基于单片机的电动助力转向毕业设计

.....参考资料.基于单片机的电动助力转向毕业设计目录113361绪论 1111111.1电动助力转向系统 116371.2课题研究的意义 3115921.3设计的目的 336401.4本文研究的主要容 4130732电动助力转向系统的简介 5215592.1EPS系统工作原理及结构组成 5198712.1.1助力电机 5263802.1.2电磁离合器 6300232.1.3减速机构 6145242.1.4双行星齿轮减速机构 7273602.1.5涡轮蜗杆式减速机构 8189762.1.6车速传感器 9188902.1.7扭矩传感器 10141422.1.8电子控制单元 1070322.2助力特性曲线的建立 11213083EPS系统硬件设计 13113.1EPS系统硬件电路结构及系统框图 13145883.2硬件电路绘制软件Protues简介 13238043.3车速信号处理电路 1476003.4扭矩信号处理电路 15189253.5电源电路 16237723.6电磁离合器控制电路 17299673.7电机驱动电路 17127073.8电机电流信号采集电路 18173553.9控制系统硬件电路总图 19285063.10控制系统硬件电路仿真简图 20.参考资料.229193.11硬件抗干扰设计 21234643.11.1地线设计 21158053.11.2电源线布置 2278763.11.3印刷电路板的尺寸与器件布置 22255474EPS系统软件设计 2388504.1EPS系统控制目标 23107754.2EPS系统控制方式 23162974.2.1助力控制 23213754.2.2回正控制 24203624.2.3阻尼控制 25218114.3EPS系统控制策略 25137114.4数字PID控制技术在EPS中的实现 26257004.5编程软件KeiluVision4简介 27154544.6EPS控制软件流程图 27214764.7部分软件程序的调试和简介 29316094.7.1PWM控制部分 29235805protues仿真及成果 3126835.1仿真原件介绍 31192555.1.1信号发生器 31121355.1.2示波器 31127685.1.3滑动变阻器 31304145.2仿真结果分析 32303766总结和展望 34123156.1总结 34107306.2展望 345750附录A 367581附录B 4520917参考文献 462291致谢 48.参考资料.1绪论汽车，已经成为人们同常生活中不可缺少的工具，是现代文明社会的标志之一，被誉为“改变世界的机器"。汽车在行驶过程中，需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽车转向。对于最初的汽车而言，只是驾驶员通过转向盘输入转向动作，转向动作通过一套专门的机构使转向轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。而汽车转向操纵力的大小，对汽车的低速操纵轻便性和高速行驶稳定性有很大的影响[1]。随着科技水平的提高、轿车的普及，驾驶员对降低操纵力的呼声也愈来愈高。随着汽车技术的发展，传统的机械式转向系统已经被具有助力功能的动力转向系统所取代。目前，助力转向系统主要有三种形式：液压助力转向系统(HPS)、电控液压助力转向系统(EHPS)和电动助力转向系统(EPS)。其中，液压助力转向系统因为可提供较大助力、助力效果明显，同时具有工作过程比较平顺等优点，在目前仍普遍采用，几乎所有中、重型载货汽车都采用此种助力转向形式。但由于液压助力转向系统自身弱点日益显现出来，轿车和少量轻型车已经开始大量应用电动助力式或电液助力式转向系统，并且日益广泛。1.1电动助力转向系统电动助力转向系统(ElectdcPowerSteeringSystem，EPS)完全抛弃液压助力转向系统的助力执行机构，它是在原机械式转向系统的基础上增加了扭矩传感器，助力电机和电控单元等装置所构成的一套新的系统(图1.1)。它与液压助力转向系统的根本不同之处在于它的驱动部件是一个电机。其工作原理是：扭矩传感器感知出驾驶员施加到转向盘上的转向力矩后送控制单元，控制单元根据力矩大小结合车速等信号确定应当提供的助力大小和方向，再通过电机驱动部件驱动电机提供合适的辅助转向力[2]。图1.1电动助力转向系统工作原理图电动助力转向系统与液压助力转向系统相比，有以下几个优点：1、液压助力转向系统为机械和液压连接，效率低，而电动助力转向系统为机械与电机连接，效率较高；2、方向盘的转向特性、转向手感和汽车的稳定特性，可以通过软件进行调节和优化，所以其功能显然优于传统液压助力系统；3、在低速时，助力系统提供较大的助力．助力大小随车速的增加而逐渐减小，而传统的液压系统在高速时往往会趋于产生过度的助力：4、能耗少，电动助力转向系统仅在需蔓转向时爿启动电机产生助力，使汽车油耗得到降低；5、装配性好，一体式模块系统，便于总装』装配，降低装配成本。EPS的零部件数少，电动机，传感器和电子控制单元(ECU)均可以组合在一起，因此整体外形尺寸减小了。6、“路感”好，由丁EPS部采用刚性连接，系统的滞后特性可通过软件来控制．而且可以根据驾驶蛐的操作习惯进行调节；7、对环境污染小。液压动力转向系统的液压回路中有液压软管和接头，往往存在油液泄漏问题，而且液压软管是不可回收的，对环境有一定的污染，而电动助力转向系统对环境几乎没有污染；8、可独立于发动机工作。即使发动机熄火，电动助力转向系统还能照常工作，因此很适用于将来的电动汽车或电汽混合动力型车。