机械毕业设计（论文）-小车电子助力转向系统设计【全套图纸】 .doc

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文 小车电子助力转向系统设计design of the car electric power steering system 学生姓名：学 号：200841930214年级专业及班级：2008级汽车服务工程（2）班指导老师及职称： 实验师学 部：理工学部湖南长沙提交日期：2012年 5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。全套图纸，加153893706毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘要 1关键词 11 前言 2 1.1 eps 系统的结构和工作原理 2 1.2 国内外研究现状 3 1.3 本文的研究内容 52 电子助力转向系统的关键技术 5 2.1 电机驱动 5 2.2 传感器 6 2.3 助力特性 6 2.4 控制方法 7 2.5 故障诊断和系统稳定性 7 2.6 整车性能匹配 83 电子助力转向系统动力学方程 8 3.1 机械部分建模 9 3.2 电控部分建模 14 3.2.1 阻尼控制 14 3.2.2 回正控制 143.2.3 eps系统控制建模 154 ecu电路结构功能和控制策略15 4.1 ecu工作原理 15 4.2 硬件电路的设计 16 4.2.1 电源电路 17 4.2.2 ecu控制电路 19 4.2.3 电机驱动电路 21 4.3 电压反馈电路 23 4.4 故障检测及报警电路 24 4.5 控制策略与软件设计 25 4.5.1 模糊控制 26 4.5.2 软件设计 295 eps功能试验方法分析及要求 326 总结与展望 33 6.1 总结 33 6.2 展望 33参考文献 34致谢 35 电子助力转向系统设计学 生：指导老师：（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要：电子助力转向系统eps(electric powerassisted steering)是近几年迅速发展的一项汽车性能提升的新技术。电子助力转向系统由于采用了电子式控制的方式，因此响应速度快，可以按照行驶需要随时迅速的改变助力方式，使车辆在行驶过程中能获得最佳的向特性。本文从具体的项目实际出发，分析了目前应用较广泛的柱式电子助力转向系统的结构和工作原理，通过对eps系统的动力学建模，确定了助力电机的助力特性，并通过计算机仿真，验证控制方法和控制策略对系统特性的作用。控制单元通过实时采集车速信号和扭矩传感器信号，经过控制算法分析确定并输出目标电流，通过h桥电路控制助力电机的转速和转矩，从而实现助力转向功能。 关键词：电子助力转向系统，传感器，模糊控制。design of the electric power steering systemstudent tutor:(orient science and technology college , hunan agricultural university, changsha 410128) abstract:electric power steering system(electric power-assisted steering)is a new technology to enhance vehicle performance which is in a rapid development in recent years .with the traditional and hydraulic power steering wheel torque signal and vehicle speed signal,the electronic controller connected to the power generated by the motor shaft direction and the size of the corresponding auxiliary power to help turn the servo driver safety system easily.electronic power steering system.control the use of electronic means,so fast response can follow rapidly changing travel need help at any way,so that