（车辆工程专业论文）电磁式助力转向控制系统的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们对汽车安全性、舒适性、经济性的不断追求，汽车电动助力转向技术是汽车 技术发展的一个重要的方向。在短短的几十年里，汽车转向驱动系统经历了传统的机械式 转向一液压助力转向一电动助力转向。丽电动助力转向也因其具有助力大小可调、环保、 低功耗、维修方便等优点而备受青睐。本论文所涉及的课题基于电动助力转向这一设计理 念，本着不断发展、创新的设计思想，开发了一种新的助力转向系统一电磁式助力转向系 统。 论文中第一章在对已有的几种助力转向系统做比较以后，介绍了电磁式助力转向系统 的基本结构和工作原理，并对助力转向系统的发展过程和未来的发展趋势做了深入的探讨； 第二章完成了控制系统电路的分析与设计工作，属于系统设计硬件部分的核心内容。设计 工作中通过比较p l c 、工控机、单片机和d s p 四种不同控制器的优缺点，结合本控制系统 的实际需要和性价比上的考虑，选择了一种新型的混合信号系统级芯片( s 0 0 - - s i l i c o n l a b 公司的c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机。该芯片具有与m c s - - 5 1 完全相同的指令系统，而且 芯片内集成了构成一个单片机数据采集系统或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设 及其他功能部件；同时分析了抗干扰设计在控制系统软、硬件设计中的重要性和必要性， 并结合这些思想详细地分析和设计了系统各个模块的电路图。 第三章刚完成了控制算法的研究，属于系统设计软件部分的关键所在。首先建立了转 向系统的数学模型和控制系统的仿真模型，然后基于m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真平台仿真 分析、比较了p i d 和模糊p i d 控制算法在电磁助力器电流控制的控制效果，得出了p i d 算 法和模糊控制算法相结合的模糊p i d 算法能更好的调节电磁助力器的助力电流，从而更好 地满足助力特性所要求的助力效果的结论。第四章对c y g n a l 的集成软件开发环境做了介 绍。并根据模块化设计思想，分析了控制系统各个模块的软件设计方法。 最后，文中第五章对前述内容进行总结。并对存在的闯题和需要进一步改进的地方进 行了分析和讨论。 关键词：电磁式助力转向、c 8 0 5 1 f x x x 、p i d 、模糊控制。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 1 0 n 口w i t hp e o p l et oc a rs a f e t y ，c o m f o r t a b l e ，e c o n o m y o fc o n t i n u o u s l yp u r s u e ， a n dt h ee e c t r i cp o w e rs t e e r i n gt e c h n i q u e i sa l r e a d ya ni m p o r t a n to n eo f d e v e l o d m e n to fc a rt e c h n i q u e s w i t h i ns h o r ta n ds h o r ta n ds e v e r a ld e c a d e s ，t h e d 。w e rs t e e r i n gs y s t e mh a se x p e r i e n c e dt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m t ot h eh y r d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mt ot 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 a n d t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gh a sb e e nw i d e l ya c c e p t e db e c a u s eo fh a v i n gt h ep o w e r s i z ea d j u s t a b l e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，l o we x p e n d ，c o n v e n i e n tm a i n t a i na n d s oo n t h i sl e s s o nd e s i g np r i n c i p l ei sb a s e d o nd e s i g np r i n c i p l 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 m a c c o r d i n gt oc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n g ，c r e a t i v ed e s i g nt h o u g h t ， w eh a v ed e v e l o p e dan e wp o w e rs t e e r i n gs y s t e m e l e c t r o m a g n e t i s mp o w e rs t e e r i n g s y s t e m 。 