1.2课题研究的意义随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向器。电动助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地位。在国，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还在中国境申请了一些EPS专利。因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入WTO后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术产品。同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义[3]。1.3设计的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[4]。助力转向系统应满足以下的要求：1能有效的减小操纵力，特别是停车转向操纵力，行车转向的操纵力不应过大。.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。1.4本文研究的主要容本文首先对EPS的工作原理及国外研究现状作了分析，建立了EPS的数学模型，具体分析了EPS的动态特性中的助力特性，同时介绍了电动转向中的三种控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。具体所作工作如下：1理论分析。分析了电动助力转向器的主要结构及工作原理，研究了电动助力转向系统的控制策略。2仿真研究。在protues环境下对EPS系统模型和电机模型进行了仿真与结果分析，优化控制策略,并绘制电动助力转向系统控制系统的开发系统框图。3控制器硬件及软件设计。设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，研究了单片机资源和编程原理，并进行了硬件和软件调试。2电动助力转向系统的简介2.1EPS系统工作原理及结构组成电动助力转向系统主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、控制单元(ECU)、离合器、助力电动机及减速机构等组成。系统结构示意图如图2.1所示。工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU，ECU经过分析处理后输出PWM信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控[5]。图2.1电动助力转向系统结构示意图2.1.1助力电机作者开发的电动助力转向系统选用的助力电机为直流永磁有刷电机，额定电流为30A,额定电压为12V，额定转速为1050r／min，额定输出功率为170W，额定转矩为1.48N·m。由于汽车转向过程中电机助力的大小是通过PWM进行调整的，因此要求电动机要有很好的机械特性和调速特性。考虑到对原机械转向系统的影响，要求电动机具有噪声低、低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小和质量轻等特点，以便达到良好的动态特性和可靠性。2.1.2电磁离合器电磁离合器的结构如图2.2所示。它主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机的动力传递路线就被切断，助力停止。图2.2电磁离合器工作原理图1—滑环2一电磁线圈3—压板4—花键5一从动轴6—主动轮7一滚珠轴承电磁离合器的作用有以下两个方面：第一，防止动力过载。如果电动机产生的扭矩过大，主动轮就会克服在电磁吸力作用下，主动轮和压板之间产生的摩擦力，从而打滑，保证电动机给系统的助力不致过大；第二，在电机系统产生故障时，电磁离合器可以切断电动机和机械转向系统的连接，保证转向系统仍能够进行转向操作[6]。2.1.3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。2.1.4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：图2.3双行星齿轮结构示意图为了保证尺寸在尺寸方面的要求在齿轮5与齿圈7之间增加了一个中转齿轮6，这样不仅保证了传动的高效性，又保证了齿轮齿轮保证下的强度的要求。图2.4双行星齿轮结构示意图现以图2.4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/n1=-Z3/Z1=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，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。2.1.5涡轮蜗杆式减速机构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[7]。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α、蜗杆头数z1、蜗杆齿数z2及蜗杆的直径d1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（EPS系统中电机输出到转向轴），蜗杆转速n1=1210r/min，扭矩T1=1760N.