（车辆工程专业论文）基于dsp+f2812的电动助力转向系统控制器的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 基于d s pf 2 8 1 2 的电动助力转向系统控制器的研制 车辆工程专业 研究生张成涛指导教师陈狲 电动助力转向( e p s ) 系统是一种新型的车辆转向动态控制系统，该系统能 实时根据车辆在不同路面状况下的运动状态和驾驶员的转向需求，提供与之适 应的转向助力，使车辆在低速转向时具有更好的轻便性而在高速转向时具有更 好的稳定性。与机械转向系统和液压助力转向系统相比，它具有更好的抗干扰 性能、燃油经济性能、低温启动性能、安全性和环保性能等。电动助力转向系 统及相关技术的优点使之成为当前转向系统研发和汽车技术发展的重点之一 本课题研制了一套基于d s p 的电动助力转向系统控制器。本控制器采用目 前国际市场上先进、功能强大的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列中之一 t i l s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心。 首先分析了电动助力转向系统的结构形式、工作原理、组成及关键部件的 性能特点，为e p s 系统的开发和各部件选用提供了依据；同时，对汽车电动助 力转向的控制策略进行了详细的阐述，并确定本文中所采用的控制方法 接着建立了e p s 系统动力学模型和计算机仿真模型，并利用s i m u l i n k 进 行了系统控制性能仿真分析。通过仿真分析可以看出，所选用的控制方法和控 制策略有很好的控制效果，可以作为电动助力转向系统控制器的控制逻辑。 然后详细分析了电动助力转向系统电子控制单元的功能，研究开发了以 d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为微处理器的电子控制单元控制单元具有实时数据信号采 集和系统控制功能，根据采集的数据信号，确定电动机输出的目标电流，利用 p 喇脉宽调制技术，通过h 桥式电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现 助力转向功能。 在进行了硬件电路的设计以后，编制了相应的软件程序软件程序采用了 l 西华大学硕士学位论文 基于中断的模块化设计方法，实现了数据采集、电动机数字p i d 闭环控制、电 动机助力扭矩控制、以及故障报警等功能。 最后，介绍了自主设计研制的台架实验装置，对所设计的硬件电路和软件 系统进行了台架实验，实验结果表明，本文所设计的e p s 系统控制器性能稳定， 结构合理，与整车匹配性能好，可保证e p s 实现良好的转向助力效果。 关键词：电动助力转向，d s p ，控制逻辑，p i d ，p w m 西华大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o fc o n t r o l l e ro ft h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mb a s e do nd s p f 2 8 1 2 g r a d u a t e ：z h a n gc h e n g t a os u p e r v i s o r ：c h e nc h o n g e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i sad y n a m i cs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m w h i c hc a nr e a lt i m es u p p l ya s s i s tt o r q u ea c c o r d i n gt ot h es t a t u so ft h ea u t o m o b i l e m o v e m e n t sa n dd r i v e r sr e q u i r e m e n t s a u t o m o b i l ee q u i p p e dw i t he p sc a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h eh i g h e rm a n e u v e r a b i l i t yf o rl o ws p e e dd r i v i n ga n dt h es t a b i l i t y f o rh i g hs p e e dd r i v i n g e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m so f f e ri m p r o v e m e n t so v e r c o n v e n 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 so rh y d r a u l i ca s s i s ts y s t e m sb yi m p r o v i n g f a u l t - t o l e r a n t , d i s t u r b a n c er c j e c t i o n , f u e le c o n o m y , s t a r t - u po nl o wt e m p e r a t u r e , s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l i n e s s , w h i c hm a k e st h ee p st h