t h i sp a p e rf i r s t l yc o m p a r e ss e v e r a lk i n d so fp o w e rs t e e r i n gs y s t e mt h a th a v i n g b e e nu a e d 航di ti n t r o d u c e st h ee l e c t r o m a g n e t i s mp o w e rs t e e r i n gs y s t e m sb a s i c c o n s t r u c t i o na n dw o r kp r i n c i p l e a n da t1 a s ti ti n t r o d u c e si n d e t a i lt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n d i t sf u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d c h a p t e r2 i sm a i n l ya n a l y s i sa n dd e s i g no fe l e c t r i cd i r c u i to fc o n t r o l s y s t e m f i r s t l y ，i tc o m p a r e st h em e r i ta n dd e f e c to fp l c w i t ht h a to fs i n g l ec h i p 、 i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra n dd s p a n dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h es y s t e m s d e m a n da n dp e r f o r m a n c e v a l u er a t e ，w es e l e c tan e wm i x e d s i g n a is y s t e mo na c h i p ( s o c ) 一t h ec 8 0 5 1 f x x xs e r i e sf o rs i l i c o nl a bc o m p a n y t h ec h i ph a st h es a m e i n s t r u c t i o ns y s t e mw i t hm c s 一5 1 ，a n di ti n t e g r a t e sa l m o s tt h ea l le x t e r n a la n a l o g a n dd i g i t a le q u i p m e n t st h a ta r eu s e dt oc o n s t i t u t eam i c r o c h i pd a t aa c q u i s i t i o n a n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h eo t h e rf u n c ti o np a r t s ：t h e nt h isc h a p t e ra n a l y z e st h e i m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g ni nt h ec o n t r o ls y s t e m s o f t 、h a r d w a r ed e s i g n s ，a n da c c o r d i n gt ot h e s et h o u g h tw ea n a l y z ea n dd e s i g nt h e e l e c t r i cc i r c u i td i a g r a m so fe a c hu n i t c h a p t e r3i s t h es t u d yo fc o n t r o la r i t h m e t i c a tf i r s t ，i te s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es t e e r i n gs y s t e ma n di m i t a t i n gm o d e lo fc o n t r o ls y s t e m t h e nb a s i n go nt h eh i a t l a bs i m u li n ki m it a t ep l a t f o r m , w ea n a l y z ea n dc o m p a r et h e c o n t r o le f f e c t sb e t w e e nt h ep i pa n df u z z y p i dc o n t r o la r i t h m e t i ct h a ta p p l i e dt o c u r r e n tc o n t r o lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i s mp o w e r a p p a r a t u s i nc o n c l u s i o n f u z z yp i d c o n t r o lh a st h eb e t t e rc u r r e n tc o n t r o le f f e c t 。