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5～80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da1=d1+2ham=17.0mm齿根圆直径df1=d1-2m(ha+c)=12.0mm分度圆导程角γ=蜗杆轴向齿厚sa=πm/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/z1=33，这时的传动比误差为（33-31.5）/31.5=4.76%<5%，是允许的。2.1.6车速传感器大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，如图2.5所示。该传感器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可阻直接使用。但是在实验室中，较难采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。图2.5车速传感器2.1.7扭矩传感器扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结构复杂，主要用于高速测量。本论文中采用的是导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简单，可靠性好，使用寿命在3000万次以上，适合于方向盘扭矩的测量。电位计式的主要工作原理如图2.6所示[8]。图2.6扭矩传感器工作原理图传感器的两个输入端分别是VCC和OND(分别是输入端1和4)。当转向盘处于中间位置时，传感器的两个输出端Tl和T2上的电压均为2.5v；当转向盘向右旋转时，其输出端Tl上的电压大于2.5v，输出端T2上的电压小于2.5v；当转向盘向左旋转时，恰好相反。困此，输出电压T1减去输出电压T2得到的差动电压值就可以用来表示转矩的大小和方向。差动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据扭矩传感器输出差动电压的大小和正负，就可以判断转向盘的转矩大小和转动方向[9]。2.1.8电子控制单元电子控制单元是电子控制系统中最重要的元件之一，其性能在一定程度上决定着电子系统的性能，选择优良的控制器对取得良好的控制效果非常重要。结合EPS控制系统的特点，尽可能的减少外围电路元件和降低成本，而且处理单元还要具备功能模块多，运算速度快，所以该系统选用PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于系列单片微机，具有Flashprogram程序存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其建ICD(InCircuitDebug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。由于该型单片机最为基础和标准，在以前的学习中接触的也比较多，便于软件编程和硬件设计。故选用PIC16F887型单片机。2.2助力特性曲线的建立EPS的助力特性属于车速感应型，即助力特性不但随着转向盘转矩的变化而变化，而且随着车速的变化而变化，因此可以较好的协调转向轻便性与路感的关系。在实际的EPS系统中，ECU根据转向盘转矩Td与车速v，两方面的信号确定助力大小，其数值通过对助力特性曲线族查表来确定。也就是说，电动机的助力矩Tm是转向盘转矩Td和车速v的函数，可以表示成助力增益和车速感应系数的乘积。EPS的助力特性具有多种曲线形式，典型的助力特性曲线有三种：直线型助力特性、折线型助力特性和曲线型助力特性。考虑实际ECU的控制性能和控制方便，本文采用了直线型助力特性建立助力特性曲线[10]。式2.1式中：Tm为电机的目标转矩，f(v)为车速感应系数，Tmax为电机最大助力力矩，K(0)为0Km／h车速下的车速感应系数，Td0为开始助力时的转向盘最小力矩。其中计算得出。本人经过参考和分析后设计的基本助力特性如图2.7所示。图2.7助力特性曲线图3EPS系统硬件设计ECU硬件电路是实现电动助力转向的硬件基础，ECU硬件电路设计的科学性和合理性，关系到EPS系统的控制效果。本章主要涉及的是ECU硬件电路的设计，主要的电路模块有电源电路，电机控制电路、车速整形电路、扭矩整形电路、电机电流采集电路、电磁离合器控制电路等等。3.1EPS系统硬件电路结构及系统框图图3.1EPS硬件系统框图本系统主要工作流程为：首先对系统进行自动检测，确保系统各部分工作正常。然后单片机采集各传感器信号，经过分析运算后，判断是否提供助力，如果实施助力控制，启动继电器驱动电路，输出PWM信号控制助力电机的转矩，进而辅助驾驶员转向：否则进行其他相应控制。当系统出现故障时，电磁离合器与电机脱离，助力电机停止工作[11]。3.2硬件电路绘制软件Protues简介Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译。在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTUES是单片机课堂教学的先进助手。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。在单片机开发应用中PROTUES也获得愈来愈广泛的应用。3.3车速信号处理电路如图3.2所示，车速信号处理电路由比较器LM31l、电容、二极管和电阻组成。