（机械制造及其自动化专业论文）eps控制系统的试验台构建和软件设计.pdf

摘要 e p s 控制系统试验台的构建与软件设计 研究生：张宏兵导师：许超 东南大学 摘要 汽车电动助力转向系统是一种利用直流电动机为汽车提供辅助动力转向系统。与传 统液压转向系统相比具有多方面优越性。表现在各种行驶条件下提供最佳的助力，节省 燃油，利于环保。汽车电动助力转向系统研究是近年来国内汽车工业一个比较热门的课 题，具有重要研究价值和巨大潜在应用前景。 作者参与了东大e p s 项目研发的整个过程，包括对汽车电动助力转向系统e p s 的整 体构造方案的设计，及其组成部件的选型和系统工作原理等相关问题研究。 通过对国内外e p s 控制系统的广泛调研和深入研究，作者提出了e p s 产品开发和试 验所用试验台的构建方案，对e p s 控制系统实验台的设计原理、实现功能、材料选型以 及试验台的进1 步改进等一系列技术进行了研究：在此基础上，利用e p s 控制系统实验 台进行了相关的数据测试，并对试验数据测试过程和对试验数据进行了系统分析。从中 总结出控制系统开发中存在的问题，并提出了改进的方法。 根据e p s 控制系统的试验数据结果分析，结合系统的设计要求，作者提出了e p s 控 制系统软件设计的总体方案和计算流程。在论文中对控制软件的基本思想、算法依据和 调试的手段进行了详细探讨，突出了模块化编程在整个设计过程中的地位与作用。 课题所研究的e p s 控制系统以及试验台已在合作企业试用，进一步改进的方案已得 到落实。初步应用的结果显示达到试验台开发的设计要求，对合作厂家开发e p s 产品具 有重要的帮助。 课题所关注的内容在国内是一全新的研究课题，涉及较多的学科领域，包括机械设 计、汽车理论、计算机技术、控制技术、传感器技术和电机技术等。研究中积累了大量 经验和重要资料，对推动我国汽车电动助力转向系统的发展将起积极的作用。 关键词：电动助力转向系统、汽车、仿真试验台 a b s t r a c t e p st e s t i n ge q u i p m e n t a n dc o n t r o ls o f t w a r e p o s t g r a d u a t e ：z h a n gh o n g - b i n g s u p e r v i s o r ：x uc h a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m i st h e s t e e r i n gs y s t e m t h a t p r o v i d e s s u p p l e m e n t a r y f o r c cf o rt h ea u t o m o b i l ev i a t h ed i r e c tc u l t e n te l e c t r o m o t o l ：i th a sm o r e a d v a n t a g e st ot h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h et r a d i t i o n a ls t e e r i n g i t c a bp r o v i d ea n i d e a lh e l p i n gf o r o ea n dt os a v et h eb u r n i n go i l ，a sw e l la st op r o t e c te n v i r o n m e n t i n r e c e n ty e a r s ，m a n yt y p e so fa u t o m o b i l e sh a v eb e e ne q u i p p e dw i t ht h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g s y s t e m i t i sa l s oo n eo ft h eh o tt o p i c si nd o m e s t i ca u t o m o b i l ei n d u s t r yw i t hv a l n a b l e a p p l i c a t i o n m a r k e ta n d h u g ep o t e n t i a lp r o s p e c t t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h ew h o l ew o r kf o rd e v e l o p i n gd o n g d ae p s ，s u c ha st h eg e n e r a l d e s i g nm o d e lo f t h ee p s ，a n di t sk e yc o m p o n e n t s s e l e c t i o n b ys t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no f c u r r e n te p sa l lo v e rt h ew o r l d ，t