c h a p t e r4 f i r s t l yi n t r o d u c e st h e c y g n a ls o f t w a r ei n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h ed e s i g n so ft h e l l 武汉理： 大学硕士学位论文 s o f t w a r ef o re a c hu n i tw h i c ha r eb a s e do nm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nt h o u g h t f i n a l l y ，c h a p t e r5s u m su pa b o v ec o n k e n t s i tp r o c e e d st oa n a l y z ea n dd i s c u s s f o rs o m ep r o b l e m sa n dp l a c e st h a tn e e dt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n t s k e y w o r d ：e l e c t r o m a g n e t i s mp o w e r s t e e r i n g ，c 8 0 5 1 f x x x ，p i d ，f u z z y l i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车转向系统概述 汽车转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。驾驶员通过操纵转 向系统，使汽车保持在直线或转弯运动状态。 根据转向动力能源的不同汽车转向系统分为机械转向和动力转向两大类。 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向动力能源，其传力部件都是机械的，可 靠性高，受外界干扰较小。但由于驾驶员自身体力的限制，机械转向系统输出 的转向力矩较小，应用范围受到限制。动力转向系统是在机械转向系的基础上 增设了一套转向加力装置所构成的转向系，它兼以驾驶员体力和发动机动力作 为转向能源，在低速行驶或原地不动对，转向加力装置提供较大的助力转矩， 减轻驾驶员的负担；在高速行驶时，提供较小的助力转矩或不提供助力转矩， 使得驾驶员在高速行驶时有较好的路感。 根据提供动力方式的不同动力转向系统分为液压式、电动式和气压式。气 压式在汽车上己不再采用，故这里不予介绍。液压式动力转向系统采用液压作 为动力，利用油泵泵出一定压力的液压油，再通过控制阀来控制压力油的流量， 进而根据不同的汽车行驶状态，控制转向系统的助力大小。液压动力转向系统 的作用主要取决于油压的高低，因此系统中油压的流量控制最为重要。液压动 力转向系统控制方式有机械一液压式和电子控制式两种，其中电子控制式液压 动力转向系统是在机械一液压式转向系统的基础上进行改进后开发的一种新 型节能液压式动力转向系统，系统中油泵不再用发动机来驱动，而是通过单独 的电机驱动。根据汽车不同的工作状态，电机在控制单元的作用下提供相应的 油泵流量，从而产生相应的助力。比之机械一液压式动力转向系统，这种按需 提供助力大大节省了能量和燃料的消耗。 虽然电子控制式液压动力转向系统( e h p s ) 与机械一液压式动力转向系统 ( h p s ) 相比有较大的改进。但与此同时，也使得该系统结构更复杂、价格更 昂贵，而且仍然不能克服液压动力转向系统的一些固有缺陷，如液压传动噪声 大、效率低、能耗大等。 现代汽车技术追求高效节能、高舒适性和高安全性等目标。前一项目标与 环境保护密切相关，是当代全球性热门话题，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。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员的要求实行多目标控制，以获得转向的轻便性、较 好的路感、较高的抗干扰能力和较快的响应性。而且这些控制是在基本不改变 1 武汉理。t ：大学硕十学位论文 硬件的条件下通过更新软件便可实现。液压动力转向系统由于其固有的那些缺 陷，不能满足现代汽车高性能的要求。为此，世界各国的专家学者们利用具有 高控制性、高判断功能的屯子技术大力研究开发一种新型的动力转向系统。 电动助力转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) 是一种新型的动 力转向系统。该系统将电力电子技术和电机控制技术应用于汽车转向系统。它 的研究领域涉及至蚴女电子技术、电力传动控制技术、计算机控制技术、经典控 制理论、现代控制理论、智能控制理论和汽车工程学等，它是一个涉及多学科 知识的复杂系统。它一般由转矩传感器、车速传感器、电控单元、电动机、离 合器和减速机构等组成。当转动方向盘时，转矩传感器测出施加在转向轴的扭 矩，并产生一个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽车的车速，产生一个 脉冲信号。控制器采集到这两个信号并进行运算处理，得出一个合适的电动机 所需电流，电动机因此产生合适的转矩，经减速机构减速增矩后，施加在汽车 的转向轴( 转向轴式助力转向系统) 或转向器( 齿轮轴式助力转向系统) 或齿 条( 齿条轴式助力转向系统) 上，得到一个与汽车运行工况相一致的助力转矩。 该系统与液压助力转向系统相比，能显著改善汽车转向性能、降低能源消耗、 减少环境污染。而且该系统结构简单，占用空间小，布置方便，其优点是传统 液压动力转向系统无法比拟的。因此e p s 成为动力转向系统发展的必然趋势。 本课题研究的电磁式助力转向系统( e m p s ) 除了具有电动助力转向系统 的优点外，其结构比电动助力转向系统更加简单化。