R1，R2分压后得到比较器的比较基准电压：当输入信号大于5V时，D1截止，LM311负输入端的电压通过R3上拉成5V，对比较器具有保护作用；C1和R5起滤波作用；R4是外部上拉电阻。车速信号经过滤波后，通过比较器LM311电路整形，形成规则的脉冲信号，传给单片机，由单片机测量脉冲的周期或者频率，得到车速大小。发动机信号采用同样的电路处理[12]。图3.2车速信号处理电路3.4扭矩信号处理电路如图3.3所示，扭矩传感器的一路扭矩信号经过滤波钳位后，送给单片机进行A／D转换。C1、C2、R1进行滤波，而D1、Z1是钳位二极管，选用肖特基管。当输入转矩信号大于5.2V时，D1导通，传给单片机的ADl信号保持在5.2V；当输入转矩信号小于．0.2V时，Z1导通，ADl信号恒定在．0.2V，这样就将输入扭矩信号钳位在．0.2V~5.2V之间。C1、C2、R1构成的滤波电路主要消除扭矩中的高频信号。两路扭矩信号经A／D转换后相减，其差值既反映扭矩的大小，又反映扭矩的方向。图3.3扭矩信号处理电路3.5电源电路单片机需要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。如图3.4所示。图3.4电源电路3.6电磁离合器控制电路采用PWM技术来改变电磁离合器线圈两端的平均电压，原理与PWM控制电机的原理一样。具体的实施电路如图3.5。计算机根据助力电机电流信号，确定电磁离合器所要传递的转矩，并由此确定电磁离合器所需要的电流，根据这个电流发出具有适当占空比的PWM波驱动信号，这个信号经过放大以后控制电力MOS的导通与关断，从而达到调节电磁离合器电流的目的。因为PWM的频率很高，完全可以保证通过电磁离合器线圈的电流是连续的[13]。图3.5电磁离合器控制电路3.7电机驱动电路该驱动电路使晶体管Q3导通，Q2和Q4截止，Q1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—电动机助力目标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，输出PWM信号到驱动回路，以驱动电机产生合适的助力[14]。图3.6电机驱动电路3.8电机电流信号采集电路在本系统中，采用的是闭环系统控制。单片机根据车速和转矩的大小，经计算分析后，输出PWM信号驱动电机，再根据电机电流的大小，构成闭环控制系统，使得电机转矩控制更加准确，跟随性更好。电机电流采集电路如图3.7所示，R1用0.0l欧姆电阻测量电机电流，根据电路分压原理，电流信号转为电压信号，经过电路滤波，放大后，送给单片机的A／D转换口，进行A／D转换。图3.7电机电流信号采集电路3.9控制系统硬件电路总图在第一次设计硬件电路图时，作者采用了AT89C51型单片机，原因是该单片机在以前的学习中接触较多，比较熟悉，便于连接和编程。由于AT89C51型单片机不能提供A/D转换功能，故选取ADC0808芯片作为A/D转换器。该电路图包含一个车速信号处理电路，一个扭矩信号处理电路，一个电机驱动电路，一个电磁离合器控制电路以及一个电流信号采集电路。如图3.8[15]。但是由于作者水平有限，在经过对图3.8的硬件电路图的多次调试和修改之后，仍然无法对其进行成功的运行及仿真，故放弃对图3.8的仿真研究。由于图3.8能够完整的反应出EPS系统硬件电路结构及系统框图的设计思维和理念，故加入说明书中以表达作者的设计思路。图3.8控制系统硬件电路总图3.10控制系统硬件电路仿真简图为了能够较好的较直观的反应出模拟仿真控制系统的控制原理，本人设计了如图3.9所示的硬件电路简图。该图中用一个信号发生器发出方波模拟车速信号，用一个滑动变阻器发出电压差模拟方向盘转矩信号，外接一个示波器直观显示信号状态和车速状态。外接一个LED显示屏显示车速状况，并选用可以直接进行A/D转换的PIC16F887型单片机作为系统CPU进行仿真[16]。图3.9控制系统硬件电路仿真简图3.11硬件抗干扰设计PCB板(印刷电路板)是电动助力系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。电动助力系统中采用下述抗干扰措施。3.11.1地线设计电动助力转向系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在电动助力系统中，接地和敷铜是抑制干扰的重要方法。1数字、模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，使两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。并尽量加大线性电路的接地面积。2接地线加粗若接地线条很细，将使接地电位随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此将接地线条加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。3接地线构成闭环电路数字电路部分的印刷电路板接地时，将接地电路做成闭环路能明显地提高抗噪声能力，其原因是：一块印刷电路板上有很多集成电路，尤其遇有耗电多的元件时，因受到线条粗细限制，地线不能足够宽，产生电阻，此电阻致使地线产生电位差，引起抗噪声能力下降，若地线构成闭环电路，则其差值将缩小。3.11.2电源线布置电源线的布线除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，还要采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，有助于增强抗噪声能力。