（农业电气化与自动化专业论文）汽车电动助力转向控制系统的研究设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 电动髓力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，鬻称e p s ) ，魁汽车 工程领域憋热门谦题之。本文在磷究了电动驹力转向系统工作原理熬基旗上， 设诗开发了e p s 靛电予控翻单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 鸵硬转电路帮 相应的羧涮软件，并溅行了e p s 系统的台架实验。 本文详缓分橱了魄动韵力转囱系统电子控露l 零元熙功戆，褥究开发了以a r m $ 3 c 4 4 8 0 ) ( 挚片梳为强处理器魏毫予控翻单元。控稍单元其有突辩数据信号聚集 和系统擦制功能，校掇采集的数据倍号，确定电渤机输出的鼹掭电流，利用p w m 辣宽谭制技术，通过鞭桥式窀路控制电动瓿豹输毽毫浚窝转动方囱，实现动力转 两功能。 在研制了实验用e c u 装置后，开发了相应的控釉软件。羧制软件分为控制策 晦躲实袋帮数摆信号采集与分辑箍部分。熬个软 牟系统采霆了模浚纯的浚毒专恿 您。e p s 控翩策舔通过鲍p d 控制算法来实现，并送行了仿囊分橱。在数摅信号 采集与控制部分，设计了系统主程序、a d 采集程序、车速信号采集程序和p w m 控镑程澎。 最爝，夯绥了自主设计研制的螽絮实验装爨，对所设计羽硬件电路和软件系 统进行了台架实验，实验结果表明，本文所设计的e p s 电子控制单元慑熊稳定， 缝麴会遥，与整事匿麟憔麓好，霹保诞e p s 实瑷蕤簿鹃转良秘宠效暴。 关键渝：电动助力转向，电子控制单元，翠片机，控帚l 麓略，台絮实验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c 墨 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 so n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e so f a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g b a s e do nt h es t u d yo ft h eo p e r a t i o np r i n c i r ) l e so fe p s ，t h e p r e s e n tt h e s i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) a n dt h e s o f t w a r ep r o g r a mo f t h ee c uo f e p s ，a l s oc a r r i e do u tt h eb e dt e s t c o n s i d e r i n 夸t h ef u n c t i o n so f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i to f e p s ，t h ep r e s e n tt h e s i s s t u d i e da n dd e v e l o p e dt h eh a r d w a r et h a t a d o p t e da r ms 3 c 4 4 b o x a si t s m i c r o p r o c e s s o nt h ec o n t r o lu n i tw a sa b l et or e a l i z er e a l - t i m ed a t a s i g n a la c q u i s i t i o n a n ds y s t e mc o n t r 0 1 t h et a r g e tc u r r e n to fm o t o ro u t p u tc o u l db ed e t e r m i n e db yt h e o b t a i n e dd a t a ；a n du t i l i z i n gt h ep u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g y , p o w e r c o u l db ep r o v i d e dt ot h es t e e r i n gs y s t e mb yc o n t r o l l i n gt h eo u t p u tc u r r e n ta n dr o t a t i o n d i r e c t i o nt h r o u g hh “b r i d g ec i r c u i t t h es o f t w a r ep r o g r a m ，w h i c hw a sd i v i d e di n t ot h er e a l i z a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y a n dt h ea c q u i s i t i o n & c o n t r o lo fd a t a s i g n a l w a sd e v e l o p e d 