（车辆工程专业论文）电动助力转向系统控制器的研究与开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 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 ) 是近年来出现的新型 动力转向系统。它具有体积小、重量轻、结构简单、节能环保的优点，是汽车 动力转向系统发展的趋势。该系统可以实时地根据当前车辆的运动状态以及方 向盘的操作力矩，控制电机提供合适的转向助力，因此对电动助力转向系统进 行研究和开发是十分必要的。 本文在总结、分析电动助力转向系统以及前几届研究生研究成果的基础上， 以提高系统运行可靠性与达到更好的助力效果为目标，开发了以m c 9 s 0 8 a w l 6 为微处理器的e p s 控制器。硬件上结合新单片机的资源，对电路进行了修改， 包括外围电路以及供电系统的改进；软件上更多地加入了容错的技术，并结合 新的硬件电路，设计了相应的故障处理程序，提高了整个系统运行的安全性及 可靠性。 另外，基于芯片以及开发工具b d mh c s 0 8 的诸多优点、结合编程软件c o d e w a r r i o r ，实现了代码的在线调试，缩短了发现问题解决问题的时间，提高了控 制器的开发效率，并对系统进行了长时间的实车调试，以达到较好的助力效果。 最后参照汽车操纵稳定性试验的相关标准，对控制器进行了装车试验。并与日 本控制器的性能进行对比，检验自主开发控制器的性能。结果表明：自主开发 的控制器与日本控制器的性能已经十分接近，在个别指标上甚至超过了日本控 制器，说明设计是成功的。 关键词：电动助力转向系统，可靠性，单片机，p i d 控制 江苏大学硕士学位论文 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 g ( e p s ) s y s t e m , w h i c he m c e e di nr e c e n ty e a r s ，i san e wt y p eo f v e h i c l es t e e r i n gs y s t e m i th a st h ea d v a n t a g eo fs m a l lv d u m e ，l i g h t e rw e i g h t ，s i m p l e rs t r u c t u r e ， l o w e rc o n s u m p t i o n ，b e t t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，w h i c hi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o r a u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e m t h es y s t e mc a l lr e a l - t i m ep r o v i d eas u i t a b l ep o w e ra c c o r d i n gt ot h e s t a t u so ft h ev e h i c l em o v e m e n t sa n dt h et o r q u eo ns t e e r i n gw h e e l t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c et os t u d ya n dd e v e l o pt h i sk i n do fs t e e r i n gs y s t e m o nb a s i so fs u m m a r y ，a n a l y s i so ft h es y s t e ma n dt h ef o r m e rp o s t g r a d u a t e s ，ae p s c o n t r o l l e rb a s e do nf r e e s c a l e sm c 9 s 0 8 a w l 6w a sd e v e l o p e di no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y a n dp e r f o r m a n c eo fs y s t e m i nl i g h to ft h en e ws i n 西e - c h i ph a r d w a r er e s o u r c e s ，t h ec i r c u i tw a s m o d i f i e d , i n c l u d i n gt h ei m p r o v e m e n t so fp o w e rs u p p l ys y s t e ma n dp e r i p h e r a lc i r c u i t s o nt h e s o f t w a r es i d e ，e x c e p ta d o p t i n gm o r ed e s i g n so ff a u l t - t o l e r a n t , t h ec o d eo fc o r r e s p o n d i n gt r o u b l e d i a g n o s i n ga n dp r o c e s s i n gw a sp r o g r a m m e da c c o r d i n gt ot h en e wh a r d w a r ec i r c u i t a l lt h e m e a s l e si m p r o v e dt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fw h o l es y s t e m i na d d i t i o n ，b a s e do nt h ea d v a n t a g e so ft h i sc h i pa n di t sd e v e l o p m e n tt o o l ( b d mh c s 0 8 ) ， i n - c i r c u i tp r o g r a m m i n go fs o f t w a r ew a sa c t u a l i z e dt h r o u g hu s i n gc o d ew a r r i o r t h i sf u n c t i o n s h o r t e n e dt h et i m ef r o mp r o b l e mb e i n gf o u n dt ob e i n gs o l v e d , 5 0t h ee f f i c i e n c yo fc o n t r o l l e r d e v e l o p m e n tw a si m p r o v e d t h ec o n t r o lc o d ew a st e s t e do nv e h i c l ef o ral o n gt i m ei no r d e rt o b e t t e rp e r f o r m a n c e a tl a s t , b a s e do nt h es t a n d a r d so f c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s tp r o c e d u r e f o ra u t o m o b i l e ，a u t h o rt e s t e dt h ec o n t r o l l e ro nv e h i c l ea n dv e r i f i e di t sp e r f o r m a n c eb yc o m p a r i n g t h et e s tr e s u l t sw i t ho r i g i n a lj a p a n sc o n t r o l l e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ep e r f o r m a n c e so f0 1 1 1 c o n t r o l l e ra n dj a p a n sc o n t r o l l e ra r ev e r yc l o s e ，e v e no no n et a r g e t , i tp e r f o r m sb e t t e rt h a n j a p a n so n e ，w h i c hp r o v e dt h ed e v e l o p m e n to fe p sc o n t r o l l e rw a ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e f i n gs y s t e m ，r e l i a b i l i t y , s i n g l ec h i p ，p i dc o n t r o l i v 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：句方易 抄。月7 r 。甚母露 却日 ：几1， 名签 明 彤，眇 教 手 黝产 指 知 独创性申明 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。除文中已经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，均己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。 学位论文作者签名：命方声 沙。7 年6 月 江苏太学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车转向系统概述 汽车转向系统是用丁改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽 车在行驶过程中能按照驾驶员的操作要求而适当地改变其行驶方向，并在受到 路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保 持汽车的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是非常重要的部件，它的性能直 接关系到车辆行驶的安全性及舒适性。