（车辆工程专业论文）汽车电动液压助力转向电子控制系统的研究.pdf

摘要 汽车电动液压助力转向系统( e h p s ) 是在传统液压助力转向系统上发展起来 的一种新的机电一体化产品，具有优良的转向手感和节约能耗等优势。由于其优 良的性能，在国外很早便进行了研究，并且已经普及装车了。 国内对于电动液压助力转向系统的研究还处于初级阶段，因为该系统涉及机 械、电子、自动控制等多学科领域，面临的难题也很多，并且由于国外技术壁垒 等因素，国内在这方面的研究还比较落后。 首先，本文对某轿车电动液压助力转向系统的结构组成和工作原理进行了分 析，在完善了该轿车e h p s 系统性能测试实验台的相关硬件设施后，通过c a n 总线适配器获得了e h p s 系统的助力特性数据，绘制了e h p s 系统助力特性三维 曲面图，并对其助力特性进行了分析。 重点分析了e h p s 系统助力电动机的结构特点、工作原理和控制策略。根据 该电动机的特点和e h p s 系统技术要求，研究了一套基于1 6 位d s p 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制器，该芯片具有丰富的硬件资源和出色的电机控制模块。 控制器系统采用转速外环和电流内环的双闭环p i 调节，增加了电机的启动、抗负 载、抗干扰的性能。 最后，进行了电动液压助力转向系统空载试验。根据给定的车速信号，助力 电机能够准确、快速的达到目标转速，并且当电机受到干扰( 如用手施加阻力后) ， 电机能够快速的回到目标转速。 实验验证表明，本文所研发的控制器具有较好的可靠性；电机调速比较稳定； 所采用的控制算法能够达到快速性、准确性和稳定性。 关键词：e h p s ：d s p ；控制器：助力特性曲面 a b s t r a c t t h ea u t oe l e c t r o h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mi san e wm e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a li n t e g r a t i o np r o d u c tw h i c hd e v e l o p e di nt h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，i th a s b e e ns t u d i e da n du s e di nt h ea u t of o ral o n gt i m e i nt h ed o m e s t i c ，t h es t u d yo ft h ee 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 gs y s t e mi s s t i l l a tt h ei n i t i a l s t a g e b e c a u s e ，t h i ss y s t e m i si n v o l v e di n m a c h i n e r y , e l e c t r o n i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o la n do t h e rf i e l d s t h e r e a r es om a n yc h a l l e n g e st ob e f a c e b e c a u s eo ft h et e c h n i c a la n do t h e rf a c t o r s ，t h er e s e a r c hi ss t i l lr e l a t i v e l y b e h i n d f i r s t l y , i nt h i ss u b j e c t ，a n a l y s e dt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e 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 gs y s t e ma n di m p r o v e dt h ee h p st e s t - b e do f r e l a t e dh a r d w a r ef a c i l i t i e sa n dg e tt h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i cd a t e p l o t t e dt h e e h p ss y s t e mb o o s t e rf e a t u r e st h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c em a pa n da n a l y z e di t s c h a r a c t e r i s t i c s e c o n d l y f o c u s e do na n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w