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小车电子助力转向系统设计,小车,电子,助力,转向,系统,设计
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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）中期检查表学 部： 理工学部 学生姓名邹 龙学 号200841930214年级专业及班级2008级汽车服务工程(2)班指导教师姓名危小湘指导教师职称实验师毕业论文（设计）题目小车电子助力转向系统设计工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题1.查阅了相关参考文献2.完成了小车电子助力转向相关的调研工作：3.搜集了大量的资料和数据4.对小车电子助力转向的机械和电子方面建立的初步的模型.1.分析模型建立及数据分析具体过程：2.电子助力转向的系统的控制规则：3.全文的撰写和修改;4.系统控制的具体编程.指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日检查（考核）小组意见检查小组组长签名： 年 月 日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：邹 龙学 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：危小湘 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。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：邹 龙指导老师：危小湘（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:Zou Long Tutor:Wei xiaoxiang(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路图如图9所示。图9 控制系统板电源电路Fig.9 The control system board power circuit 为了节省汽车蓄电池电力，EPS系统通常设定在汽车发动时开启控制系统电路。这也是ECU检测点火信号的意义之所在。在硬件电路上，由一个开关电路来实现点火信号开启控制系统板电源，如下图所示：图10 点火信号控制系统板电源电路Fig.10 The ignition signal circuit 控制系统开启后，根据汽车行驶状况决定是否提供助力。当助力系统进入工作状态时，控制系统发出信号控制前端电源上的继电器闭合，此时助力电机驱动电路电源开启，从而保障整个系统迅速得到供电。当系统停止助力或系统故障时，继电器自动切断，电机驱动电路电源关闭，保护系统的安全和车辆驾驶的安全。继电器的控制电路如下图11所示：图11 继电器控制电路Fig.11 Relay control circuit4.2.2 ECU控制电路控制系统电路板主要包括核心芯片MC9SDGl28的最小系统电路和传感器信号采集电路。单片机的最小系统包括时钟电路，复位电路和下载接口电路。为了使用片上的PWM功能和AD，单片机的系统电路还包括了内部锁相环启动电路和AD基准电压的设置，以保证PWM信号和AD变换的精度。本系统使用的是电位计式扭矩传感器。该传感器为四线接口，电源、地线和两个滑动端。扭矩传感器将转向扭矩引起的位移转换为电位器上电阻值的变化，并经过滑动端输出扭矩电压信号。根据主端的电压大小判断转向的方向。传感器为5V供电，以25V为校零点位置，当主端电压大于25V时，设定为右转向，则当主端电压小于25V时即为左转向。主、副端输出的电压大小和扭矩之间在有效工作范围内具有很好的线性度。针对该传感器，ECU中设计了如下扭矩传感器信号采集电路17。图12 扭矩传感器信号采集电路Fig.12 The torsion sensor signal collection circuit车速信号由车速表集成的车速传感器采集得到，为O12V的方波信号。需要经过信号后由单片机的频率捕捉系统进行定时计数，从而换算成汽车的车速。图13 车速信号采集电路Fig,13 Speed signal collection circuit 发动机转速信号与车速信号相似，该信号的处理电路也与车速信号采集电路类似。图14 发动机转速信号采集电路Fig.14 Engine speed signal collection circuit4.2.3 电机驱动电路 由于受到汽车蓄电池的限制，EPS系统中助力电机一般都选用永磁式直流电动机，本系统中选用了日本NSK公司的直流有刷电机，额定电压为12V，额定电流30A，额定扭矩12NM，额定转速1200rmin，输出功率150W。