（车辆工程专业论文）电动助力转向控制策略的研究与检测电路的设计(1).pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着汽车和电子技术的发展与进步，汽车的转向系统经历了机械式转向、液压助 力转向以及电动助力转向几个历程。汽车的动力转向系统是设有助力机构的转向装置， 其目的是为了减轻驾驶者的操纵力。电动助力转向系统( e p s ，e l e c t r i cp o 、e rs t e f 咖g ) 是 将先进的电子技术和电机控制技术应用到汽车转向系统中，不以发动机作为直接动力 源，而是用电机控制的助力转向方式。电动助力转向可以改善汽车的动态和静态性能、 减少能耗和对环境的污染、提高驾驶员的舒适性和安全性。因此，对电动助力的研究和 开发具有深远的意义。 本文的目的是在电动助力转向机械结构、及现有传感器的信号处理电路和系统的控 制电路的基础上，设计系统的检测电路，并在完成硬件电路的前提下，实现系统的控制 策略和软件，为电动助力转向系统的进一步完善提供实验基础和借鉴。 在论文的写作过程中，首先对直流电机、微控制器和传感器等进行了深入的研究， 在理论基础上，设计了系统的安全检测电路。通过对电路的仿真和电路板的检测，证明 了硬件电路的可靠性。随后进行了控制策略和控制软件的设计，完成了助力表、电机目 标转矩和电机电流的p d 控制。之后，利用完成的软硬件模型，进行了台架实验，对助 力控制及回正控制进行了实验研究，获得了转向过程中转向阻力矩与助力电机的电流之 间的对应关系，以及有无回正控制时e p s 系统的转向盘转角与时间的对应关系。 从实验的结果来看，安全检测电路运行良好，报警及时：电机电流的变化趋势与转 向阻力矩的变化趋势基本吻合；回正控制缩短了转向效果良好，说明了系统软件和控制 策略的设计的正确、有效。 关键词；电动助力转向；检测电路；控制策略；软件；助力控制：回正控制 皇麴墅查茎塑! 篓! 篁堕盟堑塞量笙翌皇塑塑塑盐 s t u d yo nc o n 订o ll o g i co fe 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i l l g a n d d e s i 弘o f d e t e c 恤gc h u i t a b s t r a c t 肖j o n gw i mt l l ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r c s so ft 1 1 e 卸t o m o b i l ea n d 也ee l c c 仃o n i c s t e c h n o l o g y ，也es t e e r i n gs y s t e mh 邪e x p e r i e n c e dm a n y 啪唁ss l l c h a sm e c h a n i c a ls t e e 血岛 h y d r a u l i cc o n t r o ls t e e 而1 9 a i l de l e c t r i cp o w e rs t e 嘶n g t h ep o w c rs t e e r i n gs y s t e mh 鹊a n a s s i s 血go r g a n ，w h i c hc a nl i 曲t e n 也e “v e r ss t e e 血gf o r c e e p s l e c t r i cp o w e rs t e d 曲 u s e sa d v a n c e de l e c 仃o n j c st e c h i l o l o g y 趾dm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yi n 也es t e e r i n gs y s t e m ， t h ed i r e c t p o w e rs 0 1 l r c e i s n o t 也e c n g 岫b u t 也e d c m o 衙e p sc a l l i m p r o v e t l l ed y n 锄i ca 1 1 d s 协廿cp e r f o r m a n c eo f 也ea m o m o b i l e ，r e d u c ee n e r g yc o s ta n dp o l l u t i o n ，i i n p r o v et 1 1 ed r i v e r s c o z i n e s sa n ds e c u r i t y s ot l l er e s e a r c ha i l dd e v e l o p m e to ne p sh a sf h r e a c h i n gm e a l l i i l g b a s e do nm em e c h a n i c a ls t 丌l c 恤r eo ft 1 1 ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，s e n s o r s s i g n a l d i s p o s a lc i r c u i t sa n dc o n t r 0 1c i r c l l i to ft h ew h o l cs y s t e m ，也i sp 印e ra i la td e s i g n i n g 血e d e t e c t i n gc i r c 诚s ，t 0c o