基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现

摘 要汽车电动助力转向系统(近年来发展起来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控制助力电机的运转，从而实现助力转向的功能，还具有转向平稳、节能、环保等一系列特点，因此，前国内在有形成具有自主知识产权的此，开展对文在分析、总结现有电动助力转向系统基础上，以提高系统运行可靠性与达到更好的助力效果为目标，开发了以件上结合单片机的资源，对电路进行了设计，包括外围电路以及单片机最小系统的改进。软件上并结合硬件电路，设计了相应的程序，提高了整个系统运行可靠性。最后,总结论文工作中涉及的一些问题,并给出对未来进行了讨论,形成了未来的研究方向和工作目标。关键词：汽车；电动助力转向；单片机is a in he PS is to o be it as it is a PS ut at of PS is PS in it is in &n of of a in to of to a of in is ey 摘要. 转向助力系统的国内外研究现状与发展趋势. 选题的目的和意义. 本课题研究的内容和拟解决的主要问题.课题的主要内容.解决的主要问题. . 传统液压动力转向系统. 电动助力转向系统特点. . 助力系统的关键部件.力电机.矩传感器.速传感器.子控制单元. 本章小结. . 单片机最小系统电路.钟电路.位. 电源电路.电动机的驱动. 三态缓冲器. 电动机的变频调速控制. 电动机. 本章小结. .正控制.尼控制. 转向助力特性曲线的选择.力特性的理论研究.力特性曲线的选择. .发环境.字滤波程序设计.机助力子程序.统主程序. 本章小结. . 系统的试验. 系统的调试. 本章小结.向助力系统的国内外研究现状与发展趋势助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为了纯机械式转向系统（称液压式转向系统（称电控液压式转向系统（称电动助力式转向系统（称传统的动力转向系统一般采用液压助力，上个世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向。1988年2月日本的铃木公司开发出了电动助力式转向系统，并装在后又配备在脱了液压助力转向系统的束缚。本田汽车公司首次将备于大批量生产的后将应用范围扩展到大型轿车和客车方面上。控液压助力转向)的基础上发展起来的，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性强，它取消大量液压配件，只依靠电动机驱动转向机构，解决了长期以来存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。新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。术同趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用轿车方向发展，如新上市的一汽大众速腾等中型轿车已经安装田甚至还在其本早期的来发展的能在高速行驶时提高汽车的操纵稳定性。正是由于这一系列的优点，在世界汽车行业中，美国天合(司预测，到2010年，全球范围内电动助力转向器的装车率将超过30，因此，电动助力转向技术的发展前景是非常广阔的。这也正是全球各大公司对其青睐的原因。就相关制信号除了依靠车速与扭矩信号，而且还需要转向角、转向速度、横向加速度等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。如今国内外对：统匹配技术及其可靠性的研究。从国内外的研究看今后的研究方向主要集中在车转向除了满足轻便和灵敏两个要求外，还要为驾驶者造成一定的路感，随着车速的提高方向盘助力不宜过大，而且还需要满足一定的助力特性。我国在且由于液压式转向系统即构紧凑，工作安全可靠，价格也比较便宜，所以液压式转向系统即而今国内有多所高等院校和科研单位正在进行该项技术的相关研究，并取得的一定进展。我国自主设计的有一定的差距，很多整车厂装配的电动助力转向系统的核心技术都依靠进口。但是我们正在奋起直追，逐步缩小自主开发的动助力转向技术在国内的发展势头良好。2001年，昌河汽车厂开始将电动转向器装在北斗星高档微型箱式车，揭开了我国汽车转向器生产历史上新的第一章，2002年该车型已有6万台配装电动转向器，即电动转向车己占该车型的60了。哈飞汽车厂也开始在新车型上装电动转向器，吉利在其多款轿车上也安装了电动转向器。