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钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 摘要 由于电动助力转向系统具有环保节能、助力特性可调、安全性高等优点，许多汽车企 业和研究单位已经将其做为重点研发项目之一，其中，电子控制器硬件开发和控制软件是 其核心技术之一。 本文首先分析了各种助力转向系统的特点，重点研究了电动助力转向系统的结构和动 力学模型，提出了基于p i d 的控制策略，并利用m a t l a b s i r n u l i n k 工具建立了电动助力转 向系统中的转向轴动力学、齿条动力学和助力电机数学模型，并建立了助力特性曲线，进 行了无助力、有助力以及p i d 控制助力的仿真计算，经过对比分析，证明该p i d 控制机 理能够较准确控制助力大小，效果良好。 本文重点设计并开发了电动助力转向系统的控制器硬件及控制软件。硬件设计方面主 要包括：选取了飞思卡尔m c 9 s 1 2 系列单片机作为e p s 系统c p u ，设计了单片机最小系 统电路( 包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等) ；采用l m 2 5 7 6 芯片设计了 稳压电源电路；方向盘转矩传感器信号和车速信号调理电路、助力电机驱动电路以及通信 电路等。助力电机驱动电路由电机专用驱动芯片t d 3 4 0 驱动；通信电路主要由串口通信 和c a n 总线通信组成，实现与p c 机和整车通信；控制软件方面主要编写了单片机的a d 转换程序、p w m 模块和脉冲捕捉模块程序以及相关寄存器配置方法。 利用l a b v i e w 软件设计了e p s 的上位机监控程序，实现了控制器与计算机之间的通 信，可以方便地对相关实验数据进行数据显示、图形绘制、数据保存和动态比较，完成数 据采集的全自动过程。 为了验证控制器硬件和软件的可靠性，在试验台架上进行了实验研究，主要包括无 助力与有助力对比、转矩对电流影响、车速对电流影响、方向盘回正控制等试验，结果表 明，控制器硬件部分性能良好、工作稳定可靠；软件控制效果较好，助力特性符合设计要 求。转向系统稳定性较好，同时方向盘上无明显抖动，手感良好，为下一步的装车试验做 好了准备。 关键词：汽车工程；电动助力转向系统；电子控制器；数据采集 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发i i i a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n g ，a d j u s t a b l ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d s e c u r i t y , a n ds oo n , i t sh a sb e e nr e s e a r c h e di n o n eo ft h ek e yr e s e a r c hp r o j e c t sb ym a n y a u t o m o b i l ee n t e r p r i s e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e s ，b e s i d e s ，e l e c t r o n i cc o n t r o l l e rh a r d w a r ea n d s o r w a r ed e v e l o p m e n ti so n eo ft h ec o r et e c h n i c a lo fi t s f i r s t l y , a l lk i n d sc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gs y s t e mw e r ea n a l y s e di nt h i sp a p e r , e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e ms t n l c t u r ea n dd y n a m i c sm o d e lw e r em a i n l yr e s e a r c h e d ，a n dp r o p o s e d c o n t r o ls t r a t e g yb a s eo np i d ，s t e e r i n gs h a f td y n a m i c s ，r a c kd y n a m i c sa n dm o t o rm a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x ，a n de s t a b l i s h e dt h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e ，a tt h es a l n et i m e ，n op o w e r , h a v e p o w e ra n dp i dc o n t r o lp o w e rw e r es i m u l a t e da n da n a l y s e d ，t h r o u g ht h ec o n t r a s ta n da n a l y s i s ， t h ep i dc o n t r o lm e c h a n i s mc a na c c u r a t e