该系统的助力器采用了一 种新型的加力装置，该装置产生的力直接驱动齿条产生齿条方向上的助力。因 此不需要减速机构和离台器，使得整个系统更简洁、控制更简单了。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2电磁式助力转向系统简介 图1 1电磁式助力转向系统结构示意图 电磁式助力转向系统的结构如图1 1 所示。它由转矩传感器、电子控制单 元、电磁助力器等组成。系统工作时，转矩传感器和车速传感器分别将施加在 方向盘上的转矩和汽车车速转换为电信号送入e c u 。e c u 对这些信号进行分 析、处理后，根据系统给定的控制策略判断助力时刻。然后根据助力特性确定 此时转向所需的助力大小，最终达到理想的转向助力效果。 1 。2 1 电磁助力器 1 、外壳z 、磁铁3 、线圈4 、齿条 图1 2 电磁助力器结构图 电磁助力器的结构如图1 2 所示。由小齿轮、齿条、永磁体、线圈、 线圈支架、外壳等组成。该助力装置产生的最大转向助力为1 0 0 0 n ，线圈的最 大电流2 3 a ，电压1 2 v ，功率2 7 6 w ，电磁感应强度0 4 5 t ，线圈共有3 个，每 个线圈有3 2 4 匝，导线长3 1 3 4 m ，导线内阻0 3 4 0 。 电磁助力器是利用线圈在磁场内运动产生电磁力来产生助力的。线圈通过 线圈支架固定在齿条上，永磁体固定在外壳上，外壳固定不动。线圈通电后， 磁场产生的电磁力使线圈向左( 或右) 运动，带动固定在线圈上的齿条左( 或 右) 运动，实现了转向助力。助力的大小和方向通过改变作用在线圈上的电流 的大小和方向来实现。 3 武汉理工大学硕士学位论文 本助力装置中三个线圈每次只有二个线圈工作即如图1 3 ：左转( 2 ，3 线圈工作) ；右转( 1 ，2 线圈工作) 。 萄 4 厘兰卦 左极限位置中间位置右极限位置 图1 3 线圈的三个极限工作状态 方向盘左转时，齿条从中间位置运动到左极限位置，线圈2 ，3 通电；左 转回正时，齿条从左极限位置运动到中间位置，线圈2 ，3 通电；方向盘右转 时，齿条从中间位置运动到右极限位置，线圈1 ，2 通电；右转回正时，齿条 从右极限位置运动到中间位置，线圈1 ，2 通电。 1 2 2 转矩传感器和车速传感器 电磁式助力转向系统需要确定汽车车速的大小来确定助力系数( 某一车速 下电磁助力器的电流与方向盘转矩之比值) ，因为不同车速下相同的方向盘转 角驾驶员施加在方向盘上的力不一样，因此所需要的助力大小也就不一样，这 样就必须使系统的助力系数跟随车速的变化两变化。车速传感器常采用霍耳车 速传感器。 电磁式助力转向系统中的方向盘转矩传感器检测到施加在方向盘上的转 矩，并将其传送到e c u 中。e c u 根据方向盘转矩和车速，计算出在某一车速 下助力转向系统的助力系数，进而计算出所需助力大小，使得电磁助力器能产 生相应的助力。 1 2 3 电子控制单元 e c u 的功能是采集转矩传感器和车速传感器检测到的施加在方向盘上的 转矩和汽车车速，并进行逻辑分析与计算，发出指令控制电磁助力器的动作。 此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采集电磁助力器的电流、 电压和发动机等信号来判断其系统工作是否正常。一旦系统工作异常，助力将 自动取消，同时e c u 将进行故障诊断分析。e c u 通常是一个8 位单片机系统， 也有采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制单元。由于电磁式助力转向系统存 在非线性元件( 如摩擦和阻尼) ，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器 噪声也会给系统带来不确定性。因此，控制系统应有较强的抗干扰能力，以适 应汽车复杂的道路行驶环境；同时控制算法应快速准确，满足实时控制的要求， 并能实现理想的助力规律与特性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3国内外技术发展现状及未来发展趋势 1 3 1 动力转向技术发展现状 通用汽车公司首先推出循环球式液压助力转向系统。在随后的几十年里， 液压和电液助力转向系统成为汽车动力转向的主流产品。 近些年，电力电子技术的飞速发展为市场提供了优质廉价、高性能、高集 成的电子器件；控制理论和信息技术的进步，为建立实用性的控制策略和方法 奠定了理论基础和技术支持。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装 备e p s ，随后还用在a l t o 车上。同年汽车零部件生产厂家t r w 便投入大量的 人力、物力和财力用于e p s 的开发。1 9 9 9 年3 月他们开发的e p s 已经装备在 轿车上，如f o r d f i e s t a 和m a z d a 3 2 3 f 等。还有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、德国的z f 公司，都相继 研制出自己的e p s 。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围也从最初的微型轿 车向大型轿车和商用客车方向发展。而且随着汽车4 2 v 电池技术的不断完善其 应用范围将更为广泛，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装 了e p s 。e p s 的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型方向发展，并 且控制形式与功能也进一步的提高。