（系统分析与集成专业论文）汽车电动助力转向系统的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 我国汽车行业正处于快速发展阶段，汽车正成为对中国宏观经济最有影响力的 产业之一。安全、环保和节能等领域将是汽车未来发展的方向。 汽车液压转向助力( 肿s ) 系统体积大、能耗高和智能性差。与相比h p s ，电 动助力转向( e p s ) 系统有体积小、效率高、装配简单和智能性好等特点，是汽车 电子系统的一个主要发展方向。本文分析了e p s 系统的特点，研究开发了e p s 系统 的两个关键电子元件：非接触式扭矩传感器的信号处理、调零电路和电子控制单元 ( e c u ) 。 非接触式扭矩传感器的主要功能是将扭矩转角信号转换为e c u 可接收的电压 信号。本文分析了非接触式扭矩传感器的机械特点，首先设计了其信号处理电路； 其次，考虑到信号处理电路在配合机械结构时需要调整，开发了以p i c l 6 f 6 7 6 微处 理器为核心的自动调整电路及其配套软件，实现了信号处理电路的自调整。 e c u 是e p s 系统的核心，用来完成实时信号采集、电机控制和系统控制功能。 本文设计的基于p i c l 6 f 8 7 7 a 为微处理器的e c u 功能如下：对输入信号( 转矩、车 速及其他信号) 进行硬件处理( 滤波、光耦隔离) ，输入到微处理器，而后微处理器 通过计算和分析，确定助力策略，采用模糊参数自整定p i d 控制算法、通过由p w m 驱动的h 桥电路对永磁直流助力电机进行控制。本文首先按照功能模块完成e c u 的硬件部分，而后基于该电路结构，依照软件模块化思想开发了的控制软件的主程 序、信号采集处理模块、电机控制模块和故障诊断模块。 最后，本文首先用自主设计装置对非接触扭矩传感器电路部分进行测试，而将 e c u 和扭矩传感器信号处理电路加入e p s 系统，通过专用e p s 测试台进行台架实 验。实验表明，二者配合良好，相应快速，工作稳定，可良好实现助力。 关键词：电动助力转向系统，非接触式扭矩传感器，自动调整电路，电子控制单元， 模糊自整定p i d 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t oi n d u s t r yi sb e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d u s 仃i e si nc h i n a t h e d i r e c t i o no fi t sd e v e l o p m e n ts h o u l db es a v e ，e n v i r o n m e n t a l 一衔e n d l ya n de n e r ) ，- s a v i n g c o m p a r et ot h eb i g ，h i 曲一e n e r g yc o n s u m i n ga n du n i n t e l l i g e n th y d r a u l i cp o 犯r s t e e r i n g ( h p s ) s y s t e m ，e l e c 仃i c a lp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mi sm o r ec o m p e t i t v ew i m t h ea d v a r l t a g e so fs m a l l e r m o r ee m c i e n t ，s i n l p l ea s s e m b l i n ga n dm o r ei n t e l l i g e n t t h e t h e s i sa n a l y s e dt h ec h a r a c t o r so ft h ee p ss y s t e ma n dd e s i g n e d2i m p o i r t a i l tp a r t si nt h e s y s t e m ：s i g n a lp r o c e s s i n ga n da d j u s t i n gc i r c u i tf o rn o n c o n t a c tt o r q u es e n s o ra n d e l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ( e c 叻 7 r h en o n c o n t a c tt o r q u es e n s o r sm a i nf u n c t i o ni st ot r a n s f o mt h et o r q u ei n t ov o l t a g e s i g n a l a r e rt h ea n a l y s i so f t h em e c h a n i c a ip a r