（机械电子工程专业论文）汽车电动助力转向系统的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 汽车电动助力转向系统是近年来发展起来的种新型转向系统除了具备液压 助力转向系统的助力特性外，它还具有高效、节能、高性能等一系列优点，电动助 力转向系统取代液压助力转向系统已经成为现代汽车发展的必然趋势。该系统由电 子控制单元根据传感器采集到的车速、扭矩等信号来控制电机的运转，从而实现助 力转向的功能。 本文分析了电动助力转向系统的总体构成，对转向系的各构件作了详细的介绍， 并对转向系的控制策略进行了研究，确定了汽车转向时助力扭矩的计算方法，并建 立了转向系的系统模型。 本文开发了电动助力转向系统的电子控制单元。该电控单元由无刷直流电机、 转子位置传感器、主电路和控制电路等几部分组成。主电路包括出六个场效应管组 成的三相桥式电路、前置驱动器等。控制电路的核心是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6d s p 芯片， 其中设计了对扭矩进行控制的电流环、输入信号处理电路、离合器通断的控制电路 等。本文还对电动助力转向系的程序设计思想进行了分析。并编写了部分中断予程 序。另外，关于硬件和软件的可靠性问题，在这里也作了必要的分析。 本文详尽分析了无刷直流电机的工作原理，建立了比较完善的无刷直流电机的 数学模型。并根据所建立的数学模型作了仿真研究，得到了电机工作时 乜流、转矩 的仿真波形，并作了必要的分析。最后，对全文工作进行总结，并提出了诸多尚待 讨论的问题，为今后的工作确定了目标。 实验表明，本文提出的电动助力转向系统的设汁方案具有性能良好、调试方便、 成本低廉等优点，为后续的研究工作提供了试验基础和借鉴文 关键词： 电动助力转向；转向扭矩j 无刷自流电机；d 8 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mh a sb e e nq u i c k l yd e v e l o p e d i t h a sn o to n l ys o m ev i a u e so fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( h p s ) s y s t e m ，b u ta l s o t h e p r o p e r t i e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n ，g o o dp e r f o r m a n c e a n ds oo n e p sw i l l t a k et h ep l a c eo fh p si nt h ef u t u r e a c c o r d i n gt ot h et o r q u ea n ds p e e ds e n s o rs i g n a l s ， m o t o rc u r r e n ti sd e t e r m i n e d ，s ot h a tt h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i to fe p ss y s t e mc a nr e a l i z e p o w e rs t e e r i n g i nt h i st h e s i s 。t h es t r u c t u r ea n dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h ee p sa r ei n t r o d u c e d e x p l i c i t l y , a n dm a n yc o n t r o ls t r a t e g i e s o fe p sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l m o r e o v e r ，t h e c a l c u l a t i o no f a s s i s tt o r q u ea n dt h es y s t e mm o d e lo f t h ee p s a r ed e d u c e d t h ec i r c u i to fe l e c t r i cc o n t r o lu n i ti sd e v e l o p e di nt h et h e s i s ，w h i c hi sc o m p o s e do f t h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t o r , b l d c m ，t h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i t t h em a i n c i r c u i ti n c l u d e s3 - p h a s eb r i d g ec i r c u i tw i t hs i xm o s f e t a n da3 t p h a s eb r i d g ed r i v e r , e t c t h