（农业电气化与自动化专业论文）汽车电动助力转向系统的研制及台架试验研究.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 电动助力转向系统c e l e c t r i ep o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是汽车工程领 域的热门课题之一。研究了电动助力转向系统的基本工作原理，设计开发了e p s 的 硬件电路和相应的软件程序，并进行了台架试验。 开发了基于s 3 c 4 4 b o x 微处理器( a r m s y s - c 开发板) 的电动助力转向系统控 制器，完成了扭矩传感器信号、霍尔电流传感器信号、车速信号、发动机转速信号 的采集，分析了电动助力转向电动机的工作原理及p w m 驱动的关键技术，分析了 驱动电路的功耗问题，探讨了驱动电路的保护及散热设计，并完成了电动机驱动电 路，同时讨论了故障诊断及故障代码显示技术。 讨论了电动助力转向系统的电机控制策略，比较了电流控制模式、电压控制模 式和转矩控制模式及各自的特点，采用电流控制模式对助力电机进行了控制，并进 行了电动机电流补偿。 采用模块化设计思想，开发了相应的软件程序。完成了控制系统主程序及a d 采集程序、车速和发动机信号采集子程序、数字滤波子程序、p w m 控制子程序、 电动机电流补偿子程序和故障诊断及显示子程序。 自主设计开发了e p s 系统的1 4 车辆试验台架并进行了台架试验，并对试验结 果进行了分析。试验结果表明e p s 系统性能良好，方向盘可操作性好，能很好地实 现助力效果。 关键词：电动助力转向，电动机，p w m ，控制策略，台架试验 江苏大学硕士论文 e l e c t r i ci j o w c rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i so n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e so fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g b a s e do nt h es t u d yo ft h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so fe p s ，t h ee l e c t r i cc i r c u i t s a n dt h es o f t w a r ep r o g r a mo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i to fe p sw a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d , a l s ot h eb e dt e s tw a sc a r d e do u t t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i tb a s e do na r m s y s - cb o a r d ( s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x ) w 舔 d e s i g n e d , a n dt h es a m p l i n go ft o r q u es e n s o r 、t h es a m p l i n go fh a l lc l l l l - e n ts e l l s o r 、曲峙 s a m p l i n go ft h ev e l a i e l es p e e da n dt h es a m p l i n go ft h e 百s p e e aw 私c a r r i e do u t t h e c o n s t r u c t i o na n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ei ) cm o t o ru s e do ne p sa sw e e la st h ek e y t e c h n i q u eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n & w m ) a r ei n u o d u c e d , t h e nt h ec o n c e r n e dp o w e r l o s si s a n a l y z e d t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i sd e v i s e db a s e do nt h e s e t e c h n i q u e s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o t e c t i o na n dt h eh e a t s i n k i n gn l c a s u f eo ft h ed r i v ec i r c u i ti s d e s i g n e d t h em o t o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee p ss y s t e mw a sd i s c u s s e d t l l r c et y p e so fm o t