安全可靠、转向灵敏、有道路感觉是转 向系统追求的目标忆 自2 0 世纪5 0 年代以来，动力转向系统在各国汽车上开始普遍应用。它的 发展过程依次经历了液压助力转向、电控液压助力转向和电动助力转向几个阶 段l 【1 0 1 。其中，电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g s y s t e m ，简称e p s ) 完全依靠电机来提供助力，它没有电液或液力动力转向器的体积大、部件多、 管路漏油等造成的耗能、污染环境的缺点 3 q 1 5 1 。因此，在能源和环保问题日益 突出的今无，e p s 系统受到了众多汽车厂商的欢迎，极具h 场潜力。 图11 电动助力转向系统示意图 f i g 11s c h e m a t i c d i a g r a mo f e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m 如h 罔所示，e p s 系统墨要由机械转向装胃、助力电机、电磁离合器、减速 机构、方向盘扭矩传感器、车速传感器、助力控制器等组成1 6 1 1 ：q “l 。汽车转向 时，转矩传感器会检测到驾驶员施加在转向盘上的力矩以及转动的方向，电子 控制单元根据这些信号，再结合车速等信号，向电动机发出动作指令电动机 江苏大学硕士学位论文 输出相应大小的转动力矩来产生助力【8 】【9 1 。 1 2电动助力转向系统国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况 国外从1 9 7 9 年开始研究电动助力转向系统，至今已有2 0 多年的历史。之前一 直没有取得大的进展，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 的成本已大幅度地降低，再加上它所具有的优点，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。 电动助力转向系统最早应用在日本的微型轿车上，1 9 8 8 年日本铃木首次在 其c _ = e r v o 车上装备了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于选择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 。t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他们最初针 对客车丌发出转向轴助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 丌发也已获成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等。 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，技术同趋完善，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 。本田甚至还在其a c y r an s x 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 不仅能在低速和停车时助力，还能在高速行驶时提高汽车的操纵稳定性。 正是由于这一系列的优点，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，据美国天合( t r w ) 公司预测【1 2 1 ，到2 0 1 0 年，全球范围内电动助力转 向器的装车率将超过3 0 ，因此，电动助力转向技术的发展前景是非常广阔的。 这也正是全球各大公司对其青睐的原因。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 国内发展概况 相比之下，国内对电动助力转向技术的研究起步较晚。我国自主设计的e p s 和国外的成熟产品相比，还有一定的差距，很多整车厂装配的电动助力转向系 统的核心技术都依靠进口。但是我们正在奋起直追，逐步缩小自主开发的e p s 与国外同类产品的技术差距。目前在国内，很多科研院校和企业单位对电动助 力转向进行了深入地研究。科研院校主要有清华大学、吉林大学、合肥工业大 学、天津大学、华中科技大学、浙江大学和江苏大学等，他们对e p s 的模型、 助力特性、控制策略等进行了理论方面的研究，这些研究都对下一步的电动助 力转向的研究打下了一定的基础。国内已有株洲南方动力公司，广州跨越汽车 零部件工贸公司等企业在小批量生产转向轴助力式电动转向器和试制其它电动 转向器。然而，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 理还没有完全掌握，仍处于探讨实践阶段【1 3 】。 电动助力转向技术在国内的发展势头良好。