h e a u t h o rp r e s e n t e dad e s i g nm o d e lo fe p st e s t i n ge q u i p m e n t t h ee q u i l ： m e n tc a r lb eu s e dt o m e a s u r et h ep r o p e r t i e sa n ds i m u l a t et h ef u n c t i o no fe p sp r o d u c t a 1 1 t e c h n i q u e so nt h e c o n s t r u c t i o no f 也et e s t i n ge q u i p m e n th a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i 】i nt h i sp a p e rs u c ha st h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，b a s i cf u n c t i o n ，i n t e g r a t e dw i t hap o s tp r o c e s s o ra n df u r t h e ri m p r o v e m e n t w i t ht h i s t o o l ，m a n yi m p o r t a n td a t a o fe p sp r o d u c th a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nt h e m e a s u r i n gd a t a ，s o m ep r o b l e mc o n c e r n i n ge p sp r o d u c tc a r lb eo p e n e do u t ，w h i c hg a v e p o w e r f u lh e l pf o rd e v e l o p i n g t h en e w t y p eo f e p sp r o d u c t b a s e do nt h em e a s u r i n gd a t aa n dt h er e q u i r e m e n to ft h ee p s s y s t e m ，t h ea u t h o rp r e s e n t e da g e n e r a l s c h e m ea n d c a l c u l a t i n g f l o w c h a r to ft h ec o n t r o ls o f t w a r e t h em a i n p r i n c i p l e ， a l g o r i t h m ，a n dd e b u g g i n gm e t h o do f t h es o f t w a r eh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i li nt h ep a p e r , i nw h i c ht h em o d u l a r p r o g r a m m i n gc o f i c e p ta n dm e t h o dh a sb e e na p p l i e di nt h ed e v e l o o m e n t o f t h es o f t w a r e t h ef i r s ts a m p l eo ft h ee p s p r o d u c ta n dt h et e s t i n ge q u i p m e mh a sb e e nt r a n s f e r r e dt ot h e c o o p e r a t i o nf a c t 0 1 t e s t i n gr e s u l ts h o w st h et e s t i n ge q u i p m e n tc a ns a t i s f yt h ei n i t i a ld e s i g n r e q u i r e m e n t s ，w h i c hc a r lb eu s e da st h ei m p o r t a n tt o o lf o rt h ef a c t o r yt od e v e l o pt h en e x t g e n e r a t i o ne p sp r o d u c t t h er e s e a r c ht o p i cm a yb en e wi no u rc o u n t r y ，w h i c ht o n e m sm a n yd i s c i p l i n e ss u c ha s m e c h a n i c a l d e s i g n ，a u t o m o b i l et h e o r y , c o m p u t e rs c i e n c e ，c o n t r o l t e c h n o l o g y , s