t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tw a sm a d e c o n s i d e r i n gt h ec i r c u i ts h o u l dm a t c ht h em e c h a n i c a lp a r tw i t hb o t hd e v i a t i o n s ，锄 a d i u s t i n gc i r c u i tb a s e do np i c l6 f 6 7 6m i c r o c o n t r o lu n i t ( m c u ) 、v a sd e s i g n e dt oa d j u s t t h ec i r c u i ta u t o m a t i c l y a l s o ，t h es o r w a r ef o rt h i sc i r c u i tw 舔f i n i s h e d t h ee c u ，w h i c hi sd e s i g n e df o rs i g n a li n p u t ，m o t o rc o n t r o l 锄ds y s t e mc o n t r o l ，i st h e c o r eo f e p s a ne c ub a s e do np i c 1 6 f 8 7 7 am c uw a s m a d ew i t ht h ef o l i o w i n g f u n c t i o n s ：f i r s t ，d e a lw i t h ( e g f i l t e r ) t h eo u t p u to f t h es e n s o r s ( e g t o r q u es e n s o r ) u s i n g h a r d w a r ea n ds e n dt h e mt om c u ；t h e n ，t h em c u d e c i d et 0u s ew h i c hp o w e ra s s i s t i n g m i ea n dh o wm u c ht h ea s s i s t i n gf - o r c es h o u l db ea 跳rc o m p u t a t i o na n da n a l y s i s ；f i n a l l y ， p w mg e n e r a t e db yt h em c ud r i v eh - b r i d g ec i r c u i tt oc o n t r o l t h ep e m a n e n tm a g n e td c m o t o ru s i n gf h z z ys e l f - t u m i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m a 触rt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h e s o 仃w a r ep a r tw a sf i n i s h e da c c o r d i n gt 0t h em o d u l a r i z ei d e a t h e s em o d u l e sa r em a i n 如n c t i o n ，s i 印a lc o l l e c t i n gp 硪，m o t o rc o n t r o lp a n a n df a u l td i a g n o s i sp a l t a r e rt h ed e s i g np a r t ，an o n - c o n t a c tt o r q u es e n s o rt e s ta n da ne p ss y s t e mt e s t ( c o n c l u d i n gn o n c o n t a c tt o r q u es e n s o ra n de c u w a sm a d e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e b o t hp 矾i su pt 0t h ee p ss t a n d a r dw i t hr 印i dr e s p o n d i n ga n ds t 暑l b i l i 够 k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) ，n o n - c o n t a c tt o r q u es e n s o r ，a d j u s t i n g c i r c u i t ，e l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ( e c u ) ，f u z z ys e l f - n l m i n gp i dc o n t r 0 1 m 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年月 日 签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师颜文俊教授表示衷心的感谢。