趣m o d u l a ra f t e rt h e d e s i g no fe x p e r i m e n t a le c uw a sc o m p l e t e d p dc o n t r o la r i t t u n e t i cw a su s e di ne p s a n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i sw a sc a r r i e do u t a n dt h em a i np r o g r a m ，a da c q u i s i t i o n p r o g r a m ，s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o np r o g r a _ ma n dp w m c o n t r o lp r o g r a ma r ed e v e l o p e d i nt h es e c o n dp a r t 。 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 ht h e b 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 t b 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 l t 。t h er e s u ks 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 e s i g n e dw a s w 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 db ee n s u r e db ye p s ， k e yw o r d 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 ( e p s ) ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t , s i n g l e * c h i pm i c r o p r o c e s s o r , c o n t r o ls t r a t e g y , b e dt e s t l 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， 慝意学校保留并向园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 描等复铡手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密詹适用本授权书。 不保密曩。 学位论文作者签名：祷春娥 指导教师签名：应芦姿 妒6 年 睫2 ，b j 。9 ，。5 年b 日4 融 独创性声明 巧0 1 3 7 9 4 本人郑重声嚷：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。除文中已注明弓| 用的内容以外，本论 文不包含任俺其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做赢重要贡献的个人和集体，均已在文中以鹳确方式标鳃。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名旃痞彬 吕期：盆彩衫年只 曰 江苏大学硕士学位论文 第 章绪论 1 1 汽车动力转向系统概述 在汽车毒亍驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽 ， 车的行驶方向，从_ 稻实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少 的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的 转向特瞧，使汽车具有良好的操纵瞧能，始终是各汽车厂家和科研机构的萋要课 题。汽车的动力转向系统是利用一定的动力勃力方式，帮助执行转向操作的转向 总成。它是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机驱动油浆产生的液压力或电动 机驱动力来帮助驾驶员轻便的实现车轮转向，所以动力转向系统识称为转向动力 放大装置。按动力介质的不同分为气压式、液压式和机电式三类。由于动力转向 系统可以在保证转向灵敏性不变的条件下，有效的提高转向操纵轻便饿，提高响 应特性，保证高速行车安全、减小转向盘的冲击，因而在8 0 年代以螽应用极为 迅速和普遍。 传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘， 通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮褥实现的。普通的转向系统建立在机 械转向艴基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、 蜗杆滚轮式、蜗枰指销式。常用的是齿轮齿条式和循环球式( 用于需要较大的转 向力时) 。 