o c o n t r o lm e t h o d ss u c ha sc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d 、v o l t a g ec o n t r o lm e t h o d 、t o r q u ec o n t r o l m e t h o da n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ei x ：m o t o ru s e do n e p sa r ci n t r o d u c e d t h em o t o rw a sc o n t r o l l e da c e o n d i n gt ot h em o t o rc u r r e n tc o n t r o l m e t h o d r e l e v a n ts o f t w a r ep r o g r a mw a f td e v e l o p e di nm o d u l a r , t h a ta st h er e a l i z z t i o no ft h e m a i np r o g r a mo ft h es y s t e m 、t h ea ds a m p l i n gp r o g r a m 、t h es a m p l i n go ft h ev e h i c l e s p e e da n dt h ee n g i n es p e e d 、t h ef i g u r e - f i l t e rp r o g r a m 、t h ep w m c o n t r o lp r o g r a m 、t h e m o t o rc u r r e n tc o m p e n s a t i o np r o g r a ma n dt h ef a u l td i a g n o s i sa n dd i s p l a yp r o g r a m t h et e s tb e da sw e e la saq u a r t e ro fv e h i c l em o d e li sd e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n t si s i n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt l a em o t o l c u r r e n tc o n t r o lm e t h o dc a nb e r e a l i z e d e a s i l y a n dt h es y s t e md e v i s e di ss t a b l ea n dc r e d i b l e a n d 啪m e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs t e e r i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o w c rs t c c r i n gs y s t e m 皿p s ) ，m o t o r , p w m , c o n t r o ls t r a t e g y , t e s tb e d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 文作氇聋 冶译( 月f 妒 指导挪签名：乏c 雹嫠 k 月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 潍 卜 拍， 矿 卧 嘞咖 酗 年 作文论 ； 位兢糊1 江苏大擘硕士论文 1 1 汽车转向系统发展概述 第一章绪论 随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。为 了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性，人 们对转向系统进行了不断的改进。 汽车操纵稳定性是指汽车确切地响应操纵输入与抵抗外界扰动的能力，其中操纵 性指汽车系统作为随动系统，对驾驶员转向输入产生跟随响应的能力；稳定性指抵抗 外界路面或阵风扰动的能力，两方面难以截然分开，统称操纵稳定性。 汽车转向系统大致经历了以下几个发展阶段： 机械式转向系统 动力转向系统 l 液压助力转向系统电动助力转向系统 r l 电液压助力转向系统 图1 1 汽车转向系统发展阶段 首先出现的是机械式转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，不得不使用大直 径的转向盘来产生足够大的转向扭矩，占用驾驶室的空自j 很大，整个机构显得比较笨 拙。 1 9 5 3 年，通用汽车公司首次使用了液压动力转向系统，降低了转向操纵力，使转 向系统更为灵敏，该技术的发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面 都取得了很大的进步。后来产生了电动液压转向系统，该系统采用电动机驱动转向泵， 由于电机的转速可调、可以即时关闭，所以也能够起到降低功率消耗的功效。但是这 些革新并没有根除液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量 l 江苏大学硕士论文 消耗、磨损与噪声等方面的缺陷【1 2 1 。 