945191677電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）

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1、（論文） 1 目 錄 1 引 言 .1 1.1 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的特點(diǎn) .1 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .2 1.3 EPS 的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù) .2 1.4 本課題研究的目的與意義 .3 2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及其工 作原理 .4 2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 .5 2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 .7 2.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分 .11 3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .16 3.1 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu) .16 3.2 控制器微處理芯片的選擇 .17 3.3 控制器輸入通道的設(shè)計(jì) .20 3.4 控制器輸出通道的設(shè)計(jì)

2、.23 3.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) .28 3.6 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 .28 4 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .30 4.1 EPS.的控制策略 .30 4.2 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計(jì) .32 5 總結(jié) .38 參考文獻(xiàn) .39 致 謝 .40 （論文） 2 附 錄 .41 1 引言 1.1 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn) 由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)， 自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)在各國(guó)汽車上開(kāi)始普遍應(yīng)用?，F(xiàn)今液壓助力轉(zhuǎn)向器(HPS)是以內(nèi)燃機(jī) 作為動(dòng)力的汽車助力轉(zhuǎn)向器的主流。但是傳統(tǒng)的 HPS 需要持續(xù)的能量消耗，降低了汽車的燃

3、 油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)其復(fù)雜的液壓系統(tǒng)具有助力特性不可調(diào)整、污染環(huán)境、維修不便等缺點(diǎn)。20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始研究的汽車上電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。和 HPS 相比，它具有 更為突出的優(yōu)點(diǎn): 1.EPS 能在各種行駛工況下提供最佳助力，減少由路面不平所引起的對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動(dòng)， 改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減少汽車低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定 性，進(jìn)而提高汽車的主動(dòng)安全性。并且可通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來(lái)滿足不同對(duì)象使用 的需要。 2.提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不 停地流動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。相反電動(dòng)轉(zhuǎn)向系的 EPS 需要轉(zhuǎn)

4、向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量， 是真正的“按需供能型”(on demand)系統(tǒng)。裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的車輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下、裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低 2.5%;在使 用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了 5.5% 。 1 3.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在 EPS 中，電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連以使其能量直接用于車輪 的轉(zhuǎn)向。這樣增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)部分的阻尼也使得車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大 大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)。和 HPS 相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液 壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。 4.該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)

5、直接提供轉(zhuǎn)向助力，在停車時(shí)，也可獲得最大的轉(zhuǎn)向動(dòng)力。同時(shí)省去 了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī) 上的皮帶輪等，其零件比 HPS 大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置的選擇 （論文） 3 方面也更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，維修更簡(jiǎn)單。 5.EPS 沒(méi)有液壓回路，不存在滲油的問(wèn)題，減少了對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)由于液壓油在低 溫時(shí)的粘度很大，存在低溫時(shí)必須有個(gè)加溫的過(guò)程，而 EPS 可以在零下 40很好的工作，基 本上不存在受溫度影響的問(wèn)題。 6.在未來(lái) 10-15 年推出的純電動(dòng)汽車或者燃料電池汽車等汽車上由于沒(méi)有的傳統(tǒng)意義上 的內(nèi)燃機(jī)，因此

6、必須考慮安裝 EPS。 7.電動(dòng)轉(zhuǎn)向還可有各種安全保護(hù)措施和故障自診斷功能。使用可靠，維修方便。 由此可見(jiàn)，EPS 和 HPS 相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車時(shí)代發(fā)展主題的高新技術(shù)，必將逐步 取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國(guó)外從 1979 年就開(kāi)始研究電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，1988 年日本鈴木公司首先在 其 CER 車上裝備了電動(dòng)式 EPS。同年，美國(guó)通用公司也在某些型號(hào)的汽車上裝備了電動(dòng)式 EPS。1993 年，本田汽車公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上 同法拉利和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的愛(ài)克 NSX

7、跑車上;同年，在歐洲市場(chǎng)銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車-菲亞 特幫托也將美國(guó)德?tīng)柛９旧a(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。隨后，國(guó)外很多公司和 機(jī)構(gòu)介入了電動(dòng)式 EPS 的研究和開(kāi)發(fā)工作。美國(guó)的 TRW 公司，日本的三菱公司、KOYO 公 司，德國(guó)的 ZF 公司都相繼研制出了電動(dòng)式 EPS。經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，EPS 技術(shù)已日趨完 善，其應(yīng)用范圍正從最初的微型轎車向普通轎車和商用客車方向發(fā)展。 EPS 產(chǎn)品在 2002 年才有國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)知道的有 10 多家科研院校正 在研制中，如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等，另外還有 10 多家轉(zhuǎn)向企業(yè)和 10 多家配套企業(yè)

8、也在研制中。從市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，國(guó)內(nèi)已裝有 EPS 產(chǎn)品的汽 車主要為 1.3L-1.6L 的轎車(主要是電動(dòng)機(jī)的功率所致)。如重慶長(zhǎng)安的奧拓、安徽的奇瑞、 南京菲亞特、廣州本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國(guó)產(chǎn)汽車各車型技術(shù)的實(shí)際情況以 及使用條件的特殊性，國(guó)外的 EPS 與國(guó)產(chǎn)汽車的匹配以及實(shí)用性還存在問(wèn)題，至今還沒(méi)有與 國(guó)產(chǎn)汽車相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 EPS，僅僅在近幾年才開(kāi)展 EPS 的技術(shù)研究， 可獲得的技術(shù)資料較少，目前尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。 （論文） 4 1.3 EPS 的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù) 首先，EPS 的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上，并將在