the vehicle in motion the process to get the best steering characteristics.this specific project from the reality of the current application of the broader electric power steering column structure and working principle of the system,through the eps system dynamics modeling to determine the power characteristics of the motor power,and through computer simulation,control method and control strategy validation of the role of system characteristics.through the real-time signal acquisition the speed and torque sensor signal and through the control algorithm and use which to determine the current output through the h bridge circuit and control the power of the motor speed and torque,control unit achieves power steering functionkey words:electric powerassisted steering,sensor,fuzzy control.1 前言电子助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。目前汽车电子助力转向技术在国外已趋完善，几家国际著名的大型汽车公司如：梅赛德斯一奔驰公司、德尔福公司、铃木公司、trw公司以及采埃孚(zf)公司都在此方面做了大量的研究并己推出了商品，安装在微型汽车和轿车上使用。根据助力电机在汽车转向系统中提供助力的位置的不同，可将eps分为柱式电动转向系统、小齿轮式电动转向系统、齿条式电动转向系统，其中齿条式转向系统又可以分为直齿条式电动转向和差齿条式电动转向。1.1 eps系统的结构和工作原理 电子助力转向系统是一种全电动，与发动机无关的动力转向系统。一个典型的eps系统由四个基本部分组成，即：扭矩传感器(角度传感器)、助力转向电控单元(ecu)、带动方向柱的助力电机(含电磁离合器)以及机械转向装置。图1是典型的电子助力转向系统的结构图。图1 eps系统结构图fig.1 eps system structure diagram 电子助力转向系统在传统转向机构的基础上增加了传感检测装置、助力动力机构和主控单元。eps的转向轴由通过扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输入轴经齿轮减速机构与助力电动机相连，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向。在汽车驾驶过程中，操作转向盘给输入轴输入一个角位移，相对角位移造成扭杆的形变。扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转换为电压信号输入到ecu，同时，ecu检测车速信号并综合数据分析是否需要助力预计助力的大小和方向。判断需要助力的情况下，依照设定的助力控制算法计算助力力矩的大小，输出相应的驱动电流给电机。电动机输出转矩通过涡轮蜗杆减速机构，放大扭矩再施加给转向轴，从而实现助力转向。若不需要助力，助力系统关闭，转为手动转向。1.2 国内外研究现状 二十世纪五十年代，美国trw等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方向盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，德国的kasselmann等也设计了与此类似的主动转向系统，即电子转向系统(steering-by-wire system)。但由于当时电子技术和计算机计算能力的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现，对它的研究也没有得到深入。