毕业论文-汽车电动助力转向系统设计.docx

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书汽车电动助力转向系统设计机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017 年 6 月第 2 页 共 35 页汽车电动助力转向系统摘要随着时代的发展和科技的进步，汽车成为了人类生活必不可少的多功能性工具，在人类对它产生巨大的依赖性的同时，人们也在不断的提升汽车的各方面性能。转向系作为汽车底盘的四大系统之一，不但决定着汽车机动性和灵活性的，同时也关系着汽车的安全性和舒适性。故此，人们在不断地探索和研发能够满足人类对舒适、安全、简便及智能等各方面要求的汽车助力转向系统。本文通过对汽车电动助力转向系统的发展历程及发展前景进行介绍，讲述了汽车电动助力转向系统的工作原理，直流电机的结构及工作原理。在对EPS系统的控制策略进行讨论后，对系统进行整体设计。在对系统关键器件的选择作必要的介绍，同时重点介绍ECU芯片的选择及助力电机的选择后，对EPS系统的传感器信号处理电路和系统控制电路进行设计。本文重点对EPS的硬件部分进行设计，不作软件方面的说明。汽车电动助力转向系统在环保节能性、可靠性、主动安全性、舒适性、集成电控和环境适应性等各方面有明显的优点，是汽车助力转向系统向智能时代发展的标志，是在大时代背景下应运而生的满足市场需求的一项汽车技术。 关键词：汽车电动助力转向系统，直流电机，控制策略，EPS电路设计Electric Power Steering SystemAbstractWith the development of The Times and the progress of science and technology, the car became the versatility of the necessary tools for human life, in the human great dependence on it at the same time, people also constantly improve all aspects of performance. The steering system is one of the four systems of car chassis, which determines mobility and flexibility, as well as the safety and comfort of cars. Therefore, people are constantly exploring and developing a system that can meet the demands of people for comfort, safety, simplicity and intelligence.This article through to the development of the auto electric power steering system is introduced, and the development prospect about the working principle of the auto electric power steering system, the structure and working principle of dc motor. After discussion of the control strategies of EPS systems, the overall design of the system is carried out. The choice of key components in the system introduce the necessary, at the same time focus on ECU chip selection and the choice of power motor, sensor signal processing circuit of EPS system and system control circuit is designed. This article focuses on designing the hardware part of EPS, not as a description of software. Auto electric power steering system in active safety, environmental protection and energy saving, reliability, comfort, integrated electronic control and environmental adaptability and so on various aspects has obvious advantages, is the