在我攻读硕士 学位期间，颜老师在学习、科研和生活上给予我悉心的指导和热情的关怀，使我顺 利的完成了毕业论文和多项科研任务。颜老师开阔的视野、严谨的治学态度、深刻 的洞察力和忘我的工作精神深深的影响和激励着我。在这两年又九个月中，我的视 野不断开阔，学习和科研能力不断增强，对人生的领悟也愈发深刻，这一切都与颜 老师对我在科研、学习、和生活中的关心与支持密不可分。 特别感谢张进锋博士、应腾云硕士和吴伟硕士在科研项目中对我的帮助，也特 别感谢台州研究院汽摩配研究所的王维瑞所长在项目调试过程中的配合和帮助。 在开展研究和撰写论文的过程中，我还得到了孟漕老师、姚维老师、郑军老师、 包哲静老师、高锋老师和吴锋老师的指导和帮助，在此向他们表示感谢。同时也感 谢实验室的其他师兄、师姐、师弟、师妹们和我研究生班的同学们，对于大家的友 谊和帮助，我终身难忘。 感谢我的父母和亲人，您们对我的关心和支持就是我前进的最大动力。 最后向所有帮助过、支持过我的人表示衷心的感谢! 庞博 二零一零年一月 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车转向系统是改变和保持汽车行驶方向的装置，它直接影响了汽车的操控性 和稳定性，是汽车的重要性能之一。它改善了驾驶员的驾驶环境，确保车辆的安全 行驶。 动力转向机构减轻了驾驶员作用到方向盘上面的手力，提高了汽车的操控性和 驾驶的稳定性。动力转向机构主要分为两种：液压助力式和电动助力式。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 g ) 借助以发动机为动力源的油泵，通过液 压力减少驾驶员作用到方向盘上的手力，增加转向扭矩。自上世纪5 0 年代起，液压 助力系统逐步发展，目前成为当今动力转向系统的主力。目前液压系统经过改进， 将电子技术引入液压系统，形成电子液压助力转向系统( e h p s ，e l e c t r i c a lh p s ) ，在 一定程度上改进了液压系统的缺陷。电动助力转向( e p s ，e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ) 系统是在传统机械的转向结构基础上加装信号传感装置、电子控制单元( e c u ) 、助 力电机及其他相关装置。e p s 通过电子控制单元获得传感器信息，经过判断对助力 电机进行控制，对驾驶员提供合适的助力。1 1 1 随着科技的发展和社会的进步，汽车技术对汽车的助力系统提出了如下要求： 汽车驾驶员的转向助力能够随着车辆运行状况和驾驶员的要求提供不同的助力，提 高驾驶员的路感，提供较高的回正稳定性、较强的抗干扰能力和较快的反应能力。 与肿s 相比，e p s 主要具有以下6 点优势，是未来汽车动力转向机构的发展方向【1 】【2 】： 1 ) 效率高，可达9 0 以上，肿s 只有6 0 7 0 ； 2 ) 能耗低，电机只在需要助力时工作，相比h p s 可降低油耗达3 ； 3 ) 无污染，e p s 的使用过程中不对环境造成污染，而h p s 则存在液压油泄露问题； 4 ) 路感好，e p s 系统可根据汽车情况和驾驶员要求通过e c u 不断调整助力，增强 驾驶员路感，而h p s 只能提供恒定的助力； 淅江大学硕士学位论文 5 ) 结构紧凑，e p s 包括机械转向装置、传感器、e c u 和助力电机，与h p s 相比， 没有液压缸、油泵和液压管道，减少了零部件数量，减轻了重量，使系统易于布 置； 6 ) 易于调整，e p s 可根据车型的不同对e c u 程序进行修改，与h p s 相比，简化了 开发时间和开发成本。 1 2 汽车电动助力转向系统概述 1 2 1 汽车电动助力转向系统工作原理 e p s 由机械转向部件和电子部分构成。在原机械转向系统的基础上，增加了车 速传感器、扭矩传感器等信号传感装置，电子控制单元( e c u ，e l e c t r i c a lc o n t r o l u n i t ) 、电动机、离合器以及减速机构等转向助力机构，如图1 1 所示： 电机 车轮 图1 1e p s 结构 e p s 主要的工作原理是：电动机由汽车蓄电池提供转向助力，一旦有了转向动 作，车速信号和扭矩信号送给控制器，控制器根据这些信号决定助力的大小和方向 并驱动电动机进行转向助力。 1 2 2 汽车电动助力转向系统的分类 e p s 根据转向机构布置、电动机的布置位置不同主要分为3 种：转向轴助力式、 齿轮助力式和齿条助力式。如图l 。2 所示【1 1 ： 浙江大学硕士学位论文 图1 2 电动助力转向机构的布置方案 a ) 转向轴助力式( c e p s ) b ) 齿轮助力式( p e p s ) c ) 齿条l 助力式( r - e p s ) 本文的主要研究对象是目前市场上较通用的齿轮式助力转向机构。