直流电动机的力矩大小可以通过改变其电流大小来得到，而电流大小又可以通过改变电机电枢两端的电压来确定。随着新型的电力电子功率元件的出现和计算机在运动控制领域的不断更新，直流电动机的结构和控制方式都有了很多新的技术手段。这其中，全控型开关功率元件进行脉宽调制控(PWM控制)是目前针对直流有刷电机应用较多的一种控制方法。尤其是在EPS的电机控制系统中，要求电机必须能够在正反两个方向上都能实现助力，采用H桥式斩波电路无疑是最好的控制方法。PWM的控制原理是当电源电压不变的情况下，改变电压的占空比，调制电枢的端电压的大小，从而实现电机的可调控制。 （25）式中，为占空比。它表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。电枢端电压的平均值取决于a。PWM的控制方式也有很多种，本文设计中采用的是定频调宽法控制a的大小。图15 H桥电机驱动电路Fig.15 H bridge drive circuit 功率开关管可以采用N沟道的MOS管，也可以采用P沟道的MOS管。因此就有上下管分别采用两个P沟道和两个N沟道MOS管或者上下管均用N沟道MOS管两种方案。由于加工工艺的限制，P沟道MOS管的性能比N沟道的差，驱动电流比较小。N沟道的MOS管载流子迁移率较高，频率响应比P沟道的好，跨导较大。电子助力转向系统中，需要较大的助力电流，工作状态变换多，对驱动电路的性能和使用寿命要求较高。综合考虑功率要求，电流要求已经系统可靠性要求，结合N沟道MOS管的优点，在本设计中使用4个相同的N沟道型MOS管构成的H桥电机驱动电路，如图15所示。 图中使用的MOS管具体型号为IRF3205S，其参数如下：最大漏源电压：ross=55V；导通状态漏源输入电阻：Rns(D)=8m；栅源电压为1V时，连续漏电流ID=110A(25)、80A(100)；栅源电压=20V；25I作环境下的最大耗散功率=200W有效工作稳定范围为：-55到+175。该型号MOS管的电气参数完全满足EPS驱动电路设计的需要18。具有较好的性能和工作可靠性。H桥的控制方式分为双极式、单极式和受限单极式三种。导通方式的选择对驱动电路的效率有十分大的影响。图给出了双极式和单极受限式控制方式的比较。假设VT1、VT2、VT3和VT4是H桥的四个功率MOS管，VT1、VT4控制电机正转，VT2、VT3控制电机反转。以电机正转为例，所谓单极式，即VT4在助力过程中始终开启，只有VT1受PWM控制，当VT1截止时，电机的反电动势经过4和VT2的续流二极管形成回路。若VT1、VT4同时受到相同的PWM信号控制，这种控制方式即为双极式控制。此时，电机的反电动势经过VT2、VT3的续流二极管形成回路。通过图中比较可知，双极式控制较为简单，但电流损耗比单极式的大，因此本设计采用的是单级式PWM控制方式。在图16中，VT1、VT2由单片机的PWM脉宽调制输出控制，VT3、vT4由单片机IO口直接控制。系统通过软件独立控制各个MOS管的通断。当系统分析需要正向助力时，VT1受到PWM控制，输出脉宽调制信号，VT4受到IO操作，直接开启，VT2、VT3控制信号输入为0，电机正转。反向助力时，VT2受到PWM控制，输出脉宽调制信号，VT3受到IO置双极式控制单级式控制图16 PWM控制方式Fig.16 PWM control method 高电平操作，VT1、VT4控制信号输入为0，电机反转。在正反向切换时，系统软件设置延时，以保证对桥的上下桥完全关断，避免上下桥臂的短路。为了保证MOS管可靠导通，根据MOS管的电气特性，必须在各个管的门栅极提供足够高的电压。IRF3205功率管的导通电压一般在10V以上，即Ugs10V。对于下桥，直接接入10V电压即可使其导通；而对于上桥的两个MOS管，必须满足UgsVp+10，即驱动电路必须能够提供高于电源电压10V的驱动电压。这就要求门极的输入驱动需要增压电路，以提供高与栅极10V的电压，考虑Ugs的上限要求，MOS管导通时，Ugs要随栅极电压在10到15V左右浮动，即浮动栅驱动。本系统采用浮动栅驱动芯片MC33883的驱动电路，控制器输入的PWM信号作为控制信号和升压泵的驱动震荡源。 MC33883是摩托罗拉公司生产的一款H桥门驱动芯片。集成了电荷升压泵，能够独立驱动上下桥。门驱动通道可以由四个单独的控制信号控制，下桥控制以地为参考点，上桥通道为栅浮动驱动。MC33883可以提供1A的驱动电流，完全满足MOS管导通的需要。作为一款宽电压范围的驱动芯片，MC33883可以在55V到55V的电压范围内工作。支持频率低于100KHZ的PWM输入信号19。