l yc o n t r o lp o w e rs i z e ，a n dh a v eg o o dc o n t r o le f f e c t i nt h i sp a p e r , c o n t r o l l e rh a r d w a r ea n ds o r w a r eo fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e ma r em a i n l y d e s i g n e da n dd e v e l o p e d h a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e s ：s e l e c t i n gt h ef r e e s c a l em c 9 s12 s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e ra se p ss y s t e mc p u ，d e s i g nt h es m a l l e s tc p u s y s t e mc n u i t ( i n c l u d i n g c l o c kc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i t , t h ep o w e rc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t , e t c ) ；t h ep o w e rc i r c u i ti sd e s i g n e d b yt h ec h i po fl m 2 5 7 6 ；t h es t e e r i n gw h e e lt o r q u es e n s o rs i g n a la n ds p e e ds i g n a lc i r c u i t , d r i v e c i r c u i to fm o t o ra n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t , e t c d r i v ec i r c u i to fm o t o ri sd r i v e db yt h ec h i po f t d 3 4 0 ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tc o n s i s t sm a i n l yo fs e r i a la n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o n , w h i c h c a nc o m m u n i c a t ev v j t l lt h ep ca n dv e h i c l e i ns o f t w a r e ，a dc o n v e r s i o np r o g r a mi sm a i n l y c o m p i l e d ，p w mm o d u l ea n dp u l s ec a p t u r ep r o g r a ma n dr e l a t e dr e g i s t e r sc o n f i g u r a t i o n sp r o c e s s e m p h a t i c a l l y s y s t e mo fp cm o n i t o r i n gp r o g r a mi sd e s i g n e db yu s i n gt h el a b v i e ws o l , r a r e ，r e a l i z i n g t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n de p sc o n t r o l l e r , a n dc a nb ed a t ad i s p l a y , d r a w i n g g r a p h i c ，d a t as t o r a g ea n dd y n a m i cc o n t r a s t ，a n dc o m p l e t i n gt h ea u t o m a t i cp r o c e s so fd a t a a c q u i s i t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dc a r r yt h r o u g h e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt e s t - b e d ，i n c l u d i n gt h ec o l l t r a so fw i t h o u tp o w e ra n dh a v ep o w e r , t h e i n f l u e n c eo fe l e c t r i cc u r r e n to fm o t o rt ot o r q u e ，a n ds p e e do fv e h i c l et oe l e c t r i cc u r r e n to f m o t o r , a n ds t e e r i n gr e t u r n i n gc o n t r o le t c ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a r