汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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1、 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 作 者 姓 名 馬東霞 專 業(yè) 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名 杜永 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 講 師 42 摘要 摘 要 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering）簡(jiǎn)稱EPS，是近些年來出現(xiàn)的新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的

2、皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（HPS）相比，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈活性好、能充分的滿足汽車轉(zhuǎn)向性能的要求，在轉(zhuǎn)向操作的舒適性、安全性和節(jié)能、環(huán)保等方面顯示出顯著的優(yōu)越性。同時(shí)可以通過軟件加以改變，硬件資源利用高；低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向有穩(wěn)重感；助力電機(jī)只在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)才工作，節(jié)約能源。 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、無刷直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等部分組成。通過傳感器探測(cè)機(jī)探測(cè)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元，再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)

3、行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力。 本文根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取PIC16F877單片機(jī)作為核心，采用傳感器信號(hào)采集技術(shù)和無刷直流電動(dòng)機(jī)專用芯片等，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和助力電機(jī)的控制。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 單片機(jī) 控制系統(tǒng) ABSTRACT Electric Power Steering System (Electric Power Steering) referred to as EPS, is a new power steering syste

4、m,which emerged in recent years. The system is provided directly by the electric power steering machine, eliminating the need for hydraulic power steering system (HPS) necessary for power steering pumps, hoses, hydraulic oil, belt and the pulley mounted on the engine, both to save energy and protect

5、 the environment. Comparing with hydraulic power steering (HPS), the electric power steering (EPS)system of the automobiles is simpler in structure,more flexible,and call fully meet the requirements of steering performances. At the same time can be changed by software, hardware resource utilization

6、high; low speed when turning light, high speed, moved to a stable sense; power steering motor only when the work in the automotive, energy conservation. Electric power steering (EPS) system mainly combines the torque sensor ,velocity sensor, electric control unit,electromagnetic clutch and gear dow

7、n machine etc. Detection by sensors detecting machine operation in the steering wheel torque generated by the magnitude and direction or angle, and the required information into digital signal input control unit, control unit by the operations on these signals to get a post with the driving cycle su

8、itable moment, finally sending instructions drive the electric motor, the motor output torque is assisted through the role of gear. EPS system use PIC16F877 as the control core,adopted sensor signal collection technology and the chip which is a special control chip for no-brush DC motor. Key words

9、：electronic power steering ; single chip micro-computer; control system 目錄 目 錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 3 1.1 引言 3 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3 課題研究的目的、意義 4 1.4 本文所做的主要工作 5 第二章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和原理 5 2.1 EPS的系統(tǒng)介紹 5 2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成 6 2.2.1 扭距傳感器 6 2.2.2車速傳感器 7 2.2.3 電磁離合

10、器 8 2.2.4 電子控制單元（ECU） 8 2.2.4.1 ECU的基本構(gòu)成單元 8 2.2.4.2 電子控制單元的內(nèi)部模塊 10 2.2.4.3 系統(tǒng)自檢和安全 10 2.2.5 減速機(jī)構(gòu) 11 2.3 電動(dòng)助力的工作原理 11 2.3.1 EPS的控制原理 11 2.3.2 EPS的助力特性 12 2.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 12 第三章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制策略分析 13 3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 13 3.1.1 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱輸入軸數(shù)學(xué)模型 13 3.1.2 輸出軸的數(shù)學(xué)模型 13 3.1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型 14 3.1

11、.4 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 15 3.2 EPS控制策略分析 16 3.2.1 助力控制 16 3.2.2 回正控制 16 3.2.3 阻尼控制 17 3.3 直流電動(dòng)機(jī)電流控制算法 17 3.3.1 常規(guī)PID算法 17 3.3.2 模糊自適應(yīng)PID控制 18 3.3.3 控制 19 第四章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 20 4.1 中央處理單元（MCU）的設(shè)計(jì) 20 4.1.1 中央處理單元核心部分設(shè)計(jì) 20 4.1.2 系統(tǒng)控制芯片選型 20 4.1.2.1 單片機(jī)的資源介紹 20 4.1.2.2 單片機(jī)的電源 23 4.1.2.3 單片機(jī)的復(fù)位電路 23

12、 4.2.1 電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)壓控制 24 4.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 25 4.2.3 電機(jī)電流采樣電路 27 4.3 繼電器控制電路 27 4.4 系統(tǒng)硬件抗干擾措 28 第五章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 5.1 主程序設(shè)計(jì) 29 5.2 子程序設(shè)計(jì) 31 5.2.1 ADC程序設(shè)計(jì) 31 5.2.3 PWM程序設(shè)計(jì) 33 第六章 總結(jié) 34 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 36 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第一章 緒論 1.1 引言 隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，

13、都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即使車輛在停車情況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)也能夠輕松自如：而在高速行駛時(shí)又不會(huì)感到方向“發(fā)飄” 在汽車的發(fā)展歷程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡(jiǎn)稱MS）發(fā)展為液壓助力轉(zhuǎn)向系（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱HPS），然后又出現(xiàn)了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱EHPS）和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS）。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是繼液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究