m p m e 也ew h o l es y s t e m sc o n 舡o ls t r a t e g ya 1 1 ds o r w a r ew t l i c ha r e s l l i t a b l ef o r t h eh a r d w a r e ，t 0p r o v i d ef o u n d a t i o na n dr e f 音r e n c ef o rm ee p ss y s t e m s p e d b c t i o n 0 n 也eb a s i so f 也e 也e o r yo f d cm o t o r ，c o n 艋n l ka n ds e n s o r s ，t h e 洲i n gc 证c u i th a s b e e nd 瞄i 掣l e d t h er e l i d b i l i 可o ft h ec i r 嘶th a sb e e ne x a l n i l l e dt h r o u 曲t 1 1 ei m i t a t i o n 趾d c h e c kt o 也ec i r c 诚b o 缸d l a t e r ，也ec o 曲o ls t r a t e g y 趾dt l l es o 脚甜eh a v eb e e nd e s i g n e d ，t 1 1 e 删嘧a r y 伽g e t i s t og e t 也ea s s i s t i n g t a b l e ，a s s i s t i n g t o r q u eo f 也e m o t o ra i l d p dc o n t r 0 1o f t h e c 啪m f i n a l l y ，t l l et e s to nt 1 1 ep l a t 最 mh a sb e e nc a r r i e do u t ，w h i c hc a ng e t 也er e l a _ 【i o n b e “v e e nt 1 1 es t e e r i i l gr e s i s t 8 n c e 姐d 也ea s s i s t i n gc u r r e n t 邪w e l la sg e tn l er e l 撕o nb e 脚e e nt h e s t e e r i n g 觚西ea n dt h et i m ei np r o c e s so f r e t i l m a b l ec o n t r o l t h et r e n do f 也em o t o r ，sc u r r e n t 趾ds t c e r i n gr e s i s t a n c er e s e m b l e si 1 1p 血c i p l ea n dt l l e r e t u m a b l ec o 曲o lw o r kw e l l ，w h i c hp r o v e st 1 1 ed e s i g no f t h es y s t 锄i sc o n c ta 1 1 dr e l i a b l e 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 g ：d e t e c t i n gc i r c u i t ；c o t r o il o g i c ；s o f t w a r e ； a s s i s t a n tc o n t r o l ：m t l i m a b l ec 蚰t r o l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：硷! ：! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名：寄衣锾 竺兰年上月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 汽车转向系统是用于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的改变其行驶方向，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。 1 1 汽车动力转向技术的发展 驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。按转向的动 力来源，汽车的转向系统可分为机械式转向和动力转向。机械式转向系统是以人的体力 为能源的，所用的力传递部件都是机械的，它主要由操纵机构、转向器和转向传动机构 组成。转向器的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机 械转向系的基础上增设了一套转向助力机构，它兼用驾驶员的体力和其它动力作为转向 能源。1 9 5 1 年克莱斯勒公司最先在轿车上采用液压助力转向，标志着轿车应用动力转向 技术的开始【1 1 【2 】。 液压助力转向是利用油泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整压力油的流量，根 据汽车的行驶状态，控制转向系统。在汽车转向过程中，转向动作仍然由驾驶员完成， 动力转向系统的油压只对转向起辅助作用。液压助力转向所起的作用大小主要取决于油 压的高低，因此系统中对油的流量控制最为重要。其控制方式有机械控制式和电子控制 式。 