从上世纪隧十年代起，为减轻驾驶员体力受擐，在橇械转向系统基础上增加 了液压助力系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) ，它是建立在机械系统的基础之上 的，额外增加了一套液压系统，一般包括油泵、v 形带轮、油管、供油装置、助 力装罴和控制阀，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。出于其工作可靠、技 术成熟至今仍被广泛应用。 虽然传统转向系统工作最可靠，但是由于方向盘和转向车轮之间的机械连接 而产生一些自身无法避免的缺陷“。；汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影噙 严萱；转向传动比霹定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变 化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作牵 偿， 江苏大学硕士学位论文 从露控制汽车按其爨愿彳亍驶。这就变相地增加了驾驶员盼搽纵负担，使汽车转向 嚣驶存在缀大静苓安全滤感；液压蘑力转囊黎统爱济牲惹，一蔽轿车篝行驶一 百公羹癸多消耗o 3 0 4 升的燃料；此外，存在液压油泄漏澜题，对环境造成污 染，在环保性能被目益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。， 近年寒，夔蔷邀予技术懿不辫发震，转良系统孛愈基愈多嚣采矮电子器 孛。 相应的瓶出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助 力转国系统e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、漱控液压助力转向 e c h p s ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 。e h p s 楚在滚压魏力系 统蒸础上发展起来的，其特点最融发动机带动的液压助力象改由电机驱动，节省 了燃涵消耗。e c h p s 是在传统靛液压助力转向系统的纂础上增加了电控装爱梅 或魏。电液豌力转麓系绞嚣秘力将犍可投擐转良速率、车速等参数设诗为胃交蘑 力特性，使驾驶员魏够更轻松便髓的操纵汽车。 现代电液动力转肉系统主要邋过车速传感器将车速传递绘毫子元件，成微型 诗冀聿氕系统，攘澍电液转换装嚣激变动力转翁熬韵力黪毪，傻骛骏受懿转麓手力 根据车遮祁行驶条件炎化丽渡变，即在低速行驶藏转急弯时熊以很小盼转向手力 进幸亍操作，在高速行驶时能以稍整的转向手力谶彳亍稳定操作，使操纵轻便性和稳 定靛这弼最合适熬平衡浚态。 e h p s 相比传统h p s 降低了熊源损耗。偿魄液动力转淘系统，不论蔑e c h p s 还是e h p s 都与传统的h p s 一样存在液压漓泄漏闻题。 为了保证转岛轻便缝，要求罐大转蠢器魏传动密。瞧怒，落大角黄勘魄显然 可以减小转向擞上的乎力，但同时落造成汽车对操级的反应减慢，甚至脊可能导 致驾驶员没有能力农极短的时闽内使转向盘进行紧急避蹲等转向操作，酆不够 “灵”。橇械式转两嚣翁设诗蟊褥建僳涯汽车在各静孳亍毅条件下涛转商蕊上魏手 力保持在驾驶员能接受的合理范嗣内，同时保诋适当的转向灵敏度。但是机械式 转惫嚣的缝梅特点注定“轻”与“瑟”矛蓐的存在( 包括变传动魄搬棱转囱器) “1 ，舔 电动助力转向系统在定程度上解决了这一矛艨。 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 g ) 楚在传统的税械式转向 系统斡鏊赡上，剥髑蠢滚邀兹毒足终为麓力源，邀予控锻革元裰攥转肉参数葶妥车速 等信号，控翻电动机转短抟大小帮转动方麓。魄动机的转斑盛电磁蓠会器遥过减 2 江苏大学硕士学位论文 速机构减速增矩后，掬在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况穗适应豹转向 俸矮力。凑子e p s 遴遥邀蔽挺餐麟力，蘩力大小交邀整蕈元e c u 实雾重调节与搜裁， 可以较好解决汽车操纵对轻与灵豹矛盾。与液压式助力系统褶比，电动助力转向 系统具有如下特点“3 ： i 。能糕辫羝。惫动式e p s 只有在转囊瓣系统考王俸，漕袈较少熬麓鼙。霞两与 液压式动力转向系统相比，在备种行驶工况下均可节能8 0 。9 0 。 2 轻濑化显萋。电动式e p s 没鸯液压式动力转穗系统所必餐的液压缸、油泵、 转阕、滚透警遂等部 孛，溜筵荬绩褥紧凑、熏鬃减轻、无演渗瀑海蘧、系统：瑟予 布置。 3 优化助力控制特憾。液压驹力的增减有一定的潍后特性，反应敏感瞧差，隧 凑毪不够。窀霹式e p s 密予采爱奄予控截，可豁傻转惫系统麓转离整藐褥戮饶毒| 二， 增强隧渤性和灵敏憋。 4 系缀安全可靠。警逸动式e p s 慰觋故障孵，可立即切断魄动枫与动力述轮极 鞫翦动力传送，逐邃转入久工橇辕获态。 5 电动助力转向系统逐爨有更好的低滠工终悭熊和更低的开发成本。 ，2 毫动勘舞转彝系统懿豳漆夕卜疆究臻状瑟“! 潮外从1 9 7 9 年就开始研究嘏动式电予捺制动力转向系统，1 9 8 8 牮日本铃 术公司蓠先在其c e r v o 车上装备了电动式e p s 。鼹年，美爆通鬟公司墩在菜些 萋号鹣汽车上装备了恕动式e p s 。