14、熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一，它屬于與傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的另一種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩，通過控制電動(dòng)機(jī)電流的幅值和方向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器電動(dòng)助力的要求，這種系統(tǒng)使汽車在低速時(shí)能減輕操縱力，從而提高操縱的輕便性;而當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)，電子控制系統(tǒng)保證提供最優(yōu)控制傳動(dòng)比和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。因此它可以較好地解決液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)。 1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國外，各大汽車公司對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering - EPS，或稱Elect

15、ric Assisted Steering - EAS)的研究有20多年的歷史。自1953年美國通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，HPS給汽車帶來了巨大的變化，幾十年來的技術(shù)革新使液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展異常迅速，出現(xiàn)了電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱EHPS)。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車上裝備EPST，隨后又應(yīng)用在Alto汽車上；1993年本田汽車公司在愛克NSX跑車上裝備EPS并取得了良好的市場(chǎng)效果；1999年奔馳和西門子公司開始投巨資開發(fā)EPS。上世紀(jì)九十年代初期，日本鈴本、本田，三菱、美國D

16、elphi汽車公司、德國ZF等公司相繼推出了自己的EPS，比如，大發(fā)汽車公司在其Mira車上裝備了EPS，三菱汽車公司則在其Minica車上裝備了EPS；本田汽車公司的Accord車目前已經(jīng)選裝了EPS，S200轎車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也將傾向于選擇EPS；Delphi汽車系統(tǒng)公司已經(jīng)為大眾的Polo、歐寶的318i、以及菲亞特的Punto開發(fā)出EPS。TRW從1998年開始，便投入了大量的人力、物力和財(cái)力用于EPS的開發(fā)。他們最初針對(duì)客車開發(fā)出轉(zhuǎn)向柱助力式EPS，如今小齒輪助力式的EPS開發(fā)也已獲得成功。1999年3月，他們的EPS已經(jīng)裝備在轎車上，如Ford Fiesta和Mazda 323E等

17、。Mercedes-Benz和Siemens Automotive兩大公司共同投資6500萬英鎊用于該技術(shù)的開發(fā)。他們計(jì)劃開發(fā)出前橋負(fù)荷在1200kg的EPS，因此貨車也將可能成為EPS的裝備目標(biāo)。 經(jīng)過20多年的發(fā)展，特別是現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)已日趨完善，己經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展。如本田的Accord，菲亞特的Punto等中型轎車已經(jīng)安裝了EPS，本田甚至在其AcuraNSX賽車上裝備EPS。同時(shí)EPS的助力形式也從低速范圍內(nèi)助力向全速范圍內(nèi)助力發(fā)展，并且其控制形式和功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期的EPS僅僅在低速和停車時(shí)提供

18、助力，高速時(shí)EPS將停止工作。新一代的EPS不僅在低速和停車時(shí)提供助力，還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。美國的Delphi汽車公司最新推出的電子伺服前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，取消了駕駛員和汽車前輪的機(jī)械連接，取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸和齒輪齒條等，而由速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器、電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成。但它仍采用轉(zhuǎn)向盤(必要時(shí)也可改用操縱手柄)，通過電動(dòng)機(jī)向駕駛員提供路面反饋。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以說代表了EPS目前發(fā)展的最高水平。 相比之下，國內(nèi)對(duì)EPS的研究起步較晚。1992年清華大學(xué)的學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行了探索性的研究。其后的幾年，同濟(jì)大學(xué)、吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)和華中科技大學(xué)相繼展開這方面的

19、研究，總體說來我國的EPS研究還處于起步階段。但是在今后的幾年中肯定會(huì)有更多的高校和研究機(jī)構(gòu)參與進(jìn)來。 1.3 課題研究的目的、意義 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分，是完成控制汽車行駛路線和方向的主要裝置，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向可靠性、駕駛員的操縱手感和汽車行駛的安全性。為提高汽車轉(zhuǎn)向性能，目靜普遍采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為此，汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)也向著更高、更新的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、只在轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)才提供助力，可以顯著降低燃油消耗 　 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，不管轉(zhuǎn)向或者不轉(zhuǎn)向都要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)部

20、分動(dòng)力。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只是在轉(zhuǎn)向時(shí)才由電機(jī)提供助力，不轉(zhuǎn)向時(shí)不消耗能量。因此，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以降低車輛的燃油消耗。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)表明：在不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以降低燃油消耗2.5%；在轉(zhuǎn)向時(shí)，可以降低5.5%。 2、轉(zhuǎn)向助力大小可以通過軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性，回正性能好。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的轉(zhuǎn)向助力大小不能隨車速的提高而改變。這樣就使得車輛雖然在低速時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性，但是在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤太輕，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”的現(xiàn)象，駕駛員缺少顯著的“路感”，降低了高速行駛時(shí)的車輛穩(wěn)定性和駕駛員的安全感。 　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以施