3.11.3印刷电路板的尺寸与器件布置印刷电路板大小要适中，当印刷电路板过大时，印刷线条变长，阻抗则增加，不仅抗噪声能力下降，而且成本也高；印刷电路板过小，则散热不好，同时易受邻近线条干扰。在器件布置方面，与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，能获得较好的抗噪声效果。晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路[17]。4EPS系统软件设计在硬件选择、设计完成后，对控制方案进行了细致的分析，根据软件仿真结果及控制理论，分析各种控制算法的控制效果，与硬件对接，实现对系统的准确控制。在本章中，重点探讨系统控制策略，根据系统设计要求，用C语言编写软件控制程序，实现硬件控制，为下一步实验做好准备。4.1EPS系统控制目标采用EPS的主要目的是随车速变化时提供合适的转向力、保持一定的转向路感、确保响应速度和抑制来自电动机的振动及地面不平造成的振动。控制系统控制目标具体如下：(1)提供合适的助力。根据转向助力特性曲线，在不同的车速和方向盘手力的情况下，提供合乎运行工况的助力力矩。(2)有较快的响应速度。控制系统应具备较高的相应速度，并与驾驶员的动作向匹配，而且转向灵敏。(3)有效抑制振动。低频振动直接影响驾驶员的手感，较大的振动易使得驾驶员失去对路面情况的把握。(4)良好的路感。在车速较高时，助力应较小或提供合适的阻尼力，使得车辆在行驶过程中转向系统有一定的路感存在。4.2EPS系统控制方式EPS系统根据车速、转矩和电机电流来执行控制策略，提高转向灵敏度。因而系统有三种控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的转向过程中，通常是助力控制。当驾驶员释放方向盘后，作用在方向盘上的力减小，且小于助力控制的门限值，同时，系统判断此时检测转矩大小的加速度和转向盘转动方向是否相异，如果两者相异，系统就执行回正控制。EPS系统中的电机、减速机构以及转向机构等都有很大的摩擦力与惯性力矩，这些都构成了汽车的回正阻力矩，当回正阻力矩过大，阻止车轮回正时，使用回正控制，利用电机提供辅助回正力矩。为了防止提供的辅助回正力矩过大，产生回正过头现象或在回正过程中出现摆振现象，在车轮将要回到中间位置时要施加阻尼，此时选用阻尼控制模型[18]。4.2.1助力控制EPS的助力特性具有多种曲线形式，较为典型的有三种：直线型、折线型和曲线型。三种助力特性曲线中，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。故本文只讨论直线型助力曲线的特性。图4.1直线型助力特性图4.1为直线型助力特性。它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力成线性关系。该助力特性曲线可用下面函数表示：式4.1式中，I为电动机的目标电流；为电动机的最大工作电流；为转向盘入力矩；f(v)为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩；为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力。4.2.2回正控制回正就是转向盘转过一定角度后，撤去操纵力，车轮回到中间位置的过程。通过回正控制可以改善转向系统的回正性能，控制方向盘快速准确的回到中位。当驾驶员放开转向盘，车轮将在回正力矩的作用下回正。但回正力矩必须要克服系统本身的阻力矩和路面的摩擦力矩，当回正力矩大于总的回正阻力矩时，车轮能够自动回正；当回正力矩小于回正阻力矩时，车轮不能够准确的回到直线行驶的位置，从而影响汽车行驶的安全性。因此，为了能使汽车稳定并准确的回正，电动助力转向系统在助力控制的基础上必须进行有效的回正控制。此策略可以改善汽车的转向回正特性，主要应用于汽车低速行驶情形。4.2.3阻尼控制汽车高速行驶时，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，提出在死区围进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速行驶时手感的“稳重"。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，一般情况下只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。4.3EPS系统控制策略EPS的三种控制模式：助力控制、回正控制和阻尼控制。不同的控制模式使用不同的控制方法，一般助力控制要用最优的控制方法，由于汽车在行驶过程的中，助力控制占95％以上的时间，所以本文主要针对助力控制进行控制策略分析。目前，一般由计算机控制的电动机动力转向系统为车速感应控制型。根据汽车理论，随着汽车的车速的提高，给与转向盘的辅助动力应该相应减小，也就是说，随着车速的升高，助力电动机的电流应该减小。然而，在实际的控制中，电动机电流呈下降变化规律。在起动和低速时，电动机电流的变化比较大，因为在车速极低时，转向盘上所需要的转矩比中速时大的多。当车速超过30km/h时，转向盘上的操纵力很小，为了保持一定的操纵手感，这是助力电动机和电磁离合器停止工作。另外，助力电动机的电流还随着转向盘转矩的增加而增加，当转向盘转矩增加到一定程度后，在一定车速围，电动机电流就维持不变。因为更大的转向盘转矩出现的概率很小，所以从整体上说对驾驶员的转向操纵力影响不大[19]。