（车辆工程专业论文）电动助力转向控制系统设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文在调研各种结构的电动助力转向系统的基础上，对电动助力转向系统的 回正性能进行进一步的研究，建立了电动助力转向系统的回正模型，进行 m a t l a b 仿真，分析了各种影响因素，并提出相应的解决办法，为改善回正性能 提供理论依据。 在分析日本电动助力转向系统转向性能的基础上，本文设计了电动助力转向 系统电子控制单元( e c u ) 的硬件电路，包括信号输入电路和电动机驱动电路等。 为了使系统具有良好的转向性能，转向轻便并且有舒适的转向手感，本文根据扭 矩信号和车速信号采用一定的控制逻辑，配合软件控制助力的大小，给机械转向 系统提供合适的助力矩。 同时，本文重点研究了电动助力转向系统的回正性能，主要包括回正判断方 法和回正控制策略。当控制器识别出转向系统处于快速回正状态时，e c u 将电 机断路，使转向盘迅速的回到中间位置，并减小振动。 最后，对该控制器进行了台架试验，验证了本文提出的设计方法及控制策略 的可行性。结果表明，使用本文设计的电动助力转向系统控制器，转向盘转向轻 便、回正迅速，并且具有较好的转向手感。 关键词：电动助力转向，电子控制单元，控制策略，回正 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gs e v e r a lt y p e so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h e r e t u r na b i l i t yo fi ti sf u r t h e rs t u d i e d t h i sp a p e rc o n s t r u c t sr e t u r nm o d e lo fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，s i m u l a t e st h em o d e li nm a t l a b ，a n a l y z e ss o m ei n f l u e n c i n g f a c t o r s ，a n dp r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o r i m p r o v i n gr e t u r np e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs t e e r i n gp e r f o r m a n c eo fj a p a n e s ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) i sd e s i g n e di n t h ep a p e r , i n c l u d i n gt h ec i r c u i to f i n p u ts i g n a la n dd r i v i n gm o t o r e t c i no r d e rt oo b t a i n e x c e l l e n ts t e e r i n gc h a r a c t e ra n de a s ys t e e r i n gf e e l ，t h i sp a p e ru s e sak i n do fc o n t r o l l o g i ci ns o f t w a r et oc o n t r o lt h em a g n i t u d eo fp o w e rs t e e r i n gt oa s s i s ta p p r o p r i a t e l yt h e m e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m t h e n ，t h i sp a p e rg i v e se m p h a s i so nt h er e t u r r la b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ，m a i n l yi n c l u d i n gj u d g i n gw h e nt h es t e e r i n gw h e e lr e t u r n sa n da d v a n c i n gt h e r e t u mc o n t r o ls t r a t e g y w h e nt h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i tk n o w st h er e t u r ns t a t e ，i to p e n s t h ec i r c u i to ft h em o t o r , s ot h es t e e r i n gw h e e lr e t u r n st h em i d d l ep l a c eq u i c k l y , a n dt h e v i b r a t i o ni sl