2 0 0 1 年，昌河汽车厂开始将电 动转向器装在北斗星高档微型箱式车，揭开了我国汽车转向器生产历史上新的 一章，2 0 0 2 年该车型已有6 万台配装电动转向器，即电动转向车己占该车型 的6 0 了。昌河汽车厂也已开始在新车型艾迪尔上装电动转向器，广州本田飞 度轿车、一汽丰田的卡罗拉轿车已装电动转向器，哈飞汽车厂也开始在新车型 上装电动转向器，吉利在其多款轿车上也安装了电动转向器。另外奇瑞q q 轿 车、扬子皮卡车厂和很多微型箱式车厂，都准备安装电动转向【1 4 1 。这充分说明 装配e p s 产品的市场和市场潜力是很大的。正因如此，国内对电动助力转向技 术的研究不断地深入。 1 3 本课题研究的目的和意义 1 3 1 目的 1 ，通过对电动助力转向系统的研究，为开发出适于轿车和微型汽车的电动 助力转向系统提供技术储备。 2 ，在继承前几届研究生研究成果的基础上，进一步完善控制器的硬件与软 件，提高系统运行的稳定性及可靠性，把控制器往产业化方向推进。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 意义 随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车节能、环保、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。因此，电动助力转向器在汽车上应用的市场前 景是非常广阔的。 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 4 本文要研究的主要内容 本课题是在前几届研究生的研究成果基础上进行的。在他们的不懈努力下， 自主研发的e p s 控制器已经达到了实用水平。无论是在台架试验或是昌河铃木 北斗星上的装车试验，其助力特性、手感、回正特性均取得较好的效果。但是 若要实现批量生产，系统安全性及可靠性是十分重要的【1 5 1 【1 6 1 。 而对一个控制器来说，单片机是最为核心的部件，一旦出现故障，整个系 统便不能工作。所以，单片机运行的稳定性和可靠性是极为重要的。众所周之， 摩托罗拉系列单片机是在汽车上得到广泛应用久经考验的单片机，所以为了提 高批量生产时产品的可靠性和稳定性，决定选取飞思卡尔( 前身为摩托罗拉) 公司的m c 9 s 0 8 a w l 6 单片机1 1 7 1 ，替换原有的p h i l i p s 的p 8 7 c 5 9 1 单片机。所做 工作如下： 1 分析掌握电动助力转向器( e p s ) 的工作原理与结构，理解并熟悉e p s 的控制策略。 2 熟悉m c 9 s 0 8 a w l 6 的资源及其性能，替换p 8 7 c 5 9 1 单片机；并以提高 4 江苏大学硕士学位论文 系统运行可靠性为目标，对原有的硬件电路进行修改。 3 在c o d e w a r r i o r 中用c 语言编程，将现在的控制方案移植到新单片机上； 并结合新的硬件电路，加入了更多软件上的可靠性设计。 4 结合c o d e w a r r i o r 与单片机的开发工具b d mh c s 0 8 ，实现对软件的在 线调试；并利用现有的试验条件，在昌河北斗星车上，对开发的控制器进行了 反复试验，使控制器的助力特性，手感以及回正特性有了进一步的提高。 5 按照g b 厂r6 2 2 3 1 9 9 4 汽车操纵稳定性试验方法，对控制器进行了稳 态回转试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验、蛇行试验，验证自主开发 控制器的性能。 1 5 本章小结 本章首先简要叙述了汽车转向系统的功能及其发展历程，介绍了电动助力 转向系统的组成、工作原理以及目前国内外的发展概况，并论述了研究电动助 力转向系统的目的、意义以及本文研究的主要内容。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章e p s 控制器的设计及改进 本章介绍e p s 控制器的硬件电路设计，包括单片机的资源介绍、开发工具 的使用、信号处理电路以及电机驱动电路。 2 1 单片机的选择及使用 微处理器是电子控制单元的关键元件之一，性能优良的处理器在一定程度 上为电动助力转向系统取得良好的助力效果奠定了基础。根据文献 1 7 1 ，选择 飞思卡尔单片机系列中专门用于汽车领域的一款单片机m c 9 s 0 8 a w l 6 。 2 1 1 单片机的资源简介 m c 9 s 0 8 a w l 6 是一个8 位的微控制器，内核是高性能的h c s 0 8 。它的工 作电压为2 7 v 。5 5 v ，温度范围为4 0 。c ，1 2 5 。c ，满足车用恶劣工况的需要。本 课题选择引脚数为4 4 的一款，图2 1 为其原理图。 c p u 时钟达4 0m h z ，内部总线频率最高为2 0m h z 。片上具有1 6 k 的闪速存 储器( h a s h ) ，1 k 的r a m 。f l a s h 存储器是一种非易失性存储介质，读取方便， 写操作快。即使系统掉电，f l a s h 中的内容仍能保持不变。它的主要优点是结构 简单、集成密度大、成本低。 另外它还包含了丰富的片上模块，包括有： ( 1 ) 1 个8 通道的1 0 位模数转换器( a d c ) 。