机械控制式是根据车速或发动机转速进行控制，最早使用的是在油压系统中用螺线 管改变油路通道面积，以此控制动力转向系统中油的压力。 电子控制式是根据汽车的运行状态控制动力转向辅助系统的工作。例如根据行驶车 速、转向工作量( 方向盘转角、方向盘转向速度) 以及车轮侧滑量等因素，控制转向过 程中辅助系统的油流量。 但是，不论是机械控制式还是电子控制式的液压助力，转向系统工作时，液压泵都 持续运转，由于驱动液压泵工作的动力源是发动机，这样就要消耗发动机的一部分有效 功率。 为了降低燃油消耗、解决环保方面的问题，提出了不以发动机作为直接动力源，而 是用电机控制的助力转向方式。这种助力方式被称为电动助力转向( e p s ，e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g ) 。它具有传统转向系统不可比拟的优点【3 。5 】：没有液体渗漏和再循环，没有 泵、输液软管、驱动皮带、液体储存箱，便于安装，附加损耗低，无需维护。 电动助力转向已经有较长的历史。1 9 8 8 年在日本的微型汽车上已经开始采用光洋公 司的电动式动力转向产品。电动助力转向根据助力形式不同可以分为三种，转向柱式助 力、齿轮式助力和齿条助力。 1 2 国内外汽车电动助力转向系统的发展m 1 在欧美、日本等汽车工业发达的国家，汽车电动助力转向系统的研究已经趋于成麴 和完善。自1 9 9 6 年以来，采用电动助力转向的车型不断增加，并开始向大排量的车型 普及。预计到2 0 0 6 年安装e p s 的装车率将超过4 0 ，特别是在非常注意环境保护的欧洲 预计将超过5 0 。在日本，许多车型尤其是微型车都采用了电动助力转向，例如铃木的 m rw a g o n 、本田的f i t 、大发的姒x 以及丰田的混合动力车p r i u s 等。世界各大汽车厂 商对e p s 的开发都极度重视。 本田公司认为：e p s 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必要条件。电 子控制是汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系统才能向高度集成 的综合性控制方向发展。 t r w 公司认为：从长远的发展来看，目前轿车上广泛使用的h p s ( 液压助力转向) 将被淘汰，取而代之的是e p s 。t r w 公司估计，到2 0 1 0 年，全世界轿车的动力转向系统 中，e p s 占l 3 。 英国卢卡斯公司认为：e p s 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于h p s 来说无 疑是一场技术革命。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、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”之一。 在国内，由于汽车工业的起步较晚，还没有成熟的电动助力转向系统的产品。许多 科研院所和高校都在积极进行汽车电动助力转向的设计和研究。 1 3 电动助力转向的基本构成及其工作原理 下图l 是一个转向柱式助力转向系统的结构模型。它主要由电控单元( e c u ) 、助 力电机、减速机构、车速传感器、扭矩传感器等组成。控制单元根据各传感器的输入信 号确定电机的助力扭矩，并驱动控制电路控制电机 9 】。 大连理工大学硕士学位论文 图l _ 1 电动式助力转向系统结构模型 f i g 1 1m o d e lo f 廿1 ee p s c t u r e 电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，系统由转向传感装置( 包 括车速传感器和转矩传感器) 、助力机械装置、助力电机以及控制单元等组成。 电动助力转向系统工作时，转向传感装置检测到转向轴上的转动力矩及其转动方 向，与车速传感器检测得到的车速信号一起不断地被输送到微控制单元，该控制器通过 对数据进行分析，以决定转向方向和所需要的最佳助力值，然后发出相应的指令给驱动 电路，从而驱动助力电机通过助力装置实现转向。通过精确的控制算法，可以任意改变 电机转矩大小，使转向机构获得所需要的助力值。 1 4 电动助力转向的关键技术“1 电动助力转向与转向轻便性，路感，舒适性及安全性密切相关，当前电动助力转向 关键技术主要包括一下几个方面。 1 4 1 助力特性 助力特性关系到转向轻便性与路感，对于路感问题国内外上还没有成熟的理论研究 结果，研究手段主要以实验为主。助力特性试e p s 的控制目标，助力特性是否合理决定 这e p s 的助力性能。e p s 的助力特性属于车速感应型，主要有全速型和低速型两种。全 速型是指e p s 在任何车速下都提供助力。低速型是指e p s 只在低速时才提供助力，当车 速超过某一预定直时，e p s 停止工作。低速型在e p s 的初期阶段用得较多，其优点是对 电动助力转向控制策略的研究与检测电路的设计 系统要求相对较低。缺点是不能改善汽车的高速稳定性。全速型的优点是能提高汽车的 高速操纵稳定性，缺点是对系统的要求相对较高。 1 4 2 电动机与传感器技术 电动助力转向迅速替代液压动力转向主要归功于电动机技术，电子技术和控制理论 的发展。2 0 世纪8 0 年代高能量钕磁材料的引入，使得电动机设计师有机会设计出体积小， 重量轻，性能高的电动机，这种电动机是电动助力转向事先商业化成为可能。 前面已经提到e p s 对电动机有很高妖气，包括功率，尺寸，性能等。轿车上使用的 电源通常是1 2 v 蓄电池。