另外奇瑞子皮卡车厂和很多微型箱式车厂，都准备安装电动转向。这充分说明装配动式比液压式动力转向系统更轻便、紧凑、可靠易于维护保养，同时也取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装置，如此诸如漏油的这种对清洁性造成影响的问题便消失了；能满足汽车不同车速时的不同要求，如低速时的轻便性和高速时保持一定的路感以使驾驶员在不同状况下操纵时获得最佳的感受；在无需提供助力时不驱动电机，这样就减少了不必要的能源消耗，提高了经济性；对控制计算机编程，可提供不同程度的动力转向，能兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性好；它能与汽车上其他电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，并能促进悬架系统的发展。无助力转向系统的回正作用具有很大的缺陷, 往往会降低汽车行驶稳定性，而过软件编程可对对不同车况进行调整，这是传统助力系统无法做到的。尽管是电动助力转向系统仍然存在着一些需要解决和改进的问题：继续改善电机的性能是理助力特性的确定；合适的控制策略；故障诊断的可靠性，分操作独立于驾驶员的控制，因此车转向技术已经进入了电动助力时代，随着传感器、控制方式助力电动机等关键技术的不断进步，未来几年终将完全占领轿车市场，并向大型车发展。题的目的和意义目的：汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，当汽车在低速时需要轻便的转向助力，而在高速时有需要灵巧的转向效果已获得较好的操作手感。本课题应用综合控制方法，来提高汽车转向系统的性能。电动助力转向系统是当前汽车技术发展的前沿技术之一，有利于汽车在不同的车况下获得不同的助力效果，提高转向时的操纵稳定性和路感。英国卢卡斯公司认为，不是选件，自1996年至2006年，欧洲市场上的各级别轿车安装加到70%。按此增长速度继续发展，数年间内电动助力转向系统还处于初级阶段，所以有必要加强力量对其进行研究和开发。使我国的汽车在环保节能舒适等等方面赶上国际先进水平。目前开发拥有自主知识产权的可为相关企业提供新的经济增长点，增强我国技术产品的市场竞争力。通过对电动助力转向系统的研究，为开发出适于轿车和微型汽车的电动助力转向系统提供技术储备。另外就是在继承前几届研究生研究成果的基础上，进一步完善控制器的硬件与软件，提高系统运行的稳定性及可靠性，把控制器往产业化方向推进。意义：随着时代的发展和科技的进步，人们对交通工具的环保，节能低耗，对生活的舒适性的要求也越来越高。如今国外汽车的电动助力转向系统正在渐渐取代传统液压助力转向器的地位。国也要紧跟世界的脚步，不能落在后面。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。转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。而一个拥有性能可靠的控制系统则能使保等优点，是未来转向系统的主流发展，是研究的重点项目。课题的主要内容（1）设计一个小型电动转向助力系统，分析电动助力转向系统电子控制单元的功能。在充分考虑电动助力转向系统控制的可靠性、实时性的基础上，以单片机为核心的控制单元。（2）设计电子控制单元的硬件，采用对各种传感器信号进行采集和处理，通过单片机产生控制脉冲波来控制足3）采用模块化设计的方法编写相应控制软件。控制软件中主要包含系统主程序、信号采集子程序，策略控制子程序等。解决的主要问题（1）系统硬件电路的搭建，硬件电路需要单片机最小系统主要包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等电路的设计。（2）传感器信号处理电路的设计，如转矩信号通过A/通过电机驱动电路控制电机转动方向。（3）将软件和硬件进行连接并进行测试，检查出现故障部分并思考出现故障的原因，再就相关知识努力将故障排除。第2章 驾驶员操纵方向盘转向时，转向柱上的扭矩传感器检测到的信号与车速信号经过滤波处理后送入而实现对电动机的控制，电机经传动机构将助力转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的目的。当车速超过一定值时，证汽车在低速行驶时的轻便性和高速行驶时的稳定可靠。速传感器、助力电机和电控单元。统液压动力转向系统液压动力转向系统（在1928年就在汽车上首次应用的，到1940年左右在多种大型车辆上装备。