9、動(dòng)力轉(zhuǎn)向 領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以 9%-10%的增長(zhǎng)速 度發(fā)展，年增長(zhǎng)量達(dá) 130 萬(wàn)至 150 萬(wàn)套，估計(jì)至 2005 年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目前的 150 萬(wàn) 套增長(zhǎng)到 800 萬(wàn)套，2007 年將達(dá)到 1140 萬(wàn)套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時(shí)間，電動(dòng)轉(zhuǎn) 向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車市場(chǎng)，并向微型車、輕型車和中型車擴(kuò)展。 盡管 EPS 已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的，但仍然存在一些問(wèn)題急待解決，比如提高現(xiàn)有應(yīng) 用的 EPS 系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)成本等。其中，進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努 力的一個(gè)主要方向。電動(dòng)機(jī)本身的性能及其與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將

10、影響到轉(zhuǎn)向操縱 力、轉(zhuǎn)向、路感等問(wèn)題。概括地說(shuō)，今后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要為:改進(jìn)控制系 統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能， 才能滿足更高檔車的使用要求。另外，EPS 的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車速、扭矩和方向盤(pán) 轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控 制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。未來(lái)的 EPS 將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過(guò)總線技 術(shù)電子懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今后 有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這將是 EPS 的未來(lái) 10

11、 年的發(fā) 展方向。 對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于在這方面和國(guó)外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仍 須集中精力解決傳感器、電機(jī)、和電子控制器方面的研究工作。 1.4 本課題研究的目的與意義 汽車電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車低速時(shí)需要“輕”的 轉(zhuǎn)向力，高速時(shí)需要“靈”的轉(zhuǎn)向效果。同時(shí)，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約。 本課題將通過(guò)2 合適的綜合控制方法，設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)，以提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和路感，并 為以后的深入研究 EPS 的工作打下良好的基礎(chǔ)。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)傳 來(lái)的信息表明:電動(dòng)轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)

12、 向技術(shù)進(jìn)行研究。本文所進(jìn)行的工作正是在這一時(shí)代背景下展開(kāi)的。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)， （論文） 5 本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過(guò)仿真提出了 一條可供進(jìn)一步研究的控制策略。 2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及其工作原理 系統(tǒng)總體方案的確定，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步，直接影響到整個(gè)控制系 統(tǒng)的性能、安全運(yùn)行等因素的參數(shù)選定，使設(shè)計(jì)能夠有序、正確的進(jìn)行。為更好的擬定一份 準(zhǔn)確、可靠的總體方案，可以采用“多選一”的形式。 第一方案： 此方案以 80c552 作微處理器。如圖 2-1 所示。80c552 單片機(jī)是由 Philips 公司生產(chǎn)的一 款功能非常

13、強(qiáng)大的 MCS-51 系列兼容機(jī)。除了提供 80C51 的全部功能外，還提供了大量的硬 件資源，引入了許多新的功能，是專為儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)控制等 實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的高性能單片機(jī)。但是由于 80C552 沒(méi)有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需對(duì)程 序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 圖 2-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖 第二方案： PWM A/DA/D 80c552 80c552 車速信號(hào) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào) 扭矩信號(hào) 74LS373 AT28C64 驅(qū) 動(dòng) 電 路 光 電 隔 離 離 合 器 直 流 電 機(jī) （論文） 6 此方案是由 89c51 作為微控制器，如圖 2-2 所示。以扭矩傳感器、

14、車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī) 電流傳感器的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，并經(jīng)放大電路、ADC0809 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到 89c51 單片 機(jī)，再由 89c51 對(duì)輸出電路進(jìn)行分時(shí)控制，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。與 80c552 相比，89c51 不需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 圖 2-2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖 與方案一相比，此方案的特點(diǎn)是以實(shí)際使用性能為出發(fā)點(diǎn)，比較方案一來(lái)說(shuō)更節(jié)省系統(tǒng) 內(nèi)存空間，在使用中有較強(qiáng)的隨機(jī)應(yīng)變能力。根據(jù)上述種種分析得出，方案二為本設(shè)計(jì)中的 最佳方案。故本設(shè)計(jì)中選方案二為設(shè)計(jì)方案。 2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 2.1.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用

15、電機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)和車速信號(hào)，由電子控制裝置 來(lái)執(zhí)行助力控制的。典型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖 2-3 示: 89C51 扭矩傳感器 車速傳感器 發(fā)動(dòng)機(jī)電流信號(hào) 系統(tǒng)供電電源 點(diǎn)火開(kāi)關(guān) 輸入 處理 電路 輸出 及監(jiān) 控電 路 直流電機(jī) 顯示電路 離合器 （論文） 7 圖 2-3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成 從圖上可以看出，所謂的 EPS 系統(tǒng)就是在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車速傳感器、 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制器、電動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接利用動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸提供助力轉(zhuǎn) 矩。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大小并和車速信號(hào)一起送入電子控制器?？刂破?根據(jù)得到的信號(hào)判斷是否助力以及助力

16、的方向。若需要助力，則依照既定的控制策略計(jì)算電 機(jī)助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應(yīng)控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路。后者提供相應(yīng)的電壓或者電流給電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力作用。 當(dāng)汽車點(diǎn)火后，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷的測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上 轉(zhuǎn)向力矩，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入給控制器 ECU?？刂破鞲鶕?jù)輸入的這些信號(hào)，依據(jù)相 應(yīng)的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動(dòng)機(jī)的電流大小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的 大小。電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)電磁離合器通過(guò)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速轉(zhuǎn)矩后，施加給轉(zhuǎn)向桿輸出軸， 并經(jīng)過(guò)齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用，使之得到一個(gè)與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

17、2.1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照其轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和位置的不同，可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向 軸小齒輪助力式和齒條助力式三種形式。 3 1:轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assist type) 此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提 （論文） 8 供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見(jiàn) 的助力形式。由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。但是電機(jī)輸 出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤(pán)上。如果電動(dòng)機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話， 必須考慮對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的抑制。 2:小齒輪助力式(