em a i ns t e a mo f f u t u r e p o w e rs t e e r i n gs y s t e m sa n da n i n t e n s e t a r g e t o fc u r r e n tt e c h n o l o g y i n n o v a t i o n a ne p ss y s t e mc o n t r o l l e rb a s e do nd s pi st h u sd e v e l o p e di nt h i st h e s i st om e e t t h ei n d u s t r yd e m a u d s i tu s e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a na d v a n c e da n dp o w e r f u l3 2 - b i tf i x e d p o i n tm o d e lo f t m s 3 2 0 c 2 8 xs e r i e s , a si t se c u a tf i r s tt h i st e x th a sd e s c r i b e de l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mo fs t r u c t u r et y p e , o p e r a t i o np r i n c i p l e , c o n s t i t u t i o na n dp e f f o r m a u e ec h a r a c t e r i s t i co fk e yp o s i t i o no f s y s t e m ，w h i c hh a v eo f f e r e dt h eb a s i sf o rs y s t e m a t i cd e v e l o p m e n ta n ds e l e c t i o no f t h ep a r t a n dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fe p sw a si n t r o d u c e d 1 1 kc o n t r o ls t r a t e g y o fe p sw a ss t u d i e da n dc e r t a i nc o n t r o l 蛐g yw a s a d a p t e da f t e rt h e o r yo fe p sw a s a n a l y t 配dd e e p l y p i dc o n t r o lu s e di ne p sc o n t r o ls t r a t e g yw a ss t u d i e di nd e t a i l s t h e nt h ee p ss y s t e md y 艘m i c sm o d e la n dt h e 咖p m 汀s i m u l a t i o nm o d e lh a s m 西华大学硕士学位论文 b e e ne s t a b l i s b e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i sb ys i m u l i n kh a sb e e nc a r r i e do nt h e s y s t e m sc o n t r o lp e r f o r m a n c e i ti ss o e nt h a ts e l e c t e db yt h ec o n t r o lm e t h o da n dt h e c o n 乜o ls t r a t e g yh a v et h ev e r yg o o dc o n t r o le f f e c tt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s , w h i c hc a l lb eu s e du st h ec o n t r o ll o g i co ft h ee p ss y s t e mc o n t r o l l e r t h e nt h ef u n c t i o no ft h ee p ss y s t e m 删i sm u l t i - a n a l y s i s , a n dt h er e s e a r c ho n e c uh a sb ed e v e l o p e dt a k ed s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sm i c r o p r o c e s s o r t h ec o n t r o lu n i t h a sr e a l - t i m ed a t as i g n a lg a t h e r i n ga n dt h es y s t e m sc o n t r o lf u n c t i o n , a c c o r d i n gt o d a t as i g n a lw h i c hg a t h e r s ，t h ed e f i n i t eg o a lc u r r e n to fm o t o ri so u q ，u t t e d , a n dt h e p w mp u l s e - d u r a t i o nm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e d , t h r o u g ht h ehb r i d g ec i r c u i t c o n t r o lm o t o ro u t p u tc u r r e n ta n dt h er o t a t i o nd i r e c t i o n , a n dt h ef u n c t i o no fe p s s y s t e mi sr e a l i z e d a f t e rt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nh a sb e e nc a r d e do n , t h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ep r o c e d u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d 皿es o f t w a r ep r o c e d u r eh a su s e db a s e do n t h es e v e r a n c em o d u l a rd e s i g nm e t h o d , r e a l i z e dt h ed a t aa c q u i s i t i o n , t h em o t o r n u m e r a lp i dc l o s e d l o o pc o n t r o la n dt h et o r q u e - c o n t r o lo ft h em o t o r , 舒w e l la st h e b r e a k d o w nr e p o r t sa n ds oo i lt h ef u a c t i o m a tl a s t , t h ep r e s e n tt h e s i si n t r o d u c e dt h ei n n o v a t i v eb e dt e s td e v i c e ，b yw h i c h t h eb e dt e s to nc i r c u i ta n ds o f t w a r es y s t e mw a sp e r f o r m e d , a sw e l la sa n a l y z e da n d d e m o n s t r a t e dt h et e s tr e s u r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t d 岱i g n e dw a sw i t hs t a b l ep e r f o r m a n c e ，a p p r o p r i a t es t r u c t u r ea n de x c e l l e n tm a t c h i n g c o n d i t i o n , a n dt h ee x c e l l e n tp o w e rs t e e r i n ge f f e c tc o u l d b ee n s u r e db ye p s k e y w o r d s ：e p s ，d s p , c o n t r o ll o g i c , p i d ，p w m i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究玉作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明! 学位论文作者签名：私啾存 刷磁各膨f 第94 页 h 年 易月够日 _ 每艺其千日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着社会的进步和人们生活水平的提高，我国的汽车工业发展迅速，人们 对汽车的本身性能的要求也日益提高。转向系统作为保证汽车行驶的主要汽车 子系统之一，其性能直接关系到车辆的操作稳定性、舒适性和安全性良好的 操纵稳定性和驾驶路感是汽车转向系统所追求的目标汽车车速较低时转向需 要的操纵力较大，转动方向盘会感觉很沉重；车速较高时转动方向盘需要的操 纵力又较小，容易使驾驶人员丧失路感。为了改善这个矛盾。汽车助力转向系 统就应运而生了 助力转向装置在汽车低速行驶时提供较大的转向助力，使方向盘操纵力减 小，呈现出转向的轻便性；而在高速行驶时转向助力较小或者不提供助力。以 得到一定的方向盘操纵力，避免驾驶人员丧失路感，从而提高汽车行驶的安全 性采用助力转向的主要目的是使汽车在任何工况下转动方向盘，都有较理想 的操纵稳定性和转向轻便性。在正常情况下，汽车转向操纵所需要的力大部分 由助力装置提供，只有小部分的力由驾驶员提供。但在助力转向失效时，驾驶 员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵【 目前，汽车转向系统已从机械式转向系统、液压动力转向系统( h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，简称l i p s ) 、电控液压助力转向系统( e l e c t r i ch y d r a u f i cp o w e r s t e e r i n g ，简称e h p s ) 发展到利用现代控制技术和电子技术的电动助力转向系 统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 自从2 0 世纪5 0 年代动力转向系统产生以来，液压动力转向系统以其具有 的转向操纵灵活性和轻便性，而使得设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活 性增大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，在各国汽车上得到普遍采用 第1 页 塑兰查兰堡主兰垡堡壅 但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，有 数据显示液压动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的 3 f 2 】【3 1 。 