automobile power steering system to intelligent sign of The Times, is under the background of big time arises at the historic moment of an automobile technology to meet the market demand.Key words: Electric power steering system, dc motor, control strategy, EPS circuit design中北大学2017届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1 研究目的及意义11.2 汽车助力转向系统发展概述11.2.1 液压助力转向系统21.2.2 电控液压助力转向系统31.2.3 电动助力转向系统41.3 国内外研究现状及发展趋势51.3.1 国外研究现状51.3.2 国内研究现状61.3.3 发展趋势71.4 本文研究的主要内容91.5 本章小结92 汽车电动助力转向系统控制策略设计102.1 EPS基本控制方式102.1.1 助力控制102.1.2 回正控制102.1.3 阻尼控制112.2 EPS系统的PID控制112.3 EPS车速和转矩的控制122.4 电流反馈闭环控制122.5 本章小结133 汽车电动助力转向系统的整体设计143.1 EPS系统的工作原理143.2 EPS系统的选型153.3 EPS的系统框架设计163.4 EPS系统关键元器件的选型173.4.1 传感器的选型173.4.2 助力电机的选型183.4.3 ECU芯片的选型203.5 本章小结224 汽车电动助力转向系统控制器的电路设计234.1 ECU整体构成234.2 ECU硬件模块电路设计244.2.1 MCU的电路设计244.2.2 扭矩传感器的信号处理电路设计274.2.3 车速传感器的信号处理电路设计284.2.4 电流反馈电路设计294.2.5 电机驱动电路设计294.2.6 CAN通讯电路设计314.2.7 电源模块电路设计314.2.8 故障检测324.3 本章小结325 总结335.1 结论335.2 展望33参考文献35致谢38 第 II 页 共 II 页中北大学2017届毕业设计说明书1 绪论1.1 研究目的及意义电动助力转向系统是在人们对汽车性能不断的追求下应运而生的一项致力于提高汽车转向系统性能的技术。众所周知，汽车转向系的性能直接影响到汽车的舒适性和操纵稳定性，同时对行驶安全和驾驶员的人身安全起决定性作用，也对驾驶员在驾驶舱的工作环境以及工作条件起到决定性作用。所以，汽车电动助力转向系统的开发是大势所趋，是市场的需求，是驾驶员的要求。这也就是EPS一经问世便得到快速发展的缘由。汽车电动助力转向系统在经历几十年的发展后，在技术与经验的积累下，已经在逐步的代替原来的传统液压转向系了。但其仍然存在很大的提升空间，且国内对EPS系统的研究也只是处于起始阶段，所以对EPS系统进行研究具有一定的价值。随着电机控制技术和电子技术的快速发展，在我们当今这个汽车进入快速发展的时代，汽车电动助力转向系统也便成为了汽车技术中的一项焦点技术，它在汽车行驶的过程中能有效的提供转向轻便性和路感，让驾驶员在驾驶过程中能拥有良好的驾驶体验。同时，在人们不断的追求中，智能驾驶也很快被提议出来，且付诸实践，电动助力转向系统则被赋予了更多人性化的智能功能，譬如自动泊车技术和自动转向规避碰撞技术，使得汽车整车智能性能和安全性能都得到很大的提高。它的操作轻便、响应迅速、无污染、安全、舒适等各项优越性使得汽车电动助力转向系统逐渐成为人们青睐的汽车助力转向系统，是当今汽车上必不可少的一项性能评价指标。所以，我们更有必要对EPS系统进行深入研究。1.2 汽车助力转向系统发展概述汽车在转向过程中通过其他非人力的形式来提供转向助力的方法称为助力转向，助力转向的主要目的是在通过对信号集成控制后辅助驾驶员实现汽车转向，同时保证驾驶员在低速转向时转向相对轻便，高速转向时又具备一定的路感。助力转向在汽车经济性、安全性及舒适性都扮演着一定作用的重要角色，是现在汽车转向系统不可或缺的重要组成部分。汽车助力转向系统的差异根据外界提供助力的形式来划分，通常情况下可分为三大类：第一类：液压助力转向系统（HPS）第二类：电动液压助力转向系统（EHPS）第三类：电动助力转向系统（EPS）通过各类型性能对比分析差异，在助力特性上：HPS助力效果一般，EHPS助力效果中等，EPS助力灵活且准确；在燃油特性上：HPS耗油多，EHPS油耗中等，EPS耗油少；在环保性能上：HPS对环境污染大，EHPS对环境污染中等，EPS对环境污染小；在安装维护上：HPS安装维护不便，EHPS安装维护不便，EPS安装维护便捷。对比分析可知EPS在助力转向系统中的优越性，其各个性能的优越性奠定了汽车电动助力转向系统在汽车助力转向系统中的重要地位，也使得电动助力转向系统得到快速的发展和很好的多功能性完善。