18、Pinion-assist type) 這也是一種目前較為常見(jiàn)的助力形式，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向小齒輪相連。它 具有轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS 的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且還可在現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向器上直接設(shè)計(jì)，而不用改變 轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。 3:齒條助力式(Rack-assist type) 電動(dòng)機(jī)的電樞通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)從而實(shí)現(xiàn) 助力。作為最初應(yīng)用的 EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置的限制，可以 提供較大的助力力矩，電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤(pán)上。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴， 工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動(dòng)機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必

19、 須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。 2.1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求 對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。高的轉(zhuǎn)向靈敏性， 要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動(dòng)比，以小的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角獲得迅速轉(zhuǎn)向。好的操縱輕便性，則要求 轉(zhuǎn)向器具有較大的傳動(dòng)比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤(pán)操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩?？梢?jiàn)，上述 的兩個(gè)要求是矛盾的。而電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和控制電機(jī) 提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿足動(dòng)力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)的如下要求： 4 (1)能有效減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力。而行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于 245N。 (2

20、)轉(zhuǎn)向靈敏度好。轉(zhuǎn)向靈敏度就是轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。 (3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)能自動(dòng)回正;駕駛員應(yīng)有良好的“路感”。 (4)要有隨動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角保持一定關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車 輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。 （論文） 9 (5)工作可靠。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向失敗或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過(guò)人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。 2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為了研究 EPS 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及 EPS 系統(tǒng)對(duì)汽車操縱性的影響，EPS 數(shù)學(xué)模型的建立是 進(jìn)行理論研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。EPS 的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、 減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個(gè)主要部分，根

21、據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對(duì)象，忽略一些次要因素， 對(duì) EPS 部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立各部分的力學(xué)模型，然后再 根據(jù)各部件之間的相互約束關(guān)系，聯(lián)立各模型，得到如圖 2-4 所示的模型。 （論文） 10 圖 2-4 EPS 動(dòng)態(tài)模型 2.2.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼 考慮在內(nèi)，可以得到如下運(yùn)動(dòng)方程: XX U 電機(jī) Tsen Im Ta Tw Rp 轉(zhuǎn)矩傳 感 器 ECU 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu) sTh （論文） 11 J +B =T -T (2-1)sshsen 式中 Js轉(zhuǎn)向盤(pán)、輸入軸的轉(zhuǎn)

22、動(dòng)慣量，Kgm ;2 Bs輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，Nm /( rad / s) ; 輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad ; T 作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，Nm;h Tsen扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，Nm 。 由于轉(zhuǎn)矩傳感器是依靠扭桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿受到的轉(zhuǎn)矩與扭 桿的扭轉(zhuǎn)角度成正比，即有 Tsen = Ks ( s- e) (2-2) 式中 KS扭桿的剛性系數(shù)，Nm/rad ; s輸出軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。 2.2.2 電動(dòng)機(jī)模型 系統(tǒng)采用永磁式直流電動(dòng)機(jī)，如圖 2-5 所示，電動(dòng)機(jī)的端電壓 U 與電感 L、 電樞電阻 R、反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) Kb、轉(zhuǎn)速 m、電流 I 和時(shí)間 t 之間的關(guān)系如下: U 二 L

23、 十 RI 十 K m （2-3） 。I。 圖 2-5 永磁式直流電動(dòng)機(jī)模型 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為: Tm = Ka I (2-4) 式中 Ka電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù):NmA 。 1 （論文） 12 對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械部分受力分析，可以得到: Jm m + Bm m=Tm-Ta (2-) . 式中 Jm,電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kgm ; 2 Bm電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)，Nm/(rad/s); m電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角， rad; Tm電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Nm; Ta電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，Nm 。 在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km （ m G e） (2-6) 式中 Km電動(dòng)機(jī)和減速

24、機(jī)構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)，Nm/rad 。 2.2.3 輸出軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向柱輸出軸及電機(jī)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程: Je e +Be e=Tsen + GTa Tw (2-7) 式中 Je輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kgm ;2 Be輸出軸的阻尼系數(shù)，Nm /(rad / s) ; G蝸輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比; Tw作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩， Nm 。 2.2.4 齒輪齒條子模型 對(duì)齒條和小齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，可以得到 Mr Xr + Br Xr= -FTR (2-8) pwRT 式中 Mr齒條及小齒輪的等效質(zhì)量， Kg; Br齒條的阻尼系數(shù)，N/(m/s); Xr齒條的位移， m

25、; Rp小齒輪半徑，m; FTR輪胎轉(zhuǎn)向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力，N。 轉(zhuǎn)向阻力 FTR 主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力 矩的影響，同時(shí)它還與車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。對(duì)于常規(guī)助 （論文） 13 力控制過(guò)程該模型的簡(jiǎn)化對(duì)控制策略的影響不大，這里給出簡(jiǎn)化的計(jì)算公式： 6 FTR= Kr Xr+F (2-9) 式中 Kr等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m ; F 路面的隨機(jī)信號(hào)，N。 其中 e= 。聯(lián)立上面所建的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到:pfRX Js s + Bs s+ Ks s=Ts + Ks （2-10） .prRX Jm m +Bm

26、 m +Km m = Tm+ G Km （2-11） . pr Mr r+Br r+Kr Xr= + -F （2-12 ） .X. prKpsr Mr=mr+ 減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量，Kg；2perJ Br=br+ 減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量阻尼系數(shù)，N/（m/s） 。2perB Kt=kt+ 小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m；2psrGKmk 2.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類型，但其主要部件幾乎相同。除了本身的機(jī)械 傳動(dòng)部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速 機(jī)構(gòu)和電子控制器 ECU