三种布置方 案的比较见表1 1 【1 1 ： 表1 1 电动助力转向机构的布置方案的比较 电机位置优点 缺点 电机靠近方向 l ，电动机在驾驶室内，工作条 盘下方，经涡轮 件良好 1 、电机距驾驶员近，工作噪声 c e p s2 、电动机输出经过减速机构 和震动影响大 蜗杆与转向轴 增大，电机功率要求低 2 、电机位于驾驶员腿部，影响 相连驾驶员动作，安装存在困难 3 、转向柱结构紧凑，易于安装 1 、电动机工作条件差，密封要 电机位于齿轮 l 、电动机输出经过减速机构求高 齿条转向器的 增大，电机功率要求低2 、电动机与主动齿轮安装在 i - e p s 齿轮轴与主动 2 、电动机距驾驶员远，工作噪一起，不利于拆装 齿轮相连接的 声对驾驶员影响小3 、电机震动会传到方向盘，对 位置 驾驶员有影响 l 、电动机位于地板下，工作噪 l 、电动机工作条件差，密封要 声和震动对驾驶员影响小 求高 电机位于齿条2 ，电动机不占据驾驶员腿部 2 、电动机助力直接作用与齿 r e p s 处，直接驱动齿动作空间，增加驾驶舒适感 条，对电机功率要求高 条 3 、主动齿轮不承受来自电机 3 、转向器结构不同与普通转 的助力转矩，尺寸和工作强 向器，需要单独制造 度要求降低 一3 浙江大学硕士学位论文 1 3 汽车电动助力转向系统的国内外发展现状 1 3 1 国外研究现状 e p s 是在微型轿车上发展起来的。由于微型轿车发动机舱空间小，使得h p s 在 该类型汽车的安装遇到一定困难。相比之下，e p s 元件少、重量轻、易于装配，适 合应用于微型轿车。因此e p s 最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木 公司首次在该公司c e o 汽车上装备e p s ，在获得成功后，铃木公司的a l t o 车上也 安装了e p s 。随后，e p s 技术迅速发展，受到越来越多的生产厂商的关注：日本的 大发汽车、三菱汽车，本田汽车公司，美国的d e l p h i 、t r w 公司，德国的z f 公司 都相继推出了各自的e p s 。随着各个汽车零件厂商e p s 的成功推出，应用或选装 e p s 的汽车也越来越多：本田a c c o r d 、s 2 0 0 0 汽车、大众p o l o 汽车、欧宝3 1 8 i 汽 车和菲亚特的p u n t o 汽车等。虽然欧、美等国企业的e p s 研发比日本晚1 0 年左右， 但是由于其较大的开发力度和雄厚的工业基础和研发能力，其e p s 产品的性能和质 量也居于领先地位。【3 】【4 】【5 】 1 3 2 国内研究现状 在我国，1 9 9 8 年吉林大学在国内率先开展轿车e p s 的研究。已做出样机并在捷 达轿车、北斗星轿车和夏利2 0 0 0 纯电动轿车上进行了装车试验，取得了良好的试验 效果。清华大学也开发出e p s 样机并在昌河铃木c h 6 3 5 0 轿车上试验运行。2 0 0 0 年， 中国科技部、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”此外，天津大学、北京科技大学、华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学、 武汉理工大学等院校也在开展e p s 的研究。2 0 0 1 年，昌河公司的北斗星微型厢式车 成为我国首款安装e p s 的汽车，拉开了我国e p s 生产与应用的序幕。【5 】【6 】 我国最初e p s 市场份额基本由国外企业所占据，之后国内企业也开始自主研发， 出现了株洲易力达、浙江福林国润等一些具备一定实力的中国企业。随着近几年的 发展，e p s 市场已经出具规模，据相关机构统计，2 0 0 8 年我国e p s 总产量约1 1 1 9 万套，装配量约1 2 8 4 万套。e p s 与技术成熟的h p s 相比，市场份额以初具规模。 浙江大学硕士学位论文 目前全球汽车工业发展势头良好，尤其是在中国市场。汽车电子能够极大提升汽车 性能，多数汽车部件已经实现了电子化。转向系统作为汽车的重要组成部件，电子 化也必将成为今后的必然趋势。【7 】 1 4 本文研究背景与研究意义 随着我国加入w t o 体系，我国的汽车行业现已处于由平稳推进向快速发展过 度阶段，轿车市场出现了前所未有的增长。据商务部网站1 2 月1 0 日公布的数据显 示，尽管面临全球金融危机，1 1 1 月，国产汽车累计产销分别为1 2 2 6 5 8 万辆和 1 2 2 3 0 4 万辆，同比增长4 1 5 9 和4 2 3 9 ，现在普遍预测全年汽车销量达到1 3 0 0 万【8 】，可谓产销两旺，形势一片大好。 汽摩配产业是台州市的特色产业之一，近年来发展迅速，急需具有自主知识产 权的技术。国外早在上世纪九十年代就已经开始了e p s 系统的研制与应用，国内已 有部分企业轿车采用国外的价格较高的进口原装电动助力转向系统( 如广州本田公 司的a c o h d 汽车) 若开发具有自主知识产权的电动助力转向系统，不仅可以节约 成本，还可以增强本地企业的核心竞争力，完成产业升级。