o r k i n g p r i n c i p l ea ndc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee h p ss y s t e mm o t o r s a c c o r d i n gt ot h e m o t o rc h a r a c t e r i c sa n de h p ss y s t e mt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，d e s i g n e das e to f c o n t r o l l e rb a s e do nt h e16 - b i td s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h i sc h i ph a saw e a l t ho f h a r d w a r er e s o u r c e sa n de x c e l l e n tm o t o rc o n t r o lm o d u l e t h ec o n t r o l l e ru s e st h e s p e e do fp a i r so u t e ra n di n n e rc u r r e n tl o o pp ir e g u l a t o r , i n c r e a s e dt h em o t o r s t a r t ，a n t i - l o a d ，a n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t e s t e dt h ee 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 gs y s t e m b o o s t e rm o t o rc a n b ea c c u r a t e l ya nq u i c k l yr e a c ht h et a r g e ts p e e da c c o r d i n gt ot h eg i v e ns p e e d ，a n d w h e nt h em o t o rw a sd i s t u r b a n c e ，s u c ha st h em o t o rc a nb ec o m eb a c ko nt h e t a r g e ts p e e dq u i c k l ya f t e rt h eh a n d - a p p l i e dr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e rt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rh a sg o o dr e l i a b i l i t ya n dt h em o t o r s p e e di sa l s or e l a t i v e l ys t a b l et h r o u g he x p e r i m e n t s v e r i f i e d t h ec o n t r o la l g o r i t h m t h a tt h ec o n t r o l l e rc a nb eu s e dt oa c h i e v er a p i d ，a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：e h p s ；d s p ；c o n t r o l l e r ；t h eb o o s t e rf e a t u r e ss u r f a c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，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。 学位论文作者篝名：1 习次日期：孔形年每月夕日 重庆交通大学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 校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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名 f t 期：产年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：词赴 日期：跏年争月i 夕1 7 t 指导教师签名： 日期：孤口年仁月歹日 溲胡 扎嗲 ： 月 名l 甲戳厶 作易 文m一_ 位期 第一章绪论 1 1 汽车转向系统概述 第一章绪论 汽车在行驶过程中，需要按驾驶员的意图经常改变其行驶方向，即所谓汽车 转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构，使 转向桥( 一般是前桥) 上的车轮( 转向轮) 相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在 汽车直线行驶时，转向轮也往往受到路面侧向干扰的作用，自动偏转而改变行驶 方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽 车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，称为 汽车转向系统。