21、加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤能夠精確的回到中間位置，而且可以抑制高速回正過程中轉(zhuǎn)向盤的振蕩和超調(diào)，兼顧了車輛高、低速時(shí)的回正性能。 3、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，生產(chǎn)線裝配好，易于維護(hù)保養(yǎng) 　 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓轉(zhuǎn)向油泵、油缸、液壓管路、油罐等部件，而且電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)可以和轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器做成一個(gè)整體，使得整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，在生產(chǎn)線上的裝配性好，節(jié)省裝配時(shí)間，易于維護(hù)保養(yǎng)。 4、通過程序的設(shè)置，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易與不同車型匹配，可以縮短生產(chǎn)和開發(fā)的周期。 5、提高了操縱穩(wěn)定性。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤一角度，然后松開時(shí)，EPS系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回正。同時(shí)

22、還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來很困難。 6、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，布置方便。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對(duì)不同的系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等，不僅節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。相對(duì)于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，EPS沒有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，使得設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的空間利用率極高。 1.4 本文所做的主要工作 通過查閱和分析國內(nèi)外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)

23、資料，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和控制策略進(jìn)行研究和分析。選擇合適的傳感器，然后建立電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)各數(shù)學(xué)模型的分析，選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞胶筒呗?。然后分析了電?dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成，以及軟件方面的編寫。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第二章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和原理 2.1 EPS的系統(tǒng)介紹 EPS系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)不使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，而是依靠汽車上蓄電池

24、作為其電源，也不需要復(fù)雜的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只要控制電動(dòng)機(jī)電流／電壓的幅值和方向，就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成 EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機(jī)提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成【1】。 圖2-1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖 1—轉(zhuǎn)向軸；2—輸入軸：3—ECU；4—電動(dòng)機(jī)；5—電磁離合器；6—轉(zhuǎn)向齒條；7—橫拉軒；8—轉(zhuǎn)向輪；9—輸出軸；10一扭力軒；11—扭矩傳感器；12一轉(zhuǎn)

25、向齒輪 2.2.1 扭距傳感器 扭矩傳感器的功能是測(cè)量駕駛員作用在方向盤上的力矩大小和方向，以及方向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等。其中電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能相對(duì)比較高，應(yīng)用比較多。 扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測(cè)司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對(duì)

26、于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng)，同時(shí)滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上，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)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對(duì)于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。 另外也有采用體積小、精度高的非接觸式扭矩傳感器。非接觸式扭矩傳感器中有一對(duì)磁極環(huán)，其原理是:當(dāng)輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，磁極環(huán)之間的空氣間隙發(fā)

27、生變化，從而引起電磁感應(yīng)系數(shù)變化，其結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。非接觸式扭矩傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，精度高，缺點(diǎn)是成本較高。 圖2-2非接觸式扭距傳感器 2.2.2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)，系統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。通常采用的車速傳感器是一種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，該類傳感器是利用霍爾效應(yīng)做成的，是一種非接觸式的傳感器，它由霍爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成的。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。在EPS的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中、可以通

28、過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的不同頻率的脈沖信號(hào)向ECU提供不同速度的模擬車速信號(hào)。 2.2.3 電磁離合器 電磁離合器的作用是傳遞電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩，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)與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié)合和分離，即當(dāng)?shù)退俎D(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元輸出控制信號(hào)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并輸出控制信號(hào)使離合器吸合，從而將電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩通過離合器傳遞到減速機(jī)構(gòu)上。而當(dāng)車速超過預(yù)置車速時(shí)，電子控制單元輸出控制信號(hào)使離合器斷開，離合器失去勵(lì)磁電流而分離。電磁離合器主要是起到安全保護(hù)的作用，當(dāng)EPS系統(tǒng)發(fā)生故障、助力電機(jī)工作電流過大等情況下，電磁離合器會(huì)及時(shí)切斷，汽車仍可以以傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行工作，從而

29、保障整個(gè)系統(tǒng)和行車的安全。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示： 圖2-3 電磁離合器機(jī)構(gòu)圖 1-主軸 2-主動(dòng)磨擦片 3-從動(dòng)摩擦片 4-從動(dòng)齒輪 5-套筒 6-線圈 7-鐵芯 8-銜鐵 9-滑環(huán) 工作原理：主動(dòng)軸1的花鍵軸端，裝有主動(dòng)摩擦片2，它可以沿軸向自由移動(dòng)，因系花鍵聯(lián)接，將隨主動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。從動(dòng)摩擦片3與主動(dòng)摩擦片交替裝疊，其外緣凸起部分卡在與從動(dòng)齒輪4固定在一起的套筒5內(nèi)，因而從動(dòng)摩擦片可以隨同從動(dòng)齒輪，在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它可以不轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈6通電后，將摩擦片吸向鐵芯7，銜鐵8也被吸住，緊緊壓住各摩擦片。依靠主、從動(dòng)摩擦片之間的摩擦力，使從動(dòng)齒輪隨主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈斷電時(shí)，裝在內(nèi)外摩