ec o n t r o lc i r c u i t a d o p t st i m e - s h a r e d - c u r r e n t f e e d b a c kt e c h n i q u ew h o s ec o r e i sd s p o t h e r w i s e ，t h ei n p u ts i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n d t h ec l u t c hc o n t r o lc i r c u i ta r ei n c l u d e di n t h ec o n t r o lc i r c u i t t h ec o n t r o lp r o c e d u r ei sd e t e r m i n e da n ds o m ei n t e r r u p tp r o g r a m sa r e w r i t t e ni nt h et h e s i s ，a n dt h el i a b i l i t yo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sa n a l y z e dt o o t h ep r i n c i p l eo fb l d c mi sa n a l y z e d ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e li sd e d u c e di nt h e t h e s i s a c c o r d i n gt ot h eb l d c m m a t h e m a t i cm o d e l ，t h es i m u l a t i o ni se x e c u t e d ，a n dt h e r e s u l to fs i m u l a t i o ni sp r e s e n t e d i nt h el a s tp a r a g r a p h ，as u m m a r yo fw o r ki sg i v e na n d s o m e p r o b l e m s a r ed i s c u s s e d ，w h i c hf o r mt h eo b j e c t i v ef o rt h es t u d yi nt h ef u t u r e t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ed e s i g np l a nf o re p ss y s t e mi sf e a s i b l e t h ep l a nh a se x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ea sw e l la sh i g hr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n c eo f d e b u g g i n g ，a n dl o wc o s t ，e t c i tp r o v i d e sg o o d b a s i sa n du s e f u lr e f e r e n c ef o rf u t u r es t u d y k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g ，s t e e r i n gt o r q u e ，b r u s h l e s sd cm o t o r , d s p 一 l l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 汽车电动助力转向系统的特点 现代汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性等三大目标。前一项目标与 环境保护密切相关，是当代全球性最热门的话题，后两项目标是汽车朝着高性能化 方向发展必须研究和解决的重要课题。任何一项目标或课题，如果与具有高控制性、 高判断功能的电子技术相结合，就有可能获得突破性的进展。目前，广泛用于现代 汽车上的液压助力转向系统( h p s ：h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) 以及部分车辆 上采用的电控液压助力转向系统( e c p s ：e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dp o w e rs t e e r i n g s y s t e i n ) ，距离上述目标仍有相当的差距；而电动助力转向系统( e p s ：e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ) 完全能够实现上述目标。 转向系统的高性能化是指该系统能够根据车辆的运行状况和驾驶者的要求实行 多目标控制，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性、较高的抗干 扰性和较快的响应性，而且这些控制是在基本上不改变硬件的条件下通过改写软件 便可实现的。