o w e r e d f i n a l l y , t h i se c u i st e s t e do nt h eb e n c h ，a n dt h ed e s i g n i n gw a ya n dc o n t r o l s t r a t e g yi nt h i sp a p e ra r ep r o v e dt ob ef e a s i b l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tu s i n gt h e p r o p o s e de c u o fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h es t e e r i n gw h e e li se a s y , a n dr e t u m q u i c k l yw i t hg o o ds t e e r i n gf e e l k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，r e t u r na b i l i t y , c o n t r o ls t r a t e g y , e l e c t r i cc o n t r o lu n i t i i 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，同意学位保留并向国家 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 保密囫，在碑解密后适用本授权书。 不保密口。 姗虢匆专做蹿 巧年占月步日 指导教师签名： 挪京色 口厂年6 月i r 日 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，均已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： 钰仪诲 j 日期：巧年6 月修e l 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车转向系统的发展历程 汽车转向性是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵 稳定性，它对于确保汽车的安全行驶，减少交通事故，以及保护驾驶员的人身安 全，改善驾驶员的工作条件等起着重要的作用。在汽车技术的发展过程中，转向 技术的发展基本经历了机械转向系统、液压助力转向系统( h p s ) 、电控液压助力 转向系统( e h p s ) 、电子控制式电动助力转向系统( e p s ) 以及线控电动转向系统 几个阶段【2 2 1 1 1 。 机械式转向系统 机械转向系统传递转向力矩的部件都是机械，主要由转向盘、转向传动机 构、转向器三部分组成，其基本功能是将驾驶员的手动转向操作转变为转向拉杆 的左右移动，从而带动车轮转动，实现汽车的转向。这种转向结构比较复杂，转 向费力。 液压助力转向系统( h p s ) 动力转向系统是在原有的机械转向系统的基础上增加助力转向装置，由驾驶 员的手动操纵力加上液压或电机助力来共同克服转向阻力。传统的液压助力转向 系统是由发动机驱动液压油泵提供液压油，由转向控制阀来控制液压油的作用以 实现助力。但在液压动力转向系统中，设计参数确定后，动力转向系统的性能就 确定了，不能再对其进行调节与控制，因此传统的液压转向系统难以兼顾汽车低、 高速两种转向性能，而且它需要转向油泵一直正常工作，不管有无转向要求。 电控液压助力转向系统( e h p s ) 对传统的液压助力转向系统进行电子控制，这就形成了电控液压助力转向系 统。在e h p s 中，正常转向时，电机低速运转，提供少量的液压油；当快速转向 时，电机加速，以提供足够的液压油；转向盘不动时，电机可停转或低速运转， 从而减少了能耗。 电子控制式电动助力转向( e p s ) 电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在转向盘上的扭矩 l 江苏大学硕士学位论文 信号和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助力，帮 助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的动力转向系统。e p s 能减少由路 面不平引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向性能，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操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状 况的变化，进而提高汽车的主动安全性，是汽车转向装置的发展方向。 线控电动转向系统 电动助力转向系统还需要机械转向机构作为转向基础，而线控电动转向系统 则完全取消了转向盘和转向轮之间的机械部分，靠电机提供全部的转向力。但是 线控电动转向系统存在安全隐患，因为当电路出现故障时，就会丧失转向性能， 不像e p s 还能依靠机械机构来转向。