开题报告-汽车电动助力转向系统设计.docx

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计题目：汽车电动助力转向系统设计指导教师: 2017 年 3 月 3 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1国内外研究现状及发展趋势：汽车助力转向系统经从开始的纯机械式、液压式、电控液压式、到如今的电动助力式以及处于研制阶段的线控式，一直在不断发展。传统的助力转向系统一般采用液压助力，由于其结构相对复杂、功率消耗过大、容易发生泄漏、转向助力不容易控制等缺陷，汽车工程师便一直在探索研究一种更好的汽车助力方式，从而使汽车能够在高速行驶状态有较强的路感、在低速行驶状态有较好的转向轻便性、同时具备较好的转向回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应速度12。上个世纪80年代开始，汽车人开始对电子控制式电动助力转向系统进行研究，简称EPS(Electric Power Steering)。EPS是在EHPS(电控液压助力转向)的基础上发展起来的，其结构简单、零件数少、可靠性强。最早研制出来的汽车电动助力转向系是日本光洋精工株式会，最先安装在日本铃木赛尔沃轿车上。随后EPS技术进入快速发展阶段，从开始用于微型轿车到如今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34。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电动转向系统近二十几年来的发展阶段，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，它和上述各种转向系统的根本区别是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接56。由于技术、制造和维修成本等实际因素，目前汽车转向系统的实际应用仍以液压助力的HPS(包括ECHPS、EHPS)为主。线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因，在近期很难在车辆上装配。在未来，汽车转向技术将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汽车转向技术的焦点78。EPS今后的研究焦点主要集中在以下几个方面：(1) EPS助力控制策略。助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把助力电机的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式。助力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动机的目标力矩，辅助驾驶员实现汽车转向。控制策略是EPS研究的技术重点9；(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10；(3) 可靠性。转向系统是驾乘人员的“生命线”之一，必须保证高度可靠性。EPS除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对EPS的可靠性提出了很高的要求11；EPS同时具有节能，环保与人性化等诸多优点，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。2实用价值及意义：转向系统于汽车而言就相当于人类的眼睛，控制汽车的行驶方向，是汽车的主要子系统之一，而其性能也直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，同时对于确保行车安全、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极其重要的作用。而EPS与传统的液压助力转向系相比，具有一系列的优点：(1) 节约能源；(2) 环保无污染；(3) 转向轻便灵敏，响应迅速；(4) 具有良好的回正特性和直线行驶的稳定性,增强了路感；(5) 改善了驾驶员的工作条件，提高了汽车的舒适性；(6) 系统结构简单，占用空间小，布置方便；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。随着人们生活水平的提高，在车辆舒适性、主动安全性 和智能性等方面有了更高的要求1213。目前，基于电动助力转向系统延伸开发了许多新的系统:(1) 日产汽车设计了转弯时可辅助驾驶员操作的系统；(2) 自动泊车系统；(3) 沃尔沃公司开发的自动转向规避碰撞系统(Collision Avoidance by Auto Steering)；因此研究设计EPS是汽车市场的需求，是与实际应用相切合的一项具有高应用价值的项目，是汽车转向系统向汽车智能时代发展的标志1415。3研究内容：(1) 了解电动助力转向系统的工作原理；(2) 分析直流电机结构，了解其工作原理；(3) 设计传感器信号处理电路；(3) 设计系统控制电路；(5) 分析控制器核心芯片；(6) 设计系统控制策略；参考文献： 1 邵丽青.电动助力转向系统(EPS)的应用现状及发展趋势J.汽车与配件,2011,(36):19-21.2 宋武强. 汽车电动助力转向控制系统研究与设计D.武汉科技大学,2005.3尤虎.电动助力转向系统设计D.武汉理工大学,2011.DOI:10.7666/d.y1879873.4 王金龙,贾秋红.汽车转向系统的现状与发展C./2008重庆汽车新技术应用与发展国际论坛论文集.2008:86-87,92.5 袁朝春,王陆林.汽车转向系统研究现状及发展趋势研究C./2012安徽省汽车工程学会年会论文集.2012:139-142.6 荆体魁. 汽车电动助力转向控制系统的设计D.大连理工大学,2005.7 韩炯刚,申荣卫.电动助力转向转矩传感器研究现状及发展趋势J.天津职业技术师范大学学报,2012,(02):48-51.8 陈啸. 基于CAN总线的永磁无刷电机C-EPS控制器设计D.浙江工业大学,2015.9 安志远. 浅谈汽车电动助力转向系统的发展和应用J. 装备制造,2009,(09):213.10 刘照,杨家军,廖道训. 基于动态分析的电动助力转向系统设计与研究J. 华中科技大学学报,2001,(12):24-26.11 周鑫.基于Adams与Matlab的汽车电动助力转向系统的联合仿真D.武汉理工大学,2009.12 孙经瑞. 基于ADAMS和MATLAB电动助力转向系统控制策略研究D.中北大学,2013.13 宋海峰,张国印.TD340芯片在汽车电动助力转向系统中的应用J.电子技术应用,2009,(04):70-72.14 张辉,唐厚君.汽车电动助力转向系统设计J.工业控制计算机,2007,20(10):68-69,71.DOI:10.3969/j.issn.1001-182X.2007.10.034.15 王迅.电动助力转向系统(EPS)技术现状与发展J. 湖北汽车工业学院学报,2008,(03):21-24. 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：1. 方案分析：本文是通过对汽车电动助力转向系工作原理的理解，在转向柱式助力机构的基础上，同时结合国内外汽车电动助力转向系的研究现状及发展趋势，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。具体的设计思路着重于ECU芯片选择，电机选择，传感器选择及电路设计，针对控制策略问题，通过车速和转矩信号确定助力电机的目标转矩以及对电机的助力转矩进行闭环控制来达到控制器性能优化的目的，从而提升EPS系统的性能。2. 方案内容： 了解电动助力转向系统的工作原理，掌握其基本的设计思路，为后续电路设计作基础。EPS主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输入到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作，系统结构如图 1 所示：MC9S12XSl28滤波转矩信号 电流反馈驱动电路M车速信号 变压图1 EPS系统结构其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输入转向力矩的大小，产生相应的电压信号，由此EPS就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成 适当的转向助力。 根据任务书给定的助力形式为转向柱式电动助力转向系，了解到其优点是结构紧凑，响应性能优越，便于安装，缺点是占用驾驶舱空间，噪声大。在此基础上，结合EPS对电机高响应频率，宽调速范围的要求选定永磁无刷直流电机功率260W,额定电压12V，额定电流45A,额定转速1000r/min,输出转矩2.5Nm。 选定接触式转矩传感器及霍尔式车速传感器，在将转矩传感器信号进行放大，车速传感器信号进行I/F转换的思路上对传感器信号处理电路进行设计。 在EPS对ECU高运算性能的要求下，选定MC9S12XSl28芯片作为核心处理器，对系统控制电路进行设计。3. 研究方法： 在网络上查阅资料，了解相关技术研究现状及发展趋势，借鉴参考； 在图书馆翻阅书籍，理解并掌握汽车电机技术，单片机及总线技术，数字电路，电工技术等相关理论知识，为后续设计工作的开展做准备； 在实验室实体参考，学习借鉴已经应用于市场的EPS的总体设计；4. 进度安排：2017年2月13日3月10日 调研，查阅收集资料，完成开题报告；3月11日4月 1 日 学习Altium Designer软件；4月 2 日4月15日 完成传感器信号处理电