随着电子技术的发展，电子控制式液压动力转向系统应运而生，该系统在 某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系 统的固有缺憾。此外，液压动力转向系统在选定参数完，成设计之后，转向系 统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此液压动力转向系统协调 转向力与操纵“路感”的关系困难。当使得低速转向力较小时，高速行驶时转 向力往往过大、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而 按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大【4 l 。 电动助力转向系统是继电子控制式液压动力转向系统后产生的一种新型动 力转向系统。它完全取消了液压装置，用电能取代液压能，减少了发动机的能 量消耗。研究与开发电动助力转向系统是与汽车发展中安全、环保、节能三大 主题相吻合的，因而具有一定的现实和长远意义。 1 2 电动助力转向系统( e p s ) 简介 电动助力转向系统( e p s ) 是在机械转向系统基础上由电动机代替液压提 供直接辅助转矩的动力转向系统。与h p s 相比，除节省能源外，由于取消了液 压系统而提高了环保性能，很好的解决了由于液压传动带来的种种弊端：整套 系统由生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直接安装：对不同车型、不同 工况以及不同驾驶员所需的不同转向助力特性通过软件修改，方便快捷阁。完 整的e p s 系统还包括了故障诊断与安全保护系统。当发生故障时，能停止助力， 自动恢复到手动控制方式，并发出警报信号，显示所记忆的异常内容如扭矩传 感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。 第2 页 西华大学硕士学位论文 1 2 1b p s 系统的类型 电动助力转向系统根据助力机构安装位置的不同可以分为三类( 图1 1 ) ： 转向柱助力式、小齿轮助力式和齿条助力式【6 1 萝 彦囊殄恸 ，户 转住琦，斌十雠力式齿力走 f 螗1 1t h es t y l eo f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i d gs y s t e m 图1 1 电动助力转向系统的类型 转向柱助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相 连，直接驱动转向轴助力转向电动机、离合器、扭矩传感器和转向助力机构 组成一体，安装在转向柱上，其结构紧凑。这种类型一般在轿车上使用。 小齿轮助力式e p s 的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力 转向，可获得较大的转向力，各部件布置更方便。但当转向盘与转向器之间装 有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力 控制特性难以保证准确 齿条助力式e p s 的电动机和减速机构则安装在齿条处，直接驱动齿条提供 助力，扭矩传感器安装在小齿轮处。 1 2 2b p s 系统的特点 电动助力转向是一项综合了现代控制技术、机电一体化及现代电子技术等 的高新技术，与传统液压动力转向系统相比它有许多优点哪7 l ： 1 ) 助力性能优 e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向 第3 页 西华大学硕士学位论文 系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高 汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置 不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。 2 ) 降低了燃油消耗 液压动力转向系统需要电动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费 了部分能量。而电动助力转向系统仅在需要转向时才提供助力。电动助力转向 系统不依赖于发动机，系统即使在- 4 0 c 时也能工作，可以提供快速的冷起动。 对比试验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的车辆燃油消耗降低 2 5 。使用转向情况下，燃油消耗降低了5 5 1 7 1 。 3 ) 增强了转向跟随性，“路感”好 由于e p s 内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，且 可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。 4 ) 回正性能好 e p s 结构简单，内部阻力小，回正性能好，从而可得到最佳的转向回正特 性，改善汽车操纵稳定性。 