d w a r e i v 扬州大学硕士论文 p e r f o r m a n c e i s g o o d ，s t a b l e a n dr e l i a b l e ；s o f t w a r ec o n t r o le f f e c ti s g o o d ，d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c sc o m p l y 诚也t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s s t e e r i n gs y s t e ms t a b i l i t yi sg o o d ，a n dt h e s t e e r i n gw h e e lw i t h o u to b v i o u sj i t t e r , s t e e r i n gf e e li sg o o d ，a n dg e t t i n gr e a d yf o rt h el o a d i n g t e s t o f t h en e x t k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g ；e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ；e l e c t r o n i cc o n t r o l l e r ；d a t a a c q u i s i t i o n 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 7 3 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名： l 、 绒髫扒i 签字日期：加z o 年歹月w 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，l i p ：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬 州大学可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位 论文收录到t e e 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 强睹武 i 导师签名： 夏6 彪 签字日期：沙，口年( 月矽日签字日期：2 口p 年厂月毕日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 第一章绪论 节能、环保、舒适、廉价是广大汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术 追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。汽车转向系统的性能在节能、环 保及舒适方面具有非常重要的作用。传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。随着 汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发 展的一种趋势。 1 1 转向系统概述 从汽车诞生之日起，机械式转向系统就已经开始使用。几十年来，机械式转向系统一 直在使用着，但由于人们对转向轻便性和舒适性要求越来越高，机械式转向系统已经不能 满足人们的需求，迫切需要一种能够帮助驾驶员辅助转向的一种装置，此时液压式助力转 向系统诞生了。1 9 5 3 年通用汽车公司第一个使用了液压助力转向系统，转向轻便性效果 显著。此后该技术得到了迅速发展，使得助力转向系统在功耗、体积和价格等方面都取得 了很大的进步。8 0 年代后期，出现了变减速比的液压动力转向系统，随后又出现了基于 液压转向系统的新的动力转向系统新产品，具有代表性的产品是变流量泵液压动力转向 系统( v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp o w e rs t e e r i n gp u m p ) 和电动液压助力转向( e l e c t r i ch y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度 或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动 液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以根据需要随时关闭，所 以也部分的降低了燃油消耗。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目 前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系 统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足【1 3 】。 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 ) 是在上述两种助力机构的 基础上发展起来的，它采用独立电机直接提供助力，助力大小由电控单元根据方向盘扭矩 和车速信号进行控制。它具有节能、环保、高度安全性等特点，目前正逐步取代液压动力 转向，像时下热卖的雨燕、飞度、s x 4 、速腾等车型都采用的是这种助力机构，而它也是 未来动力转向技术的发展方向之一。