因此，汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意图而进行 转向行驶【1 1 。 随着现代汽车电子技术的快速发展，人们对于汽车转向系统操纵性能的要求 也日益提高。为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时，都有理想的操纵稳定性， 即使车辆在停车情况下转动方向盘时也能够轻松自如，而在高速行驶时又不会感 到轻飘不稳。因此，在汽车原有的机械转向系统上增加助力转向系统可以很好的 改善汽车的转向操控性能【2 1 1 3 1 1 4 1 。 根据转向能源的不同，汽车转向系统可以分为机械转向系统和助力转向系统， 如图1 1 所示。 图i 1 汽车转向系统分类 f i g 1 1c a t e g o r i e so fv e h i c l ea c t i v es t e e r i n gs y s t e m 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传递力的部件都是机 械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。 助力转向系统就是在原有机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形 第一章绪论 成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的 体力和发动机( 或电动机) 其中发动机( 或电动机) 占主要部分，转向助力通过转向 加力装詈提供。j f 常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。但在转向加力装置失散 时，就回到机械转向系统状忐，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。 助力转向系统按照传能介质的不同，可以分为四种形式： 1 ) 液压助力转向系统 液坻助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作。转向时，液压油经转向 控制j l 鼍| 分配流入转向助力缸中的一个腔室，而另腔审则有一部分油回流。这样 两腔之叫产生了压力差从而产生助力。并且传统的渡堆助力转向只具有单一的 助力特性，助力不能随着车速的变化而变化，在低速转向轻便性和高速转向稳定 性之间，只能采取折中的方法其结粜是汽车在原地转向时助力不足，高速时转 向助力偏大p j 。图12 为传统液压助力转向系统结构示意阁。 图ii 液压助力转向系统示意刚 f i g l2s c h e m a t i cd i a g r a m o f h y d m u i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 2 ) 电动液压助力转向系统 为了克服液压助力转向系统转向单一和能耗大的缺点。电动液压助力转向系 统是在传统液压系统的基础上增设了电动机、转向盘转速传感器、电控单元( e c 叽 和车速传感器【6 j 。它用电机代替发动机带动转向油泵工作，由蓄电池提供能量， e c u 根据车速信号、发动机信号和方向盘转速信号实时控制电机转速，电机转速 越高，转向油泵的流量越大，相应产生的助力也就越大。通过调节电机转速，就 r 以实现可变助力【7 1 。 与传统液压助力转向系统相比，电动液压助力转向系统采用车速感应的可变 转矩力控制方式，提高了汽车的操控稳定性：改由电机驰动油泵，附加能耗可以 降低8 0 9 0 ”j 。 与目前的电动助力转向系统( e p s ) 相比，电动液压助力转向系统的传力介 第一章绪论 质为液压油，转向手感要优于e p s 。并且，可以在现有的液压助力转向系统的基 础上进行简单的改装，因此，在未来的几年中电动液压助力转向系统还有很大的 发展空问。图13 为电动液压助力转向系统结构示意图。 图i 3 电动助力转向系统示意图 f i g l4s c h e m a t i c d i a g r a mo f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 4 ) 电控液压助力转向系统 l 2 i 图1 5 为一种反力控制式液压助力转向器的结构及原理图。阀芯6 的下部装 有由弹簧4 、活塞3 和钢球1 1 组成的反力机构。活塞3 可相对阀芯6 轴向移动， 但二者不可相对转动。活塞3 的下端及阀套2 的上端有v 型槽，钢球1 i 置于v 第一章绪论 型槽中。这样，活塞3 上的轴向力对阀芯6 和阀套2 的相对转动起阻碍作用。反 山机构位于反力腔q 中，而在进油环槽p 和反力腔q 的通道卜安装有电磁阀8 。 