1 9 9 3 年，本疆汽车公司麓次将毫动韵力转商 系统装铸于大批量生产的、在国际市场上藏法挝利和波尔舍毙争的爱克ns x 跑 车上；同年，在欧洲蠢场销售鲍一静经济型辚窜一藜亚特镄瓶瞧将羡国德尔禳公 霹生产静电控臻力转尚系统 乍为标准装备。随衢，霉秀校多公司窭瓿褐介入了毫 动式e p s 的研究和开发工作。美黧的t r w 公司，匿本的三燕公司、k o y o 公司， 德国憨z f 公司都襁继研裁出了邀动式e p s 。缀过二十足年的发展，e p s 技术已 瑟趋党薷，蔡疲豫藏懑正放最初鹃微鳌轿车两游通赣车霸商矮客车方囊发展。 e p s 产品在2 0 0 2 年才有国内企业进行研制开发，目前已经稚道的骞1 0 多家 科研貔投正在研制中，如清华大学、吉椿大擎、江苏大学、天津大学、舍l 匿王监 大学等，另癸还育l 岱多家转向企投稃l o 多家鬣套企、韭氇在婿剃中。飙市场应爝 3 江苏大学硕士学位论文 来看，国内已装有e p s 产品的汽车主黉为1 3 l 1 6 l 的轿车( 主要是电动枫的功 率所致) 。如熏庆长安的奥拓、安徽的奇瑞、南京菲弧特、广娜本圈飞度、晶河 北斗星等。但是，由于莺产汽车各车型技术的实际情况以及使罔条件的特殊性， 国外的e p s 与戮产汽车的匹配以及实用性还存在问题，至今还没霄与滏产汽车 相协调匹配的、且具有自主知识产权的e p s ，仅仅在近几年才开展e p s 的技术 研究，可获得的技术资料较少，囊前尚处于技术攻关阶段。 3 本课题研究的目的和意义 汽车转向系统一直存在蓑“轻”与“灵”的矛盾，邸汽车低速时需要“轻” 的转向力，高速时需要“灵”的转向效果。同时，转向力与路感也相互制约”1 。 本课题将通过合适的综合擦制方法，设计合适的控制系统，以提高汽车转向系统 的操纵稳定性帮路感，并为以后的深入研究e p s 的工作打下良好的纂础。 电动式e p s 是汽车技术发展的研究热点和前沿技术之，有利于汽车在不 同车速下获得不同的静态助力特性，提高驾驶员转向时的路感和操纵稳定性。 e p s 不仅能使系统的低速和高速性能都得到明显改善，丽虽述能提高燃泊经济 性，可节约燃料3 5 。显然，e p s 的研究与汽车发展中舱安全、环保、节能 三大主题相吻合“1 。据美戮t r w 公司估计，到2 0 1 0 年，全世界矮车的动力转 向系统中，e p s 占1 1 3 。英围卢卡斯公葡认为，e p s 在轿车上正在成为标准配置， 两不是选装件，自1 9 9 6 至2 0 0 6 年，欧洲市场上的a 、b 、c 级轿车安装e p s 的 比例将由3 5 增加到7 0 。据报导，到2 0 0 5 年，e p s 的产量由嚣翦的1 5 0 万 套增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套，即产量工e 以1 3 0 1 5 0 万套，年 的速度在增加，按此增长速度发展下去，愿不了几年e p s 将完全占领轿车市场， 并向微烈车、轻型攀和中型车扩展。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务蕊局联合公布，将e p s 列为 汽车零部件“高新技术产品”之。该顼露是与国际同步虽属于国际前沿的研究课 题之一，不仅具有较高的学术价值，丙且有蔫广摺的产披亿前景。因此，更有效 的将先进实鹰的控制理论与方法运用到e p s 及控制系统中，自主创新汽车及电 子控制技术的知识，为e p s 的实际应用奠定理论基础，是露内在汽车工程界丽 江苏大学硕士学位论文 临的熏大课题，这必将对提升我国汽车产品的质量起积极推动作用，带来显著的 经济和社会效益。 1 。4 课题来源 本课题来源于国家鲁然科学蘩金资助项霞( 5 0 4 7 5 1 2 1 ) 和江苏省高新技术研 究项目( b g 2 0 0 4 0 2 5 ) 。 1 。5 本课题的研究内容 本课题的主要研究内容包括以下几含方面： 1 瓣读和分橱溪内外有关毫动动力转向系统的文献资料，了解电动助力系统 2 3 。 4 。 5 6 。 的工作原理和结构，研究电动助力转向系统的主要部件及其工作原理。 设计开发基于a r ms 3 c 4 4 b o x 单片机的电子控制单元e c u 。 研究电动助力转向系统的擦制策略，设计相应的系统控制软件。 研制e p s 实骏台架。 将已设计好的e p s 系统进行台架实验，分析其有效性和合理性。 提出本研究的结论和建议。 1 6 本章小结 本章主要是对全文的弓 导性的论述，对目前汽车转向系统的概况做了简要介 绍，在分析国内外襁关文献的纂础上，讨论了电动动力转向系统国内外磷究的现 状及本课题研究的弱的和意义，并介绍了本文的主要研究内容。 江苏大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统的结构和工作原理 2 1电动助力转向系统工作原理 2 1 1 毫动助力转尚系统的组成期工作原理 电动助力转向系统是利用宅枫作为助力源，根据转矩参数和车速信号，幽电 子擦制装置来执行助力擦制的。典型的电动助力转向系统的组成如豳2 1 示： 圈2 - i 电动助力转向系统的组成 当汽车点火后，方向盘转动时，装在转向盘输入辘上的转矩传感器不断的测 出转向轴上转向力矩，该信号与车速信号阍时输入给控制器e c u 。控制器根据 输入的这些信号，依据相应的控制策略，确定助力的大小和方向，即确定电动机 的电流大小和方向，调整转向助力的大小。电动枫的输出转矩经逸磁离合器透过 减速机构减速增矩后，施加给转向杆输出轴，并经过凌轮齿条等转向机构的作用， 使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。 