电动助力转向系统如图1 1 所示，三种助力转向系统 性能比较如表1 1 所示。 扬州大学硕士论文 图1 - 1 电动助力转向系统 通过将装有e p s 和装有l i p s 的车辆对比表明，在不转向的情况下，e p s 能降低 约为2 5 的燃油消耗；而在使用转向情况下燃油消耗更是降低了55 。此外。e p s 可根据车速自动控制转向助力力度，有效解决一直困扰着传统转向系统的方向盘“轻” 和“灵”的难题，提高了行驶安全性。 电动助力转向有效地解决了车辆在操纵稳定性和方向盘转向手感方面的问题，具 有兼顾低速转向轻便性和高速增强路礴的优点。 表1 - 1 三种助力转向系统性能比较表 类型 e p se 5 燃油特性耗油最少 舟于两者之问耗油最多 独立于发动机工作可以 可以不可以 方向跟随性报好 差差 路礴状况根好好 差 回正性能 最佳好差 助力特性准确、灵活、控制最优灵活性、传递性较h i s 差 中等 集成性能方便 不方便不方便 环保性能 环保不环保 不环保 只有四个组件、结构紧凑 有柏一5 0 十零部件，占用有4 0 5 0 个零部件，占用 占用空间 占用空间最小 空间较大 空间较大 耐寒性耐寒 不耐寒、需要预热 不耐寒、需要预热 重量最轻 较重 较重 效率 报高中等 较差 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 3 1 2 电动助力转向系统国内外发展研究现状 在国外，从1 9 7 9 年开始研究电动助力转向系统，至今已有3 0 多年的历史。之前一直 没有取得很大的进展，主要是因为e p s 的成本太高。随着近几年来电子技术的快速发展， e p s 的成本已大幅度降低，再加上它独特的优点，因而越来越受到人们的重视，并迅速迈 向应用领域，部分取代了液压动力转向系统。e p s 系统在日本最先获得实际应用，1 9 8 8 年 日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的 c e r v o 车上，随后又配备在t 0 上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范 围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。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 公司，英国的l u c a s 公司，德国的z f 公司，都研制出了各自 的e p s 。e p s 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与 功能也进一步加强。日本早期开发的e p s 仅低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止 工作。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操 纵稳定性。随着电子技术的发展，e p s 技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其 应用范围将越来越大。在国外，e p s 已经进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术 产品。由于技术保密，很难获得控制参数，要想实现技术自主创新，还需国人自己钻研。 在国内，电动助力转向技术大多还处于实验室开发研究阶段，部分科研院所已经进行 了装车实验。国内的清华大学早在1 9 9 2 年就开始了e p s 的研究，曾研制出e p s 的样机， 并在试验台上进行了性能试验。2 0 0 2 年，经调查发现国内至少1 3 家企业和科研院校正在 研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。2 0 0 3 年上海市科委科技立项9 0 0 多万元用于电动助力转向器的开发与研究，其中投资3 0 0 多万 给同济大学汽车学院用于e p s 控制器的开发。但大多都是在实验室台架试验上取得了一 些进展，在试验车上转向的效果有待改进；特别是在转向盘抖动，以及回正控制等方面还 存在着一定的问题，南摩股份有限公司( 生产的转向轴式e p s 产品) 能进行小批量生产用于 汽车装配。目前主要装配在排量在1 3 l 1 6 l 的紧凑型轿车。目前2 1 个国内汽车厂家的 4 3 个品种均可装配e p s 产品，其中有6 个厂家8 个车型具有装配e p s 的潜力，其中有重 庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的q q ，天津丰田的威驰，悦达起亚的千 里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。昌河在其北斗星轿车和爱迪尔等车型上已把 e p s 作为选装器件，在三星级以上轿车上作为标准配置【m l 。 控制机理是e p s 的核心技术之一，国内外学者先后提出了p i d 、模糊p i d 、神经网络 等控制策略，绝大多数只进行了模拟仿真研究，进行实验研究的较少。本研究采用p i d 4 扬州大学硕士论文 控制策略，并进 亍了理论和实验研究，取得了良好的控制效果。 13 电动助力转向系统的特点 电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了车速传感器、转矩传感器、助力 电机和电子控制单元( e c u ) 等装置，电机通过减速机构作用在转向柱上，实现对转向的 助力。电动助力转向的结构总成如图1 2 所示。 