的标称工作电压最好是12V，同时，放大器电机的标称电流和标称功率也应该大并且提供大扭矩。（2）安全性高，易于控制，调节发动机转速的范围大，发动机在低速时能平稳运行，扭矩波动小，噪音低。（3）选型时，助力电动机的尺寸要尽可能小，这进一步减轻了重量和转动惯量，也适合于结构和安装。（4）升压电机受阻时可产生升压效果。如果某些重型车辆出现故障，则车辆的转向控制系统可以提供相反的助力方向。图2.9助力电机结构常见的助力电动机和电子控制单元的ECU有两种连接方法：一种是独立的，两种是分开的，另一种是集成的。图2.9显示了增压电机的通用结构。表2.1不同种类助力电机特点比较感应电动机永磁有刷电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机结构特点三相定子铝或铜笼转子无永磁体转动绕组机械换向器三相定子永磁转子电子换向四相定子钢铁转子无转子绕组无永磁体负荷效率90-92%85-97%85-97%78-86%系统复杂程度驱动电路复杂控制器简单控制器简单高低复杂使用技术成熟成熟发展中发展中可靠性一般较好优较好力矩波动小设计电机考虑通过电磁设计考虑由电磁设计和电子控制考虑功率密度中中高中上表2.1在结构特性，效率，系统电路的复杂性，技术成熟度，可靠性，转矩波动等方面对不同类型的增压电动机进行了全面比较。由于对控制电路的复杂性，电动机技术，永磁有刷电动机和无刷电动机的成熟度和可靠性进行了广泛的分析，永磁电动机具有更大的优势，可以用作选型的参考。根据该信息进一步示出，用于汽车的转向辅助的控制系统的增压电动机大多使用无刷永磁直流电动机或无刷永磁直流电动机。永磁直流电动机通常更适合于需要较少最大支撑的中小型车辆。一方面，永磁直流电动机系统具有低复杂性，简单的控制和低廉的价格。另一方面，该技术更加成熟可靠。无刷永磁直流电动机更适合需要更多支撑的重型车辆。首先，有刷永磁直流电动机具有高功率密度并可以提供更高的扭矩。另一方面，将它们与其他发动机系统进行比较，低复杂度和易于控制。根据上面的需求分析，此设计中使用的增压电动机是有刷永磁直流电动机。电机性能参数在表2.2中列出。表2.2助力电机参数参数类别参数值输出功率230W额定电压12V额定电流30A额定转速1500r/min额定转速0.98N*m三、汽车转向辅助控制系统整体设计方案（一）控制器的基本结构汽车转向辅助控制器如图3.1所示。控制器主要由以下部分组成：MC9S12DP256主控制微控制器，扭矩信号检测电路，点火使能信号，车速信号检测电路，增压器电流检测电路和增压器驱动电路。扭矩传感器将扭矩信号转换为电压信号，经过滤波处理后，可以直接从单片机的A/D端口检测到该电压信号。发动机转速信号起着至关重要的作用，因此汽车转向辅助控制系统可以从车速开始，这一信号很重要，用于决策。在这种结构中，使用具有相同车齿数的12VDC电动机，电动机控制器和信号板来模拟车速和发动机转速，然后通过内置在微控制器中的A/D进行检测。霍尔电流传感器将电流值转换为电压值信号，然后通过内置于单片机中的A/D转换进行记录。该系统的工作过程是：将扭矩传感器转换后的电压信号和模拟采集的车速信号发送至控制器，并转换控制器的设计支撑特性，以获得辅助电机的目标电流值，最后根据相应的控制策略确定PWM。发动机的工作循环，驱动辅助发动机工作并提供额外的转向扭矩。图3.1汽车转向辅助控制器基本结构图（二）控制系统整体设计在该设计中，设计了一种用于汽车转向辅助控制系统，该系统通过方向盘力学测量和控制系统来控制方向盘的速度和角度，该系统可代替手并实时返回方向盘的扭矩。由于汽车卸下了发动机，变速箱和其他驱动器，因此仅保留了汽车的底盘。而且转向单元，车轮无法转动，PLC触摸屏上的多合一机器可模拟不同的工作条件和车速。这两个构成了汽车转向助力器的控制系统。