汽车电动助力转向系统EPS硬件设计

050607337张强指导教师：何琳琳畐!I教授Sagiaw(萨吉诺)转向系统又代表着转向系统发展的前沿。电动助力转向系统zElectriczElectricPowerSteering)是未来转向系统的发展方向。该系统由电。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种工作状况下都能提供转向助力的特点。都非电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想,该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时,转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号,与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元,该控制单元通过数据大小,作为汽车的一个重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转展，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的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转压动力转向系统(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和电动液压助力转向(ElectricHydraulic的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少”从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机^区动转向泵由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密系统(EPS)EPS铃木公司首次开发出一种全新SEPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定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重视,并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流,与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在:①降低了燃油消耗。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵,使液压油不停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统(EPS)仅在需要转向操作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩,随看汽车速度的改变,输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了”按需供能”，需供能型"(on-demand)系统。②增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压。③改善了转向回正特性。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩而在传统的液压控制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结构,实现起来④提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶(100km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高编程和硬件控制,可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时,它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写⑥采用”绿色能源”,适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用”最干油的不能回收”易对环境造成污染。油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间流量控制阀、储油罐等部件,零件数目大大减少,减少了装配的工作量，节省了装配时间,提高了装配效率。统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压转矩传感器、电动机电流传感器、控制器、功舉区动电路、故障指示灯、离合器速巡航系统的一部分,是速度控制系统的中枢，根据每种车型最平稳加速设计确动机节气门开度。控制器根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩，向电动机和离合器发出控制信号通过功率^动电路控制直流电动机的转动电动机的输出经过减速机构减速增扭后駆动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。通过精确的控制算法，可任意改变电动机的转矩大小,使传动机构获得所需的任意助力值。同时控制器对系统进行实时故障诊断一旦发生故障,将中断对电动机的电压供给，并点亮转向系统故障警示灯,同时将故障类型以代码的形式存储。图2T电动助力转向系统结构简图向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转角分别为氛彳、氛比;转向盘力矩、前轮及转向机构阻力矩、电动机作用到转向柱的助力力矩分别为3、Tf、TaoEPS中转向盘和转向柱之间通过扭矩传感器连接，根据传感器的工作原理h式中，T、K表示扭矩传感器的扭矩和刚度。考虑到EPS中的速度匹配特性，即h转向柱速度快慢一致以及前轮转向机构和转向柱工作的协调性，有:ss在小转角的情况下，轮胎特性处于线性变化范围，前轮受到的阻力矩与前轮转角即根据以上条件结合相关的力学定律可建立系统的数学模型如下:Jh+Bh+KhG-8)=%(2-5)訂图2-3电动机电枢电路示意图汽车在转向过程中，控制单元根据扭矩传感器检测到驾驶员作用到在电动机和驾驶员的共同作用下来实施转向。其电动机采用直流电机，电枢电路oat产恢申族冲的梦恃中馆义界秫脐张卦惠器协哄性的脐张計导梦恃申族冲的申丑，咱」=wT(2-11)货中，出伏梦恃器。员斗用性势回盜的脐张篮小，势回篮發勁，过性使劍發蹬煙员點服太的斗用，因]/[.Vo+n6+1?a■>1X各S (a)导体“b处于\极下：(b)导体“b处于S极下如上图所示，给两个电刷加上直流电源，如上图(a)所示，则有直流电流bzcd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了_个转矩”使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图(b)所示的位置，电刷A和换z此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。夕卜加的生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线而成，以减少电动机电磁转矩的波动。选择无刷永磁直流电机即可满足设计要求。第3章基于高性能P87C591单片机控制方案制定时¥中速率时实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造并设zSJA1000(独立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增强特性:2.扩展的验收滤波器3.验收滤波器可”在运行中改变”TPCT6.具有32个可编程I/O□(准双向推挽高阻和开漏)UART率发生器复位信号单片机采样的模拟量包括蓄电池电压、方向盘的主、副扭矩传感器信号、电机电流、电机端电压等参数。