奔驰公司在进行后桥电子转向和多桥汽车的第三桥电子转向系统研究之后，于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研究，并将其开发的电子转向系统安装于f400carving的概念车上。随后世界各大汽车厂家、研发机构如欧美的daimlerchrysler、宝马、zf、delphi，以及日本的光洋精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等都对汽车电子转向系统做了深入研究2。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车公司已在其概念车上安装了该系统。在2001年的第71届日内瓦国际汽车展览会上同本koyo技术研究所开发的电子转向系统采用一个主控制器、一个力矩电机、一个转向电机的方案，同时以机械系统作为故障应急设备，以确保电子部件出现故障后，汽车的基本转向功能得以实现。 日本光洋精工株式会社是世界上最早对电子助力转向系统进行研究和开发的厂家，目前生产的转向系统在世界上的市场占有率为世界第一。2005年1月与海沧台商投资区合资建立的光洋转向系统有限公司是第一家在中国生产汽车电子助力转向系统的公司，2007年已投产。日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人一车闭环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，这样就可以充分利用电子转向系统的特点，最大限度的降低驾驶员的负担。 美国的德尔福公司继成功推出了eps系统后，又开发出了自己的前轮和四轮电子转向系统，并应用于加州的自动高速公路系统ahs(automated highway system)中。97年德尔福公司与意大利菲亚特公司签订了应用于小型车的电子转向系统研制合同，到2000年上半年德尔福公司己经与欧美等地的汽车生产厂家签订了关于开发电子转向系统的合同。 在欧洲，以daimler chrysler、fiat、ford europe和volvo等汽车公司、bosch等电子公司和chalmers、vienna等大学联合发起了“briteeuramxbywire计划”进行电子转向系统的实现以及安全性和可靠性方面的研。daimler chrysler己经开发出电子驱动概念车，“r129”。它取消了方向盘、加速踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制，实现了driyeby-wire技术。此项技术被列为2000年汽车十大新技术之一。zf公司在98年开发出电子助力转向系统(eps)之后也积极进行了电子转向系统的开发研究。宝马汽车公司在巴黎车展上参展的概念车一b222，应用了steer-bywire(全助力转向方式)和brakebywire技术。整个概念车的开发计划始于1995年，根据公司的规划，计划在2005年时正式付诸批量生产。虽然在222上驾驶员仍然使用方向盘与制动踏板来操作车辆，但是没有了如转向柱、脚踏板连杆等机械结构，可以减少在车辆发生撞击时机械部件对驾驶员的伤害。该车仍然保留了传统的方向盘作为人车接口，但方向盘的转动范围减少到了160度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低，而且操纵机构可以布置得更为合理，提高了乘坐舒适性，并扩大了座椅位置的调整范围。第59届法兰克福汽车展的雪铁龙越野概念车“ccrosser”，也采用了电子转向系统3。 综合起来看，目前电子助力转向系统可以分为四类： （1）液压电动转向系统ehps(electrohydraulic power steering) （2）电动转向助力系统eps(electrical power steering) （3）主动前轮电动转向系统afs(active front steering)（4）线控电动转向系统sbw(electric power steering by wire ep sby wire或steering by wire)这四类系统也反应了汽车电动转向系统不同的发展阶段，线控电动转向系统是目前最为先进和前沿的转向技术。在未来，汽车转向技术将进入了电子助力时代，随着传感器、控制方式、助力电动机等关键技术的不断进步和完善，以线控技术的应用为标志的全助力转向系统将成为未来汽车转向技术的焦点。随着电子技术的发展和计算机技术的不断进步，更高效的功率mos管的出现为重型卡车和机械车的电子助力转向提供了保证。新的技术也为汽车控制的各个组成部分实现联合工作提供了方法。