30、擦片之間的圈狀彈簧使銜鐵和摩擦片復(fù)原，離合器即失去傳遞力矩的作用。線圈一端通過電刷和滑環(huán)9輸入直流電，另一端可接地。 2.2.4 電子控制單元（ECU） 2.2.4.1 ECU的基本構(gòu)成單元 圖2-4 ECU結(jié)構(gòu)圖 電子控制單元【2】【3】ECU作為關(guān)鍵部件，主要有微處理器、與傳感器輸入信號(hào)相匹配的接口電路、微處理器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)和脈沖寬度調(diào)制器(PWM)、監(jiān)測(cè)微處理器工作的監(jiān)測(cè)電路，無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)組成的放大驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。其基本工作原理如下：轉(zhuǎn)向時(shí)，控制單元根據(jù)檢測(cè)到傳感器的信號(hào)以及電視的電流／電壓信號(hào)，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀

31、態(tài)(轉(zhuǎn)向或回正)，向驅(qū)動(dòng)單元伐出控制指令，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使MOSFET按一定的占空比導(dǎo)通，使電機(jī)按方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向產(chǎn)生所需的助力轉(zhuǎn)矩。協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。電控單元根據(jù)各傳感器輸入的信號(hào)通過查詢控制策略表確定控制參數(shù)，并根據(jù)控制參數(shù)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外電控單元還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，一旦發(fā)現(xiàn)故障，將中斷對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，EPS系統(tǒng)的故障指示燈點(diǎn)亮，并將故障以代碼的形式進(jìn)行存儲(chǔ)記憶。驅(qū)動(dòng)單元主要是由無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路、電流傳感器和控制電動(dòng)機(jī)電路通斷的繼電器組成。電控單元對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流不正常時(shí)將中斷

32、向電動(dòng)機(jī)供電。 ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測(cè)到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過電流探測(cè)電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式。 2.2.

33、4.2 電子控制單元的內(nèi)部模塊 電子控制單元的內(nèi)部模塊【3】如下圖所示： 相位補(bǔ) 償 轉(zhuǎn)向助力控制 計(jì)算目標(biāo)電流 電機(jī)電源控制 摩擦補(bǔ)償 阻尼補(bǔ)償 慣性補(bǔ)償 圖2-5 ECU內(nèi)部模塊 其中:摩擦補(bǔ)償主要改善轉(zhuǎn)向輪回正性的遲緩及路感損失;阻尼補(bǔ)償主要改善轉(zhuǎn)向回正的穩(wěn)定性和獲得良好的阻尼，防止在方向盤的中點(diǎn)處產(chǎn)生振蕩；慣性補(bǔ)償是為消除在正常轉(zhuǎn)向過程中和急轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的任何不規(guī)則的力矩信號(hào)。以上三個(gè)參數(shù)均以電流形式出現(xiàn)，且皆與電機(jī)角速度k有關(guān)，所以存在如下關(guān)式: 摩擦補(bǔ)償增益常量 (2-1)

34、 阻尼補(bǔ)償增益常量 (2-2) 慣性補(bǔ)償增益常量 (2-3) 2.2.4.3 系統(tǒng)自檢和安全 EPS系統(tǒng)的控制元件具有故障自診斷及顯示功能。當(dāng)檢測(cè)出系統(tǒng)存在故障、發(fā)生異響時(shí)，能停止助力，并且顯示出故障代碼。如果同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)故障，則依次顯示各故障代碼。EPS系統(tǒng)的安全功能可以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作，即使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的某些部件出現(xiàn)故障時(shí)也能連續(xù)安全工作。系統(tǒng)能迅速的檢測(cè)出故障，以便采取相應(yīng)的安全措施，即停止助力轉(zhuǎn)矩的控制或限制助力轉(zhuǎn)矩控制。 當(dāng)檢測(cè)出系統(tǒng)的基本部件如轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、車速傳感器等出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)處于嚴(yán)重故障的情況下，系統(tǒng)就

35、會(huì)使電磁離合器斷開，停止轉(zhuǎn)向助力控制，確保系統(tǒng)安全、可靠。 2.2.5 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)是電動(dòng)式EPS不可缺少的部件。常見的減速方式包括齒輪機(jī)構(gòu)減速、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速、球螺旋減速機(jī)構(gòu)、雙排行星齒輪減速等。值得注意的是，為了降低EPS噪聲，可以考慮使用樹脂等非金屬材料做成的減速機(jī)構(gòu)。必須注意，減速比的大小和電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和前橋載荷有關(guān)。在本次EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于是采用轉(zhuǎn)向柱助力方式，為此我們選用蝸輪-蝸桿減速裝置，其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小、成本低。更適合在汽車駕駛室內(nèi)安裝。 渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的示意圖如下： 1—渦輪 2—電磁離合器 3—蝸桿

