EPS电机控制器的设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计1摘 要由于电动助力转向系统具有环保节能、助力特性可调、安全性高等优点，许多汽车企业和研究单位已经将其做为重点研发项目之一，其中，电子控制器硬件开发和控制软件是其核心技术之一。本文首先分析了各种助力转向系统的特点，重点研究了电动助力转向系统的结构和动力学模型。本文重点设计了电动助力转向系统的控制器硬件及控制软件。硬件设计方面主要包括：选取了飞思卡尔列单片机作为计了单片机最小系统电路（包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等）；采用向盘转矩传感器信号和车速信号调理电路、助力电机驱动电路以及通信电路等。助力电机驱动电路由电机专用驱动芯片信电路主要由串口通信和现与制软件方面主要编写了单片机的A/了验证控制器硬件和软件的可靠性，在本设计中进行了实验研究，主要包括无助力与有助力对比、方向盘回正控制等试验，结果表明，控制器硬件部分性能良好、工作稳定可靠；软件控制效果较好，助力特性符合设计要求。转向系统稳定性较好，同时方向盘上无明显抖动，手感良好，为下一步的装车试验做好了准备。关键词：感器；单片机；电机；电路；黑龙江工程学院本科生毕业设计2;by of he is 龙江工程学院本科生毕业设计3目 录摘要.第1章绪论.本设计研究的意义.本设计研究的目的.电动助力转向系统国内外发展研究现状.电动助力转向系统的特点.本设计研究的主要内容.工作原理及结构组成.力电机.磁离合器.子控制单元. 机控制器的基本控制方式.力控制.正控制.尼控制.硬件电路结构及系统框图.传感器.位计式扭矩传感器.速传感器. .钟电路.波电路.源电路.位电路. 电源转换电路. 传感器信号（车速、扭矩）处理电路.速信号处理电路.向盘扭矩信号. 电机驱动器的选择.本章小结. 件的总体流程.软件设计. 数据采集程序设计.动机 制. 本章小结. 程序下载. 实验设备介绍. 台架实验结果与分析.助力特性试验. 力特性试验. 正性试验. 章小结. 论节能、环保、舒适、廉价是广大汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。汽车转向系统的性能在节能、环保及舒适方面具有非常重要的作用。传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。随着汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发展的一种趋势。设计研究的意义随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向器。电动助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地位。在国内，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还在中国境内申请了一些此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义。系统能根据车辆的运动状况和驾驶员的要求实行多目标控制，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性和回正速度、较强的抗干扰能力和较快地响应转向输入，而且这些控制是在基本上不改变硬件的条件下通过软件即可实现。从汽车诞生之日起，机械式转向系统就已经开始使用。几十年来，机械式转向系统一直在使用着，但由于人们对转向轻便性和舒适性要求越来越高，机械式转向系统已经不能满足人们的需求，迫切需要一种能够帮助驾驶员辅助转向的一种装置，此时液压式助力转向系统诞生了。1953年通用汽车公司第一个使用了液压助力转向系统，转向轻便性效果显著。此后该技术得到了迅速发展,使得助力转向系统在功耗、体积和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期,出现了变减速比的液压动力转向系黑龙江工程学院本科生毕业设计7统，随后又出现了基于液压转向系统的新的动力转向系统新产品,具有代表性的产品是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以根据需要随时关闭，所以也部分的降低了燃油消耗。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力,目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力转向系统是在上述两种助力机构的基础上发展起来的，它采用独立电机直接提供助力，助力大小由电控单元根据方向盘扭矩和车速信号进行控制。它具有节能、环保、高度安全性等特点，目前正逐步取代液压动力转向，像时下热卖的雨燕、飞度、腾等车型都采用的是这种助力机构，而它也是未来动力转向技术的发展方向之一。如图 不转向的情况下，燃油消耗；而在使用转向情况下，此外，效解决一直困扰着传统转向系统的方向盘“轻”和“灵”的难题，提高了行驶安全性。电动助力转向有效地解决了车辆在操纵稳定性和方向盘转向手感方面的问题，具有兼顾低速转向轻便性和高速增强路感的优点。 油最少 介于两者之间 耗油最多独立与发动机工作 可以 可以 不可以方向跟随性 很好 差 差路感状况 很好 好 差回正性能 很好 好 差助力特性 准确、灵活、控制最优 灵活性、传递性较等集成性能 方便 不方便 不方便环保性能 环保 不环保 不环保占用空间 只有四个组建、结构紧凑占用空间最小 有40到50个零部件，占用空间较大 有40到50个零部件，占用空间较大耐寒性 耐寒 不耐寒需要预热 不耐寒需要预热重量 很高 中等 较差效率 很高 中等 动助力转向系统国内外发展研究现状在国外，从1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有30多年的历史。之前一直没有取得很大的进展，主要是因为着近几年来电子技术的快速发展，加上它独特的优点，因而越来越受到人们的重视，并迅速迈向应用领域，部分取代了液压动力转向系统。