故线控电动转向系统对系统安全性和可靠性 的要求更高。至今这种线控电动转向系统还处于实验室研究阶段，也许这种转向 系统随着条件的成熟会得到重视。 1 2电动助力转向系统国内外发展情况剐 国外汽车公司对电动助力转向系统的研究已有2 0 多年的历史，但是以前一 直没有取得大的进展主要是因为e p s 的成本太高。近几年来，随着电子技术的 发展，大幅度地降低e p s 的成本已成为可能，再加上e p s 具有的优点，使得它 越来越受到人们的重视。 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。他们最初针对客车开 发出转向轴助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 开发也已获成功。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 s a 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 2 江苏大学硕士学位论文 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，其技术日趋完善，其应用范围已经从最初的大型 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 等 中型轿车已经安装e p s ，本田甚至在它的赛车上安装了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 不仅在低速和停车时助力，在高速 行驶时还能提高汽车的操纵稳定性。 国内的e p s 起步比较晚，清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学等高 校都在进行这方面的研究，在实验室台架试验上取得了一些进展，但是在试验车 上转向的效果有待改进：特别是在解决转向盘的振动，以及回正控制等方面还存 在着一定的问题，有待于进一步的深入研究，这也阻碍了e p s 产业化和市场化。 1 3 本课题研究的目的和意义 当今汽车技术的发展趋势是节能，环保和安全。电动助力转向系统由于具有 节能，无污染，成本低，转向性能好而受到业内人士的青睐。电动助力转向代表 了汽车转向技术的发展方向，今后将会在动力转向领域占据重要地位。 在世界汽车行业中，电动助力转向系统正以每年9 一l o 的速度发展。到 2 0 0 5 年，e p s 的产量将超过8 0 0 万套，如果条件成熟，电动助力转向系统或许 会完全代替液压助力转向系统。根据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的 汽车每三辆轿车中就有一辆装有电动助力转向系统。我国机械工业局汽车司1 9 9 9 年未来十年中国汽车工业产品与技术发展报告中，把电动助力转向系统列为 我国汽车工业积极开展研究的产品与技术项目。“十五 期间的国家8 6 3 电动汽 车重大科技专项己将e p s 列为子项目作为电动汽车优先发展的零部件产品。 电动助力转向系统作为近几年国内研究的热点课题，正吸引了许多汽车厂 家、学校、研究机构从事这方面的研究，最终的目的就是开发出具有自主知识产 权的e p s ，并能投入生产，填补国内的技术空白。 本课题是苏州科技厅资助，江苏大学与东风传动轴有限公司共同完成的项 目。我院负责电子控制模块的开发，一其余机械部分由东风传动轴有限公司完成。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 本课题是在参考国内外研究成果，特别是前几届研究生的研究成果基础上对 电动助力转向系统的一些难点问题进行进一步的研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析电动助力转向系统的结构，并建立相应的模型。从理论上对系统 的控制策略( 特别是回正控制) 进行了更深入的研究，并进行了仿真分析。 ( 2 ) 设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，制作p c b 图；用汇编语言 编写程序，并进行调试。 ( 3 ) 研究电动助力转向系统的控制策略，特别是回正控制以及阻尼控制， 解决转向系统的回正问题。经过一年多的努力，设计了回正判断的硬件电路，编 写了相应软件，实验表明t 新研制的控制系统回正性能有明显提高，转向盘转向 后自由回正迅速，且不会产生摆振。 ( 4 ) 对日本的e p s 进行台架试验，为本项目的研究提供宝贵参考。最后对 本课题组研制的e p s 进行台架试验，验正了e p s 的硬件电路及软件的可行性特 别是对回正性能的改进。 4 江苏大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统结构介绍 21电动助力转向系统的几种结构型式 电动机的结构型式很多，根据电动机驱动部位的不同，电动助力转向系统分 为：转向轴助力式，转向器小齿轮助力式和齿条助力式三种m ”。 图21 转向轴助力式电动助力转向系统 图21 为转向轴助力式电动助力转向系统原理图和实物图，其扭矩传感器、 电动机、离合器和转向助力机构都安装在转向轴上。