《汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)硬件設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)硬件設(shè)計（44頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、內(nèi) 容 摘 要 電動助力轉(zhuǎn)向( Electric Power Steering, 簡稱EPS) 作為一種新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 因其具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點而受到世界各大汽車公司和企業(yè)的青睞, 它將逐步取代傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, 簡稱HPS) 。 本文以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱助力式EPS 為研究對象, 建立EPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,給出了汽車電動助力系統(tǒng)的動力學(xué)方程。根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及控制器可靠設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了以P87C591 單片機(jī)為主控單元的EPS系統(tǒng)，系統(tǒng)采用閉環(huán)電流控制方案, 利用目標(biāo)電流技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓達(dá)到控制電機(jī)電流力矩的目的。

2、EPS 控制器采用模塊化設(shè)計，把信號處理電路和功率驅(qū)動電路進(jìn)行分層設(shè)計,以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。在進(jìn)行PWM 驅(qū)動頻率的選擇時，考慮開關(guān)時電流脈峰對開關(guān)管及電動機(jī)安全的影響。最后通過研究分析了EPS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)硬件電路板空間與發(fā)熱功耗及可靠性合理地選擇散熱片及其參數(shù),提高了驅(qū)動效率和穩(wěn)定運行能力。 實驗表明, 該系統(tǒng)具有良好的電動助力特性, 滿足電動助力轉(zhuǎn)向要求,證明了這種系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的有效性。 關(guān) 鍵 詞 電動助力轉(zhuǎn)向; 單片機(jī); H橋驅(qū)動; PWM斬波; 控制系統(tǒng) Hardware Design of the Electric Power Assisted

3、 Steering System 050607337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professor Abstract Electric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world

4、 company and the enterprise favour , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step. The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of

5、the tradition vergence post power-assistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , te

6、stifying this system on systematic power-assistance. This paper presents an elect ricpower steering system controlled by P87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled. The working principle and key technolo

7、gies for reliable design of EPS controller were analyzed.The signal processing circuit and the power drive circuit were hierarchically designed to improve theanti jamming capability and reliability. The PWM frequency was selected considering the influence of switching currentpulse on the safety of t

8、he transistors and the motor should be taken into account . Besides paralleled for the economy , the heat dissipation and the reliability.It srelevant parameters were selected to improve the drive efficiency and the stableoperation capability. The results of the experiment show thesystem designed

9、has good steering characteristics and meets the request of electric power steering. Key words Electric Power Steering; Microprocessor; The bridge drives H ;PWM chopped wave; Control System 目 錄 第1章 概述1 1.1 EPS系統(tǒng)簡介 1 1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況2 1.3 EPS系統(tǒng)的特點3 第2章 EPS系統(tǒng)模型 7 2.1 EPS系統(tǒng)

10、的結(jié)構(gòu)及原理 7 2.2 建立EPS動力學(xué)模型 8 2.3 EPS的動力學(xué)方程 8 2.4 直流電動機(jī)11 第3章 基于高性能P87C591單片機(jī)控制方案制定12 3.1 單片機(jī)控制方案12 3.1.1 P87C591單片機(jī)芯片簡介12 3.1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)14 3.2 EPS工作流程圖16 3.3 助力電流控制系統(tǒng) 17 3.3.1 控制策略 17 3.3.2 電機(jī)目標(biāo)助力電流算法 17 3.3.3 助力電流閉環(huán)控制 18 第4章 EPS控制系統(tǒng)設(shè)計 21 4.1 EPS 控制器模塊化設(shè)計 21 4.2電機(jī)控制電路設(shè)計22 4.2.

11、1 H橋驅(qū)動芯片IR2110功能簡介22 4.2.2 H 橋功率驅(qū)動電路 24 4.2.3 電機(jī)保護(hù)電路 25 4.3 PWM斬波 26 4.3.1 PWM控制原理 26 4.3.2 PWM斬波電路27 4.3.3驅(qū)動頻率的選擇28 第5章 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢 32 5.1 線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)32 5.2 轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢32 結(jié)束語 33 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）硬件設(shè)計 第1章 概述 1.1 EPS系統(tǒng)簡介 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀(jì)80年代中期提出來的。該技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)

12、用較成熟的當(dāng)屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和DelphiSagiaw（薩吉諾）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而DelphiSagiaw（薩吉諾）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，ElectricPowerSteering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種工作狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

13、符合現(xiàn)代汽車機(jī)電一體化的設(shè)計思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機(jī)械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機(jī)及微電腦控制單元組成。該系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向傳感器檢測到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個信號，與車速傳感器測得的車速信號一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動電機(jī)，通過助力裝置實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值。 1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況 作為汽車的一個重要組成部分, 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成, 如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性, 使汽車具有良好的

