车电动助力转向器电控单元(ECU)的研究毕业论文.doc

杭州电子科技大学本科毕业设计车电动助力转向器电控单元(ECU)的研究毕业论文目录摘要Abstract目录第一章绪论11.1电动助力转向系统11.1.1电动助力转向系统的原理及发展11.1.2 电动助力转向系统控制单元31.2国内外研究现状41.3课题研究的目的和意义61.4本文研究内容6第二章助力特性和控制策略研究82.1助力特性分析82.1.1助力特性的概念82.1.2助力特性曲线分类92.2控制模式102.2.1助力控制112.2.2回正控制122.3控制策略研究132.3.1电机目标转矩的控制策略132.3.2助力电机的电流控制策略142.3.3控制算法142.4本章小结16第三章硬件控制系统设计173.1 EPS控制系统的总体结构173.2 ECU的控制芯片183.3电源电路和信号处理电路193.3.1电源电路193.3.2扭矩信号203.3.3车速信号213.4电机的控制电路和保护电路213.4.1电动机的PWM调压调速原理223.4.2功率开关部件的选择及其驱动电路243.4.3电动机的保护电路253.5故障诊断电路263.6系统硬件的抗干扰性设计273.7本章小结27第四章EPS控制软件设计284.1系统控制软件概述284.2 转向盘转矩信号采集子程序294.3 车速信号的采集子程序294.4 目标电流的确定304.4.1 助力曲线与目标电流304.4.2 助力特性曲线的确定304.5 PWM 脉宽调制及电机控制314.6 判断转向子程序314.7 软件滤波设计314.8 本章小结32结论及展望33致谢35参考文献36附录38第一章绪论汽车转向系统作为汽车的重要组成部分，决定着汽车主动安全性的关键，汽车是否具有安全的操作性能，始终是消费者最关心的，也是汽车厂商在日趋激烈的市场竞争中站稳，始终是消费者最关心的，也是汽车厂商在日趋激烈的市场竞争中站稳脚跟的根本。汽车技术和电子技术的不断革新与进步使得汽车转向系统经历了从简单的纯机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压助力转向系统、到现在全电子控制式电动助力转向系统(EPS, Electric Power Steering)的发展历程。电动助力转向系统由电机提供助力，助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制,完全去掉了液压执行机构，较好的缓和了汽车转向系统一直存在的“轻”与“灵”的矛盾，解决了液压转向系统无法克服的缺点。电动助力转向技术是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发展趋势的高新技术，所以一出现就受到国际汽车工业界的高度重视，世界各大汽车公司纷纷投入大量人力、物力从事该系统的研究开发工作。电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，将电动助力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行比较,其优越性主要表现在以下几个方面：1.可获得优化的助力特性，低速轻便、高速稳定，路感好，提高了操纵稳定性；2.EPS助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；3.质量轻，结构紧凑，在安装位置选择方面也更容易；4.降低噪声、节省能源、减少废气排放；5.低温工作性能；6.开发成本低。1.1电动助力转向系统1.1.1电动助力转向系统的原理及发展图1.1电动助力转向系统框架图电动助力转向系统的构成如图1.1所示:它由机械转向器、电动机、电控单元(ECU)、电磁离合器、减速机构、转矩传感器和车速传感器等组成。在操纵汽车转向时，控制单元根据扭矩传感器采集的扭矩信号、车速传感器采集的车速信号和一定助力特性规律，控制电动机电流的幅值和方向，从而形成适当的转向助力，电动机输出的扭矩由减速机构放大，通过万向节、转向机构中传送装置把输出扭矩传送到齿条，从而向转向提供助力扭矩。汽车驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性1。汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统(EHPS)、电动式电子控制动力转向系统(EPS)和线控转向系统(SBW)。机械转向系统的转向力全部来自驾驶员的手力，机械转向系统结构简单，性能可靠，但转向盘操纵费力。另外，为解决机械转向系统“轻”和“灵”的问题，转向器还常设计成可变速比，在转向盘小转角度范围内，速比小，解决转向灵活性的问题；在转向盘大转角范围内，速比大，解决转向轻便性的问题2,液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向,系统总要处于工作状态,能耗较高,而且在大转向车速较低时,需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力,又由于液压泵的压力很大,也比较容易损害助力系统,且不易安装和维护。少数大型车也有采用气压动力转向的,但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大,容易产生泄漏,转向力不易有效控制等。EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同,EHPS又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。其所有工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态,并控制电磁阀,使转向动力放大倍率实现连续可调,从而满足高、低速时的转向助力要求,但即使是最新的EHPS也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗、磨损与噪音的固有缺憾3。电动助力转向系统(EPS, Electric Power Steering)是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。