36、4—電動(dòng)機(jī) 圖2-6 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)示意圖 2.3 電動(dòng)助力的工作原理 2.3.1 EPS的控制原理 汽車在轉(zhuǎn)向過程中，控制單元根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，不轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)不工作；轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器把檢測(cè)到的駕駛員作用在方向盤上的扭矩的大小和方向信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳給電子控制單元，電子控制單元同時(shí)接收車速傳感器傳來的車速信號(hào)，根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器的信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大??；同時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流控制電路把電流傳感器檢測(cè)到的電路實(shí)際電流與助力電流進(jìn)行比較，然后輸出一個(gè)斬波信號(hào)驅(qū)動(dòng)離合器閉合，通過減速機(jī)構(gòu)將助力傳到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。 2.3.2 EPS的助力特

37、性 助力特性【4】是指助力隨汽車運(yùn)動(dòng)狀況和受力狀況(車速和方向盤力矩)變化而變化的規(guī)律。對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，助力與直流電機(jī)電流成比例，故可采用電機(jī)電流與方向盤力矩、車速的變化關(guān)系曲線來表示助力特性【5】。理想的助力特性應(yīng)能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，并提供給駕駛員與手動(dòng)轉(zhuǎn)向盡可能一致的、可控的轉(zhuǎn)向特性。在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的條件下，如果路感強(qiáng)度在整個(gè)助力特性區(qū)域內(nèi)不變，駕駛員就能容易地判定汽車行駛狀況的變化，預(yù)測(cè)出所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。 EPS 的助力特性具有多種曲線形式，圖2-7為三種典型的EPS 助力特性曲線【6】。曲線分為三個(gè)區(qū)域， 0

38、max為助力變化區(qū)， TdTdmax為助力不變區(qū)。 圖六2-7 EPS助力特性形式 上圖中，(a)為直線型助力特性，其特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成線性關(guān)系； (b)為典型折線型助力特性，其特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成分段線性關(guān)系；(c)為典型曲線型助力特性，其特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成非線性關(guān)系。 2.4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 按照轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)位置的不同，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為轉(zhuǎn)向柱助力式、轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式和齒條助力式【7】。 轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在轉(zhuǎn)向柱上。經(jīng)由與萬向節(jié)

39、、中間軸與齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接。齒輪齒條的速比可為常數(shù)或變數(shù)。 小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。 齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器單獨(dú)安裝在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)一起安裝在轉(zhuǎn)向器的齒條處提供助力。 第三章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制策略分析 3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為了研究EPS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環(huán)節(jié)。EP

40、S的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和齒輪條四個(gè)主要部分，根據(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)各部件之間的約束關(guān)系，建立各模型。可得到以下各部分的數(shù)學(xué)模型。 3.1.1 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱輸入軸數(shù)學(xué)模型 輸入軸上端與轉(zhuǎn)向盤連接，下端與扭桿連接。以輸入軸為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)向盤和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤的轉(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【8】： (3-1)

41、 (3-2) 式中：Js——轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位Kgm2；Bs——轉(zhuǎn)向軸的粘性阻尼系數(shù)，單位Nms／rad；s——轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)角，單位rad；Tk——作用在轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩即駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩，單位Nm；Ts——傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩，即扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，單位Nm；Ks——扭桿的剛性系數(shù)，單位Nm／rad。 3.1.2 輸出軸的數(shù)學(xué)模型 輸出軸下端通過萬向節(jié)與小齒輪進(jìn)行剛性連接，中間有減速機(jī)構(gòu)以及助力電機(jī)，上端接有扭桿，以輸出軸為研究對(duì)象，可建立以下動(dòng)力學(xué)方程[8]: (3-3)

42、 (3-4) (3-5) (3-6) 式中：Je——減速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位Kgm2；Be——減速機(jī)構(gòu)的阻尼，單位N．m．s／rad；Tf——作用在輸出軸上的反作用力矩，單位Nm；G——減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；Ta——EPS助力轉(zhuǎn)矩，單位Nm；e——輸出軸的轉(zhuǎn)角；m——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角；Km——電動(dòng)機(jī)輸出軸剛度系數(shù)，單位Nm／rad；Kf——等效到轉(zhuǎn)向軸前輪側(cè)偏剛度，

43、單位Nm／rad。 3.1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型 傳感器是EPS系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，它將駕駛員的手力和反方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳給ECU。本文采用意大利BI公司的扭矩傳感器【9】，它一共有5路輸出。 圖3-1 BI傳感器的扭矩輸出信號(hào)特性 上圖為扭矩輸出信號(hào)特性，圖中橫坐標(biāo)是傳感器兩端檢測(cè)到得相對(duì)轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)給定電壓值得百分比。其采用了冗余的處理方法，為的是能在采集到信號(hào)之后更好的抑制噪聲，并能驗(yàn)證傳感器是否能正常工作、其輸出信號(hào)是否正確。從其輸出的電壓信號(hào)可以推算出此時(shí)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，再乘以扭桿的角剛度就能得到此時(shí)的方向盤扭矩，即