其控制逻辑图如图4.2所示：图4.2电机电流控制逻辑图结合前面介绍助力特性曲线，以及直线型助力特性的函数关系，为了方便软件编程和模拟仿真，作者将电动机目标电流I与车速V和转向盘力矩Td,起始助力转矩TO=7/NM的关系简化为如下关系：I=f(v)*(Td-TO)当v=0时，f(v)=0.8当0<v<20时，f(v)=0.5当20<v<30时，f(v)=0.25当30<v时，f(v)=0.12例如，当车速为25KM/h，转矩为30/Nm时，目标电流为5.75A4.4数字PID控制技术在EPS中的实现电动助力转向系统根据扭矩传感器输出的扭矩信号和车速信号计算出电机的助力大小。数字PID控制器的控制目标是减小转向过程中驾驶员对方向盘的操作力。由于扭矩传感器安装在转向轴上，这里我们就以转向轴上的扭杆为研究对象，当驾驶员转动转向盘进行转向操作时，扭杆首先感知出驾驶员施加在转向盘上的扭矩。直流电机的转矩与电机电流成正比，我们可以根据电流的大小对电机进行控制，从而实现助力。设转向盘传到扭杆上的扭矩为T，由T根据助力特性曲线计算出助力电流值，当前实际的助力电流值为，则偏差为我们可以得出对应的PWM增量，EPS的PID控制原理图如图4.3所示。图4.3PID控制原理图4.5编程软件KeiluVision4简介KeiluVision4是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision4的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision4IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。最新的KeiluVision4IDE，旨在提高开发人员的生产力，实现更快，更有效的程序开发。uVision4引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图的任何地方，包括支持多显示器窗口。uVision4在μVision3IDE的基础上，增加了更多大众化的功能。多显示器和灵活的窗口管理系统，系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器信息，调试还原视图创建并保存多个调试窗口布局，多项目工作区简化与众多的项目[20]。4.6EPS控制软件流程图EPS控制器上电以后，系统开始自检，检测蓄电池电压是否达到正常电压，如果正常开始采样方向盘扭矩信号并进行A／D转换；根据加转换结果判断方向盘的位置是否处于中间位置，转向操作是否需要助力；当方向盘位置超出死区围后，判断方向盘旋转方向，程序接着判断转向系统是处于转向助力过程还是回正过程，以此选择不同的控制模式；如果方向盘处于回正状态，就需要对电动机进行适当的回正和阻尼控制，以实现方向盘回正迅速与平稳；如果是转向助力过程，则需要检测电机电流，构成闭环控制，根据采集到的扭矩信号和电机电流信号进行数字PID运算，计算出对应的PWM增量，然后再检测是否测量出车速信号，根据车速对PWM增量进行调整。最后，将PWM信号输出给电机驱动模块对助力电机实施助力。YY结束断开离合器输出故障代码无故障?采集发动机转速信号车速>30km/h闭合离合器转矩=0.7对输入信号进行处理并输出电流指令信号采集车速信号采集转矩信号采集电机电流信号故障诊断开始YY结束断开离合器输出故障代码无故障?采集发动机转速信号车速>30km/h闭合离合器转矩=0.7对输入信号进行处理并输出电流指令信号采集车速信号采集转矩信号采集电机电流信号故障诊断开始图4.4主程序控制流程图4.7部分软件程序的调试和简介图4.5软件调试示意图图4.5为运用KeiluVision4进行软件程序的调试和仿真时的截图4.7.1PWM控制部分voidPWM_control(unsignedintcar_speedf){ unsignedintdata1; if(car_speedf==0) {data1=torque*4/5;} if(0<car_speedf&&car_speedf<=20) { data1=torque/2; if(data1>=1023) data1=1023; } if(20<car_speedf&&car_speedf<=30) { data1=torque/4; } if(car_speedf>30) { data1=(unsignedint)(torque/8); } //data1=CarSpeedMaxF-car_speedf*4; //data1=(double)(data1/CarSpeedMaxF); //data2=(unsignedint)(1024*data1); TRISC1=1; //TMR2ON=0; CCPR2L=data1>>2; //车速越快，应减小电机转数， DC2B0=data1&0X1; DC2B1=(data1>>1)&0X1; //定时器2和PWM模块设置 TMR2=0; PR2=0XFA; //设置矩形波的周期为5ms T2CON=0B00100001; //设置后分比为1:5，预分比1：4 CCP2CON=0B00001111; //设置PWM模式 TRISC1=0; //矩形波输出端口设置为输出 TMR2ON=1; //定时器2使能}该段程序是用来控制电机电流随车速变化的，其函数关系为I=f(v)*(Td-TO)5protues仿真及成果5.1仿真原件介绍EPS控制仿真结果如下图所示，由前面介绍的仿真电路简图可知，车速信号由信号发生器模拟，扭矩信号由滑动变阻器模拟。