该系统的工作过程为：转向电控单元( 图中未绘出) 根据采集到的车速信号，对电 磁阀电流进行控制，以改变反作用腔中的油压，从而使阀芯附加的转动阻力产生 变化，获得所需要的路感。汽车行驶速度低时，流经电磁阁线圈的电流大，反力 腔与进油腔问的通道被堵塞，反力腔中无法建立油压，这与普通液压助力转向系 统相同，转向操舵力较小。随着车速的增加，流过电融阀线圈的电流减小，反作 用腔与进油腔之间的节流面积增大油液的压力损失减小反作用腔中压力升高， 转动阀芯的阻力增大，转向操舵力增加。 套z m xj 漆“。l l p 一 1 ：f m 1 5 6 箜辫 4 l 油- 卜 卜转向齿轮；2 一阀套：3 一活塞；4 一弹簧；5 一挡片；6 阀芯；7 一油泵； 8 一屯磁剃：9 一储油罐；1 0 一安全阀；1 卜钢球：1 2 一转向助力缸；p 一进油环槽；铲反力腔 ( a ) 控制阀结构( b ) i 作原理 圈i5 液压反力式助力转向器结构及原理 f i g l5p o w e rs t e e r i n gh y d r a u l i cr e a c t i o n 母p cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e 1 2e h p s 系统的基本工作原理及发展现状 121e h p s 系统的分类【1 1 电动液压助力转向系统根据转阀的不同分为叶1 位开式和中位闭式。中位开式 转向阀及其工作原理如图16 所示。转向阎中位有预开量，不转向时，阀芯的槽 脊与阀套的槽正对而前者比后者略窄，此时，转向动力缸的左、右腔室相通， 且与油泵的出油、回油口相通；左、右腔油压相等，不产生助力。来自转向液压 泵的液压油经过槽和槽脊之倒的间隙( 预开口) 、阀芯上的径向孔流回油箱，因此 也被称为常流式转向助力系统。转向时( 以左转向为例右转向时分析方法相同) ， 第一章绪论 扭朴在外力作用下产生扭转变形，而阀芯和阀套分别与扭杆的两端固连，因此阀 芯相对阀套转动，阀芯的槽脊与阀套上槽的两侧间隙不对称，使油泵泵出的油液 大部分进入动力缸右腔、小部分进入左腔，两侧的压差推动活塞( 与齿条轴固连) 右移，从而产生助力作用。中位开式转向助力系统的优点是结构简单、液压泵寿 命长和转向手感好。 剀l4 中何开式e h p s 系统 f i g l6 t h e m e d i a no p e ne i - i p ss y s t e m 中位闭式转向阀如图17 所示。当方向盘处于不转向的中间位置时，转向阀 的进出油口关闭。液压回路中装有蓄能器，当蓄能器中的压力低于某一位时，卸 荷阀关闭，液压泵向蓄能器供油；当蓄能器中的压力达到另一较高值时，卸荷阀 扣开，液压泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中总保持一定的工作压力，所以也 被称为常压式转向助力系统。 中位闭式转向系统最大的优势在于，在非转向工况下，系统几乎不消耗电动 机的能量，在液压泵不运转的情况下，系统保持一定的转向能力。 但是中位闭式转向助力系统转向流量和压力由蓄能器提供，在各种工况下输 出不易调整，转向助力不能随转向负荷做相应的变化，降低了驾驶的可靠性和舒 适性。另外，它的密封和结构都比中位开式复杂，所以目前车辆中常用的仍是传 统的中位开式转向助力系统i 【s j i i “。 第一苹绪论 7 鬟i 。 。二磐二 弋- 噜 图】6 某轿车电动液压助力转向系统的结构示意图 f i g i 8ac a rv l e c t r 小h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 以某轿车使用的e h p s 系统为例。其基本的工作原理是：系统通过c a n 总线 输入发动机点火信号和车速信号当控制器检测到发动机点火信号时，系统开始 工作，这时助力电机保持怠速运转。当汽车直线行驶不需要助力时，扭杆处于旋 转分流阀的中间位置，嘏压油几乎无压力的通过旋转分流湖由回油管流回储油罐； 当汽车转向需要助力时，控制器根据由c a n 总线输入的车速信号。和方向盘旋转 角速度信号来决定助力电机的转速，驱动齿轮泵输出相应压力的高压油，高压油 筇奄绪论 经旋转分流阎进八助力l 作缸 ：腔( 似宅向冉转动方阳盘) 从而推动活塞产生助 j 。司时右腔的液压油经回油管流m 储油姥。 商蓄 雪 虱 i 曼 。 h d 种l i q 隧17l 乜动渡压助力转向系统示意幽 f i g l9 s c h m a t i cd i a g r a m o f e l e c t r o h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m 1 3e h p s 系统的国内外发展现状 从1 9 8 3 年只本k o y o 公司研制出第一台电动液压助力转向系统至今，e h p s 系统在很多方面都有了很大的进步。其中最大的变化就是由无刷直流电机代替有 刷直流电机齿轮泵代替叶片泵【l ”。并且，随着电子技术的飞速发展，e c u 也由 最初的8 位单片机向功能、运算能力更加强大的1 6 位d s p 过渡。由于这些新技 术的使用使得e h p s 的助力特性得到不断的提高。文献f 1 9 1 介绍了6 口轴负荷小于 6 0 0 0k n 车辆的中位开式电动液压助力转向系统。系统用车辆的速度信号对电动 机转速进行控制，采用开环方式；在控制器中嵌入固定算法，可靠性较好。