图l 也电动助力转向结构总成图 与液压动力转向相比，电动助力转向系统综合了现代控制技术、现代电子技术及机电 一体化等技术，具有以下优点： ( 1 ) e p s 能在不同车速下提供不同的助力特性。在低速行驶时，增加转向勘力，使得转 向更加轻便：在高速行驶时减少转向助力，为了提高路感可以增加转向阻尼。 ( 2 ) e p s 只有在转向时电动机才工作，汽车在行驶过程中大部分时间较少助力，因而很 大程度上减少能耗。 ( 3 ) 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，其零件与h p s 相比大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并 且能降低噪声。 ( 4 ) 电动机由蓄电池供电，电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作，因此 提高了汽车行驶安全性。 ( s ) e p s 与液压助力系统相比，装配自动化程度更高，而且电动助力转向系统可以通过 改变微处理器中的助力程序算法，改变助力特性很容易实现。 ( 6 ) 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越，由于该系统具有良好的模块化 设计，为设计不同的系统提供了极大的灵活性； 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 5 1 4 课题研究的意义 随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的 要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向器。电动助力转 向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地 位。 在国内，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少， 市场上的产品主要被国外的公司所垄断。国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还 在中国境内申请了一些e p s 专利。因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主 知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展 提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入w t o 后参与国际汽车市场竞争提供一种 有竞争力的机电一体化高新技术产品。同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、 安全等方面也具有积极的现实意义【1 。3 1 。 1 5 本文研究的主要内容 本文首先对e p s 的工作原理及国内外研究现状作了分析，建立了e p s 的数学模型， 具体分析了e p s 的动态特性中的助力特性，同时介绍了电动转向中的三种控制模式：助 力控制，回正控制和阻尼控制。通过建立数学模型和p i d 控制理论的仿真分析，讨论了 e p s 系统的主要参数变化对其系统性能产生的影响，最后得出本文结论及其展望。所做工 作如下： l 、理论分析。分析了电动助力转向器的主要结构及工作原理，研究了电动助力转向系统 的控制策略。 2 、仿真研究。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对e p s 系统模型和电机模型进行了仿真与结果分 析，优化控制策略。 3 、控制器硬件及软件设计。设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，绘制p c b 图，研 究了单片机资源和编程原理，并进行了硬件和软件调试。 4 、数据采集系统设计。利用l a b v i e w 软件编写上位机监控界面，实现了p c 机与助力转 向控制器实时通信的目的。 5 、实验研究。在实验台架上进行了转向轻便性试验、转向回正性能等试验，验证自主开 发控制器的性能。 6 扬州大学硕士论文 第二章e p s 系统建模与仿真研究 2 1e p s 系统工作原理及结构组成 电动助力转向系统主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、电流传感器、控 制单元( e c u ) 、离合器、助力电动机及减速机构等组成。系统结构示意图如图2 1 所示。 工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的 电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给e c u ，e c u 经过分析处理后输出p w m 信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控, t t 4 j 。 号 图2 - 1e p s 系统结构示意图 e p s 系统的主要组成部件主要有：助力电机、电磁离合器、电位计式扭矩传感器、车速 传感器和电子控制单元。 2 1 1 助力电机 作者开发的电动助力转向系统选用的助力电机为直流永磁有刷电机，额定电流为 3 0 a , 额定电压为1 2 v ，额定转速为1 0 5 0 r m i n ，额定输出功率为1 7 0 w ，额定转矩为 1 4 8 n m 。 