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供 助力，高速时e p s 停止助力。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力， 而且在高速时也提供助力，如d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围助力型。 主动前轮转向系统( a f s ) 是助力转向技术中又项新的技术。与e p s 相 比较，它不仅能改变助力大小，更可以根据车速以电动方式调整转向机的速比。 在低速和中速行驶时转向机的速比较大，驾驶员可以较轻地转动方向盘来转 弯。而在高速行驶时转向机速比变小，保证了驾驶员在高速行驶时有较好的路 感。 宝马新5 系的转向系统采用了a f s 技术，它结合了全电子线控转向系统的 潜力与机械转向可靠的转向反馈性能。根据不同的行驶状态，主动式转向系统 增加或减少前轮的转向角度：低速行驶时，电动马达的工作方向与驾驶员转动 方向盘的方向相同，使前轮在所希望的方向上移动更多，并减少所需的方向盘 转角。这样就使中、低速时的转向特性较传统轿车更为直接：对于传统转向系 统需要转动方向盘整整三圈的转动行程，带主动式转向系统的车辆只需要不到 两圈就可以达到同样的效果。从而大大方便了驾驶员在有限停车空间里的操 控，以及城市道路上的急转弯。而且- 由于采用主动式转向系统。驾驶员不会 再经常双臂交叉转动方向盘，比如在弯曲的山区道路上行驶时，驾驶员的双手 武汉理工大学硕士学位论文 可以随时轻松操控方向盘。作为主动式转向系统的一部分，电子伺服式助力转 向系统确保驾驶员施加在方向盘上的操舵力保持在舒适的水平。高速时，电动 马达将反向运动来减小驾驶员的转向动作，以达到减少前轮的转向角度，从而 使转向特性比传统转向系统更加间接。这样，驾驶员就可以在高速公路上快速 行驶时执行果断、动感的转向。同时，电子伺服式助力转向系统会降低转向助 力效果，防止任何紧张或过分的转向操作。因此，在主动式转向系统的帮助下， 高速行驶变得更加轻松自如。 在国内，目前有南京菲亚特公司生产的新雅途轿车、广州本田的f i t 、上海 大众的p o l o 、昌和的“北斗星”及“爱迪尔”和东风悦达起亚“远舰”等几款 车均安装了电动助力转向系统。国内在这方面的研究才刚刚起步，并且都处于 实验室研究阶段。清华大学汽车系在e p s 领域进行了卓有成效的研究，并取得 了很大的进展，在控制策略、电动助力转向硬件及台架方面，目前处于国内研 究的前列。吉林大学也进行了e p s 的研究，并制作了试验台架，取得了许多的 试验数据。华中科技大学、江苏理工大学和天津大学也对e p s 的转向特性和方 向盘力特性进行了理论方面的研究。国内企业从2 0 0 2 年才开始进行e p s 的研 究开发，其中南方摩托股份有限公司在2 0 0 3 年进入了小批量生产阶段，其他 研究开发该种产品的厂家还有豫北1 0 3 厂、南京标准件厂、常州东驰汽车转向 系统有限公司、湖北荆州恒隆企业集团等。 1 3 2 动力转向技术未来发展方向 随着汽车转向技术、电子技术和控制技术的不断发展，汽车动力转向技术 正朝着智能化、线性化方向发展。线控转向系统则是汽车未来动力转向技术发 展的一个方向。图1 4 是线控转向系统( s t e e l b y - w i r es y s t e m ，简称s b w ) 结 构示意图。与传统机械式转向系统相比，它取消了方向盘和转向轮之间的机械 连接，它的一切操作都是由“电线”或者说是由电信号操作。电子线控技术将驾 驶员的转向指令转化为电子脉冲信号。传感器捕捉电子脉冲信号，并且驱动一 个小的电子控制电机来使得车轮转向。 图1 4 线控转向系统结构示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 在1 9 9 0 年，德国奔驰公司便开始了前轮线控转向的研究。日本精工技术 研究所也开发了线控转向系统，但为了保证系统的安全，仍然保留了方向盘与 转向轮之间的机械部分。当线控转向失效时，通过离合器的结合使转向系统由 线控转向模式转换为机械转向模式，保证转向系统正常地工作。此外，美国 d e i p h i 公司推出的电子伺服前轮转向控制系统，该系统取消了驾驶员和汽车前 轮的机械连接，而取而代之的是速度传感器、转矩传感器、控制器、电动机和 减速机构等装置。世界其它各大汽车厂家、研发机构包括d a l m l e r - c h r y s l e r 、宝 马、z f 、t r w 、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车线控转向系统 做了深入研究。 当今，线控转向( s t e e r - b y - w i r e ) 技术已被世界各大汽车公司视为汽车领域 的下一件大事。宝马汽车公司的z 2 2 概念车是世界上第一批引入线控转向技术 的车辆之一。该车转向系统的转向机齿条由两个电机驱动，而车轮依然如往常 那样彼此保持连接。方向盘模块内设有个电机，用来反馈驾驶员转向时的操 舵力，通过更新计算机软件，还能够调节转向特性。线控转向系统的优点有： ( 1 ) 转向传动比变化范围大，转向传动比随车速而变化，车速越低，转向传 动比越高，随着车速的提高，转向传动比随之减少。( 2 ) 路面的凹凸不平不反 馈到方向盘。 1 4 本课题研究的目的和意义 本课题研究主要目的是电磁助力转向系统控制系统硬件设计和软件算法的 研究。在硬件设计上采用了一种新型高速单片机c 8 0 5 1 f x x x ，其具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核和与m c s 5 1 完全兼容的指令系统，是一种s o c ( s y s t e m o l l c h i p ) 系统。