依据不同的车型和制造上，蓄电池输出的最大电流一般是 7 5 8 5 a 。这也就决定了其最大的输出功率为1 2 x 7 5 = 9 0 0 w 。根据这一功率局限，e p a s 不 得不提高各元件的效率，以获得所需的输出功率能依据转向阻力在2 5 0 w w 一5 5 0 w 之间变化 【2 】，儿转向阻力主要取决于转向轴负荷质量。除了功率要求，电动机必须满足转向系统 其它的特定要求，如： 1 )平滑性，即驾驶员不应当在转向盘上感觉到任何由于电动机输出力矩的波动 所引起的冲击。 2 )电动机的转动惯量应当足够小。 3 )避免转向失控( 即转向系统不应当失控；或在意外失去助力时，应保证驾驶 员能手动转向) 。 电动助力转向的发展受制与它的性能和价格，除了电动机外，转矩传感器在这种限 制中占有很大的比例。当前存在的大多数转矩传感器所要求的扭转变形比一般转向系统 的高，转矩传感器的变形决定了转向系统的变形，这就限制了e p s 保持更好的反馈或“逼 真性”。当前的转矩传感器通常在变形，机械精度，装配和校准难度，极限温度和价格 之间进行折中。多数情况下，总有某些参数收到限制。譬如，也许为了降低价格而增加 变形：为了降低价格而限制最高工作温度，但是温度与系统的可靠性密切相关。电动助 力转向系统还会受到“转矩波动”的影响，使得助力中包含不合需要的震动。这将导致 系统的可接收程度下降，成本增加，电动机及其控制系统更复杂。因此转矩传感器应能 提供一个高质量或告诉的信号，以进行转矩波动的自适应控制。 1 4 3 控制策略 e p s 能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控制软件做 支撑。汽车的行使工况千差万别，加上e p s 的安装位置一般在发动机附近，发动机发出 的热辐射与电磁干扰对e p s 有很大影响。这些都对e p s 的控制策略提出很高的要求。p i d 控制技术，动态补偿技术，自适应控制技术，鲁棒控制技术等控制理论的发展为e p s 的 大连理工大学硕士学位论文 成功开发提供了保障。随着智能控制技术的进一步发展，智能控制技术必将应用于e p s 的开发。作为一项新技术，e p s 的控制策略还需要在发展中不断地加以完善。 1 4 。4 故障诊断与可靠性 传统转向系统不能将转向操作独立于驾驶员的控制，e p s 通过采用电动机和计算机 控制系统，部分的将转向操作独立于驾驶员的控制，因此e p s 系统比液压系统会有更多 不同的故障模式。并且e p s 是一项新技术，它没有传统转向系统那么长的历史，所以e p s 的故障诊断与可靠性更应受到熏视。 e p s 可能有两种主要故障表现形式，一是系统停止工作，这时转向盘力矩超过手动 转向，引起转向时的力大于等价的手动转向系统。这种故障当汽车在行驶过程中发生时， 容易出现意外交通事故。另一种更严重的故障就是引起系统在没有驾驶员转向输入的情 况下改变汽车的方向，出现不希望的转向，结果导致汽车偏离原有的方向。这是绝对不 允许发生的。 转向系统是人的“生命线”之一，必须保证高度可靠性。e p s 中有一些故障可以通 过采用机械设计方法减少故障的发生，这与传统液压动力转向采用的方法没有本质区 别。作为一个电控系统有些故障模式是不能通过机械设计方法来加以避免的，而是需要 通过故障诊断的方法来有效地加以校正。 1 5 本文的主要研究工作和意义 综观国内外现代车辆的发展趋势，综合底盘控制技术在现代车辆中得到了越来越广 泛的应用，a b s 技术己经成熟，在轿车上基本得到普及，成为现代车辆不可缺少的主动 安全部件。a s r ，d y c 也得到越来越广泛的关注，并在高档车辆上得到应用。自动汽车， 车辆辅助驾驶系统推广应用，都是建立在车辆转向主动控制的基础上的，而电子转向系 统就是一种很好的车辆转向主动控制系统，它可以成为自动汽车，车辆辅助驾驶系统等 先进的车辆转向控制技术的研究平台。 针对传统转向系统的主要缺点和课题需要，本文主要完成以下工作： 1 )设计了电动助力转向系统的检测电路，包括故障报警电路、温度检测电路、电 机断路检测电路、电池电压过低检测电路，对电路的工作原理进行模拟和仿真；通 过模拟和仿真，对各个控制电路进行了调试和改进。 2 )在硬件的基础上，设计了整个电动助力转向系统的控制策略和程序。 3 )最后，对自行开发的电动助力转向控制逻辑进行实验验证，从而完成了电动助 力转向控制系统的开发过程。 量垫塾垄堑塑燮! 茎堕堕笪窒量竺型皇堕塑垦盐 2 助力转向的硬件系统介绍 2 。1 主控芯片介绍 从发展的角度看，将来的电动助力转向系统不仅仅需要车速信号和扭矩信号，还包 括转向角、横向加速度、转向速度等信号，控制策略也会向智能化的方向发展。要求控 制系统有更高的处理速度寻址能力、更好的电磁兼容性能、支持多任务系统a 因此，本 实验没有选用8 位微控制器，而是选用了基于删的1 6 ，3 2 位的l p c 2 l o o 系列的微控 制器。它是电机控制、伺服环路控制、功率管理和数据采集等应用系统的理想选择。 l p c 2 1 1 9 基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u ，并带有1 2 8k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。【l 。