e n s o r t e c h n o l o g ya n d m o t o r t e c h n o l o g ye t c al o to f f i r s th a n dd a t ah a v eb e e nc o l l e c t e dw h i c hw i l l b eu s e f u lf o rp r o m o t i n gt h ed o m e s t i cr e s e a r c hi nt h i sf i e l du pt oa n e wl e v e l k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，a u t o m o b i l e ，a n ds i m u l a t i o nt e s te q u i p m e n t 1 】 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：燧日期：丝；q 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：盗窒垦导师签名日期：一j 哆b 7 旃一章绪论 第一章绪论 电动助力转向系统的开发是当今我国汽车工业研究的热点，选择本课题作为研究方向 应该说它完全是一个全新的设计，具有一定的新意。本章详细介绍了与课题有关的背景 资料，国内外e p s 控制系统发展的状况等，另外对课题研究的内容和论文结构的安排作 了阐述。 1 1 电动助力转向e p s 概述 1 1 _ 1 国外e p s 控制系统研究现状 随着生活水平与质量的提高，人们的消费水准、需求层次和消费能力在不断地变化， 消费观念也随之发生改变。随着汽车走入家庭，拉近了汽车与人之间的关系，使人们与 汽车的关系越来越密切。本着以人为本的宗旨，如何对汽车进行最优化设计，降低汽车 生产成本，提高汽车使用性能成为当今汽车工业发展的趋势。 自从美国汽车通用公司在1 9 5 3 年在凯迪莱克和别克轿车上首次批量使用液压转向系 统技术以来，它给汽车工业带来了巨大的变化。人们不再需要靠大直径的转向盘来产生 足够的转向力矩。转向盘的减小，又同时使得驾驶室变得宽敞起来，座椅布置也变得更 为合理、舒适。 八十年代米，又曾开发出变减速比、电控液压动力转向系统，这一技术刚刚问世，并 成为当时发达国家汽车公司销售汽车的标准设备，即使是现在的有些稍微落后的汽车公 司或厂家至今仍采用这一技术。1 - 3 l 虽然这仅仅是一个从纯机械式转向系统向液压转向系统的作的一次小小技术改进，但 人们从其中得到的不仅仅是一些好处和实惠，更主要的是使人们感受到了技术更新带来 的巨大差异与震撼。在这个智慧的人类社会，似乎对技术的追求是永无止尽的。 汽车助力转向系统是汽车方向的主宰，它直接影响到汽车的安全行驶。尽管液压转向 系统比纯机械式转向系统优越很多，但它仍存在着许多的缺陷，因而给驾驶人员带来了 许多麻烦，诸如：在启动时由于扭矩大，难以操纵；尤其是大型货车转向时着实让人感 到难以控制。于是一些汽车公司与生产厂家正在考虑用一种性能更可靠更安全的新型转 向系统来替代液压控制的转向系统。由于电子技术的飞速发展尤其是微电子技术的高速 发展，一种新型的汽车转向系统电子控制式助力转向系统e p s ( e l e c t r o n i cp o w e r s t e e r i n g 简称e p s ) 并是在这一情形下应运而生。 1 9 8 8 年3 月，同本的铃木公司投入巨资，组织科技人员首先研制开发出这种全新的 电子控制式电动转向系统，人们才真正从液压动力转向系统中摆脱出来，从而进入了转 向系统由电子来控制的时代。1 9 9 3 年本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于批量 产生、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克n s x 跑车上：同年在欧洲市场上销售 的一种经济轿车亚特帮托也将美国德尔费公司生产的电动助力转向系统作为标准装 备。 2 - i o i 由于电动助力转向系统完全不需要液压装置，用电能取代了液压能，减少了发电机的 能量的消耗，加上其性能的优越性，很快在越来越多的国外轿车上得到了应用，如日本 的本田推出的i n s i g h t 轿车就广泛采用自己生产的e p s 产品。国外的几家大公司如德国的 z f 公司、英国的r u c a s 卢卡斯一伟利达、s a g i n a w 、t r w 、日本的n s k 、k o y o 等也不甘 示弱，竞相推出自己的e p s 产品。目前，国外中型以上的货车和中级以上的轿车上几乎 都广泛采用这一技术装置。 东南大学硕士学位论文 尽管当时人们非常看好e p s 产品，也知道该产品的功能非常诱人，但由于当时e p s 产品投入成本太高，这在一定程度上，限制了其产品在实际生产中的应用。 直到近几年，由于微电子产品价格暴跌，加上这十几年来e p s 技术发展日趋成熟，使 得人们在e p s 产品研究上的投入的成本，也随之大幅度地降低。