进几年内国内新车市场 预计需求可达5 0 0 万套电动助力转向器，若进一步以价格优势开拓国际市场，那么 市场前景更是一片光明。主要应用于轿车的汽车电动助力转向系统体积小、效率高、 能耗低、路感好，是未来汽车助力发展的方向。目前日本小型车的e p s 安装率达 8 0 左右，而我国这一比例还不到2 0 ，所以未来中国的e p s 市场还有很大的发展 空间【7 】。 1 5 本文研究内容 本文研究的主要内容主要包括以下几个部分： 1 ) 阅读和分析汽车电动助力转向系统相关资料，了解电动助力转向系统的主要部 件、工作原理和系统特点，为非接触式扭矩传感器信号处理电路和电子控制单 元的设计奠定基础： 2 ) 基于已有机械结构，设计非接触式扭矩传感器的信号处理电路； 浙江大学硕士学位论文 3 ) 为扭矩传感器信号处理电路设计自动调整电路，简化扭矩传感器的安装调试步 骤； 4 ) 设计开发基于p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的电子控制单元； 5 ) 基于转向系统特点，设计电动助力转向系统控制策略，完成电子控制单元的软 件编写； 6 ) 对本文设计的非接触式扭矩传感器信号处理电路和电子控制单元进行实验，分 析设计效果； 7 ) 对本文的研究进行总结并提出建议。 浙江大学硕士学位论文 第2 章系统结构特性和控制系统设计 2 1e p s 系统主要部分的数学模型 2 1 1 转向机构的数学模型 当转向盘固定不动时，转向小齿轮受力分析动力学方程【9 】【1 0 】【1 1 1 ： 巳= 乙一6 p 郇+ 哎巳+ 乙 ( 2 1 ) 式中：巳一小齿轮的转角，厶一折算到小齿轮上的总惯性矩，6 尸一当量阻尼 系数，忽一扭杆刚度，乙一电机转矩，乙一路面作用于小齿轮的力矩。 2 1 2 助力电机的数学模型 e p s 助力电机一般采用永磁直流有刷电机，没有励磁线圈，所以其主要方程有： 电枢电压方程、反电动势方程、电流扭矩方程和电机扭矩方程。如式2 2 2 5 所示 【1 2 】【1 3 】【1 4 】 电枢电压方程： 既= 兄l + 乞鲁+ 乞 ( 2 2 ) 式中：饥一电动机电枢电压；乞一电动机电感；l 一电动机电流；尼一电枢 电阻；疋一电枢反电动势。 反电动势方程： 包= q ( 2 3 ) 式中：q 一电势常数；一电枢磁通；国一电机转速。 电流扭矩方程： r = c ；乞( 2 4 ) 式中：丁一电机转矩；g 一转矩常数，与电机构造有关；乞一电枢电流。 浙江大学硕士学位论文 电机扭矩方程： 丁= 厶警+ 吃d l 式中：厶一电机惯性；吃一电机粘滞摩擦。 经l a p l a c e 变换，式2 2 一式2 5 对应的频域方程为： ( 2 5 ) 虬( s ) = 兄l ( s ) + 乞s 乞( s ) + 疋( s ) 2 鲁黧o ) ( 2 6 ) 丁= g 乞( s ) 一7 丁= 厶j q ( s ) + 吃q ( s ) 由方程组2 6 可得电机模型的方块图表示： 图2 1 电机模型方块图 2 2 电动助力转向系统的主要元件简介 e p s 主要元件按功能分为3 类：传感器( 扭矩传感器、车速传感器等) 、控制器 ( e c u ) 和效应器( 助力电机、离合器等) 。下面只对这3 类中最主要的器件( 也是 本文的主要研究对象) 进行介绍。 2 2 1 扭矩传感器 扭矩传感器的作用是测量驾驶员作用在方向盘上力矩的大小、角度和方向，然 后将这些信号发送给e c u 。e c u 通过对驾驶员作用的力矩，来判断助力的大小，从 而控制电机实施转向助力。可以说，扭矩传感器的测量精度和稳定性是e p s 性能的 关键。 浙江大学硕士学位论文 扭矩传感器主要有3 种类型：电阻式扭矩扭矩传感器、非接触式扭矩传感器和 其他类型e p s 扭矩传感器。本文的主要研究对象为非接触式扭矩传感器。 下面对电阻式扭矩传感器和非接触式扭矩传感器进行简介【1 5 】【1 6 】： 电阻式扭矩传感器主要由电位计和相关配套电路组成。电位计即滑动变阻器， 其滑动触点固定在输出轴上，电阻线( 滑动部分) 固定在输入轴上。当驾驶员对方 向盘施加转向扭矩时，滑动触点会在电阻线上滑动，使滑动变阻器的阻值发生变化。 这种电阻值的变化通过相关配套电路将其转化为o 一5 v 问的电压信号。当方向盘向 左转动时，输出信号小于2 5 v ；当方向盘向右转动时，输出信号大于2 5 v ；方向盘 无转向力时，输出信号等于2 5 v 。 非接触式扭矩传感器主要由探测机构和信号处理电路构成。其工作原理为：对 探测线圈施加交流信号，当扭杆受方向盘转动力矩作用时，会使得探测线圈磁阻改 变，该磁阻的改变就反映了扭矩的变化。其后续电路和电阻式扭矩传感器一样，将 磁阻的变化转换为电压的变化。( 非接触式扭矩传感器具体介绍见第3 章) 2 2 2 助力电机 助力电机通过接收e c u 输出的功率信号，对转向系统进行助力，同时，电机是 整个e p s 系统中最主要的耗能元件，所以，助力电机的选择对e p s 系统整体运行的 效果和稳定性有着举足轻重的作用。