2 1 2 电动助力转向系统的分类 电动助力转向系统按照其转向助力机构结构和位置的不潜，可分为转向辅助 力式、转向轴小齿轮助力式和齿条助力式三种形式。 转向轴助力式转向助力机构安装在转向轴上( 图2 2 ) ，电动梳的动力经过 离合器、减速机构传给转向输出轴，然后经小齿轮、齿条作爝与轮胎。 6 江苏大学硕士学位论文 翠轮 委2 0 转翕辘蘩力式 小齿轮勘力式转向梳构安装在小齿轮处( 潮2 - 3 ) ，与转向轴助力式穰比， 可提供较大的转向力，遥用于中型事。这种助力形式舱助力控制特性方西魄较复 囊。 车轮 图2 - 3 齿轮助力式 誊条麓力式耱囊辍穆安装在臻条处( 爱2 ) ，毫裁爨遴过菠逮嘏穆藏搂骚 动转向齿祭，与转向小齿轮助力式稠比，可提供鼹大的转向助力，遥雳于大激车。 这种助力形式砖原有的转向传动丰几构霄较大的改变。 圈2 4 荫条助力式 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 电动助力转向系统的技术要求 对转向系统的要求，主要可以概括为转向的灵敏性和操纵的稳定性。离的转 向灵敏性，要求转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获褥迅速转向。好 的操纵轻便性，则要求转向器具有较大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵 力获得大的转向力矩。可见，上述的两个癸求是矛蒋的。而电动式助力转向器由 于采用电子控制系统，实时黔调节和控制电枫提供助力，因而能较好鲍解决这仪 矛盾。一般来说，电动式助力转向器应当满足动力转向系统的如下要求2 “”1 ： ( 1 ) 能有效减小操纵力，特别是停车转向撩纵力。丽行车转向的操纵力不 应大于2 4 5 n 。 ( 2 ) 转向灵敏度好。转向灵敏度就是转向助力器产生助力作魇的快慢程度。 ( 3 ) 具有直线行驶的稳定性，转向结粜时转向盘应能自动回正；驾驶员应 有良好的“路感”。 ( 4 ) 要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动的转角僳持一定关系 并能使转向车轮保持在任一偏转角位上。 ( 5 ) 工作可靠。当动力转向失败或发生故障时，应熊保证通过人力进行转 向操纵。 2 2电动助力转向系统的数学模型 为了研究e p s 系统的动态特性及e p s 系统对汽车操级瞧的影响，e p s 数学 模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。如图2 5 所示，e p s 的机械 部分主要可分为转向盘和转向轴、电动孝几、减速结构和齿轮齿条四个主要部分， 根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对e p s 部件进行简化， 在简化的基础上，根据牛顿运动定律建立各部分盼力学模型，然后再根据各部件 之间的相互约束关系，联立各模型，得到整个系统的模型“。”1 。 江苏大学硕士学位论文 圈2 5e p s 动态模型 2 2 1 转淘盘和转向柱输入轴子模黧 对转向瘢和输入轴受力分车斤，这里考虑了转向纛的转动惯罴，劳虽季巴输入轴 的糖性隰尼考虑在内，可以得到如下运动方程： 以德+ 霞熊= 瓦一l 。 ( 2 一1 ) 式中 以转向擞、输入辘的转动惯量，聪删2 ； 最输入轴的粘性阻尼系数，n m ( r a d s ) ； 馥输入轴的旋转角，r a d ； 瓦作用在转向盘上的转向转矩，n 。聊； 乙扭杆的反作用转矩，n 聊。 由于转矩传感器是依靠扭杆的襁对转动产生扭转变形，捏杆受到的转矩与掘 杆的赧转角度威正比，即有 乙= k ( 最一o ) ( 2 2 ) 式中k 。扭秆的刚性系数，n m r a d ； 晓输出辅的旋转角，r a d 。 2 2 2 电动机貘鹫 系统采用永磁式直流电动机，如图2 6 所示，电动机的端电压u 与电感三、 电枢电阻r 、反电动势常数甄、转速o o 、电流，和时闻f 之阕的关系如下： 9 汪苏大学硕士掌位论文 u * l i4 - r + k b 瓯 ( 2 - 3 ) 鬟2 - 6 憩麓撬蒋效邀鼹 奄瀚枫产生黔电磁转艇为： 死= k o i ( 2 碡) 式中氘电动援酶转矩系数：n - 删- a 。 对电动机机城部分受力分析，可i 刍l 褥割： 矗氏卡壤兹= 焉一 式中氏电动机裙离台嚣的转潞惯鬣，秘+ 群2 ； 瓦溉动机粘悭阻尼系数，n m ( r a d ! s ) ； 气电动机的转角，r a d 瓦魄秘撼毫磁转簌，n + 辨； 一嚷勘枫输蹬转蹩，n * m 。 在实际的控制系统中，电动枫纳力转矩瓦可以如下式所示 乏= 甄( 氏一g 蟪) ( 2 * 5 ) 盎孛鬈。邀凄较强凝速瓿鹣熬稔交耧襄臻系数，n m r a d t 2 2 ，3 瓣浅鞭子横趱 对转离挺输辩辍及瞧魏输感辘避嚣勘力学分爨，撂剥下嚣静遴劫掌穷程； j o o o + 嚣a = 霉。+ s 艺一毛 ( 2 * ) 式孛五埝淡辍瓣转费漠鬟，毒髫勰2 ； 置输蕊辘麓戳霪系数，n 。m ( r a d t s ) ； s 一蠛耱。蜗释减速枫褥黪减速豫； 乏手警臻在辕出麓上豹反 搴聪转矩，n 辫。 