当驾驶员转动转向盘时，电 控单元根据转矩信号和车速信号，控制电动机助力大小，然后经离台器，减速机 构传给转向轴，再经过齿轮齿条机构控制转向。其特点是结构紧凑，安装方便， 所测取的转矩信号与控制电机助力的响应性较好，这种类型一般在轿车上使用。 图22 为小齿轮助力式转向系统，它的电动机、离合器和转向助力机构安装 在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力，适用于中型车。但 是由于转向盘和转向器之间装有万向节，助力控制特性不是很准确。 图2 3 为齿条助力式转向系统，它的电动机、离台器和转向助力机构安装在 齿条处，用毗给齿条助力。该类型又分为两种：一种是电动机做成中空的，齿条 从里面通过，电动机助力矩经一对斜齿轮和螺杆螺母传动副以及与螺母制成一体 的铰接块传给齿条，这种型式结构复杂、成本高、维修困难。另外一种是电动机 与齿条是分开的，电动机动力经过另外一个齿轮传给齿条，也就是双齿轮驱动齿 条结构。齿条助力转向系统能提供更大的助力，主要适用于重型车。 江苏大学硕士学位论文 式转向系统 刚23 齿条助力式转向系统 22电动助力转向系统的结构介绍 ( b ) 电动助力转向系统主要由扭矩传感器、电动机、离合器、减速机构和电子控 制单元组成。以下分别介绍各个部分的结构和原理。 22 1 扭矩传感器 扭矩传感器主要测量转向盘上力矩的大小，它可分为电位计式、差动变压器 式和光电式这几种。 弋蕊 江苏大学硕士学位论文 1 c a ) 转向盘右转( b ) 转向盘在中间( c ) 转向盘左转 1 一电位计2 摆臂3 一导向销4 输入轴5 扭杆6 滑套7 斜槽8 输出轴 图2 4 电位计式扭矩传感器结构 2 2 1 1 电位计式扭矩传感器2 1 1 电位计式扭矩传感器有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。 摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到 转向力矩。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到 转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也兼起减速 传动机构的作用。扭杆式的工作原理是：扭杆将扭矩转化为转角，滑套将转角转 化为直线位移，电位计将直线位移转化为电信号。 如图2 4 所示为扭杆式扭矩传感器结构图，转向轴从中间断开，上部分为输 入轴，下部分为输出轴，扭杆连接输入轴和输出轴，固定在扭杆上的导向销插入 传感器滑套的斜槽中，导向销既可随扭杆一起转动，又可随滑套轴向移动。当输 入轴相对于输出轴转动时，扭杆发生扭转变形，同时，带动导向销转动，导向销 带动滑套沿轴向移动。这样，输入轴和输出轴的相对转动，就可转换成滑套的直 线运动。滑套沿输出轴的轴向运动，带动电位计摆臂摆动，电位计就输出一个相 应的电压信号。电位计式扭矩传感器就把转向盘的转矩的变化转换成电压的变化 送给电子控制单元。扭杆的扭转角度上限设定为4 0 左右，当超过这个角度时， 限位机构起到保护作用。 7 江苏大学硕士学位论文 图2 5电位计式传感器原理图 电位计的原理如图2 5 所示。传感器的两个输入端分别是+ 5 v 和o v ( 分别 是输入端1 和4 ) 。当转向盘处于中间位置时，传感器的两个输出端2 和3 上的 电压均为2 5 v ：当转向盘向右旋转时，其输出端2 上的电压大于2 5 v ，输出端 3 上的电压小于2 5 v ；当转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，输出电压2 减去 输出电压3 得到的差动电压值就可以用来表示转矩的大小和方向。差动输出电压 有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据扭矩传感器输出 差动电压的正负和高低，就可以判定转向盘的转动方向和转矩大小。由于扭矩传 感器输出的信号在o - 5 v 变动，故经过一定的信号处理后，可直接进行a d 转换。 图2 6 为扭矩传感器输出特性曲线。 量 4 1 v 、 7 i ? 研： i i i i i 、 i ，i j 一 1 08 6 42 2 46 81 0 左旋扭杆的扭曲角右旋 图2 6 扭矩传感器输出特性 2 2 1 2 差动变压器式扭矩传感器 差动变压器式扭矩传感器和电位计式扭矩传感器结构相似，也是把输入轴和 输出轴的相对转动转换成滑套的直线运动。不同之处在于，滑套外面还套着一组 线圈，滑套作为线圈的铁芯，就好像变压器一样。当滑套在线圈中来回运动时， 差动变压器的初、次级线圈的互感系数发生变化，这样就把转矩信号转换成线圈 的电压输出信号，其正负号就表示转矩的方向。 8 江苏大学硕士学位论丈 2 2 1 3 光电式扭矩传感器2 0 1 如图2 7 ( a ) 所示，光电池一侧( 将光能转变成电能) 的光码盘a 固定在 扭杆的一端，发光管- - n 的光码盘b 通过套筒固定在扭杆的另一端。当扭杆两 端承受转矩作用时，扭杆便产生扭转变形，光电感测装置将与转矩大小成正比的 扭杆变形角度转换成电压信号。图( b ) 为光电式传感器的光电感测装置，发光 管发出的光经过光码盘b 的扇形孔归整成扇形光斑，再经光码盘a 的扇形孔照射 在两块光电池上。