二十世纪八十年代以来，电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 作为一种 全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的热 点。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现 转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时能减轻操纵力，从而提高操纵的轻 便性；而当汽车在高速行驶时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向 手感，从而提高高速行驶时的操纵稳定性。它较好地解决了液压动力转向系统所不能 解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势p 6 ，8 ，9 堋。 1 2 电动助力转向系统的特点 汽车电动助力转向系统是集节能、环保、安全为一体的前沿技术，可在不更换硬 件的前提下，通过对控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，能使汽车 在不同路况下获得不同的助力特性，以提高驾驶员转向时的路感，来满足不同驾驶员 的需要。与传统的转向系统相比，电动助力转向系统的优势主要体现在： 1 ) 提高了汽车的操纵性能。e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路 面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车低速行驶时的转 向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。 2 ) 提高了汽车的燃油经济性和减少对环境的污染。电动助力转向系统直接通过 电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎 没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性；同时具有轻型小巧、装配迅速、易于 调整、噪声及废油、废气污染小等优点。 3 ) 增强了转向跟随性和可靠性。在e p s 系统中，电动机与助力机构直接相连以 使其能量直接用于车轮的转向，增加了系统的转动惯量，减小了车轮的反转和转向前 轮摆振，增强了转向系统的抗扰动能力；e p s 旋转力矩产生于助力电机，没有液压助 力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能；电动转向还可有各种 安全保护措施和故障自诊断功能，使用可靠，维修方便。 4 ) 提供可变的转向助力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而 且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件；电动转向 系统的转向力来自于电机，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编 写即可获得，所需费用很小。 2 江苏大学硕士论文 6 ) 质量更轻、结构更紧凑。电动助力转向系统由电动机直接提供转向助力，省 去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装 于发动机上的皮带轮等，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更 容易，装配自动化程度更高。 1 3 国内外电动助力转向系统的现状 电动助力转向系统最早应用在日本的微型轿车上，欧、美等国的汽车公司对e p s 的开发研究比日本晚1 0 年时间。1 9 8 8 年2 月日本铃木首次在其c e r v o 车上装备e p s ， 随后用在其a l t o 车上。接着，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 都相继研制出自己的e p s 。比如： 大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了e p s ， 本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向也将倾向予选择 e p s ，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 i 以及菲亚特的p u n t o 开 发出e p s 。m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用 于开发e p s ，他们的目标是年产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。 e p s 经过二十多年的发展，其技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车 向更大型轿车和商用轿车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 及新上市的 一汽大众速腾等中型轿车已经安装e p s ，本田甚至在它的赛车上安装了e p s 。日本早 期的e p s 只在低速和停车转向时助力，后来发展的e p s 不仅在低速和停车时助力，在 高速行驶时还能提高汽车的操纵稳定性。