系统对助力电机提出了以下要求【1 7 】【1 8 1 ： 1 ) 转速低、扭矩大、波动小； 2 ) 转动惯量小； 3 ) 调速范围宽； 4 ) 尺寸小、功率高、噪声低； 5 ) 可靠性高、过载能力强。 e p s 助力电机一般采用永磁直流有刷电机，这种电动机具有控制简单、运行效 率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点。本文选择的助力电机的主要特性如表2 1 所示： 浙江大学硕士学位论文 表2 1 助力电机主要参数 工作电压1 2 v 额定功率 1 7 0 w 负载转矩1 6 0 6 n m 负载转速1 0 5 0 3 0 0 r m i n 2 2 3 电子控制单元( e c u ) e c u 是e p s 系统中的核心部分，对整合系统进行控制和优化。其主要功能为： 接收扭矩传感器、车速传感器和其他输入信号，对输入信号进行分析、计算，并基 于以上分析，对助力电机、离合器和其他部分进行控制或信号输出。 e c u 主要分为3 个部分：输入信号处理部分、控制部分( 单片机) 和输出部分， 其中控制部分又为这3 个部分的核心。信号处理电路主要对输入信号进行处理；控 制部分主要接收输入信号，经过计算、分析，判断出系统状态和给出下一步的控制 输出；输出部分主要负责将控制部分输出的弱电信号转换为大功率信号，对大功率 器件进行控制。( e c u 具体介绍见第4 章) 2 3 控制系统设计 2 3 1 控制系统总体设计 e p s 控制系统结构如图2 2 所示： 图2 2e p s 控制系统结构 浙江大学硕士学位论文 e c u 接受扭矩传感器、车速传感器、助力电机电流传感器的扭矩信号、车速信 号和电机电流信号( 估算电机转速) ，判断驾驶员的操作和车辆的基本情况，计算出 合适的助力电机目标电流。控制单元采用闭环p i d 控制，将电机的电流和目标电流 比较，调整助力电机的输出。同时e c u 经过对误差电流的判断，对p i d 参数进行 调整，使p i d 调整更加适应电机的不同负载，使助力电机的响应做到稳定、准确、 快速。 2 3 2p i d 控制 在e p s 运行过程中，需要对助力电机进行控制，使电机输出稳定、快速、准确。 p i d 控制器是一种有源的“比例+ 积分+ 微分”校正装置，是最早发展起来的控制 策略之一，在工业过程中有着最广泛的应用【1 9 1 。它主要有如下优点： 1 ) 原理简单，应用灵活，适用性强； 2 ) 鲁棒性强，其控制品质对受控对象的变化不是很敏感。 典型p i d 控制原理原理图如图2 3 所示： 图2 3 典型p l d 控制原理图 系统的偏差信号为p ( f ) = ，( f ) 一y o ) 。在p i d 调节作用下，控制器对误差信号p o ) 分别进行比例、积分、微分运算，即结果的加权和构成系统的控制信号材( f ) ，送给 被控对象加以控制。 p i d 控制器的数学描述为： 砸) = 铀( f ) + 圭胁) 咖+ 乃警】 ( 2 7 ) 式中：k ，一比例系数；互一积分时间常数；乃一微分时间常数。 浙江大学硕士学位论文 p i d 控制器常用调节方式有：比例( p ) 调节，比例一积分( p i ) 调节，比例一 微分( p d ) 调节，比例一积分一微分( p i d ) 调节。 2 3 3 模糊自整定p i d 控制 由于汽车行驶在不同路况下，所以在转向时遇到的阻力也不同。所以，常规p i d 控制器的参数应该在不同路况下有所不同，才能对助力电机起到较好的控制效果。 这就要求本文所设计的p i d 控制器具有参数参数调整功能。本文利用模糊规则对 p i d 参数进行自整定，即将传统p i d 控制器改进为模糊自整定的p i d 控制器。该系 统的结构如图2 4 所示【2 0 】【2 1 1 【2 2 1 ： 图2 4 模糊自整定p i d 控制器示意图 对式2 7 进行变形得： 砸) = 巧印) + kf p ( r ) 如+ 屹警 ( 2 8 ) 式中：k 一比例系数；k 一积分系数；屹一微分系数。 如图2 4 所示，本系统采用输入输出误差p 和误差p 的改变量血作为模糊自整 定部分的输入，对式2 8 中的k 、五、局三个系数进行调整，使系统在运行过程 中获得良好的动态和静态性能。 由于p i d 参数调整关注的是p 和缸的绝对值，所以它们的正负对参数调整的意 义不大。所以以h 和l 血i 作为输入变量，将它们各自分为s ( 小) 、m ( 中) 、l ( 大) 三个模糊集合。输入变量h 的论域e = o ，j 9 脚i 】，l 缸l 的论域c = 【o ，i 9 脚i 】。它们在 浙江大学硕士学位论文 论域上的模糊集合分别为f ( e ) = s ，肘，d f ( c ) = s ，m ，) 。