当扭杆处于自由状态时，照射到两块光电池上的扇形光斑面积 相等：当扭杆产生变形时，扇形光斑便在光电池上移动，即两光电池的受光面积发 生变化，从而光电池输出电流变化。 光码蠡b 光 ( a ) 原理图( b ) 检测元件 图2 7 光电式扭矩传感器原理示意图 发光首 2 2 2 离合器 电磁离合器的结构如图2 8 所示，主要由电磁线圈、主动轮、从动轴、压板 1 滑环2 一电磁线圈3 压板4 花键5 从动轴6 一主动轮7 滚珠轴承 图2 8 电磁离合器结构图 9 江苏大学硕士学位论文 等组成。工作时，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电磁吸力，带有花 键的压板就被吸引，并与主动轮压紧，于是电动机的输出转矩便经过电机输出轴、 主动轮、压板、花键和从动轴传递给减速机构。如果超过规定速度，离合器可以 分离，不再传递电动机的动力。在系统发生故障时，离合器分离，又可恢复手动 控制转向。 2 2 3 减速机构 减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构 和双行星齿轮减速机构。前者主要应用于转向轴助力式转向系统，后者主要应用 于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。蜗轮蜗杆减速机构传动平稳、结构简单、 体积小以及成本低，应用较广泛。 2 2 4 电动机 助力电动机是电动助力转向系统的执行部件。e p s 控制系统需要根据不同的 工况产生不同的助力转矩，并应具有良好的动态特性和可靠性。因此，电动机的 机械特性和调速特性的要求很高，要求电动机噪声低、低转速大扭矩、波动小、 转动惯量小、尺寸小和质量轻。本系统选用直流永磁有刷电动机作为e p s 的控 制电机，额定电流为3 0 a ，额定电压为1 2 v ，额定转速为1 0 5 0 r r a i n ，额定输出功 率为1 7 0 w ，额定转矩为1 4 8 n m 。 2 3本章小结 本章主要介绍了电动助力转向系统的几种结构型式，讨论了电动助力转向系 统各部分的结构和原理，针对本课题选用的电位计式扭矩传感器、离合器、蜗轮 蜗杆减速机构和电动机作了一定的分析和介绍，从而对电动助力转向系统有了感 性的认识。 l o 江苏大学硕士学位论文 第3 章电动助力转向系统的回正模型 9 t t z 蛆_ r p 齿轮齿条机菊 图3 1电动助力转向系统模型 以包+ c ，免= t o + 死一 ( 3 1 ) 式中以一转向轴的转动惯量； 见一转向轴的旋转角； 江苏大学硕士学位论文 e 一转向轴阻尼； 乃一电机助力矩； 瓦一转向盘上的转向力矩： 乙一轮胎及齿轮齿条机构等对转向轴的反作用力矩。 其中 瓦= g g a ，一乙s g i l ( c o 。) 】 2 + 乙s g n ( o ，) z 堋见一幸 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中g 一减速机构的减速比： 疋一电机的扭矩系数； ，一电机电枢电流； l 一电机的摩擦损失力矩； 国，一电机的转速； 轮胎转向阻力及回正力矩等作用在转向轴上的反作用力矩； 乙一齿轮齿条的摩擦损失力矩。 c 一扭杆上测得的扭矩值； k ，一扭杆刚度系数； x 齿条位移； r 口一小齿轮半径。 将式3 2 和式3 3 代入式3 1 ，得 j ，见+ e 只= 瓦+ g 疋，一一g 。乙s g n ( c a 。) 一乙s g n ( o , ) ( 3 5 ) 由于 s g n ( 石o ，) = s g n ( o , )( 3 6 ) 把式3 6 代入式3 5 得： 以见+ c 见= 瓦+ g 疋，一一( g 乙+ t ) s g l l ( ) ( 3 7 ) 当驾驶员没有输入转向力矩，即瓦= 0 时，系统主要取决于轮胎对转向轴的 1 2 江苏大学硕士学位论文 反作用力矩瓦协，以及整个摩擦损失力矩“g l + i ”；当轮胎回正力矩小于整 个摩擦损失力矩时，转向盘就回不到中间位置，汽车将沿着不确定的路线行驶， 直到驾驶员把转向盘转到中间位置。这种现象往往发生在汽车低速行驶时在正常 的转向之后。为了克服摩擦所带来的损失，我们可以根据这个损失量对电机助力 矩进行适当的补偿，从而输出理想的助力矩。 电机的摩擦补偿力矩如下式所示： 0 = k f s g n ( c o 。) ( 3 8 ) 式中丁，一电机摩擦补偿力矩； k ，一摩擦补偿系数，它是一个常数。 电动机的回正补偿力矩与电动机的转速变化率有关，电动机转速变化的越大 表示回正越快，可由下式表示： z = k ，d c o 。d t ( 3 9 ) 式中z 一电机回正补偿力矩； k ，一回正补偿系数。 摩擦补偿和回正补偿都是缈。的函数，随着它的变化而变化。其补偿系数可 以在试验中调节。 3 2 电动机模型 永磁直流电机的等效电路如图3 2 所示，由电机特性可得 _ - i u ：l 雯+ 融+ k b 。 d t u ” 图3 2 电动机等效电路 1 3 ( 3 1 0 ) 江苏大学硕士学位论文 z r n - j r , , 等帆( 3 1 1 ) 式中 u 一电机端电压： 三一电机电感； r 一电枢电阻； ，一电机电流； 瓦一电机反电动势常数； l 一电动机的输出转矩。 