在世界汽车行业中，e p s 的年增长量达1 3 0 万1 5 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套。t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的每3 辆轿车中就有1 辆装备e p s 。按此速度发展，电动转向将会完全占领轿车市场，并向 微型车、轻型车和中型车扩展。 在国内，随着2 0 0 0 年昌河北斗星厢式车安装进口电动助力转向器，汽车转向器 历史上掀开了新的一页。由于国内的e p s 起步比较晚，目前正处于技术开发和产业转 化的初期。e p s 以它的一系列优点以及它不断扩大的市场吸引了国内越来越多的专家、 学者以及有关企业的关注，在2 0 0 5 年1 2 月的上海零部件展上，1 8 家国内有成就的 e p s 相关企业联合展出，组织了电动转向联合展台。2 0 0 5 年国内电动助力转向器装车 己达6 万台( 4 个厂家) ，预计2 0 0 6 年将达到1 2 1 5 万台( 厂家将达到8 l o 家) 。 国内生产的昌河北斗星、上海大众途安、广州本田飞度、吉利豪情等轿车上已经安装 了e p s 系统。国内很多高校( 如吉林大学、清华大学、江苏大学等) 也在这方面做了 一系列的研究工作，在实验室台架试验上取得了一些进展，但是在试验车上转向的效 3 江苏大学硕士论文 果有待改进，如转向盘抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方面，整车企业 在电控技术及e p s 的行业标准方面存在滞后性。 由于e p s 系统的复杂性及与整车性能的相互制约，目前的研究大部分还是局部的， 没有全面考虑e p s 与汽车性能的相互协调及匹配，对e p s 助力特性与整车动力学性能 之间的关系及匹配尚缺乏系统的研究；采用的控制算法和控制策略以及实际应用大都 不能很好满足汽车低速与高速时的性能要求。因此需要深入研究e p s 与汽车性能协调 系统的理论及综合控制的优化，研究e p s 助力特性曲线的匹配以及e p s 关键部件的主 要参数与整车之间相互制约、相互影响的匹配问题，优化e p s 的主要参数。为汽车的 转向操纵性能的提高打下基础，从而来获得优良的转向操纵性能。 在国内电动助力转向研究领域，对e p s 控制策略的研究主要集中在常规助力控制， 随着对e p s 性能要求的不断提高，e p s 控制策略的研究也向更深层次发展，其中就包 括以提高汽车高速行驶稳定性为目标的阻尼控制。但是常规助力控制、阻尼控制所对 应的转向工况不一样，因此在实际汽车行驶中，根据不同转向工况选择不同的控制目 标，e p s 应迅速执行相应的控制算法，从而保证转向操纵的稳定性，使设计的e p s 性 能更适合汽车实际行驶需要。 1 4 电动助力转向系统的关键技术 e p s 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技 术( 包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制) 以及e p s 系统与整车性能匹配等 多方面的难题。 ( 1 ) 电动机驱动技术：e p s 的助力是由电动机提供的，电动机的好坏是影响转 向系统性能的重要因素。e p s 对电机有很高要求，不仅要求低转速、大扭矩、波动小、 转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。e p s 系统中电机端电压 低，而功率相对较高，所以电动机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设 计带来一定的困难，为此，设计时常针对e p s 的特点，对电机的结构做一些特殊的处 理，如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。此外，电机的性 能是影响系统性能的主要因素，电机本身及其与e p s 的匹配都将影响转向手力特性、 转向路感、汽车动态响应等重要问题。 ( 2 ) 非接触传感器技术：e p s 系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单，工作 可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外e p s 系统中的转矩传感器 多为非接触式( 如电磁感应式，光电式等) ，而接触式转矩传感器( 如滑动电阻式) 应用 4 江苏大学硕士论文 较少。当然非接触式传感器比如光电式传感器有一个缺点是要考虑防尘措施和使用温 度的限制。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于e p s 系统中，必须开发出一种 符合以上要求的转矩传感器。这是e p s 系统研究开发的关键技术之二。目前清华大学 的季学武教授发明了一种车用光电式扭矩传感器，并申请了中国专利，这在国内非接 触式扭矩传感器领域迈开了可喜的一步。 ( 3 ) 转向控制技术：由于e p s 系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减 速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制，避免在电 机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为了得到更好的路感，必须根 据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。