接口电路如下图所示：图17 MC33883电气接口电路Fig.17 MC33883 electric interface4.3 电压反馈电路在电子助力系统中，为了保证助力性能，一般都采用了电机电流的闭环控制模式，将电机电流反馈回来与助力特性确定的目标电流进行补偿运算，再通过脉宽调制输出，控制H桥驱动助力电机。通常在系统中使用专用的电流传感器或采样电阻来实现，这就增加了系统的成本，同时电流采样过程中，采样电阻的特性或传感器的误差也会造成反馈电流存在误差。本系统简化了电流反馈系统，采用分压电路直接得到电机电枢电压的方法，由电机电枢平均电压做为反馈与输入电压平均值做比较，形成电压型闭环系统。如下图所示为电压反馈系统的电路原理图。图18 电压反馈电路Fig.18 Voltage feedback circuit 图中，Usrc为电机电枢端电压，通过阻容分压电路，将该电压按比例限幅在AD可采集的范围内，再由单片机系统的ADC端口读取电压值，带入系统软件中进行反馈运算。4.4 故障检测及报警电路为了保证EPS系统正常工作，避免助力失效引起的安全问题，在EPS的控制单元中，要求对各个部件的状态进行检测，对关键部分实时故障监测。在发现问题时及时断开助力系统。EPS的系统故障主要包括：助力电机故障、车速传感器故障、电源故障、离合器故障和ECU故障。 助力电机故障主要有电机电压浮动，电机电流过高，电机温度过高等。传感器故障主要是扭矩传感器线路短路或断路，车速传感器故障，发动机传感器无信号等。电源故障主要是电源短路或断路，电源欠压等。电磁离合器故障监测主要是检测线路是否短路或断路。ECU系统故障主要检测控制器是否失效，供电是否正常等。故障处理由故障指示灯按故障码指示。 系统欠压检测电路如图19所示：图19 系统欠压检测电路Fig.19 System under voltage detection circuits 故障指示电路如图20所示：图20 故障指示电路Fig.20 Fault indication circuit 4.5 控制策略与软件设计EPS系统是一个非线性的多输入多输出系统，需要对转向输入做出快速响应，对干扰和传感器噪声也要及时处理。由于EPS系统有很多非线性摩擦，机械构件的磨损，导致EPS的实际模型存在误差。因此，EPS控制器必须具有稳定的鲁棒性。采用EPS系统的目的是降低转向力、确保转向响应速度并保持良好的路感，对于EPS的控制系统必须完成以下目标：(1)根据设定的助力特性曲线，提供合适的助力辅助汽车驾驶，降低转向力，尤其是在低速大转向时，控制系统必须在保证操控稳定性的同时提供尽可能大的助力。(2)控制系统必须具有高响应速度，保证转向的灵敏度。(3)控制系统必须抑制转向系统震动对性能的影响。(4)在车速较高时，控制系统应优先考虑驾驶路感，减小助力或进入阻尼控制状态。(5)控制系统应具有回正控制能力。(6)控制系统应该简单、可靠，使用尽可能少的期间，降低成本。一个综合性能良好的控制器是决定EPS系统设计成败的关键，选择好的控制策略是决定控制器性能的关键。在EPS系统设计中，控制器控制助力电机的电枢平均电压，实际电压跟踪目标电压，从而输出目标助力大小。EPS系统要求助力电机助力迅速，因此电压控制器需要针对目标电压，有较高的响应速度和良好的跟踪性。电压控制策略直接关系着EP8系统性能。4.5.1 模糊控制经典控制理论和现代控制理论都是建立在被控对象精确的数学模型的基上，但在实际中，控制对象结构参数并不明确，难以确定这些复杂系统的传递函数或状态方程，因此就很难用基本的控制理论去解决。为此，出现了许多绕过精确数学模型的建立对系统进行控制的方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制系统的原理框图如图21所示：模糊化模糊规则决策反模糊化执行器精确值被控对象图21 模糊控制系统原理框图Fig.21 Fuzzy control system principle 在模糊系统中，仿照人类思考问题的方式，首先对获得的精确信息进行模糊化，再和已有的操作进行比较分析、模糊推理，从而判定对被控对象进行什么样的决策。例如，在温度控制系统中，通常由AD采集的温度值是个精确值，通过模糊化，这个精确值变成一个反应温度高或低的模糊量，这就是一个精确量模糊化的过程。在模糊控制中，日常经验被总结成为用自然语言描述的控制规则，利用模糊数学进行处理，构成模糊相关矩阵存放在控制器的存储器中，这些规则被称为模糊控制规则。在模糊控制中，按照模糊控制规则作出模糊决策，再得到一个精确的控制量给控制对象，从而实现智能控制。输入量模糊化、模糊控制规则、模糊控制决策等部分构成了一个模糊控制器。模糊控制器实际上是一个以自然语言为法则的控制行为。本系统按照常规PID控制设计的方法，使用比例积分控制规律，引入模糊控制方法完成电机的自适应控制。