（光学工程专业论文）eps系统总体方案及控制方法研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文e p s 系统总体方案发控制方法研究 摘要 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是继液压助力转向系 统后出现的一种新型动力转向系统，具有液压助力转向系统无法比拟的优势，它不仅能节 约能量，提高安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，是汽车 转向系统发展的必然趋势。 本课题充分利用了汽车工程、自动控制理论、机电一体化和嵌入式系统等多学科知识， 从总体方案与软、硬件控制方法两方面对电动助力转向系统进行了深入细致的研究。论文 首先对系统需求进行分析，制定e p s 系统总体方案，接着进行系统软、硬件设计。硬件系 统是以单片机为核心的集成控制电路，主要功能包括：传感器信号的实时采集，二阶低通 滤波，助力扭矩的p w m 控制，h 桥电路驱动直流电动机以及离合器控制等；软件系统的 编制遵循模块化设计思想，采用c 5 1 计算机语言开发，主要功能模块包括：数据处理、数 字滤波、电动机p i d 闭环控制、目标电流计算等。为了解决现有e p s 采用线性控制方法的 不足，论文采用基于二次非线性助力特性的控制算法。为进行系统性能测试，本项研究设 计了模拟试验台架，并搭建了综合试验平台。最后，论文从可靠性和安全性两个角度探讨 了系统的工程化实现问题。 关键词：汽车，n l e p s ，总体方案，控制方法，p w m ，p i d 南京理工大学硕士学位论文e p s 系统总体方案 ；曼控制方法研究 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i san e w t y p es t e e r i n gs y s t e m ，w h i c hc a n s a v ee n e r g y i m p r o v ev e h i c l es a f e t y , a n db e n e f i te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n i t san e w - h i g h - t e c ht h a tf o l l o w s m o d e mv e h i c l ed e v e l o p m e n tt o p i cc l o s e l y e p si sm u c hs u p e r i o rt oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m i tw i l lb et h ei n e v i t a b l ed e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o ra u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g t h i sp a p e rf u l l ys h o w st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tc o m b i n a t i o no fa u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g ， e l e c t r o m e c h a n i ce n g i n e e r i n ga n de m b e d d e ds y s t e m f r o mt h eg e n e r a lp l a n n i n ga n dt h ec o n t r o l m e t h o d so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，e p sw a ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h eg e n e r a l p l a n n i n gw a se s t a b l i s h e dw h i c hw a sb a s e do nt h ed e m a n da n a l y s i so fe p s s e n c o n d ，t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ew e r ed e v e l o p e d t h eh a r d w a r ew a sa l li n t e g r a t i o nc o n t r o lc i r c u i t ，t h e r u c t i o no fw h i c hi n c l u d i n g ：s i g n a l sc o l l e c t i o n , l o wb a n df l i t e r ，p w ms i n g a lo u t p u t ，h b r i d g e c i r c u i t ，c l u t c hc o n t r o la n de t c a n dt h e n ，f o l l o w i n