图3.1显示了用于汽车转向辅助的控制系统的原理。机动车转向辅助系统的整个控制系统分为三个部分。第一部分是车辆机构的一部分，包括车辆底盘的悬架，车辆的转向机构和系统传感器，车辆的转向辅助控制系统的设计控制器。第二部分是转向辅助手动转向模块的控制系统，第三部分是用于模拟工作状态的控制柜部分，包括集成在主机PLC触摸屏中的机器以及用于控制工作状态模拟的数据采集系统。本设计的汽车转向辅助控制系统如图3.2所示，其中左侧是包含汽车底盘的车辆部件和使用本文所述控制器的转向辅助控制系统，右侧是包含PLC触摸屏的控制柜部件，用于计算机和主机的数据采集系统。控制电路位于机柜中，这两个部分通过线束连接。图3.2汽车转向辅助控制系统原理图由于方向盘的动力难以控制和调节以提供手的动力并测试支撑性能，因此在本文中开发了一种转向辅助系统来代替手动转向系统。方向盘的速度由方向盘力学测量和控制系统控制，该系统取代了人的手。角度和实时返回方向盘扭矩。在本文中，开发了一种PLC触摸屏多合一机器，可以模拟不同的工作条件和车速，这两个构成了汽车的转向辅助系统。图2.11显示了用于汽车转向辅助的控制系统的原理。汽车转向辅助系统的整个控制系统分为三个部分。第一部分是车身机构的一部分，包括车辆的悬架，车辆的预留转向机构和系统传感器，转向辅助系统的设计控制。第二部分是转向辅助系统手动转向模块，第三部分是用于模拟工作状态的控制柜部分，包括集成在主机PLC触摸屏中的机器和数据采集系统，用于控制工作状态的模拟。本文中设计的用于汽车转向的辅助转向系统的左侧部分是本文档中描述的车辆部分，包括车辆底盘和本文中描述的用于汽车转向的附加控制系统，右侧部分是控制柜的一部分，包括PLC触摸屏中的那些部分，集成机和主机的数据采集系统，控制电路位于机柜中，这两个部分通过线束连接。首先是转向辅助系统的设计，而不是手动转向。基于汽车方向盘，在汽车方向盘的后部安装了同步啮合机构和动力转向电机机构，以启动动力转向电机，而不是手动辅助，正负180度转向限制控制。在该系统中，大齿轮安装在方向盘的转向柱上，并用合适的一字螺丝固定，并且两者相互连接。其中，安装在转向柱上的大齿轮和传动机构的小齿轮由转向柱的直径和传动比决定。增压电动机通过减速机构驱动小齿轮，以驱动大齿轮旋转。大齿轮安装在方向盘柱上，并通过螺丝槽集成到方向盘中，因此大齿轮传动装置同时驱动方向盘转动。其次，转向辅助电机的选择和调试以及减速器的选择。选择动力转向电机而不是便宜的步进电机的原因是：（1）稳定性好：动力转向电机可以在低速下平稳运行，并具有较小的抖动和较高的稳定性。（2）良好的舒适性：动力转向电机热量和噪音大大降低。（3）控制：动力转向电机控制位置，速度和扭矩，从而克服了步进电机的问题。（4）良好的动态性能：动力转向电机对加速和减速反应迅速。（5）速度达到标准：动力转向电机的额定速度通常为2000-3000rpm，高速性能良好。（6）高精度：动力转向电机可以将来自驱动电路的脉冲电信号转换为精确的机械动作。关于类型选择，转向助力马达及其驱动控制器使用松下A5-II伺服，MBDKT2510驱动器型号和动力转向模型MHMD042PIU。电机的额定电压为200-240V，最大额定电流为15A，最大速度为3000rpm，额定功率为400W，具有较高的惯性。最后，PLC触摸屏的多功能一体机可模拟不同的运行条件和车速设计。模拟的车速和发动机转速必须由PLC控制。此外，方向盘前进和后退停止的仿真需要PLC控制，主要是软件设计工作。四、汽车转向辅助控制系统硬件设计（一）控制系统硬件图在该控制设计中，选择了MC9S12DP256单片机作为主控制。控制器接收由扭矩传感器转换的电扭矩信号和由车速传感器收集的车速信号。集成控制策略确定电机的目标电流大小。发动机的驱动电路驱动发动机以提供转向辅助。