毕业答辩-汽车电动助力转向系统设计.pptx

毕业设计答辩汽车电动助力转向系统设计,机械与动力工程学院车辆工程学生：学号：指导老师,研究目的及意义,1、作用：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；2、优点：操作轻便、响应迅速、助力效果良好；有较强的路感、具有良好的回正特性和直线行驶的稳定性；改善了驾驶员的工作条件，提高了汽车的舒适性；系统结构简单，占用空间小，布置方便；节能无污染、安全；3、现状：国内对EPS系统的研究只是处于起始阶段，存在很大的提升空间；4、扩展：日产汽车设计了转弯时可辅助驾驶员操作的系统；自动泊车系统；沃尔沃公司开发的自动转向规避碰撞系统(CollisionAvoidancebyAutoSteering)；综上所述：汽车电动助力转向系统的开发是大势所趋，是市场的需求，是驾驶员的追求，我们有必要对EPS系统进行深入研究。,设计思路,1、EPS的总体构成2、EPS的控制策略3、EPS关键元器件的选型4、EPS电路原理图设计,汽车电动助力转向系统的构成,汽车电动助力转向系统由传感器、控制器和执行机构三大部分组成。传感器：采集系统转矩信号、车速信号和电流信号，经过相应的处理后将其输入到ECU中控制器：接收来自传感器的信号，然后运行内部程序，根据预存的助力特性曲线计算出目标助力力矩，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执行机构：由助力电机和减速机构组成，负责输出目标力矩，实现系统转向助力功能,EPS的控制策略,助力控制：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回正控制：改善转向助力系统转向回正特性的一种控制方式阻尼控制：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,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,1、根据车速和转矩信号确定助力电机的目标转矩：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：,2、对电机的助力转矩通过电流反馈进行闭环控制：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：,扭矩传感器的选型,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,ECU芯片的选型,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。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；1个MSCAN通信模块，兼容CAN2.0A/B协议，无须外接CAN通信控制芯片，只需增加CAN收发器即可实现与整车网络的实时通信；49个独立数字I/O口，除去实现助力转向功能的I/O口，空闲接口可用于实现故障报警及后续扩展功能；,助力电机的选型,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：其结构原理图如下图3.5所示:,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。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。,传感器信号处理电路,本文选用有源滤波器来对扭矩传感器的模拟信号进行滤波处理，采用有源RC滤波电路由于有了电源的补充，使得电路品质因数得到提高，滤波效果很好电路中采用双肖特基二极管来把电压控制在0-3V间，让信号始终能被单片机接收处理，接单片机PT1引脚传给MCU,其电路原理图如下图4.7所示：,本文的车速信号由车速仪表盘给出，通过车载CAN网络传输，其信号为12V电压信号，所以在传给MCU处理前需先将其转换为5V电压信号，除噪减压本设计通过一个光电耦合器对信号进行消除噪声和转换电压处理，其电路原理图如下图4.8所示：,MCU电路原理图,MCU主要由外部晶振电路、复位电路、BDM在线调试电路和电源电路组成，其电路原理如下图4.2所示：,本文选用16MHz的外部晶振，其电路原理图如下图4.3所示:图中EXTAL连单片机34引脚，XTAL连单片机35引脚。两电容用来过滤晶振时产生的高频噪音，减少电磁干扰,复位电路的作用是在单片机上电后给一个复位信号使其正常工作，本文所用单片机是低电平复位，将单片机的RESET引脚即30引脚与VCC连接，同时在和地连接之间用一个0.02UF的电容与之串联。当上电后电容充电时，30引脚接收低电平，在电容充满电与地断连后，上拉电阻拉高30引脚的电平至5V，单片机开始正常工作。在复位端口与地之间串联一个复位开关，方便在调试时手动复位，按下复位按钮拉低30引脚电平，松开后即可复位。除此之外，单片机的复位还能通过BDM调试器发送复位指令来进行复位操作。复位电路原理图如下图4.4所示：,本文选用的飞思卡尔S12系列单片机是一款拥有极为方便的BDM在线调试功能的单片机，程序员可在不用串口通信的条件下通过BDM调试盒硬件与上位机的配合进行程序烧写、程序在线调试以及存储内容读取等工作，极其方便。BDM的接口为6针双列插头，分别为1数据通信接口、2地接口、4复位接口、6电源接口，剩余两接口悬空。其电路原理图如图4.5所示：,单片机的电源端口VDD、VDDA、VDDF、VDDX1、VDDX2都将通过并联两个电容值分别为10uF和0.01uF的电容来消除电磁干扰，以增强系统的稳定性。同时加入电源指示灯和PWM指示灯来分辨系统通电情况及PWM输出情况。其电路原理图如下图4.6所示：,CAN通讯电路,选用型号为TJAl050的CAN收发器为总线提供不同的发送与接收性能，TJAl050的1、4管脚分别和单片机的74、75管脚相连，6和7管脚分别连接物理CAN网络的CANL和CANH线，第8管脚接地，使芯片处于正常工作模式。PESD1为静电保护芯片，R1A为终端识别电阻，P1口是用于连接CAN通信的双绞线。其电路原理图如下图4.11所示：,驱动电路,本文选用型号为IRF2807的MOSFET作为电子开关，选用1R2136芯片作为驱动芯片，控制三相桥驱动电机。电机驱动电路原理图如下图4.10所示：,电源模块,本设计选用北京星原丰泰公司生产的XZR05/12S05型电源模块，它能在宽电压输入范围(9V18V)内提供5V、1A的电源，且其具有防潮抗震、屏蔽电磁等优点，是一款非常适合应用在汽车上的电源模块。图中输出管脚通过串联一个100pF的钽电容来降低输出的电压噪音，在12V接入端串联一个0.5A自恢复保险丝，避免电源模块在意外情况下被烧毁。12V转5V电源模块电路原理图如下图4.12所示：,电流反馈电路,本文选用电阻采样对电流进行实时闭环控制。选用运算放大器型号为LM358，将信号放大10倍后传给单片机AN0口，由于电流采样电路是模拟电路，所以用0阻值电阻将模拟地和