1.2.1 液压助力转向系统液压动力助力转向系统在1953年开始被通用汽车公司首次使用，从此这项技术便得到快速发展，并且在液压动力转向系统的整体体积、销售价格和功率消耗等方面都取得了很大的进步1。机械式液压助力转向系统一般由储液罐、液压泵、油管、转向控制阀、助力油缸及机械转向系统组件等构成。机械式液压助力转向系统的驱动动力来源于汽车的发动机，发动机皮带直接驱动液压泵实现系统运作，当系统开始运作的时候，转向控制阀就根据转向盘上转向力矩的大小来控制通向助力油缸的液压油油压，从而控制转向助力力矩的大小。液压助力系统的能耗相对较高，因为无论系统是否需要转向助力，液压缸都需要保持一定的液压，为后续助力做好准备。同时，传统的机械式液压助力转向系统由于受到液压系统本身的限制，所以其还有许多跟液压系统相关的缺陷，例如以下缺点： 液压助力转向系统的助力特性是直接由系统的转向控制阀来控制的，所以一旦转向控制阀的结构确定好过后，那么系统的助力特性也就确定下来了，且是无法改变的了，除非换了转向控制阀； 由于助力转向系统没有传感器，无法获取车速信号，所以系统的助力特性是和车速没有关系的，也因此使得系统没有获得良好的轻便性和路感； 液压助力转向系统的液压油容易泄漏，且橡胶油管污染环境； 液压助力转向系统的系统元器件非常繁多，且系统的结构也极其复杂，因此也占用了很大的空间； 液压助力转向系统的低温助力特性不好2；由于多年的技术积累和经验积累，液压助力转向系统技术相当成熟，并且适合在提供相对较大的转向助力条件下使用，所以目前大部分商用车特别是重型车辆都广泛应用这种助力形式的助力转向系统。1.2.2 电控液压助力转向系统日本的丰田汽车公司在1973年的时候首先开发出了具备车速感应功能的助力转向系统。随后，日本的本田汽车公司和五十铃汽车制造公司在丰田汽车公司的启发下也都分别在1980年和1982年相继的开发出了类似的带有车速感应功能的助力转向系统，德国的ZF公司总结相关经验后，在此基础上开发出了Servotronic型和Servocom型两款通过电子控制电机从而控制液压的助力转向系统1。电控液压动力转向系统是对机械式液压助力转向系统进行了改进，它是在机械式液压助力转向系统的基础上加了电子控制和执行元件，通过将车速信号引入到转向系统中，从而实现了具有车速感应性能的助力特性。电控液压动力转向系统用电机代替发动机驱动液压油泵，根据车速和转向角速度控制电机转速，来控制液压油流量，从而控制输出的助力力矩。电控液压动力转向系统虽然在一定程度上降低了油耗，避免了不必要的功率损失，同时在具备车速感应型助力特性的条件下，使得转向系统具有一定的转向轻便性和路感，获得了良好的助力效果；但是电控液压助力转向系统只是在液压转向系统的基础上增加了传感器和电子控制器等元器件，不但没有克服液压系统本身带来的一系列缺陷，反而使得系统成本有所增加、结构更加复杂；同时传统机械式液压助力转向系统所具有的车辆布置、系统安装、结构密封性、环境污染、维护检修等缺点也依然没有得到很好的改进3。所以电控液压助力转向系统只是在机械式液压助力转向系统的基础上进行了升级，并不是人们心目中追求的汽车助力转向系统，人们在追求的是更为先进的满足人性化，智能化，安全且舒适的助力转向系统。1.2.3 电动助力转向系统电动助力转向系统，简称EPS4。它是在机械转向系统的基础上通过电子技术对电机输出的扭矩进行控制，从而实现转向助力的。首先，它的能源来自于汽车的车载电池；其次它是以电机作为动力输出的一种摆脱液压助力的转向助力系统。其上的电子系统通过对作用在转向盘上的转矩大小和方向以及车速信号进行相应的处理后，进而控制电机的输出力矩，从而辅助驾驶员实现汽车转向。电动助力转向系统在获得最佳转向助力特性的同时还能保证驾驶员拥有良好的路感和转向轻便性，是一个良好的转向助力伺服系统。1988年3月，日木铃木汽车公司开发出了一种从本质上真正的避免了液压动力转向系统缺陷的电子控制式转向助力系统。EPS的原型是EHPS(电控液压助力转向),它是人们为了避免液压系统的缺陷在EHPS的基础上发展起来的，因此EPS具有相对简单的结构，较少的元器件，且其可靠性也通过电子技术大大的得到提高。最早研制出汽车电动助力转向系的是日本光洋精工株式会，最先安装在日本铃木的赛尔沃轿车上。随后EPS技术进入快速发展阶段，从开始的用于微型轿车到如今的用于大型轿车和商用车上，EPS技术日趋成熟，应用范围愈加广泛，助力形式也由低速、转向柱助力型向全速、齿条助力型发展5。由于技术不少很成熟、制造相对困难以及维修成本较高等实际的限制因素，目前汽车转向系统的实际应用仍以液压助力的HPS(包括EHPS)为主。但EPS和传统的液压助力转向系相比，具有一系列的优点： 节约能源； 环保无污染； 转向轻便灵敏，响应迅速； 具有良好的回正特性和直线行驶的稳定性,增强了路感； 改善了驾驶员的工作条件，提高了汽车的舒适性； EPS的结构比较简单，占用的空间较小，布置也很方便；电动助力转向系统在主动安全性、环保节能、可靠性、集成电控和环境适应性等方面具有明显的优点，代表着汽车转向系统的发展方向，是将来汽车转向系统在市场上的潮流，在人们对汽车各方面性能的不断追求下，也必将很快普及市场6。