可配置不同的转换速率，对 软件所选择的通道执行单次或连续转换，并具有自动比较功能。 ( 2 ) 2 个异步串行通信口s c i ，每一个s c i 模块有自己单独的波特率发生器。 ( 3 ) 1 个同步串行通信口s p i 。 ( 4 ) 最高可达1 0 0 k p s 的串行扩展总线i i c 。 ( 5 ) 2 个1 6 位定时计数器。其中一个为2 通道，另一个为6 通道。每个 通道可用于输入捕捉、比较输出、边缘对齐p w m 以及具有缓冲的中心对齐 p w m ，时钟源可独立配置。 ( 6 ) 键盘中断( k b i ) 模块。允许6 个引脚当外部中断输入。 ( 7 ) 通用的输入输出( i o ) 引脚达3 4 个。用作输入端时，端口可软件 选择上拉：用作输出端时，端口可软件选择驱动能力。 6 江苏大学硕士学位论文 系统保护机制方面它具有看门狗复位，低电压检测模块，非法操作码错误 检测复位，非法地址检测复位功能。并且单片机支持等待模式和2 种停止模式。 一厂 ；r 咖b = h m c g s o s a w16 上西加 p o r t 系统v 坍鳖 v 湖 t 一 vf e f l 电源v + ，+ tt 叩f 蕊丽亍溉法 p o r t j l y s s ( 熠 b l c ls 矗k x t l p o r t i e x t a l c 。i ( 6 r o l i i 岫h e a d e r t ) l ：￥ 乏 i 也也日l i 一，。 卜。中p hv m p 噼t 一了4 矸欧 k ， d 。享一1 旰欧一 一 0 1 微法 6 手动 2 v 叩 p 噼t f 复位异步飘嚣亨 e 中断l 。二 上- r n 输入丰0 1 微法 p | 响tp o r t b f p t c 4 p t c 5 r c d 2 通信i 0 与外围模 块引脚 图2 1 单片机原理图 f i g 2 1b a s i cs y s t e mc o n n e c t i o n s 内部的时钟发生器( i c g ) 包括4 个模块：( 1 ) 振荡器模块。用于连接外 部晶振或振荡器，并可配置成低功耗模式或高增益模式。( 2 ) 内部参考时钟发 生器。精度可调，调整值掉电不丢失。( 3 ) 锁频环( f l l ) 。用于倍频内部或外 部时钟源，并可监测外部参考时钟和信号是否有效。( 4 ) 时钟选择模块。用于 选择不同的时钟源连接到系统时钟树上。 2 1 2 开发工具的介绍及使用 对这款单片机的开发，采用的是北京飞锐泰克科技有限公司自主研发的在 线仿真器b d mh c s 0 8 ，简称b d m ，软件为f r e e s c a l e t o m 提供的s o u r c e b d m ， 7 江苏大学硕士学位论文 利用后台调试控制器( b d c ) 实现单线后台调试，利用片上调试模块( d b g ) 实现片上实时在线仿真。b d m 特点如下： ( 1 ) 支持目标电压从1 8 到5 0 v ； ( 2 ) 支持的总线频率从1 o 到2 0 m h z ；( 3 ) 实现单线后台调试； ( 4 ) 后台调试命令可访问c p u 寄存器； ( 5 ) 连续运行( g o ) 和单步跟踪( 删c e l ) 命令； ( 6 ) 后台调试模式下可以设置断点以及程序指针； 图2 2 开发器使用示意图 f i g 2 2t h eu s eo ft h eb d m 开发器的连接如图2 2 所示，一端通过u s b 接口接计算机( p c ) ，而另一端 通过一个6 引脚接口连接到目标板，这样就构成了单片机与p c 之间的通信。在计 算机上进行操作的软件是c o d ew a r r i o r 6 1 ，使用它来编译程序，并将其送入b d m 。 由b d m ，把用户的程序转换成机器可以识别的命令并送入m c 9 s 0 8 a w l 6 的f l a s h 中，再通过c o d ew a r d o r 6 1 的操作界面，便可以实现程序全速运行、单步、设置 断点等操作。6 引脚接口如图2 3 所示，其中3 脚和5 脚悬空。 i k g dl 的n 嘲兰e 彳3 2g n d 4 网需 n o o o n n e l 开s i i i 6v a a ：一 图2 36 引脚接口图 f i g 2 3s i xp i n sc o n n p , c t o to fb d m 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 3m c 9 s 0 8 a w l 6 的优越性 飞思卡尔先进的半导体设计、生产、测试工艺保证了芯片即使在恶劣的环 境下，也能达到极佳的e m c ( 电磁兼容) 性能，增加了e p s 系统运行的稳定 性与可靠性。 m c 9 s o 跗州1 6 与被替代的单片机相比，优点如下： ( 1 ) 实现了程序的在线调试与仿真，简化了开发过程，提高了系统的开发 效率。单片机内嵌后台调试模块，配合c o d ew a r r i o r 6 1 ，用户只需使用一根数 据线( b k g d m s ) 即可实现该功能。 ( 2 ) 设备简单，连接方便。