车速和发动机转速等非电量信号经过频率输人电路除此之外,系统还有保证转向可靠性的转向锁定电路、电机端电压获取电________离合器_L4V极—工—工MM测电路感器输当汽车点火开关闭合时，微控制器即进行自检，自检通过后，闭合继电器和离合器,EPS系统便开始工作。其基本助力过程为驾驶员操纵方向盘转向，扭矩传感器检测到方向盘的力矩和转动方向，车速传感器检测到车速信号,这些信号分别经过扭C向盘的转动力矩、转动方向和车速等数据，并依据系统助力特性，确定电流的大小断开继电器、离合器退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式。3-3EPS工作流程图EPS控制系统助力输出电流(力矩)T。由电机目标助力电流控制算法和电机转矩控制两部分组成。前者根据驾驶员对方向盘施加的扭矩和车速确定电机助力的目标图3-4助力电流控制策略图控制系统根据驾驶员施加在方向盘上的力矩和当时的车速，按照预制助力特性确定电机目标助力转矩的大小和方向，由于直流电动机转矩与电枢电流成正比，故可用通过电枢的电流来代替电动机转矩进行运算分析，其助力算法为:其中'为计算机给定的目标助力电流(转矩)，7；为扭矩传感器检狈倒的方向盘力矩车速增大▼-14-12-10-8-6-4-2024681012『豐严£(N.m)1.691.811.922.012.152.272.382.52.622.732.852.963.083.19・331传/惑器电压(V)从上图可以看出,EPS系统的助力特性是一个非线性函数。本系统制定的助力特性曲线示意图，横坐标为方向盘扭矩传感器电压信号，反映了方向盘扭矩的大小和方向，纵坐标为电机目标助力电流。当驾驶员施加在方向盘上力矩在死区 力电流与方向盘力矩之间的增益越小，以保证该系统在低车速时发挥较大的助力转向作用，在高车速时明显减小助力转向效果，从而使驾驶员在转向时获得较好的路感。为使方向盘操作平滑及左右转向时手感一致，助力特性曲线保证了左右输人力矩与输出电流(力矩)的对称性。比较器PID——比较器PID——R/+KN”(3-2)U=RIKN+flm制和电压控制两种。电压控制为开环控制，控制精度不高，故系统采用电流闭环控制方式，使得电机目标电流和实际工作电流之间的误差能够减少为零或足够的模拟Ue------------r——————————————一―ID，反之电机电流(力矩)就小。至比较器的同相端，比较器对两个输入进行上憑后就形成了相应大小占空比的M~5V。当电机实际输出电流与给定电流相等时，反馈信号与给定指令信号相等/减小---"/减小-----"「增大----PWM增大----U增大-----i增大当实00i°增大——D增大——冷减小——PWM减小——U减小——/减小0的开发中，为增强硬件系统的抗干扰能力、提高系统的可靠性，将硬件系统进行了分层设计。将信号处理电路设计成一块电路板而务功率较大、发热量大的助力电动机^区动模块及电磁离合器驱动电路设计成配带散热片的驱动电路板，两电路板之间的电动机控制信号、电磁离合器控制信号通过光耦隔离和排线联接。控H图4TEPS控制器模块化结构图4.2电机控制电路设计在功率变换装置中,根据主电路的结构,起功率开关器件一般采用直接驱动IR2110弓|脚功能及特点简介Vcc(引脚3):低端固定电源电压Vs(引脚5):高端浮置电源偏移电压HO引脚7):高端输出VB(引脚6):高端浮置电源电压HIN高端输入3.IR2110的特点:(2)悬浮电源采用自举电路其高端工作电压可达500V。z(6)开通、关断延迟小分别为120ns和94ns。zIR工作原理IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的动电源的数目,即一组电源即可实现对上下端的控制。HUU/VT机的转速进行调节。Q方向相反。动助力转向系统中的电动机受工作环境的影响，需要频繁的起制动，这将在电机电枢绕阻上产生比较大的电流冲击，倘使不能够很好的加以保护贝」电动机很容易被破坏掉。电动助力转向系统相对以往的助力转向系统更加注重安全性,安全性考虑的周全与否直接决定看系统是否能够真正投入使用。为此，电动助力转向系统分别从软件和硬件两个方面进行了考虑、处理。这样只要软、硬件不是同时遭到损坏，系统就能够对电动机可能的故障进行恰当的处理。电动机保25V是实际的电流零值情形,而电机保护电路所关心的只是电流的大小，不关心过程，最终将信号9电枢绕组引线输入端绝电枢绕组引线输入端绝对值电路差动电路保护理论基础:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基示的三个窄脉冲形状不同，图a为矩形脉冲图b为三角形脉冲，图c为正弦半波z在具有惯性的同一4a)b)c)d)成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于彳，但幅值不等，且n脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等,就得波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM图4-7PWM控制的基本原理示意图器。由于它简单可靠、使用方便灵活、大大减轻了脉宽调制器的设计及调试工Mz电动助力转向系统要根据转向盘转矩及车速情况来不断调节直流电动机的电来改变电动机的端电压。脉宽调制的频率对PWM频率的选取主要考虑其与机械系统固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响及噪声对人的影响;同时要考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的响机械系统的正常工作。由于电动机的转子绕组中存在电感当电动机时间常数R滑且电流连续，相当于低通滤波器的作用，滤除了输入电压在开关管开通与关断电流因开关开通与关断引起的纹波就比较明显,引起电动机转动中的振荡,降低驾驶员操纵转向盘的手感，如下图4.9所示。Y\VJ图4-9Te与Tpwm关系对电动机电枢电流的影响(a)Te»Tpwm(b)Te«Tpwm发热增加、电磁干扰增强、对电磁兼容性的要求提高等不利影响。同时，由于开关管的开通和关断延时,在开通和关断的过程中产生损耗,开关管的迅速开通和迅速关断是必要的。但是,开关管的迅速开通和迅速关断会引起厶芈过大产生很大的尖峰严重时可导致电动机和开关管dt的损坏。对此,可在电动机两端并联限流电阻和缓冲电容，必要时反并联续流二动电路的脉峰得到了大幅度抑制，降低了系统损耗提高了系统的可靠性和安全电路有缓冲电电路(a)电动机驱动及缓冲电路(b)缓冲电路的脉峰抑制作用第5章汽车转向技术的发展趋势助力转向系统经过几十年的发展，技术日趋完善。今后，电动助力转向系teeringbyWireSBW线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的上，控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩，向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上，汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服，转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被向盘和转向柱之间无机械连接，生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的〃路感〃比较困难；且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目具体来说，转向系统主要从以下几个方面进一步发展：(1)传感器技术性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素，因此，设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发(2)控制策略的研究控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一，也是电动助