例如，恩智浦在2009年就提出了使用其flexray收发器系列产品确保在eps和abs系统之间建立可靠及时的通信，根据速度优化助力转向的解决方案。未来我们将从以下几个方面进一步优化电子助力转向系统：（1）设计使用新型无刷电机使电机工作效率更高，效果更好；（2）开发新型传感器，提高系统信息的感知效率和精度；（3）进一步优化控制策略，使系统更加智能；（4）运用线控技术实现线控转向，进一步提高系统的效率和精度。电子助力转向系统将向着进一步减轻重量、节约空间、降低功率的方向发展4。1.3 本文的研究内容 本文研究的主要内容有： （1）对eps系统的结构进行分析，建立了助力转向系统的动力学模型。 （2）分析了电子助力转向系统的性能要求和试验方法。 （3）基于mc9sdgl28单片机的主控核心电路和驱动电路等硬件电路的实现。 （4）控制策略的选择和软件实现。 （5）分析了试验过程中遇到的影响eps性能的因素，并给出试验结果。电子助力转向系统这一课题的研究综合了控制科学与理论、汽车电子、机械设计、传感检测和电机学等多门学科知识，属于机电一体化系统。设计电子助力转向系统，首先需要考虑的就是系统应用中的转向轻便性、操控舒适性以及安全性。电子助力转向系统20世纪80年代提出时，起先由于受到电子技术，电机技术以及机械制造工艺的限制，发展十分缓慢。直到近几年，随着工业水平的大幅度提高，电子技术突飞猛进的发展以及新的控制理论的不断提出，汽车助力转向才正式开始向电子助力转向的方向上迈进5。各项新技术、新理论也在不断的提出。根据eps的结构可以看出，eps系统技术的关键可以分为硬件和软件两个方面。硬件方面要求传感器和电机必须满足要求；软件方面则要求能实现助力特性，并且能监测系统的工作状况，具体有以下几类。2 动助力转向系统的关键技术2.1 电机驱动 eps系统最终的动力来源是助力电机，因此，助力电机的合理匹配和可靠运行是决定eps性能的最重要因素。由于直流电动机有良好的启动性能和调速性能，且助力电机的电源来自汽车蓄电池的直流供电，因此电子助力转向系统中采用的一般是直流电动机。直流电动机工作时，直流电压通过电刷和换向器加载到转子线圈，转子线圈受到电磁力的做应用将产生电磁转矩。直流电机的电磁转矩具有良好的控制特性，只要调节电动机的输入电压或励磁电流，便可以在宽范围内实现调速。但普通直流电机的特性难以满足eps设计用电机的要求，因此发展出了一些专门针对eps系统的助力电机。对普通电机的结构进行改进，将转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚，加装减速机构等，使得这类电机噪声低、扭矩大、波动小、转矩波动小、尺寸小质量轻，并且可靠性高，控制简单。能够满足eps系统的功能要求，也解决了电动机对转向手力特性、转向路感、汽车动态响应等参数的影响6。同时，电机驱动电路设计中存在的缺陷也会影响助力电机的工作状态，导致eps系统的整体性能下降。2.2 传感器 eps系统中主要用到的传感器是扭矩传感器和车速传感器。后者多数已经集成在汽车本身零部件上，只需要通过总线技术读取数据即可。因此，相对来说，扭矩传感器是eps系统组成中必不可少的部件。汽车要实现助力转向，首先就必须采集扭矩传感器的数据，判断转向的方向和驾驶员转向力矩的大小，从而决定助力的大小。 精确可靠的扭矩测量传感器是决定eps性能的又一个重要因素。目前，国外的eps系统中使用的扭矩传感器多为电磁感应式或光电式的。这类传感器结构简单，工作可靠，精度较高，但是对工作环境的要求较高。国内的eps系统中则多数使用接触式的传感器7。在转向轴位置加上扭杆，通过扭杆的变形量来确定扭矩值。这类传感器精度不高，但成本很低。 2.3 助力特性 助力特性是指助力转矩随车辆运动状况的变化而变化的规律。在电子助力转向系统中，助力转矩与助力电机的电流成正比，因此，采用电机电流与方向盘转矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性8。助力特性是eps系统的控制目标，反应了转向的轻便性和路感之间的矛盾。 按照助力车速范围的不同，eps系统的助力特性曲线可分为全速范围助力型和低速范围助力型。按照曲线形状分，常用的助力特性有三种，分别是直线型助力特性、折线型助力特性和曲线型助力特性。助力特性曲线分为无助力区、助力变化区和恒助力区三个区间。如图2所示：图2 eps系统理想的助力特性曲线fig.2 the ideal characteristic curve (a)为直线型助力特性曲线，在助力变化区内，助力的大小与转向盘输入力矩成线性关系。(b)为折线型助力特性曲线，在助力变化区内，助力的大小与转向盘输入力矩成分段线性关系。