gt h em o d u l a r i z a t i o ni d e a ，t h es o f t w a r ew a s d e v e l o p e dw i t l lc 5 1 c o m p u t e rl a n g u a g e t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e st h ed a t ap r o c e s s i n g d i g i t a lf i l t e r , p i da l g o r i t h m r o u t i n e ，t a r g e tc u r r e n tc o m p u t a t i o na n de t c f o ri m p r o v i n gt h ee p s p e r f o r m a n c e ，t h en o n l i n e a rc o n t r o lc u r v ew a sr e a l i z e di nt h es o f t w a r es y s t e m t h i r d ，f o rt e s t i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e m ，t h et e s tb e n c hw a sd e s i g n e da n dt h es y n t h e s i st e s t i n gf l a t f o r m w a si n t e g r a t e d f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yt oi n t r o d u c et h ep r o b l e m o fe p s se n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n ， k e y w o r d s ：v e h i c l e ，n o n l i n e a re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( n l e p s ) ，g e n e r a lp l a n n i n g ，c o n t r o l m e t h o d s ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，p i da l g o r i t h m i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除- f j 口以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：氆：遂冰挥6 月冀日 j 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：储：敞盈加辟月蠲t 日 i 1 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法研究 1 绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 随着社会的进步和人们生活水平的提高，我国的汽车工业发展迅速，现已成为国民经 济的支柱产业，人们对汽车的本身性能的要求也日益提高。 转向系统是汽车的关键总成之一，其性能优劣将直接关系到操纵稳定性、安全性和节 能环保性能，然而传统的液压助力转向系统已无法满足人们对汽车性能的更高要求1 】【2 1 。 由于液压助力转向系统提供的转向力矩是恒定的，要保证汽车在停车或低速掉头时转向轻 便的话，那么在助力作用下，当汽车高速行驶时驾驶员就会缺乏路感，感觉汽车发“飘”， 容易发生事故；反之，如果要保证驾驶员在高速行驶时有适当的路感，当停车或低速转向 时汽车的转向轻便性又显不足 3 1 4 1 。因此，国内外各大汽车企业、研究机构纷纷把目光投 向备受关注的新型助力转向装置电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称 e p s ) 。国际各大汽车企业实践证明，电动助力转向系统可以完全地解决液压助力转向系统 的固有缺点，并可大幅提高汽车转向系统的综合性能5 】【6 。 1 2 关于现代控制技术 开发e p s 的技术关键是系统的控制方法，它包括控制系统的软件和硬件，下面就现代 控制技术的基本方法和原理作简单介绍。 1 2 1 现代控制技术概述 控制技术在现代化进程中有着及其重要和广泛的应用。现代控制系统在工业、农业、 交通运输、航空航天、化学、建筑、军工等领域均扮演着重要角色。现代控制技术的应用 使各种被控对象产生令人惊羡的结果：减轻劳动强度，提高生产效率，改进产品质量，改 善工作环境，减少能量损耗和增加资源材料利用率等。尤其在2 0 世纪后期，现代控制技 术与单片机的结合，使嵌入式自动控制系统成为一种崭新的形式，扩大了现代控制技术的 应用领域，使自动控制成为现代社会应用最为广泛的技术之一 7 】【8 i 9 】。 1 2 2 现代控制技术中的基本概念 现代控制领域中的部分概念在后面章节可能涉及到，因此，在本节简要介绍如下【8 【9 】： ( 1 ) 对象，也称被控对象。它是一个设备或是多种部件组成一个的整体，其作用是执行某 种特定的动作或完成某项任务。