44、 (3-7) 由于扭矩傳感器中并不需要考慮傳感器電路，因此對(duì)于傳感器模型只需要考慮其動(dòng)態(tài)特性，傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是響應(yīng)時(shí)間滯后，本文選擇一階低通濾波來描述這一特性，其中為其截止頻率。 (3-8) 因此，扭矩信號(hào)傳感器模型可以寫成： (3-9) 為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，在后文如沒有特殊說明，均忽略傳感器的動(dòng)態(tài)特性，采用理想傳感器模型。 3.1.4 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 本文采用采用有刷勵(lì)磁式直流

45、電動(dòng)機(jī)，其主要部分結(jié)構(gòu)如圖3-2所示： + SM 負(fù)載 + + 圖3-2 電樞控制直流電動(dòng)機(jī)原理圖 由上圖及電機(jī)原理可以得到以下的方程： 電樞回路電壓平衡方程： (3-10) 電樞反電動(dòng)勢(shì)與電樞轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系： (3-11) 式中：Ra——電樞回路電阻 La——電樞電路電感 Ea——電樞反電動(dòng)勢(shì) Ce——反電動(dòng)勢(shì)系數(shù) m——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度 ia——電樞電流 由于電

46、流穩(wěn)定時(shí)，電感作用很小，此方程則改變?yōu)椋? (3-12) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小與電樞電流和氣隙磁通中有如下規(guī)律： (3-13) 式中： Tm——電磁轉(zhuǎn)矩 ——?dú)庀洞磐? kf——?jiǎng)?lì)磁系數(shù) if——?jiǎng)?lì)磁電流 ka——電樞系數(shù) kfifka用Ka代替，Ka為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，這樣有直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為： (3-14) 電動(dòng)機(jī)

47、的動(dòng)力學(xué)模型： (3-15) Tc—電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 Fm電動(dòng)機(jī)軸上的粘性磨擦系數(shù) Jm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)提供在轉(zhuǎn)向系輸出軸的助力轉(zhuǎn)矩為： (3-16) 3.2 EPS控制策略分析 車輛在不同車速下轉(zhuǎn)向時(shí)，EPS的核心部件ECU能夠通過對(duì)助力電機(jī)電流的控制，提供恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力，既減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)，又不失路感，同時(shí)兼顧車輛低速時(shí)的操縱輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定性。EPS系統(tǒng)控制算法是系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵，根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況要求，系統(tǒng)

48、控制策略主要分為助力控制、阻尼控制和回正控制【10】。 3.2.1 助力控制 助力控制是EPS的基本控制模式。助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的一種基本控制模式。此控制利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和由車速傳感器計(jì)策的車速信號(hào)輸入控制器單片機(jī)中，根據(jù)預(yù)知的不同車速下“轉(zhuǎn)矩-電動(dòng)機(jī)助力目標(biāo)電流表”，確定電動(dòng)機(jī)助力的目標(biāo)電流，以獲得適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩。 3.2.2 回正控制 在方向盤回正時(shí)對(duì)EPS進(jìn)行的控制為回正控制，目的在于改善系統(tǒng)的回正性能。汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí)，由于轉(zhuǎn)向輪主銷

49、后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。轉(zhuǎn)向時(shí)前輪回正力矩使轉(zhuǎn)向輪向恢復(fù)直線行駛的狀態(tài)變化。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者的綜合作用使得回正性能提高。在汽車低速行駛過程中，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)后回到中間位置時(shí)，ECU電控單元使電動(dòng)機(jī)電流迅速減小，使轉(zhuǎn)向車輪快速回正;而在汽車高速行駛過程中，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)后回到中間位置時(shí)，ECU電控單元將使電動(dòng)機(jī)電流逐漸減小，對(duì)轉(zhuǎn)向車輪產(chǎn)生回正阻尼，使汽車具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性。 3.2.3 阻尼控制 阻尼控制可以衰減汽車高速行駛時(shí)出現(xiàn)的方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象，消除轉(zhuǎn)向輪因路面輸入而引起的擺振。是汽車運(yùn)行時(shí)為提高高速直線行駛穩(wěn)

50、定性的一種控制方式。其原理很簡(jiǎn)單，即汽車處于高速行駛時(shí)，使電動(dòng)機(jī)短路，其端電壓變?yōu)榱?，此時(shí)電動(dòng)機(jī)將不提供助力，但由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩。此過程相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼，使駕駛員能夠獲得適當(dāng)?shù)穆犯校恢掠邪l(fā)飄的感覺。其控制有以下的公式： 電動(dòng)機(jī)的理想模型的基本方程見公式(3-10)及公式(3-11)，EPS系統(tǒng)中所用電動(dòng)機(jī)的電樞電感很小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)。若把電動(dòng)機(jī)的兩端短路，則有 (3-17) 因此，用一定占空比的PWM信號(hào)在電動(dòng)機(jī)控制電路內(nèi)部使電動(dòng)機(jī)短路，