在市 区公路上行驶，系统能耗为发动机驱动油泵系统的3 5 。在提高节能效果方面， 文献1 1 傈用车速和方向盘转速作控制参数。在非转向工况，电动机以比转向工 况更低的备用工况转速运转；转向工况，系统根据车速及方向盘转速信号控制电 动机从备用工况迅速转入转向工况。文献对紧急避让工况系统的响应进行了仿真； 系统响应迅速，助力平稳可以满足助力要求。由于在非转向工况，电动机转速 维持在很低的水平，消耗能量很少，系统的能源利用率有较大提高。但研究没有 对备用工况电动机转速的选择做分析，对系统的设计缺乏实际的指导意义。 圈外虽然已经有产品推出，但由于时间较短，还不具有很大市场捌模，而且 汽车产品都有较长的试验期和寿命测验，所以如今的大多数的汽车还是采用传统 的液压助力转向系统。从长远眼光来看传统的液压系统必然要被e h p s 系统或 者更高级的系统所代替【2 0 j 。 第一章绪论 国内对于e h p s 系统的研究还处于探索阶段因为该系统涉及电子、机械、自 动化等诸多领域，需要多学科的交叉面临的难题也比较多，另外国内在无刷电 机和转向传感器方面的配套技术比较落后。而且困外对e h p s 技术非常保密。这 些因素导致了我国在e h p s 系统方面的研究十分落后。 1 4 本文的研究内容 本文首先研究某轿车e h p s 系统的工作原理，及其系统助力电机控制原理。并 在此基础上研究开发了一套e h p s 系统控制器，通过实验研究该e h p s 的助力性能， 最后进行台架空载实验。本文的主要研究任务有： 1 ) 深入研究e h p s 系统工作原理； 2 ) 进行e h p s 系统静态性能测试，测绘出e h p s 系统助力性能特征曲线， 并分析其助力特性； 3 ) 重点研究e h p s 系统永磁无刷直流电机工作原理、控制方法和控制策略。 4 ) e h p s 系统控制器硬件的研究开发，包括芯片的选型、原理图的设计、p c b 板的绘制、电路板的调试； 5 ) 在实验台架上完成对e h p s 系统的测试，验证该控制器的正确性与可行 性。 第璋e h p s 系统的特性测试发控制肇略分析 第二章e h p s 系统特性测试及控制策略分析 2 1 e h p s 系统测试实验台简介 e h p s 系统性能测试试验台的全景如图2 1 所示 i 试验台架2 - 电动泵3 一示波器4 数据采集仪5 _ c a n 适配器 图21e h p s 系统性能测试试验台的全景视图 f i 9 2 1e h p ss y s t e mp e r r o r m a n c e t e s t p h f f o 珊f o r a p a n o r a m i c n e w 2 1 1 实验台机械系统 本试验台的机械系统主要包括试验台架、模拟转向阻力的弹簧、电动泵、转向 盘、转向轴、转向管柱、齿轮齿条转向器以及转阀和助力油缸等。 图2 1 中深蓝色部分为试验台架，本试验台架是直接与地面连接的，因此可以 将整个试验台固定在地面上保持整体不动，保证了试验台的稳定性。汽车在转向 的时候主要克服的是车轮与地面问的摩擦力，以及转向系统机械摩擦等，为了模 拟车轮与地面间的摩擦力，使得转向机构具有定得负载，本试验台在试验台架 的两边固定了两个弹簧以此来模拟汽车在转向过程中转向机构的负载。 该系统将储油罐、控制器、电机、齿轮泵集合在一起组成电动泵，节省了空间， 并且便于安装。电动泉如图2 2 所示。 第一章e h p s 系统的特性洲斌j ! 乏控制策略分忻 警萄 。：n 氩 舀澎= 美。学 叠爱叠l 当转向盘右转时( 如图23a ) ，油泵泵出的高压油进入左缸，推动活塞向右 移动，右缸的低压油则回流入泵，从而产生向右的助力。当直线行驶时，左右缸 油压相同，没有助力：转向盘向左转时，相应产生向左的助力。 21 2 实验台电器系统 本试验台的电器系统主要山无刷直流电机、微控制器、方向盘转速传感器、电 机转述传感器，c a n 总线适配器， ：位机，示波器，数字采集仪以及雷电池、开 关等部分组成。 第一章e h p s 系统的特性洲试嵌托制麓略升忻 1 1 力向黜转进他感器 方向甜转速传懋器，妇l j 刳2 4 剡所盯 幽2 4 方向盘转速传感器( 转于及定，j f i 9 24s t e e r i n gw h 。ds l , e e d $ 郫s o r f r o l 叫a n ds t a t o r ) i 封25 礁旋转编码器a s 5 0 4 0 f i 9 25 a s 5 0 4 0 m a g l l e f i er o m p e n c o d e r 2 1 实验台信号传输顺序 上位机通过c a n 总线适配器向e h p s 系统控制器芨送所需信号，包括车速信 号和发动机信号，转向盘转速信号和助力电机转速信号经过通信板转换为相应的 电压物理量，通过示波器2 0 m s 记录一次数据，虽后将采集到得数据保存到上位机 进行处理。 3 ) 助力电机转速传感器 电机转速信号主要由磁旋转编码器a s 5 0 4 0 来获取。在电机外转子底部安装一 个纽扣形磁铁，就可以实现电机转速的获取，如图2 5 所示。 a s 5 0 4 0 的工作原理是通过芯片内部的线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分 布，从中分离卅角度信息。