(a)和(b)同属于线性助力特性，其特点是模型简单，助力大小在固定车速下是不变的，因此控制方法更简单。缺点是在转向阻力迅速上升时，系统的响应速度无法达到要求的助力增益。(c)为典型的曲线型助力特性曲线，在助力变化区内，助力大小与转向盘输入力矩成非线性关系，如抛物线型9。非线性的特性曲线，在一定车速下，助力随输入力矩增大而迅速增加，提高了系统的响应速度，但模型较复杂，不易控制。助力特性是否合理决定了eps系统的性能，理想的助力特性要充分协调好转向轻便性与路感的关系，为机械转向系统和驾驶员提供尽可能相同的转向特性。2.4 控制方法eps系统是以电控单元为核心，采集工作状态数据，发出控制指令，确定助力电机的工作方式和助力大小。因此，ecu单元的硬件抗干扰性和软件设计及优化也成为衡量一个eps系统性能的重要指标。这其中最重要的就是控制方法的选择。快速准确的控制算法可以在满足操控轻便性、实时性的同时，符合驾驶路感的需要。能够根据各种路况及时调整助力模式，有效的实现理想的助力特性，为汽车驾驶带来最大的轻松和安全性。汽车的行驶路况复杂，eps系统工作时不但受到来自路面的随机干扰的影响， 还有发动机发出的热辐射和电磁干扰对系统也会有很大影响。这些因素在eps系统设计时都要考虑到控制策略上去，通过软件修正的方法消除干扰。pid控制技术、动态补偿技术、自适应控制技术、模糊控制技术、鲁棒控制技术、神经网络理论的发展为eps系统的控制算法开发提供了有力的保障10。2.5 故障诊断和系统稳定性在生产和研究eps产品时还有一个重要的部分就是对于故障的检测和故障的输出及处理。故障诊断系统不仅要对诊断对象的故障进行报警，还要对故障进行定位，确定故障发生的位置和原因，即输出对象的故障代码，所以在设计一个产品的故障诊断系统时，首先必须确定系统的故障点，再根据故障编码原则对系统的故障点进行编码。eps系统可能存在故障的位置及原因主要有七类，分别是扭矩传感器故障、车速传感器故障、点火信号故障、助力电机故障、电磁离合器故障、电子控制单元故障、电源故障。各部分的故障又分为许多种类，因此必须有统一的故障代码和相关标准才能有效识别故障种类，便于维修。在saejl587标准中给出了编码原则，后来的saejl939加入了应用于can总线系统的编码方法，is014230标准也基本上采用了saejl939和saej1 587的标准格式故障代码11。参考丰田汽车公司电子助力转向系统故障诊断编码，对应与saejl939和saejl587标准，表1给出了规范的eps故障代码，包括发生故障的部件和故障形式。表1 常见的esp故障代码表tab1 the common fault code故障码 故障部位 诊断故障说明 c1511 转矩传感器 转矩传感器断路 c1512 转矩传感器 转矩传感器短路 c1513 转矩传感器 转矩传感器未标定 c1514 转矩传感器 转矩传感器值不变 c1515 转矩传感器 转矩传感器自身特性不良 c1521 车速传感器 车速传感器断路 c1522 车速传感器 车速传感器短路 c1523 车速传感器 车速传感器未标定 c1524 车速传感器 车速传感器值不变 c1525 车速传感器 车速传感器自身特性不良 c1531 点火信号 发动机转速传感器断路 c1532 点火信号 发动机转速传感器短路 c1533 点火信号 发动机转速传感器未标定 c1534 点火信号 发动机转速传感器不变 c1535 点火信号 发动机转速传感器特性不良 c154l 助力电机 助力电机短路 c1542 助力电机 助力电机断路 c1543 助力电机 助力电机温度异常 c1544 助力电机 助力电机内部故障，特性不良 c1551 电磁离合器 离合器短路 c1552 电磁离合器 离合器断路 c1553 电磁离合器 离合器自身特性不良 c156x 电子控制单元 控制单元异常 c157l 电源 电压不稳定 c1572 电源 电压低2.6 整车性能匹eps系统作为整车提升性能的一个重要组成部分，其系统稳定性和安全性也会影响到其他电子系统以及整车的性能。因此，必须对eps系统与其它子系统进行匹配，使整车性能达到最优。在设计eps系统时必须考虑与汽车其他子系统的有效配合，这是eps系统开发的关键技术之一。3 电子助力转向系统动力学方程电子助力转向系统的动力学方程主要以柱式eps为对象，依据其控制关系建立控制单元及机械部件的数学模型，包括路面负载、齿轮齿条、转向轴、减速机构、扭杆、方向盘以及传感器、ecu、助力电机等。通过建立各部件的数学模型及利用数学建模知识的运用来分析eps的动力学特性。3.1 机械部分建模 为了简化建模，对某些机械部件的特性做如下理想化假设： 1.不考虑力矩传动机构的效率问题； 2.扭杆弹簧的转动惯量忽略不计； 3.