在1951年在轿车上也得到了应用，获得了当时的好评，随后今天装备力缸、油泵、储油罐和进回油管等液压动力装置来提供转向助力。开始控制阀以轴向一定来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。20世纪50年代出现了转阀式控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式如：可以提高转向时的轻便性，从而使驾驶员的疲劳程度得到缓解；今为止液压助力转向系统已经应用经历了许多时间，技术较为成熟，工作安全可靠，同时价格也比较便宜。但是同时也存在着一些不足：在设计完成以后，助力特性就不能再进行调节与控制，因此在协调汽车转向轻便性与路感之间的矛盾；在发动机工作时，无论汽车是否进行转向油泵都一直运转，从而对燃料造成了极大的浪费，降低了整车的燃油经济性；油路中存在漏油的问题，会对环境造成污染；在低温时工作性能较差。动助力转向系统特点电动助力转向系统相比于传统的机械式转向系统增加了一系列传感器，如车速传感器、转矩传感器、助力电机和电控单元即动机通过减速机构将转矩作用在转向柱上，从而实现对转向系统提供助力。与传统的转向助力系统相比，电动助力转向系统综合了许多现代的高新技术，诸如现代电子技术及机电一体化技术，具有许多优点：（1）不同工况下提供最佳的助力，减小因路面原因引起的对转向系统扰动，减轻低速行驶时的转向操纵力。在车速较低时提供较大的转向助力，使驾驶员在转动方向盘时更加轻松；在车速较高时降低助力大小，为驾驶员提供一定的路感。（2）压软管、液压油、皮带及密封件等部件，结构相对简单，零件数量相对较少，拥有质量轻、结构紧凑、便于选择安装位置和噪声较小等多方面的优点。（3）助力电机可以由蓄电池直接供电，电动助力转向系统可以在发动机不运转时进行工作，同时也提高了汽车的安全性能。（4）需改变5）用空间小，在车身上不知较为方便，助力性能比传统助力系统优越，又具有良好的模块化设计，又为设计不同的系统提供了极大的灵活性。以将向柱助力式（小齿轮助力式（齿条助力式（1）转向柱助力式转向器 助力单元、控制器以及传感器等部件都安装在转向柱处。结构比较紧凑，方便在车体上安装，可安装在固定式、倾斜式等不同形式的转向柱上。（2）小齿轮助力式转向器 助力单元安装在转向齿轮的小齿轮轴的上端。助力单元在驾驶室外，一方面提高助力另一方面也可以使驾驶室内可感觉到的噪声减小。（3）齿条助力式转向器 助力单元安装在转向齿轮的齿条处。助力单元可灵活安装在齿条各处，从而使整车的布置更加方便。力电机电动机对动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩，是据电动助力转向的特点，求也较高：尽可能宽的调速范围，运行平稳，力矩波动小；快速响应性能好，较小的转动惯量；良好的低速平稳性；体积小、质量轻、噪声低；过载能力强，可靠性高；电机驱动其结构和运行方式可分为：直流、交流；永磁、励磁；有刷、无刷等多种类型。一般采用无刷或有刷永磁式直流电动机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。直流发电机工作原理:直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）本设计采用的是电机马达，这是一种有刷直流电机，额定电压9V。矩传感器后将其转换为相应的电压信号传送给控制器助驾驶员转向。扭矩信号作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。转矩传感器有接触式和非接触式两类。目前，国内外现有的1）电位计式，者集成了转矩、转角测量，后者采用滑套机构将转角差变换为电位计摆臂摆动，实现转矩测量。该类型的传感器都属于接触式，其缺点就是存在磨损，降低了其性能。（2）光电式，华大学也进行了这方面的研究、并做出了样件，前者结构比较复杂，对加工工艺要求较高，后者对前者进行了改进，但是存在温度漂移和绕线的问题。（3）电感式，类型传感器具有较高的精度，很好地实现了非接触测量，非常适合接触式转矩传感器的线性功能和滞后性能好，但价格较高。接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。当转向盘向一个方向旋转时，其输出端上的电压保持一定值，当转向盘向相反方向旋转时，输出端电压就会发生变化。输出端的电压值就可以用来表示转矩的大小，本设计采用的是18）10速传感器车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。