7 】 由于l p c 2 1 1 9 非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、 2 路c a n 、p 黼通道、4 6 个g p i o 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控 制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常 适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。 l p c 2 1 1 9 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m 工一sc p u 、与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外 设总线( v p b ，a 蹦a 船a 总线的兼窖超集) 。l p c 2 n 9 a r m 7 t d m i s 配置为小端 ( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 下图2 1 为l p c 2 1 1 9 的组成结构示意图。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1l p c 2 1 1 9 的结构框图 f i g2 。1 f r a n l eo f t h el p c 2 11 9 2 2 电源电路介绍 l p c 2 1 1 9 要使用两组电源，i ，o 口供电电源为3 3 v ，内核供电电源为1 8 v ，所以系 统设计为3 3 v 应用系统。用5 v 电源给系统供电，再通过两个l m l l 7 三端可调稳压器 分别输出3 3 v 和1 。8 v 电压。 叫 图2 2 电源电路 f i g 2 2p o w e rs u p p i yc i r c u i 乜 2 3 信号输入电路 在电动助力转向系统中，基本的输入信号有两个：车速信号和转矩信号。本实验中 用这两个信号来控制直流电机的电枢电压以达到助力的目的。下图是信号采集电路。 图2 3 信号输入电路 f 溶2 3s 酒a l s 抽p mc i r c u h 通常，车速信号要经过脉冲整形、a d 转化的处理再送入微处理器，但是由于这个 实验是在实验台架上进行的，车速信号可以通过微机的模拟，产生合适幅值和频率的脉 冲作为车速信号。把这个模拟的车速信号输入到l p c 2 1 1 9 的外部中断，通过定时器来 计算单位时间内的脉冲数，以此得到所需车速。 转矩信号要经过放大、整流、滤波以及a 仍转化后才能作为有效的信号输入微控制 器。这里只对微控制器的接口进行说明。l p c 2 1 1 9 具有一个4 路1 0 位的片内a d 转换 器，所以这里不需要额外的a 巾转换电路。和a d 转换器相关的引脚包括剐 n a i n 3 、 v 3 。和v s 。和v s s a 分别是模拟电源和地，它们分别与标称为v 3 和v s 。的电压相同a 为了降低噪声和出错几率，两者应隔离。转换器单元的v r e 印和v r e f n 在内部与这两个 电源信号相连。需要注意的是，当使用彤d 转换器时，模拟输入管脚信号的电平在任何 时候都不能大于u 。，否则，读出的山d 信号无效。为了保证这一点，在接口电路中用 到了两个钳位二极管，使输入的转矩传感器的信号大于o ，同时小于v 3 。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 转矩传感器的工作原理 2 4 1 电感式传感器 电感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，在铁芯和衔铁之间留有空气隙a 。 被测物和衔铁相连，当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化，改变磁路的磁阻，使线 圈电感量变化。电感量的变化通过测量电路转化为电压、电流或频率的变化，从而实现 对被测物位移的检测【1 8 】。 当线圈的匝数为n ，通过线圈的电流为i ( a ) ，磁路磁阻为中( w b ) ，则电感量 上：坐) 根据磁路定理 中： 丝 陀2 1 r l + r z + r 。 、7 ( 2 2 ) 式中，r 。、r ：、五。分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。 弘矗妒去耻嚣 c ： ( 2 3 ) 式中，l 、od 分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度，s 、s ：、s 分 别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积( m 2 ) ，。、：、风分别为铁芯、衔铁和空气隙的导磁 率( m n ) 。鳓= 4 丌1 0 _ 7 弛，m 。将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式代入( 2 1 ) 式，因为一般导磁体的导磁率( 数 千倍甚至数万倍) ，贝有置+ r ：( 心，得： 三：竺丛 2 口 ( 2 4 ) 由( 2 4 ) 式可见，线圈匝数确定以后，只要气隙长度口和气隙截面s 二者之一发生变 化，传感器的电感量就会发生变化。因此，有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分， 前者常用来测量线位移，后者常用来河量脚位移。 