27、(Electronic Control Unit)。 2.3.1 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用于測(cè)量方向盤(pán)的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào) 傳送給控制器 ECU，作為系統(tǒng)控制策略的重要依據(jù)之一，它直接影響到控制效果的好壞，所 以很多廠家都非常重視轉(zhuǎn)矩傳感器的研究與開(kāi)發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類，非 （論文） 14 接觸式主要是使用下列三種技術(shù)之一； 磁、光和感應(yīng)技術(shù)。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性6 功能和滯后性能好，但價(jià)格較高。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用 也較為廣泛。 本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。 鋼球通

28、過(guò)螺旋球表面固定在輸入軸外側(cè)的螺旋球槽和滑塊內(nèi)側(cè)的球洞里?；瑝K相對(duì)于輸入軸 可以在螺旋方向移動(dòng)。同時(shí)，滑塊通過(guò)一個(gè)銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對(duì)于輸出軸在垂 直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸旋轉(zhuǎn)的方向和輸出軸的 旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)(在軸方向 )，(等于輸入軸相對(duì)于輸出軸旋轉(zhuǎn))。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，轉(zhuǎn)矩被傳遞 到扭力桿時(shí)，輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動(dòng)， 這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為圖 2-6 所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?變化，并傳送到控制器 ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分為主、副兩路。當(dāng)方向盤(pán)處于中間位 置時(shí)，主、副兩

29、路輸出的信號(hào)都為 2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信 號(hào)小于2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)左轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于 2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 2.5 V。系統(tǒng)利用主、 副轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可判斷方向盤(pán)轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。 圖 2-6 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性 2.3.2 車速傳感器 車速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目 標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系 （論文） 15 統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車速信號(hào)由車速傳感器測(cè)得，車速傳感器也有多種類型，主 要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見(jiàn)的車速

30、傳感器工作原理如圖 2-7 所示， 車速傳感7 器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。由于傳感器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖 2-7 為車速傳感器的工作原理。 1.輪毅 2.轉(zhuǎn)子 3.永久磁鐵 4.輸出信號(hào)電壓 5.高速時(shí) 6.低速時(shí) 圖 2-7 車速傳感器的工作原理 車速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給控制系統(tǒng)。在本文的 研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的車速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。 2.3.3 直流電動(dòng)機(jī) EPS 用直流電動(dòng)機(jī)與一般的起動(dòng)電機(jī)在原理上基本相同，但一般采用永磁電

31、動(dòng)機(jī)。為了 降低噪聲和減小振動(dòng)，有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面開(kāi)有斜槽。作為 EPS 系統(tǒng)助力的提供者，直 流電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。一般應(yīng)滿足如下要求： 3 1)盡可能寬的調(diào)速范圍; 2)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 3)良好的低速平穩(wěn)性; 4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低; 5)過(guò)載能力強(qiáng); 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動(dòng)機(jī)作為 EPS 系統(tǒng)的助力電機(jī)，其工作的 額定電壓為 12 V,額定電流為 30A,，額定轉(zhuǎn)速為 1050r/min,額定輸出功率為 170W，額定轉(zhuǎn)矩 為 1.48Nm. （論文） 16 2.3.4 電磁離合器 電磁離合器安裝在電動(dòng)機(jī)和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機(jī)

32、與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié) 合和分離。當(dāng)系統(tǒng)工作于助力模式時(shí)，離合器使電機(jī)與減速齒輪結(jié)合，傳送電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)系統(tǒng)車速高于設(shè)定值或電機(jī)電流高于設(shè)定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器又?jǐn)嚅_(kāi)電動(dòng)機(jī)與減 速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。一般的 EPS 系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結(jié)構(gòu)如圖 2-8 所示，主要由電磁線圈、 主動(dòng) 輪、從動(dòng)軸、壓板 1 滑環(huán) 2 電磁線圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動(dòng)軸 6 主動(dòng)軸 7 滾珠軸承 圖 2-8 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖 等組成。 其工作原理如下:裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸上的主動(dòng)輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過(guò)滑環(huán)引入電3 流。當(dāng)離合器通電時(shí)，電

33、磁線圈產(chǎn)生的電磁力使壓板與主動(dòng)輪端面壓緊。于是，電動(dòng)機(jī)的動(dòng) 力經(jīng)主動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳給減速齒輪滅。 2.3.5 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出 軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu) 有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動(dòng)組合式，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng) 齒輪組合式。兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)能提供較大的助力，一般用于小齒輪助力和齒條助力式 EPS 系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)提供的助力雖不如兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿足微 型車的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及

34、成本低，所以目前應(yīng)用 較為廣泛。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù) （論文） 17 脂材料制成。在本課題的研究中，所選用的就是蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，它是與電動(dòng)機(jī)及電磁離 合器集成為一體的一個(gè)組成機(jī)構(gòu)。圖 2-9 為電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。 圖 2-9 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成 2.3.6 電子控制單元 ECU ECU 的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)和車速傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出 指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。由于 EPS 系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量還不是很大，所以目前的控 制器核心一般采用 8 位的單片機(jī)。 現(xiàn)以昌河北斗星微型車所用的。ECU 來(lái)說(shuō)明其控

35、制結(jié)構(gòu)3 (如圖 2-10 示)和工作原理。 （論文） 19 （論文） 20 圖 2-10 電子控制單元 ECU 結(jié)構(gòu)圖 ECU 控制模塊接收到 A1 的點(diǎn)火信號(hào)后，接通蓄電池電源，系統(tǒng)開(kāi)始工作。根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳 感器 A8(主信號(hào) )、A10(副信號(hào))和車速傳感器 A2 的輸入信號(hào)，確定助力控制的大小和方向， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(B1, B3)和離合器(A6, All)的開(kāi)斷除此之外，P/S 控制模塊還具有故障自我診斷 (A12)和安全防護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將停止助力控制，并顯示故障代碼。 3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制器 ECU 是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)現(xiàn)