另外，由于e p s 控制系 统在一些生产厂家得到应用，加上其本身具有使人无法拒绝的诱惑力，于是一些汽车集 团公司与生产厂家，纷纷组织人员开发研究e p s 产品，掀起了又一轮的开发新浪潮，使 得e p s 这一技术再次焕发出勃勃生机。 1 1 2 国内e p s 控制系统研究现状 目前，困内汽车动力转向系统仍采用旧的模式液压控制转向系统。主要原因是 e p s 产品还处在研制和开发阶段。从国外购买该产品，又难以承受高额的价格。仅仅有一 些高档轿车为了上档次，才能享有从国外购买的e p s 产品的优厚待遇，然而无形中增加 了成本的投入，加大了消费者的负担。由于i 虱j l - 汽车公司长期对此技术的垄断，使得国 内汽车工业的发展的步伐受到限制，一些汽车厂家和科研机构纷纷联合起来，共同参与 e p s 产品的研究丌发。 目前我国的e p s 控制系统的研究与开发工作尚处在起步阶段，仅仅少数高校和研究机 构从事该课题的研究。清华大学前几年开展过该系统的结构方案设计、系统建模和动力 分析等研究，还未达到实用程度。广州的某科研机构据说已经完成产品的前期调试阶段， 其结果不得而知。 i - 3 , 1 1 - 1 7 1 由此看来，团内一方面是对此产品的需求日益迫切，而另一方面是在e p s 的投入方面 力度不大，投入的资金很有限。这一现状与当代我国汽车工业飞速发展良好是势头格格 不入，对推动和促进电动助力系统的发展将起到负面效应，对我国汽车工业的发展也会 造成不利影响。 1 2 论文的内容与结构 1 2 1 论文的内容 汽车电子控制式助力转向控制系统的开发，即e p s 控制系统的开发。这一课题是在昌 河北斗星微型客车上研发的e p s 产品，参加的协作单位有南京标准件厂，他们主要参与 机械传动部分的设计和装配工作；东南大学主要参与电动控制部分即核心部分的设计； 另外长春光电研究所还协助开发配套的有关产品的设计任务。 由于e p s 系统是在传统的机械转向系统的基础上，由过去的手动控制发展到电子控制 其中机械构造方面的设计和加工工艺已经很成熟，因此只要在传统的转向系统结构基础 上进行改进，丌发难度不是很大。而e p s 的核心部分电子控制单元的设计，则是一 个全新的课题，它涉及到的内容很多，诸如：机械设计、汽车理论、控制理论、电机学 等。不仅耍从理论上进行分析论证，还要进行大量的实验论证，因此开发难度较大。 本文选择汽车电动控制转向系统作为研究的课题，并且侧重于e p s 控制系统仿真试验 台的设计，数据测试和对测试数据进行分析，并利用数据分析结果进行对e p s 控制系统 软件编程设计。 电动助力转向系统的开发是一个全新的设计，选择这一课题应该说是一个全新的尝 试，因此具有一定的难度。尽管国内一些单位和科研机构也投入一定的人力、物力从事 该项技术的研究，但都未能投入实际的生产应用。在课题的研究和开发过程中，积累了 不少的经验和重要资料，相信它对促进我国汽车电动助力转向系统的深入研究和推动我 国的汽车工业的发展将产生深远的意义。 第一章绪论 1 2 2 论文的结构 本论文共分为六个章节，每个章节的内容及安排如下： 第一章绪论部分，介绍了一些与课题有关的背景资料，课题的意义和研究价值，并 简要叙述了沦文的内容和结构的安排。 第二章e p s 控制系统的整体设计，主要介绍e p s 的工作原理、实现的功能、各组成 部件位置情况和相互关系等。 第三章e p s 控制系统仿真试验台的构建，主要介绍e p s 控制系统实验台的设计原理， 文现功能，材料的选型一些构造方面的问题。以及对控制系统实验台驹测试数据的后置 处理以及对试验台的改进等相关问题作了阐述。 第四章e p s 控制的系统数掘分析，介绍了e p s 控制系统实验台在不同的车速、不 同的负载扭矩情况下，如何进行数据测试、对试验数据进行分析。从数据分析中总结出 控制系统开发中存在的问题和提出改进的方法。强调了利用试验数据的分析结果对软件 设计指导意义。 第五章e p s 控制系统软件设计，详细阐述了控制系统软件设计的原理与方法。指出 软件设计必须建立在硬件的基础上，以实现系统的功能为前提，强调模块化编程在软件 设计中的地位与作用。 第六章结束语主要对课题的完成情况进行总结，指出课题研究过程中的成功点与 不足之处，并对今后e p s 控制系统的发展方向加以展望。 本章小结： 本章主要介绍了国内外有关e p s 系统产品开发的有关背景资料，国内汽车电动助力转 向系统的研究现状，以及论文的内容以及结构安排等。 东南大学硕士学位论文 第二章e p s 控制系统的整体设计 汽车电动助力转向系统e p s 是当今我国汽车工业比较先进的研究项目之一，许多大型 的汽车公司都在研究开发自己的e p s 产品。并且投入一定的人力物力，希望通过产品开 发，尽y - 设计出自己的e p s 产品，并以此来武装自己的品牌轿车，提高产品的档次，与 世界汽车行业先进技术接轨。本章详细介绍了e p s 控制系统的整体方案设计，同时对其 工作性能、各部件的组成及其功能等进行了说明。 2 1e p s 控制系统的结构 汽车电动助力控制转向系统( e l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n g 以下简称e p s ) 。其结构大体由 三大部分组成。