传统的h p s 系统只具有单一的特性曲线，因而不能满足汽车高性能要 求。即使在h p s 基础上加装了一套电子伺服系统，构成所谓的电控液压助力系统， 虽然能够获得可变操纵力特性，但转向盘中问位置的路感、系统的响应性和传动效 率等液压助力系统固有的缺陷并没有得到改善。此外，e c p s 有电子和液压两套伺服 系统组成，使得结构复杂、成本增加( 约提高3 0 5 0 ) 。由此看来，h p s 和e c p s 都不能完全满足现代汽车高性能的要求。 1 1 1 节能并有利于环保 从图1 1 可以看出，e p s 系统是现有各种动力转向系统中燃料消耗率最低的转 向系统。据有关资料报道，e p s 的燃料消耗率仅为h p s 的1 6 2 0 。据统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中有7 5 采用了h p s 系统，为了维持h p s 正常工作，一年之 中需要消耗大约几亿升的燃料。如此之多的油料被燃烧，散发到空气中的尾气对生 态环境造成的污染是可想而知的。此外，e p s 系统中没有油泵、液压控制罚、动力 缸和油罐等液压部件，故而不存在因上述部件受到意外损坏造成工作油液泄漏等 喜 接污染的环境问题i 【 1 。 l 华中科技大学硕士学位论文 2 # 乃，。 i 广h 1 # 4 # ：h p s 系统，其中，1 # 一传统开式 系统；2 # 一高压开式系统；3 # 一电驱动开式 系统：4 # 一电驱动闭式系统；5 # - - e p s 系统 图1 1 转向系统占整车的能耗比 1 1 2 高度的控制性能 高度的控制性能是指系统对已经开发和将要开发的各种性能都具有良好的可变 性，并且该变化对于设计者和使用者来说简单易行。 e p s 系统中不仅包含转向器、传感器、控制器和执行机构等硬件，而且还包含 大量隐而不露的所谓软( 件) 的、虚( 拟) 的技术。例如，在控制器中储存着描述 系统各参数间关系的数学模型、特性曲线( 或数据表格) 、控制理论和计算方法等， 正是这些非实体的“软件”构成了高度控制性的基础和手段。当正确合理地选定硬 件之后，设计者仅仅变更存储在微处理器中的上述“软件”中的任一项，如改变预 先设定的数据表格，就可以获得新的性能，满足不同用户的使用要求，或者设计者 事先设计了几种使用性能模式储存在芯片里，通过模式转换开关，供不同的驾驶人 员按自己的爱好进行选用 0 7 1 。日本本田汽车公司生产的第六代a c c o r d ( 雅格) 轿车的 仪表盘上，备有e p s 控制助力模式的转换开关，该开关把转向盘操纵力分为轻、中、 重三个档次，任凭驾驶员选择。 1 1 3 高性能化1 0 7 j 高性能化是指系统的各种性能在不同条件下均能达到最佳水平。在高度控制性 的前提下，采用优化设计或渐次逼近的方法，可以达到比较理想的效果。 1 1 3 1 较强的路感 汽车电动助力转向系具有较强的路感。所谓路感，也称作手感或操纵感。主要 指车辆在高速运行时把车轮与路面的接触状态以反力和位移的形式通过转向系统及 时准确地传递给转向盘，使驾驶员明显地感到此种力和位移的反馈及其差别。 当汽车直线行驶时，为机械式转向系统( m s ：m a n u a ls t e e r i n g ) 的路感。此时系 统从车轮到转向盘为机械连接，刚性较大，故来自路面的反力和位移迅速而准确地 由车轮传至转向盘，但当车辆在不平路面行驶时，转向盘易受到较大的冲击。e p s 系统中，转向盘到车轮亦是机械连接，电机直接连接在转向器上，并具有一定的惯 堕塑堕星揎剑! 压丝：筮直里墼丕缍笪主塑垄兰塑塑堕亘堑墼盟：星查皇塑兰歪丝 2 华中辩技大学硕士学位论文 棚似的路感，1 i i i 在不平路面行驶时，转向盘不舄受到较大的冲击。此外，e p s 在转 向盘中间位置时进行了黼尼控制，故转向盘有明确而稳定的中问位置感。h p s 因转 囊盘孛润位嚣豹剐 耋缀，l 、，两滚筮系统在姥整鬟錾远蠢一段不敏感区，缓数h p s 系 统转向盘中间位置感远不如e p s 系统好。 汽车在转向过程中，路感主要表现在髑个方面：首先，汽率在某种路丽上进行 转爨l l 重，转囱盘上懿操缎力应涟车遮纛交纯。茭次，汽车在嗣一鼹嚣上彝戮一车速 下进行转向运动时，转向盘的操纵力应随其转角或阻力矩的增加而增加。由于e p s 能够进行多变量优化的助力控制，不但能够完全实现上述两方面的路感，并且还可 激穰据需要较方矮缝改变操缴力特性，满足客需求。传绞豹h p s 宠全不黢实凌第 一釉路感，只能实现第二种路感。 当转向盘旋转到所黼要的某个转角时，在车轮的回正力矩作用下，转向盘开始 向中闻位嚣自动圄歪。酾正遥程的路感也是表糯在两个方箍。蓠先，转商斑的搡缀 力应醚其转角的减小两减小。其次，当率辆以较低豹速度运行弗转肉鞠回菠对，车 轮的回难能力较差( 路面的摩擦力较大) ，为了提高转向操纵轻便性，尽可能使转向 盘回芷力矩特性益线基本上通过或接近转商盘的中闯位置；而警车辆嵩速符驶时， 车轮的嬲正熊力较强，妇不加以控制则转向盘将会出现较大的超调量鄹摆搬。因此， 为了提高车辆行驶的稳定性和转向盘稳定感，宁愿使回芷特性曲线不通过中间位置 丽保留少量的残留角，使其在运动的过程中，靠回琵力矩的作用自动网芷。