任何被控的设备，物体均称为对象。 ( 2 ) 过程。在现代控制技术中，任何被控的动力系统的运行状态称为过程。 ( 3 ) 系统。由一系列部件组合在一起，能完成一定功能或任务的一个整体，成为系统。 塑塞型三查鲎! ! 圭兰垡笙苎望! 墨竺望竺查壅丝丝型查鲨! ! 堑 ( 4 ) 控制器。接收控制指令或信号，并对对象执行控制的部件称为控制器。控制器是现代 控制技术的核心，各种控制理论和技术均是通过控制器实施的。 ( 5 ) 反馈。在自动控制系统中，对系统的输出信号进行采样，并把结果送回系统的输入端， 这一过程称为反馈。若把输入信号和输出信号进行相加，这一过程成为正反馈；如把 输入信号和输出信号进行相减，这一过程成为负反馈。 ( 6 ) 比较。比较是输入信号与输出信号的测量及反馈信号进行运算的过程。该运算过程可 能为相加或相减。 ( 7 ) 检测。为监视系统的输出结果是否符合控制要求，需要对输出系统状态进行测量，这 一测量过程称为检测。测量系统输出状态的器件称为传感器。 ( 8 ) 扰动信号。使自动控制系统的输出结果产生偏差的信号成为扰动信号，有时也称为干 扰信号。 自动控制系统的典型结构框架如图1 1 所示。它包括输入，比较，控制器，对象或过 程，输出状态及测量与反馈6 个部分。 输 图1 1 自动控制系统的结构框架图 1 3 关于单片机嵌入式系统 1 矗1 单片机嵌入式系统的概念 单片机嵌入式系统是指完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的单片机 系统。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口等。软件部分包括操作 系统软件( o s ) 和应用程序软件( 有时设计人员把这两种软件组合在一起) 。应用程序控 制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。术语“嵌入 式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个子系统1 0 】 1 l l 1 2 】。 1 3 2 单片机嵌入式系统的特点 单片机嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点1 2 ”】： ( 1 ) 单片机嵌入式系统与通用型计算机系统最大的区别为：嵌入式c p u 大多工作在为特定 用户群设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，可将通用c p u 中 许多由板卡完成的任务集成在芯片内部完成，从而有利于单片机嵌入式系统设计趋于 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法硎冗 小型化。 ( 2 ) 单片机嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 单片机嵌入式系统的硬件与软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，在极小 的面积上实现极强的功能。 ( 4 ) 单片机嵌入式系统与具体应用有机地结合，其升级换代也是与具体产品同步进行，因 此单片机嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 单片机嵌入式系统中的软件一般均固化于存储器芯片或单片机本身，具有较高的执行 速度和系统可靠性。 1 4 关于汽车电动助力转向系统( e p s ) 1 4 1e p s 与传统转向系统对比分析 现阶段汽车转向系统主要包括传统转向系统和电动助力转向系统，其中，传统转向系 统主要包括：纯机械式转向系统、液压助力转向系统( h p s ) 和电子控制式液压助力转向系 统( e h p s ) 。本节将分别对其进行介绍，从中可看虫e p s 较之传统转向系统的优点所在。 ( 1 ) 传统转向系统 液压助力转向系统是传统的助力转向系统，通过液压器件提供转向助力，比汽车发明 初期纯机械式转向系统有了较大进步，但无法兼顾汽车的转向轻便性和操纵稳定性是其致 命缺点【5 j 。 电子控制式液压助力转向系统是液压助力转向系统向电动助力转向系统过渡的一个 产品。电子控制式液压助力转向系统通过增加电子控制模块，能够解决液压助力转向系统 低速轻便性和高速“路感”的矛盾，但其结构也变得更加复杂。同时，因为该系统还保留 着液压机构，所以仍然存在着效率低，功耗大的缺科5 】【1 4 】 1 5 。 ( 2 ) 电动助力转向系统 电动助力转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助力矩的转向系统，这种系统不需要 复杂的控制机械，只要控制了电动机两端电枢电压的大小和极性，就能实现转向系统自动 控制的要求。另外，该系统利用了微处理器控制，为转向特性的设置提供了较高的自由度， 而且还降低了成本、提高了控制质量。现将其主要性能特点归纳为 4 l 1 5 1 6 】： ( a ) 能够提供最佳助力，同时保证汽车的转向轻便性和操纵稳定性。 查塞望三奎堂堕主堂垡堕圭 竺! 墨竺璺堡立塞丝丝型互鲨婴塑 只在转向时才提供助力( 液压助力转向系统在不转向时，油泵也在工作) ，因而可提高汽 车经济性。 ( c ) 由电动机直接提供助力，电动机由蓄电池供电，因此e p s 能否助力与发动机是否起动无 关。 ( d ) 电动助力转向系统取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件 比传统液压助力转向系统大大减少，因而质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面 也更容易，并可降低噪声。 ( e ) 电动助力转向系统不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。 1 4 2e p s 的国外研究及应用现状 正因为电动助力转向系统有那么多的优点，国外各大汽车公司才对其如此地重视，并 从各个方面进行了深入地研究。 在e p s 系统建模方面，1 9 9 9 年d e l p h i 公司a l yb a d a w y 和j e f r z m s k i 提出的e p s 降阶模型 比较有影响；为考察电动助力转向系统对车辆动力学特性的影响，美国学者y g l i a o 建立 了多刚体的整车动力学模型，并利用a d a m s 和控制系统分析软件m a t l a b 进行了整车动 力学模型和e p s 系统控制器的耦合仿真 1 _ 7 【1 8 】。 在电动机控制方面，j s c h e n 分析t e p s 系统采取比例控制方式和比例加微分控制方 式，并比较了性能的优劣，提出了比例加微分控制方式能提高e p s 的传递特性。 另外，d e l p h i 公司的r o ym c c a n n 在其研究报告中提出在e p s 系统控制器中引入横摆角 速度反馈，以增加系统的操纵稳定性。 在应用方面，日本铃木公司首先在其c e r v o 车上装备电动助力转向。在此之后，电动助 力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司，本田汽车 公司，美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自的电动 助力转向。如大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽公司的m i n i c a 车都装备了电动助力转向；本 田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装电动助力转向；d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的 p o l o ，欧宝的3 1 8 1 以及菲亚特的p u n t o 开发出电动助力转向。t r w 的电动助力转向已经装备 在f o r df i e s t a $ 【l m a z d a3 2 3 f 等轿车上【1 3 1 7 1 18 1 。 1 4 3e p s 的国内研究及应用现状 与国外相比，我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白，自2 0 0 0 年昌河“北斗 星”车装备e p s 之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统 研发的热潮。目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一 定的进展。 4 查塞堡三查堂堡主堂壁笙苎 ! 堕墨竺些堡查茎丝丝型查鲨竺圣 合肥工业大学的王启瑞、陈无畏将模糊控制和p d 控制结合，提出了模糊自调整p d 控 制策略，并进行仿真分析和试验验证，结果表明该策略有较好的助力特性和抗干扰能力。 清华大学的季学武，石家庄铁道学院的吴文江、杜彦良等人认为传统的p i d 控制器鲁棒性、 抗干扰能力差，不能使e p s 获得令人满意的控制效果。为此，将鼠控制理论引2 e p s 的设 计中，对e p s 的抗干扰、跟踪性、振动的抑制等方面，做了一系列的研究，并取得了一定 的成果f 5 】【1 9 【2 0 】。 现在国内主要有清华大学、东南大学等高校研究的e p s 开始装车调试。但在应用方面， 仅有南京跃进汽车集团的“新雅途”、广州本田的“飞度”和昌河的“北斗星”等少量车 型装备了e p s 。 由于国内各大企业与研究机构对该项技术的控制理论与控制原理并未完全掌握，仍处 于探讨实践阶段，e p s 的批量国产化工作仍需一个模索的过程。 1 5e p s 的技术缺憾及改进途径分析 尽管e p s 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在着不少技术缺憾。本节将进行概要 介绍，并分析其可能改进途径川【6 】【1 5 】【1 6 2 l 】： ( 1 ) 现阶段的e p s 采用的线性转向特性曲线作为控制策略的设计依据，导致了“路感”与 理想情况差别较大。而非线性转向特性曲线可较好地满足实际驾驶要求，因此，非线 性控制策略的e p s 将是未来转向系统的主要发展趋势之一。 ( 2 ) 目前大部分e p s 使用的均是1 2 伏电压( 或2 4 伏) 的电动机，所能提供的转向助力仍 然有限，因此仅能装各在轮胎直径小的车型。主要改进途径将是发展4 2 伏车辆电源系 统，以便将e p s 成功地应用在轮胎直径大的车型上。 ( 3 ) 国内e p s 产品的转向盘转矩传感器主要采用接触式传感器，接触式传感器的使用将导 致系统的可靠性下降。