l 一电动机转动惯量； b 。一电动机粘性阻尼系数； 缈。一电机角速度。 而电机的输出力矩乙则与电机的电流，成正比，即 乙= k 。i ( 3 1 2 ) 式中，k 。一为电机转矩系数。 对式3 1 0 ，式3 1 1 及式3 1 2 进行拉氏变换得： u ( s ) 一k 6 国。( s ) = ( l s + r ) ，( s ) ( 3 1 3 ) 乙( j ) = ( d 。j + b m ) c o 。( j ) ( 3 1 4 ) l ( s ) = k 口，( s ) ( 3 1 5 ) 3 3 直流电机的脉宽调制( p w m ) 图3 3 是利用直流电动机进行p w m 调速控制的原理图和输入输出波形图。 图中当开关管m o s f e t 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电机电枢绕组 两端有电压u s ；r 。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端 电压为0 。t ：秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。 这样，对应着输入的高低电平，直流电动机电枢绕组两端的电压平均值砜为 即鬻2 争岍玑 ( 3 1 6 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 式中a 占空比，口2 争，o 口1 。 童诡电动l f l q 迥一 o ( a ) 原理图( b ) 输入输出电压波形 图3 3p w m 调速控制原理和电压波形图 占空比口表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。由式3 1 6 可知，当电源电压u ，不变的情况下，电枢的端电压的平均值砜取决于占空比口 的大小，改变口的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。本文中 直流电动机采用的是单极性驱动可逆p w m 系统，以克服双极性可逆系统电流波 动大，功率损耗较大，以及开关管直通的危险。单极性驱动方式是指在一个p w m 周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。 根据脉宽调制的工作原理，当控制电压改变时，p w m 变换器的输出电压要 到下个周期方能改变。因此，脉宽调制器和p w m 变换器合起来可以看成是一个 滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期丁。当整个系统开环频率特性截止 1 频率满足式q 寺时，可将滞后环节近似看成一阶惯性环节。因此，脉宽调制 j 器和p w m 变换器的传递函数可以近似看成【5 】 舶) = 舞 式中k 尸删脉宽调制器和p w m 变换器的放大系数， _ p w m 变换器的输出电压： ： = 琶； ( 3 1 7 ) 江苏大学硕士学位论文 u 。脉宽调制器的控制电压。 3 4电机模型的sim u lin k 仿真 根据电动机模型及p w v l 传递函数得到图3 4 的控制模块框图，转向盘的输 入力矩瓦经过回正补偿和摩擦补偿后，应用p i 控制，输出p w i v i 波，以控制电 动机转动，电动机的输出转矩经过减速器的放大后，加上转向盘力矩作为总的输 出力矩。图3 4 中，g 为减速器的传动比，t 为总的输出力矩。本文参考文献3 1 ， 得到电动机的参数如下： 图3 4 电机模型控制模块框图 电动机反电动机常数：k 。= 0 0 6 v r a d 一s ； 电动机转矩系数：k 。= 0 0 6 n m a ； 电动机电感：l = 0 0 0 0 2 7 h ； 电动机电枢电阻：r = o 1 6 8 q ； 电动机转动惯量：j m = 0 0 2 k g m 2 ： 电动机粘性阻尼系数：b m = 0 0 0 3 4 n m r a d 一s ； 减速器的传动比：g = 1 6 5 。 对图3 4 模型用s i m u l i n k 进行仿真，在转向盘输入一定力矩后，释放转向 盘，用阶跃信号模拟得到图3 5 的结果。从图中可以看出，加上补偿后转向盘回 正速度比未加上补偿时快，提高了转向灵敏性，缩短了收敛时间。另外，加上补 1 6 江苏大学硕士学位论文 偿后，在转向盘力矩增大时，由于增加了摩擦补偿量k _ r ，因此电动机的助力更 大，效果更好。 5 口 4 5 、4 0 3 5 ； 3 口 己2 5 卜- 美、2 0 二 1 5 ：j，1 口 5 一： 0 - ；【 i 1 1 l 7 i h 害店 ， ，- “ k m 1 r 僭 i ， 、义；。1 】 ；。 。2 ，。3 45 ，6 。 7 ，8 9 1 _ ji j i j ：i 。j 点。一。一it ( s 气。：，。j。 3 5 本章小结 图3 5 输出力矩曲线 本章建立了电动助力转向系统的回正模型，在原有助力基础上增加了回正补 偿量和摩擦补偿量，使转向盘加速回正，并应用s i m u l i n k 仿真在理论上证明了 这种方法的正确性，对于应用软件解决回正问题具有很好的指导作用。