1.3 国内外研究现状及发展趋势1.3.1 国外研究现状1988年2月，最先开发出了EPS系统的日本的铃木汽车公司将其装备于Cervo的微型轿车上，随后还装在了Alto汽车上。1993年，界上第一个将EPS作为标准装备配置在高级运动跑车Acura NSX上的汽车制造商是日本的本田汽车公司7。随后，日本大发汽车公司的Mira和三菱汽车公司的Minica也都相应的安装了EPS系统。从此，人们开始逐渐对电动助力转向技术进行深入研究，并取得了相当的成效，使得EPS得到快速发展。日本的精工株式社会（NSK）、英国的汽车零配件企业Lucas、美国的德尔福公司（DELPHI）和天合汽车（TRW）集团以及德国的采埃孚（ZF）集团等也都相继的研究开发出了具有各自特色的EPS系统。其中菲亚特汽车公司和雷诺汽车公司率先采用电动助力转向技术，且分别在A、B、C级轿车的转向柱上都安装了EPS助力电动机，两家公司有约70的车型均采用了转向柱助力型EPS8。虽然欧美和日本相比较而言在EPS开发上要晚十年左右，但其开发的力度大，投入研究的费用高，所以两者在技术上平分秋色，并无多大差距，且他们的大部分汽车都安装了EPS系统。在国外，EPS产品从最初的转向管柱助力式发展到齿轮助力式，到现在的齿轮齿条助力式；从有刷直流电机作为驱动动力到无刷直流电机作为驱动动力；从控制转矩信号、车速信号等基本信号到对转矩、车速、转角、点火信号、电流、轴重等信号的集成控制；可以说EPS的发展是飞跃式的发展。EPS控制技术在国外已经从开始的常规助力控制发展到如今的主动阻尼控制、主动回正控制和底盘集成控制了。在这些技术的支持下，汽车的转向轻便性和路感之间协调性逐步提高，驾驶员的操纵稳定性、舒适性以及安全性也都大步飞升。 1.3.2 国内研究现状我国对EPS的研究开发相对国外较为落后，直到2000年的时候，我国生产的“北斗星”汽车才装上了由有刷直流电机作为驱动力的转向柱助力形式EPS,且是从日本进口的。此后，国内的EPS研发才逐渐拉开帷幕，但其研发项目大都建立在模仿“北斗星”EPS的基础上，基本上我国自主品牌研发的都是由有刷直流电机作为驱动力的转向管柱式结构的EPS产品8。目前我国对EPS系统的研究仅局限于控制理论和控制策略的研发，处于研发的初始阶段，和国外的EPS技术相比较有很大的差距。国内高校和车企在EPS的引进后都纷纷对EPS系统进行研究，他们主要的研究方向大都是针对微型轿车使用的转向管柱助力形式EPS。其中，吉林大学是最先开始对EPS展开研究的高校，吉林大学研究的领域主要是针对电机的助力特性和控制策略两个方面，同时为了利于研究的推进，他们还开发了有助研究EPS的试验台。继吉林大学之后，从2003年开始，北京理工大学也加入到研究EPS的队伍中，相对于其他高校而言，北京理工大学把研究的领域扩大到电控液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控助力转向系统，具有一定的全面性和前瞻性，既不丢下原有的电控液压转向系，又在研发电动助力转向系的同时率先对前沿的线控转向系进行研究，可谓是面面俱到，远见卓识。随后，国内的高校也都纷纷站入研发EPS的队伍，其中知名的高校包括清华大学、天津大学、华中科技大学等等，这些都是国内对EPS进行研究的时间较早且较长的高校。国内的汽车公司更是在市场的催促下，也都迅速的进入研发EPS的状态，其中知名的车企包括昌河铃木、浙江吉利、广州本田、 重庆长安等等。且有些汽车公司已经将EPS装在某些车型的汽车上了，例如杭州的新世宝电动转向系统有限公司、株洲的易力达机电有限公司和武汉恒隆集团等。他们都研发出了具有各自特色的相对成熟的EPS产品了。国内的学术研究现状为： 上海交通大学的何字满的学术研究表明，在重点对电机的助力特性曲线进行设计，并对助力控制、回正控制和阻尼控制以及摩擦补偿、惯性补偿和阻尼补偿策略进行仿真后，其仿真结果表明了控制策略能有效的对汽车的回正特性和助力特性进行改善9； 针对一款电动客车的EPS系统，把路感和转向灵敏度作为优化的目标，把操纵稳定性作为边界条件，对系统进行多目标遗传算法控制参数优化，其仿真结果表明：进行优化后的EPS系统在路感和转向灵敏度上都有一定的提升，且真车试验与仿真结果非常吻合10； 清华大学的季学武研究团队通过用卡尔曼滤波器从角度传感器中获取角加速度信号的方法，对EPS系统中惯性补偿所需的无刷直流电机的角加速度信号来源进行研究11，通过台架试验对分别提取自角度传感器和扭矩传感器的角加速度信号进行比较，试验结果表明，扭矩传感器的角加速度信号更有利于惯性补偿12； 针对永磁同步式助力电机的弱磁控制策略进行研究，通过仿真和台架试验分别比较电流控制和电压控制对助力电机的影响，结果表明，电压控制更适用于弱磁控制13；可以说，国内对EPS的研发虽然较国外而言晚了很多，但这十几年来，我国汽车人在EPS的研究上也是取得了很大的进步的。在市场需求的催促下，在技术不断发展的基础上，我国EPS的研究开发必将会更上一层楼。1.3.3 发展趋势汽车助力转向系统稳健发展，从纯机械无助力开始，到由液压进行助力出液压式，再到由电机控制液压助力的电控液压式，最后发展到今天的直接由电机作为驱动动力的电动助力式，以及处于研制阶段的将来有望实现的线控式技术，可以说汽车的转向助力系统得到了质的跨越。