汽车转向辅助控制系统的硬件框图如图4.1所示。控制硬件电路包括单片机系统，输入脉冲检测电路，模拟输入电路，I/O输入电路，PWM驱动电路，CAN接口电路等。此外，还有电源电路和通信电路。该设计使用12V直流电动机来模拟车速，并且通过内置于工作状态模拟系统中的PLC触摸屏机来控制车速，从而可以通过A/D直接捕获车速信号。霍尔传感器感测到电动机电流，升压电动机的实际电流通过A/D采集模块输出。汽车转向辅助控制系统根据接收到的信号预测车辆的工作状态，然后根据设计的控制算法调整给定的控制量，然后将控制信号发送到助力器电动机，以控制助力电机的助力大小和方向。图4.1汽车转向辅助控制系统硬件图（二）控制系统电路设计主控制单元是整体控制的核心，选择核心控制芯片时需要考虑许多方面。根据汽车转向辅助控制系统的特性，本文的主控制单元使用MC9S12DP256微控制器。1.MC9S12DP256单片机简介通过这种结构，汽车中最常用的Freescale单片机被选作主控制单元。具体型号为16位MC9S12DP256单片机，适用于高端车辆的电子控制。其特点如下：（1）16位MC9S12单片机16位双核单片机，性能优越，具体参数如表4.1所示。表4.1MC9S12单片机参数参数类别参数值RAM（KB）12FLash（KB）256EEPROM（KB）4（2）A/D转换模块一个16通道10位A/D转换就足够了。A/D转换的完成触发一个中断，转换结果左右对齐，转换完成后自动调用低功耗模式。（3）PWM模块PWM模块具有八个PWM通道，每个通道都有一个可编程的周期和一个可编程的占空比，因此八个通道中的每个通道都可以控制频率和占空比，八个通道具有自己的计数器和宽范围的频率可以选择编程时钟选择逻辑已经过调整，可以立即停止。（4）增强型输入捕捉时间模块计数器为16位，可产生七个频率，它具有八个可编程的扩展输入采集和输出比较通道。（5）五个CAN模块每个CAN有两个接收缓冲区和三个发送缓冲区。每个CAN都有四个独立的中断通道。（6）串行接口它具有两个异步串行全双工通信接口模块SCI，一个总线接口I2C和三个同步串行外围设备接口SPI。（7）112脚LQFP封装该芯片采用5V电源，总线速度为25MHz，A/D转换采用5V，可用于BDM调试。控制硬件电路的主控制单元根据汽车转向辅助控制系统的特性，并结合上述芯片参数和特性，选择微控制器MC9S12DP256。2.MC9S12DP256主控电路设计控制ECU的单片机系统电路的设计主要包括电源电路，时钟电路，复位电路和BDM接口电路，串行通信电路和CAN通信电路的设计。MC9S12DP256微控制器系统的主电路单元如图4.2所示。每个电路的功能如下所示。图4.2MC9S12DP256主电路单元图（1）电源电路MC9S12DP256内部使用2.5V电压，该电压由集成稳压器模块提供，外部使用+5V电源。内部低电压可以加快CPU的运行速度并降低功耗。I/O端口中使用的较高电压可以更好地承受外部干扰。综上所述，复杂工作环境的控制系统可以使用MC9S12DP256微控制器。由于车辆的车载电源为12V，因此有必要通过转换电路将+12V转换为+5V用于单片机。电路如图4.3所示。图4.3电源电路（2）时钟电路时钟电路是单片机工作系统中最重要的组成部分。常规MC9S12单片机的时钟电路设计如下：首先将外部16MHz晶体振荡器连接到单片机的两个外部晶体振荡器输入接口EXTAL和XTAL，然后通过内部电压调节振荡器和微控制器的锁相环增加晶体频率。从16MHz到24MHz的值，最终达到时钟电路所需的频率。时钟电路如图4.4和图4.5所示。图4.4晶振电路图图4.5锁相环滤波电路（3）串口通信电路RS-232电平转换后，它通过单片机中的SCI模块与计算机通信。