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第4 章e p s 硬件电路设计 电动助力转向控制系统的设计主要包括两部分：硬件系统设计和软件系统设 计，硬件包括单片机系统及其外围电路的设计：软件包括控制策略和控制程序的 设计等。电子控制单元e c u 的输入量主要包括：扭矩信号、车速信号以及发动 机转速信号；输出控制量是输入电机的电流。电子控制单元根据转向力矩和车速 信号( 或发动机信号) ，采用一定的控制策略，控制电动机的驱动电流方向和大 小，在每一种车速下都可以得到最优的转向助力力矩，使其具有良好的转向手感 和回正效果。 4 1e c u 电路简介 图4 1 日本三菱e p s 控制模块接线图 半l 适合右驾驶车辆宰2 适合左驾驶车辆 1 一e p s 控制模块2 一监控耦合器3 扭矩传感器4 一屏蔽线5 一抑噪器6 一车速里程表 7 一蓄电池8 一点火开关9 一电机和离合器 1 8 江苏大学硕士学位论文 图4 1 为日本三菱e p s 控制模块和外围设备接线图，a 3 和a 9 给扭矩传感 器提供5 v 电压，扭矩传感器的输出信号从a 8 和a 1 0 经屏蔽后传送给e c u ，信 号屏蔽主要防止外界信号对扭矩信号的干扰；发动机信号经过抑噪器的滤波后从 a 5 口输入e c u ；而车速信号从车速里程表上直接采集，信号通过a 2 口传送给 e c u ；点火信号从a 1 口输入，而整个控制模块的电源则由蓄电池经过保险丝保 护后获得；b l 和b 3 两端控制电机的输出扭矩和转向，而a 6 和a l l 控制离合器 的分离与结合。监控耦合器主要对整个控制模块实时监控，防止意外事故的发生。 作者设计的e p s 电子控制单元( e c u ) 如图4 2 所示，汽车点火开关接通后， 微机使继电器闭合，蓄电池电源就加载给电动机驱动电路。微机根据扭矩信号、 车速信号，采用一定的控制算法计算出占空比，经过h 桥驱动电路，对电机进 行调速，以给机械转向系统提供相应的助力矩。电动机的转动方向则由两路扭矩 信号决定，对两路扭矩信号判断后，微机向v m o s 驱动电路发出控制信号，再 由v m o s 驱动电路控制h 桥，向电机提供不同方向的电流。电动机回路中串联 一个小阻值电阻r 采样电机电流，r 两端的电压与电流成正比，该电压送电流保 护电路，作为电流判断的依据，电流过大时令p w m 值等于零，断开电机回路， 并切断继电器，这样就可以保护电机。 图4 2 硬件电路框图 1 9 江苏大学硕士学位论文 4 2c p u 选择邮1 为了减少外围电路，我们选用了p 8 7 l p c 7 6 8 单片机作为系统的中央控制器。 p 8 7 l p c 7 6 8 是2 0 脚封装的单片机，可以在宽范围的性能要求下实现高集成度、 低成本的解决方案。p 8 7 l p c 7 6 8 也是m c s 5 1 系列的单片机，但是它的指令执行 速度为标准8 0 c 5 1 m c u 的两倍。它的主要特性如下： 操作频率为2 0 m h z 时，除乘法和除法指令外，其指令执行时间为3 0 0 - - - 6 0 0 n s 。 = 4 5 川o v 时，时钟频率可高达2 0 m h z ：v d d = 2 7 - 4 5 v 时，时钟频率 最大为1 0 m h z 。 4 通道1 0 位脉宽调制器( p w m ) 以产生可编程的脉冲和间隔宽度，可进行电 动机调速。 4 通道多路8 位a d 转换器，a d 转换器电路包括一个4 输入模拟多路开关选 择器和一个8 位逐次逼近a d c ，在振荡器频率厂蛳= 2 0 m h z 时，转换时间为9 3 t s 。 4 k 字节的o t p 程序存储器，1 2 8 字节的r a m 。 2 个1 6 位定时计数器。 内含两个模拟比较器，可用来比较两路扭矩信号，判断转向盘转动方向。 八个键盘输入，另外2 路外部中断输入。 4 个中断优先级。 。 具有内部看门狗。 可编程i o 口输出模式：准双向口、开漏输出、上拉和只有输入功能。可选 择施密特触发输入。所有口线均有2 0 m a 的驱动能力。 温度范围4 0 ( 2 到8 5 ( 工业级) ，完全可以满足汽车上恶劣的工况。 单片机的管脚及外围接口电路示意图如图4 3 所示，扭矩信号1 、2 传给单 片机的a d o 、a d l 口进行a d 转换；发动机信号以及车速信号传送给单片机的 两个外部中断口( i n t 0 和i n t l ) 来测量大小；单片机的2 0 脚控制继电器的通 断；而单片机的1 、2 脚控制电动机的转动方向，以确定助力的方向；电动机的 助力大小则由单片机的其中一个p w m 输出口p w m l 来控制；单片机的外部晶 振选择频率为2 0 m h z 。 江苏大学硕士学位论文 i c 2 8 7 l p c 7 6 8 正反转控静信号1l 2 0 继电罟 r o正反转控融信号22 c m p 2 c i n 2 b 勿p p w m3 阿m 2c i n 2 a 1 9 一i 广“ 一 4 p w m ip 砌a d o 1 8 转矩靠 5 盯f p l 5a d l 1 7 转矩矗 兹兰 - l v s sc m p r e f 1 6 61 5 u 1 _ j _ 7 x lv d d 1 4 | 1 车速信号8 x 2c m p l 1 3 1 1 0 发动机信号l ： p 1 4。