EPS也是在一直不断的发展、更新、完善。在应用上，现今的EPS不仅仅用于微型轿车，更是用到了大型轿车甚至商用车上。在助力形式上，现今的EPS不再只是以前的转向柱助力式了，而是全面的发展到了齿轮齿条助力式14。从目前世界各国的研究现状来看，电动助力转向系可大概分为四类：一、液压电动转向系统EHPS；二、电动转向助力系统EPS；三、主动前轮电动转向系统AFS；四、线控电动转向系统SBW；这四类系统也反映了汽车助力转向系统近二十几年来的发展历程，其中线控电动转向系统是目前最为先进和前沿的转向技术，它和上述各种助力转向系统的根本区别就是线控电动助力转向系统的转向盘和转向轮之间没有通过机械连接，而是直接控制转向轮15。由于技术、制造、维修和成本等实际因素，目前汽车转向系统的实际应用仍以液压助力的HPS(包括EHPS)为主。线控电动助力转向系统由于成本高、技术不成熟以及现有法规限制等原因，在未来短时间内很难在汽车上装配应用。在未来，汽车转向技术将进入电动助力时代，随着传感器技术、控制策略、电机技术、电子技术等关键技术的不断进步和完善，以线控电动助力转向技术为标志的全助力转向系统将成为汽车转向技术的焦点。EPS今后的研究焦点主要集中在以下几个方面：(1) EPS的控制策略：控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电机的目标力矩，通过对车速及扭矩信号的处理辅助驾驶员在实现汽车转向时减轻驾驶员对方向盘的操纵力，同时获得较好的路感。控制策略决定了EPS的性能，是EPS研究中的技术重点16；(2) 系统匹配技术：助力特性的匹配、电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以及EPS系统与其它子系统进行匹配，是使整车性能达到最优的关键2；(3) 可靠性：汽车的转向系关乎整车的行驶安全和驾驶员的人身安全，同时决定了汽车的机动性和灵活性，所以我们必须保证EPS的可靠性。EPS在良好的硬件基础上还需要优秀的软件系统来实现系统的功能，所以我们必须对EPS各方面的可靠性具有严格的要求17；目前，基于电动助力转向系统延伸开发了许多新的系统： 日本的日产汽车公司设计了一个驾驶员在转弯时可辅助驾驶员操作的系统； 自动泊车系统； 沃尔沃公司开发了自动转向规避碰撞系统(Collision Avoidance by Auto Steering)；EPS同时具有节能，环保与人性化、智能化等诸多优点，将在今后一段时间内取代HPS,成为汽车转向系统的主流系统。1.4 本文研究的主要内容本文是通过对汽车电动助力转向系工作原理的理解，结合国内外汽车电动助力转向系的研究现状及发展趋势，在转向柱式助力机构的基础上对系统的传感器信号处理电路及系统的控制电路进行设计研究。具体的设计思路是：首先确定系统的控制策略，而后设计EPS的系统框架，进而对系统的ECU芯片进行选择，对系统的助力电机进行选择，对系统的传感器类型进行选择，最后设计系统的相关电路。本文设计的EPS系统采集的是系统的方向盘转矩信号、车速信号以及助力电机的电流信号，通过对车速信号和转矩信号控制来确定助力电机输出的目标转矩，同时对助力电机的实时电流进行反馈闭环控制。如此，EPS系统的控制器性能可以得到很好的优化，从而使EPS系统的整体性能也非常良好。本文设计的EPS是在转向柱助力形式基础上对EPS系统的硬件电路进行设计，主要设计系统控制电路，具体的硬研究内容可分为以下几点： 了解电动助力转向系统的工作原理； 分析直流电机结构，了解其工作原理； 设计系统控制策略； 设计传感器信号处理电路； 设计系统控制电路； 分析控制器核心芯片；1.5 本章小结本章先是讲解了本文的研究目的和意义，然后对EPS的国内外研究现状及发展趋势进行讲解，进而对汽车电动助力转向系统的发展历程进行讲解，主要介绍汽车助力转向系统的发展概况以及EPS的发展概况，最后说明本文研究的主要内容。2 汽车电动助力转向系统控制策略设计2.1 EPS基本控制方式为了使EPS系统具有良好的控制性能，需要给其制定完善的控制策略。一个好的控制策略决定了整个EPS系统的助力效果，它能根据实时车速、扭矩给出最优控制，让电机输出适合此工况的助力力矩，提高系统性能和可靠性，给驾驶员良好的驾乘体验。助力控制、回正控制、阻尼控制是EPS系统的基本控制方式。2.1.1 助力控制所谓的助力控制就是在汽车转向的过程中，系统通过减速机构把电机输出的转向助力力矩作用到机械转向系上，根据助力形式可将力矩作用在转向柱上、齿轮和齿条上，从而减轻驾驶员对方向盘的操纵力的一种基本控制方式。其具体实现步骤如下： 输入车速信号； 输入由转向盘力矩大小和方向； 根据车速和转向盘力矩，由助力特性曲线确定电机目标电流； 输出目标助力力矩；2.1.2 回正控制所谓的回正控制就是改善转向助力系统转向回正特性的一种控制方式。在汽车转向时，转向轮的自动回正特性缘于转向轮主销后倾角和主销内倾角。随着车速的加快，转向轮的回正力矩也因此增大，同时轮胎与地面之间的侧向附着系数减小，两者结合起来使得回正性能提高。