它们的隶属度函数 如0 口1 ) 、比q 血i ) 如图2 5 、2 6 和下式所示口3 1 幽1 2 5 1 ： f 1 ，( h h ) 训印_ 掣裂篙恐i ， 【o ，( 蚓h l 1 ) p 删q p l ) =撼，( | 小h 啪| ) 盱 揣 ( | 蚪i i p 3 | ) 尸 础睁睁墨：l ， f l ，( 1 a 叫l q 1 ) 如a 玲 酬面 葫必i ， 【o ，( i 乞i i p i i i ) p 谢日血1 ) = o ， ( 1 叫i 她1 ) 渊( | 讣阻l 蚓) 渊，( 1 邮砌 o ， ( i 岛i i 8 i i 1 ) 舯印= 嘲彗氅 根据以往对控制系统的设计经验，k 卢、k 、彪三个系数和误差p 和血有如下关系 【2 3 】： 1 ) 当h 过大时，应使k 值较大、屹值较小，提高系统的响应速度，应使k = o ， 以避免出现过大的超调。 2 ) 当h 中等时，应使巧值较小，减小超调量，应使k 、髟取值适当，同时因髟 对系统响应影响较大，所以需关注髟的取值。 3 ) 当h 较小时，应使k 、k 较大，使系统具有较好的稳态性能，同时局取值适 当，避免在平衡点附近的振荡。 浙江大学硕士学位论文 考虑到汽车对稳定型的要求，对p i d 参数的调节要十分谨慎，必须对参数调节 的范围进行严格限定，而且每组p i d 参数都需要进行现场实验。所以这里规则库只 包含5 条参数自整定规则f 2 3 】【2 4 1 ： 规则l ：i f 【 h = d 】，t h e n 规则2 ：i f a n d 】，t h e n 规则3 ：i f 【 a n d 】，t h e n 规则4 ：i f 【 a n d 】，t h e n 规则5 ：i f 】，t m n 式中：巧t 巧s 、墨，、巧：局，为实际测试后得出的p i d 参数值。 所以可根据h 与i 爿，按式2 9 式2 1 l 所示对p i d 参数进行整定【2 4 】【2 5 】： 5 “( 1 p l ，蚓) 】 5 【训p l ，蚓) 】 k d = 旦 5 “( | e l ，蚓) 括l 式中：“( i p l ，l 缸1 ) = 弘髓( 怫； p ：0 p l ，i 血i ) = ( | p i ) 人地q & 1 ) ； 心0 p j ，i 血i ) = p 肼( | p i ) 0 血i ) ； 心0 p i ，i 血i ) = ( i p i ) 人( i & i ) ； 地0 p l ，l 血i ) = 卢醪q p i ) 。 - 1 4 ( 2 9 ) ( 2 10 ) ( 2 1 1 ) 露丽 一 划了商 = i i ， ， k 酶 浙江大学硕士学位论文 2 4 电动助力转向系统的助力策略 e p s 的基本工作模式有3 种：常规助力模式、阻尼控制模式和回正控制模式。 2 4 1 常规助力模式 驾驶员在转向过程中所需克服的阻力矩主要有两个部分：回正力矩和摩擦力矩。 汽车转向过程中，转向阻力含有前轮侧向力信息，使汽车的运动状态和车轮与地面 的附着状态与驾驶员手力有着对应关系，这就是“路感”。选用不同的助力特性将对 转向操纵轻便性和路感有不同的影响。原则上说，应该使转向中与前轮侧向力有着 对应关系的回正力矩不能太小，而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则是越小越好。 理想的助力特性应该是：在车辆低速行驶时，能够使汽车转向轻便灵活；在车辆高 速行驶时，给驾驶员良好的路感。解决好轻便性与路感的矛盾，是助力特性中的重 要问题。【1 】【2 6 】 为简化转向控制策略，现有e p s 基本采用直线或折线型助力曲线，其基本曲线 如下【2 7 】： ( 1 ) 直线型助力 直线型助力曲线如图2 7 所示： | l 暑 i 入i | | 、镒 i 随 、 方自盎力矩心( - - ) 图2 7 直线型助力曲线 图2 7 中纵坐标i 代表助力电机电流，即助力电机的输出扭矩；横坐标代表方 向盘输出力矩帆。当心 心。时不产生助力，转向轮处在小转角状态，此时转向 浙江大学硕士学位论文 轮阻力不大，不需要助力，驾驶员路感强度最大。当。 心。时，相当于 汽车低速转向行驶，转向轮处于较大转角状态，转向阻力较大，需要较大的转向助 力而路感强度较小。助力特性曲线的斜率k 决定了助力的特性，通常k 随着车速y 的增大而逐渐变小。当车速矿二0 时，相当于汽车原地转向，需要最大的助力，而当 车速y 很大时，为了增强路感和车辆的稳定性，不需要很大的助力。由于电机电流 不可能无限增大，当心一时，电机电流恒定，为最大值。【l 】【2 8 】【2 9 1 其数学表达 式为： i j = o ，( 鸩。) ，= k ( 矿) ，( 。 帆一) 【，= k ， ( 心一) ( 2 ) 折线型助力 折线型助力与直线型助力曲线类似，不同的是k 不是恒定值，而是分段变化的， 如图2 8 所示。 氧 厂_ 其数学表达式为： 万自盘力矩鸲饵由 图2 8 折线型助力曲线 ，= 0 ，( 鸠 心。) ，= k ( 矿) ，( 鸩。鸠 3 0 砌) 时，在方向盘转动后回到中间位置时，e c u 使助力电流逐渐 减小，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车转向稳定。【9 】【2 6 】【3 0 1 由于本文采用的扭矩传 感器没有包括角度传感器，所以本文设计的e p s 系统没有回正控制模式。 