浚磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功 能。增量角度输出信号分为 、b 两路，磁铁柑对a s 5 0 4 0 旋转一周，a 、b 通道 各输出2 5 6 个周期脉冲，两路信号相位午h 差】2 个脉冲可以根据超前或滞后关 系判断转动方向，通过4 倍频可以状得1 0 位的分辨率。a s 5 0 4 0 将绝对角度定义 为磁铁的磁极与霍尔阵列自j 的角度，磁铁每旋转周，a s 5 0 4 0 将输出5 1 2 个绝对 角度信号，通过s p i 通讯可将其读出。在绝对角度为0 或1 0 2 3 时，i n d e x 通道将 输出个零佗脉冲，可以利用此信号重冒测爱值消除累积误差”“。 抄 第。章e i q p s 系统的特t # 测试及控制策略分析 2 1 3c a n 总线适配器及其使用方法介绍 本文进川- | 5 i i l 光r n q - i 。f | c jc a n 总线适配器g y 8 5 0 8u s b - c a n ，奠外观加 罔2 6 所不g y 8 5 0 8u s b c a n 总线适配器是带有u s b 20 接il 和2 路c a n 接ij j 1 勺c a n 总线适配器可进行双向传送。g y 8 5 0 8u s b c a n 总线适配器司以艘作 为个标准的c a n 竹点，是c a n 总线产品开发、c a n 总线设备测试、数据分 析的强大工具。采用法接【1 适配器，p c 可以通过u s b 接v i 连接个标准c a n 网络，应用于构建现场总线澳i 试实验室、 i 业控制、智能楼宇、汽牟电子等领域 中，进行数据处理、数据采集、数掘通讯。同时，u s b c a n 接| 适配器具有体 积小、方便安装等特点，也是便携，系统用户的最悻选择。 幽2 6 占目l 光电c a n 总线适配器外形 r 9 26 l i - s u np o w e r o u t l i n e c a n b u s a d a p t e r u s b - c a n 接口适配器设备中，c a n 总线电路采用独立的d c d c 电源模块， 进行光电隔离，使该接口适配器具有很强的抗干扰能力，大大提高了系统在恶劣 环境中使用的可靠性。u s b c a n 接口适配器产品可以利用厂家提供的c a n t o o l s 工具软件，直接进行c a n 总线的配置，笈送和接收。用户也可以参考厂家提供 的d l l 动态连接库、v c n b 例程编写自己的应用程序，方便地开发出c a n 系统 应用软件产品。 g y 8 5 0 8u s b c a n 总线适配器的性能与技术指标是： i ) u s b 与c a n 总线的协议转换： 2 ) g y 8 5 0 8 具有两个通道独立c a n 接口；g y 8 5 0 7 具备1 个通道c a n 接 3 ) u s b 接口支持u s b 20 ，兼容u s b l1 ； 4 ) 支持c a n 20 a 和c a n 2 0 b 协议，支持标准帧和扩展帧； 5 ) 支持烈向传输，c a n 发送、c a n 接收i 6 ) 支持数据帧远程帧格式： 7 ) c a n 控制器波特率在5 k b p s 一1 m b p s 之间可选，可以软件配置： 8 ) c a n 总线接口采用光电隔离、d c d c 电源隔离； 9 ) 堆大流量为每秒钟3 0 0 0 帧c a n 总线数据； 1 0 ) 内部c a n 接收缓冲区容量为每通道1 2 0 m e s s a g e s ( 1 5 6 0 b y t e s ) ； 第二_ = 章e h p s 系统的特性测试及控制策略分析 l1ju s b 总线直接供电，无需外部电源； 1 2 ) 隔离模块绝缘电压：1 0 0 0 v r m s ； 1 3 ) 工作温度：一2 0 8 5 ； 浚适配器带有数据发送，接受软件c a n t o o l s ，如图2 7 所示。用户可以自行编写 发送数据表格，如表2 l 所示。 盘墨田衄墨墨圆 一。z i j 豆l 一一 l ：= 誊：“， 一m y 蕙，：一：妒蛋端雠_ 再。0 。矗面 一” 4 一一 ”“4 + 。 图27c w r o o l s 软件界面 h 9 2 7 c a n t h h m 表2 i 发送e x c e l 数据表格式 1 龇2 1s e n d h o dd a t a b l e f o r m a t 0 l rce j lj = $ h # t # 2 1 “ 圳n “m o n 删6 女0 。0 口 t 。o * * * o 。 o 洲* o m t 躺q 0m 洲* 1 * 。o 洲” t 喇q tm 1 2 m l * “1 2 * i “jz t 自“1 2 1 2 ” o 1 2 1 2 o * n l ? # m t 晰o o em q 口o o h n 删h # $ * i m mm 0 9 n s # * v 2 2e h p s 系统静态性能测试 2 2 1e h p s 系统静态测试目的 为了研究某轿车e h p s 系统控制策略的设计思路，同时为e i - i p s 系统控制策 略的表格制定提供参考，进行某轿车e h p s 系统静态助力特性的试验。