示波器上黄色方波表示的是占空比信号，占空比越大则说明单位时间平均电压越大，从而可以推出占空比越大，电动机电流越大转速越快。红色方波表示的是车速信号，波形频率越快则说明车速越大。滑动变阻器位置表示的是方向盘扭矩大小，触电位置越高则扭矩越大。5.1.1信号发生器图5.1信号发生器控制旋钮示意图图5.1为信号发生器控制旋钮示意图，从左起第一个旋钮控制频率，其正下方的数字为频率大小；第二个旋钮控制频率倍率；第三个旋钮控制电平。5.1.2示波器图5.2示波器波形示意图图5.2为示波器波形示意图。图中上面的方波表示的是占空比信号，占空比越大则说明单位时间平均电压越大，从而可以推出占空比越大，电动机电流越大转速越快。图中下面的方波表示的是车速信号，波形频率越快则说明车速越大。5.1.3滑动变阻器如图5.3滑动变阻器位置表示的是方向盘扭矩大小，触电位置越高则扭矩越大。图5.3滑动变阻器5.2仿真结果分析为了表明车速与电动机电流的关系，本人进行了如下仿真。图5.4仿真波形图图5.4所示的情况是当滑动变阻器位置在中间（扭矩信号一定），方波频率为77HZ时，占空比的情况图5.5仿真波形图图5.5所示的情况是当滑动变阻器位置在中间（扭矩信号不变），方波频率为770HZ时，占空比的情况。由此可以得出，图5..4与图5.5相比较，车速信号与占空比信号成反比例。当车速减小时，电动机助力电流相应加大，给方向盘提供的辅助转向力相应加大，使方向盘更加轻便。当车速增加时，电动机助力电流相应减小，给方向盘提供的辅助转向力相应减小，使方向盘更加沉稳。6总结和展望电动助力转向系统(EPS)作为一项高新技术产品，它涉及到汽车动力学、轮胎力学、电动机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多领域，因此对它的研究不可能一蹴而就。尽管已有一些EPS系统已投入使用，但是其应用围和功能有一定的局限性。本课题的任务是自主开发电动助力转向控制的一整套系统，对研发EPS控制系统提供技术参考[21]。6.1总结课题主要工作如下：(1)通过对EPS系统的研究，对EPS系统做了动力学数学建模，并做了较为深入的理论分析，为课题的研究提供一定的理论依据。(2)根据电动助力转向系统的功能要求，设计了方向盘扭矩传感器和车速信号调理电路、电动机驱动电路及电流检测电路。给出了信号采集、电机驱动和车速信号的程序设计步骤和流程。白行制作了硬件控制电路板，进行了控制器硬件和软件调试工作。(3)成了相关实验工作，结果表明，控制器能够完成典型工况的实验要求，稳定性良好，与理论研究较吻合。6.2展望以上工作都是在借鉴前人研究的基础上对控制系统的性能进行重新设计、优化而完成的。尽管在一些功能上还不够完善，如方向盘抖动、回正和阻尼控制还不够理想，但本控制器可以做为以后研究EPS控制系统的开发平台，以便在该系统上做进一步的研究工作，节省设计与开发的时间。今后需要研究和完善EPS系统的任务主要有[22，23,24]：(1)优化控制算法。控制算法是EPS的技术难点之一，由于助力转向系统参数众多，建立精确的数学模型及控制算法直接决定了系统的控制精度、响应速度、稳定性，所以优化控制算法是今后的工作重点。(2)增加故障诊断模块。本系统没有加入故障诊断检测模块，控制系统的安全性不高，提高系统安全性必须对故障诊断做深入研究，这也是今后研究的重点之一。(3)进行装车实验。以上所有的实验都是在实验室中的实验台架上完成的，实验数据与行驶中的汽车定有很大差别，这些实验数据可以作为初步验证EPS工作稳定性的依据，为以后的装车实验提供数据参考。附录A/***********************程序功能说明及硬件电路规划**************************//*************************************************** 1）定时器0设置为采集车速信号矩形波的计数器RA4 2）定时器1用作定时中断，采集定时器0计数器的 值 3）定时器2用作控制矩形波输出信号控制器,控制液 力转向电机的转数 4）端口D用来驱动LED显示(RD) 5）端口RB0~RB3用来控制LED段选****************************************************//****************************头文件定义区***********************************///#include<pic16f887.h>#include<pic.h>//8段共阳LED显示代码，0位~7位分别控制a~h段constcharLED_CODE[18]={ 0b11000000,//0 0b11111001,//1 0b10100100,//2 0b10110000,//3 0b10011001,//4 0b10010010,//5 0b10000010,//6 0b11111000,//7 0b10000000,//8 0b10010000,//9 0b10001000,//A 0b10000011,//B 0b11000110,//C 0b10100001,//D 0b10000110,//E 0b10001110,//F 0b11111111,//灭 0b01111111, //小数点};#defineCarSpeedMaxF1023 //在10ms霍尔效应传感器采样车速的最高频率#defineRwheel 