一是机械转向部分，包括扭 杆，转向轴等：二是电动控制部分，即电子 控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ，它是该 产品的核心：三是动力部分，即能提供动力 的电动机和进行失效保护的离合器。 从图2 1 和图2 2 中可以清晰反映出e p s 转向系统结构的大致形状后和在汽车上的位 鹭安放情况。各部件相互依存之间的组合关 系怎样? 可以通过图形的形式直观的表示出 来。 i - i i 1 3 - 1 4 图2 1 反映了e p s 转向系统在汽车中的位 置和主要构造情况。各部分的名称详见如下： 1 - - e p s 的控制模块e o u ，2 - - 车速传感器组合 仪表，3 - - 扭矩信号传感器，4 - - 是电动机和离 台器，5 - - 是转向齿轮箱，6 - - 是蓄电池，7 一 是抑噪器。 图2 2 反映了e p s 转向系统传动装置的详 细结构以及每个组成部件相互之间的关系。转 向系统的传动部分共有1 2 个部件组成。图中 很清晰地反映了这1 2 个部件的位置连接情况 以及各部件的名称。 另外，从图2 2 中还可以反映出扭矩传感 器与传动装置的关系；以及电动极、离合器与 整个系统之间的关系。电子控制单元e c u 则组 装在汽车控制面板上，它是整个系统的控制中 心，对电动机进行实时控制。 2 2e p s 控制系统的工作原理 图2 2 转向系统结构图 l 扭矩传感器2 杠杆3 传感器轴4 扭力杆5 滑块6 , 张4 t 7 。环8 铜球9 蝴轮1 0 蜗轮1 i 离合器1 2 电机 e p s 控制系统的工作原理是通过扭矩传感器和车速传感器，进行信号采集，并经a d 转换，将信号送往电子控制单元的核心单片机的内部r a m 单元，单片机根据采集到 的车速信号与扭矩信号，对直流伺服电动机进行实时控制。 如果汽车速度在低于4 5 k m h 时，电动机提供给转向系统定的转向辅助动力：如果 第二章e p s 控制系统的整体设计 制状态。所有的指挥控制均由单片机通过发出指令的方式来完成，从而完成对电动机进 行智能实时控制。 2 3e p s 控制系统的类型 根据电动机与转向轴之间布置位置不同， 齿条助力式三种类型，其结构如图2 3 所示a e p s 可分为：转向柱助力式、齿轮助力式与 f 2 ，如 图( a ) 齿螽勖免武图( b ) 巍艴助力式囤 c ) 转向拄助力式 图2 3 电动助力转向系统类型 转向柱助力式e p s 的电动机固定在转向柱的一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱 动转向轴助力转向；齿轮助力式e p s 的电动机、减速机构和小齿轮相连，直接驱动齿轮 助力转向；齿条助力式e p s 的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。这三种助力 方式各有其优点，目前我们主要是采用齿条助力式。 2 4e p s 控制系统的功能要求 e p s 控制系统的功能是多方面的，具体表现在以下几个方面： 1 ) 能够利用采集到的车速信号和扭矩信号，通过指令的方式，由单片机对电动机进 行实时控制，以达到产生辅助动力和实现灵活转向之目的。 2 ) 在高速行使的条件下，一般是指速度在大于4 5 k m h 时，使电动机断电，控制系统 不产生助力，离合器与机械传动系统分离，使转向控制进入手动状态。 3 ) 能进行失效保护和故障诊断分析显示、存储和故障代码清除等工作，具有一定的 自保护安全功能。 以上仅仅阐述了e p s 控制系统的基本实现功能，在每一个功能点上，均有许多小的功 能块，所以在设计电动助力转向系统时必须搞清楚这些功能块，从而实现系统产生助力 的效果。 2 5e p s 控制系统的优点 目前国外汽车市场上，轻型轿车尤其是一些高档轿车上一般均装有e p s 系统，国内一 些汽车厂家为了能跟发达的国际汽车集团保持同步，不甘示弱，也纷纷在自己的一些高 档轿车上，不惜花巨资从国外购买该e p s 产品，来武装自己的品牌轿车，借此来提高汽 车的档次。 把e p s 控制系统与传统的液压助力转向系统相比，表现出以下特点：1 1 1 0 1 1 ) e p s 能在各种行驶条件下提供最佳的助力，减小由路面不平所引起的对转向系统 的扰动。改善了汽车的转向特性，提高了汽车低速行驶的转向稳定性，进而提高汽车的 主动安全性。并且可通过设置不同的转向力来满足不同使用对象的需要。 2 ) e p s 只有在转向时电动机才提供助力，不像液压转向系统( 简称h p s ) ，即使在不 东南大学硕士学位论文 转向时，油泵却在一直工作着，因而减少了燃料的消耗。 3 ) 由于e p s 系统由电动机直接提供助力，( 电动机由蓄电池供电) ，因此e p s 能否产 生助力与发电机是否起火无关，即使在发电机熄灭或出现故障时也能提供助力。 4 ) e p s 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比h p s 在 数量上大大减少，因而质量轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能减 小摩擦，降低噪音。 