系统可看成是由偏差E和偏差变化率Ec作为输入，控制参数KP、Ki的增量Kp、Ki作为输出的双输入双输出系统。首先设定输入输出个参数的模糊控制论域。按照设计要求，本系统的论域为U=-6，5， 4， 3， 2， 1，0，1，2，3，4，5，6。根据论域的范围，采用负大（NB），负中(NM)，负小(NS)，零(z)，正小(Ps)，正中(PM)，正大(PB)七种模糊语言变量进行描述。由模糊控制涉及的论域和模糊语言描述，确定了Kp、Ki的论域对应的模糊语言变量的隶属度函数如下图所示。图22 隶属度函数Fig.22 membership functionPID控制的基本原理中，比例系数Kp可以加快系统的响应速度，提高系统控制精度，积分系数Ki可以消除系统的稳态误差，根据上述原则以及使用直流电机调速系统的经验，得到模糊控制的控制规则。控制规则的好坏直接决定控制效果的好坏，是实现模糊控制的关键。根据输入量E、Ec和输出量Kp、Ki，我们将本系统分别看作对AKP和AKi的双输入单输出系统。设双输入单输出系统的控制规则表达式为:IF Aand B Then C根据表达式，直流电机系统的模糊控制可总结为表3和表4所示的控制规则。表 2Tab 2 NB NM NS Z PS PM PBNB PB PB PM PM PS Z ZNB PB PB PM PS PS Z NSNB PM PM PM PS Z NS NSNB PM PM PS Z NS NM NMNB PS PS Z NS NS NM NMNB PS Z NS NM NM NM NBNB Z Z NM NM NM NB NB表 3Tab 3 NB NM NS Z PS PM PBNB NB NB NM NM NS Z ZNB NB NB NM NS NS Z NSNB NB NM NS NS Z PS PSNB NM NM NS Z PS PM PMNB NM NS Z PS PS PM PMNB Z Z PS PM PM PB PBNB Z Z PS PM PM PB PB由模糊数学，双输入单输出控制系统基本的模糊关系为： (26)R= (27)采样时刻的偏差和偏差率为： (28) (29) 在这里，和为精确值，经过模糊化处理得到模糊量E(t)和Ec(t)。用精确值和分别乘以比例因子和，得到模糊量E(t)和Ec(t)。设实际系统e的范围为-，的范围为-，根据模糊论域的范围-n，n,可以得到：偏差比例因: 偏差变化率比例因子: 模糊化得: 由于模糊论域为-6到6之间的整数，因而对于结果为非整数的变量，采用四舍五入的方法将其整数化。根据推理公式(=)对输入量进行推理判断，给出控制量。 (30)最后，根据控制要求进行模糊判决。通常采用的模糊判决方法有最大隶属度法、取平均值法和加权平均法。本系统采用加权平均法将模糊量精确化： (31)式中，是控制量的档数；表示属于的隶属度。根据试验经验取合适的控制器参数初值和，根据模糊控制得到修正系数和，带入公式(下)中计算。软件过程中，控制器通过对模糊规则的结果处理进行查表运算，从而对PID参数实时的校正。4.5.2 软件设计EPS系统控制器的软件设计主要包括以下几个方面：系统初始化、数据采集、助力电机控制、离合器和继电器控制以及故障诊断与输出。可以看出EPS系统是一个多任务执行系统，为了保证系统执行的速度，在软件设计上采用了中断的方式，车速信号的采集采用频率捕捉的模式，点火信号由单片机的外部中断申请处理，同时故障的检测也采用外部中断的方式进行。这样有利于提高系统的实时性和安全性。下面讲下初始化模块和主程序模块。内部总线频率设置IO端口设置中断寄存器设置AD寄存器设置PWM初始化定时器设置结束开始图23 初始化过程的程序流程图Fig.23 The initialization process flowchart 初始化模块用于建立控制器运行的初始条件，为主程序模块的功能执行做基础。系统初始化主要需要完成以下操作： (1)根据晶振频率设定系统的内部总线频率；(2)端口初始化；(3)AD模块初始化；(4)频率捕捉定时器设置；(5)PWM初始化；(6)中断管理初始化。初始化过程的程序流程图如图22所示。主程序模块主要是ECU软件设计的主体，主程序中对单片机系统进行初始化后，采用中断循环的方式实时检测传感器的数据和助力请求，判断是否需要助力，在助力介入时，控制电压反馈的闭环控制实现EPS助力控制。主程序的程序流程图如图23 a)示。 电动助力转向系统的数据采集包括发动机信号、车速信号和扭矩信号等。发动机信号和车速信号是数字信号，经滤波处理即可。信号采集程序的设计主要是扭矩信号的处理。如图23b)是扭矩信号的采集软件设计流程图。开始设定存储开始、 采样次数、清除部分存储单元选通转换为无符号7位格雷码转换为二进制送存相应单元计数为0?