对p 8 7 c 5 9 1 进行开发时，需要使用伟福仿真 器。它的一端通过串口与电脑相连，另一端连接仿真头，并且仿真器需要用直 流电源供电，直流电源需由2 2 0 伏交流电获得。为了满足该要求，车上需配逆 变器将1 2 伏直流电变为2 2 0 伏交流电，很不方便。另外现在带串口的电脑并不 普遍，尤其是笔记本，增加了开发的困难性。而新单片机的开发则不需要仿真 头，与电脑的连接采用极为普遍的u s b 接口，并且可以给b d m 提供其所需的 5 伏电源。因此只要一台笔记本电脑和一只b d m 仿真器即可对系统进行开发， 使用非常方便。 ( 3 ) 开发成本低。p 8 7 c 5 9 1 不支持在线仿真。一旦把程序固化，则不能修 改，每固化一次就需要一片新单片机，成本高。而对m c 9 s 0 8 删1 6 的编程可 多次进行，且b d m 的价格也十分便宜，与以前相比，成本大为降低。 ( 4 ) 系统运行的总线频率可以通过软件改变。 ( 5 ) 最为重要的是该单片机优越的工作性能可使产品的可靠性大为提高。 2 。2e p s 控制器的硬件结构图以及工作原理 e p s 系统控制器硬件主要包括如下几个部分：转向盘扭矩处理电路、车速 信号处理电路、发动机信号处理电路、助力方向判别电路、h 桥上下管驱动电 路、继电器控制电路、控制器电源模块、过流保护以及故障判断和输出模块等。 硬件结构如图2 4 所示。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 4 控制器硬件结构图 f i g 2 4h a r d w a r es t n 髟n l r eo fc o n t r o l l c r 控制器由蓄电池( 1 2 伏) 供电。电流流向分两路，一路经过电源变换电路 后得到5 伏电压，给单片机的1 7 、2 9 、3 4 脚供电：另一路到继电器控制电路以 及h 桥驱动电路，给电机供电。m c 9 s 0 8 a w l 6 的1 6 、3 0 、3 5 、3 9 脚接地。6 脚和2 6 脚分别检测继电器和离合器，当它们或者其他任何一个环节出现故障 时，则从1 脚输出故障代码，并切断助力，保证行车安全。3 、3 6 脚分别连接 b d m 的复位引脚以及b k g d 引脚，仿真器由电脑的u s b 接口提供5 伏电源。 4 脚与过流保护电路相连接，其电平值反映过流状态。1 1 脚和1 0 脚输出两路 p w m 信号，经h 桥驱动电路控制h 桥的上、下管。车速与发动机曲轴转速信 号经过处理后送入1 8 和1 9 脚。2 1 脚连接方向控制电路。2 2 脚连接继电器的控 制电路，当控制器产生故障时，继电器则断开，切断助力。两路扭矩信号经过 处理后送入2 3 和2 5 脚。3 7 和3 8 脚与外部晶振电路相连接，图3 中，r 1 、r 2 、 c 1 、c 2 需要选择合适的值，否则晶振电路不起振或者受干扰有停振现象。 控制器实物如图2 5 所示： 1 0 汪苏大学硕士学位论五 图25 自主开发控制嚣实物囤 f i 9 2 5p i c t u r e o f c o n t r o l l e r 23 外围电路介绍 23 1 扭矩信号处理电路 扭矩传感器的输卅是模拟量信号，需要经过处理后才能输入单片机。如图 2 6 所不，扭矩传感器的两路信号经过滤波后送到单片机进行a d 转换。c 1 6 、 c 1 8 、r 3 9 、对扭矩信号滤波，主要滤除扭矩中的高频信号。r 3 8 是阻值很人 的电阻，用柬降低输入阻抗，提高电路的抗干扰性。根据扭矩信号传感器的特 点，扭矩信号撮大不会超过5 v ，z 5 选片j 抗t 扰诹管，额定电压5 v ，川它消 除脉冲f 扰信弓。 囝26 扭矩信号处理电路图 f i 9 26 c i 删i td i a g r a mo f t o r q u es i g n a l sp r o c e s s i n g 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 车速与发动机信号处理电路 车速信号与发动机转速信号都是由传感器输出的脉冲信号，为了使单片机 准确地检测汽车行驶速度和发动机转速，将这些脉冲信号滤波、整形，成为规 则的方波信号，再送到单片机。如图2 7 所示，c 2 2 对信号起滤波作用，z 8 与 图2 5 的z 5 作用相同，i i 3 5 和r 3 3 构成分压电路，产生合适的比较门槛电压， r 3 6 为输出上拉电阻，r 3 7 为反馈电阻。当输入信号为高于5 v 时，d 6 截止， l m 3 1 1 的3 脚电压为5 v 即高电平；l m 3 1 1 输出引脚7 为低电平；输入信号为 低于4 7 v ，且l m 3 1 1 的3 脚电压低于2 脚的门槛值时，输出引脚7 为高电平； d 6 的作用是防止高电平对l m 3 1 1 的冲击。这样输入的速度信号就变成很规则 的方波信号。 图2 7 车速与发动机信号处理电路 f 遍2 7c i r c u i td i a g r a mo fs p e e da n de n g i n es i g n a l s p r o c e s s i n g 2 3 3 电机驱动电路 为实现电动机的f 、反两个方向的转动，传统的电机驱动电路一般都采用 大功率的v m o s 管构成h 桥电路。