988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的后又配备在后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的国的国的研制出了各自的且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的速时一代的且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。在国外，成为汽车零部件高新技术产品。由于技术保密，很难获得控制参数，要想实现技术自主创新，还需国人自己钻研。在国内，电动助力转向技术大多还处于实验室开发研究阶段，部分科研院所已经黑龙江工程学院本科生毕业设计9进行了装车实验。国内的清华大学早在1992年就开始了研制出在试验台上进行了性能试验。2002年，经调查发现国内至少13家企业和科研院校正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。2003年上海市科委科技立项900多万元用于电动助力转向器的开发与研究，其中投资300多万给同济大学汽车学院用于大多都是在实验室台架试验上取得了一些进展，在试验车上转向的效果有待改进；特别是在转向盘抖动，以及回正控制等方面还存在着一定的问题，南摩股份有限公司(生产的转向轴式进行小批量生产用于汽车装配。前21个国内汽车厂家的43个品种均可装配中有6个厂家8个车型具有装配中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的津丰田的威驰，悦达起亚的千里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。昌河在其北斗星轿车和爱迪尔等车型上已把三星级以上轿车上作为标准配置。控制机理是内外学者先后提出了糊经网络等控制策略，绝大多数只进行了模拟仿真研究，进行实验研究的较少。本研究采用进行了理论和实验研究，取得了良好的控制效果。动助力转向系统的特点电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了车速传感器、转矩传感器、助力电机和电子控制单元（装置，电机通过减速机构作用在转向柱上，实现对转向的助力。动助力转向系统综合了现代控制技术、现代电子技术及机电一体化等技术，具有以下优点：（1）低速行驶时，增加转向助力，黑龙江工程学院本科生毕业设计10使得转向更加轻便；在高速行驶时减少转向助力，为了提高路感可以增加转向阻尼。（2）车在行驶过程中大部分时间较少助力，因而很大程度上减少能耗。（3）带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件与而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。（4）电动机由蓄电池供电，电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作，因此提高了汽车行驶安全性。（5）配自动化程度更高，而且电动助力转向系统可以通过改变微处理器中的助力程序算法，改变助力特性很容易实现。（6）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越，由于该系统具有良好的模块化设计，为设计不同的系统提供了极大的灵活性。设计研究的主要内容本文首先对立了体分析时介绍电动转向中的三种控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。最后得出本文结论及其展望。所做工作如下：1、理论分析。分析电动助力转向电机控制器的主要结构及工作原理，研究电动助力转向系统的控制策略。2、控制器硬件及软件设计。设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，绘制图纸，研究了单片机资源和编程原理，并进行了硬件和软件调试。3、实验研究。在实验台架上进行转向轻便性试验、转向回正性能等试验，验证自主开发控制器的性能。黑龙江工程学院本科生毕业设计11第2章 矩传感器、车速传感器、控制单元（离合器、助力电动机及减速机构等组成。工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给现对助力电机扭矩控制。力电机、电磁离合器、电位计式扭矩传感器、车速传感器和电子控制单元。力电机本设计开发的电动助力转向系统选用的助力电机为直流永磁有刷电机，额定电流为30A,额定电压为12V，额定转速为1050r/定输出功率为170W，m。由于汽车转向过程中电机助力的大小是通过此要求电动机要有很好的机械特性和调速特性。考虑到对原机械转向系统的影响，要求电动机具有噪声低、低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小和质量轻等特点，以便达到良好的动态特性和可靠性。磁离合器电磁离合器的结构主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机的动力传递路线就被切断，助力停止。电磁离合器的作用有以下两个方面：第一，防止动力过载。如果电动机产生的扭矩过大，主动轮就会克服在电磁吸力作用下，主动轮和压板之间产生的摩擦力，从而打滑，保证电动机给系统的助力不致过大；第二，在电机系统产生故障时，电磁离合器可以切断电动机和机械转向系统的连接，保证转向系统仍能够进行转向操作。子控制单元电子控制单元是电子控制系统中最重要的元件之一，其性能在一定程度上决定着黑龙江工程学院本科生毕业设计12电子系统的性能，选择优良的控制器对取得良好的控制效果非常重要。结合可能的减少外围电路元件和降低成本，而且处理单元还要具备功能模块多，运算速度快，所以该系统选用了飞思卡尔公司生产的汽车级使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境，其主频高达96时片上还集成了多个汽车用标准模块。