单片机可以使用串行驱动电路中的RS-232电平转换芯片通过通信协议与计算机进行异步串行通信，如图4.6所示。图4.6串口通信电路（4）CAN总线通信电路单片机本身具有CAN，因此可以使用CAN总线驱动器电路来实现CAN控制器和物理总线接口电路。CAN总线的控制电路使用飞利浦的82C250芯片作为总线驱动器的设计（见图4.7）。图4.7CAN总线通信电路（5）BDM接口电路BDM接口电路包含两个子接口电路。一个是BDMIN接口，通过该接口将程序写入微控制器，另一个是BDMOUT接口，如果应用程序是BDM调试器程序，则用作BDM调试器输出。如图4.8所示，它是一个BDM接口电路。图4.8BDM接口电路（三）电机驱动电路设计助力电动机的驱动电路用于控制和驱动增压电动机，以更好地提供增压性能。增压电动机驱动电路主要由直流电动机控制器，由四个MOSFET管组成的H桥电路和安全继电器组成。由扭矩传感器转换的电压信号和通过仿真检测到的车速信号被发送到控制器，并且通过控制器中设计的升压特性转换升压电动机的目标电流值。最后，根据相应的控制策略获得发动机的PWM控制空气比使发动机运转。如果目标电流异常，能及时切断电源。1.BTS7960驱动芯片测量和控制H桥电路由四个MOSFET组成。当同时打开Q1和Q4，关闭Q2和Q3时，电动机正转，如图4.9所示。如果Q2和Q3同时打开，则Q1和Q4将关闭，电机反转，如图4.10所示。图4.9H桥电路电机正转图4.10H桥电路电机反转对于H桥驱动电路，在选择MOSFET型号时，应充分考虑MOSFET的反向电压值，电机的额定电流，额定电压等。在本文中，选择BTS7960作为驱动电路的主芯片。2.驱动电路设计如图4.11所示，这是电动机驱动器的电路图。74LS244芯片的功能是将大电流与MC9S12DP256隔离。在电动机输入端使用5V电源时，电路的输出为0。如果占空比较小，则输出电压较高，否则输出电压较低。图4.11驱动电路图（四）传感器接口电路设计1.转矩传感器接口电路设计扭矩传感器的输出电压为0-5V，因此可以将输出直接连接到A/D模块以对信号进行采样。图4.12显示了扭矩传感器的接口电路。在信号输入连接器上增加了一个盒式电路和一个电阻电容电路，以防止模拟输入中产生的反向电压过高或过低。图4.12转矩传感器接口电路2.车速传感器接口电路设计通过这种设计，保留了车速传感器，并使用具有相同车齿数的12V直流电动机，电动机控制器和信号板来模拟车速和发动机转速。车速由工作状态模拟系统中的PLC触摸屏多合一机器控制，因此可以通过A/D直接记录车速信号。车速传感器的接口电路如图4.13所示。图4.13车速传感器接口电路五、汽车转向辅助控制系统软件设计（一）控制器软件设计汽车转向辅助控制系统的软件部分的主要任务包括：系统初始化，收集电动助力转向系统所需的信号：扭矩信号，车速信号和辅助电动机的目标电流，以及随后对收集到的值进行A/D转换。还需要对收集的信号进行数字滤波。1.主程序设计作为释放信号的发动机点火标志着汽车转向辅助控制系统的启动。在信号采集之前执行系统初始化，主要包括：时钟初始化，I/O端口初始化，计时器初始化，AID初始化，PWM初始化，中断初始化，控制参数初始化，SCI初始化，CAN初始化等。初始化过程的功能是这样做初始化单片机的运行环境，然后方便主循环程序的运行。如图5.1所示。图5.1系统初始化流程图初始化完成后，将记录电动助力转向系统所需的信号：扭矩信号，车速信号和驱动电机的目标电流。在收集了汽车转向辅助控制系统所需的信号之后，对信号值进行滤波。系统使用每个信号来确定其是否正常运行。如果出现错误，则转向辅助控制系统将无法正常工作，因此不会输出任何动力，查询错误代码并进行调试。如果未报告错误，则转向助力器的控制系统将通过CAN总线与车辆的其他单元进行通信。