在已经进 行了的动态试验中，由人力转动方向盘提供方向盘转速信号，将由数据采集仪采 集到的助力电机转速、方向盘转速，并与给定的车速绘制成为三者关系图。 第乖e h p s 系统的特性删试厦 奎制策岵分析 t 二震用人力转动万向龠，阿j j 口j 方向甜 r = ! _ ! 的限制，组难获得较k 时| 1 j 的、 稳定的方向 ： 转速，瘦助山乜机转述泼自足啦k 的h f i q 响埘方向鼎转速的变化， l qj 町测符的赦批电并小删想，蛐助力r 乜机转速没有达到_ e 【j ! 论要求的撤高转谜等。 为了弥补动态删试的小足本文i c 行了某轿车e i i p s 系统静忐助山特h 的试验。 2 2 2 实验方法 分别通过c a n 总线发送辨给定恒定车速( 0 - 2 0 0 k m h ，f n j 隔2 5 k m h ) ，在各 恒定车速条件下由直流无刷电机带动方向盘转速传感器，提供0 - 1 0 0 0 。s 转速信 号，并且最后转速维持在1 0 0 0 。s ，示波器同步i 己录此时转向盘转速与助力电机转 速数据。分别测得0 k m h ，2 5 k m h ，5 0 k m h ，7 5 k m h ，1 0 0 k m h ，1 2 5 k m h ，1 5 0 k m h 1 7 5 k m & 2 0 0 k m h 共9 组试验数掘。 图28 所示为车速为5 0 k m h 时转向盘转速与助力电机转速测量数据图。无刷 直流电机转速由o 。s 加速到1 0 0 0 。s ，最后一直维持这一转速。助力电机山怠速跟 随方向盘电机加速到电机最高转速然后进过一段时问回到怠速状态。 图2 8 转向盘转进与助力电机转速茭系 r 9 28s t e e r i n g w h e e ls d da n d m o t o rs p e e db o o s tr e h t i o n s 表2 2 为转向盘转速助力电机转速关系部分原始数据，由示波器采集得到数 据为e x c e l 格式。示波器2 0 m s 采集一次数据。 表22 转向盘转述助力电机转述芙系部分原始数据 t a b l e 2 2s p e e ds t c e r i n g w h e e l p o w e rr e l a t i o n s p o r t i o n o f t h e o r i g i n a l d a t a ，m o t o rs p e e d 第二章e h p s 系统的特性测试及控制策略分析 l5 2 2 3e h p s 系统静态性能测试数据的采集与处理 在数据采集过程中，山1 现场设蔷较多，不可避免地会产生于扰，为了减少这 种随机干扰的影响，必须采用数字滤波剥采集到的数据进行滤波处理。其中移动 平均滤波法便是种很有效的方法。 移动平均滤波的基本原理是：基于统计规律，将连续的采样数据看成个长 度固守为n 的队列，在新的一次测量后，上述队列的首数据去掉，其余n - 1 个数 据依次前移，并将新的采样数据插入，作为新队列的尾；然后对这个队列进行算 术平均值运算，并将其结果作为本次澳9 量的结果。移动平均滤波器是一个低通滤 波器，是对模拟滤波的补充，用于实时检测，只要采样频率足够高，就能得到较 为理想的测量结果。由于本试验采样频率很高( 5 0 h z ) ，因此采用移动平均滤波 可以得到很好的结果。在e x c e l 中可以很方便地实现移动平均滤被，只需对若干 数据取平均值，然后用公式自动填充平均值所在的列即可。经过对比分析，发现 对转向盘转速n 取2 0 、对电机转速n 取2 0 滤波效果最好。 从图2 9 中还可以看出，在同一时刻采集到的数值并非唯一值，而是“一对 多”。针对这种现象，采用平均值法减少误差。分别取转向盘转速为2 0 0 、4 0 0 、 6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 0 s 对应的助力电机转速值，将若干个助力电机转速值取平均值作 为图中的一个点，不同转向盘转速对应的点以折线连接。做出转向盘转速电机转 速二维曲线图。 图2 9 示波器显示数据 h 醇9o s c 订b s c 。p ed i ! 叫甜山b 2 3e h p s 系统控制策略分析 为了研究e h p s 助力性能，本文进行了系统助力性能测试。 在方向盘转速为零的情况下，助力电机转速随车速变化形成的曲线代表了 e h p s 系统中无刷直流电机在无载荷状态下的性能特性，是最能直接反应e h p s 系 统与车速关系的特性曲线。辛载助力电机转速随车速变化曲线如图21 0 所示。 1 6 第二章e h p s 系统的特性测试及控制策略分析 三1 2 0 0 蔷1 0 0 0 强8 0 0 赛4 0 0 删2 0 0 0 o2 55 0 7 51 0 01 2 5 1 5 01 7 52 0 0 车速( k m h ) 图2 1 0 空载助力电机随车速变化曲线 f i 9 2 10p o w e rm o t o r 、i t l ln ol o a ds p e e dm l r v e 由空载助力电机转速随车速变化曲线可以看出，助力电机在零车速下转速为 1 4 1 2 r m i n 。随着车速的提高，助力电机转速逐渐下降，当车速达到2 0 0 k m h 时， 助力电机转速降到1 2 5 0 r m i n 。