其主要性能如下：出比较定时器；转换模块（10位A/转换结果有左对齐和右对齐模式，可作为普通I/可以设置成4通道16位空比可以从0100%设置；3口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）；协议，具有标准和扩展数据帧模式，通信速率最快可达1源十分丰富；0之间，基本上适应汽车复杂环境。矩和电机电流来执行控制策略，提高转向灵敏度。因而系统有三种控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的转向过程中，通常是助力控制。当驾驶员释放方向盘后，作用在方向盘上的力减小，且小于助力控制的门限值，同时，系统判断此时检测转矩大小的加速度和转向盘转动方向是否相异，如果两者相异，系统就执行回正控制。速机构以及转向机构等都有很大的摩擦力与惯性力矩，这些都构成了汽车的回正阻力矩，当回正阻力矩过大，阻止车轮回正时，使用回正控制，利用电机提供辅助回正力矩。为了防止提供的辅助回正力矩过大，产生回正过头现象或在回正过程中出现摆振现象，在车轮将要回到中黑龙江工程学院本科生毕业设计13间位置时要施加阻尼，此时选用阻尼控制模型。力控制助力控制是指在转向过程中为了减轻方向盘的操纵力,通过减速机构把电动机转矩作用在转向小齿轮上的一种基本控制模式。利用电动机转矩和电动机电流成正比的特性采用控制电动机电枢电流的方法实现助力控制。助力控制是电动助力转向控制内容中的“重头戏”电动助力转向的名字正是由此而来。驾驶员都希望车辆转向时有助力转向力“轻”些(可减少驾驶员的体力消耗);但又不能太“轻”,太“轻”则意味着太“灵”,路感较差。汽车转向中的“轻”与“灵”成为一对需要调和的矛盾体。在设计电动转向时,一方面必须保证驾驶员操纵的轻便性,另一方面还要使驾驶员获得良好的路感。正控制在以助力控制是机械转向系统和液压助力转向系统没有回正控制,驾驶时将方向盘回正后,轮胎的自动回位主要靠转向系统的设计参数(主销后倾角和主销内倾角)来保证。回正控制的实现与助力控制类似,即正力矩的大小可用电流大小来表示,回正控制时,助力电动机的参考输出电流。尼控制汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为了提高直线行驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速驶时手感的“稳重”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，一般情况下只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。黑龙江工程学院本科生毕业设计14第3章 硬件设计系统硬件电路是实现电动助力转向的基础，接关系到章主要研究要的有单片机、电源转换电路、传感器、电机、蓄电池和继电器等。1）单片机的选择（2）电源（3）传感器（4）驱动器的选择（5）电机黑龙江工程学院本科生毕业设计15蓄电池 驱动电路 助 力电 机驱 动及 功率 电路电池模块 电磁离合器 助力电机障指示灯电压处理电路 图 制系统框图本系统主要工作流程为：首先对系统进行自动检测，确保系统各部分工作正常。然后单片机采集各传感器信号，经过分析运算后，判断是否提供助力，如果实施助力控制，启动继电器驱动电路，输出而辅助驾驶员转向；否则进行其他相应控制。当系统出现故障时，电磁离合器与电机脱离，助力电机停止工作，故障指示灯点亮。位计式扭矩传感器扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结构复杂，主要用于高速测量。本论文中采用的是导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简单，可靠性好，使用寿命在3000万次以上，适合于方向盘扭矩的测量。感器的两个输入端分别是别是输入端1和4)。当转向盘处于中间位置时，转向盘向右旋转时，转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，输出电压动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据扭矩传感器输出差动电压的大小和正负，就可以判断转向盘的转矩大小和转动方向。速传感器大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，传感器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可以直接使用。但是在实验室中，较难采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。要考虑电磁兼容、晶振电路设计技巧，以及防干扰滤波电路设计技巧等。钟电路原理时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键部分，由于晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对A/至导致晶振体不工作，导致整个单片机系统无法正常运行。35(脚上，通常接一个16部晶振体的连接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器3种方式。但是在实际应用电路设计中一般采用并联型方式。波电路原理黑龙江工程学院本科生毕业设计18滤波电路常用来滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性，它一般由电抗元件组成,如负载电阻两端并联电容器C，或者负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。主要负责为单片机的内部提供不同的电压。主要滤波引脚有9（49（33(36(源电路别为单片机的内部电压调整器，。为了充分提高供电电路的电磁兼容性，去除高频噪声，在各供电电路中串接一个电感元件。电源引脚有59（77（29（脚。其中，他引脚电路类似。