控制器根据接收到的信号值和控制算法指定辅助扭矩，最后通过脉宽调制PWM控制辅助电机的辅助支撑。如图5.2所示为系统主程序流程图。图5.2主程序流程图2.A/D采集子程序该设计使用12V直流电动机来模拟车速，并且可以直接从A/D捕获车速信号。因此，在本文中，A/D检测包括扭矩传感器信号，霍尔电流传感器信号和车速传感器信号的检测。如图5.3所示，这是A/D采集的流程图。采集前，首先进行参数设置，主要是：扫描时间设置，时钟频率转换设置，扫描通道编号对齐方式，连续转换方式设置和对齐结果对齐方式。确定是否已达到定期中断时间。如果没有，请继续等待主程序。达到定时后，进入中断，开始A/D转换，输出值，最后返回结果。图5.3A/D采集流程图3.数字滤波子程序正确的信号处理可使系统测量最准确地反映系统输出，消除各种干扰影响。信号在传输过程中通常包含其他信号量，包括干扰信号和噪声信号。如果未处理该信号，则会导致系统振动甚至故障。硬件电路设计的前一部分使用了硬件滤波电路：电源电路设计使用共模电感和滤波电路来大大衰减干扰信号，并且去耦电容器被添加到电源的输入和输出。但是，这些滤波器电路是模拟电路，不能用于处理复杂的随机和低频干扰。借助软件，数字滤波可以满足要求。数字滤波方法主要有以下几种：算术平均法，移动平均法，抗脉冲干扰平均法和数字低通滤波法。在用于机动车辆的转向助力器的控制系统中，增压电动机开始工作的时刻非常大并产生脉冲信号。此外，与其他控制站相比，车辆的外部温度变化很大，环境恶劣，电磁干扰和其他电子噪声脉冲干扰也很强。因此，在本设计中选择了抗脉冲干扰的平均方法，数字滤波流程图如图5.4所示。如图所示，平均值法的工作原理是先将A/D转换收集的信号值存储在数组中，然后对数组进行排序。完成后，去除数组中的最大值和最小值。对于其他数据，使用平均值作为有效值。图5.4数字滤波流程图（二）工控系统软件设计1.触摸屏设计综合考虑综合性能，价格等因素，本次设计的触摸屏型号为：MCGS触摸屏，其主要优点是：（1）良好的实时性能：触摸屏核心具有强大的功能，电阻屏和良好的实时性能。（2）丰富的资源：随时更新用于不同工业场景的驱动程序。（3）存储数据：系统具有足够的存储空间和压缩存储空间。（4）对外开放：该驱动程序不仅具有现有的驱动程序，而且还支持驱动程序自定义。（5）高兼容性：更新的软件向后兼容，新软件可用于旧产品。（6）稳定性好：简单方便，适用于各种复杂环境，运行稳定。因此，触摸屏设计软件采用与触摸屏配合的配置软件：MCGS7.7。打开软件以创建一个新项目，选择触摸屏大小和背景色，然后转到Workbench设计页面。在设计工作台设计页面时，它主要是在设备窗口和用户窗口中设计的。其中，用户窗口通过不同控制元素，文字和动画的合理组合形成用户操作端的操作窗口侧。设计用户窗口后，调用设备窗口，调整所使用的PLC模型，并为每个按钮，滑块，输入字段和其他控制元素分配读写通道，以方便对PLC程序进行编程控制。图5.5用户端主窗口图5.6用户操作窗口用户最终设计的操作主窗口如图5.5所示，操作的辅助窗口如图5.6所示。2.PLC程序设计在本设计中，PLC使用三菱FX2N系列PLC。特定型号为FX2N-32MR，带有4通道模拟DA输出扩展模块FX2N-4DA（见图5.7）。图5.7所用PLC及其附件在该项目中，基于汽车方向盘的保持，用于汽车转向辅助的控制系统在车辆方向盘的后方配备有同步齿轮机构和转向辅助电动机机构。对转向极限进行正负90度控制，并模拟不同的速度和工况。