14、操縱性能, 始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天, 針對更多不同水平的駕駛?cè)巳? 汽車的操縱設(shè)計顯得尤為重要。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3 個基本發(fā)展階段。 1 純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 由于采用純粹的機(jī)械解決方案, 為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤, 這樣一來, 占用駕駛室的空間很大, 整個機(jī)構(gòu)顯得比較笨拙, 駕駛員負(fù)擔(dān)較重, 特別是重型汽車由于轉(zhuǎn)向阻力較大,單純靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)向, 這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉,

15、目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用。 2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1953 年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 此后該技術(shù)迅速發(fā)展, 使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進(jìn)步。80 年代后期, 又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi), 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( Variable Displacement Power Steering Pump) 和電動液壓助力轉(zhuǎn)向( Electric Hydraulic PowerSteering, 簡稱EHP

16、S) 系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下, 泵的流量會相應(yīng)地減少, 從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵, 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào), 可以即時關(guān)閉, 所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞, 布置更方便, 降低了轉(zhuǎn)向操縱力, 也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力, 目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。 3 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS) EPS 在日本最先獲

17、得實際應(yīng)用, 1988 年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 并裝在其生產(chǎn)的Cervo 車上, 隨后又配備在Alto 上。此后, 電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展, 其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司, 美國的Delphi公司,都研制出了各自的EPS。EPS 的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展, 并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期開發(fā)的EPS 僅低速和停車時提供助力, 高速時EPS 將停止工作。新一代的EPS 則不僅在低速和停車時提供助力, 而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技

18、術(shù)的發(fā)展, EPS 技術(shù)日趨完善, 并且其成本大幅度降低, 為此其應(yīng)用范圍將越來越大。 1.3 EPS系統(tǒng)的特點 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在： ① 降低了燃油消耗。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費了部分能量。相反電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機(jī)

19、提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動機(jī)。而且,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系統(tǒng)。 ② 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)

20、向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。 ③ 改善了轉(zhuǎn)向回正特性。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。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)，實現(xiàn)起來有一定困難。 ④ 提高了操縱穩(wěn)定性。通過對汽車

21、在高速行駛時過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。 ⑤ 提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個車速的可變轉(zhuǎn)向力?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費用很小。 ⑥ 采用"綠色能源"，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的

22、要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用"最干凈"的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題，可以說該系統(tǒng)順應(yīng)了"綠色化"的時代趨勢。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能回收，易對環(huán)境造成污染。 ⑦ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新設(shè)計、試驗、加工等,不但節(jié)省了費用，也為設(shè)計不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們設(shè)計該系統(tǒng)時有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計在一起

23、或單獨設(shè)計，發(fā)動機(jī)部件的空間利用率極高。 ⑧ 生產(chǎn)線裝配性好。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數(shù)目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時間，提高了裝配效率。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 第2章 EPS系統(tǒng)模型 2.1 EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。系統(tǒng)主要由車速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、電動機(jī)電流傳感器、控制器、功率驅(qū)動電路、故障指示

24、燈、離合器和直流電動機(jī)等組成。中央控制器ECU是EPS 系統(tǒng)的核心部件,它是汽車定速巡航系統(tǒng)的一部分，是速度控制系統(tǒng)的中樞，根據(jù)每種車型最平穩(wěn)加速設(shè)計確定。ECU根據(jù)指令車速、實際車速及其它輸入信號，經(jīng)CPU數(shù)據(jù)處理之后輸出信號驅(qū)動伺服控制器控制發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度。 控制器根據(jù)各傳感器輸出的信號決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和最佳助力轉(zhuǎn)矩,向電動機(jī)和離合器發(fā)出控制信號,通過功率驅(qū)動電路控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動,電動機(jī)的輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后,驅(qū)動齒輪齒條機(jī)構(gòu),產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法,可任意改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小,使傳動機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值 。同時,控制器對系統(tǒng)進(jìn)行實時故障診斷,一旦發(fā)生

25、故障,將中斷對電動機(jī)的電壓供給,并點亮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障警示燈,同時將故障類型以代碼的形式存儲 。 圖2-1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 1.車速信號 2.轉(zhuǎn)矩信號 3.電動機(jī)反饋電流信號 4.離合器驅(qū)動信號 5.電動機(jī)驅(qū)動信號 6.ECU 7.轉(zhuǎn)矩傳感器 8.減速機(jī)構(gòu) 9.離合器 10.直流電動機(jī) 2.2 建立EPS動力學(xué)模型 轉(zhuǎn)向柱助力式EPS 的動力學(xué)模型如下圖2-2所示, 圖2-2 EPS動力學(xué)模型示意圖 設(shè)轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量分別為、、、; 轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動機(jī)的阻尼分別為、、、; 轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪

26、及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動機(jī)的轉(zhuǎn)角分別為、、、; 轉(zhuǎn)向盤力矩、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)阻力矩、電動機(jī)作用到轉(zhuǎn)向柱的助力力矩分別為、、。 2.3 EPS的動力學(xué)方程 EPS 中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間通過扭矩傳感器連接, 根據(jù)傳感器的工作原理有: （2-1） 式中, 、 表示扭矩傳感器的扭矩和剛度?？紤]到EPS 中的速度匹配特性, 即電動機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后應(yīng)與轉(zhuǎn)向柱速度快慢一致以及前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向柱工作的協(xié)調(diào)性, 有: （2-2） （2-3） 式中、 分別表示電動機(jī)和轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角、前輪和轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角的傳動比。 汽車在小轉(zhuǎn)角的情況下, 輪胎特性處于線性變

27、化范圍, 前輪受到的阻力矩與前輪轉(zhuǎn)角成正比, 即 （2-4） 根據(jù)以上條件結(jié)合相關(guān)的力學(xué)定律可建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下: （2-5） （2-6） （2-7） （2-8） 圖2-3 電動機(jī)電樞電路示意圖 汽車在轉(zhuǎn)向過程中, 控制單元根據(jù)扭矩傳感器檢測到駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤的力矩信號和車速信號來決定電動機(jī)的助力扭矩的大小和方向, 在電動機(jī)和駕駛員的共同作用下來實施轉(zhuǎn)向。其電動機(jī)采用直流電機(jī), 電樞電路如圖2-3所示,忽略其電感, 則電動機(jī)端電壓U 與電樞電阻R 和電流I 的電壓平衡方程式為: （2-9）

28、 電動機(jī)輸出扭矩和電動機(jī)的電流存在以下關(guān)系: (2-10) 在對電動機(jī)的控制中可以根據(jù)扭矩傳感器檢測到的扭矩信號控制電動機(jī)的電壓, 即 (2-11) 式中, 為控制器。 根據(jù)式(2-1)可以看出, 當(dāng)轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角一定時,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角越小, 則駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤的扭矩越小, 轉(zhuǎn)向越輕便, 達(dá)到了減輕駕駛員操縱力的作用, 因此可以建立以為輸入, 為輸出的EPS 系統(tǒng)助力特性傳遞函數(shù), 系統(tǒng)控制框圖如圖2-4所示, 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下: （2-12） 式中, , , , 為控制器函數(shù)的拉氏變換。 圖2-4 EPS控制框圖 2.4 直流電動機(jī)

29、 直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行單元,在該系統(tǒng)中起著重要的作用。 圖2-5 直流電動機(jī)原理圖 如上圖所示，給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷 A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B流出。 此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)

30、動。這就是直流電動機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實用中的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動。 選擇無刷永磁直流電機(jī)即可滿足設(shè)計要求。 第3章 基于高性能P87C591單片機(jī)控制方案制定 3.1 單片機(jī)控制方案 3.1.1　P87C591單片機(jī)芯片簡介 PHILIPS公司生產(chǎn)的P87C591單片機(jī)有44個引腳，是一個單片8位高性能微控制器，它具有片內(nèi)CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生而來。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集

31、并成功地包含了PHILIPS半導(dǎo)體SJA1000 CAN控制器強(qiáng)大的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式。振蕩器可停止和恢復(fù)而不會丟失數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1：1內(nèi)部時鐘預(yù)分頻器在12MHz外部時鐘速率時實現(xiàn)500ns指令周期。微控制器以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并設(shè)計用于汽車和通用的工業(yè)應(yīng)用。除了80C51的標(biāo)準(zhǔn)特性之外，器件還為這些應(yīng)用提供許多專用的硬件功能。P87C591組合了P87C554(微控制器)和SJA1000(獨立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增強(qiáng)特性： 1. 增強(qiáng)的CAN接收中斷 2. 擴(kuò)展的驗收濾波器 3. 驗收濾波器可"在運行中改變" 通常，電動助力轉(zhuǎn)向系

32、統(tǒng)是一個8位單片機(jī)系統(tǒng)。因此，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用此種型號單片機(jī)作為控制系統(tǒng), 能夠很好的達(dá)到控制要求。 P87C591功能框圖如下所示： 圖3-1 P87C591功能框圖 特性 1. 16K字節(jié)內(nèi)部OTP程序存儲器512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM 2. 3個16位定時/計數(shù)器T0、T1、和T2(捕獲&比較)1個片內(nèi)看門狗定時器T3 3. 帶6路模擬輸入的10位ADC可選擇快速8位ADC 4. 增強(qiáng)性能的6CLK加速指令周期500ns 12MHz 5. 2個8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出(PWM) 6. 具有32個可編程I/O口(準(zhǔn)雙向推挽高阻和開漏) 7. 帶硬件總線接口 8.