51、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)形成阻礙電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩，改變占空比，即改變了阻尼轉(zhuǎn)矩的大小。 3.3 直流電動(dòng)機(jī)電流控制算法 3.3.1 常規(guī)PID算法 PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好。當(dāng)建立起控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，只需設(shè)定其各控制參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的控制。因而PID控制在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。 PID控制的數(shù)學(xué)描述為： (3-18) 因此它的傳遞函數(shù)為： （3-19） 式中： Kp比例環(huán)節(jié)系數(shù) Ti積分環(huán)節(jié)系數(shù) Td微分環(huán)節(jié)

52、系數(shù) PID控制各部分作用是【11】： （1） 比例環(huán)節(jié)實(shí)際上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大。在信號(hào)變換過程中，比例環(huán)節(jié)只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。增大Kp以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2） 積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的型別（無差度），有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號(hào)產(chǎn)生90o系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。 （3） 微分環(huán)節(jié)能反映輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 3.3.2 模糊自適應(yīng)PID控制

53、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整PD參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PD控制器【12】。這種控制器把古典的PDI控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。這種控制必須精確地確定對(duì)象模型，首先將操作人員(專家)長(zhǎng)期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。 由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)

54、指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況(即專家系統(tǒng)的輸入條件)，運(yùn)用模糊推理即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。模糊自適應(yīng)PDI控制目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。 自適應(yīng)模糊PDI控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PD參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3-3。 模糊推理 PID 調(diào)節(jié)器 對(duì)象 圖3-3 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu) 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性

55、、響應(yīng)速度和超調(diào)量等各方面來考慮，kp，ki和kd的作用如下: (1)比例系數(shù)kp用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。kp過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 (2)積分作用系數(shù)ki作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但ki過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (3)微分作用系數(shù)kd用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方

56、向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但kd過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗千擾性能。 PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。 模糊自適應(yīng)整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec,利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。 3.3.3 控制 這是一種以控制系統(tǒng)內(nèi)某些信號(hào)間的傳遞函數(shù)的范數(shù)為優(yōu)化性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，在EPS系統(tǒng)中，控制通常是以方向盤的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩測(cè)量噪聲作為考查量，以提高EPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和助力跟蹤性能為目標(biāo)，由于控制具有較好的魯棒性，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、

57、路面的信噪比、以及駕駛員的路感上都有較好的應(yīng)用前景。 在充分比較各控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式的簡(jiǎn)易程度，采用PID控制的方法。 第四章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 中央處理單元（MCU）的設(shè)計(jì) 4.1.1 中央處理單元核心部分設(shè)計(jì) 中央處理單元主要是由單片機(jī)及其基本外圍電路組成：PIC16F877單片機(jī)、時(shí)鐘電路、單片機(jī)的數(shù)字和模擬供電電源、復(fù)位電路等部分組成。這些是保證單片機(jī)能正確運(yùn)行的最基本組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定著能否為其他外圍模塊的運(yùn)行提供良好的運(yùn)行平臺(tái)。 4.1.2 系統(tǒng)控制芯

58、片選型 EPS的開發(fā)過程中，微控制器的選用是非常關(guān)鍵的，性能優(yōu)良的微控制器一定程度上為EPS取得良好的助力效果奠定了基礎(chǔ)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)電樞電壓的控制。它是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，從控制的角度講，系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求，也即要求系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)輸入及時(shí)響應(yīng)，作出合理的控制處理。 目前已知國內(nèi)開發(fā)的控制器主要采用功能增強(qiáng)型的8位單片機(jī)。這類單片機(jī)一般集成了豐富的外圍硬件資源，如系統(tǒng)必需的PWM通道、A／D采集通道等，而且運(yùn)行速度也較一般的8位單片機(jī)快很多。在電機(jī)控制領(lǐng)域中，已有專用的電機(jī)控制的芯片，其中TI公司推出的TMS320C24x系列是其中最有代表性的產(chǎn)品之一【13】。它專

59、門面向電機(jī)的數(shù)字控制，將DSP(Digital Signal Processor)內(nèi)核和專用于電機(jī)控制的外設(shè)集成在一塊芯片上其性能較好，但是成本相對(duì)較高。本文選擇的是Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)。 PIC16F877單片機(jī)的主頻為6MHz，自帶看門狗定時(shí)器，同時(shí)片上還有很多標(biāo)準(zhǔn)模塊。包括異同步串行通信口SPI和I2C模塊、通用同步/異步收發(fā)器USART、2個(gè)CCP 捕捉/比較/脈寬調(diào)制模塊、10位8通道A／D轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能以及輸入/輸出端口33個(gè)引腳片、內(nèi)擁有8KB的FLASH EEPRPOM、2568的EEPROM。RAM區(qū)的每