pml 1 2 i 盯r 0 p 1 0 肪 2 7 p 。1 。 t d p l l ，r d l 图4 3 单片机管脚及外围电路示意图 号 4 3 扭矩信号处理电路 如图4 4 所示，扭矩传感器的一路扭矩信号经过滤波钳位后，送给单片机进 行a d 转换。c 2 2 、c 2 0 、r 2 2 进行滤波，而d 5 、z 1 3 是钳位二极管，选用肖特 基管。当输入转矩信号大于5 2 v 时，d 5 导通，传给单片机的a d l 信号保持在 5 2 v ；当输入转矩信号小于0 2 v 时，z 1 3 导通，a d l 信号恒定在0 2 v ，这样就 将输入扭矩信号钳位在0 2 v 5 2 v 之间。c 2 2 、c 2 0 、r 2 2 构成的滤波电路主要 消除扭矩中的高频信号。另外一路扭矩信号处理电路与图4 3 相同。两路扭矩信 号经a i ) 转换后相减，其差值既反映扭矩的大小，又反映扭矩的方向。 i 图4 4 扭矩信号处理电路图 2 l 江苏大学硕士学位论文 4 4 车速传感器及车速信号整形电路 4 4 1 车速传感器 电动助力转向器的控制有两种型式f 2 】j ：一种是根据车速信号来控制助力大 小，叫做车速型控制器；另外一种是根据发动机转速控制助力大小，叫做转速型 控制器。目前最常用的是车速型控制器，可直接由电子仪表盘上取出车速信号。 电动助力转向系统在不同的车速下，电机的助力力矩是不同的： ( 1 ) 当原地转向或汽车掉头时，转向阻力大，应充分发挥助力效果，电机 输出力矩增幅大。 ( 2 ) 在相同的转向力下，随着车速的提高，电机的输出助力力矩逐渐减小。 ( 3 ) 在车速很高时，助力部分基本不起作用，保持较好的路感。 因此，车速信号是e c 0 控制电机助力大小的重要依据之一。由于未能装车试 验，在实验室中采用信号发生器产生脉冲信号模拟车速。 4 4 2 车速信号整形电路 如图4 5 所示，车速信号处理电路由比较器l m 3 1 l 、电容c 2 3 、二极管d 7 和电阻r 2 0 、r 2 4 、r 3 1 、r 3 4 、r 3 8 组成。r 2 4 ，r 3 1 分压后得到比较器的比较 基准电压：当输入信号大于5 v 时，d 7 截止，l m 3 1 1 负输入端的电压通过r 3 4 上拉成5 v ，对比较器具有保护作用；c 2 3 和r 3 8 起滤波作用；r 2 0 是外部上拉 电阻。车速信号经过滤波后，通过比较器l m 3 1 1 电路整形，形成规则的脉冲信 芎 图4 5 车速信号整形电路图 江苏大学硕士学位论文 号，传给单片机，由单片机测量脉冲的周期或者频率，得到车速大小。发动机信 号采用同样的电路处理。 4 5h 桥电路 绝大部分直流电动机采用开关驱动方式，开关驱动方式是使半导体器件工作 在开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电动机电枢电压，实现调速。如图4 6 所示，为了控制电机的正反转，采用h 桥电路作为电机驱动电路，在该电路中， 采用四个n 沟道增强型v m o s 管。在要求直流电动机正转时，在开关管m 2 的 栅极与源极间施加高电平使其常开，开关管m 5 栅极与源极间施加p w m 控制信 号；而开关管m 3 、m 4 栅极与源极间施加低电平，使它们全部截止。在要求直 流电动机反转时，开关管m 3 栅极与源极间施加高电平使其常开，开关管m 4 栅 极与源极间施加p w m 控制信号：而开关管m 2 、m 5 栅极与源极间施加低电平， 使它们全部截止。v m o s 管要求的栅极驱动电流很小，可看作电压控制型器件， 它具有开关速度快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿的优点。 一 图4 61 t 桥电路图 当要求电动机正转时，在每个p w m 周期的卜r l 区间( 如图3 3 ) ，m 5 导 江苏大学硕士学位论文 通，电流流经m 2 、电动机、m 5 ，电动机处于电动状态；在每个p w m 周期的t 。一f 2 区间，m 5 截止，电流在自感电动势的作用下经m 2 、电机、d 3 形成续流回路， 电动机工作在放电状态。 4 6 正反转控制逻辑电路 如图4 7 所示，逻辑门电路由三个或非门4 0 0 1 和两个三输入与门4 0 7 3 组成。 或非门4 0 0 1 的3 脚控制开关管m 3 的通断( 见图4 6 ) ，而4 0 0 1 的4 脚控制开关 管m 2 的通断；与门4 0 7 3 的9 脚控制开关管m 5 的通断，而4 0 7 3 的6 脚控制开 关管m 4 的通断。p o 0 、p 1 7 控制四个v m o s 管通断的逻辑关系如表4 1 所示， 表中“0 ”表示v m o s 管截止，“1 表示v m o s 管导通。当p 0 0 、p 1 7 都为0 时，四个开关管都截止，电机断路，电机不助力，此时可以进行回正控制，尽量 保持机械系统原有的回正特性。当p o 0 、p 1 7 都为1 时，m 2 、m 3 截止，而m 4 和m 5 导通，使电机反电动势电流短路，产生阻尼。阻尼控制是汽车运行时为提 高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏， 会影响汽车的行驶稳定性，为提高行驶的稳定性，可以在死区范围内