5 ) e p s 没有液压回路，比h p s 更容易调整和检测，装配自动化程度高，并且可以通过 设置不同的程序，能快速与不同车型相匹配，因而能缩短生产周期。 6 ) e p s 不存在渗油问题，可大大减低保修的成本，同时还减小对环境的污染。据d e l p h i 公司称，1 9 9 5 年传统的液压转向系统h p s 在全世界占其所销售的汽车7 5 ，乜就是说： 按一年计销售3 7 0 0 万辆汽车就要消耗4 0 0 0 万升液压油。如果电动助力转向系统全面进 入市场，其情形一定会很改观。 7 ) e p s 比h p s 在温度方面具有更大的选择空间，而且在低温条件下的工作性能也相 对较稳定。 综上所述，e p s 控制系统具有以下优点： ( 1 ) 转向轻便性：转向的轻便性是指能为汽车驾驶人员在驾驶汽车时提供一定的便 利，增强手感，为汽车驾驶时提供舒适的环境。当汽车在低速行驶时，电子控制单元会 根据相关数据自动产生辅助动力；高速行驶时，它会自动关掉控制系统，既安全又可靠。 ( 2 ) 操作的稳定性：由于e p s 采用的是全电子式控制系统，其在抗干扰能力方面具有 一定的优势，控制精度高，且控制性能的实时性比任何控制系统都好。而液压控制系统 由于摩擦的存在，不可避免会产生振动现象，同时摩擦的存在，不可避免伴随噪音的产 生，这对操作的稳定性有一定的影响。 ( 3 ) 燃油经济性：电动助力转向系统e p s 只在转向时电动机才提供辅助动力，而液压 转向系统h p s 即使在不转向时，油泵也一直运转，所以e p s 能减少燃料的消耗。在平均 行驶速度4 0 k m h ，e p s 比h p s 节约燃料大约5 5 。 2 6e p s 系统控制流程图 下面是汽车电动助力转向系统e p s 控制系统的控制流程图，由此图可以知道该产品组 成的关键部件。t 2 4 1 扭矩传感器 感应扭矩太小和方向 抑噪器感应 发电机转向速度 电动机提供 辅助转向功能 习一嚣 e 路控皋4 模块( e c u ) 参照每个输入信号控制电机驱 动电流 控制离台器电压 形成故障诊断 图2 ，4e p s 控制流程图 - 6 - 输出故障诊断代码 离音器与电动机 接音，分离 第二章e p s 控制系统的整体设计 2 7e p s 控制系统的结构原理图 汽车电动助力转向系统e p s 结构原理如图2 5 所示。其工作原理是：当转向盘转动 时，扭矩传感器就丌始不削断地监视输入轴，并把扭矩信号传输给控制中心电子控 制单元的微处理器c p u ，电子控制单元的c p u 在接收到信号后，经过一定的分析和处 理后，按程序指令的方式对控制对象电动机、离合器进行控制，通过改变其工作电 流的大小，来实现对控制对象进行实时控制动力转向之目的。”。” 图2 5电动助力转向系统e p s 结构原理图 2 8e p s 控制系统的主要组成部件 本小节主要详细介绍汽车电动助力转肉系统e p s 的组成部件，以及每个部件在系统的 作用与构成原理 2 8 1 扭矩信号传感器 扭矩传感器是由滑块、钢球、环和电位器组成，如图2 6 所示。其工作原理是将方 向盘操纵力矩的大小和方向信号，转换为电压值信号，并将它们传递到电子控制单元的 单片机内部r a m 单元加以储存。并根据分析对电动机进行实时控制。 图2 6 中扭矩传感器的钢球通过螺旋球表面固定在输入轴的外侧的螺旋槽和滑块内 侧的球洞里，滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。同时，滑块通过一个销安装到输 出轴，使它仅可以相对输出轴在垂直方向上移动。因此。当输入轴相对输出轴转动时， 滑块按照输入轴旋转的方向和相对输出轴的旋转量，垂直移动( 在轴方向等于输入轴相 对于输出轴旋转) 。当转动方向盘，扭矩被传递到扭杆时，输入轴与输出轴之间的旋转方 向出现偏差，这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为图2 6 所示的控 制杆里电位器的旋转角度。结果扭矩转变为电压变化并传到e p s 控制中心。 1 - 1 1 , 1 8 , 1 9 , 2 4 扭矩传感器主要是由长春光电研究所负责生产，目前己完成样品的设计工作，它是一 个7 位的数据信号传感器，无须经过a d 转换( 因为它将数字的滤波、信号放大、模数 转变等功能都设计在一块集成电路板上) ，便可直接用于和电子控制单元相连。 扭矩传感器的基本结构和工作原理如图2 7 所示。用磁性材料制成定子和转子，定子 东南大学硕：e 学位论文 如果定子与转子的相对转角不为零，即在转向杆上 存在着转矩时，就使转子与定予之间产生如图示的角位 移0 。极靴a 、d 之间的磁阻增加，b 、c 之间的磁阻减 少，各个极靴的磁通量产生差别，电桥失去平衡，v 、w 之间出现电位差，这个电位差与杆的扭角0 和输入电压 u i 成正比，如果比例系数为k ，则有= k u 口，由电 桥出现的电位差就可以知道方向盘杆的扭矩角，于是就 可以知道方向盘杆的转矩。 扭矩传感器的输入信号是进行软件设计的一个重要 信号数据之一。 甄 7 。? 一1 | | 嚣一 z 一 二 ，。 u h 一丘l 黼 占r p 图2 7 扭矩传感器结构原理图 招一章 e p s 控制系统的整体设计 2 8 2 车速信号传感器 车速传感器位于汽车变速箱上，如图2 8 所示。