36、的硬件基礎(chǔ)， 控制器的硬件性能直接影響 EPS 系統(tǒng)的控制效果。在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理 和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了硬件控制器 ECU。控制器的設(shè)計(jì)主要包括兩大部分， 一是數(shù)據(jù)輸入通道，即數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，二是控制輸出通道，主要是電動(dòng)機(jī)的控制電路。 對(duì)于硬件設(shè)計(jì)中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡(jiǎn)要介紹。 3.1 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu) EPS 控制器結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示。 （論文） 21 當(dāng)控制器接收到汽車點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。汽車在行駛過(guò) 程中，ECU 采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的輸入信號(hào)，根據(jù)已定的控制規(guī)則，確定一個(gè)目標(biāo) 電流和電

37、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，并以 PWM 調(diào)制的方式通過(guò) H 橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng) 對(duì)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣，采樣的結(jié)果一方面與目標(biāo)電流相比較，用于電機(jī)的控制;另一方 面結(jié)合車速信號(hào)，用于系統(tǒng)的保護(hù)。若電機(jī)電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù) 圖 3-1 EPS 控制器結(jié)構(gòu)圖 方向控制 繼電器通斷信號(hào) 點(diǎn)火信號(hào) 電機(jī)電流采集 車速信號(hào) 扭矩信號(hào)副 扭矩信號(hào)主 波形 處理 A/D 采集 電路 外部信號(hào) 處理電路 單片機(jī) 繼電器驅(qū)動(dòng) 電路 繼電器保護(hù) 電路 光電 隔離 H 橋 驅(qū)動(dòng) 電路 H 橋電 動(dòng)機(jī)控 制電路 電動(dòng) 機(jī) A/D 采 集 電 路 轉(zhuǎn) 矩 傳 感 器 車 速 傳 感 器 霍 爾

38、 傳 感 器 外 部 信 號(hào) 方向 控制 電路 系統(tǒng)穩(wěn)壓 電 路 故障 顯示 電路 （論文） 22 電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對(duì)繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開(kāi)電機(jī)電源，停止助力，待系 統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。 3.2 控制器微處理芯片的選擇 3.2.1 控制器微處理器常用芯片及選型 作為汽車電子技術(shù)研究的熱門(mén)課題之一，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)控制器的硬件 設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上?，F(xiàn)在常用的芯片有很多種，如 8031,8051,89C51,89C52 等，本設(shè)計(jì)中選擇 89C51 作為微處理器。 3.2.2 89C51 芯片及 A/D 轉(zhuǎn)換芯片介紹 89C51 單

39、片機(jī)芯片引腳如圖 3-2 所示。 圖 3-2 89C51 單片機(jī)芯片引腳 （1） 89C51 的 40 個(gè)引腳按其功能來(lái)分，可分為如下三類： (1)電源及時(shí)鐘引腳：V 、V ；XTAL1 、XTAL2cs (2)控制引腳： 、ALE、 、RESET（即 RST）PSENA (3)I/O 口引腳： P0、P1、P2、P3 ，為 4 個(gè) 8 位 I/O 口的外部引腳。 （2） 8 通道 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC 0809 由于單片機(jī)不能直接與模擬信號(hào)相連接，所以必須有一個(gè)器件完成從模擬信號(hào)到數(shù)字信 號(hào)的轉(zhuǎn)換，而 ADC0809 就是這樣一個(gè)器件。ADC0809 是 CMOS 的 8 位單片

40、A/D 轉(zhuǎn)換器。 （論文） 23 片內(nèi)有 8 路模擬開(kāi)關(guān)，可控制選擇 8 個(gè)模擬量中的一個(gè)。A/D 轉(zhuǎn)換采用逐漸逼近原理。輸出 的數(shù)字信號(hào)有 TTL 三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線。模擬輸入部分有 8 路多路開(kāi)關(guān)， 可由三位地址輸入 ADDA、ADDB 、ADDC 的不同組合來(lái)選擇。主體部分是采用逐次逼近式 的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由 CLK 信號(hào)控制內(nèi)部電路的工作，由 START 信號(hào)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)始。轉(zhuǎn)換后 的數(shù)字信號(hào)在內(nèi)部鎖存，通過(guò)三態(tài)緩沖器接至輸出端。ADC0809 與 89C51 連接圖如圖 3-3 所 示。 8 P1.0/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.

41、45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT012 P3.3/INT1 13P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL218 XTAL1 19 VSS20 P2.0/A8 21P2.1/A9 22 P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25 P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28 PSEN 29 AL E 30 EA/VPP31 P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35

42、P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38P0.0/AD0 39 VCC 40 89C51 12保HZ 20pFC1 20pFC2 C3 R1R2+5 +5 2 31 2 31 1 2 DQ CPQ DQ CPQ D7 28D6 27 D5 26D4 25 D3 24D2 23 D1 22D0 21 ADDA 20ADDB 19 ADDC 18 EOC 17 GND 16REF(-) 15 START1 ALE2 OE3 REF(+)5 IN713 IN6 12 IN511 IN410 IN3 9 IN28 IN17 IN0 6 Vcc4 CLK 14 ADC 080