为提高系统整体可靠性，必须研究使用非接触式传感器。 ( 4 ) e p s 在机械式转向系统基础上增加了电动机和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大。 因此，必须引入惯性控制和阻力控制，避免电动机开始助力和终止助力时对转向操纵 产生影响。 ( 5 ) e p s 仍然存在机械部件，使系统布置，控制算法设计仍不够灵活。可发展线控转向技 术( s t e e r b y w i r e ) ，此技术采用传感器记录驾驶员的转向数据，然后通过数据线 将信号传递给车上的e c u ( 电子控制单元) ，e c u 根据这些信号控制转向元件直接进行 转向。同时，线控转向技术可防止驾驶员的错误操作，提高车辆主动安全性。 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法研究 1 6n l e p s 概念的提出 目前，大部分已研制的e p s 虽具备上文所提及的各种优点，然而，驾驶员在实际应用 过程中还是会感觉到其助力特性存在着某些缺憾，与成熟的e h p s 的助力特性之间存在着一 定差距。究其原因还在于多数的e p s 采用的控制策略以线性助力特性为根据，无法满足输 x d , 转向力矩时转向助力应上升缓慢，输入大转向力矩时转向助力应上升迅速的要求。而 h p s 则采用非线性助力特性，可满足以上要求。 因此，本文结合e p s 并n h p s 两者的优点，设计了基于非线性助力特性的电动助力转向 系统，目p n l e p s ( n o n l i n e a re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g1 。 1 7 课题的关键技术及主要研究内容 1 7 1 课题的关键技术 本课题的研究对象为e p s 的总体技术、控制原理与性能试验，其关键技术为 ( 1 ) e p s 总体方案的确定； ( 2 ) 转向助力特性曲线的确定； f 3 ) 各部件的合理匹配； ( 4 ) 系统的控制算法； ( 5 ) 直流电动机的精确控制： ( 6 ) 软、硬件系统的抗干扰技术。 1 7 2 课题的主要研究内容 本课题充分利用了现代设计方法和手段，以汽车转向特性为依据结合现代控制理论编 写了单片机嵌入式系统的核心控制程序。同时，通过对软、硬件系统的合理设计，所研制 的系统各项技术参数全面符合国家标准的要求，本课题所做的主要工作有： ( 1 ) 系统工作原理与性能需求分析； ( 2 ) 系统研制的总体方案设计： ( 3 ) e p s 转向特性及控制算法研究； ( 4 ) 硬件系统各组成元件选取； ( 5 ) 硬件系统控制电路设计； ( 6 ) 软件系统实现； f 7 ) 系统集成与性能检测与试验。 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法研究 2n l e p s 基本原理及控制策略 2 1 电动助力转向系统的分类及基本组成 根据电动机布置位置不同，电动助力转向系统可分为三种如图2 1 所示【4 】： ( i ) 转向柱助力式电动转向系统( c e p s ) 电动机安装在转向柱的一侧，通过减速机构 与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。这种类型主要用于轻型汽车上。 ( 2 ) 齿轮助力式电动转向系统( p - e p s ) 电动机和减速机构安装在转向器上直接驱动 转向小齿轮。 ( 3 ) 齿条助力式电动转向系统( r - e p s ) 电动机安装在齿条上直接驱动齿条。 王 擒 ( a ) c - e p s ( b ) p e p s( c ) r - e p s 图2 1 三种结构的e p s 由于课题所研制的电动助力转向系统的目标应用车型为轻型汽车，因此本文研究拟采 用c e p s 布置方式。 c - e p s 主要结构包括：机械转向器、电动机、控制单元( e c u ) 、电磁离合器、转矩传 感器和车速传感器等，如图2 2 所裂2 2 1 。 图2 2c e p s 结构组成示意图 2 2 电动助力转向系统原理 如图2 2 所示，电动助力转向系统的工作原理是：扭矩传感器与转向轴连接，当转向 7 堕塞墨三盔堂堡圭兰竺堡苎 ! 堕墨竺璺竺互墨墨丝型塑鎏竺堑 盘转动时，扭矩传感器开始工作，将输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移转 变为电信号传给e c u ，e c u 以车速传感器、扭矩传感器以及电流传感器反馈的信号为依据 决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而提供相应大小和方向的助力扭矩完成实时 控制助力转向。因此，电动助力转向系统很容易实现电动机与车速的跟随性，保证汽车在 低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。 2 3n l e p s 转向助力特- 畦研究 2 3 1 路感定义 汽车转向过程中，转向阻力含有前轮侧向力信息，使汽车的运动状态( 包括车轮与路 面的附着状态) 与驾驶员手力有对应关系，这就是所谓的“路感”。汽车转向过程中的转 向轻便性与路感是相互矛盾的。满足转向轻便要求转向系统能提供大的助力，而助力增加 后，路感就变差了。