对( 2 4 ) 式进行微分等处理【1 8 1 ，可以得到下面的关系式： 等= 等l ，+ 等+ ( 爿2 + = 等+ ( 訇2 + 期3 + - c z 同理，如果衔铁向下移动口时，传感器气隙将增大，即d = + 血，电感量的变 化量为： 皇垫塾垄整蜜堡垒堕堕塑堕塞量垫型皇堕堕望盐一 工= 上。一三= 三。生 。 。口o + 幻 相对变化量为： 等= 等一( 等 2 + ( 等 3 c z 固 由( 2 5 ) 式和( 2 6 ) 式可以看出，当忽略高次项时，工才与口成比例关系。当然，口吼 越小，高次项就减小越快，非线性得到改善。然而，这又会使传感器的量程减小。所以， 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的，一般对变气隙长度的传感 器，取吖吼= 0 1 o 2 。 2 4 2 差动变压器式传感器 差动变压器式传感器是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。传感器的可动铁 芯和待测物相联，两个次级线圈接成差动形式，可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转 换成感应电动势的变化，从而得至8 待测位移。 由于互感，初级线圈的交流电在两个次级线圈中分别产生感应电动势e 2 。和e 2 2 。又 因接成差动形式，两个感应电动势反向串联，则输出电压 u 0 = e 2 i e 2 2 ( 2 7 ) 如果两个次级线圈完全相同，当铁芯处于中间位置时，感应电动势，= 五：，此时 = 如，一如= o 当铁芯向上移动时，次级线圈中穿过的磁通减少，感应电动势e ，也减少，而次级 线圈1 中穿过的磁通增加，感应电动势易，也增加，那么 u 。= 易1 一e 2 2 ) o 反之，当铁芯向下移动时，则 叱= 巨，一( o 可见，输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。 差动变压器有多种结构形式。包括：形结构、e 形结构和螺管形结构等。n 形结 构的衔铁为平板形，灵敏度较高，但是测量范围较窄，一般用于测量几微米到几百微米 的机械位移。螺管形差动变压器可测一毫米至上百毫米的位移。在本实验中，所使用的 转矩传感器就是螺管形的差动变压器。下面简要介绍螺管形差动变压器的原理。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 3 螺管形差动变压器 通常螺管形差动变压器包含线圈组合、铁芯和衔铁三部分。线圈组合由初级线圈、 次级线圈和线圈架组成。线圈架由绝缘材料制成。铁芯的功用用以提供闭合磁路增加灵 敏度，并提供磁屏蔽防止外磁场干扰。衔铁和铁芯用同种材料制成，通常是电阻率大、 导磁率高的材料。 为了说明螺管形差动变压器的输入输出特性，假设如下： 6 初级线圈的长度； l 初级线圈的匝数： m 次级线圈的长度； ，每个次级线圈的匝数： 三活动衔铁的长度； 一螺线管的内径； 螺线管的外径； 工：。衔铁伸入次级线圈1 的长度； 三2 2 衔铁伸入次级线圈2 的长度： 假设在某一时刻衔铁向上移动d ，根据已有的理论，可以得到如下的表达式f 1 9 】 。叫国纽必= 生剑 。 m l n 量 2 2 0 叫鼍半叫一 剀础量il 工z o l ( 2 8 ) p 为两个次级线圈的电压差。 从式( 2 8 ) 可以看出，差动变压器的灵敏度与激励频率厂成正比，通常在中频 ( 4 0 0 h 加lo k h z ) 应用。 差动变压器输出的交流信号，其波形是调幅波无法鉴别被测位移的方向。为了观察 衔铁的实际运动规律，可采用差动相敏整流电路。差动变压器除用于测量位移外，还可 以用来测量振动、加速度及压力。 电动助力转向控制策略的研究与检测电路的设计 差动变压器从供电方式上可分为交流式和直流式两种。直流式差动变压器是将直流 电通过振荡器变为交流电，并将电子电路与差动变压器封装在一起。这种传感器，供给 稳定的直流电，就能获得与位移成正比的直流电压输出。 下图是差动变压器式转矩传感器及其工作原理图。 啼奢 图2 4 差动变压器式转矩传感器及其工作原理 f j g 2 4d i 髓r e n t 试订a n s f 0 h n e rt o f q u es e n 舳r 柚d 也ew o 出n gp r i n c i p l e 2 5 直流电机的控制 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。作为电源， 将机械能转换为电能的电机称为发电机；拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称 为电动机。 使用直流电源的电机叫做直流电机。因此，只要把直流电机的端子接到直流电源上 就可以简单地使其运转。直流电机是一种具有优良控制特性的电机，具有启动转矩大、 体积小、重量轻、调速范围广、易于平滑调节转矩、转速容易控制以及效率高等十分优 良的特性【2 0 1 。 2 5 1 直流电机的结构 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 直流电动机结构示意图 f i g 2 5d c 脚c o r s 仃_ i l c t u r es k 毗c hm a p 上图2 4 为直流电机的结构示意图。从图中可以看出，直流电机由定子、绕有线圈 的转子以及换向器和电刷等构成。定子的作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括 主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等。