它是根据车速大小产生成一定比例的 信号，车速里程表将这些信号转换为相应的车速指针读数，同时也把它们转换成双倍周 期的o n o f f 信号。车速信号主要是模拟信号，必须经过模拟与数字信号( a d ) 转换， 也就是把车速信号变为单片机可识别的数字信号，并把转换来的信号传送给电子控制单 元( e c u ) 的单片机内部存储器r a m 单元。只有这样，c p u 才能根据相关信号数据发出相 应指令。这些指令是用来控制电动机与离合器的，主要作用是产生一定辅助动力。u - 1 6 一撮v 蒋信等艏球 幽2 8车速传感器 图2 9 电动机正反转控制电路 由上可知，车速传感器与扭矩传感器在结构与性能有着本质的区别，车速传感器采集 的模拟信号，而扭矩传感器采集的数字信号。不同的功能、不同的结构造成在硬件上的 设计原理方面有所不同，因此电路板的设计和软件的编程也是有所不同的。 2 8 3 永磁直流伺服电动机 电子动力转向系统中的动力是一台直流伺服永磁式电动机，电动机的功能是根据控 制器发出的指令产生相应的扭矩输出。该电动机一般采用永磁式的磁场，其最大电流为 3 0 a 左右，电压为】2 v ，额定转矩为1 0 n m 。 助力转向系统对直流电动机要求就是能实现正反转控制，图2 9 是一种比较简单的 控制电路，硬件部分将详细介绍。8 1 、a 2 为触发信号端。当a 1 得到输入信号时，晶体管 t 3 导通，t 2 得到基极电流而导通，电流经过t 2 、电动机m 、t 3 和搭铁构成回路，于是电 动机就f 转；当a 2 端得到输入信号时，电流则因电流方向相反而反转。控制触发信号端 电流的大小，就可以控制通过电动机电流的大小。 1 - 3 , 2 1 - 2 3 2 ，8 4 电磁离合器 图2 1 0 为单片式电磁离合器的工作原理图，当电流通过滑环进入电磁离合器线圈时， 主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，于是电动机的动力经过轴、 主动轮、压板、花键、从动轴传递给执行机构。 i - 3 1 2 - 4 1 电动助力式e p s 控制系统一般都设定一个工作范围，即当车速达到v 4 5 k m h 时，就 不需要辅助动力转向，这时电动机就停止工作，为了不使电动机和电磁离合器的惯性影 响转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅助动力。 另外当车速过高或电动机发生故障时，离合器会自动分离，此时仍可利用手动操作控 制转向。 东南大学硕一j = 学位论文 图21 0 电磁离合器i 作原理图 1 柑耶2 线吲3 压板4 花键 5 从动轴6 主动轮7 滚珠轴 辅轮 图2 1 1减速机构 2 8 5 减速机构 减速机构是电动式e p s 不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多种组合方式，一 般采用蜗轮蜗杆转向轴驱动组合方式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合方式。 为了抑制噪音和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料 制成。其结构原理情况如图2 1 1 所示。 1 2 - 1 4 , 2 4 1 2 8 6 电子控制单元e c u 电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o l l e ru n i t ，简称e c u ) 是整个e p s 控制系统的控制中心， 其组成部分电路也相对比较复杂。园此，这里简要介绍电子控制单元的基本设计原理与 构造组成情况。i 7 ，2 5 3 5 i 骢 接 i p w m j ij j m n 电动机 电 y 1 叫 路 _ j 电 - j 路 1 j mc j j l 驱动卜 o 离台器 i b i t8 i5 2叫电路l _ j l卜 电 j i源 l 电 故障诊断输出 l 路r = 图电子控制单元 的核心是一个位( b “) 微处理控制器，设计中选用是公司生产的 第二章e p s 控制系统的整体设计 单片机作为控制系统的核心。e p s 控制系统的控制中心电子控制单元( e c l i ) 的结构 原理如图2 1 2 所示。控制系统基本电路主要包括：j f 1 ) 控制系统电源系统电路。e p s 控制系统包括由1 2 v 、5 v 、2 5 v 精密基准电源。 e p s 系统中电动机和电磁离合器采用1 2 v 电源外，单片机系统，传感器及集成芯片的电 源均采用5 v 电源，a i d 转换还需要采用精密基准电源作为转换基准电源。所以系统的 电源包括1 2 v 、5 v 和精密基准电源。 ( 2 ) 扭矩信号接口电路和车速信号接口电路。由于车速信号是一个模拟信号，它需要 经过a d 转换，将模拟信号转换为数字信号：而扭矩信号采集接口电路，它不需要经过 a d 转换。两路信号的数据采集是控制中心发出指令的重要依据。 ( 3 ) 由电动机控制芯片i r 2 11 0 组成的电动机控制电路。