33、全雙工增強(qiáng)型UART帶有可編程波特率發(fā)生器 9. 雙DPTR 10. 可禁止ALE實現(xiàn)降低EMI 11. 低電平復(fù)位信號 12. 增強(qiáng)型PeliCAN內(nèi)核 13. 增強(qiáng)的溫度范圍-40—+85攝氏度 14. 提供PLCC44、QFP44封裝 3.1.2　單片機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)采樣的模擬量包括蓄電池電壓、方向盤的主、副扭矩傳感器信號、電機(jī)電流、電機(jī)端電壓等參數(shù)。車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等非電量信號經(jīng)過頻率輸人電路處理后, 其輸出脈沖信號分別送到定時器0和定時器1的兩個外部計數(shù)端口T0和T1, 通過定時器T2讀取采樣到的脈沖可以分別得到車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速;單片機(jī)的PWM0口用來產(chǎn)生20K的方

34、波頻率信號, PWM1口作為助力電流指令的D/A輸出,PWM0、 PWM1與電機(jī)反饋電流一起作為PWM電路的輸人信號, 形成FET-H橋基極驅(qū)動的PWM斬波。 除此之外，系統(tǒng)還有保證轉(zhuǎn)向可靠性的轉(zhuǎn)向鎖定電路、電機(jī)端電壓獲取電路、電機(jī)故障檢測電路、溫度檢測電路、EPS故障燈驅(qū)動電路、電源變換電路。FET-H橋驅(qū)動、離合器驅(qū)動、繼電器驅(qū)動電路等。 EPS硬件控制電路框圖如下圖3-2所示。 圖3-2 EPS硬件控制方框圖 當(dāng)汽車點火開關(guān)閉合時, 微控制器即進(jìn)行自檢,自檢通過后, 閉合繼電器和離合器, EPS系統(tǒng)便開始工作。其基本助力過程為駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)

35、向,扭矩傳感器檢測到方向盤的力矩和轉(zhuǎn)動方向, 車速傳感器檢測到車速信號, 這些信號分別經(jīng)過扭矩傳感器輸人電路和頻率輸人電路處理后送至P87C591相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)動方向和車速等數(shù)據(jù), 并依據(jù)系統(tǒng)助力特性,確定電流的大小和方向, 通過PWM1口發(fā)出電流指令和不停地對溫度、扭矩、電機(jī)、離合器進(jìn)行檢測, 如發(fā)現(xiàn)異常, 單片機(jī)將通過EPS驅(qū)動電路驅(qū)動EPS燈亮進(jìn)行報警提示, 同時斷開繼電器、離合器退出電動助力工作模式, 轉(zhuǎn)為人工手動助力模式。 3.2 EPS工作流程圖 扭矩電壓=2.5V 車速45Km/h 無故障 N N Y 開始 采集扭矩信號 采

36、集車速信號 閉合離合器 采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號 采集發(fā)電機(jī)電壓信號 處理輸入輸出信號誤差計算PWM的占空比 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出控制 PID控制 故障類型輸出顯示 結(jié)束 N Y Y 圖3-3 EPS工作流程圖 3.3 助力電流控制系統(tǒng) 3.3.1 控制策略 EPS控制系統(tǒng)助力輸出電流（力矩）T。由電機(jī)目標(biāo)助力電流控制算法和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制兩部分組成。前者根據(jù)駕駛員對方向盤施加的扭矩和車速確定電機(jī)助力的目標(biāo)電流；后者根據(jù)電機(jī)目標(biāo)電流和電機(jī)反饋電流對電機(jī)實際輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制。圖3-4所示為助力電流控制策略原理框圖。 方向盤扭矩 車速 助力電流 控制算法

37、 電機(jī)輸出電流控制 電動機(jī) 圖3-4 助力電流控制策略圖 3.3.2 電機(jī)目標(biāo)助力電流算法 控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員施加在方向盤上的力矩和當(dāng)時的車速, 按照預(yù)制助力特性確定電機(jī)目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向,由于直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比, 故可用通過電樞的電流來代替電動機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運算分析,其助力算法為: （3-1） 其中, 為計算機(jī)給定的目標(biāo)助力電流(轉(zhuǎn)矩) ,為扭矩傳感器檢測到的方向盤力矩信號, 為車速信號, 為助力比,即電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和方向盤輸出力矩的比值,它是車速信號的函數(shù)。 圖3-5 電機(jī)電流助力特性 從上圖可以看出, EPS 系統(tǒng)的助力特性是一個非線