43、9 +5 圖 3-3 ADC0809 與單片機(jī) 89C51 的連接圖 3.2.3 89C51 外部總線擴(kuò)展及片外 ROM 的連接 由于 89C51 的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下，我們采用地址鎖存器進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng) 總線的擴(kuò)展。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有 74LS373、 8282、74LS273 等。本設(shè)計(jì)中，采 用 74LS373 來(lái)擴(kuò)展 89C51 的外部總線。圖 3-4 為 74LS373 引腳圖。 （論文） 24 圖 3-4 74LS373 的引腳圖 74LS373 是帶三態(tài)輸出的 8 位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門(mén) OE 為有效低電平，使能端 G 為有效高 電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化；當(dāng) G

44、 端有高變低時(shí)，輸出端 8 位信息被鎖存，直到 G 端再次有 效為止。 由于 89C51 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不能滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，必須外接 RAM。RAM 是程序存儲(chǔ) 器的簡(jiǎn)稱，用來(lái)存放用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，具有 RAM 型存儲(chǔ)器的單片機(jī)價(jià)格最低，它適用于 大批量生產(chǎn)。片外的 RAM 可直接掛在外部系統(tǒng)總線上，至于 RAM 的選通操作，需要由控 制信號(hào)和片外信號(hào)確定。外部程序存儲(chǔ)器的讀信號(hào)為 PSEN。單片機(jī)片外 RAM 芯片的種類和 型號(hào)非常多。例如 6116(2k)、6264（8k） 、62256（32k）等。本系統(tǒng)選擇 6264 來(lái)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器。6264 的各個(gè)功能引腳如圖 3-5 所示。

45、（論文） 25 圖 3-5 6264 的各個(gè)功能引腳 Vcc：電源電壓，+5V。 GND：接地。 A0-A12:地址線。 D0-D7:數(shù)據(jù)線。 OE：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號(hào)線。 WE:寫(xiě)允許引腳，低電平有效。 單片機(jī)和片外 RAM 的電路連接圖如圖 3-6 所示.。 9 P1.0/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT012 P3.3/INT1 13P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL218

46、 XTAL1 19 VSS20 P2.0/A8 21P2.1/A9 22 P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25 P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA/VPP31 P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38P0.0/AD0 39 VCC 40 89C51 +5V +5 WE20 OE22 A19 A0 10 A28 A37 A46 A55 A64 A73 A825 A924 A1021

47、A1123 A122 CS1 26 VCC 27CS2 1 Q0 11Q1 12 Q2 13Q3 15 Q4 16Q5 17 Q6 18Q7 19 GND 14 U3 6264 OE1 LE11 D03 D14 D27 D38 D413 D514 D718 D6 17 GND10 VCC 20 Q0 2Q1 5 Q2 6Q3 9 Q4 12Q5 15 Q6 16Q7 19 U2 74LS373 +5 VCC 圖 3-6 單片機(jī) 89C51 和片外 RAM 的電路連接 （論文） 26 圖中 P2 口和 6264 的高 8 位地址線以及片選信號(hào) CE 連接； P0 口經(jīng)過(guò)地址鎖存器輸出的 地址線和

48、 6264 的高 8 地址總線相連，同時(shí) P0 口又與 EPROM 的數(shù)據(jù)線相連。單片機(jī)的 ALE 連接地址鎖存器的控制端；PSEN 連接 6264 的輸出允許 OE 端。 3.3 控制器輸入通道的設(shè)計(jì) 3.3.1 轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集 控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來(lái)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)有主、副兩路，如前所述，這兩路信號(hào)是對(duì)稱 的，故在設(shè)計(jì)時(shí)只需采用一種電路。輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值為 0-5 V,A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范 圍為 0-2.5 Y,故對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了一般的濾波處理外，還需對(duì)其進(jìn)行分壓處理。其電路原理如 圖 3-7 示。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的 R1, R2 先將輸入的轉(zhuǎn)矩信 號(hào)分壓

49、，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，然后與 C1 構(gòu)成一階低通濾波電路，R3 與 C2 構(gòu)成第二級(jí)一 階低通濾波，運(yùn)放則作為一個(gè)電壓跟隨器來(lái)使用。 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路如圖 3-7 所示。10 圖 3-7 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路 3.3.2 電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的采集 電動(dòng)機(jī)的反饋電流是電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個(gè)參數(shù)，它一方面用來(lái)與目標(biāo)電流的比 較，使其更接近于目標(biāo)電流; 另一方面，可以利用它來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流 高于保護(hù)值時(shí)，切斷電機(jī)供電電源，用軟件的方式替代硬件過(guò)流保護(hù)電路。電機(jī)的反饋電流 （論文） 27 采用霍爾電流傳感器采集，電機(jī)的額定電流為 30A，本課題所選用的是 PAS-HID50 型霍爾電

50、流傳感器，具有反應(yīng)時(shí)間快，過(guò)載能力強(qiáng)，全程范圍內(nèi)極高的線性度的特點(diǎn)。其電氣參數(shù)見(jiàn) 表 3-1. 表 3-1 電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)表 電源電壓 DC 12-15V 額定輸入電流 50A 電流測(cè)量范圍 0-70A 精度 0.5% 線性度 0.15% 額定輸出電流 50mA 失調(diào)電流 優(yōu)于 0.2mA 跟隨精度 200A/us 響應(yīng)時(shí)間 us 頻帶寬度 DC-200KHz 耐壓 AC2.5KV/min，50Hz PAS-HID50 的接線方式如圖 3-8 所示。 圖 3-8 PAS-HID50 霍爾傳感器電路連接圖 由于助力電動(dòng)機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動(dòng)機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分?；魻杺?感器輸出的

51、是電流信號(hào)(0-50mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號(hào)，故需在傳感器的輸出引腳上接 一個(gè)約 100 的電阻，將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V 到 5V 的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓變換電路 如圖 3-9 示，使其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 0V 到 2.5 V 的電壓信號(hào)，最后經(jīng)濾波電路送到 89C51 芯片的 A/D 端口。 （論文） 28 圖 3-9 電動(dòng)機(jī)電流采集電路 3.3.3 車速信號(hào)的采集 車速信號(hào)是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)，電壓在 9.5 V 以上。在課 題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車速信號(hào)，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)所能處理的信號(hào)高電 壓在 2.5V 左右，所以車速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信