由于汽车转向过程中电机助力的大小是通过p w m 进行调整的，因此要求电动机要有 很好的机械特性和调速特性。考虑到对原机械转向系统的影响，要求电动机具有噪声低、 低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小和质量轻等特点，以便达到良好的动态特性 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 7 和可靠性。 2 1 2 电磁离合器 电磁离合器的结构如图2 2 所示。它主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件 构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接 合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流 流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机 的动力传递路线就被切断，助力停止。 123 图2 - 2 电磁离合器结构图 1 滑环2 一电磁线圈3 压板4 花键5 一从动轴6 主动轮7 _ 一滚珠轴承 电磁离合器的作用有以下两个方面：第一，防止动力过载。如果电动机产生的扭矩过 大，主动轮就会克服在电磁吸力作用下，主动轮和压板之间产生的摩擦力，从而打滑，保 证电动机给系统的助力不致过大；第二，在电机系统产生故障时，电磁离合器可以切断电 动机和机械转向系统的连接，保证转向系统仍能够进行转向操作。 2 1 3 电位计式扭矩传感器 扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力 杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结 构复杂，主要用于高速测量。本论文中采用的是导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简 单，可靠性好，使用寿命在3 0 0 0 万次以上，适合于方向盘扭矩的测量。 电位计式的主要工作原理如图2 3 所示。 扬卅i 大学硕士论文 传感器的两个输入端分别是v c c 和o n d ( 分别是输入端1 和4 ) 0 当转向盘处于中问 位置时，传感器的两个输出端t l 和t 2 上的电压均为25 v ；当转向盘向右旋转时，其输 出端t l 上的电压大于2 5 v ，输出端t 2 上的电压小于25 v ；当转向盘向左旋转时，恰好 相反。困此，输出电压t 1 减去输出电压t 2 得到的差动电压值就可以用来表示转矩的大 小和方向。差动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据 扭矩传感器输出差动电压的大小和正负，就可以判断转向盘的转矩大小和转动方向。 2 14 车速传感器 j v c c t 1 1 2 图2 - 3 电位计式扭矩传感器原理圈 大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，如图2 _ 4 所示。该传感 器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决 大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可阻直接使用。但是在实验室中，较难 采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。 图2 4 磁感应式车速传感器 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 9 2 1 5 电子控制单元 电子控制单元是电子控制系统中最重要的元件之一，其性能在一定程度上决定着电子 系统的性能，选择优良的控制器对取得良好的控制效果非常重要。结合e p s 控制系统的 特点，尽可能的减少外围电路元件和降低成本，而且处理单元还要具备功能模块多，运算 速度快，所以该系统选用了飞思卡尔公司生产的汽车级m c 9 s 1 2 系列微处理芯片 m c 9 s 1 2 x s l 2 8 单片机。该单片机是基于1 6 位s 1 2 x s c p u 内核及o 5 1 u n 制造工艺的高速、 高性能5 0 vf l a s h 微控制器，它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大 大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高 频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境，其主频高达9 6m h z ，同时片 上还集成了多个汽车用标准模块。其主要性能如下f 5 j ： 1 具有在线背景调试模式( b d m ) ； 2 2 个异步串行通信口s c i ： 3 1 个同步串行通信口s p i ： 4 8 通道输人捕捉输出比较定时器； 5 8 通道1 2 位a d 转换模块( 1 0 位a d 转换时间只需要7 u s ) ，转换结果有左对齐 和右对齐模式，可作为普通i o 口使用； 6 1 个8 通道8 位脉宽调制模块( p w m ) ，可以设置成4 通道1 6 位p w m 信号，占 空比可以从0 1 0 0 设置； 7 具有片内电压调整模块； 8 1 个低电压唤醒定时器，定时器溢出时间从0 2 m s - - , 1 3 s 之间设置； 9 4 9 个独立数字啪口( 其中2 0 个具有外部中断及唤醒功能) ； l o 1 个m s c a n 模块，兼容c a n 2 o a b 协议，具有标准和扩展数据帧模式，通信速 率最快可达1 m b p s ； 1 1 片内拥有1 2 8k b 的f l a s he e p r o m ，8 k b 的r a m ，资源十分丰富： 1 2 芯片正常工作温度范围在一4 0 0 c 到1 2 5 0 c 之间，基本上适应汽车复杂环境。 