5 ) 对环境污染少 f i 9 1 2 t h e p a r t c o m p a r i s o n o f l i p ss y s t e ma a d e p ss y s t e m 图1 2h p s 系统和e p s 系统部件比较 从图1 2 所示h p s 系统和e p s 系统部件比较中可以看出，h p s 液压回路中 有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软管不可回收，对环境有一 定污染，而e p s 系统不存在这些问题对环境几乎没有污染。 第4 页 西华大学硕士学位论文 6 ) 应用范围广 e p s 可以用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车上；而对于环 保型纯电动汽车，由于没有发动机，e p s 为最佳选择。 7 ) 装配性好、易于布置 图1 3 所示的是本田n s x 系列汽车的e p s 系统外形图。可以看出e p s 系统 零部件数日较少，主要部件均可以组合在一起，使得整体外形尺寸比h p s 小很 多，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上统一安装。 f i 9 1 3a u t o m o b i l ee p ss y s t e mo f t h eh o n d a sn s xs y s t e mo u t l i n ed r a w i n g 图1 3 本田n s x 系列汽车的e p s 系统外形图 1 3e p s 系统的发展与研究现状 1 3 1e p s 系统的国内外发展现状嘲 自1 9 5 3 年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来， h p s 给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液噩动力转向技术发展 异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统( e h p s ) 。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司 首先在其c e r v o 车上装备e p s s l ，随后又应用在a l t o 汽车上在此之后，电动 助力转向技术如雨后春笋般的得到迅速发展，在日本、欧洲、美国各大汽车公 司的汽车中锝到应用 在日本，大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，都相继研制出各 自的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7e p s ，本田汽车公司于1 9 9 3 年在爱克n s x 跑车上装备 e p s 并取得了良好的市场效果 9 1 ，在a c c o r d 车目前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车 第5 页 塑竺奎堂堡圭兰垡丝茎 的动力转向也将倾向于选择e p s 。 美国的d e l p h i 汽车公司( d e l p h i v e h i c l ec o r p o r a t i o n ) 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 1 0 1 。t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入 大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他们最初针对客车开发出转向助力式 e p s ，如今小齿轮助力方式e p s 开发已获成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经 装各在轿车上，如f 0 r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等【l l l 。 在德国，1 9 9 9 年m e r c e d e s - b e n i z 和s i e m e n s a u t o m o t i v e 两大公司正共同投 资了6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，2 0 0 2 年达到年产3 0 0 万套，成为全球e p s 最 大的制造商。他们计划开发出适合于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此 货车也将可能成为e p s 的装备目标【埘。 在国内，南京菲亚特公司产的新雅途轿车、广州本田的r i t ( - 匕度) 、昌河的 “北斗星”及“爱迪尔”、东风悦达起亚的“远舰”和长安铃木在2 0 0 5 年4 月 份最新推出的s w i f t ( 雨燕) 等几款车已装用了电动助力转向系统。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型 轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等 中型轿车已经安装e p s ，本田还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了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【埘。 