0.4//车轮半径(单位m)staticunsignedintcar_vf;unsignedcharCarSpeedupdateIF; //霍尔效应传感器数据更新信号unsignedcharCarTorqueupdateIF;unsignedinttorque; //转矩信号//unsignedint tast=2000;#define LED_CONX RB0#define LED_CONG RB1#define LED_CONS RB2#define LED_CONB RB3 /***************************函数声明区************************/voidInit_reg(void);voidPWM_control(unsignedint);voiddelay5us(void);voiddelay2ms(void);/***************************函数原代码区**********************/voidmain(void){// unsignedintcarspeedi;// unsignedcharxiaow; //小数点后一位 unsignedchargew; //个位 unsignedcharshiw; //十位 unsignedcharbaiw; //百位 Init_reg(); while(1) { //carspeed=3.1415*Rwheel*2*car_vf*4*3600/(1000); //单位是Km/h,且这个数再除以10即是车速 //carspeedi=(unsignedint)carspeed; //xiaow=carspeedi%10; //提取小数点后一位 //gew=(carspeedi/10)%10; //提取个位数 //shiw=(carspeedi/100)%10; //提取十位数 //baiw=(carspeedi/1000)%10; //提取百位数 gew=car_vf%10; //提取个位数 shiw=(car_vf/10)%10; //提取十位数 baiw=(car_vf/100)%10; //提取百位数 LED_CONX=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[0]; //小数部分 delay2ms(); LED_CONX=0; LED_CONG=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[gew]|LED_CODE[17]; //显示个位数，在加上小数点 delay2ms(); LED_CONG=0; LED_CONS=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[shiw]; //显示十位部分 delay2ms(); LED_CONS=0; LED_CONB=1; PORTD=LED_CODE[baiw]; delay2ms(); LED_CONB=0; while(!CarSpeedupdateIF); //等待数据更新 //上面显示速度部分也可以使用for循环方式 while(CarSpeedupdateIF&&CarTorqueupdateIF) { PWM_control(car_vf); //改变PWM占空比，从而控制电机的转数 CarSpeedupdateIF=0; CarTorqueupdateIF=0; } } }/**********************************函数名：Init_reg()功能：PIC16F887寄存器初始化***********************************/voidInit_reg(void){ ANSEL=0x01; //将AN这样的复用端口设置为数值端口，将端口RA0设置为模拟端口 TRISA=0x11; //将端口RA0和RA4设置为输入RA0作为模拟输入端口 ANSELH=0; //定时器0初始化 //TRISA4=1; //设定时器0外部时钟端口T0CKI OPTION_REG=0B10100001; //预分频为1:32 T0IE=0; //定时器0中断使能 //定时器1初始化 TMR1H=0XD8; //初始化设置车速信号采样时间为10MS TMR1L=0XEF; T1CON=0; TMR1IE=1; //中断使能 //端口设置为输出 TRISD=0; //端口D设置为输出，控制数据输出 TRISB=0; //端口B设置为输出，控制LED段选 //AD转换模块设置 ADCON0=0B01000001; //转换时钟为Fosc/8,模块使能，转化时间为2us ADCON1=0B10000000; //转换结果右对齐 ADIE=1; //转换中断使能 //TMR2IE=0; //中断不是能 TMR1ON=1; //定时器1使能 //TMT2ON=1; //定时器2使能 PEIE=1; //外部中断使能,TMR0使用不上，只有TMR2与PR2匹配是才能进行使用 GIE=1; //全局中断使能 }voidPWM_control(unsignedintcar_speedf){ unsignedintdata1; if(car_speedf==0) {data1=torque;} if(0<car_speedf&&car_speedf<=20) { data1=torque*2; if(data1>=1023) data1=1023; } if(20<car_speedf&&car_speedf<=70) { data1=torque; } if(car_speedf>70)