本设计采用的是与扭矩传感器一样的18）10 电子控制单元电子控制单元要有微处理器、与传感器输入信号相匹配的接口电路、微处理器内置的模数转换器(A/D)和脉宽调制器(直流电动机的驱动电路等部分组成。电动助力转向系统的开发过程中，电子控制单元的设计是关键的一部分，其中处理器的选用也是非常关键的，性能优良的处理器一定程度上为电动助力转向系统取得良好的助力效果奠定了基础。选用处理器的着眼点是处理器的性能能够很好地与控制系统的特性与要求相吻合。电动助力转向系统的主要控制对象是电动机。对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是指对电动机进行起动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。随着控制要求的提高，对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。电动助力转向系统主要是实现电枢电压的控制，因此也属于电动机复杂控制的范畴。转向时，控制单元根据检测到传感器的信号以及电动机的电流信号，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制信号，通过电动机驱动电路调节占空比，使电动机按方向盘转动的方向和车速信号提供所需的助力转矩。电控单元是电子控制系统中最重要的原件之一，其性能在一定程序上决定着电子系统的性能，选择油路的控制器对取得良好的控制效果非常重要。功耗、超强抗干扰的单片机，另外能较好，原有程序可以直接使用，硬件无需改动。主要性能如下：（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：（3）工作频率范围：0400际工作频率可达484）用户应用程序空间：4K/8K/12K/16K/32K/645）片上集成1280字节或512字节6）通过I/5/39个），复位后为：2/4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/加上拉电阻。D+系列单片机选型一览型号 作电压（V） V 080M 080 080M 节） 8K 13K 1612 512 1280定时器 3 3 3个 1个 1个 2 2节） 4K 4K 45 有 有A/D 中断源 8 8 8中优先级 4 4 4I/O 35/39 35/39 35/39支持掉电唤醒外部中断 4个 4个 4个内置复位 有 有 有（7）系统可编程）/应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（接下载用户程序，数秒即可完成一片。（8）有9）看门狗。（10）内部集成外部晶体20省外部复位电路。（11）共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。（12）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，13）通过异步串行口（还可用定时器软件实现多个4）工作温度范围：5（工业级）/075（商业级）（15）封装：先选择设计采用的程序存储器（定时/计数器、门狗等模块、称得上一个片上系统。章小结本章主要介绍了电动助力转向系统的类型，并对传统液压助力转向系统和电动助力转向系统进行比较。并对传感器、电机和单片机的选型做了介绍，为下一章的系统硬件设计打下基础。第3章 胜元传感器的信号经过控制器（算后，控制直流电机为驾驶员提供转向助力，从而达到改善驾驶舒适性的目的。因此控制器控制策略实现的硬件基础，控制器的硬件性能直接影响课题的控制电路主要包括以下几部分电路：（1）信号处理电路，（2）电源电路，（3）电机驱动电路（4）单片机周边最小电路。下图是速信号转矩信号信号处理电路时钟电路电机驱动电路电源模块 信号处理电路复位电路助力电机 钟电路时钟电路是单片机系统硬件中的一个关键部分，由于晶振体的工作频率十分高，设计不当很有可能使其工作时会产生对其他电路造成干扰的高频信号，尤其是对19（脚上，当时钟晶振频率为12M25钟电路中电容一般小于47设计采用33V:外部24倍48程。外部晶振体的链接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器3种方式。但是实际应用电路设计中一般采用并联型方式。位部件复位，掉电复位/上电复位。（1）外部而实现单片机的复位。将片机会进入复位状态，将片机结束复位状态并从用户程序区00002）软件复位用户应用程序在运行过程当中，有时会有特殊需求，需要实现单片机系统软复位（热启动之一），传统的8