芯片内集成了构成一个单片机数据采集系统或控制系统所需要的 几乎所有模拟和数字外设，具有很高的性价比。由于汽车是一个机械、电子、 通信、电机、传感器相混合的复杂系统，系统中各种信号之间干扰相当大，因 此在控制系统硬件设计时必须要考虑控制电路的抗干扰性能。本文在设计电路 时介绍了各种抗干扰设计的方法。并结合这些方法来设计控制系统的电路，使 得控制系统具有高的抗干扰性能和高的可靠性。在软件设计上，控制策略基本 采用转向系统低速停车时助力、高速不助力和停车回正时助力。控制算法采用 传统p i d 算法和模糊控制相结合的算法，通过仿真分析可知，这两种算法的结 合能更好地控制系统助力效果。 电磁式助力转向系统的研究领域涉及传感器、微电子控制、计算机控制、 电力传动控制技术、非线性控制理论、智能控制理论、汽车工程及机械设计等 是多学科技术的综合应用，真正体现出未来汽车的机电一体化的设计思想。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的主要内容 本课题的主要内容是： 1 研究开发基于s 1 l 1 c o nl a b 公司c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机的控制电路。 2 建立电磁助力转向系统动力学模型，基于此动力学模型建立了整个控制系 统的仿真模型，通过仿真分析给出适合于本系统的控制算法一模糊p i d 混合控 制算法。 3 根据系统的控制策略，编写系统控制软件。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e m p s 控制系统硬件设计 2 1 硬件总体结构 图2 - 1 控制系统结构框图 电磁式助力转向控制系统基本结构如图2 - 1 所示，e c u 采集方向盘转矩传 感器和车速传感器检测到的转矩和车速信号，计算出电磁助力器驱动电流的大 小和方向，然后由电磁助力器的驱动电路驱动电磁助力器。电磁助力器的三个 线圈的工作状况由六个继电器控制。若系统发生故障，微机通过报警灯驱动电 路使报警灯发亮报警，如果故障严重，可通过继电器断开电源电路，以防止发 生意外。 2 2 主控芯片的选择 主控芯片的选择是控制系统设计的个重要环节，它直接影响到助力转向 控制系统的性能。满足助力转向性能要求的主控制器有可编程逻辑器件( p l c ) 、 高性能单片机、工控机和数字信号处理( d s p ) 等，这四种控制器各有优缺点。 1 可编程逻辑器件( p l c ) ；p l c 是专门为顺序生产过程而设计的控制器， 它替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗干扰能力强，因为p l c 是专门用 于工业现场环境，在抗干扰方面优越于单片机。而且p , c 的输出形式为数字脉 冲形式，与电磁阀连接容易，可以通过开关量直接驱动电磁阀、电磁继电器和 电磁开关等：同时可以节省大量的外围驱动电路。但是，p l c 难以完成某些控 制，因为p l c 是一种时序性很强的步序式控制器，所以其计算能力不是很强， 这就限制了一些控制方案的实现。虽然最近也出现了一些具有较强计算能力的 p l c ，但其本质并没有贼离原来的特点，仍然是基于循环扫描和程序执行的方 式，往往影响计算速度。 8 一 一# 一 蹩 武汉理工大学硕士学位论文 2 单片机：在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机， 尤其是新型的8 位、1 6 位单片机具有a f d 、p w m 、e e p r o m 、比较输出、捕捉输 入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。单片机成本低， 易开发，虽然单片机价格不断下降，但其技术含量却不断提高。另外，单片机 的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功范例与大量的公用程序，提高程序 设计的效率。单片机尺j 】 ，j 、，结构易布置，芯片及其外围接口电路可以紧凑地 放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便( 面板的形状和大 小都可以在定程度上随意设计) 。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往 很大，这样计算速度将直接影响计算精度，因此单片机一般用于下位机和小型 控制上；与此同时，单片机易受外界干扰，单片机系统属于弱电系统，比较容 易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受到恶劣工作环境的影响，所 以必须采取抗干扰措旌。 3 工控机：相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与 p l c 的优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若 和其它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采 用先进的控制模式，能够实现转向系统的智能化。编程容易、接口简单，可阻 采用高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制 复杂的软件；另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。 工控机有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度。 