零？RETYN。 a) b)图24 主程序流程图和扭矩信号流程图 Fig.24 The main program flowchart and Torque signal collection 车速和转速信号均属于脉冲信号，经过三极管的放大之后，接到44b0的中断上。每次信号来的时候，就引发中断，在中断程序中保存的脉冲个数加1。在主程序中每隔一段时间就读取脉冲个数后再清零，重新进行计算 中断程序： void EINT0Isr(void) UINT ifs； ifs=interrupts_disable()； bsp_puts(EINT0中断.n)； Speed+; rPDATC=1； interrupts_enable(ifs)； rIISPC=BIT_EINT0； 驱动电机,在代码中通过控制MC33883来驱动电机。 左转代码： void LeftDone(int vo1) rPDATC l_1； /MC33883 GN控制置高，关闭输出 rTCON&=-(120)； /关PWM4 rTCNTB4=2000； rTCMPB4=vol； rTCON|=123； rTCON&=-(122)； rTCON|=121； 手工装载定时器的计数值 rTCON&=(121)； rTCON|=120： 开PWM4 rTCON=(121)； rPDATC=1； /MC33883 GN控制低，打开输出 rPDATC|=l2； /电机离合器闭合 右转代码： void RightDone(int vo1) rPDATC I=l； /MC33883 GN控制置高，关闭输出 rTCON&=(18)； /关PWMl rTCNTB 1=2000； rTCMPBI=vol； /设置占空比 rTCON|=111； rTCON&=(110)； rTCON|=l9； /收工装载定时器的计数值 rTCON&=(19)； rJTCON|=18： /开PWM1 rTCON&=(19)； rPDATC&=1： rPDATC I_l2； 电机离合器闭合 5 EPS功能试验方法分析及要求 试验台架由机械部分、电控部分和数据采集与显示部分组成。主要包括台架固定部件、助力转向机构、模拟输入电机、输出模拟阻尼器、转矩传感器、电源、航空插头、数据采集卡以及工控计算机等。试验台架系统由计算机系统设定试验车速值，系统输出相应频率的脉冲，模拟输入电机根据计算机设定，模拟方向盘输入大小线性变化的扭矩。模拟阻尼电机输出一定的阻力矩模拟路面。ECU同时检测车速脉冲和输入扭矩，根据助力算法驱动助力电机提供大小合适的助力矩。同时，由工控机的数据采集卡采集电机电流和其他各参数，显示电流与输入力矩的关系等表征EPS特性好坏的曲线。并将数据存入数据库。根据我国制定的汽车电子助力转向装置传感器技术条件与试验方法、电动机技术条件与试验方法、电子控制器技术条件与试验方法、装置技术条件与台架试验方法四项基本标准，对EPS具体的技术要求分为以下几部分： (1)模拟不同车速转动转向盘的过程中感觉在转动转向盘的过程中应平滑、无卡滞、转向盘无明显振动，转动转向盘至任意角度停下时转向器输出端不应有惯性延时现象。(2)按照不同的车速测量输入、输出力矩力并绘制力矩特性曲线，电子助力装置的助力特性应符合设计要求，各车速下的曲线对称度不小于85。(3)按照不同的车速，测量输入轴力矩并绘制助力电流特性曲线，该特性应符合设计要求。(4)在转向器输出端施加冲击力，电动机应迅速反应制止转向盘转动，冲击时电流响应时问不超过lO毫秒，在转向盘上不能产生大于3的转动角度。(5)检查电子助力转向装置在电源关闭和接通状态下转动的机械摩擦以及任何可能的机械阻力，转动阻力矩及其波动应符合设计要求。(6)低速行驶回正时，回正特性曲线应通过原点：高速行驶回正时，回正特性曲线允许有残留角，该值不大于5。 (7)任一元件及线路损坏，故障代码或故障报警显示灯应立即显示。 (8)系统的机械特性、电磁特性、噪音指标已经高低温试验都必须达到国家相应的标准。6 总结与展望6.1 总结 本文在分析了电子助力转向系统发展背景和原理的基础上，建立了系统和各部分的数学模型，在模型分析的基础上给出了系统的动力学方程。分析了系统的稳定性，并以此为依据设计了EPS控制器的硬件电路和软件控制策略，完成了EPS控制器系统的硬件和软件开发。为了验证系统的性能，按照相关试验的要求和方法在试验台架上对系统的功能进行了模拟试验验证，在试验中完善了系统的助力特性。最后分析了对助力电机系统产生影响的几个主要因素，给出了降低影响的方法。 通过本文的研究工作得到以下结论： (1)EPS系统的研究还处于发展阶段，虽然目前已经有许多方法对EPS系统的建模，但
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