m c 9 s 1 2 x s l 2 8 的8 0 引脚q f p 封装管脚分布图如图2 5 所示。 1 0 扬州大学硕士论文 嗍3 骶w p 3 p p 3 t x d l l o c 笤p w m 2 玳w p 型p p 2 l o 口，p w m l 玳w p l p p l r x d i 1 0 叫p w m 0 i k w p 0 p p 0 f o c o ，p 1 o l o c l p t l 1 0 c 2 p t 2 1 0 c 3 伊t 3 v d o f v s s l 刚m 艄o c 彰p t 4 v 艇g 刚p w m 5 n o c 卯了5 p w m 斟i o c 6 p t 6 p 1 懈i o c 7 p t 7 m o d ( 、店k g o p b 0 p b l p b 2 p b 3 p b 4 釜釜釜薹釜釜蓁萋耋| 匿菱圣垂董萎垂銎型| 蒌l 霎 8 m 墓 瞑 图2 - 5m c g s l 2 x s l 2 8q f p 封装管脚分布图 2 2 电动助力转向系统建模 v r h v d d a 日 0 0 7 ，a n 0 7 陬d 0 6 胍n 0 6 陬0 0 5 a n 0 5 岛0 4 a n 0 4 融d 0 3 ，a n 0 3 陬0 0 2 弧n 0 2 融d 0 1 a n 0 1 p a d 0 0 ，a n 0 0 v s s 2 v d d 户a 7 p a 6 p a 5 p a 4 印婚 陬2 p a l p a o 在构建电动助力转向系统模型时，分析了实际电动助力系统与模拟电动助力转向系统 的区别，尽量结合实际构建电动助力转向系统模型。主要有转向轴、齿条、助力电机的动 力学模型与实际系统差别较大。在建模时都加入了相应的仿真系数( 如：加入了阻尼、刚 性系数等) ，以达到实际工况，有助于对系统的仿真分析m 。系统结构图如图2 - 6 所示。 设转向轴转角、电机转角分别为凤，6 l n ；转向轴转动惯量、电机转动惯量分别为五， 厶；转向盘转矩、电机输出转矩分别为死，死；转向轴阻尼系数、齿条阻尼系数和电机 阻尼系数分别为玩，6 ，且n 。电机减速机构减速比为g ，小齿轮半径为厂s ，齿条和车轮的 等效质量为朋，齿条的位移输出为x ，电机的扭转刚度为，转向轴的刚性系数整，转 向系的阻力设为e 。以转向系为对象，建立各部分的动力学平衡方程。 芷v s s 8c善sdo o 匕l _ i_o簧sdpo誉n毋山l 山卜蓐i k 薹弓山口，兰号loyo裔丕。一so=、量lo s s ，z 山oo一磊差吝一窆oiz正吝芷至v。正古：乱i i ( 】a 圳l高艮墨dd乏山l吾dd|xd，z善dd 罢戳一 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 o 图2 - 6e p s 系统示意图 转向轴的动力学方程： 以o s + 秒s + 五= 乃( 2 - 1 ) 其中：乃= ( 岛一三) 为转矩传感器的输出转矩信号。 齿条动力学方程： 聊鲁威+ c ：堕鸭一三) + 益( 吃一三g ) ( 2 2 ) 电机动力学方程： 厶否，+ 吃刍。+ 如( 吒一x - - g ) = 乙( 2 3 ) l - t + ri + 足否。：以?( 2 - 4 ) r i o + k ，口。= 以 “ 乙= k i ( 2 5 ) 式中，三为电机线圈电感，r 为电枢电阻，u 为电机端子电压，凰为电机反电势系数，墨 为电机转矩系数。 2 3 助力特性曲线的建立 e p s 的助力特性属于车速感应型，即助力特性不但随着转向盘转矩的变化而变化，而 且随着车速的变化而变化，因此可以较好的协调转向轻便性与路感的关系。在实际的e p s 系统中，e c u 根据转向盘转矩乃与车速1 ，两方面的信号确定助力大小，其数值通过对助 力特性曲线族查表来确定。也就是说，电动机的助力矩死是转向盘转矩死和车速1 ，的函 数，可以表示成助力增益和车速感应系数的乘积。e p 8 的助力特性具有多种曲线形式，典 1 2 扬州大学硕士论文 型的助力特性曲线有三种：直线型助力特性、折线型助力特性和曲线型助力特性【1 2 1 。考 虑实际e c u 的控制性能和控制方便，本文采用了直线型助力特性建立助力特性曲线。 f 0 乙= 厂( 1 ，) k ( o ) ( 瓦一瓦。) 【厂( ，) 瓦瓠 0 乃 乃。瓦 2 0 v ) 、欠压( 6 2 v ) 保护功能，以及反向电源有源保护功能。t d 3 4 0 内含可调的频率开关( 0 2 5 k h z ) 及待机模式，且集成有看门狗和复位电路。除此之外，t d 3 4 0 芯片还具有h 桥直流电机部分和微控制器之间的必要接口。直流电机的速度和方向可由外 界输入给t d 3 4 0 的信号来控制。t d 3 4 0 与m o s 管的电路连接如图3 1 5 所示，图中，t d 3 4 0 芯片l 1 、l 2 管脚控制h 桥m o s 管驱动电路的下桥臂，h 1 、h 2 管脚控制h 桥m o s 管驱 动电路的上桥臂，i n l 引脚为p w m 信号输入端，控制电机转速，i n 2 引脚为方向控制端， c f 引脚为模拟模式或数字模式选择端，c f 引脚接地为t d 3 4 0 在数字模式工作。t d 3 4 0 在 数字模式下的功能表如表3 1 所示。 