2 5 助力电机的控制方法 助力电机一般为直流电机，直流电机的控制方法有2 种：电枢控制法和励磁控 制法。电枢控制法是指对电枢电压进行控制从而达到直流电机调速的目的；励磁控 制法是指对电机励磁磁通进行控制来对电机调速，其中励磁控制法并不常用。本文 采用的电机是永磁直流电机，不存在励磁线圈，故采用电枢控制法。1 1 3 】【3 1 】【3 2 1 【3 3 】【3 4 】 e p s 的主要功能是对转向进行助力，所以助力电机的控制量应为输出扭矩，使 得输入扭矩和输出扭矩成一定的关系。对于直流电机，其转矩r 为【1 2 】： 丁= g 乞( 2 1 2 ) 式中：r 一电机转矩；q 一转矩常数，与电机构造有关；乞一电枢电流。 又永磁电机磁通量固定，所以，式2 1 2 可简化为： r = 峰( 2 1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 由式2 1 5 可见转矩大小和电枢电流成正比，所以对电枢电流的控制可以达到 对电机转矩的控制。又电枢电压和电流关系可由式2 1 4 、2 1 5 表示【1 2 】【1 3 1 ： = r 乞+ 厶鲁+ 巳 ( 2 1 4 ) 屹= q 国( 2 1 5 ) 式中：一电枢电压；兄一电枢总电阻；乞一电枢电感；巳一电枢反电势； q 一电势常数；一电机转速。 同样，永磁电机磁通量恒定，式2 1 5 可转换为： 吒= ( 2 1 6 ) 在电枢电流乞恒定时，鲁= 0 联立式2 1 4 、2 1 6 ，得 乞= 字 ( 2 1 7 ) 瓜 从式2 1 7 可以看出，尼、蚝、对于电路来说都不是可控量，所以要改变乞， 需要对电枢电压“。进行控制。汽车蓄电池电压为恒定值，对电枢电压的控制主 要有2 种方法：分压法和p w m 调压法。 2 5 1 分压法 分压法采用一个可变分压电阻或晶体三极管与电机串联，如图2 9 所示【1 3 1 【3 l 】： 由图2 9 可见： 图2 9 电阻分压法 t l s = m ，+ u d i 。( 2 1 8 ) 浙江大学硕士学位论文 但是这个方法有个严重的缺点就是工作效率不高，效率叩如式2 1 9 所示： 叩2 等2 薏 亿柳 “s k蚝 因为电机一般不在全功率运行，所以“s 并不成立，所以电源效率较低。在 汽车中，蓄电池电量有限，需要有较高的使用效率，所以这种方法虽然简单，但是 并不适合在汽车中应用。 2 5 2p w m 法 p w m ( 脉宽调制) 方法是应用半导体功率器件( 如m o s f e t 、i g b t ) 对输入 电压进行高速开通和关闭，从而调节输出到功率器件的电压输入。 图2 1 0 是对直流电机进行控制的原理图【3 l 】【3 2 1 ： 续漉二投詈 图2 1 0 直流电机p w m 控制电路 图2 1 0 中，当输入v 为低电压时，开关管m o s f e t 截至，电机不转，当弘为 高电压时，开关管导通，电机转动。电机电枢电压虬与输入电压v 关系如下图所示： u i 一 r t 1t 2 厂 一 ii & ii ii 图2 1 1p w m 控制电压波形图 t 浙江大学硕士学位论文 可见对与输入电压的高低变化，电机电枢电压与其进行着相同的电压高低 变化，可得电机电压的平均值为： 瓦= 警= 口z ，s ( 2 2 0 ) 式中：a p w m 占空比，表示在一个周期t 内，开关管导通时间与周期t 的比值。 a 的取值范围为【o ，1 1 。当a = l 时，相当与开关常闭，电机直接与电源电压相连； 当口= o 时，相当于开关断开，电机无供电。所以在电源电压不变的情况下，通 过对占空比a 的调节，达到对电机输入电压的控制，从而达到对电机进行调压控 制的目的 对p w m 调速主要有3 种方法：定宽调节法( 不变，调节乞和t ) 、调宽调节 法( f 2 不变，调节和t ) 和定频调节法( t 不变，调节f l 、f 2 ) 目前，主要应用 定频调节法对电机进行调压，本文采用定频调节法，用单片机发生p w m 。 在图2 1 0 所示电路中，当开关闭合后再断开时，虽然电枢电压由珞变为0 ， 但是由于电机电枢是电感器件，有阻碍电路中电流交化的功能，所以电枢会产生反 向电动势，继续向电路提供电流，这就是图2 1 0 中续流二极管的作用。若没有续流 二极管，当m o s f e t 断开时，= o ，乞= o ，所以有二兰寸o o ，这时电枢绕组的产 “i 生的反向电动势巳= 乞兰一。如此高的反向电动势会对半导体器件产生很大的损 “l 害，所以需要在电路中加入续流二极管，让电枢绕组在电压突变的情况下平稳的释 放储存在电感中的能量。根据式2 1 4 和式2 1 6 可建立关于电枢电流t 的方程式： 厶鲁+ r 乞+ 心一屹= o ( 2 2 1 ) 式中：初始条件为乱一。5 乇。 解常微分方程得： 州乇一半，p 鼍+ 字 亿2 2 ， 浙江大学硕士学位论文 由式2 2 2 可见，当蚝= 魄，乇 o 时，电流按指数 规律下降。所以，在p w m 控制下，电机的电流和电压关系如图2 1 l 所示： u t t 图2 11p w m 控制的电