这是e p s 系统研究开发 的关键技术之三。而且，e p s 的安装位置一般在发动机附近，发动机发出的热辐射与 电磁干扰对e p s 有很大影响。这些都对e p s 的控制策略提出很高的要求。 ( 4 ) e p s 系统与整车性能相匹配：汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互 制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。随着汽 车电子技术的发展，越来越多的电子产品应用到汽车上，汽车也越来越智能化，e p s 作为汽车底盘系统重要组成部分。因此，必须对e p s 系统与其它子系统进行匹配，使 整车性能达到最优。这是e f s 系统开发的关键技术之四。而且e p s 各个部件的设计 要考虑与整车性能的协调问题。 ( 5 ) 故障诊断与可靠性：e p s 通过采用电机和计算机控制系统，部分的将转向 操作独立于驾驶员的控制，因此e p s 比液压系统会有更多不同的故障模式。并且e p s 是一项新技术，它没有传统转向系统那么长的历史，所以e p s 的故障诊断与可靠性更 应受到重视。在研究故障诊断与可靠性方面，要深入研究冗余设计技术及容错控制技 术。 1 5 电动助力转向系统的发展趋势 当前，电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用，e p s 系统在降低系统 自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进行匹配获得合 理的助力特性，以及保证良好的路感等方面取得了重大的进步。电动助力转向系统在 操纵舒适性和安全性、节能等方面也充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍 认同。e p s 的应用范围将会进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转 向领域占据主导地位。 5 江苏大学硕士论文 e p s 系统将进一步简化系统，减少控制单元和驱动单元的体积，控制生产成本， 降低价格，使其具有价格竞争力。 e p s 系统将进一步改善电动机本身的性能，消除电动机较大惯性、摩擦力所带来 的转向路感不足等缺点，并将进一步提高系统的可靠性。 e p s 系统将引入先进的、智能化的控制思想，模糊控制和神经网络等思想将使所 设计的电动助力转向系统更加智能化、人性化 3 - 1 3 1 。 1 6 本课题研究的工作及意义 本文研究的主要内容是： 1 ) 研究了电动助力转向系统的国内外相关资料，分析了电动助力转向系统的原 理、类型及关键性部件； 2 ) 研究开发了基于a r m 微处理器的电子控制单元，主要完成了直流电动机的 驱动电路、传感器信号调理电路； 3 ) 分析了电动助力转向系统的助力控制过程、控制模式和电流控制策略，并对 电动机电流进行了补偿控制研究； 4 ) 进行了控制系统的软件设计，实现了对电动机助力大小和方向的控制，并且 进行了台架试验，验证了电子控制单元硬件电路和软件程序的正确性。 电动助力转向系统作为典型的机电一体化系统，涉及机械设计、汽车工程、计算 机控制技术、电力电子技术、传感器技术、电机学、控制理论等方面的内容。随着现 代电力电子和信息技术的发展，开发和研制性能优异的电动助力转向系统成为各国大 型汽车企业和科研单位的重点课题，电动助力转向是现代汽车转向系统发展的必然趋 势。电动助力转向系统的研究，是对国内电动助力转向系统实际开发工作的一次尝试， 对提升国内电动助力转向系统的研究应用水平大有裨益。 6 江苏大学硕士论文 第二章电动助力转向系统简介 2 1e p s 的构成及原理 电动助力转向系统的工作原理及组成如图2 - 1 所示。电动助力转向系统主要由车 速传感器、转向盘转动传感器( 包括扭矩传感器和转速传感器) 、电子控制单元、功 率放大模块和直流电动机等组成。 电子控制单元( b c u ) 根据车速传感器和扭矩传感器输出的信号计算所需的转向 助力，并通过功率放大模块控制直流电动机的转动，电动机的输出经过减速机构减速 增扭后，驱动齿轮齿条机构，产生相应的转向助力。 e p s 系统还设有故障诊断模块和保护措旖，当e p s 发生故障时，故障诊断及代码 显示模块发出报警信号，并以故障代码的形式指示故障类型；同时，e p s 系统断开电 磁离合器，转变为手动转向状况。 图2 - 1 电动助力转向系统示意图 电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时地为汽车转向提供不同的助 力效果，减轻了汽车在低速时方向盘的操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳 定性 7 - 1 3 1 。 7 江苏大擘硕士论文 2 2 e p s 的类型 按照助力电动机位置的不同，可将电动助力转向系统分为三类：齿条助力式( 图 2 - 2 a ) 、小齿轮助力式( 图2 2 b ) 和转向轴助力式( 图2 - 2 c ) 。 齿条助力式：助力机构安装在转向齿条处。电动机通过减速机构直接驱动转向齿 条处。因该方案的助力输入在齿条上，要求电动机输出最大力矩相对要大些；与转向 器小齿轮助力式相比，可以提供更大的转向力，适用于大型车。 小齿轮助力式：转向助力结构安装在转向器小齿轮处。与转向轴助力相比，可以 提供较大的转向力，适用于中型车。其助力控制特性方面增加了难度。 