1 3 2e p s 系统的国内外研究现状 1 3 2 1 国内研究现状 国内对电动助力转向系统的研究刚刚处于起步阶段，现在主要有清华大学、 吉林大学、合肥工业大学、江苏大学、天津大学、华中科技大学和浙江大学等 几所高校对e p s 进行了研究，主要现状如下： 清华大学自1 9 9 2 年开始研究e p s ，目前己完成了台架性能试验，正准备台 架寿命试验和整车试验。清华大学的陈奎元【1 4 1 教授对e p s 的助力控制、回正控 第6 页 耍兰奎兰堡主堂垡笙茎 制和阻尼控制技术分别进行了研究。清华大学的季学武嘲【1 6 l 教授对e p s 的直流 伺服技术进行了研究，针对e p s 原有的单一控制方式的不足，采用带有助力和 阻尼两种模式的综合控制方式，提出一种针对占空比和控制模式的修正方法 同时，季学武教授还申请了“一种车用光电式扭矩传感器”的专利，因为扭矩 传感器一直是电动助力转向的核心部件清华大学通过与南京汽车集团有限公 司进行e p s 的合作，并获得国家、清华大学和江苏省等各类基金的资助。 吉林大学的宗长富【1 7 】【1 卅通过对方向盘回正力矩的建模，模拟生成了为驾驶 员提供路感的方向盘回正力矩，利用所提出的前轮转向控制算法，对模摆角速 度和侧向加速度进行反馈控制，提高了汽车的稳定性目前吉林大学完成了汽 车电动助力转向系统但p s ) 研究，通过在捷达车上测试并通过吉林省科技厅鉴 定。 合肥工业大学的王启瑞和郁明等对e p s 的单片机控制进行了研究i 堋。蒋浩 丰。黄森仁等建立了基于笛卡儿坐标的e p s 多刚体动力学模型、轮胎模型及整车 二自由度转向模型，采用基于p i d 的模糊神经网络控制方法进行控制例陈无 畏和王启瑞先后提出了性能较好的模糊自调整p d 控制 2 q 和具有鲁棒性较强的 基于h 8 控制【矧的不同方式对e p s 进行控制现在，合肥工业大学己完成了安 徽省科技厅下达的十五科技攻关项目汽车电动助力转向系统的研制与开发 。 江苏大学的徐建平【嚣魄出了e p s 的阻尼控制方法和回正控制算法，对特定 频段应用主动阻尼控制方法来增加系统阻尼，并基于转向盘转角估计方向盘的 回正力矩，省去了转角和转速传感器，降低了控制系统的成本何仁洲对e p s 稳定性进行了分析，提出在满足助力的前提下，应尽量取小的助力增益值使系 统更稳定。另外江苏大学的罗石等提出并设计了电动助力转向系统驱动电路方 案，即h 桥式驱动电路中上、下管均采用n 沟道m o s 管，上管常通或常闭， 下管由p w m 逻辑电平控制的驱动方梨2 5 i 天津大学的许镇琳等人基于综合目标函数的误差反向传播学习算法，设计 了用于该离散化转向助力特性的b p 神经网络结构，进行了离线训练，并在电动 第7 页 塑兰查兰堡圭兰垡堡塞 转向综合试验台上实现了在线控制。实现了全车速范围的非线性转向助力，克 服了转向助力盲区1 2 6 l 。王豪等人设计的e p s 系统动态补偿控制器进行补偿控制 后，使得转矩信号的抗扰动能力提高了6 7 ，系统的暂态性能和稳态性能满足 了实际使用要求，同时也明显减小了系统的振荡阳。 华中科技大学的唐新蓬定性地说明了e p s 系统的控制方式和结构参数对汽 车转向盘阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响汹l 。另外还讨论了e p s 系统对汽车转向盘力特性的影响，提出了并验证了将e p s 系统比例控制系数设 计随车速和侧向加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法【2 9 1 。刘照和杨家 军等对e p s 系统进行动态分析研究并分别提出了基于混合灵敏度和基于t t 8 鲁 棒控制方法 3 0 1 1 3 1 l 浙江大学中标了浙江万达汽车方向机有限公司联合招投标的重大科技攻关 项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研究”项目【3 羽。 此外，东南大学、江苏理工大学、北方交通大学、西北工业大学、西华大 学也对e p s 的转向特性和转向盘力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。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并未完全掌握，仍处于探讨实践阶段， e p s 的批量国产化工作仍需一个模索的过程。 1 3 2 2 国外研究现状 国外汽车公司对e p s 的研究己经有多年的历史，但是以前一直没有取得大 的进展，其主要原因是e p s 的成本太高。近几年来，随着电子技术的发展和控 制方式的改进，大幅度降低e p s 的成本己成为可能。b a d a w a y 对e p s 系统进行 建模并对模型进行了简化，验证了简化模型的有效性，在此基础上设计了控制 器并讨论了影响转向性能的因裂3 3 1 g r e g g , r d 给出了e p s 完整的系统构成， 并利用手动转向系统的精确模型及m a t r i x x 包，对整车进行计算机模拟，使 e p s 性能得到了优化 3 4 1 z a r e m b a , a t 分析了电动助力转向系统开发中的控制 和路感问题，按照转向系统的性能要求，提出了对校正器增益、相位滞后和零 第8 页 西华大学硕士学位论文 极点位置的约束，针对变结构控制器，提出了一种非线性约束的最优化方法， 其控制规律使目标函数( h s u b 2 范数) 取极小值，从而使操纵手感得到改掣矧 文献在对转向系统中存在的振动进行分析后，提出了一个降低振动和保持路 感的校正器m c c a n n 分析了电动助力转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳 定性的影响，通过采用横摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定 性【卅b u r t o n 对电动助力转向系统中驱动电路的m a t l 曲模型进行了仿真网 s u 西t 柚i 提出转向系统操纵的手感取决于控制系统获取路面环境的信息的多少， 并给出了日。