4 数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理能力的d s p 芯片普遍 采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构，采用流水线技术，即每条指令都 由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤，从而在不 提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间；d s p 芯片大多带有d y t h 通道 控制器和串行通讯口。 综合以上分析和基于性价比的考虑，选用s i l i c o nl a b 公司的c 8 0 5 1 f 系列单片机具有很高的性价比。本课题选用的是c 8 0 5 1 f 系列单片机的 c 8 0 5 1 f 0 1 9 单片机。如图2 2 是c 8 0 5 1 f 0 1 9 单片机的内部结构图。 图2 - 2 c 8 0 5 1 f 0 1 9 内部结构 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 c 8 0 5 1 f 0 1 9 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容 的微控制器内核，与m c s - - 5 1 指令完全兼容。除具有标准8 0 5 1 的数字外设部 件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及 功能部件。 m c u 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、a d c 、 d a c 、电压比较器、电压基准、温度传感器、s m b u s l 2 c 、u a r t 、s p i 、可编程 计数器定时器阵列( p c a ) 、定时器、数字i l o 端口、电源监视嚣、看门狗定 叫器( w d t ) 和时钟振荡器等。芯片内有内置的1 6 k 字节f l a s h 程序存储器和 1 2 8 0 字节的内部数据r a m 。 c 8 0 5 1 f 0 1 9 单片机采用流水线结构，机器周期由标准的1 2 个系统时钟周期 降为1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达到2 5 m i p s 。 c 8 0 5 1 f 0 1 9 单片机为真正能独立工作的片上系统( s o c ) 。m c u 能有效地管 理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。f l a s h 存储器还具 有在系统重新编程的能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。应用程序可以使用9 0 v c 和m o v x 指令对f l a s h 进行读或改写，每次读或 写1 个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件的 控制下更新程序代码。 片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修 改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用j t a g 调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 m c u 可以在工业温度范围( 一4 5 + 8 5 c ) 内用2 7 3 6 v 的电压工作。 端口i o 、r s t 及j t a g 引脚都容许5 v 的输入电压。， 由以上特点可以看出，c 8 0 5 1 f 单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算 速度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足 控制系统对硬件资源的需求，极大提高了系统可靠性。 2 3c 8 0 5 1 与外部芯片电压匹配的问题 c 8 0 5 1 f x x xm c u 的工作电压范围是2 7 - 3 6 v ( c 8 0 5 1 f 0 1 8 9 的工作电压为 2 。8 - 3 6 v ) ，系统使用3 v 的电源。3 v 电源有利于电浊供电，因此也具有低功耗 的特点，是目前的一种发展趋势。在3 v 系统中，与c 8 0 5 1 接口的电磁助力器 控制系统的芯片，如果也都是采用3 v 供电的芯片，那是最理想的。但是，在 5 v 芯片还占据着大部分市场的情况下，更多的时候会出现与5 v 芯片共存的系 统。下面介绍如何在与5 v 共存系统中使用c y g n a l 的c 8 0 5 1 接口。 武汉理工大学硕士学位论文 在一个5 v 系统中使用3 v 器件时必须考虑三个问题：必须提供个3 v 的电源；怎样用一个5 v 器件驱动一个3 v 的输入? 怎样用一个3 v 的器 件驱动一个5 v 的输入? 2 3 i 电源的选择 电磁式助力转向系统由汽车上的1 2 v 蓄电池供电，要获锝3 v 的电源，一 般采用d c d c 交换器，将1 2 v 的电源转化为5 v 和3 v 的电源。目前市场上有很 多用于电压转换的d c d c 变换器，如国家半导体的l 1 n 2 8 2 5 、c & d 的l m e 3 0 5 d 和 德州仪器t p s 7 6 9 x x 系列等。 2 3 2 用5 v 输出驱动3 v 输入 将一个5 v 驱动器按到一个标准的3 v 输入时，由于有电流流入端口电路， 可能导致器件损坏或减少寿命。