江苏大学硬士学位论文 2 2 4 齿轮齿条予横粼 对齿条和小齿轮进行动力学建模，可以褥到 礁乓+ 曩毒2 导 ( 2 - 7 ) 式中m ，齿祭及小齿轮的等效康量，豫； 6 ，齿祭的隧尼系数n l ( m l s ) ； x ，齿条躺位移，磁； o 夺齿轮半径，掰； 玛。轮胎转向阻力及回正力矩锋作爝予齿条上的轴向力，n 。 转向难力毋。主袋受转向时车轮与地蕊的藤擦、回正力矩及转向系统中各种 摩擦力帮力矩的影蹶，同时它还与车速、路况、转弯半径、风隰以及转商盘豹转 速等有关。对子常蕊强力控镬过程该搂鍪瓣篾镬二霹控裁策略瓣影赡不太，这基泠 出简化的计算公式“： = 砟- + 玛 ( 2 - 8 ) 式中虹等效弹簧敬弹性系数，n m ； 嚣臻瑟酌蘧凝癌号， 其中晓= 主。联立上面所建的动力学方程，可以得刘； ，口 五葚+ 魏或+ 岸。g “瓦+ 墨! t ( 2 。9 ) ，p 厶葭+ 最氏+ 黾氏= 艺瓯 ( 2 锄) 龋邶 “ = 等巳+ 每最一只 ( 2 _ 1 1 ) r p? p 式中妻= 礴十减速辊蘩、，l 、霾轮帮毽条等魏当基袋灏，秘； 最= 良+ 鲁一减速机构、小齿轮翘齿条等的当量隰燃系数，n ( m t s ) 。 江苏太学磺士学位论文 墨= 夤f + 警小谗轮、巷条和轮胎的辫散弹簧的弹憾系数， mo 2 。2 ，5e p s 戆凌怒囊游方程 襁据上藤的潞力学方程建立系统镄粪蠛型申谈态方嘏模块“8 ：冀争状态黛 爨为：x = 魄晓并，鼻民氏】7 ，控制输入鼙为：“= 瓯乇巧】7 ，输 赉鬟为：y = 7 0 氏龟曩f 。 系统鼹状态方程为： 岩= a 贸十觑 ( 2 t 2 ) 系统魏输融方程隽： 瓮孛： a = y = 测+ d u( 2 1 3 ) e o 援 醚 o oo k o _ _ _ q g 0 。 b = 羔 o o 黾8 掰， 0 氐 d m o o 密 ，翌厶 爵星峨睡；里以。 一 蛰墨以。 一 o o o，一辑8 o 睡 o o e ，厶 o；一五o o 蛰 江苏大学硕士学位论文 c = k0 - k r 0 弓 oo 一堑o ，p l000 00 00 00lo 0 00 一 l0 0 0 d ：lo o o l 0 0 0 l0 00 00 0 00 01 oo 该模型主要有三个输入：转向盘转铤、窀动机电磁转矩和路西的随季凡阻力， 系统的输出主要包括转矩传感器信号、实际助力大小、电动机转速和加速度、豢 条饿移。 2 3电动助力转向系统的主要部件 电动助力转向系统虽然有着三秭不同的类型，但其主要部件几乎相同。除了 本身的枫械传动部件外，主要鲍部件还包括转矩传感器、车速传感嚣、赢流电动 机、电磁离合器、减速枕构和电子控制器e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 2 ，3 1 转矩传感嚣 转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应 的电压信号传送给控制器e c u ，作为系统控制策略晌重要依据之一，它直接影 响至l 控制效果的好坏，所以很多厂家都非常燕视转短传感器的研究与开发。转短 传感器有接触式和非接触式两类，非接触式主要是使用下列三种技术之一“。： 磁、光和感应技术。非接触式转矩传感器的线性功能和滞后性能好，但价格较高。 接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。 本课题选用的邓为非接触电位式转矩传感器，它的结构和工作原理如图2 7 示，主要出滑块、钢球、环帮电位器组成“。钢球通过螺旋球表面弱定在输 入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞墨。滑块相对于输入璇可以在螺旋方趣移 江苏大学硕士学位论文 动。阉时，滑块通过一个销安装到输出轴，馊它仅可以相对于输出轴在簸蠢方向 上移凌。邋_ 毫，娄输入麓稳对输穗麓转韵翳，漆涣按爨输入辆菠转瓣方良帮赣岛 辙的旋转量，垂卷移劫( 在轴方向) ，( 等予输入轴相对于输出毒睡旋转) 。当转动 方向擞，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输蹬轴之间的旋转方向里出观偏差a 这些镳差傻滢袋在辘方爨移动，这黧赣方国瓣移麓转换为下露骚示豹接藩抒鼙 电位潞的旋转角发。结果，转耀转变为电压变化，并传送到控制器e c u 。 ( a ) 毫使式转蘸传惑器蘩秘 方向盘在簸时针旋转 糍窆档的方尚盘茸向盘j 芏逆畸 拙转 国) 嚷位式转踅终感嚣王俸溪理 图2 - 7 电位式转矩传感嚣的结构和工中譬激理。 1 4 江苏大学硕士学位论文 送到控制器的转矩信号分为主、副两路。位式转矩传感器的输出特性如图 2 - 8 示。当方向盘处于中间位置时，主、剽两路输出的信号都为2 5 v ；当方向盘 右转时，主转矩信号大于2 5 玑副转矩信号小于2 5 k 当方向盘左转时，主转 矩信号小于2 5 k 副转矩信号大予2 5 v o 系统利用主、尉转矩信号即可判断方 向盘转向的方囊和转矩大小。 输出电压 副信誉 5 v 主信号 慧。 图2 - 8 电位式转矩传感嚣的输出特性 2 3 2 率遮传感器 车遮信号也是系统控制黧要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系 统控制的医标电流，一方面用于保 歪系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统 设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。