52、號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，一般采用一個(gè)前 位分壓電路即可實(shí)現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電 平匹配方式。其具體電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，如圖 3-10 所示。輸入的車速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的脈沖信號(hào)，經(jīng)電阻 R2 , R3(阻值相同)分壓后輸入給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)軟件處理得到 對(duì)應(yīng)的車速。 （論文） 29 圖 3-10 車速信號(hào)處理電路 3.4 控制器輸出通道的設(shè)計(jì) ECU 的輸出通道主要是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和離合器的開(kāi)斷控制電路。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用 了常用的 H 全橋 PWM 電路，方向控制由門(mén)電路組成，離合器的開(kāi)斷用繼電器來(lái)控制。下面 將分別說(shuō)明。 3.4.1 電動(dòng)機(jī)的

53、 PWM 控制 在控制器的硬件設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)直接控制的對(duì) 象，所以這部分的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性。 3.4.1.1 電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制 方法兩種。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受次級(jí)飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向其結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少?，F(xiàn)在， 大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。 對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì) 半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動(dòng)方式

54、和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半 導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰 近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)消耗大部分電功率，效率和散 熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流的電動(dòng)機(jī)采用 的是開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)脈寬調(diào)制 P WM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。PWM 調(diào)制的原理圖如圖 3-11 所示。 （論文） 30 圖 3-11 電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖 采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò) PWM 來(lái)控制電機(jī)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓 U0 為: U0=(t1Us 十 0) /(t1+t2)

55、=ttUs /T= （3-1）Us 式中 a 為占空比，a=t l/To，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，T 為脈寬調(diào)制 PWM 的周期。占空比 a 表示 了在一個(gè)周期 T 中，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。a 的變化范圍為。 a l。在 電源電壓 Us 不變的情況下，電樞的端電壓 Uo 的平均值取決于占空比 a 的大小，改變 a 的值 就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到控制目的。 在 PWM 調(diào)制時(shí)，占空比 a 是一個(gè)重要參數(shù)。改變占空比 a 的主要方法有定寬調(diào)頻法、 調(diào)頻調(diào)寬法和定頻調(diào)寬法。前兩種方法由于在控制時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率) ，當(dāng)控 制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，

56、因此這兩種方法很少用。目前，在 直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 根據(jù)電動(dòng)助力的原理，要求電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)工作，這就需要可逆 PWM 控制系統(tǒng)?？赡?PWM 控制系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM 周期中，直流 電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著 電流波動(dòng)大，功耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān) 管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)電樞只能承受單極性電壓。由于單極性驅(qū)動(dòng)方式能夠避免開(kāi)關(guān)管直通， （論文） 31 可大大提高

57、系統(tǒng)的可靠性，所以適用于在大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電動(dòng) 機(jī)控制應(yīng)用上。 鑒于上述原因，本課題的 EPS 控制器的電機(jī)控制部分，采用了單極性 PWM 控制方式， 占空比 a 的調(diào)整采用了定頻調(diào)寬法。在確定了 PWM 控制方法后，下一步的工作就是對(duì)半導(dǎo) 體功率器件的選擇。 3.4.1.2 功率開(kāi)關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路 目前應(yīng)用較多的功率開(kāi)關(guān)器件有功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵晶體管 (IGBT)和 MOS 柵控晶體管(MCT)等。由于 MOSFET 開(kāi)關(guān)管工作頻帶最寬，又具有一定的價(jià) 格優(yōu)勢(shì)，所以在目前的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。選擇 MOSFET 的型號(hào)時(shí)要考慮

58、到漏極電流的最 大額定值，漏極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導(dǎo)通電阻。根據(jù)助力電動(dòng)機(jī)的電氣參 數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設(shè)計(jì)中，我們選用的是國(guó)際整流公司(IR)的 IRFZ48NN 型 MOSFET 管，它的基本電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)見(jiàn)表 3-2。 12 表 3-2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電氣參 額定漏極電壓 V DS 55V 柵源開(kāi)啟電壓 V O 4-20V 額定漏極電流 I DS 64A 導(dǎo)通電阻 R ON 14m 開(kāi)通時(shí)間 t on 90ns 關(guān)短時(shí)間 t f 84ns （論文） 32 在選定功率開(kāi)關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器件，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。功 率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路一

59、般采用專用的集成驅(qū)動(dòng)器件或采用光耦器件器件。專用驅(qū)動(dòng)器件常 用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等。光耦驅(qū)動(dòng)電路由于線路簡(jiǎn)單，可靠性高， 開(kāi)關(guān)性能好，是設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地 也很大。驅(qū)動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的 TLP 系列，夏普的 PC 系列，惠普的 HCPL 系列 等?？紤]到電機(jī)的助力電流較大，為了能有效的隔離強(qiáng)電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設(shè) 計(jì)中最終采用了光耦驅(qū)動(dòng)器件。所選用的光耦型號(hào)為東芝的 TLP250，它包含一個(gè) GaAlAs 光 發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，是 8 腳雙列封裝，適合于

60、工 GBT 或功率 MOSFET 柵極驅(qū) 動(dòng)電路。TLP250 的主要電氣參數(shù)如下： .輸入閥值電流 F=5mA (max); .電源電流 Icc=11mA (max); .電源電壓(Vcc)=10-12V; .輸出電流 Io= 0.5A(min); .開(kāi)關(guān)時(shí)間 tPLH/tpHL=0.5 (max)。s 另外，開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中可能同時(shí)承受過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)大的 di/dt, du/dt 以及 過(guò)大的瞬時(shí)功率，因此需要設(shè)計(jì)緩沖保護(hù)電路。緩沖電路就是為了在開(kāi)關(guān)過(guò)程中保護(hù)開(kāi)關(guān)器 件，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中，我們采用的是 RCD 沖、放電緩沖電 路。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)