转向轻便性是针对汽车低速行驶( 如原地转向、泊位) 时提出的要求， 而路感是针对汽车高速行驶时提出的要求 2 3 】【2 4 】。 汽车在高速行驶时，应能把车轮与路面的接触状态以反力和位移形式，通过转向系传 至转向盘，使驾驶员感到此种力和位移的反馈及差别。如果路感很清晰，驾驶员就会心中 有数，有利于提高行驶安全性。驾驶员在驾驶时，只有及时方便、准确的掌握汽车的行驶 状况，才能有把握正确地操纵汽车，因此良好的路感是优良的操纵稳定性不可缺少的部分 2 4 1 2 5 1 。 2 3 2 转向系统助力特r 生的概念 转向系统的助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况( 车速和转向盘手力) 发生 变化而变化的规律。对液压动力转向，助力与液压油压力成f 比，故一般用液压油压力与 转向盘力矩( 及车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。对于电动助力转向系统，助力与直 流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助 力特性闭【27 1 。 电动助力转向的助力特性由软件设置，是电动助力转向系统的控制目标，可以根据需 要设计成任意曲线形状，并可方便地进行调节。 2 3 3t i p s 的转向助力特性 在传统液压助力转向系统中，助力特性主要由阀的结构决定，并且设计完成后助力特 性就确定了。图2 | 3 所示为传统液压助力转向系统的助力特性，俗称翁型曲线【2 到。由图中可 清楚看出，液压只随着方向盘输入力矩增大而增大，不能依据车速变化而进行最优化助力， 即从某种意义上说，h p s 具有恒定助力特性。 r p ( m p a ) ( t d ( n m ) 例2 3 传统液压助力转向系统的助力特性曲线 2 3 4 现有e p s 的线性转向助力特性曲线 为了简化转向控制策略，现有e p s 的助力特性几乎全部采用线性或折线型控制模式， 其基本原理如下： ( 1 ) 直线型助力特性曲线 图2 4 为典型的直线型助力特性曲线。该助力特性曲线可用下式函数表示 2 2 2 6 1 1 2 8 】： j 0( 0 乃) ，= | j ( v ) ( 乃一乃。)( 乃。乃 乃) ( 2 1 ) 【，。( 乃乃) 式中，i 为电动机目标电流：i m a x y 口电动机最大工作电流；乃为转向盘输入力矩；吖v ) 为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；为系统开始助力时的转向盘输入力矩；，。 为系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。 i ( a ) 一 1 t | | 绛。刈 图2 4e p s 直线形助力特性曲线 ( 2 ) 折线型助力特性曲线 图2 5 为e p s 典型的折线型助力特性曲线。该曲线可用下式函数表示 2 2 】 2 7 】【2 9 】 ( o 乃 l 叫= ，7 孬台要求f 藿 图3 1 系统开发技术流程图 本文的研究就是按照该流程进行的。 攀蓁l 一薏姗黼h 羹叫嚣 曰璺 3 2n l e p s 的需求分析 通过比较传统转向系统与n l e p s 的优缺点，同时结合企业目标车型的实际情况，本 文确定n l e p s 的系统需求如下： ( 1 ) n l e p s 系统应能很好地实现既定功能； ( 2 ) 低速情况下，系统输出较大转向助力，保证转向轻便性 ( 3 ) 高速情况下，减小输出助力，给予驾驶员较好“路感”； ( 4 ) 运行稳定可靠，抗干扰性强： ( 5 ) 能提高汽车的行驶安全性能； f 6 ) 软件结构简洁，执行效率高； ( 7 ) 控制电路p c b 板面积小； ( 8 ) 按需助力，减少功耗； ( 9 ) 控制精度高，实时性好； ( 1 0 ) 结构紧凑，布置方便； ( 1 1 ) 具有良好的运行可靠性。 3 3n l e p s 硬件系统方案设计 南京理工大学硕士学位论文e p s 系统总体方案及控制方法研究 根据n l e p s 的性能需求分析，硬件系统的设计必须满足安全可靠、控制精度高、实 时性好、结构紧凑以及布置方便等要求。其组成包括：机械执行部分、信号采集部分和控 制单元，其组成原理如图3 2 所示h 7 1 。 图3 2 电动助力转向系统硬件组成图 1 输出轴2 减速器3 扭杆4 转矩传感器5 方向盘6 输入轴7 转矩信号8 电控单元9 车速信号 1 0 电动机1 1 电流信号1 2 离台器1 3 小齿轮1 4 齿条1 5 拉杆 3 3 1 机械执行部分 机械执行部分的功能是传递转向扭矩并最终完成汽车转向。e p s 的机械执行部件主要 包括：机械转向器、减速机构、电磁离合器和直流电动机等。 ( 1 ) 机械转向器：本课题选择传统的齿轮齿条式机械转向器，其主要优点有：结构紧凑， 传动效率高，可减少冲击、噪声，制造成本低。 ( 2 ) 减速机构：减速机构是用来增大电动机的输出扭矩，主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速 机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向桂助力式电动转向系统，后者主要用 于齿轮助力式和齿条助力式电动转向系统。因此，课题选择蜗轮蜗杆作为减速机构。 ( 3 ) 离合器：其功能是在e p s 预先设定的车速范围内闭合，使电动机的辅助力矩可传至转 向器；当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机提供的助力不再输出到转向 系统，转入手动转向状态。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。在断开 的情况下，离合器可清除电动机惯性的影响。根据系统性能要求，本课题采用干式单 片电磁离合器。 ( 4 ) 电动机：电动机是电动助力转向系统的动力提供部件，其功能是根据e c u 的指令产生 相应的输出扭矩。在分析了不同电动机的技术特点( 如表3 1 所示) 及系统性能需求， 本课题选用了永磁式有刷直流电动机。 南京理工大学硕士学位论文e p s 系统总体方案及控制方法研究 表3 1 不同电动机技术特点比较 ；鬻羹蒌 麓i 穗尊爨瑟荔薹秘爨勰憋澄赫随螽瓤薯j 、i _ o i 毋荚磁阻电动机 ，_ i 疆辅l g 劫援薯：曩煎流电动瓤 p ? 圳川? i 。 鬻鬻爨；。豢 三相定子三相定子 四相定子 ”i 篝萋鹱蔡誉 转动绕组 永磁转子铝或铜转子 钢铁转子 机械换向器无转子绕组 鬟i 鬻鬻鬻誊 电子转向无永磁体 无永磁体 _ j 蓦曩溅；势搿曩曩蔓 低高 对1 2 v 系统低比永磁电动机低 擘曩善g 誊象窥纛i i i 低高低低 i 熟麟淹麓 通过电动机设计基本上通过电磁通过屯子通过电磁设计和电 时考虑设计考虑控制器考虑子控制考虑 、蠢凌添虢熬疆艨薯技术较成熟仍在发展技术较成熟仍在发展 薯系绩塞絮程度 控制器最简单控制器简单中等控制器高度复杂 n l e p s 机械执行部分功能耦合如图3 3 所示： 图3 3n l e p s 机械执行部分功能耦台图 3 3 2 信号采集部分 信号采集部分的功能是实时地将汽车行驶和操控状态传送给n l e p s 的处理器，处理 器再根据获得的数据对执行部件进行控制。基本组成包括扭矩传感器、车速传感器和电流 传感器等。 ( 1 ) 扭矩传感器：其功能是检测方向盘的输入扭矩。 ( 2 ) 车速传感器：其功能是采集车速信号。 ( 3 ) 电流传感器：其功能是采集流过电动机的电流信号，以用于p i d 调节器进行控制，并 防止电动机电流过大。要求电流传感器温漂小，响应速度快。 3 3 3 集成控制电路 ( 1 ) 集成控制电路执行流程 n l e p s 的集成控制电路为机械执行部件与m c u ( 微型控制器单元，本系统即为单片 机p 8 7 l p c 7 6 8 ) 的接口，其主要功能包括：采集e p s 的转矩、车速及电流三路传感器输出 的信号，对其进行滤波放大等处理以后，输入系统的m c u ；m c u 根据所获得的信号输出 p w m 等控制信号，并通过相应的逻辑电路及驱动电路对电动机、电磁离合器及继电器进 行控制。系统集成电路控制流程如图3 4 所示： 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法硼：究 图3 4n l e p s 电路控制流程图 ( 2 ) 集成控制电路开发环境 ( a ) 原理图开发软件：p r o t e l9 9 s e ( b ) 模拟仿真软件：m u l t i s i m2 0 0 1 ( c ) p c b 板设计软件：p r o t e l9 9 s e 3 4n l e p s 软件方案设计 3 4 1 软件开发环境 ( 1 ) 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w sx p ( 2 ) 开发语言：c 5 1 ( 3 ) 调试软件：k e i lu v i s i o n 3 f 4 ) 编译器： k e i lu v i s i o n 3 3 4 2n l e p s 软件执行流程 n l e p s 控制软件运行在连续循环监控环境下，当m c u 的a d 接口采集到传感器输出 信号，立即跳转到中断服务程序，根据电流和车速信号决定输出电磁离合器、继电器控制 信号或执行p i d 算法和控制策略算法控制执行电动机，之后又进入连续循环监控，等待下 一次采样周期，重复以上动作。 n l e p s 控制软件主程序执行流程如图3 5 所示： 厂叫i o 输出厂_ - 离合器 t 。一 匝亟母蔓至m 巫 固恒卜电动机 、_ 一 厂鬲面 一+ 继电器 i j 图3 5 软件系统主程序执行流程图 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法研究 3 5 试验平台方案设计 要研究与开发n l e p s 系统，必须要有一个良好的试验平台，用以模拟汽车行驶工况并 测试所研制的电动助力转向系统，为实车运行做好准备。 本课题所研制的试验平台应具备以下功能： ( 1 ) 应具有完善的n l e p s 模拟试验台架，可配合控制软件构成综合开发平台； ( 2 ) 可在运行状态下实时地改变控制系统的参数，方便复杂控制算法的试验和验证； ( 3 ) 可对n l e p s 的e c u 进行性能测试试验； ( 4 ) 可采集试验数据，并作为后期系统优化设计的依据。 n l e p s 试验平台的详细结构见本文的第六章。 3 6 本章小结 本章首先确立了n l e p s 开发的技术流程，详细分析了系统的需求，并以之为基础进 行了系统的硬件、软件和试验台架的总体方案设计，为系统的下一步详细设计打下了坚实 的基础。 