车速信号由车速传感器测 褥，车速传感器也有多萃孛类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。常见的车 速传感器工作原理如图2 - 9 示“，车速传感器由永久磁铁、铁芯及线圈组成。 由于传感器的顶端设嚣在附有齿的转予附近，当附有齿的转子旋转时，从传感器 的永久磁铁出来的磁通量发生变化，在线圈上就会产生交流电流。 + v 趟 撄 露 酬 觳 - v 1 轮毂2 转予3 永久磁铁4 输出信号电压5 高速眩6 低速时 图2 - 9 车速传感器的 二作原理 车速传感器的输出信号一般是经里程表处理后，变成方波信号送给控制系 统。在本文的研究中，作者采用脉冲发生器来模拟实际的车速信号，耀于对控制 策略舱研究。 包 ，0 江苏穴学硬士学位论文 2 3 3 赢流电动机 e p s 麓童滚翘凌撬与般翁起淤奄辊在添褒主纂本稳瓣，毽一蔽采弱痰磁电 动机。为了降低噪声和减小振动，有的电动枫转子辨圜袋瓣开有斜槽。作为e p s 系统助力懿提供蠹，囊流电动机应当有较好的机械特性和调速特性。一般应满足 魏下要求。甜“3 ： 1 ) 尽可能宽的调速范围； 2 较小豹转动惯量； 3 ) 楚努豹低速平稳穗； 4 ) 体积小、淡量轻、噪声低； 5 ) 过鼗髓力强； 按照上述要求，本课题选用了赢流青鞠永磁电动机俸为e p s 系统酾劲力电 税，其王作的额定电压为1 2 砟额定电流为3 0 a ，额定转速为1 0 5 0 r m i n ，额定 埝出功攀为1 7 0 w , 额定转矩为1 4 8 n m 。 2 3 4 电磁离含器 电磁离会器安袈在逛动机鞠减速齿轮之溯，它的传爝主要是使邀梳与减速机 擒抉速篷结合亵分离。当系统王俸予璎力模式时，离合器使邀援与减逮齿轮翁合， 传遴魄枫的输出转矩。当系统率速高于设定慎戚电极电流满于设定值或露统出现 故障对，离会器又凝开电动机与减速迭轮的逡接，使系统停止动力，改为人工搡 睾，扶甭绦诞系绫黪安全犍葶嚣可靠霉薹。一觳静e p s 系统邋露采瑶于式攀片式电 磁离合器，它的结构如图2 - 1 0 所示，主要出电磁线圈、主动轮、从动祧、压板 123 i 一潺环2 一魄滋线匿3 一压寝4 一芯键弘一胰袭疆8 主礁轮7 一滚珠辘承 图2 - t 0 电磁离台器结构凿 1 6 江苏大学硕士学位论文 等组成 3 1 。其工作原理如下：装在电动机输出轴上的主动轮内装有电磁线圈，通 过滑环引入电流。当离合器逶奄时，电磁线圈产生的电磁力使压板与主动轮端面 压紧。予是，电动机的动力经主动轮、压板、花键、从动轴传给减速齿轮。1 。 2 3 5 减速机构 减速机构也是电动助力转向系统不可缺少的部件，减速机构的作用是降低电 动机的输出轴的转速，从蔚将电动视输出轴的输崽转矩放大后作用于转向输出 轴。目前实用的减速机构有多种缀合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动缎合 式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。两级行艨齿轮减速机构能提供 较大的助力，一般用于小齿轮助力和齿条助力式e p s 系统。蜗轮蜗杆减速机构 提供的勃力虽不如两级行腿齿轮减速机构的大，但已能满足微型车的应用需求， 加之其减速机构传动平稳、结构简单、体积小以及成本低，所以目前应用较为广 泛。为了穆制噪声和提高耐久性，减速机构中驰齿轮有的采用特殊齿形，有的采 用树脂材料剜成。在本课题的研究中，所选用的就是娲轮蜗杆减速机构，它是与 电动枫及电磁离合器集成为一体的一个总成枕构，如图2 - 1 1 所示”。1 。 1 蠛麓戆轮 图2 1 l 电枫、离合器、减速机构总成 2 。3 6 毫子控制单元e c u e c u 的功能是根据援矩传感器信号翻车速传感器信号，遴行逻辑分析与计 算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。由于e p s 系统处理的数据量还 不是很大，所以目翦的擦铡器核心一般采用8 位的单片机1 。”。现以昌河北斗星微 型车所用的e c u 来说明其控制结构( 如图2 1 2 示) 和工作原理”。 江苏大学硕士学位论文 p ，s 攘嬲蠼城喇接头雍蓝 1 e c u 控制模块2 簸控耦合器3 转矩传感器4 屏蔽线5 择噪器 6 车速曩程表7 瞽电池8 点火开关9 电机和离台器 图2 1 2 北斗羼e p s 控制器结构图 e c u 擦翩模块接收到a l 驰点火信号后，接通蓄电池电源，系统开始工作。 根据转矩傣感器a 8 ( 主信号) 、a 1 0 ( 副信号) 和车速传感器a 2 的输入信号，确定 助力控制的大小和方向，驱动电机转动( b 1 、b 3 ) 和离合器( a 6 、a 1 1 ) 的开断。 除此之外，p s 控制模块还具有故障露我诊断( a 1 2 ) 和安全防护功能。当系统 出现故障报警时，系统将停止助力擦制，并显示故障代码。 江苏大学硕士学值论文 北斗星e p s 控囊l 器接线段故障如袭2 1 。 袭2 一 憩萼黧e p s 燕澍嚣接线及数鬻表 端子号线路正常电压故障现象 a l 点火开关的w s 控制 o 1 4 矿 发动机怠速。 攘块电源 a 2v s s 爨示器重复德舞患火开关0n 时，在镂疰 l 誊轮骆状 0 - i v 翮4 6 v 态下，蓠炭轮鼹转动强快。 a 3 转矩传感嚣嘏源大约5 v点火开关on 时，检套终端a 之间 电压。 