e p s 密 予采用了回爰控制，不织齄够宠全实现上述两方夏的路感，嚣且霹以根据豢要改变 回正特性曲线，获得适合于车辆动态特性的回难特性。而传统的h p s 可以实现第一 种路感，完全不能实现第二种路感。 l 。1 3 。2 罪黥性翊惩 所谓跟踪性是指当转向盘有转向输入时，系统中的各个元件( 如电机锋) 及其 他相关元件( 如车轮等) 均具有快速、协调和准确的响应性或随渤性。e p s 系统中， 虫子奄辘转予( 毫枢) 强减速器孛鹩旋转元睾均兵鸯一定豹矮爨帮摩擦力，在惫橇 扁动、转向或制动时，郝将产生一定的惯性和摩擦阻力矩。该臌力矩使响成滞后、 跟踪性变坏，针对这种情况，e p s 系统采用所谓惯性控制戏惯性补偿的方法。即在 惑辘热遮运程辩，避孬鬣 偿，壤馁提高响应速度，竣达到快速鞭踪钓嚣懿。关于 动作的协调和准确性问题，主要是揩任意时刻电机输出到转向系某构件，j ：的转速 必须与转向盘输出歪同一构件的转速相等( 同步) ，而转矩必须与转向盘的缀佳操纵 力稳嚣酝。囊控耩器接收翻转商信弩和车速信譬后，按照预先浚定瀚特性醅线或数 华中科技大学硕士学位论文 据表格，发出指令并控制电机的输出动力，使其与转向盘上的转矩和转速相协调。 为了提高控制精度，可以采用带有反馈回路的闭环控制系统，使其误差控制在较小 的范围内，获得较高的跟踪性。 1 1 3 3 高抗干扰性 抗干扰性主要指车辆在直线行驶的过程中，当受到来自外界的垂向干扰力( 不 平路面等) 的作用或因车辆本身自激振动( 车轮不平衡等) 而引起的转向盘或车轮 的摆振时，转向系统具有自动地消弱或吸收该种摆振、维持转向盘具有良好稳定感 的能力。e p s 由于在转向盘的中间位置采用了阻尼控制( 将电机的端子短路) ，可以 自动地产生与电机转子转速方向相反的转矩。该转矩阻碍了转子的旋转或产生一种 附加的转向盘自动回正的转矩，使转向盘保持稳定状态。 1 1 3 4 高稳定性 所谓稳定性主要是指汽车在行驶过程中当受到外界横向力作用而发生自动转 向等不稳定现象时，转向系统应该具有使车辆在较短的时间内迅速地回复正常行驶； 状态的能力。如前所述，装有e p s 的车辆在转向盘的中间位置对电机采取了阻尼控 制，该控制不仅对于汽车的抗干扰性起到了相当良好的效果，而且对于车辆行驶稳 定性发挥了更大的作用。在受到外界横向力的瞬间，阻尼控制产生了与电机瞬时转 速成正比、方向相反的转矩，即形成了阻j f = 车轮偏摆的阻力矩，其结果限制或减小 了车轮的偏摆角或者延迟了偏摆时间而迅速地自动回正，这样就可避免出现灾难性 的事故，提高了行驶的安全性。 1 1 3 5 可靠性问题 e p s 的可靠性可以分为机械部分和电气部分两方面可靠性问题，这里的可靠性 主要指的是电气部分( 包括传感器、控制器和电机中的电磁部分) 的可靠性。为了 确保电气方面的可靠性，采用了无故障设计和失效保护设计措施。即e p s 系统中采 用的电力电子器件或部件，尽可能保证汽车在使用年限内不出现故障，万一电力电 子伺服系统在实际使用过程中出现故障，该系统具有自我保护的功能，而不会引起 重大事故。 1 1 4 其它特点 e p s 各个部分已经高度集成或模块化，电机总成、传感器、控制装置均可安装 在转向管柱或转向器上，因而它的组件少，节省装配时间。 据意大利菲亚特公司测定，h p s 的重量为1 3 1 4 k g ，而e p s 系统仅为1 ( ) 3 k g 。 j 盛堕王羔毂塑堑；兰堑：苤鱼! 墨型坌旦型垡丛墨壅塑! 婪堕塑重里垄! z 鉴坚：堕 4 华中科技欠学硕士学位论文 e p s 系统为1 3 6 r , g ，减少了3 4 l ( g ，即轻2 5 。 e p s 系统的成本低、效益高，而且随着电力电子技术的发展，使得电子器件的 徐格有了大禳发麓下降，e p s 豹成本还会毒所下辫。 现代汽车电子控制系统所占的比例越来越大，e p s 可以与主动悬架、制渤防抱 死( a b s ) 及车轮驱动力控制等系统接含，共享其电子装置的功能，如车速传感器、控 制萃元等。未来汽率酶各种控嗣系统赫然涤若离密集稼释褰餐偬，囱整离羧耗稼、 多功能化的方向发展。 此外，e p s 系统不需要象h p s 那样注油和放气等，使用费用狠低。颇受用户欢 逢。 t 2 汽车电动助力转向系统的发展概况 1 2 1 锻动助力转向的发展史 毫动驹力转蠢最早是瘫墓本谬 翱残功戆。舀本子1 9 8 3 每簧先姆该系统成功蛙装 用在轻烈汽车上。随后富士重工及铃木于1 9 8 6 年、大发于1 9 8 9 年、本田于1 9 9 0 年 都先后将该系统应用于微型汽率及轿车上。欧美各国绝大多数是在9 0 年代中期才研 巷l 簸功靛，美溺t r w 公镯拜展褥琵较翠，在1 9 8 6 年藏基研剃爨撵燕，并谤划手1 9 8 8 年投入 正式生产，后因其研制的电动助力转向操作时缺乏象液压助力转向系统那样的平滑 感觉，缀技术入贯l o 多年静努力孝最终解决，经改滋痿的港动耢力转囱装备在9 8 型豪华辚车上。各厂在电动助力转向装车后都还在对其进罩子不断的改进，摄有关资 料报道，英国的卢卡斯和美国的德尔福以及日本的本阴公司1 9 9 7 年推出的新型的电 动渤力转向系统无论在结构设计方瑟还是在产赫性髓方舔都有避一步的挺离。藿 赛 上主要生产厂艇磺制的电动助力转向应月情掇如表1 一l 所示l 。 