v c c + 1 2 v 卜一奉。一d 2 奉_ - 奉。3 | d 碎_ 图3 1 5t d 3 4 0 与m o s 管电路连接示意图 r 4 扬州大学硕士论文 表3 - 1t d 3 4 0 在数字模式下功能表 s t b y i n li n 2h lh 2l 1l 2 描述 oxxo f fo f fo f fo f f 备用模式下电机关闭 looo f fo f f0 no n 下m o s 管电机制动 l ol o n o no f f o f f 上m o s 管电机制动 lp w m0o n p w m o f fp w m 电机x 占空比正转 lp w ml p w m o n p 、m m o f f 电机x 占空比反转 ll 0 o n 0 f fo f f o n 电机1 0 0 占空比正转 lllo f f o n o no f f 电机1 0 0 占空比反转 注：表中0 ，表示低电平信号，“1 ”表示高电平信号，“x ”表示任意电平信号，“p w m ”表示单片机输出 p w m 信号，“p w m ”表示与p w m 信号相反，“o f f 表示关闭， o n ”表示开启。 本文所设计的直流电机调速系统框图如图3 1 6 所示。该系统由信号输入电路、t d 3 4 0 和h 桥电路组成。其中信号输入电路由单片机输出p w m 信号，t d 3 4 0 用于构成p w m 发 生器，功率放大电路是由4 个m o s f e t 管组成的h 桥电路。 3 6 电机电流采集电路 图3 1 6 直流电机p w m 调速系统框图 在本系统中，采用的是闭环系统控制。单片机根据车速和转矩的大小，经计算分析后， 输出p w m 信号驱动电机，再根据电机电流的大小，构成闭环控制系统，使得电机转矩控 制更加准确，跟随性更好。 电机电流采集电路如图3 - 1 7 所示，r 1 用0 o l 欧姆电阻测量电机电流，根据电路分压原 理，电流信号转为电压信号，经过电路滤波，放大后，送给单片机的a d 转换口，进行a d 转换。 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 2 7 3 7 硬件抗干扰设计 ：= ： 图3 1 7 电机电流采集电路 p c b 板( 印刷电路板) 是电动助力系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷 电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单 布局安排，还必须符合抗干扰的设计原n 1 4 , 1 4 。电动助力系统中采用下述抗干扰措施。 ( 1 ) 地线设计 电动助力转向系统中地线结构大致有系统地、机壳地( 屏蔽地) 、数字地( 逻辑地) 和 模拟地等。在电动助力系统中，接地和敷铜是抑制干扰的重要方法。 1 ) 数字、模拟电路分开 电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，使两者的地线不要相 混，分别与电源端地线相连。并尽量加大线性电路的接地面积。 2 ) 接地线加粗 若接地线条很细，将使接地电位随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不稳， 抗噪声性能变坏。因此将接地线条加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。 3 ) 接地线构成闭环电路 数字电路部分的印刷电路板接地时，将接地电路做成闭环路能明显地提高抗噪声能力， 其原因是：一块印刷电路板上有很多集成电路，尤其遇有耗电多的元件时，因受到线条粗 细限制，地线不能足够宽，产生电阻，此电阻致使地线产生电位差，引起抗噪声能力下降， 若地线构成闭环电路，则其差值将缩小。 ( 2 ) 电源线布置 电源线的布线除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，还要采取使电源线、地线 的走向与数据传递的方向一致，有助于增强抗噪声能力。 ( 3 ) 印刷电路板的尺寸与器件布置 印刷电路板大小要适中，当印刷电路板过大时，印刷线条变长，阻抗则增加，不仅抗噪 扬州大学硕士论文 声能力下降，而且成本也高；印刷电路板过小，则散热不好，同时易受邻近线条干扰。在 器件布置方面，与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，能获得较好 的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和c p u 的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易 产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路。 3 8 本章小结 本章主要设计开发了e p s 系统硬件电路设计，包括单片机最小系统硬件电路、电源转 换电路、传感器信号处理电路、助力电机驱动电路和电机电流采集电路，并提出了硬件抗 干扰的相关措旌。 钱学武：汽车电动助力转向控制系统设计与开发 第四章e p s 系统软件设计 在硬件选择、设计完成后，对控制方案进行了细致的分析，根据软件仿真结果及控制 理论，分析各种控制算法的控制效果，与硬件对接，实现对系统的准确控制。在本章中， 重点探讨系统控制策略，根据系统设计要求，用c 语言编写软件控制程序，实现硬件控制， 为下一步实验做好准备。 4 1e p s 系统控制目标 采用e p s 的主要目的是随车速变化时提供合适的转向力、保