38、性函數(shù)。本系統(tǒng)制定的助力特性曲線示意圖，橫坐標(biāo)為方向盤扭矩傳感器電壓信號, 反映了方向盤扭矩的大小和方向, 縱坐標(biāo)為電機(jī)目標(biāo)助力電流。當(dāng)駕駛員施加在方向盤上力矩在死區(qū)(-1--+1)范圍內(nèi), 即方向盤位于中間位置附近時, 電機(jī)助力電流為0，基本不起助力作用, 以防止轉(zhuǎn)向過度靈敏;當(dāng)方向盤力矩越過死區(qū), 電機(jī)根據(jù)方向盤偏離方向線性的施加助力轉(zhuǎn)矩，助力部分發(fā)揮助力作用效果比較明顯。車速越高, 助力電流與方向盤力矩之間的增益越小, 以保證該系統(tǒng)在低車速時發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向作用, 在高車速時明顯減小助力轉(zhuǎn)向效果, 從而使駕駛員在轉(zhuǎn)向時獲得較好的路感。為使方向盤操作平滑及左右轉(zhuǎn)向時手感一致, 助力特性曲

39、線保證了左右輸人力矩與輸出電流（力矩）的對稱性。 3.3.3 助力電流閉環(huán)控制 系統(tǒng)采用無刷永磁直流電機(jī), 端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動勢常數(shù)、轉(zhuǎn)速、電流I和時間t的動態(tài)關(guān)系如下： （3-2） 當(dāng)電機(jī)電流穩(wěn)定時, 可以簡化為： （3-3） 由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流I成正比, 由式（3-3）可知, 電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制有電流控制和電壓控制兩種。電壓控制為開環(huán)控制, 控制精度不高, 故系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制方式, 使得電機(jī)目標(biāo)電流和實際工作電流之間的誤差能夠減少為零或足夠的小, 而電流控制又可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓實現(xiàn), 利用PWM控制技術(shù)把加在FET-H橋上的14V直流

40、電壓變成電壓脈沖列, 并通過控制電壓脈沖寬度來調(diào)整電機(jī)端電壓值的大小, 從而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出電流轉(zhuǎn)矩的大小。其原理如圖3-6所示。圖中ZR為正轉(zhuǎn)信號, FR為反轉(zhuǎn)信號 ,SSD為轉(zhuǎn)向鎖定信號, PWM為斬波脈沖信號。 圖3-6 電流閉環(huán)控制原理圖 由于EPS直流電動機(jī)需要正反轉(zhuǎn)控制, 其控制電路采用如上圖所示的FET-H橋式電路, 其極驅(qū)動電路采用分立元件搭建而成。功率管FET(a)與FET(d)受基極驅(qū)動電路控制同時導(dǎo)通與關(guān)斷, 電流經(jīng)14V電源、FET(a)電機(jī)、FET(d)、地構(gòu)成正轉(zhuǎn)回路。反之, 電流經(jīng)14V電源、經(jīng)FET(b)、電機(jī)、FET(c)、地構(gòu)成反轉(zhuǎn)回路。計算機(jī)發(fā)出的20

41、K頻率信號PWM0經(jīng)過三角波電路形成20K的三角波輸人至比較器的反相端計算機(jī)發(fā)出的目標(biāo)助力電流指令PWM1與反饋電流進(jìn)行模擬PID調(diào)節(jié)后作為比較器的同相端輸人, 比較器對兩個輸人進(jìn)行比較后就形成FET-H橋基極驅(qū)動的PWM斬波信號。PWM1值(即目標(biāo)助力電流)越大,經(jīng)過比較器比較后得到PWM斬波信號的占空比也就越大, 從而電機(jī)電流(力矩)就大, 反之電機(jī)電流(力矩)就小。 P87C591單片機(jī)PWM0口發(fā)出20K頻率方波信號, 經(jīng)過三角波電路處理后形成20K的三角波信號輸入至比較器的反相端; 把P87C591單片機(jī)PWM1口配置成一個DAC,發(fā)出由助力特性得出的目標(biāo)助力電流指令,D/A 轉(zhuǎn)換

42、為電壓模擬量后與反饋電壓模擬量進(jìn)行模擬PID調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的結(jié)果輸入至比較器的同相端, 比較器對兩個輸入進(jìn)行比較后就形成了相應(yīng)大小占空比的PWM斬波脈沖信號。本系統(tǒng)PWM1發(fā)出給定助力電流指令信號范圍為0～5V,對應(yīng)PWM斬波脈沖信號占空比為0～100%,即加在電機(jī)電壓U 范圍為0～14V,電機(jī)實際輸出電流控制范圍為0～25A,對應(yīng)的反饋電壓信號范圍為0～5V。當(dāng)電機(jī)實際輸出電流與給定電流相等時,反饋信號與給定指令信號相等,PWM占空比維持不變, 否則有如下的調(diào)節(jié)過程: 當(dāng)實際輸出電流小于給定電流時: 減小——減小——增大——PWM增大——U增大——增大 當(dāng)實際輸出電流大于給定電流時: 增