60、個(gè)Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。根據(jù)以上介紹可以看到：PIC16F877的功能十分強(qiáng)大。由于其片內(nèi)資源極其豐富，對(duì)于一般的簡(jiǎn)單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量的外圍電路即可。 4.1.2.1 單片機(jī)的資源介紹 PIC16F877單片機(jī)是美國微芯公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。它以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐漸的為廣大的工程設(shè)計(jì)人員采用。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 哈佛總線結(jié)構(gòu) PIC16F877單片機(jī)采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，容許采用不同的字節(jié)寬度。這樣，就為實(shí)現(xiàn)指令提取和執(zhí)行的“流水作業(yè)”提供結(jié)構(gòu)保證，即在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)

61、行取指操作。 兩總線的分離，也為PIC實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化和單周期化創(chuàng)造條件，從而大大提高CPU執(zhí)行指令的速度和工作效率。 （2） RISC技術(shù) PIC16F877單片機(jī)的指令系統(tǒng)，由于采用RISC技術(shù)，和一般單片機(jī)指令系統(tǒng)通常有上百條指令相比要少得多。 （3）功耗低 由于PIC系列單片機(jī)采用CMOS結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低，是目前世界上最低功耗的單片機(jī)品種之一。其有些系列，在4MHz時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過2mA，而在睡眠模式下耗電可低到1μA以下。 因此，PIC系列單片機(jī)，尤其適用于野外移動(dòng)儀表的控制以及戶外免維護(hù)的控制系統(tǒng)。 （4）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) I/0端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能

62、力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)20-25mA的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電藕合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅(qū)動(dòng)，這樣可大大簡(jiǎn)化控制電路。 （5）運(yùn)行速度高 PIC主要是采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)進(jìn)行指令讀取和指令執(zhí)行的流水線作業(yè)方式。如：MCS-51 12M，指令執(zhí)行時(shí)間為1ms～4ms，PIC 12M時(shí)鐘周期，指令執(zhí)行時(shí)間為0.3~0.6ms （6）其系統(tǒng)功能框圖如下圖所示： 圖4-1 PIC16F877單片機(jī)的功能框圖 （7）其外部引腳圖如圖15： 圖4-2 PIC16F877的外部引腳圖 4.1.2.2 單片機(jī)的電源

63、 電源的穩(wěn)定性對(duì)單片機(jī)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源時(shí)采用了H7805芯片，可將汽車12V電源轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需要的電壓，為系統(tǒng)提供5V的高精度穩(wěn)壓電源，保證了系統(tǒng)供電的要求。具體實(shí)現(xiàn)電路見下圖： 圖4-3 單片機(jī)電源電路 4.1.2.3 單片機(jī)的復(fù)位電路 單片機(jī)在運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到外界的干擾，因此必須采取抗干擾措施，否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。為了能使單片機(jī)系統(tǒng)正常的工作，除了單片機(jī)的上電自動(dòng)復(fù)位和軟件保護(hù)復(fù)位，同時(shí)應(yīng)具有手動(dòng)復(fù)位功能。 采用基本的RC復(fù)位電路【14】。PIC16F877系列的復(fù)位引腳為，為低電平有效。當(dāng)按動(dòng)復(fù)位按鈕時(shí)，在單

64、片機(jī)的復(fù)位端產(chǎn)生一個(gè)低電平，使其復(fù)位。其復(fù)位電路如下圖 圖4-4 單片機(jī)的復(fù)位電路 4.2 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。此文中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本文中采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場(chǎng)合。 4.2.1 電動(dòng)機(jī)PWM

65、調(diào)壓控制 近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)的控制方式已成為絕對(duì)主流。PWM控制方式具有以下的優(yōu)點(diǎn)：不需要大功率可控器件，控制原理很簡(jiǎn)單，附加損耗小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，效率高、功耗小、頻帶寬。因此，PWM控制方式是一種很理想的驅(qū)動(dòng)方式。絕大多數(shù)直流的電動(dòng)機(jī)采用的是通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制。在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)的控制就是采用的這種控制方式。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制原理及輸

66、出波形【15】如圖4-5： a) PWM調(diào)速原理圖 b） 輸出波形 圖4-5 PWM調(diào)速原理圖及輸出波形 其工作原理為面積等效原理，具體如下：當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓US，t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞電壓為零。t2秒后，柵極輸入變?yōu)楦唠妷?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。這樣對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖4-5.b所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為： （4-1） 式中：——占空比。=t1T, t1件導(dǎo)通的時(shí)間，T為脈寬調(diào)制PWM的周期。占空比表示了在一個(gè)周期T中，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。的變化范圍為0≤≤1。在電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0于占空比的大小，改變的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到控制電樞電壓的目的。 因此，在PWM控制時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)?？梢酝ㄟ^三種方式來改變占空比。 （1）定寬調(diào)頻法 這種方法是保持t1，只改變t2