控制器 捌。j s c h 采取p d 控制，获得理想的稳态扭矩，并避免 了扭矩在中频段的高传递率，采用超前补偿器消除p d 控制器无法解决的噪音 问题【柏1 1 3 3 电动助力转向系统( b p $ ) 的发展趋势 当前，电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用，e p $ 系统在降 低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进 行匹配获得合理的助力特性，以及保证良好的路感等方面取得了重大的进步。 $ 电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面也充分显示了其优越性， 其性能也得到用户的普遍认同。随着直流电机性能的改进，e p s 系统助力能力 的提高，其应用范围将进一步拓宽，现在3 升级的运动型跑车也有安装e p s 系 统。因此可以说e p s 系统发展前景是非常好的 尽管e p s 己经达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些急待解决的问题 比如，提高现在应用的e p s 系统性能的可靠性、降低生产成本等；另外，电动 机本身的性能都将影响到转向操纵力、转向路感等问题，因此进一步改善电动 机的性能是下一步努力的一个主要方向。 就目前的电动助力转向系统而言，其发展方向主要为：改进控制系统性能 和降低控制系统的制造成本嘲。e p s 系统将迸一步简化系统，减少控制单元和 驱动单元的体积，控制生产成本，降低价格。使其具有价格竞争力。只有进一 第9 页 塑兰盔兰堡主堂垡丝奎 步改进控制系统性能，才能满足更高档轿车的使用要求。e p s 系统将进一步提 高系统的可靠性，主要从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式扭矩 传感器等。另外，e p s 系统的控制信号将不再仅仅局限与车速与扭矩，而是根 据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻 合的综合控制，以获得更好的转向路感。另外从车载电源的角度分析，现有的 1 2 v 电源供给方式也很难满足将来电子化的汽车的能量供给要求，欧洲现今倡 导的4 2 v 供给电源就是其中的一个尝试，标准电源电压调整一方面使电动助力 转向系统的应用领域拓宽的难度降低，可应用于重型汽车；另一方面也要求对 新开发的电动助力转向系统的相关部件进行必要的调整，或者对现有的系统进 行前展性设计，以适应将来发展的需要。 未来的电动助力转向系统还将向着电子四轮转向的方向发展，并与电子悬 架统一、协调控制，从而实现电动助力转向系统与汽车上的其它控制单元的通 讯联系，实现控制系统的集约化。应该说以上电动助力转向系统的发展的总体 趋势本质而言并没有大幅度的改变电动助力转向系统的基本框架结构，其机械 部分的比重都比较大。放眼将来，电动转向系统将向着更纯粹的电子化和智能 化的动力转向系统发展 电子转向控制系统【4 1 l 的方向盘仅提供转向数位信号输入，而这些转向信号 通过信号线直接传输、控制每个车轮上的转向电动机，在这样的系统中产生、 传输机械转向力的所有机械连接机构都将消失，取而代之的是纯粹的电动控制 系统，系统包括用于感测驾驶人员作用于方向盘的操作力以及汽车的运行状况 的一些测试的监测传感器，并且包括集成的电机。由于省去了中间的连接机构， 占用空间更小，同时也能够改善汽车内部的震动特性例。更加智能化的电动助 力转向系统，将会引入先进的、智能化的控制思想，模糊控制和神经网络等思 想将使得所设计的电动助力转向系统更加智能化、人性化。需要说明的是，智 能化的电动助力转向系统以先进控制理论的研究、先进、新型传感器的开发和 先进的控制器的出现与应用为前提 第1o 页 西华大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 目前，国外轿车上使用全电子控制的电动转向系统已很普遍，国内对电动 助力转向系统的研究与国外相比仍有一定的差距。e p s 控制器通常采用8 位单 片机。带有a d 、d a 或p w m ，主要以增量式数字pm 控制器作为控制策略。 随着自适应控制和智能识别等控制策略的深入研究，传统的单片机已不能满足 运算的速度要求，因而有必要将控制器用擅长数字运算处理的d s p 芯片进行替 换，发挥其片内集成资源丰富、运算高速和高精度的优势。 基于以上目的，本文搭建了1 6 位定点d s p l m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为核心处 理器的e p s 控制器，成功实现了增量式数字pm 控制策略，为今后系统控制算 法的迸一步研究设计提供了较好的平台同时，设计并制作电动机驱动及其外 设控制硬件电路，并在此基础上进行相应控制软件开发与调试 本课题来源于四川省车辆工程重点学科建设项目( szd 0 4 1 0 ) 和四川省 教育厅重点项目，通过对e p s 系统进行系统深入的研究，为e p s 系统的产品开 发提供理论依据。 本文研究的主要工作内容有： i ) e p s 系统传感器选择与控制策略的确定 2 ) e p s 系统建模与仿真分析。 3 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片e p s 系统控制器软硬件实现。 