转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能 量转换的关键部分。它包括电枢铁心和电枢绕组、转轴、风扇等。当电流通过电刷的换 向器流过线圈时产生转子磁场，这时转子成为一个电磁铁，在转子和定子之间产生吸引 力和推斥力使转子旋转。由电刷和换向器来切换电流方向，使电机按同一方向旋转从而 带动负载做功。 2 5 2 直流电机的工作原理 2 5 2 1 直流电机的电枢电势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转 动，又会在线圈中产生感应电动势( 用占表示) 。 根据右手定则知，e 和原通入的电流方向相反，其大小为： e = 足e 却 ( 2 9 ) 足，：与电机结构有关的常数 ：磁通 i 九：电动机转速 电动助力转向控制策略的研究与检测电路的设计 2 5 2 2 宜流电机的基本方程式 电压平衡方程式： 因为五与通入的电流方向相反，所以叫反电势。 u = e 七i ，r 4 u ：外加电压 + 焉 图2 6 直流电机的工作示意图 f i g 2 6s k e t c hm 印o f 血ed cm o t o r ( 2 1 0 ) 从电压平衡方程式可以看出： ( 1 ) 电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变e ，只能改变口或”。 ( 2 ) 若忽略绕组中的电阻r 口，则可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变函可调速。 2 5 2 3 电动机转矩特性 由电动机原理可知【2 ”， 丁= 等科= c ，科 ( 2 1 1 ) 2 微 。 式中，r 为电磁转矩，p 为极对数，n 为电枢绕组总导体数，中为每极气隙磁通， i 为电枢电流，d 为电枢绕组的并联支路对数，c ，为转矩系数。 对于个确定的电机来说，c ，是常数，忽略磁通中的变化，则： 丁= k ，( 2 1 2 ) 足，= c ，西，为转矩常数。 从式2 1 2 中可以看出，电磁转矩与电枢电流成比例。 大连理工大学硕士学位论文 2 5 2 4 转矩平衡方程式 电磁转矩丁为驱动转矩，在电机运行时，必须与外加负载和空载损耗的阻转矩相平 衡，即 丁= 瓦+ ( 2 1 3 ) 忆一负载转矩 i 昏空载转矩 转矩平衡过程：当负载转矩( 己) 发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流 的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。 2 6 直流电机的线性控制与p w m 控制 直流电机的转速控制方法主要有线性控制方式和p w m 控制方式。小功率电机平滑 控制时常使用线性控制方式，大功率电机高效控制时，则使用p w m 控制。为了改变直 流电机的转速和转矩，可以采用以下不同的控制方法：作电机转速调解时，可以改变电 源电压：作电机转矩调解时，可以改变电枢电流。实际上，作上述调节时，电压和电流 是同时变化的，因此电机的转速和转矩也是在同时变化。所以，在直流电机转速、转矩 控制时，一般均采用改变输入电压的方法。改变输入电压时，大体上有线性控制和p w m 控制方式两种。 2 6 1 线性控制方式 线性控制方式也称电阻控制方式。在电机和电源之间插入晶体三极管，这个晶体三 极管相当于一个可变电阻器，也就相当于控制了加在电机上的电压，从而改变电机的转 速和转矩。晶体管工作在不饱和区，基本上与低频功率放大器的电路结构相同。由于直 流电机线性控制方式不改变电流的波形，因此对电刷、换向器的换向作用影响很小，可 以做到转速的平滑调节。但是晶体三极管产生的功率损耗将变成焦耳热而消耗掉，使得 线性控制的频率很低，是一种不经济的控制方法。可用于额定功率为数瓦的小电机的控 制电路。 2 6 2p 1 | 1 f m 控制方式 直流电机的p w m 控制原理如下图2 7 。图中的二极管为续流二极管。在任何情况 下，都要设置续流二极管，以便在晶体三极管o f f 期间电机电流能够继续流通而使电 机平滑地旋转。 电动助力转向控制策略的研究与检罚电路的设计 图2 7 直流电机的p w m 控制方式 f i g 2 7p w m c o r n r 0 1m o d eo f 廿1 cd cm o t o r p w m 控制是脉冲控制方式的一种。晶体管作为一个开关，使加到电机上的电压的 o n 和o f f 的时间比( 占空比) 发生变化，从而控制电机电压的平均值。由于三极管工 作在饱和状态，几乎不消耗功率，因而p w m 控制方式具有良好的经济性。但由于电机 供电电压处于开关状态，因此会导致噪声、振动以及电刷、换向器的磨损等问题。这些 问题从控制技术上已经逐步得到解决。p w m 控制方式已经成为现代直流电机控制技术 的主流。 2 7 直流电机的正转、反转控制电路 在进行点位控制时，电机的正、反转控制技术是不可缺少的。直流电机具有电好的 控制性能，也容易实现正、反转控制。为了达到正反转的目的，只要改变电机电源电压 的极性。直流电机的正、反转控制电路有单电源方式和双电源方式两种。 2 7 1 双电源方式 双电源方式如下图2 8 所示。用于切换电机电压极性的两只三极管分别为n p n 型和 p 印型。这种切换方式也称为半桥方式。为使正、反转动作特性在电气上完全相同，采 用了互补性晶体三极管。 