当驾驶员松开方向盘时，由于回正特性，方向盘自动回正，而在转向盘回正的过程中，需要考虑两种情况： 回正力矩过大，转向盘回正超调； 回正力矩过小，转向盘不能回正；对于前者，我们可通过阻尼控制来防范，而后者则需要进行助力补偿。转向助力系统会根据转向盘回正力矩的大小和方向去判断转向盘的所处的回正状态，然后对电机进行相应的回正控制：低速行驶时，在转向回正过程中，对EPS系统进行断路控制，从而保证机械转向系具有原来的回正特性；高速行驶时，在转向回正过程中，通过采用阻尼控制来防止转向盘回正超调。2.1.3 阻尼控制所谓的阻尼控制就是在汽车处于高速运行的状态下为防止转向轮回正超调而所采用的一种控制方式。当汽车运行在高速状态时，如果驾驶员对于转向系的操纵过于轻便且系统响应非常灵敏，那么汽车的行驶稳定性会受到一定威胁，使得行驶安全系数较低。此时，转向系统可通过增加阻尼控制来提高汽车行驶稳定性，从而保证在高速运行时汽车的转向轮能够正常的回正。2.2 EPS系统的PID控制PID控制算法是一种线性控制算法，它根据给定值x与实际输出反馈值f构成控制偏差e，即e=x-f。将偏差e的比例(Proportion)、积分(Integral)及微分(Differential)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称为PID控制算法1819。传递函数：G（S）=KP+KP/（Ti*S）+KP*Td*S （式4.1）式中，Kp为比例常数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。三个基本参数作用分别是：(1) 比例控制：是按比例反应系统实际值与目标值的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差，比例作用大，可以加快调节、减少误差，但是过大的比例会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定；(2) 积分调节：是使系统消除稳态误差，提高无误差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之则越弱，加入积分作用会使系统稳定性下降，动态响应变慢，所以常和另外两种调节方式结合使用；(3) 微分调节：微分调节作用具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，将其消除，这个作用就能改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少调节时间；在EPS系统中，PID的控制对象是电机的电流。EPS集成控制模块实时地采集转矩信号和车速信号，根据转向助力特性曲线来确定目标电流的大小，并通过输出不同PWM信号占空比来控制。在采集到实际流过电机的电流后，将其与目标电流进行比较，二者之间存在有一个偏差e(t)，系统根据偏差e(t)，通过PID控制算法使实际电流可靠、迅速地逼近目标电流，使电机实现理想的助力输出。PID的三个基本参数Kp、Ti、Td一般由试验来确定，也就是根据实际应用对象来初步确定，然后在运行过程中调节，以达到相对理想的效果。为了减小单片机的运算量，提高运算速度，通常采用2的整数倍来放大的方法确定这些参数，在运算中再除以2的整数倍，而单片机可以通过移位来实现。2.3 EPS车速和转矩的控制EPS系统通过对从传感器传来的扭矩信号以及从CAN收发器传来的车速信号进行实时控制，根据实际车速大小，方向盘扭矩大小及方向确定助力电机的目标助力力矩，从而实现系统开环控制，提高助力效果，增强EPS系统控制性能，其原理图如下图2.1所示：控制器M扭矩信号车速信号图2.1 车速、扭矩信号控制原理图2.4 电流反馈闭环控制为增强EPS系统助力效果，提高EPS系统控制性能，系统对电机实时电流进行检测，将其反馈给MCU，MCU根据实际电流与目标电流的差值，调整电机电流，使其输出电流逼近目标电流，从而使电机输出力矩接近目标力矩，实现系统闭环控制，优化系统控制功能，进一步提高EPS系统整体性能。电流信号反馈闭环控制原理图如下图2.2所示：M控制器电流采样图2.2 电流信号控制原理图2.5 本章小结本章先是介绍了EPS系统的控制策略中的三个基本控制方式，继而又介绍了具有一定精确性的PID控制，在此基础上对EPS系统的车速信号和转矩信号采用开环控制，对EPS系统的电机电流进行闭环控制，从而实现系统最优控制，使系统拥有良好的助力效果，进而提高EPS系统的整体性能。3 汽车电动助力转向系统的整体设计3.1 EPS系统的工作原理汽车电动助力转向系统主要由执行器即助力电机、控制器即电子系统、传感器部分即扭矩传感器和车速传感器、减速机构等部分组成。其示意图如下图3.1：图3.1 EPS系统示意图由上图的结构示意图分析EPS的工作原理：当驾驶员的手力作用与方向盘时，扭矩传感器获得一个信号，并传给ECU，同时车速仪表盘将车速信号通过CAN通信方式传给ECU，此时ECU根据转向盘扭矩的大小及方向和当前的车速，按照预存的助力特性曲线计算出电机的输出电流，而后将信号传给驱动电路，驱动电路则驱动电机输出相应的目标助力力矩，与此同时，电流传感器采集电机回路中实际的电流信号，将实际电流与目标电流进行对比，如果与目标电流有误差，那么将通过PID控制算法调整实际电流，使其达到目标值，从而达到良好的助力效果，实现系统的转向助力功能。