表1 - 1 电动助力转向系在世界上备种车型上的应用情况 生产厂 推出年份应用车型 日本篡菱三菱“迷尼卡” 謇士麓工1 9 8 6耘巴尔 日本铃术1 9 8 6 铃木牡鹿( c e r v o ) 牌5 0 0 毫升微型轿车 墨奉丈发1 9 8 9 “米挝”1 7 0 累列、“米粒”瓣系多海捷特、辫托霉( s g o 系列) 日本本田1 9 9 0 a p t l r 8 n s x 赛率、a c t y 轻型商用汽车、a c c o r d 轿车 荚晷t r w1 9 8 6 擐社划在1 9 8 8 年投入生产，露未实袋 美国德尔福1 9 9 6 9 8 年装备在大众公司的马球牌轿车和欧宝公司3 1 8 i 紧凑型轿车 英国卢卡斯1 9 9 6 舆贝尔的c o r _ ；a 轿车及露诺的 i k v i n 2 0 轿车 德国z f1 9 9 7 预计刘2 0 0 3 年才能投入生产 s 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 各国对e p s 的评价及e p s 的发展前景【0 7 1 1 1 4 1 1 1 7 1 美国德尔福公司宣称，“e p s 系统表明我们有能力向全世界的用户提供尖端的先 进的转向系统。它是德尔福下一代精品的代表作。” t r w 公司认为；从长远发展看，目前轿车上广泛使用的h p s 将被淘汰，取而代 之的是e p s 。 英国卢卡斯公司认为：e p s 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于h p s 来 说无疑是一场技术革命。 日本本田公司认为：e p s 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必要 条件电子控制是汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系统才 能向高度集成的综合性控制方向发展。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将e p s 列为汽车 零部件“高新技术产品”之一。 e p s 的前景是可观的，首先在注重环保和石油资源短缺的国家，如日本和欧洲 各国将获得快速推广。 据美国德尔福公司预测，2 0 0 1 年后，顶级轿车将全部安装e p s 。 t r w 公司估计，到2 0 1 0 年，全世界轿车的动力转向系统中，e p s 占1 3 。 德国z f 公司估计，2 0 0 1 年以后，欧洲市场e p s 的供销量约占3 。 英国卢卡斯公司认为，e p s 在轿车上正成为标准配置，而不是选装件，自1 9 9 6 至2 0 0 6 年，欧洲市场上的a 、b 、c 级轿车安装e p s 的比例将由3 5 增加到7 0 。 目前，e p s 系统每年正以9 - 1 0 的增长率在快速发展。到2 0 0 5 年，e p s 的产量 由目前的1 5 0 万套增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套，即产量正以1 3 0 1 5 0 万套，年的速度在增加，按此增长速度发展下去，用不了几年e p s 将完全占领轿车市 场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。 1 3 课题意义及本文主要工作 1 3 1 课题意义 e p s 是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、开发和 试用阶段，转入批量生产阶段，并成为现代汽车零部件生产的“高新技术产品”。所 谓“高”是指其技术含量高，包括电子、电力驱动、控制器、传感器、计算机、软 件、机械和安全工程等八个技术领域。所谓“新”是指其应用现代电力电子和信息 一垫查坠重：型堕坐垡堡塑坚堕丕竺垂里些型塑堇墼堑堡：壹丝堂：堡壁查：堕整奎 华中科技大学硕士学位论文 等特点的新产品。 随着电力电子技术和控制技术的发展，e p s 取代h p s 已经成为必然。近几年来， 国内也有许多单位和个人先后开展了电动助力转向系的研究工作，也取得了一定的 成绩，但我国在这方面与国际先进水平依然存在很大的差距。着眼于未来的汽车转 向系巨大的市场潜力，进行电动助力转向系统的开发将是一件非常有意义的工作。 i 3 2 本文所做的主要工作 ( 1 ) 对电动助力转向系统进行结构设计、分析了其工作原理及其控制策略。并 建立了相应的系统模型； ( 2 ) 分析了无刷直流电机的结构及基本原理，建立了比较完善的数学模型； ( 3 ) 完成了电子控制单元的开发t ( 4 ) 确定了程序设计思想，编写了部分中断子程序，并对电路板进行调试与分 析； ( 5 ) 对控制系统进行了仿真研究； 7 华中科技大学硕士学位论文 2 汽车电动助力转向系统的总体结构及工作原理 2 1 转向系的总体结构 电动助力转向系统是一种直接依靠电机提供助力扭矩的转向系统。这种系统不需 要复杂的机械控制，只要控制了电机电流的幅值和方向，就能实现系统自动控制的 要求。另外，该系统应用了微机控制，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，提高控制质量。该系统能在低速时减轻操舵力以提高控制稳定性， 在高速时能保证最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性【1 3 1 p a l 。 