在整个车速范围内( o 2 0 0 k m h ) ，助力电机转速 基本上维持在1 3 0 0 r m i n 上下。这一特性符合e h p s 系统在汽车低速时的特性：当 车速较低时，车轮与地面的摩擦主要是静摩擦力，此时的摩擦力比较大，转向盘 比较沉，这时e h p s 系统无刷直流电机的转速较高，油泵提供较大的助力油流量， 进而在转向时能够迅速提供较大的转向助力，并且提高了系统的响应速度。但是 在汽车高速时，这一特性并没有满足e h p s 系统的特性：在车速较高时，车轮与 地面间的摩擦力主要由静摩擦力变为动摩擦力，此时摩擦力较小，转向盘较轻， 甚至觉得发飘，导致转向手感和安全性降低，即路感差。这时在转向过程中为了 使驾驶员能够感觉到方向盘较沉，从而改善转向手感和安全性，e h p s 系统只需在 转向时提供较小助力即可，对系统响应速度要求不高，因此，此时无刷直流电机 转速保持一较低转速即可，油泵的流量也随之下降，提高了经济性。 图2 1 1 为车速在0 1 2 5 k m h 时转速变化曲线； 图2 1 2 为车速在1 5 0 k m h 2 0 0 k m h 时转速变化曲线。 1 ) 0 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为0 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 4 1 2 r m i n 。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 。s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，为3 9 3 4r m i n 。 2 ) 2 5 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为2 5 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 3 5 3 r m i n 。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，此时转速为3 9 3 2r m i n 。 3 ) 5 0 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 第二章e h p s 系统的特性测试及控制策略分析 1 7 车速为5 0 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 3 3 0 r r a i n 。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，为3 9 1 2r r a i n 。转速变化曲线保持平 稳增长。 4 ) 7 5 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为7 5 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 2 7 5 r m i n 。 与汽车低速时相比，助力电机转速并没有明显降低，而是保持在1 3 0 0r m i n 左右。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，为3 9 4 9r m i n 。 5 ) 1 0 0 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为1 0 0 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 3 3 0 r m i n 。 与汽车低速时相比，助力电机转速并没有明显降低，而是保持在1 3 0 0r m i n 左右。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，为3 9 5 9r m i n 。 6 ) 1 2 5 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为1 2 5 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 2 1 8 r m i n 。 与汽车低速时相比，助力电机转速并没有明显降低，而是保持在1 3 0 0r m i n 左右。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一转速时，助力电机转速达到最高，为3 9 3 1r m i n 。车速为1 2 5 k m h 时的 助力电机转速随车速变化曲线在转向盘转速为4 0 0 0 s 时具有一个下凹的趋势。 7 ) 1 5 0 k m h 车速时电机转速随方向盘转速变化曲线 车速为1 5 0 k m h 时，助力电机转速在方向盘零转速时达到最低，为1 2 5 0 r m i n 。 与汽车低速时相比，助力电机转速并没有明显降低，而是保持在1 3 0 0r m i n 左右。 随着方向盘转速的升高，助力电机转速也迅速升高，在转向盘转速达到1 0 0 0 0 s ， 并维持这一