EPS还应该具备安全保护和故障诊断等功能，从而保证EPS在无法正常工作的情况下能给驾驶员提供相应信息，确保驾驶员的行车安全。3.2 EPS系统的选型汽车电动助力转向系统的助力形式有三种类型，它是根据系统的执行器即助力电机在系统中所处的位置的不同来区分的，一般可将其分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种类型20，其结构示意图如下图3.2所示：图3.2 EPS助力类型结构示意图转向柱助力式EPS又称C-EPS，它是将助力电机、传感器、控制器和减速机构等直接安装在转向柱附近的EPS系统，工作时通过减速机构驱动转向管柱助力。其结构紧凑，工作时环境温度变化小，保护较好，且响应性能较好；但由于考虑到驾驶员腿部空间的问题，助力电机和控制器的体积受到一定的限制，从而导致了最大助力力矩有所限制。转向柱助力式的EPS系统通常主要应用在前轮载荷相对较小的车型上。齿轮助力式EPS又称R-EPS，它是将助力电机、传感器、控制器和减速机构等直接安装在转向齿轮附近的EPS系统，工作时通过减速机构驱动小齿轮助力，这使得它的助力力矩较大。由于其助力电机和控制器安放在发动机舱内，是一个接近底盘的位置，受到汽车行驶时各方面因素的影响，所以R-EPS的工作环境相对而言较为恶劣。这就影响了系统的整体性能，使得无论是系统的寿命还是系统的精确度和可靠性都大打折扣。R-EPS又可以分为单齿轮助力和双齿轮助力两种类型，两者主要差异在于转向柱小齿轮和助力电机驱动的小齿轮是否为同一个，若为同一个，则为但齿轮助力，反之则为双齿轮助力。齿条助力式EPS又称P-EPS，它是将系统的执行器即助力电机、传感器、控制器和减速机构直接安装在齿条附近的EPS系统，它在工作时是将助力电机的力矩通过减速机构进行减速增扭后直接驱动齿条进行助力的，由于绕开了转向柱和齿轮等机械部分，所以它相对于前两个助力形式而言具有最高的传动效率。P-EPS的电机安装空间非常充裕，可以安装大尺寸大功率电机，从而提供较大的转向助力扭矩。由于助力电机布置远离驾驶舱，所以大大的提高了汽车碰撞时的安全，但同时由于太靠近底盘了，所以致使其工作环境与前两者相比又最为恶劣。我们通常又将P-EPS细分为平行轴式的P-EPS和带传动式的P-EPS。一般情况下，中型轿车和SUV会采用这种助力形式的EPS,但因其传动效率最高，且空间占用较小，所以现在的很多小型车也开始采用齿条助力式EPS了。本文的EPS系统采用转向柱助力形式，后续设计都是基于转向柱助力形式的EPS去设计的，系统的减速机构则采用的是蜗轮蜗杆机构。3.3 EPS的系统框架设计汽车电动助力转向系统的发展离不开电机控制技术和电子技术，近年来，由于电机控制技术和电子技术的迅速发展，汽车电动助力转向系统也取得了飞跃式的发展。EPS系统的整体设计着重于电机的控制和电子元器件的选型，一个性能良好的EPS系统是由设计时的电机控制策略及电子元器件的选择所支撑的。本文设计的EPS系统是一个将电流作为反馈形成闭环控制的系统，其主要是由传感器、控制器（ECU）和执行器三大主要部件构成的。系统的传感器将采集到的转矩信号、车速信号和电流信号经过相应的处理后将其输入到ECU中，通过ECU内部控制算法运算出电机目标电流，然后传递信号给驱动电路，驱动电路驱动助力电机实现助力转向。其中传感器主要提供电流信号、扭矩信号、车速信号，执行机构由助力电机和减速机构组成，负责输出目标力矩。控制器是本文的研究重点，本文在硬件基础上对EPS系统的控制器进行设计，其功能主要是接收来自传感器的信号，然后运行内部程序，并发出相应的指令给驱动电路，同时将电机电流作为反馈信号，对电机的目标输出力矩进行闭环控制。本设计车速信号由车速仪表盘提供，通过CAN获取，电流信号通过电流采样模块获取。EPS系统框架如图3.3所示：扭矩信号车速信号控制器ECU驱动电路M电流反馈图3.3 EPS系统框架3.4 EPS系统关键元器件的选型一个优良的系统离不开各个元器件的支配，只有在诸多元器件的组合下才能构成一个完善的系统。而元器件的选型则决定了其功能，且直接影响系统的整体性能。在EPS系统中，一些关键元器件的选型将直接影响系统的运行功能以及日后的拓展功能。关键元器件的选型应该充分考虑各方面因素，主要包括元器件的可靠性、经济性、扩展性、疲劳性、功能性等与系统性能直接相关的诸多因素。本文将对系统关键元器件的选型进行介绍，主要包括传感器、ECU芯片和助力电机。3.4.1 传感器的选型由于本设计的车速信号由车速仪表盘提供，电流信号由电流采样模块提供，所以只需考虑转向盘上扭矩传感器的选型。一般情况下，我们把转向盘上的扭矩传感器分为接触式扭矩传感器和非接触式扭矩传感器21。从传感器的使用寿命及可靠性上考虑，本设计选择寿命更长，可靠性更高的非接触式扭矩传感器。如果按扭矩测量原理来分的话，非接触式扭矩传感器又可以分为光电式、电磁式、霍尔式、磁阻式等22。