4 ) 在试验台架上进行试验、调试，并对结果进行分析以验证控制策略的合 理性以及控制器有效性 第11 页 西华大学硕士学位论文 2 电动助力转向系统的总体设计 2 1e p s 系统结构和工作原理嗍 e p s 是一种由电动机提供直接辅助转矩的动力转向系统，其系统组成如图 2 1 所示。主要由转矩传感器、车速传感器、e c u 、电动机、离合器、减速机构 及齿轮齿条式转向器等组成。 1 转矩传感器2 减速机构3 离合器4 - 电动机5 齿轮齿条式转向器 f i 9 2 1 a s c h e m a t i cd r a w i n g o f t h ee p ss y s t e m 图2 1 电动助力转向系统示意围 e p s 基本原理为：汽车处于起动或者低速行驶状态时，操纵方向盘转向， 装在转向柱上的扭矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号 与车速信号同时输入电子控制器( e c u ) ，e c u 对输入信号进行运算处理，确 定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及 减速机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助 转向力的功效。当车速超过一定的临界值或者出现故障时，e p s 系统退出助力 工作模式。转向系统转入手动转向模式，此时电动机不工作。电动助力转向系 统很容易实现在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低 速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠因此，它可以很容易地保证汽车在 低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时稳定可靠。 第12 页 西华大学硕士学位论文 2 2e p s 系统主要部件选取及其工作原理 e p s 的主要部件包括转矩传感器、转角传感器、车速传感器、电动机、减 速机构、电磁离合器和电子控制单元等。 2 2 1 转矩传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的转矩信号大小与方向。 转矩传感器是e p s 系统中的一个非常重要的部件，它的特性对s 系统的性能 有重要的影响。 目前，车用转矩传感器一般应用以下三种传感器：应力测量传感器、扭矩 或角度测量传感器和角度差测量传感器以及涡流式传感器【4 3 】。这些传感器在测 量转向扭矩时都可以测量很小的角度，精度也高。然而，由于后两种角度测量 传感器价格昂贵或对加工和安装要求太高，而第一种应力测量传感器的测量精 度高，成本低，又完全能满足测量e p s 系统转矩信号的要求，所以本论文选取 应力测量传感器( 如图2 2 所示) 作为该e l ，s 系统的转矩传感器。 l 一转扭显示仪表；o 一扭转应力；膳一转矩；u o 一供电电压；r r 一应变电阻 f 妞品21 h ed m st o r q u es g i o t 图2 2 非接触式变压器引线的d m s 转矩传感器 2 2 2 转角传感器 各种角度传感器在原则上都可用于检测转向盘角度，也都可以连续记录和 存储当前转向盘的转角，但轿车转向盘的角度范围为7 2 0 d ，总的转动为4 圈， 第13 页 匿华大学硕士学位论文 所以需要专门的车用转角传感器。本文采用的是l w s 4 型磁阻式角度传感器如 图2 3 所示) 。该传感器可在微处理器中算出转向盘角度，并通过c a n 总线可 将非常可信的测量值传输给控制单元。 1 转向柱；2 - 转向变速器；3 转向角度传感器；4 - 齿条 f i 9 2 3t h el w s 4t y p ca m ra q g k 图2 3 l w s 4 型a m r 角度传感器 2 2 3 车速传感器 车速传感器用于检测车轮转速的大小，并把其转变为电信号送入电子控制 单元。通常采用的车速传感器有两种：无源感应式车速传感器( 如图2 4 所示) 和有源车速传感器( 如图2 5 所示) 4 3 1 。 卜带接插件的壳体：2 - 永久磁铁；卜多极磁环；2 一测量部分；3 - 传感器壳体 3 极柱( 软磁心) ；4 - 线圈；5 - 脉冲轮 f i 9 2 4d f 6 v e h i c l es p e e d 辩嗍 f i 9 2 _ 5t h ea c t i v ev e h i c l es p e e d 辩n s o r 图2 4d f 6 型车速传感嚣图2 5 有源车速传感器 由于有源转速传感器所具有众多优点和迸一步开发的潜力，所以选取有源 转速传感器作为车速传感器。 第14 页 鹾华大学硕士学位论文 2 2 4 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩，是e p s 的 动力源。电动机的性能直接影响e p s 系统的性能，电动机型式的选择不仅要考 虑助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压，而且还必须考虑其噪声和振动 对驾驶员的影响、转动惯量对e p s 系统响应的影响。 表2 1 是e p s 系统主要采用的电机类型。其中无刷直流电机在控制特性、 效率、转矩脉动、制造成本等方面，具有明显的优势本文以永磁式无刷直流 电机作为e p s 系统的动力源进行研究。 针对e p s 的特点，常需要对电动机的结构做一些特殊处理，如沿转子的表 面开出斜槽或螺旋槽、定子磁铁设计成不等厚等。另外电机在安装时需要考虑 前轴负荷的大小，当前轴负荷较小时，电机、减速机构与转向轴相连；当前轴 负荷中等时，电机与转向小齿轮相连；当前轴负荷较大时，电机与转向齿条轴 相连。如德国z f 公司开发的s e r v o l e c t r i ce p