位电路单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，在开发和调试单片机系统时需要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求在低压时也要对单片机进行复位，所以必须要设计一个复位电路。源转换电路由于该系统中，单片机和传感器需要电压为5及通信传输的稳定性对电源要求较高，所以考虑了工业界常用的电源转换芯片输出电流可达3A，输入电压范围较宽，具有优良的线性调节与负载调节，只需极少的外部元件，就可以做成优良的电源转换电路，所输出的电流完全可以满足对整个系统的供电。N/感器信号（车速、扭矩）速信号处理电路通常车速信号都是从车轮转速经过计算都得出的，而且轮速信号一般幅值为1以一般首先对车速信号经过滤波、放大和整形后方能被单片机获得。速信号经过过比较器单片机采集。向盘扭矩信号我们用扭矩传感器测量方向盘上扭矩信号的大小，扭矩传感器输出信号为电压信号，为了保证其信号的可靠性，必须对信号进行滤波，滤波之后送单片机进行A/矩信号滤波电路，对输入信号进行滤波，主要消除扭矩中的高频信号。实现对信号电平的处理，最后输出两路信号送给单片机两个A/2 电机驱动器实物直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，因此，采用硬件逻辑电路实现的是，这种方法的硬件电路比较复杂，一般也无计算机接口而本文介绍的电机驱动是采用电机专用驱动芯片驱动系统可以大大简化硬件电路在本系统中采用脉宽调制（制4个功率图3用作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个且功耗小，耐压达55V，最大直流电流可达110A，满足常工作不超过15V）大电流（额定电流30A）的要求。图中所示，4个中4常开；而机两端得到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高由于直流电机是一个感性负载，当机中的电流不能立即降到零，所以必须给这个电流提供一条释放通路，黑龙江工程学院本科生毕业设计21否则将产生高压破坏器件处理这种情况的通常方法是在以外部并联的高速开关二极管可以省略。用于驱动芯片具有控制简单，外围电路相对较少，控制灵敏的优点，被广泛采用。引脚的功能如下：合于直流电机控制。该器件内集成有可驱动进行速度和方向控制而且功耗很低，同时具有过压(20V)、欠压(2);，通道1,转矩信号+=1=(2);动机关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制现调速。利用开关管对直流电动机进行速控制的原理图和输入输出电压波形。当开关管关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为0。极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低。直流电动机电枢绕组两端的电压波形。电动机的电枢绕组两端的电压平均值空比表示了在一个周期关管导通的时间与周期的比值。的变黑龙江工程学院本科生毕业设计28化范围为01。上式可知，当电源电压枢的端电压的平均值决于占空比的值，改变的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。在空比是一个重要参数，有三种方法可以改变占空比的值。（1）定宽调频法：保持改变周期2）调频调宽法：保持不变改变周期3）定频调宽法：保持时改变两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起系统振荡，因此这两种方法很少使用。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。构成4路16位通过初始化设置，便能够自动发出需要增加驱动电路就可以实现对电机助力大小的控制。下面是8位数据的中所示，是期寄存器和占空比寄存器设置完以后，在总线时钟信号的驱动下,8位计数器开始计数，同时8位计数器的值等于8位计数器的值等于时计数器清0，计数器重开开始计数。下面简单介绍1）初始化 6 5 4 3 2 1 0 00 0 0 0 0 0 0 0此寄存器可以实现把8个8位2）初始化 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0此寄存器控制每个以是左对齐或者居中对齐。黑龙江工程学院本科生毕业设计29如果，则对应通道的输出波形为居中对齐方式；如果，则为左对齐方式。在设置此寄存器前，必须把对应通道禁止输出。（3）初始化 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0此寄存器控制着每个时，对应的占空比计数器计数完后，再变为低电平；而当时，波形恰好相反。）初始化 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 05）初始化 6 5 4 3 2 1 00 0 0 0 0 0 时钟频率0 0 0 总线频率0 0 1 总线频率/20 1 0 总线频率/40 1 1 总线频率/81 0 0 总线频率/161 0 1 总线频率/321 1 0 总线频率/641 1 1 总线频率/128（6）初始化 6 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 01 1 1 1 1 1 1 1此寄存器中的数值大小对应7）初始化 6 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1（8）初始化 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0此寄存器中的每位都控制着对应的以通过设置相应的控制位来开始或者停止龙江工程学院本科生毕业设计31,构成一个16位;/正极性输出、1通道的时钟给助力电机;/;/机没有转速)章小结本章首先阐述了传感器信号的A/动机给出了A/据龙江工程学院本科生毕业设计32第5章 序下载将单片机行软件编程的设置：1、点击、新建工程,选择择择择浮点数据类型。写完成