43、大——增大——減小——PWM減小——U減小——減小 第四章 EPS控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 EPS 控制器模塊化設(shè)計 由于EPS系統(tǒng)助力電動機(jī)的工作電流非常大,最大可達(dá)30A ,在控制器的開發(fā)中,為增強(qiáng)硬件系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)的可靠性,將硬件系統(tǒng)進(jìn)行了分層設(shè)計。將信號處理電路設(shè)計成一塊電路板,而將功率較大、發(fā)熱量大的助力電動機(jī)驅(qū)動模塊及電磁離合器驅(qū)動電路設(shè)計成配帶散熱片的驅(qū)動電路板,兩電路板之間的電動機(jī)控制信號、電磁離合器控制信號通過光耦隔離和排線聯(lián)接。控制器的模塊化結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 控制器是EPS系統(tǒng)的核心部件，主要由微處理器、傳感器信號調(diào)理接口電路、脈寬調(diào)制器、看門狗電路、電

44、動機(jī)功率驅(qū)動模塊等組成。 電動機(jī)功率驅(qū)動模塊為由功率MOS管組成的H橋驅(qū)動電路,為了提高電動機(jī)控制效果,減小電動機(jī)振蕩,H橋驅(qū)動電路采用雙極性驅(qū)動方式?？刂破鞲鶕?jù)輸入的轉(zhuǎn)向工況,可通過控制H橋電路產(chǎn)生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉(zhuǎn)向盤的操縱性能。 轉(zhuǎn)矩傳感器 車速傳感器 電流傳感器 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 輸入信號處理電路 微處理器 驅(qū)動及保護(hù)電路 直流電動機(jī) 離合器 EPS指示燈 ECU 供電模 塊 故障診 斷模塊 圖4-1 EPS控制器模塊化結(jié)構(gòu)圖 4.2 電機(jī)控制電路設(shè)計 4.2.1 H橋驅(qū)動芯片IR2110功能簡介 美國IR公司生產(chǎn)的IR21

45、10驅(qū)動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。 1.驅(qū)動芯片IR2110功能簡介 在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。 2.IR2110引腳功能及特點簡介 內(nèi)部功能如下圖4-2所示: 圖4-2 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖 LO（引腳1）:低端輸出 COM（引腳2）:公共端 Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 Nc（引腳4）: 空端 Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳6):高端浮置電源電壓 HO（引腳7）:高端輸出

46、 Nc（引腳8）: 空端 VDD（引腳9）:邏輯電源電壓 HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入 SD（引腳11）:關(guān)斷 LIN（引腳12）:邏輯低端輸入 Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V Nc（引腳14）:空端 3.IR2110的特點： （1）具有獨立的低端和高端輸入通道。 （2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。 （3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。 （4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS

47、電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。 （5）工作頻率高，可達(dá)500KHz。 （6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。 （7）圖騰柱輸出峰值電流2A。 4.IR2110的工作原理 IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。 電動機(jī)功率驅(qū)動模塊為由功率MOS 管組成的H橋驅(qū)動電路,為了提高電動機(jī)控制效果,減小電動機(jī)振蕩,H橋驅(qū)動電路采用雙極性驅(qū)動方式?？刂破鞲鶕?jù)輸入的轉(zhuǎn)向工況,可

48、通過控制H橋電路產(chǎn)生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉(zhuǎn)向盤的操縱性能。 4.2.2 H 橋功率驅(qū)動電路 直流電動機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行單元,對電機(jī)的控制在該系統(tǒng)中有著特殊的地位。在所設(shè)計的EPS 系統(tǒng)中采用了雙極性的H 橋功率驅(qū)動電路實施對直流電動機(jī)的控制。EPS系統(tǒng)雙極性H橋功率驅(qū)動電路圖,如圖4-3所示。 圖4-3 EPS系統(tǒng)雙極性H橋功率驅(qū)動電路圖 Us T U/V 12 T t t U/V 12 Q1(Q4)門極激勵電壓 Q2(Q3)門極激勵電壓 圖4-4 H橋雙極性驅(qū)動控制信號波形 系統(tǒng)中利用2片IR2110構(gòu)成功率MOSFET

49、(Q1～Q4)的基極驅(qū)動電路。IR2110的腳1和7腳的電平跟隨腳10和腳12的電平(高低電平狀態(tài)的跟隨,不是電壓值相同意義上的跟隨,兩者的高電平分別是12V和5V) 。當(dāng)來自87C591脈沖調(diào)制輸出口PWM0的脈沖信號經(jīng)7407后加在U1的10腳和U2的12 腳,同時這一脈沖信號經(jīng)由7406獲得的電平相反的信號加在U1的12腳和U2的10腳,經(jīng)IR2110后, 就實現(xiàn)了在Q1、Q4門極加上和Q2、Q3門極相反電平的目的,也即如圖4-4所示的控制信號。假定PWM0口的輸出波形如圖4-4所示,電壓脈沖信號的周期為T,則脈寬調(diào)制信號的占空比α為下式?jīng)Q定的值,α= ,設(shè)脈沖高電平為Us,則加在電樞線