飚隔 ( a ) 图2 8 双电源方式的正反转控制电路 f i 9 2 8p 0 s i 廿v ea n dn e g a t i v em n l l i n gc o n t m lc i r c u 地w i 血m op o w e rs u p p l i e s 大连理工大学硕士学位论文 图2 8 ( a ) 为线性控制型正反转控制电路。由于晶体三极管q 1 和q 2 工作在线性段， 当调节可变电阻v r 时，正的或负的模拟电压使晶体三极管的基极电位增减，就可以使 电机在正、反转动作的同时实现转速控制。当可变电阻向上方移动时，晶体三极管q 1 导通，电机正向旋转；当可变电阻向下方移动时，晶体三极管q 2 导通，电机反向旋转； 当可变电阻在中间位置时，q 1 、q 2 均关闭，这时电机停止运行。由于线性控制方式时 晶体三极管工作在线性段，因此工作效率较低，主要适用于小型电机控制。 图2 8 ( b ) 所示的电路称为开关控制型正、反转控制电路。在这个电路中，使晶体三 极管工作于特性的饱和段，即作为开关来工作，可以用作电机的正、反转控制，工作效 率较高。但是该电路不能实现转速控制。 2 7 2 单电源方式 单电源控制方式如下图2 8 所示。采用四只晶体三极管来切换电机端电压的极性。 单电源方式又称为全桥方式或h 桥方式。 ( a )( b ) 图2 9 单电源方式的正反转控制电路 f i g 2 9p o s i 帅ea n dn e g 鲥v en m i l l gc o n 订o lc i r c u i tw i t l ls i i l 舀ep o w e rs u p p l y 图2 9 ( a ) 的电路可以简化成图2 9 ( b ) 的形式，四个晶体三极管可以看成是四个开关。 当q 1 和q 4 导通时，电机正转；当q 2 和q 3 导通时，电机反转。这两种情况下，加于 电机的电压极性相反。当四个晶体三极管全部关断时，电机停转；如果q l 和q 2 关断 而q 3 和q 4 同时导通时，电机处于短路制动状态，将瞬时停止运转。 单电源方式一般应用于数字控制。这种电路和微型计算机组合起来可以实现电机转 速的开关控制( p w m 控制) 和短路制动。由于开关控制的工作效率很高，因此可以用 于大功率电机的控制。 电动助力转向控制策略的研究与检测电路的设计 2 8 常用的直流电机的p w m 控制电路 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑以下几点： 1 功能：电机是单向还是双向转动? 需不需要调速? 对于单向的电机驱动，只要用一 个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以 使用由4 个功率元件组成的h 桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调 速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实 现p w m ( 脉冲宽度调制) 调速。 2 性能：对于p w m 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1 )输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2 ) 效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路 的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通( h 桥或推挽电 路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路) 入手。 3 )对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电 压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4 ) 对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大 的电流可能导致地线电位浮动。 5 ) 可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负 载，电路都是安全的。 电动机的电流控制可以通过调节电动机的电枢电压实现。随着电力电子技术的进 步，发展了许多新的电枢电压控制方法。其中p 耐控制技术是利用半导体开关器件的导 通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期来达到变压的目 的，或控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期来达到变压变频目的的一种控制技术。由于脉 冲宽度调制技术可以有效地进行谐波抑制，而且它的动态响应好，在频率、效率诸方面 有着明显的优点，因而应用领域极其广泛，应用技术也日臻完善。 图2 1 0 为p 删斩波器的原理电路及输出电压波形。假定晶体管v 1 先导通t 1 秒( 忽略管 压降) ，然后关断t 2 秒。如此反复，则电枢端电压波形如图2 1 0 ( b ) 所示。电机电枢端电 压为其平均值“，即 虬= ( 2 口一i j ( 2 1 4 ) 7 7 式中，口= i 彳= 詈，为一个周期t 中，晶体管v 1 导通时间的比率，称为占空比， 1 十2 o 盯】。 大连