本设计采用霍尔式扭矩传感器来采集方向盘扭矩信号。霍尔式扭矩传感器的基本工作原理为：当驾驶员转动方向盘时，转向盘的转矩和地面的反作用力致使弹性扭杆发生扭转变形，霍尔传感器的磁轭和多级磁铁则发生相对错动，这样就引起了磁场的磁通量变化，此时霍尔IC则将磁通量的变化量转换为相应的电压变，从而间接的测量出在转向盘上扭矩的大小和方向。霍尔式扭矩传感器具有良好的线性度和动态性能，且灵敏度高，但其对工作温度要求较高23。由于方向盘的扭矩传感器是在驾驶舱内，所以能够较好的满足霍尔式扭矩传感器工作时对温度的要求。本设计采用由北京同德创业科技有限公司生产的型号为TC-CYB-804S的霍尔式扭矩传感器。其扭矩量程为050Nm，工作温度-20。C60。C，灵敏度为31.5Mv/(Nm)，非线性误差为2.49%，迟滞误差为0.47%，重复性误差为0.8%。3.4.2 助力电机的选型在EPS系统中，助力电机作为执行机构，其选型关乎到整个系统的调节品质和控制效果。它的作用是根据接收到的电信号输出相应的力矩，实现助力转向，是EPS的动力源24。本设计采用三相永磁无刷直流电机作为系统的助力电机，三相永磁无刷直流电机的控制特性优良，且具有启动转矩大、体积小、重量轻、调速范围广、易于平滑调节转矩、转速容易控制以及效率高等十分优良的特性25。是一款非常适合应用在EPS系统上的直流电机，且其用电子开关电路代替了机械换向器，避免了有刷电机电刷受机械磨损而寿命短的问题。三相永磁无刷直流电机一般有电机本体、电子开关电路和位置传感器三部分构成，其结构如下图3.4所示： 图3.4 三相永磁无刷直流电机基本结构图三相永磁无刷直流电机的定子为三相绕组，转子为永磁钢，它的工作原理为：在定子绕组的某一相通电的条件下，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生相应的转矩，从而驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢的位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用，致使电机继续旋转。无刷直流电机用电子换向器代替了机械电刷，克服了有刷直流电机噪声大，寿命短的缺点。其结构原理图如下图3.5所示:图3.5 电机结构原理图电机的驱动方式采用三相星型（Y）联结全桥驱动控制式逆变电路，其电路连接如下图3.6所示：图3.6三相全桥驱动电路图中通过6个MOSFET功率管即T1、T2、T3、T4、T5、T6的开关来控制定子绕组的通电顺序，从而驱动电机转动。本设计选用永磁无刷直流电机的参数为：额定输出功率260W，输出扭矩2.5Nm，额定转速1000rmin，额定电压12V，额定电流45A。3.4.3 ECU芯片的选型本设计在考虑到既要满足在恶劣的行车环境下工作可靠，性能良好；又要满足性价比高，能批量生产的条件下选择了由飞思卡尔生产的MC9S12XSl28芯片作为EPS系统的微处理器。MC9S12XSl28是一款汽车专业级16位微处理芯片，MC9S12XSl28单片机有三种封装，分别是64引脚QFP(Quad Flat Package，扁平引脚封装)、80引脚QFP和112引脚QFP，不同封装的主要区别在于体积大小和部分IO口数量不同，考虑EPS控制器对IO口数量需求和单片机体积需求，选用80引脚QFP封装，其引脚封装如图3.7所示。MC9S12XSl28主要功能模块包括：内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通讯SCI、1个串行外设接口 SPI、MSCAN模块、1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM、周期中断定时器模块 PIT、16通道A/D转换模块 ADC、1个8通道脉冲宽度调制模块PWM、输入/输出数字I/O口。其具有丰富的输入/输出端口资源，同时集成了多种功能模块，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11个端口。端口引脚大多为复用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。PORTA、PORTB、PORTK为通用I/O口；PORTE中的IRO和XIRQ引脚可作为外部中断输入；PORTT集成了TIM模块功能；PORTS集成了SCI和SPI模块功能；PORTM集成了CAN总线模块；PORTP集成了PWM模块功能；PORTH、PORTJ可作为外部中断输入口；PORTAD集成了ATD模块功能26。作为一款功能强大的汽车专业级ECU芯片，MC9S12XS128完全能够满足EPS系统的控制处理功能，同时也可为后续开发提供充足的接口以及为相应的拓展功能做准备。图3.7 MC9S12XS128 80引脚封装图MC9S12XSl28作为一款优越的16位微处理芯片，拥有以下特点27： 具备在线背景调试功能(BDM)接口，大幅的提高了程序调试效率； 8通道高达12位精度的A/D转换模块，满