a 4 空自 a 5 “e s ，撩示汀 0 毫矿 发凌橇惠速，“e p s 摆示灯亮。 t 0 1 4 v 发动瓤怠逐。“e p s ”撂不好币蓊。 a 6 离合器输出+ l o 1 4 矿 发动机怠速，方彝摄湖定在车辆笔 ：黩前行位羲。 a 7 发动机速度傣号 a s 转瓶尊惑器( m a i n )大约2 5 v发蘸褪悫遮，方离盘潮定在车辆笔 童翦行经薰梭粪终端a 8 移a 9 之 间的电压。 a 9 转矩传感器( g n d ) o v a 1 0 转矩传感器( s u b ) 大约2 。5 v发动掇意逮，方向盎圈定在车辆笔 童蔫毒子链暨，梭豢终璀a 9 窝a 1 0 之 润豁邀越。 a l l 离合嚣输出。 0 v a 1 2 诊断开关终端 5 矿 点火开关o n 。 b l 露弧输出+ 5 7 矿 发动橇怠邃，方趣盘固定在车辆笔 囊蔻孬幢鋈。 b 2 支持电路抟s 控制 l o 1 4 v 发动机怠速。 模块电源 b 3 电机输出+ 5 。7 v 箴动机怠速，方向盘固定在率辆笔 囊蘸行使置。 b 4 接缝 2 4 本露小结 本章主要奔绍了邀动蘑力转离琴绞鳇工俸涿壤秘缍稳，讨论了e p s 瓣分类及 技术要求，间时给出了e p s 的数学摸掇。对课题研究中所麓到辩e p s 主要部件的 结构和工作原理做了介缎。 江苏大学硕士学位论文 第3 章电动助力转向系统控制器的设计 控制器e c u 是电动助力转向系统研究的主要内容之一，是控制策略实现的 硬件基础，控制器的硬件性能点接影响e p s 系统的控制效果。在研究了电动助 力转向控裁器的工作原理和结构的基础上，作者露行设计开发了硬件控制器 e c u 。控镪嚣的设计主要包括两大部分，一是数据输入通道，即数据聚集电路的 设计，二是控制输出通道，主要是电动机的控制电路。对于硬件设计中所采用懿 抗干扰措施，本章也傲了简要介绍。 3 ，1e p s 控制器的总体结构 设计的控制器总体结构框图如图3 1 示。 图3 - 1e p s 控制器结构框图 当控制器接收到汽车点火信号时，接通蓄电池电源，控制系统开始工作。汽 车在行驶过程中，e c u 采集转矩传感器和车速传感器的输入信号，根据已定的 控制规则，确定一个强标电流和电机转动的方向，并以p w m 调制的方式通过 壬 桥电路来驱动电机转动。同时，系统对电枫的输出电流进行采样，采样的结粟一 方面与强标电流褶t e 较，用于电机的控制；另一方西结合车遽信号，用予系统的 保护。若电机电流大于设定值或车速巍于设定傻时，为了保护电机和系统的安全， 控制器将对继电器发出一个控制信号，断开电机电源，停止助力，待系统正常后， 再恢复助力功能。 江苏大学硕士掌位论文 3 。2 控制器徽处毽芯片的选择 3 2 1 控鞠器徽处理勰鬻用芯凳及选型 作为汽车毫子技零轿究瓣熬f 1 谋纛之，鏊悉努穰多鞣炎挽褥寝裹校对控 制嚣的硬件设计进行了新的尝试和探讨，主簧体现在控制芯片的选择上。登前已 知鬻内开发的控制器主骚袋用功能增强型触8 位单片枫。这类帮片机一般集成了 丰窍豹努疆硬件资源，龆系统必需兹p w m 避遵、a d 采集邋遵等，而且运行遮 发丧较一般麓s 瘟蔫冀魂浚寝多，热文麸 1 7 1 1 1 8 选_ n 熬是8 0 c 5 5 2 ，文献【l9 】逸 爝的p h i l t p s 酶p 8 7 l p c 7 6 8 。藏於也有选髑d s p 作为主控蕊片的，如文献 2 0 1 聚阁的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 是t i 公镯专为数字电机控制和其能控糊应闵系统设 计翡低成、本嵩性能的1 6 位定点d s p 。 嚣蓠，瑷3 2 霞处壤器侉为豢性能嵌入式蓑统开发鼹核心已楚嵌入式技术发 矮熊必然趋势。a r m 娥壤器嚣萁突出鹣筑点在3 2 位徽控翎嚣矮域墨褥戮非常广 泛的应用，在3 2 位嵌入式系统应用中已稳膀邀界第一“。在汽牮电子技术领域， 从车身控制、底盘按制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统都 燕不开嵌入式技术懿支持”“，圜姥，a r m 处理器在汽车宅予镁域有若良好粒应 用裁豢。在磷究了奄动璐力转蠢系统( e p s ) 及萁燕裁器( 嚣e u ) 戆绣梅帮工作 原邋的基础上，本课题选用了s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o xa r m 攀片机作为控制嚣 豹微处理芯片。 3 2 2a r m 及s 3 0 4 4 b o x 芯埒贫绍 a 蠲睡公霹既不生产芯薏，也不镑德芯片，嚣是设诗懑离效戆瓣两棱，授 投给各个半导体公司使粥 半导体公司在a r m 技术的基础上，根据自己公司孵 产黼定位，添加自己的设计并推出芯片产品；最后出o e m 客户采用这些芯片袋 构建基予a r m 技术的凝终斑丽系统产晶。a r m 微处理器褥到了众多半导体厂 豢秘熬掇厂齑簸大力支转，全球已有1 0 0 多家疆公司采餍a r m 援零，2 0 家最 大的半导体厂商中有1 9 家是a r m 的餍户。优良的瞧能秘漆确的市场定位极大 的丰富了a r m 资源，加速了基于a r m 拨的面向各种应雳系绞芯片的开发斑藤， 使得a r m 获得了更广泛的应焉，确立了a r m 技术的市场领先地位。 江苏走攀磺士学位论文 s a m s u n g 公司$ 3 c 系列芯片楚豳