转向轴助力式：助力转向机构安装在转向轴的一侧，当驾驶员转动转向盘时，控 制单元控制直流电机，输出目标助力，电动机的助力经离合器、电机齿轮传给转向轴 的齿轮，然后经万向节及中间轴传给转向器。 该类型要求电动机的最大输出力矩小；电动机布置在驾驶室内，工作环境较好， 对电动机的密封要求低。但是，因电动机安装位冕距驾驶员近，所以要求电动机的噪 声一定要小；电动机的力矩波动直接传到转向盘上，导致转向盘振动，使驾驶员手感 变坏【1 。 本课题研究的是转向轴助力式电动助力转向系统。 c a ) 齿条助力式 2 3e p s 的主要部件 ( b ) 齿轮助力式( c ) 转向柱助力式 图2 - 2e p s 的三种类型 e p s 的主要部件包括扭矩传感器、车速传感器、控制电动机总成和电子控制单元 等【1 4 1 5 1 。 1 扭矩传感器 8 江苏大学硕士论文 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，扭矩传感器 信号是e p s 一个重要的输入控制信号，扭矩传感器要求精确可靠、抗干扰能力强。 接触式转矩传感器如图2 - 3 所示。其由扭杆4 、滑块5 、钢珠8 、环7 和电位计1 组成。其安装在转向轴上，检测转向盘的操作力矩大小和方向，并把它转换为电压值， 送给e c u 。钢珠固定在由输入轴外侧和滑块内侧共同形成的螺旋球道里，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 于输出轴在轴线方向移动。因此，当转动转向盘时，输入轴相对于输出轴转动，滑块 便在轴线方向移动。同时，滑块通过其外表面的槽带动电位计的杠杆沿杠杆轴线转动， 电位计里的触针便随着在电位计上滑动。转向力矩越大，扭杆变形越大，电位计的杠 杆转动角度就越大。由此转矩传感器将转向盘的力矩和方向信号转换成电位计的电压 信号，并传送给e c u 。为保证转矩传感器信号的可靠性，接触式转矩传感器里设计了 2 套电位计，向e c u 同时输送主、辅信号，e c u 将主、辅信号进行对比，判断转矩 信号的正确性。 1 钢珠2 环3 滑块4 杠杆 5 电位器6 输入轴7 扭力杆8 输出轴 图2 - 3 接触式转矩传感器 两路信号的输出特性如图2 - 4 所示。当转向盘处于中间位置时，电位器的输出电 压为2 5 v ；当转向盘顺时针方向旋转时，主扭矩传感器的电位器的输出电压大于2 5 v ， 副扭矩传感器的电位器的输出电压小于2 5 v ；当转向盘逆时针方向旋转时，主扭矩传 感器的电位器的输出电压小于2 5 v ，副扭矩传感器的电位器的输出电压大于2 5 v ； 因此，可以根据两路输入电压的大小来判断转向盘扭矩的大小和方向。 接触式扭矩传感器原理简单、成本较低，由于采用主、副通道进行扭矩信号采样， 9 江苏大学硕士论文 差值输入有利于消除外部干扰；但是它存在着精度不是很高、测量系统较复杂、寿命 相对较短等固有缺陷。 轴旋转方向 ( a ) 方向盘顺时针旋转( b ) 方向盘在中间位置( c ) 方向盘逆时针旋转 毯 譬 副 囊5 v 主 ； ：一 图2 - 4 接触式扭矩传感器输出特性 接触式转矩传感器在转向柱上的安装位置如图2 - 5 所示。 1 电位2 电位计杠杆3 传感器输入轴4 扭杆 5 滑块6 球套7 环8 钢珠 9 蜗轮l o 蜗杆1 1 离合器1 2 电动机 图2 - 5 接触式转矩传感器在转向柱上的安装位置 江苏大学硕士论文 2 车速传感器 车速传感器位于变速器输出轴上，为磁感应式车速传感器，如图2 - 6 所示。它能 产生频率与车速成正比的正弦脉冲信号，该信号经里程表电路处理后，形成方波信号， 该方波信号一方面给里程表使用，一方面通过导线送e p s 控制器，向e p s 控制器提 供车速信号。e p s 控制器根据车速的高低决定助力的大小，一般低速时助力大，转向 轻便；高速时减小助力，以提高路感和操纵稳定性。 1 车速传感器( v s s ) 2 里程表3 e p s 控制器4 信号a5 信号b 图2 - 6 车速传感器 3 控制电动机总成 控制电动机总成由控制电动机、离合器和减速机构组成。控制电动机的作用就是 在适当的时候提供助力转矩，帮助驾驶员转向。e p s 不仅要求控制电动机具有低转速、 大转矩、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小等特点，而且要求其具有较高的可靠性和 可控性。为此，常对控制电动机的结构作特殊设计，如沿转予的表面开出斜槽或螺旋 槽，定子磁铁设计成不等厚等。 目前e p s 普遍采用的控制电动机有直流有刷永磁电动机和直流无刷永磁电动机， 前者可靠性差，但控制算法简单；后者可靠性高，但其控制算法复杂。在设计中，使 用直流有刷永磁电动机，其规格如表1 - 1 所示。 表2 - 1 直流永磁有刷电动机规格 直流有刷永磁电动机规格 型式直流永磁额定时间2 m s 额定电压( v ) d c l 2 旋转方向止反向 额定功率( w ) 1 5 0 励磁方式永久磁铁 额定转速( r p m ) 1 2 外壳形式全封闭 额定扭矩( n m )1 2绝缘等级b 额定电流( a ) 3 0 最大电流( a )3 5 , ，1 0 m s 转动惯量 0 1 8 9 m 绝缘电阻大y - 1 m 离合器的作用是当e p s 发生故障时，离合器分离，助力转向变为普通手动转向。 1 1 江苏大学硕士论文 减速机构起减速增扭作用，通常为蜗轮蜗杆式、双排行星齿轮式或球螺旋机构式。 