61、，經(jīng)二極管 D 向電容 C 充電，由于二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小，所 以關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng) MOSFET 開(kāi)通時(shí)，電容 C 通過(guò)電阻 R 放電，限制了 MOSFET 中的開(kāi)通尖峰電流。RCD 緩沖電路能有效地改善開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特 性，減小開(kāi)關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。 3.4.2 電磁離合器和顯示控制電路的設(shè)計(jì) 電磁離合器控制電路主要是完成功率接口電路的設(shè)計(jì)。此功率接口電路用于將單片機(jī)低 電壓、小電流的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于控制電磁離合器的較大電壓、電流。為了確保繼電器工 作可靠，對(duì)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通過(guò)上拉電阻使控制信號(hào)定位在低電平或者高電平?？紤] 到電磁繼電器的干擾信號(hào)可能

62、竄入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而影響數(shù)字電路部分的控制效果，采 （論文） 33 用光電耦合器 TLP521-1 對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)與繼電器部分的信號(hào)進(jìn)行了光電隔離。電磁繼 電器在接收到來(lái)自單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)后做出相應(yīng)的動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為低電平有效， 即在控制信號(hào)為低電平時(shí)電磁繼電器閉合，接通電磁離合器。 顯示電路主要是用于故障信息的顯示。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性要求很高，而所有故障 信息的外在反映都是通過(guò)顯示電路。故障信號(hào)類型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來(lái)。與電磁離合 器的控制方式相同，發(fā)光二極管也是采用低電平有效的方式。電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如 圖 3-12 所示。 13 圖 3-12 電磁離合器繼電

63、器控制電路 當(dāng)系統(tǒng)輸出控制信號(hào)(高電平 )時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，使光耦?dǎo)通，從而使繼電器 吸合，接通電磁離合器的電源。反之，繼電器斷開(kāi)，切斷離合器電源。圖中所示電阻 R1 為 限流電阻，二極管 D1 的作用是保護(hù)晶體管 T1。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，二極管 D1 截止，不影響 電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這是晶體管 T1 已截止，所以會(huì)在線 圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。 當(dāng)感應(yīng)電壓與 Vcc 之和大于晶體管 T1 的集電極反向電壓時(shí)，晶體管 T1 有可能損壞。加入二 極管 D1 后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管 D1 流

64、過(guò)，從而使晶體管 T1 得到保護(hù)。 3.4.3 電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 前期的設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮電動(dòng)機(jī)的保護(hù)環(huán)節(jié)，難以滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)安全性的要求。 在設(shè)計(jì)中對(duì)此部分進(jìn)行了補(bǔ)充。 （論文） 34 R1 LM339N R2 R4 C1 R5 R3 保保 保保保保保保保保 176 12 3 +12 +12 10mH L1 D1A11 Y12 A23 Y24 A35 Y36 A47 Y4 9A5 10Y5 11 A6 12Y6 13A7 14 Y7 15 GND8 VCC 16 U 10UF C +5 K2 D2 A -+ B2 圖 3-13 電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路 3.5 系

65、統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) 圖 3-14 系統(tǒng)電源電路 圖 3-14 為系統(tǒng)電源電路，其中的 12V 電壓電源是車載電源。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要 5V 的 供電電壓，7805 完成 12V 到 5V 的轉(zhuǎn)換。電路中的運(yùn)算放大器等器件需要 -5V 的供電電壓， 由 ICL7660 產(chǎn)生所需的負(fù)電壓。ICL7660 是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的變極性 DGDC 變換器。通 過(guò)該 DC/DC 變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出，即 Vi 與 Vo 的極性相反。這種變換 （論文） 35 器利用振蕩器和多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。另外， ICL7660 還具有如下特點(diǎn): 工作電壓范圍寬(

66、+1.5V 至 10.5V); 可將 CMOS 或 TTL 的+5V 電壓轉(zhuǎn)換成-5V; 空載時(shí)沒(méi)有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 99.7% ; 可采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)倍壓輸出。 3.6 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 在檢測(cè)系統(tǒng)的電子線路和電子設(shè)備中， “干擾”是一種普遍存在的問(wèn)題。它是檢測(cè)過(guò)程中的 一種無(wú)用信號(hào)，它的存在會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的結(jié)果有偏差。為了使檢測(cè)系統(tǒng)能夠得到更 加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，在電路的設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮電路的抗干擾能力的設(shè)計(jì)。這就要求必須搞 清楚干擾源、被干擾對(duì)象、干擾源和被干擾對(duì)象之間的耦合方式，只有這樣才能采取相應(yīng)的 措施，抑制干擾的影響。 在實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中，干擾源主要來(lái)自以下幾方面： 14 (1)機(jī)械干擾: 主要是機(jī)械的振動(dòng)或沖擊造成的干擾。 (2)溫度干擾: 主要指系統(tǒng)中電子測(cè)量裝置和元器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度 的變化造成的干擾。 (3)電磁干擾: 主要是指設(shè)備本身的電磁波或外界的電磁場(chǎng)的影響在設(shè)備的有關(guān)電路中感應(yīng) 出干擾電流或干擾電壓，從而使設(shè)備的檢測(cè)出現(xiàn)偏差、甚至不能正常工作。 干擾的耦合方式主要有以下幾種: (1)靜電電容耦合: 由于電路與電路之間存在寄生電容