50、圈上的平均電壓Ua=(2α- 1)Us。這樣通過調(diào)整PWM0輸出脈沖的占空比,就可以實現(xiàn)對直流電動機(jī)的電樞電壓的控制,從而對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)α在值域(0 ,0.5) 與(0.5 ,1) 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向相反。 4.2.3 電機(jī)保護(hù)電路 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電動機(jī)受工作環(huán)境的影響,需要頻繁的起制動,這將在電機(jī)電樞繞阻上產(chǎn)生比較大的電流沖擊,倘使不能夠很好的加以保護(hù),則電動機(jī)很容易被破壞掉。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對以往的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更加注重安全性,安全性考慮的周全與否直接決定著系統(tǒng)是否能夠真正投入使用。為此,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別從軟件和硬件兩個方面進(jìn)行了考慮、處理。這樣只要軟、硬件不是同時遭

51、到損壞,系統(tǒng)就能夠?qū)﹄妱訖C(jī)可能的故障進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?。電動機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計思路,如圖4-5 所示。電流傳感器的采樣輸出在0～5V上變化,2.5V是實際的電流零值情形,而電機(jī)保護(hù)電路所關(guān)心的只是電流的大小,不關(guān)心其方向性,故如圖4-5所示進(jìn)行了減法處理、絕對值求取和與設(shè)定值比較等處理過程,最終將信號傳遞給保護(hù)輸入端。 保護(hù)輸入端 GDN 電樞繞組引線 電流傳感器 差動電路 絕對值電路 比較器 圖4-5 電機(jī)保護(hù)電路 4.3 PWM斬波 4.3.1 PWM控制原理 理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這

52、里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖4-6 a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，圖a為矩形脈沖，圖b為三角形脈沖，圖c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳Dd的單位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過度函數(shù)。 圖4-6 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈

53、沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 圖4-7 PWM控制的基本原理示意圖 4.3.2 PWM斬波電路 PWM斬波電路采用集成脈寬調(diào)制器SG3525實現(xiàn)斬波電流信號的生成。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)的單片機(jī)成脈寬調(diào)制控制器。由于它簡單可靠、使用

54、方便靈活、大大減輕了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試工作。SG3525工作時的斬波頻率值和死區(qū)大小由接于5、6、7引腳上的、和共同決定，即： 圖4-8 PWM斬波電路 芯片通電后，4引腳將輸出頻率為的載波，經(jīng)過內(nèi)部的誤差放大器、比較器及PWM鎖存電路，SG3525的11端和14端將輸出2路互補(bǔ)的單極性PWM信號PWM0和PWM1。 4.3.3 PWM驅(qū)動電路頻率的選擇 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩及車速情況來不斷調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的電樞電流和正反向轉(zhuǎn)動,以提供適當(dāng)?shù)闹?因此必須用功率驅(qū)動電路,目前廣泛應(yīng)用開關(guān)型功率驅(qū)動電路,其中最常用的是PWM 驅(qū)動電路,通過改變占空比的方法來改變電

55、動機(jī)的端電壓。脈寬調(diào)制的頻率對EPS 系統(tǒng)具有重要的影響。 PWM 頻率的選取主要考慮其與機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系、對電樞電流紋波的影響及噪聲對人的影響;同時要考慮開關(guān)時電流脈峰對開關(guān)管及電動機(jī)安全的影響。 機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率一般低于100 Hz ,應(yīng)該使PWM 周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械系統(tǒng)的固有時間常數(shù),可選擇PWM 頻率為2～20KHz ,這在大多數(shù)情況下不會影響機(jī)械系統(tǒng)的正常工作。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中存在電感,當(dāng)電動機(jī)時間常數(shù) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PWM 周期時,電動機(jī)電樞電流平滑且電流連續(xù),相當(dāng)于低通濾波器的作用,濾除了輸入電壓在開關(guān)管開通與關(guān)斷過程中引起的紋波;但當(dāng) 相對于PWM 周期比較小時,電樞