v m o s 管有n 沟道和p 沟道之分，由于制 造工艺方面的原因，p 沟道的v m o s 管通过的电流较小，因此，一般采用4 个 n 沟道的v m o s 管构成h 桥电路【1 8 1 ，如图2 8 所示： 江苏大学硕士学位论文 图2 8 电机躯动电路 f i g 2 8d r i v i n gc i r c u i to fm o t o r 通过控制四个v m o s 管的通断可控制h 桥电路中的电流方向，具体为： m 1 、m 3 导通m 2 、m 4 截止时，电机电流从左往右流；m 2 、m 4 导通m 1 、 m 3 截止时电机电流从右往左流，这样即可实现电动机正、反两个方向的控制。 电动机的助力大小是通过改变输入的p w m 信号占空比，从而改变v m o s 管的 通断时间比例来实现。 2 3 3 1 上管驱动电路 对于n 沟道的v m o s 管，要保证其栅极g 和源极s 之i 、h j 的电压高于+ 1 0 v ， 即v g s + 1 0 v ，v m o s 管才能正常导通。图2 8 所示h 桥驱动电路，对于低端 v m o s 管m 3 、m 4 ，可以直接在其g 极和s 极之间力h + 1 2 v 电压以使其导通； 但对处于高端的v m o s 管m 1 、m 2 ，根据v g s + 1 0 v 的要求，v m o s 管导通 后，g 极的电压应为：v o + ( 1 0 v + v d d ) 。v d d 为车卜蓄电池电压+ 1 2 v ，也 是电机两端电压，则v g + 2 2 v 1 1 9 1 。 我们采用了d y 双隔离双路输出器件来产生两路独立的并且相互隔离的电 压控制信号，专门控制上管的通与断。 1 3 江苏大学硕士学位论文 图2 9d y 双隔离双路输出器件原理图 f i g 2 9s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed y d o u b l ei s o l a t i o na n dd o u b l eo u t p u td e v i c e 图2 9 为d y 双隔离双路输出器件( d y ( ) 5 d 1 2 1 w ) 内部的原理图，在其输 入引脚上加+ 5 v 电压信号，即可输出两路相互隔离的+ 1 2 v 信号，即v d d l 与 g n d l 之间的电压为+ 1 2 v ，v d d 2 与g n d 2 之间的电压为+ 1 2 v 。这两路+ 1 2 v 电 压信号与电路板上的电源系统也是完全隔离的，因此可以用这两路信号来控制上 管的通与断【加】。 、1 1 图2 10 上管驱动电路 f i g 2 1 0d r i v i n gc i r c u i to fu p p e rt u b e 如图2 1 0 所示，t l p 2 5 0 的作用如下：当上管控制信号1 为低电平、2 脚3 脚导通时，另一端6 脚7 脚输出与v d d l 伏数相同的上管p w m l ，反之6 脚7 脚输出低电平。所以，当上管控制信号1 为低电平时，上管p w m l 的高电位直 接加在h 桥上管m 1 的g 极，这样h 桥上管的g 极和s 极电位差就保证为+ 1 2 v ， 从而使h 桥上管m 1 顺利导通。反之，当上管控制信号1 为高电平时m 1 不导 通。另一个上管m 2 的导通原理与之相同，这避不冉叙述。 2 3 3 2 下管驱动电路 如图2 1 1 所示，u 1 为一反相器：r 2 5 是上拉电阻，提高信号的驱动能力。 当下管驱动信号1 为低电平时，q 3 和0 4 的基极为高电平，则n p n 三极管q 3 1 4 牛挣 江苏大学硕士学位论文 导通、p n p 三极管q 4 截止，v d d 加到m 3 的g 极，与s 极电位差保证为+ 1 2 v ， m 3 导通。当下管驱动信号1 为高电平时，m 3 截止。另一个下管m 4 的导通原 理与之相同，这里不再叙述。另外，r 1 9 是图2 8 中的电流传感器，用于h 桥 下端的电流采样。 图2 1 1 下管驱动电路 f 适2 1 1d r i v i n gc i i g u i to fl o w e rt u b e 2 3 3 3 方向控制电路 当h 桥驱动电机向一个方向旋转时，2 个v m o s 管导通，另外2 个则必须 截止。为了满足这个要求，这里设计了方向控制电路，如图2 1 2 所示。 单片机的p t e 3 、e 2 引脚输出p w m 信号，分别送至上管p w m 与下管 p w m 。p w m 方向与单片机的p t a 0 引脚相连接。根据两路扭矩信号经a d 转 换得出的数值，单片机判断出方向盘的即时位置，赋予p w m 方向不同的值。 这里假设方向盘旋转到中间位置的左边时，p w m 方向为1 ；右边则为0 。图中 u 2 - - 一u 5 为两路输入的与非门。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 2 方向控制电路 2 1 2c o n t r o lc i r c u i to fp o w e r d i r e c t i o n 当p w m 方晦j - - 0 ，那么f f x = i 。