r i 图2 1 电动助力转向系统组成 电动助力转向系统组成 如图2 1 ： 该系统由扭矩传感器、 速度传感器、转向角传感器、 电子控制装置、电动机、离 合器、减速器和齿轮齿条转 向机构等组成。其中电动机、 离合器与减速器往往结合成 一个整体，扭矩传感器通常 布置在转向柱上。 2 1 1 扭矩传感器 扭矩传感器是通过测量方向盘和转向器之间的相对扭矩作为助力转向的控制信 号之一。转向系常用的扭矩传感器有电磁式扭矩传感器和差动变压器式扭矩传感器 两种，下面分别作一下介绍。 2 1 1 1 电磁式扭矩传感器 电磁式扭矩传感器1 0 2 j 的工作原理如图2 - - 2 所示，它用磁性材料作成定子和转子， 定子和转子之问形成了闭合的磁路。线圈a 、b 、c 、d 分别绕在极靴上，连接成一 个桥式电路。方向盘杆的扭转变形角和转矩成比例，只要测定出杆的扭角，就可以 8 华中科技大学硕士学位论文 知道转向力的大小。输入桥压由连续的脉冲电压信号u i 加在线圈u 、t 的两端，当 转向杆上的转矩为零时，定子和转子的相对转角也为零，转子处于图2 2 中所示的 位置。此时，每个极靴上的磁通量是相同的，因而电桥平衡，在线圈v 、w 两端的 输出桥压，。一0 。 如果定子和转子之间产生角位移0 ，即相对转角不为零时，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，在 输出端v 、w 之间出现电位差。这个电位差与杆的扭转角0 和输入电压c ，：成比例， 其关系式为： u o k u l o ( 2 - - 1 ) 式中m 一比例系数 由输出桥压可知方向盘杆的扭转角和转矩的大小，输出特性如图2 3 所示。 图2 - 2 电磁式扭矩传感器工作原理图2 3 电磁式扭矩传感器输出特性 2 1 1 2 差动变压器式扭矩传感器 差动变压器式的工作原理如图2 4 所示。扭矩传感器由连接到方向盘的输入 轴、驱动齿条齿轮机构的小齿轮轴、连接输入轴与小齿轮轴的扭力杆、具有可 移动铁芯的滑块和凸轮机构等组成。扭矩传感器的主要功能有两个，是将输入轴、 小齿轮 轴和滑块轴向位移之间进行相对扭转位移换算，二是通过线形可变的差动变压器将 滑块的位移转换为电信号。扭力杆一端的凸轮滑块机构将转向轴的转矩转变为差分 变压器中铁芯( 滑套) 的轴向位移，差分变压器再将铁芯的轴向位移转变为电压信 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 2 = ；= ；= = = = = = = ；i = = = = = = = = = = = 一一 号。图2 4 表示按滑块的位移量和运动方向可测出方向盘上的扭矩和扭转方向。 图中s 3 表示输入电控单元的转矩信号，s 1 和s 2 则是电控单元对扭矩传感器进行监 测诊断的信号畔l 。 ( 扭矩传感器输f l i ) 碍争 图2 - - 4 羞动变压器式十| l 矩传感器i ：作原理蚓 尽管两种传感器的型式不同，但其输电压是相同的。当转向盘处】：r 1 t 】位胃 时，传感器的输入电压为2 5 v ；当转向盘向左传时，电压小于2 5 v ；转向盘右转时， 电压大于2 5 v 。因此。电控单元根据输入电压的高低就可以判断方向盘的转动方向 和转动程度。差动变压器式的扭矩传感器由于能获得差分输出，故有很高的精确度 和良好的温度特性。另外，由于电子系统是双重的，因此，系统的可靠性很高，即 使发生故障也很容易被检测出来。因此在本文中选用差动变压器式扭矩传感器作为 转向系扭矩的输出装置。扭矩传感器的参数为：额定电压为5 v ，输出电j 匠2 5 v ( 中 间位置) 。最大阻抗2 1 8 0 6 6 q 。 2 1 2 车速传感器 光电式车速传感器上有发光二极管、光敏元件以及速度表电缆驱动的遮光板， 如图2 5 所示。当遮光盘没有遮光时，发光二极管的光射到光敏晶体管l 二，光敏晶 体管的集电极中有电流通过，该管导通，这时晶体管t r l 也导通，因此在s i 端子上 一 图2 5 光电式车速传感器工作原理 就有脉冲信号输出。脉冲频率取决于车 速，在车速为6 0 k m h 时，仪表电缆的转 速为6 3 7 r h ，仪表电缆每转一圈，传感 器就有2 0 个脉冲输出。该脉冲信号输入 到电控单元，d s p 可通过捕获引脚计数 功能获得的脉冲数来判断车速。 一_ 一- 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 转向角传感器 转向角传感器可根据齿条的位移量和位移方向测出转向角。该传感器是由啮合 在齿条上的磁铁和固定在转向机上的磁性探测器组成的。如图2 6 所示，齿条移动 所引 起的磁通密度和极性的变化由磁性探测 器的霍尔元件转换为电压信号，这个电 压信号反映的是转向的角度。 图2 - 6 转向角传感器的结构 转向角信号输入到电控单元，在d s p 内先经过a d 转换然后再输入到c p u 进 行运算处理。 2 1 4 离合器和减速机构 减速机构可用行星齿轮减速器也可用蜗轮蜗杆减速器。由于相同传动比的行星 齿轮减速器体积比蜗轮蜗杆大，所以在这里采用蜗轮蜗杆来减速增扭，蜗轮蜗杆反 行程不能自锁，即蜗杆的头数不能为1 ，否则会发生严重故障。其传动比为1 6 2 0 。 