3 电予控制单元( e c u ) e c u 的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，控制电动机和离合器的动 作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采集电动机的电流、电动 机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一日系统工作异常，e p s 停止工作，转变为手动转向状况，同时e c u 将进行故障诊断分析。 e c u 根据转向盘转矩信号b 和车速信号确定电动机的目标电流，由于电动 机输出转矩的大小和电动机电枢电流基本成正比，因此也就确定了助力转矩五的大 小。e p s 的助力控制过程如图2 - 7 所示，在实施控制的过程中，有两个关键问题需要 解决：一是确定电动机目标电流i ；二是跟踪目标电流。 图2 - 7e p s 助力控制过程 2 4e p s 控制系统的总体框架 e p s 的控制系统基本结构如图2 - 8 所示，该电路由电动机驱动电路、扭矩信号输 入电路、车速信号输入电路、电流信号输入电路和报警指示灯驱动电路等组成。电动 机的驱动电路由电机驱动h 桥电路及其栅极驱动电路和继电器驱动电路、离合器驱动 电路构成。 在控制器的开发中，为增强硬件系统的抗干扰能力、提高系统可靠性，将硬件系 统进行了分层设计。即将信号处理电路设计成一块电路板，而将功率较大、发热量大 的助力电机驱动模块及电磁离合器驱动电路设计成配带散热片的驱动电路板，两电路 板之间的电机控制信号、电磁离合器控制等信号通过引线联接。 江苏大擘硕士论文 2 5 本章小结 图2 - 8e p s 控制系统基本结构 本章介绍了电动助力转向系统的基本工作原理及其类型，给出了电动助力转向系 统的总体功能框架。介绍了电动助力转向系统的主要部件：扭矩传感器、车速传感器、 控制电动机总成和电子控制单元等。 江苏大擘硕士论文 第三章电动助力转向系统的硬件设计 电动助力转向系统要实现的主要功能是采集扭矩传感器和车速传感器的输出信 号，经控制器处理后，控制电动机的输出转矩，为驾驶人员提供转向助力。另外，还 要考虑安全保护、故障诊断及故障代码的显示。 综合考虑电动助力转向系统的功能要求，电动助力转向系统的硬件设计主要包括 传感器信号处理电路、电动机功率驱动电路、电磁离合器控制电路、故障诊断与故障 代码显示电路等。 3 1a r m 开发板简介 3 1 1s 3 c 4 4 b ( i x 的结构功能 电动助力转向系统的开发过程中，电子控制单元的设计是关键的一部分，其中处 理器的选用也是非常关键的，性能优良的处理器一定程度上为电动助力转向系统取得 良好的助力效果奠定了基础。选用处理器的着眼点是处理器的性能应很好地与控制系 统的特性与要求相吻合，同时考虑到开发过程的周期性，易采用开发板。 设计中采用基于a r m 7 t d m i 的s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器，所选择的微控制器能够满 足控制系统的控制要求。 首先，电动助力转向系统的主要控制对象是直流电动机，电动机控制电路的软硬 件设计是比较复杂的。直流伺服控制系统现在多采用脉冲宽度调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n , i w m ) 控制，用于调节电机电枢两端的电压，从而实现对电动机的调速。 s 3 c a 4 b o x 微处理器带有5 个p w m 定时器和1 个内部定时器，很大程度上简化了电 动机驱动电路的设计。 另外，电动助力转向系统主要处理信号车速和发动机点火信号均为方波脉冲 信号，必须进行频率的测量。s 3 c 4 4 b o x 的定时器有8 个外部中断源，可以用于捕捉 加在中断输入脚的外部脉冲信号，根据两个脉冲上升或下降沿引起的捕捉中断捕捉到 的的内容，可以方便的计算出被测脉冲的周期。 再者，构建电枢电流反馈坏需要处理采集进来的电流信号，s 3 c m b o x 内置8 通 道1 0 - b i t a d c ，在系统设计中无需外扩a d 转换器件，有利于控制电路板的体积小型 1 4 江苏走擘硕士论丈 化和提高可靠性。 电动助力转向系统需要对采集进来的车速和扭矩信号进行快速处理，以满足电动 助力转向系统对适时性的要求，这就要求处理器有比较快的数据处理能力。s 3 c 4 4 b o x 的工作频率可达6 6 m h z ，能够满足电动助力转向系统的要求。 3 1 2 a r m s y s 开发平台及开发环境简介 3 1 2 1a r m s y s 的组成结构 a r m s y s 开发扳是由杭州利字泰有限公司开发的基于s a m s t m g 公司的s 3 c 4 4 b o x 微处理器的a r m 开发板。a r m s y s 由核心板和扩展板两部分组成，其中核心板由 s 3 c 4 4 b o x 微处理器及充分扩展的外围电路和接口构成，可以独立使用；扩展板由多 个接口开放的功能模块组成，进一步扩展了处理器的应用【1 6 1 ，a r m s y s 开发板实物如 图3 - 1 所示。 a p 瑚s y s - c 嵌入式开发板j t a g 调试模块 图3 - 1a p d i i s y s 嵌入式开发板及a g 调试模块 3 1 2 2 a r m s y s 开发环境 在a r m s y s 平台下进行开发十分方便，其开发环境如图3 - 1 所示。 j t a g 仿真调试：在a r m s y s 的核心板上提供了标准的2 0 针j t a g 接口，在扩展 板上还具有j t a g 口转并口电路的j t a g 调试模块，只需用并口线将该模块与主机的 并口相连，同时在主机上运行j t a g e x e 这个协议转换软件，就能够进行代码下载、 仿真调试和f l a s hr o m 固化等工作，如图3 3 所示。 