结合工作内容和要求，可获得PLC输入输出端子和扩展端子：（1）所需的输入连接为：接近开关1（动力转向电机的正向和反向开关信号1）接近开关2（转向助力电机的正向和反向开关信号2）（2）所需的输出端子是：直流电动机速度控制卡1的启动和停止（轮速电动机的启动和停止控制）直流电动机速度控制卡2的启动和停止（电动机速度电机的启动和停止控制）转向助力驱动器的启动和停止（转向助力电机的启动和停止控制）（3）所需的四个DA输出扩展控制端子是：直流电动机的速度控制卡1的速度控制，0-10V（车轮速度模拟）直流电动机速度控制卡2速度控制，0-10V（电动机速度模拟）转向辅助驱动器的模拟输出控制，0-10V（转向辅助电动机转矩的模拟控制模式）GXWorks2在项目中用于PLC编程。打开软件，第一步创建一个新项目，首先确定PLC型号，编程语言类型是梯形图。完成项目后，根据汽车转向辅助控制系统的设计要求，将PLC程序写入梯形图。设计的程序如图5.8所示。图5.8PLC控制梯形图将PLC连接到下载线，设置COM端口，然后单击通信测试以确保PC和PLC已通信。然后执行PLC写入过程，并将编译后的程序写入PLC。（三）系统上位机设计该项目中使用的数据采集卡是阿尔泰科技USB5936数据采集卡。表5.1列出了所选采集卡的主要参数。表5.1采集卡主要参数参数类别参数值AD精度（位）12采样频率（ks/s）250AD缓存FIFO（K）16增益方式过程控制增益基于LabVIEW软件，对主机数据采集软件进行编程和设计，该软件主要用于实时采集车速，扭矩和转向控制系统电流，并生成汽车转向辅助控制系统的辅助特性，其余高级功能由汽车执行、指导助手控制系统原理的动画演示。1.LabVIEW概述虚拟仪器始于1970年左右，是仪器技术和计算机技术发展的共同产物，是仪器发展的当前趋势。“虚拟仪器”一词最早是由美国国家仪器公司（NI）提出的。虚拟仪器的工作原理是通过编程将计算机与功能硬件结合在一起，以便用户可以像操作单元的物理仪器一样在图形界面上控制计算机，并可以实现数据采集处理和内存显示。虚拟仪器与常规仪器相比具有以下优点：（1）性能优越，功能强大。虚拟仪器可以使用软件来实现硬件可以执行的功能，包括：数据采集和控制，数据分析以及数据显示和存储。某些编程（即软件设计）在硬件的支持下可以完全实现常规仪器可以实现的目标。（2）图形语言编程，简单易学。以图形方式对虚拟仪器进行编程时，可以在设计程序时调用先前编写的驱动程序，从而节省了时间和精力。（3）具有竞争力的价格和易于维护。与物理仪器相比，虚拟仪器价格合理，并且由于缺乏传统仪器的复杂物理结构和电路，使得维护和管理更加容易。LabVIEW（实验室虚拟仪器工程）软件是NI于1986年推出的功能强大的图形设计编程软件，已广泛用作数据采集和仪器控制的标准软件。2.上位机数据采集设计LabVIEW中主机的应用程序设计包括两个方面的设计：前面板设计和程序框图设计。前面板的设计用于设计最终主机收集的接口。该设计可以分为三个部分：配置扫描参数，汽车转向辅助控制系统的显示界面设计，转向辅助控制系统原理的动画演示设计。其中，配置采样参数包括采样频率设置，A/D模式设置，范围选择设置，接地模式设置，增益控制字设置，状态模式设置，第一通道和最后一个通道设置等。汽车转向辅助控制系统的显示界面是通过组合显示空间，图形控件和其他控件来形成显示界面，并与程序框图相一致的。另一个高级转向辅助控制系统原理的动画演示设计，是通过视频文件的相对路径在页面上播放汽车转向辅助控制系统的预制SWF视频文件。在此LabVIEW框图编程过程中，模块化结构，驱动器和数据处理彼此独立编程，并在主程序中使用。首先是驱动程序包，包括初始化A/D缓存（请参见图5.9），初始化A/D设备（请参见图5.10），创建USB设备（请参见图5.11）以及读取驱动程序包。A/D数据（见图）5.12；配置采样参数，如图5.13所示；启用A/D设备，如图5.14所示；共享USB设备，如图5.15所示。（1）初始化A/D缓存图5.9初始化A/D缓存初始化A/D设备图5.10初始化A/D设备（2）创建USB设备图5.11创建USB设备（3）读取A/D数据图