系统的安全装置由一个主电源电路中能切断电机电源的继电器和一个电磁离合 器组成。离合器用来断开电机与减速器之间的连接，根据电子控制装置的指令控制 离合器的开闭。这里采用电磁离合器，以便于电动机与转向器迅速结合与分离。当 系统转向时，控制器输出控制信号使离合器吸合，这时电动机输出的扭矩可以传递 到转向杆上。当系统出现故障时，电子控制装置使离合器断开，从而保证转向机构 的正常运行。本文所用离合器的额定电压为2 4 v ，离合器传递的额定转矩为1 5 k g c m 。 2 1 5 控制单元 控制单元是本文设计的重点，转向系的电动助力功能要通过它来实现。本文所 设计的电子控制单元包括主电路板和控制电路板两部分，其具体的设计将在后面的 章节中作详细的介绍。 2 1 6 无刷直流电机 永磁无刷直流电机( p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd c m o t o r ) 是七十年代迅速 发展起来的一种集电机与控制于一体的新型电机。本设计所用的电机是台三相永 磁无刷直流电机，其三相绕组采用星型无中性点引出的接法，级数2 p 。乙单机的- 。 华中科技大学硕士学位论文 额定功率为b 一2 0 0 w ，最大功率= 7 5 0 w ，额定电压u ；2 4 v ，额定电流 ，- 1 0 a ，额定转矩l o k g c m ，最大转矩2 5 堙c m ，最高转速n 。一2 0 0 咖r a i n 。无 刷直流电机的工作原理及其数学模型的建立将在下一节中作详细的介绍。 2 2 无刷直流电机 2 2 1 工作原理 图2 - - 7 是无刷直流电机的驱动原理图。无刷直流电机是以两两导通的方式运行 的：每一瞬间有两个功率管导通，每隔1 ，6 周期( 6 0 电角度) 换相一次，每次换相 一个功率管，每个功率管导通1 2 0 电角度。各功率管导通顺序为t 1 t 2 、t 2 t 3 、t 3 t 4 、 t 4 t 5 、t 5 t 6 、t 6 t 1 、t 1 t 2 、。当功率管t 1 t 2 导通时，电流从t 1 管流入a 相 图2 7 无刷直流电机驱动原理图 绕组，再从c 相绕组流出，经 t 2 管流回到电源。在两两导通 方式下，无刷直流电机绕组中 的电流是方波电流( 如图2 9 所示) 。图2 8 给出了两种开 关状态及磁场旋转示意图。当 转予处于图2 8 中( a ) 所示 的位置时，功率开关t 1 、t 6 导通，由于功率管要持续导通一段时间，流经绕组的电 流也将持续一段时间，那么如图( a ) 中所示的定子磁势e 。也将在一段时间内保持不变。 但是转子是连续旋转的，转子励磁磁势b n 也将随之旋转。图( a ) 中定子磁势e 。和 转予磁场b n 的夹角为1 2 0 。( 电角度1 ，定子磁势与转子磁场互相作用产生电磁转矩。 该转矩使转子向定子磁势轴线方向旋转。随着转子的转动，b 。与也之间的夹角逐渐 减小，当转子磁场处于b f 2 位置时，也即定子磁势与转子磁场夹角为6 0 。( 电角度) ， 由于t 6 已导通1 2 0 。电角度， t 6 和t 2 绕组要在控制信号的 作用下开始换流，由t 1 、t 6 导通变成t 1 、t 2 导通，定子 磁势跳跃前进6 0 。变成图2 8 中( b ) 所示的位置，定子磁 图2 8无刷直流电机的通电情况 势e 。与转子磁场之间的夹角 1 2 旒 ： 蚴 n*挣h 鼎 m：霹 鼻将h 华中科技大学项士学位论文 又变成1 2 0 。( 电角度) 。由以上的分析可知，电枢磁势e 。不是一般的旋转磁势，而 是一个跳跃式步进的磁势，每隔六分之一周期前进一步。由位置传感器提供转子位 置信号，每隔六分之一电周期，功率开关切换一次，使电机电流所产生的定子磁势 e 。跳跃6 0 。( 电角度) ，进而使转子连续转起来。由于定子磁势呈步进运动，所以产 生的电磁转矩将呈现波动【3 2 1 1 ”1 。 2 2 2 数学模型 在b l d c m 的控制系统中，数学模型的建立至关重要。在这里，直接利用电动 机相电流建立数学模型既比较方便，又能获得较准确的结果。为简化分析，现假设： ( 1 ) 定子绕组为三相y 连接无中线引出； ( 2 ) 忽略齿槽效应。绕组均匀分布于光滑定子的内表面； ( 3 ) 忽略磁路饱和，不考虑电枢反应，不计涡流和磁滞损耗。 2 2 2 1 无刷直流电机的电磁转矩o ”“” 图2 9 ( a ) 为空载换流超前角y 。0 。时无刷 直流电机相电动势和相电流波形。由于每一瞬间在 三相绕组中总有两相通电，一相通过正向电流，另 一相通过反向电流，这两个电流和转子磁场作用产 生的转矩，也将随转子位置的不同而按一定规律变 化，图中( e ) 为电机的合成转矩。由此可见，无 刷直流电机的电磁转矩脉动频率为基波频率的6 倍。 电磁转矩为 运动方程为 图2 9 无刷直流电机电磁转矩 与相电动势、相电流的关系图 l - p 。( e 。f 。+ + e 。f 。) w 。 ( 2 2 ) 疋一瓦一j ：p ( ) + d c o p 。 ( 2 3 ) p p - m( 2 4 ) 其中，p = d d t ，为转子的电角速度，瓦为负载转矩，l ，为转动惯量，p 。