c y g n a l 的c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机使用耐5 v 电 压的输入结构，因此可以将5 v 的器件直接接到c y g n a l 单片机的数字输入引脚， 丽不会损坏器件。 2 3 3 用3 v 输出驱动5 v 输入 虽然c 8 0 5 1 f x x x 系列器件的数字输入是5 v 兼容的，但输出的最大电压值 为v d d ( 2 7 3 6 v ) 。如果5 v 器件需要一个高于v d d 的输入电平才能工作，则 需要对系统进行一些额外的配置。 为了提供个比v d d 高的输入电压值，可将c 8 0 5 1 端口引脚的输出方式设 置为漏极开路，并将输出端通过一个上拉电阻接到5 v 电源。这样来c 8 0 5 1 的逻辑1 输出将被提升到+ 5 v ，而逻辑0 仍为低电平，如图2 - 3 所示。1 5 1 溢 ，端口引脚驱动器 十+ 5 v 却考蔷 耄喜 守 5 4 器件 氙 图2 - 3c 8 0 5 1 f x x x 驱动5 v 器件输入 2 4 系统抗干扰设计 抗干扰问题是从事单片机设计的工程技术人员都将碰到的一个大难题，单 片机的工作可靠9 0 取决于抗干扰设计不同系统的工作环境不同，干扰源的 不同，抗干扰所采取的措旖就有所不同a 例如，工业用电度表的安装环境较差， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 通常的干扰源有：电网电压的波动，大型用电设备( 如：天车、电炉、大电机、 电焊机等) 的启停，高压设备和电磁开关的电磁辐射等等。较强的干扰很容易 造成i c 卡电度表控制系统出现软件故障，使程序因干扰而脱离正常运行顺序 或飞出程序可执行区而进入死循环失去控制，如不能快速脱离此状态，恢复程 序的运行，电度表将无法正常工作。若干扰窜入计量采样脉冲，将会导致计量 失误，造成单片机误动作而失去计量的准确性。因此必须采取有效措施遏制干 扰地窜入，保证电度表可靠地运行。由此可见，抗干扰设计是单片机设计中非 常重要的一个环节。 2 4 1 干扰的来源和对系统性能的影响 工业现场环境中干扰是以脉冲的形式进入单片机系统，其主要的渠道有三 条：空间干扰，供电系统干扰，过程通道干扰。空间干扰多发生在高电压、大 电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部；供 电系统干扰是电源的噪声干扰引起的：过程通道干扰是干扰通过前向通道和后 向通道进入系统。干扰也可以沿各种线路侵入系统。如系统接地装置不可靠， 也是产生干扰的重要原因；各类传感器，输入输出线路的绝缘损坏均有可能引 入于扰。于扰对系统性能的影响有： 2 4 1 1 数据采集误差的加大 当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增 大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重。 2 4 。1 。2 程序运行失常 1 控制状态失灵 在单片机系统中，由于干扰的加入使输出误差加大，造成逻辑状态改变， 最终导致控制失常。 2 死机 在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器p c 值的改变，破坏程序正常 运行。最后使系统进入“死循环”。 2 4 1 3 系统被控对象误操作 1 单片机内部程序指针错乱，指向了其它地方，运行了错误的程序； 2 r a m 中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变使程序计算出错误 的结果。 3 中断误触发，使系统进行错误的中断处理。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 4 被控对象状态不稳定 在控制接口里，输出的开关量信号一般都需要锁存，以便使受控设备在下 一次输出的丌关量到来之前，直受到本次输出开关量的控制。为此，大多数 采用锁存器做开关量的输出电路。如果锁存电路与被控对象问的线路( 包括驱动 电路1 受干扰，从而造成被控对象状态不稳定。 2 。4 。1 5 定时不准 1 单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间： 2 r a m 中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。 2 4 i 6 数据发生交化 在单片机应用系统中，由于外部r a m 是可读写的，在干扰的侵入下，r a m 中数据有可能发生改变。虽然r o m 能避免干扰破坏，但单片机片内r a m 以 及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化，甚至e e r o m 中的 数据也可能误读写，使程序计算出错误的结果。 针对以上出现的问题，本章分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单 片机应用系统抗干扰能力的方法。 2 4 2 硬件的抗干扰设计 在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰 性能的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措旅。形成干扰的基本 要素有三个： 1 干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：d u d t ，d i d t 大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能 成为干扰源。 2 传播路径，指干扰从干扰源传播到敏