1 5 江苏大学硕士论文 图3 - 2a l t 吣y s 的开发环境 图3 3j t a g 调试代理软件 串口动态观察：仅仅靠通过调试器进行单步、断点等调试方法来观察程序的运行 是比较局限的，而如果在程序中加入串口输出，就可以在程序动态运行过程中观察程 序运行情况。在程序中加入向串口发送信息的语句，并用串口线连接核心板上的 u a r t 0 口和p c 机的串口，然后，利用w m d o w s 操作系统自带的软件一超级终端 来观察串口的输出，如图3 - 4 所示。 u s b 下载器：简易j t a g 下载口的速度通常比较慢，a r m s y s 提供了一个快速u s b 口下载器，可以将编译生成的二进制代码通过u s b 口下载到系统的s d r a m 中运行， 如图3 - 5 所示。 江苏大学硕士论文 3 1 3s 3 c a 4 b o x 寄存器简单介绍 图3 4 超级终端 图3 - 5u s b 下载 在实验中，主要用到a d 转换器、p w m 脉宽调制、外部中断控制器等【1 6 1 7 ，1 8 1 。 1 7 江苏大学硕士论文 3 1 3 1a d 转换器 a d 转换是数字信号与模拟信号的转换接口电路，有着广泛的应用，尤其在现代 工业控制中，数字信号与模拟信号交替出现，a d 转换更是必不可少。本节对 a d 转换的转换电路、转换操作实现及相关的特殊功能寄存器作较详细的阐述。 s 3 c 4 4 8 0 x 集成了8 路1 0 位逐次逼近型a d 转换器。该转换器可通过软件设置 为休眠模式以节省功耗，最大转换速率为x 0 0 k s p s ，非线性度为正负1 位。 a d 转换时间的计算：a d 转换时间即完成一次a d 转换所需要的时间。系统的 时钟频率为6 4 m h z ，完成一次转换至少需要1 6 个时钟周期，1 0 位数字量的转换频 率用下式计算 ( m c l k 2 ( 预分频值+ 1 ) ) 1 6 值得注意的是，尽管芯片的最大转换率为1 0 0 k s p s ，但由于s 3 c 4 4 b o x 内部没有 采样保持电路，所以要精确测量一个输入信号，输入信号的频率最好低于1 0 0 h z 。试 验中主要采集扭矩传感器信号和反馈电流信号，可满足上述情况的需要。 s 3 c 4 4 b o xa d 转换的特殊功能寄存器为：a d 转换控制寄存器( a d c c o n ) 、 a d 转换预分频寄存器( a d c p s r ) 、a d 转换数据寄存器( a d c d a t ) 。 a d c 控制寄存器的初始化程序如下： r c l k c o n = 0 x 7 f f 8 ；时钟控制寄存器，使能m c l k 作为a d c 的时钟源 r a n c c o n - - 0 x l l ( 0 2 ) ；e n a b l ea d c 启动a d 转换 d e l a y 0 0 0 ) ； 等待一定时间使a d c 参考电压稳定下来 3 13 2 p w m 脉宽调制 s 3 c 4 4 b o x 有6 个1 6 位定时器，都可工作在基于中断或d m a 的操作模式。定时 器0 、1 、2 、3 、4 有p w m 功能；定时器0 有一个死区( d e a d - z o n e ) 发生器，用于大 电流器件；定时器0 和1 共用一个8 位预分频器，定时器2 和3 、定时器4 和5 分别 共用另外2 个8 位预分频器；除定时器4 和5 外，每个定时器都有一个时钟除法器， 除法器使用5 个不同的除数因子( 1 2 、1 4 、l 8 、1 1 6 、1 3 2 ) 。定时器4 和5 也是一个时钟除法器，有4 个除数因子( 1 2 、1 4 、1 8 、1 1 6 ) 和一个时钟输 入端t c l k e x t c l k 。每个定时器块从其时钟除法器中接收时钟信号，时钟除法器 从其相应的8 位预分频器中接收时钟信号。8 位预分频器是可编程的，并根据存储在 1 8 江苏大学硕士论文 t c f g 0 和t c f g l 寄存器中的值来对m c l k 信号进行分频。 定时器计数缓冲寄存器t c n t b n 的值是当定时器使能时装载到减法计数器的初 值，定时器比较缓冲寄存器t c m p b n 的值将被装载到比较寄存器并与减法计数器的 值相比较。t c n t b n 和t c m p b n 双重缓冲的特性使定时器在频率和占空比改变时， 也能产生稳定的输出。 t c m p n 的值用于脉宽调制，当计数器值与定时器控制逻辑中的比较寄存器值相 等时，定时器控制逻辑改变输出电平。因此，比较寄存器决定p w m 输出的高电平时 间( 或低电平时间) 。 p w m 特性可通过使用t c m p b n 来实现，p w m 频率由t c n t b n 决定。 s 3 c 4 4 b o x 的p w m 定时器的特殊功能寄存器有定时器配置寄存器0 ( t c f g o ) 、 定时器配置寄存器1 ( t c f g l ) 、定时器控制寄存器( t 0 0 n ) 、定时器计数缓冲寄存 器与比较缓冲寄存器( t l 烈1 b n 、t c m p b n ) 、定时器观察寄存器( t l 疆l t o n ) 等。 输出波形频率设置 r t c n t b 0 = m c l k ( 预分频值+ 1 ) 除法器值输出波形频率 设置占空比 删m p b 0 = ，i a 删占空比 启动定时