除扭杆弹簧外，其他机械单元的刚度假设为无限大； 4.输入机构的转动惯量和摩擦阻力等效到输出轴上； 5.假设扭杆弹簧工作在有效弹性范围内。 在上述假设的前提下，对各机械部件建模。方向盘用惯性质量表示与转向轴主要考虑其粘性和干摩擦；驾驶员的手力由弹簧表示并由伺服电机转矩来驱动；齿轮齿条的转向模型由齿轮惯量、齿条质量以及传动比来表示；电机机械部分由一个转动惯性操纵的转矩发生器表示；减速机构的模型由减速比表示；扭矩传感器由扭杆的刚度表示，转矩由扭转角和扭杆刚度来计算。如图所示为eps的简化模型：图3 eps系统的动力学模型fig.3 dynamical model根据该模型，建立如下的各机械部件的动力方程： 转向柱： (1) 齿轮齿条： (2) 输出轴： (3) 电动机： (4) 传感器输入转矩： (5)上述公式中各个参数的物理含义如下： 为转向柱和转向盘的转动惯量； 为转向柱的阻尼系数； 为扭杆的刚性系数； 为转向盘的转向角； 为扭杆弹性转矩测量值； 为转向盘上的输入扭矩； 为减速器的转动惯量； 为减速器的阻尼系数； 为输出轴的旋转角； g为减速器的减速比； 为输出轴上的反作用扭矩； 为齿轮齿条的质量； 为齿条的等效阻尼； 为等效弹簧的弹性系数； 为齿条位移量； 为路面干扰； 为电动机的粘性摩擦系数； 为电动机的转矩； 为电动机和减速器的刚度； 为助力电机的惯性力矩； 为助力电机的转角； 为齿轮半径； 为扭矩传感器输入扭矩； 为电机摩擦系数。其中，,的值是可以通过试验的方法得出的。设： 输出旋转角与齿轮位移与齿轮半径的比： 减速机构和齿轮齿条的当量质量： 减速机构和齿轮齿条的当量阻尼系数：代入方程中，得到eps系统机械部分的动力学方程。 （6） （7） （8） （9）从方程中可以看出，eps机械部分的模型的输入包括转向盘转矩、路面干扰和助力电机电磁转矩。系统模型的输出包括转向盘的转角、助力电机助力转矩、扭矩传感器检测的转矩、电机速度以及齿轮齿条的位移12。下面再建立直流伺服电动机的数学模型。电动助力转向系统主要控制对象是电动机，所以电动机的模型的建立是比较关键的一个环节，如下图。la图4 直流电动机装置等效结构图fig.4 dc motor equivalent structure如图，在电枢控制电压的作用下，产生电枢电流，电枢线圈产生感应电动势，从而产生电动机电磁转矩带动负载运转，其中电动机的角速度为 作为标准量纲方程，应写为 (10)折算到电动机轴的总转动惯量为 (11)电机的电压平衡方程式为： (12)式中，是反电动势：又可知，转矩平衡方程式： (13)电动机电磁转矩：电动机加速转矩：式中 为电枢电压（v）； 为电枢电流（a）； 为电枢回路总电阻（）； 为电枢回路总电感（h）； 为电动机角速度（）； 为电动机转速（）； 为电动机转矩（）； 为折算到电动机转轴上的负载转矩（）； 为加速转矩（）； 为电动机电枢的转动惯量()； 为折算到电动机轴上的外部转动惯量()； 为折算到电动机轴上总的转动惯量()； 为反动电动势系数（）； 为转矩系数（）；对方程式 分别进行变换可得到下列方程组： (14) (15) ； (16) (17) (18)以电枢电压为输入，电动机转速为输出的系统传递函数为： (19)引用驱动装置的电气时间常数和电机机电时间常数: (20) (21)又当与均采用国际制单位是，其数值相等，即 将上述值带入方程(20)得： (22)根据电动机的已知参数和式子（17）可得， （其中，电动机的转动惯量为，离合器的转动惯量与电机相同，负载载折合后的转动惯量相当于电机转子和离合器转动惯量之和的4倍。)带入数据得： (23)3.2 电控部分建模3.2.1 阻尼控件 eps系统的理想目标是在实现转向清便的同时，能获得与机械转向系统相同的路感。但由于eps系统比机械式转向系统多了电机和减速机构，这就使得转向操纵机构的惯性增大。同时，电机电枢及减速机构的旋转元件都有一定的惯量和摩擦力，在eps系统启动、正常换向和停止时都会产生一定的惯性和摩擦阻力矩，这些阻力矩也会导致系统的响应滞后，跟踪性变差。因此就需要补偿机制来弥补这些缺陷。 阻尼控制是eps系统在提高汽车高速直线行驶稳定性，减小不平路面对转向盘的冲击方面提出的一种补偿控制模式。在受到路面的冲击时，在方向盘中间的位置采用阻尼控制，使助力电机电枢绕组短路，这时将产生与电机转子方向相反的转矩，阻碍转子的旋转，电动机输出的转矩表现为制动力矩，从而保持方向盘的稳定状态。这是阻尼控制的一种方式。阻尼控制的另外一种方式是在转向盘转动速度很高时，为了使转向盘力矩平稳，在目标电流的基础上补偿阻尼控制电流。阻尼补偿电流的表达式为：，为阻尼补偿的增益13。