u 3 、u 6 输出不受上管p w m 、下管p w m 控制，u 2 、u 5 输出受上管p w m 、下管p w m 控制，电机向一个方向旋转；p w m 方晌j - - 1 时情况相反，电机向另一个方向旋转。 2 4 本章小结 本章主要介绍了e p s 控制器的硬件电路。介绍了单片机的使用与开发，以 及扭矩、车速与发动机的信号处理，最后介绍了电机控制电路，包括上管驱动 电路、下管驱动电路以及p w m 的方向控制电路。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章e p s 系统的软件设计 软件是e p s 系统的核心内容，国内外的差距主要体现在软件设计上，需要 进行大量的试验研究、改进才能获得比较好的效果。第二章介绍的硬件电路只 是e p s 系统的载体，只有加上合适的控制软件，才能实现系统的功能。因此本 章主要介绍控制器的软件设计。 3 1e p s 系统设计要求 转向系对汽车的操纵稳定性具有很大的影响，不仅决定着汽车驾驶的轻便 性和稳定性，也决定着汽车驾驶的安全性。因而在设计助力转向系统时，要始 终以提高车辆操纵稳定性为基本准则。 另外除了操纵稳定性这一指标，转向系统还需要有高的灵敏性。这就要求 转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获得迅速转向。而好的操纵轻便 性则要求转向器具有较大的传动比，使得较小的转向盘操纵力能获得较大的转 向力矩。可见上述两个要求是矛盾的。但是，电动助力转向器由于采用了电子 控制系统，可以实时地调节电机的助力，因此能很好地解决这一问题。一般来 说，e p s 系统应该满足如下要求【2 1 1 ： 。 ( 1 ) 有效地减小操纵力。尤其是在车辆原地转向以及低速转向的工况，应 防止转向系统出现转向沉重、转向不稳状态。控制器的助力大小能跟随车速的 变化而变化。 ( 2 ) 转向灵敏度好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力装 置产生助力作用的快慢程度。助力作用好，转向就灵敏。 ( 3 ) 回正性能好。转向结束时方向盘能自动回正，驾驶员有良好的转向“路 感 。 ( 4 ) 有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动方向盘的角度保持一定 的关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位置上。 ( 5 ) 控制器运行的可靠性要好。对于电气连接件来说，任何不期望的断开 都不应导致车辆产生危险。当转向系统的任何一部分出现故障，都应能保证迅 速切断助力，通过人力进行转向操纵。这一部分本文将重点在第四章讲述。 1 7 江苏大学硕士学位论文 3 2e p s 的助力特性 助力特性是控制器必须满足的要求之一。针对上一节所述的要求，下面对 e p s 的助力特性进行研究。 助力特性是指助力( 矩) 随汽车运动状况( 转向盘受力和车速) 变化而变 化的规律1 2 0 1 。对电动助力转向器，助力大小和电动机电流成正比例，故可以采 用电动机的电流与转向盘力矩、车速的变化曲线来表示助力特性。 汽车转向行驶时，驾驶员操纵转向盘的作用力需要克服的主要阻力和阻力 矩包括：轮胎与地面之间的摩擦力；主销后倾和主销内倾等定位参数使汽车产 生的回正力矩；转向系统各部件之问的机械摩擦力等。同时，转向阻力还与其 他因素有关，例如车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等。车速高、 路况好、风阻小，则转向阻力也就小，驾驶员操作转向盘就比较轻松；反之则 比较沉重。 我们可以定性的建立转向阻力与影响因素的函数： 靠= 西 。，b ，e ，r ，c o ) ( 3 1 ) 其中，f w 一转向阻力，u a 一车速，毋汽车的滚动阻力，e 一空气阻力， r 汽车的转弯半径，缈方向盘的转向角速度。 。转向时驾驶员施加在转向盘上的输入力矩与系统的输出力矩乙叮成线 性关系： w = k ( 3 2 ) 式中：k 为由系统传动比和传动效率决定的常量，它是反映转向系统操作 轻便性的重要参数。 装有助力装置后，为满足驾驶员对车辆的驾驶感受，转向系统输入力矩和 输出力矩之间的理想特性( 如图3 1 ) 应具有以下特点： 在输入力矩较小的区域，助力装置不进行助力，处于“死区”状态，目的 是保证方向盘上有一定的“路感； 令在输入力矩超过助力装置的“死区 后，助力装置应分担转向所需的部分 力矩，降低驾驶员的操作强度； 原地转向或汽车调头时，转向阻力矩较大，助力装置应输出较大的力矩。 1 8 江苏大学硕士学位论文 随车速的提高，助力装置的助力效果应逐渐减小，使转向系统能传递清晰 的“路感 。 、 s 蜒 脚 r 餐 厘 棹 口2 468 转向力矩( 忖m ) 图3 1不同车速下的理想助力特性曲线 f i g 3 1t h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa td i f f e r e n ts p e