电动机的驱动电路主要作用 是通过脉宽调制输出( p w m ) 口，通过定频调宽法来改变输出电流的大小与方向，它主要 是根据改变占空比的大小来实现的，从而达到控制电动机的正反转( 即转向) 和改变助 力大小之目的。 ( 4 ) 采用了继电器控制的电磁离合器控制电路。主要作用是起到失效保护的作用， 即在控制系统出现故障时，使离合器与电动机分离，使转向系统进入手动操作状态。 ( 5 ) 能够进行检测系统运行的故障诊断输出电路。其主要目的是将整个系统的故障 以代码的方式通过数码显示l e d 显示出来，一方面为了能及时反映故障的类型，起到警 示的作用，另一方面是为了在查寻故障原因时，提供可查寻的依据。 本章小结： 本章简要介绍汽车了电动助力转向系统e p s 的整体构成情况。详细阐述了e p s 控制系 统的工作原理，工作性能，以及e p s 各部分组成元件的名称、位置相互关系。旨在对控 制系统有个全面的认识。 东南大学硕= 1 ：学位论文 第三章e p s 控制系统仿真试验台的设计 汽车电动助力控制系统e p s 的设计与开发，主要靠试验和仿真的方式来进行，而仿 真技术由于车辆系统和行使环境的复杂性，又很难准确地反映一些实际问题；如果一味 地在整车上进行试验，由于处在控制系统研究开发初期，开发周期长，因此投资的代价 很大。 建立控制系统的实验台，不仅可以节约投资成本，同时可以进行汽车动态模拟仿真 试验，近年来，随着计算机技术的高速发展和车辆动力模型的不断完善，利用试验台进 行模拟仿真试验在汽车领域的课题研究中已经成为实现。如：汽车防抱死控制系统( a b s l 就曾成功地利用试验台进行过系统的开发。 目前国内许多的厂家和科研机构都在研究e p s 控制系统这一课题，同时也在研究e p s 控制系统的试验台设计，据说有些厂家投入了相当多的资金，足见e p s 控制系统试验台 的设计对课题丌发之重要性。 本章主要介绍e p s 控制系统实验台的设计原理，实现功能，材料的选型以及控制系 统实验台的测试数据的后置处理和试验台的改进等相关问题。 3 1e p s 控制系统的试验台的功能设计 e p s 控制系统试验台的设计目的不仅仅是测试e p s 控制系统的一些相关数据，更主 要地是能够利用测试得到的数据进行分析为系统的开发与设计提供建设性的观点和建 议。 鉴于e p s 控制系统是一个与车辆系统、行车环境等诸多因素紧密相关的非线性控制 系统，控制系统的试验台设计一定要尽可能模拟出车辆行使时的实际情况，以使测得的 试验数据能够比较真实反映实际效果，分析结果具有说服力。使得试验台的设计能够为 系统的研究与丌发提供最为直接的服务。 此外，试验台的设计为了能节省投资成本，尽量减轻厂方的开支。所以设计试验台 时在满足其基本功能的基础上，尽可能地选用了些成本相对较低，性能适中的部件。 e p s 控制系统的基本功能主要包括以下几个方面： 1 ) 帛模拟出汽车在各种路况下行驶时产生对转向系统的阻力。 汽车在行驶时，在不同的路况下汽车转向系统感受到的阻力是不相同的，在进行汽 车实验台功能设计时，应该将这一重要情况考虑进去。 由于汽车产生的阻力是扭矩信号，所以设计的仿真试验台必须能模拟出这一实际效 果来。在进行实验台零部件选型时，首先要使选择的部件，必须能够产生不同的阻力扭 矩，其次能够将产生的扭矩信号及时地显示出来，并且能够与计算机联网以便为测试试 验数据提供良好的后勤服务。 考虑到投入的成本问题，试验台设计时选用了摩托车的刹车鼓作为制动装置，在调 试的过程中，由于刹车鼓的稳定性能较差，使得试验的效果感觉不是很好，于是后来选 用了磁粉式制动器。不仅性能方面得到了加强，同时试验的数据更为合理可靠。 2 ) 能模拟出汽车在不同车速下提供给控制系统的电源信号。 汽车e p s 控制系统的输入信号有两路：一路是扭矩输入信号，另一路则是车速输入 信号，在考虑了对试验台扭矩信号的模拟后，如果能模拟出汽车的车速输入信号，那么 试验台的两路信号问题就解决了。 第二章e p s 挣制系统试验台设计 酉手军珏葡莎可尹再季砸备上进行模拟测试的，它不可能像在车辆在实际行使中 一样进行。所以对车速输入信号的处理设计，必须根据汽车构造的机理制定出相应的处 理办法。汽车的车速信号是模拟信号，而且是一个频率信号，它是通过汽车速度表将电 源信号，l 叠过a d 转换后与e p s 控制系统连接在一起的。能够模拟出汽车速度表中的电 源信号，即可能在实验台上，而不需要在整车上进行仿真试验。 设计出模拟汽车车速信号的最好办法是采用频率发生器，可以通过多路切换开关与 控制系统连接，通过设置不同的频率段模拟出在不同行使速度下的车速信号。 3 ) 省够显示出汽车方向盘产生的助力扭矩。 解决了汽车两路输入信号即扭矩信号和车速信号的模拟仿真后，对产生的助力效果 的显示则成为实验台设计时考虑的当务之急。助力转向系统产生的助力效果必须通过数 据形式反映出米。 由于e p s 控制系统能对在不同的扭矩信号和车速信号下产生一定的助力，它是通过 传感器将信号传送给电子控制单元e c u 的，由软件系统来执行。所以进行在实际试验 台助力测试刚，考虑到试验台结构的合理性等相关问题，可以利用传动系统的自身特点， 在方向盘上安装个传感器，清晰反映出方向盘在f 反转时，控制系统产生的实际扭矩 数值。 为了能够便于试验测试后的数据处理工作，方向盘传感器也应该能够与计算机进行 联网，以便进行数据传送。 4