3.2.2 回正控制在汽车行驶时，车轮转向后轮胎和路面之间会产生回正力矩。驾驶员减小施加在方向盘上的转向力之后，转向盘将在回正力矩的作用下回正。当车辆以较低的速度运行并转向和回正时，车轮的回正能力会比较差，为了提高转向轻便性，eps系统需要实时检测系统的状态，提供合适的回正补偿电流。而当车辆在高速行驶时，车轮的回正能力较强，为了提高车辆的稳定性和方向盘的稳定性，eps提供回正补偿来保证回正时不会出现超调量和摆振。ecu利用转向盘力矩的微分值判断车辆是否处于回正状态，再根据回正助力特性确定助力电机的目标电流。对电机惯性力矩可能引起的干扰转矩，消除所需的回正补偿要求电机的补偿电流为：，式中，为回正补偿增益。3.2.3 eps系统控制建模图5是eps电流关系的控制原理图，综合了传感器的相位补偿、阻尼控制和回正下控制。方向盘的扭矩通过扭矩传感器测量并滤波后，再进行相位补偿，由控制器计算得到助力电流。阻尼补偿电流、回正补偿电流也将同时作用于电机。电机电流计算值助力控制相位补偿 输入转矩阻尼控制 车速 电机转速 输出微分单元回正控制 图5 eps电流关系的控制原理图fig.5 eps current relationship control schematic diagram由此，得到电机的动力学方程为： （24）式中，为电机转矩系数，ia为电枢电流，wm为电机角速度。该式表明，助力电机的实际助力电流值与电机的转速和转速的变化率有关。在电机启动和制动时，惯性补偿起作用，而在平稳运行时，阻尼补偿起主要作用。系统的电流的补偿和控制都是由ecu来调整14。4 ecu电路结构、功能和控制策略控制单元是eps系统研究的主要部分之一，也是国内目前开展eps项目开发的重点。控制单元的硬件基础和控制策略直接影响eps的助力效果。在以上各章分析的基础上，本章将具体阐述实际项目中的eps控制器的开发流程。主要包括硬件电路的设计以及软件算法的选择。4.1 ecu工作原理电子助力转向系统控制单元的工作流程和原理如图6所示。电控单元ecu首先检测汽车发动机点火信号和发动机转速信号，以此来判断是否开启助力系统。扭矩传感器采集来自方向盘上驾驶员的手力力矩和方向，车速传感器采集汽车当前的车速,ecu在综合了这两个传感器输入的数据后判断是否提供助力，并通过控制算法确定在提供助力的前提下助力的大小和方向。确定助力大小后由单片机控制电机离合器吸合，进入助力状态，输出pwm信号控制助力电机输入电流，实时改变助力的大小，保证车辆操控的稳定性和安全性。在整个助力过程中，ecu还要检a/d ecua/d扭矩传感器数据采集处理 pwm信号输出 电机转动方向控制 发动机转速信号 车速信号 离合器控制输出数据采集处理 点火钥匙信号 电动机电流检测信号 工作状态指示（故障码） 电机电压检测信号数据采集处理 电机温度检测信号 保护电路启动输出图6 eps控制单元原理图fig.6 eps control unit schematic测电机电流、电机电压、电机温度以及离合器状态等数据信息，判断eps系统工作是否正常，保证助力转向能稳定运行。在系统异常时将及时切断助力系统，改为手动转向15。4.2 硬件电路的设计ecu的硬件电路主要由主控部分、数据采集部分和电机驱动电路三个方面构成，其中，数据采集和主控部分集成在一块电路板上，电机驱动部分单独布板。控制系统的硬件结构图如图7所示。ecu的控制流程为：单片机根据ad模块检测到的扭矩传感器的信号和来自车速传感器的车速信号，计算出目标电流，同时单片机通过分压电路检测电机电枢两端电压作为反馈，通过控制算法进行反馈控制。再经过电机驱动电路驱动助力电机实现助力。 mc9sdg128b 车速传感器车速传感器信号采集调理电路10bit adccan总线故障检测pwm输出端开关控制故障指示输出h桥驱动逻辑控制故障码显示助力电机电机控制转向离合器控制故障检测系统电源反馈电路图7 控制系统电源fig.7 control system power supply 4.2.1 电源电路eps的电源由汽车蓄电池提供。目前多数汽车上使用的蓄电池电压为12v，单片机系统的供电为5v，因此需要相应的直流变换，提供单片机和其他外围电路的电源。同时，电机驱动板的12v电源同样取自于蓄电池。电机驱动电路设置了继电器保护电路，保障能在eps故障时迅速切断电源16。图8所示为系统的主电源供电电路。图8 系统主电源电路fig.8 the system main power circuit 车载蓄电池提供的12v电源经过扼流圈滤波后输入到eps系统电路。一路经由继电器控制端输入到电机驱动板，另一路通过二极管稳压后(11.3v)输出到控制电路板，经下一级电源电路输入到控制电路板中。控制电路电源系统电