塑塞型三查堂堡主兰垡堡壅 。! ! 墨竺璺竺查壅墨丝型查婆竺壅 4n l e p s 硬件系统详细设计 4 1 机械执行部件及传感器 开发n l e p s 首先需要对整个系统各机械执行部件和传感器进行合理匹配，其中主要包 括电动机、电磁离合器、减速器和机械转向器等。传感器包括：扭矩传感器、车速传感器 和电流传感器。现根据第三章方案设计中的要求对各个部件进行选型与匹配： ( 1 ) 电动机：前面章节已提到，本课题采用的是转向柱助力式电动转向系统方案。该方案 的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现助力 输入，因此要求电动机的最大输出力矩要小；其次，电动机常布置在驾驶室内，工作 环境较好，对密封要求低；但安装位置离驾驶员近，对电动机的降噪质量要求高；对于 前置前驱动轿车，前轴附近的空间非常紧张，所以，电动机的尺寸应尽可能小，并与整 车前轴布置相匹配。本系统选用的电动机为江苏某电机厂生产的永磁式直流电动机， 其主要性能参数为： 表4 1 电动机性能参数表 。童。锻袅一 永磁式直流电动机 灏爱国座糯曩d c l 2 v 额宠疆矩鞠_ l l l _ 1 0 额急电流隧“。 2 0 ( 2 ) 电磁离合器：本课题采用直流电动机上自带的电磁离合器，不仅可提高系统可靠性而 且还可缩小布置空间。其主要性能参数如下： 表4 2 电磁离台器性能参数 一形书 干式、单片电磁操纵 _ 曩额定电压聪蠢o d c l 2 v j i 毒，线圈屯疆瓣一 1 9 5 2 0 。灏定传递担矩，i _ - i 趣 ：j 1 5 1 2 v ，2 0 ( 3 ) 减速器：为降低噪声和提高使用寿命，本课题的蜗轮蜗杆减速器采用树脂材料，传动 比取2 5 。 ( 4 ) 转向器：由于系统的目标车型为南汽集团的某车，为获得最优匹配效果，本课题采用 南汽集团的某型齿轮齿条式机械转向器。 ( 5 ) 扭矩传感器：本系统所采用的扭矩传感器，其额定输出电压为o 5 v ，对应扭矩的量 程为2 5 n m 。当转向盘处于中间位置时，传感器的输出电压为2 5 v ：当转向盘问右旋 转时，其输出电压为2 5 5 v ；当转向盘向左旋转时，其输出电压为0 2 5 v 。因此， e c u 根据传感器输出电压的高低，就可判定转向盘的转动方向和扭矩的大小，满足系 南京理工大学硕士学位论文 e p s 系统总体方案及控制方法研究 统要求。 ( 6 ) 车速传感器：本系统尚处于台架试验阶段，因此无需采用车速传感器，性能试验时， 采用函数发生器输出脉冲信号模拟车速信号。 ( 7 ) 电流传感器：本系统采用h n c - - 5 0 l x 闭环霍尔电流传感器。其主要参数如表4 3 所示。 表4 3i t n c 一5 0 l x 电流传感器主要参数表 j 莲猁溪国巍j 蕤囊j 5 0 a d c _ j 蔓j 、。端利缚藩圈薯i o 7 5a d c r 谢j 莉辫毋蠼瓣囊| 4 v 1 麓零糯爨露釉溪。i 1 5 v 5 d c 蠹一蠢i 镬瓣瓣景躲、。蕊， 1 o m v 。c 。一莉瘦馘间j 程。蔓 l u s 鬻i 誊j 绝缘i 匿蘧v 口扩算一 5 0 0 m qa t5 0 0 vd c 4 2 n l e p s 集成控制电路的总体结构 n l e p s 的集成控制电路框架如图4 1 所示。 弱电电路 古， 俐 强电电一 w 一 删lf 厂 i - 翌兰 车誉恒刮m c u 圈j 坦翌计嘶可 一 。r r 一 厂_ 一 。 f 吣静 l 复位电路卜一 一离嚣动i l 一jo 一 。 滤波f b 镕 7 ? j i _ - 图41n l e p s 集成控制电路框架示意图 集成控制电路主要包括以下几个组成部分： ( 1 ) 输入模块：电路系统的输入信号包括车速、扭矩和电流三路传感器所输出的信号。对 应各种输入信号都有相应的接口电路对信号进行相应的处理，为增强系统的可靠性和 2 6 妻室型三查兰堡主堂垡丝苎 些! 墨堑璺竺塑壅墨堡! ! 查鎏塑窒 抗干扰能力，信号输入以及接口电路之间采取了滤波和光电隔离等措施。 ( 2 ) 处理器模块：电路系统的处理器模块包括单片机及其工作所必需的复位和晶振电路。 处理器模块主要用来实现控制策略，它对输入信号进行计算处理后得出一个最佳的控 制规律，然后产生控制信号驱动相应的执行器件。 ( 3 ) 输出模块：电路系统的输出信号包括电动机控制信号，电磁离合器控制信号、继电器 控制信号以及系统状态显示信号等。对应各种输出信号也有相应的放大模块或逻辑运 算模块对控制信号进行处理。 4 3 输入模块设计 4 3 1 模拟输入信号接口电路 系统输入部分包含有两个模拟量输入，方向盘转矩信号和反馈电流信号。两传感器输 出的均是电压信号，其范围为o 5 v 。由于车辆的工作环境比较恶劣，必须对输入信号加 以滤波。而a d 转换器则采用单片机自带的8 位a d 转换器即可满足系统精度要求。因此 模拟信号的接口电路主要为滤波器电路。 滤波器的作用是筛选出系统中有效的频率信号，抑制杂散的无效频率信号；使一定频 率范围内的信号通过，衰减很少( 使用有源滤波器还可使信号放大) ，而在此频率范围外的 信号衰减很大，从而提高信号的信噪比。信噪比通常用频率特性q 值来衡量，q 值越高， 灵敏度越高，频率选择特性越好，通带越窄4 7 1 。 在此本文设计了一个利用运算放大器l m 3 2 4 作为有限增益可控源的二阶低通滤波器， 电路图如图4 2 所示，两个低通滤波器完