56、電流因開關(guān)開通與關(guān)斷引起的紋波就比較明顯,引起電動機(jī)轉(zhuǎn)動中的振蕩,降低駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的手感,如下圖4-9所示。 圖4-9 與關(guān)系對電動機(jī)電樞電流的影響 （a） （b）<< 而且,隨著PWM 頻率的提高,振動噪聲對人的影響越來越小,當(dāng)調(diào)制頻率超過15KHz 時,對人的噪聲影響消失。但是,PWM 頻率的提高也引起了開關(guān)管的發(fā)熱增加、電磁干擾增強(qiáng)、對電磁兼容性的要求提高等不利影響。同時,由于開關(guān)管的開通和關(guān)斷延時,在開通和關(guān)斷的過程中產(chǎn)生損耗,開關(guān)管的迅速開通和迅速關(guān)斷是必要的。但是,開關(guān)管的迅速開通和迅速關(guān)斷會引起過大,產(chǎn)生很大的尖峰,嚴(yán)重時可導(dǎo)致電動機(jī)和開關(guān)管的損壞。對此,

57、可在電動機(jī)兩端并聯(lián)限流電阻和緩沖電容,必要時反并聯(lián)續(xù)流二極管,如圖4-10所示。由圖4-10 b 可以看出,當(dāng)采用緩沖電路時,電動機(jī)驅(qū)動電路的脈峰得到了大幅度抑制,降低了系統(tǒng)損耗,提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。 （a） （b） 圖4-10 PWM驅(qū)動電路 （a）電動機(jī)驅(qū)動及緩沖電路 （b）緩沖電路的脈峰抑制作用 功率場效應(yīng)管( Power MOSFETs) 具有極快的開關(guān)速度,可達(dá)100 kHz 以上,在設(shè)計的EPS 控制器中采用功率場效應(yīng)管作為開關(guān)管。設(shè)計中采用汽車電子專用的MOS 開關(guān)管;并綜合考慮PWM 頻率對各方面的影響,選用脈寬調(diào)制頻率為20 kHz 可

58、滿足要求。 第5章 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢 5.1 線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 技術(shù)日趨完善。今后, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將進(jìn)一步成熟, 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將成為我們研究的努力方向。 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與上述各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接。該系統(tǒng)具有2 個電機(jī):路感電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)。路感電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向柱上, 控制器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向工況控制路感電機(jī)產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)矩, 向駕駛員提供模擬路面信息。驅(qū)動電機(jī)安

59、裝在齒條上, 汽車的轉(zhuǎn)向阻力完全由驅(qū)動電機(jī)來克服, 轉(zhuǎn)向盤只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個轉(zhuǎn)角信號輸入裝置。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提高汽車被動安全性, 有利于汽車設(shè)計制造, 并能大大提高汽車的乘坐舒適性。但是由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間無機(jī)械連接, 生成讓駕駛員能夠感知汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”比較困難; 且電子器件的可靠性難以保證。所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前處于研究階段, 只配備在一些概念汽車上。 5.2 轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢 具體來說, 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要從以下幾個方面進(jìn)一步發(fā)展: ( 1) 傳感器技術(shù) 性能完善的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號、電機(jī)電壓信號、電機(jī)電流信

60、號等。目前, 傳感器的成本是制約電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速市場化的主要因素, 因此, 設(shè)計和開發(fā)適合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的性價比較高的傳感器是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 ( 2) 控制策略的研究 控制策略是影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一, 也是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前, 國內(nèi)外許多學(xué)者都在探討將先進(jìn)的控制理論應(yīng)用于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究, 如魯棒控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論和自適應(yīng)控制理論等。今后, 控制策略研究的重點主要集中在如何抑制電機(jī)的力矩波動、如何獲得較好的路感、如何抑制路面干擾和傳感器的噪聲等方面, 以進(jìn)一步優(yōu)化和改善助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。 ( 3) 助力

61、電機(jī)的研究 助力電機(jī)是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件,助力電機(jī)的特性直接影響到控制的難易程度和駕駛員的手感。目前, 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用成本較低的直流有刷電機(jī)。由于直流無刷電機(jī)采用電子換向, 減少了換向時的火花, 不需要經(jīng)常維護(hù)以及具有較高的效率和功率密度等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注。因此, 開發(fā)適合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的低成本的直流無刷電機(jī)是今后助力電機(jī)的研究方向。 結(jié)束語 純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉, 目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用;液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力, 在重型車輛上廣泛應(yīng)用; EPS 以其特有的優(yōu)

62、越性而得到青睞, 它代表著未來動力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向, EPS 將作為標(biāo)準(zhǔn)配置裝備到汽車上, 未來一段時間在動力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位; 而HBW 由于有利于提高汽車被動安全性、有利于汽車設(shè)計制造、有利于提高汽車乘坐舒適性和汽車操控穩(wěn)定性等原因, 將成為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。 ※※※※※ 致謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)論文設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)論文，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞，是所有指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)對我的教誨、幫助和鼓勵的結(jié)果。我要在這里對他們表示深深的謝意！ 在論文寫作過程中，得到了何琳琳老師的親切關(guān)懷和耐心的指導(dǎo)。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，何老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。除了敬佩何琳琳老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向何老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了