为 挝弛苴整醴挝蛐丘 ： 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 2 电压方程 图2 1 0 无刷直流电机的等效电路 图2 1 0 为通常采用的无 刷直流电机的等效电路图【1 9 l ， 由此可写出其电压平衡方程 式： i ! 】。 蚕墨量】 ；】+ 工吾m 工兰m 工三二】p ；】+ 圣】 c 2 一s ， 其中，p d d t 。 p i 1 7 0 一 4 z 戌。- m ) 。必0 曼，】 i 】一 r 0r 。0 。 巨 一 1 1 ( 2 - - 6 ) i 00m0 0r i p i l _ f l ( i i i fi | i i p f i 。ii1 肚一) “。lii l 。il p 。i i 时，f 。( f ) - - i 6 ( f ) ，n f f i 设t ( t ) 一i o ( f ) ，由式( 2 - - 5 ) 可得： 这里，( f ) 一“。( f ) 一i i b ( f ) ，为逆变器输出电压，e ( f ) 一e a ( f ) 一e b ( f ) ，根据反电势 与转速n 成正比的关系，e ( f ) 可近似地表示为e 。( f ) 一七。n ，e 。为平均反电势。考虑 到转矩与电流的大小成正比的关系，电磁转矩可近似地表示成l 。k r t ( t ) ，代入上式， 华中科技失学硕士学位论文 进杼拉氏变换，可得机械特性为； 瞄一警一半黝 将运动方程( 2 - - 3 ) 写成转速n 的形式，并经拉氏变换得： 丽g d 2 s h ( s ) - t ( s ) 一t l ( s ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) g d 2 必电魂撬转子飞轮力矩( b 1 2 ) ，r l ( s ) 为电动橇褥受载转矩。 辗摇( 2 一l o ) 、( 2 一1 1 ) 可萄壅b l d c m 静动态结构圈，翔图2 1 l 所示。 f 网2 1 1b l d c m 动态结构i 璺l 从圈中可导出系统传递函数为 邢) - i 薹_ i ) 一孚蔓驰) ( 2 州) l + t 砖+ t s 2 l 乏s + t 矿 舯，t - 罴 f 。2 ( l - m ) g d z 3 7 5 k r k 小丢鸭最；一等 2 2 3 光刷或流电机电流控制方案 本系统中，对无刷邕流电机控制的最终目的是调节电机的转矩，由于咒一k r ，l ( o ， 电流环调节的是电磁转矩。因此，必须采用电流闭玮控制。其控制檄图如图2 - - 1 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 一1 2 无刷宜流电机电流闭环控制框| 茎| 图中电流参考值f 。，是根据转向机构传感器输出信号来确定的。在下章f j 将介 绍助力扭矩的计算方法，用助力扭矩推出i 州。o 与电流信号的反馈值i ，起送至电 流调节器( c r ) ，本系统中电流调节器为非线性的滞环控制器。它同时完成电流调节 和电流p w m 波生成功能。它的基本思想是将电机电流反馈信号与电流给定信号比 较，若电流反馈大于给定上限阀值，则关断逆变器，使电机电流减小；若电流反馈 值小于给定下限阀值，则开通逆变器，使电机电流增大。这样，电机电流将围绕给 定电流作锯齿状变化，偏差限制在滞环以内。 电流环的等效时间常数一般比较小，当系统受到外来的干扰时它能比较迅速地作出 响应，抑制干扰的影响，提高系统稳定性和抗干扰能力。 2 3 转向系的安全功能 电动助力转向系具有一定的安全功能，以确保当系统发生故障时，转向机构能 正常工作。该系统中采取的安全措施是停止助力扭矩控制或限制助力扭矩控制0 3 i 。 2 3 1 停止助力扭矩控制 当系统的基本部件( 如扭矩传感器、动力装置和它们的连线等) 出现故障导致 系统不能正常工作时，则离合器断开，电源继电器释放，从而停止助力扭矩控制， 以确保系统安全。上述部件的丌路或断路敞障，可测量传感器输端的f 乜k 降来判 断。若在正常运转范围内传感器仍有输出值的故障，则较难检测出来，但还是可以 在各种运行条件下。检测每个传感器的输出值，并把这些输出值和预先设置的讵常 输出值进行精确的比较，确实地检测出任一个传感器故障，并采取适当的处理措施。 2 3 2 限制助力扭矩控制 1 6 华中科技大学硕士学位论文 这种控制是力图防止可能出现的故障，一旦出现可导致严重故障的电池电压降 和动力装置过热等情况时，系统就会执行这种功能。 2 3 2 1 电池电压过低 当发动机处于怠速时，蓄电池充电不足又过载使用的情况下，若动力转向系统 仍继续运转，则蓄电池就会大量放电。此时，如果继续使用蓄电池就会导致蓄电池 失效。为了预防这种情况和保护蓄电池，系统将限制电流。 2 3 2 2 动力装置温度升高 动力控制器安装在发动机里面，如果车辆长时间爬坡或夏天在拥挤的道路上行 驶，转向系统又要立即在发动机怠速下运行时，动力装置温度升高是不可避免的。 所以，系统在动力装置达到警戒温度之前就要限制电流。由于动力装置的温度和电 机的温度有关，因此，这种功能同样可防止电机过热。 2 3 2 3 平均电流损耗过大 为了防止过热，系统还对连续几秒钟内的电流消耗进行监督，并保持电流消耗 不超过预先设定值。 2 4 转向系的工作原理 电动助力转向系统工作原理如图2 1 3 所示【1 5 l 。 图2 1 3 电动助力转向系统框图 由检测传感装置将所需信息输入控制单元，再由控制单元对这些信号进行运算后