1.1.2 电动助力转向系统控制单元电动助力转向系统(EPS)主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号，由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。从运行原理上讲,EPS实际上就是一个电机伺服控制系统,其关键在于：1.控制器如何根据车况及驾驶者的动作向电机发出一个适当的运行指令；2.电机(包括它的电力电子功率变换器)如何实时、准确地跟踪该运行指令。这涉及到控制器的算法、电机与功率变换器的设计以及各种传感器的设计与选型等。随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展，EPS电机控制单元研究热点在以下几个方面：1.电动机的控制芯片大规模使用单片机和高性能的DSP，形成数字与模拟的混合控制系统,且数字控制系统将在今后得到更大范围的应用；2.电动机的驱动部分所用的功率器件，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，随着电力电子技术和微电子技术的结合发展，智能功率模块(IPM)逐渐成为新的发展方向；3.永磁材料技术与微电子技术的发展应用，使新型电机的性能更加完善，针对具体应用场合，研究电机原理性能,可以使控制更为精确和方便；4.电动机中速度、电流控制必须由硬件系统配合软件系统才能得到良好的控制效果,研究先进的控制算法成为设计电动机控制系统的一个方向；5.实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系,以实现整车电子控制系统一体化。1.2国内外研究现状电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw (萨吉诺)转向系统，而Delphi Sagiaw(萨吉诺)转向系统又代表着转向系统发展的前沿。在电动助力转向系统的电机控制系统中，日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统4,由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑5。英飞凌的EPS方案采用的TLE6280GP是三相桥式驱动器，简化了动力转向电机的控制,微控制器的定时器结构降低了开发成本并使得电路板设计更简洁。Freescale的EPS方案,采用56F8300系列数字信号控制器，在汽车环境温度下性能可达60MIPS，控制处理过程并为EPS系统提供智能外围支持。日本捷太格特和丰田汽车IFS方案在低速行驶及泊车时，只需少许转动方向盘，便可获轮胎较大主销倾角。而在高速行驶时则会抑制方向盘转动操作的轮胎主销倾角，从而提高稳定性6。在系统控制方法的研究中，J.S.Chen分析系统分别采用比例控制方法和比例加微分控制方法性能优劣，提出了比例加微分控制能提高系统的传递特性7；Dephil公司的在研究报告中提出，在系统控制器中引入横摆角速度反馈，以增加系统的控制稳定性8；McCann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，通过采用核摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定性9；Burton对电动助力转向系统中驱动电路的MATLAB模型进行了仿真10；英国乌未罕普顿大学的Mr X Ouyang等人认为EPS系统具有许多非线性因素，用传统的线性分析方法用于分析EPS将使系统性能恶化，因为传统的方法不能补偿系统的非线性，为此将神经网络技术引入以补偿非线性，提出了电动助力转向系统神经网络模型参考自适应控制11。随着电动助力转向系统在国外市场的广泛应用，一种更加智能的转向控制系统-线控转向系统的研究和开发也提上了日程，目前国外著名的汽车公司和研发中心竞相研究具有智能化的新一代转向系统,如日本三菱公司、Koyo公司,德国Bosch公司、ZF公司、BMW公司,美国Delphi公司、TRW公司,韩国Hyundai公司等都相继在研制各自的SBW系统。电动机是电动助力转向系统的关键执行部件之一，选择合适的电机是十分重要的，在选择电机类型及性能上，主要根据电动助力转向系统的特点和功能要求，目前国外大多采用无刷直流电动机，无刷直流电机具有低噪声，低电磁干扰；长寿命，高可靠性；高性能，运行平稳；智能化，机电一体化，易于控制等优点，因此对电动机的研究也是一个热点。同国外相比，我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白，自2004年昌河“北斗星”车装备EPS之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮,株州易力达机电有限公司生产的电动助力转向系统适用排量在1.8L以下的汽车和前轴重900kg以下的电动车、混合动力车等。目前,国内对电动助力转向系统展开了全面的研究，已经取得了一些成果，一些研究人员设计了一种采用P87C591单片机控制的电动助力转向系统,利用专家控制系统计算电机给定转矩,采用转矩闭环对实际输出转矩进行控制,实验表明,该系统具有良好的电动助力特性,满足电动助力转向要求。专家控制系统是一个应用专家系统技术的控制系统,也是一个典型的和广泛应用的基于知识的控制系统。通过对电动助力转向系统模型的建立，得到了电动助力转向系统的相关传递函数，在分析影响系统响应速度的因素的基础，提出了对电动助力转向系统改进设计的办法；一些资料从电动助力转向系统的助力特性、控制策略等方面进行了探讨和研究，提出过采用神经网络、鲁棒控制等理论来提高助力转向系统性能等思路。在介绍电动助力转向系统的基础上，对最新的线控转向技术做了简单的介绍。电动助力转向系统电机驱动电路的性能直接影响整个系统的工作性能,分析了传统电动助力转向系统电机驱动电路H桥的优缺点,提出了基于智能功率开关的H桥驱动电路的一种优化方案。对智能功率开关的功能特性和采用智能功率开关组成的H桥电路的控制方法与工作原理进行了系统研究。从目前来看，国外的电动助力转向系统，技术比较成熟可靠，并绝对占有和控制着国际市场，其中不少公司都推出了自己的新一代的转向系统，转向系统正朝着更加稳定安全、可靠的方向发展。国内最近几年虽然有几家厂家在生产电动助力转向系统，但从目前的市场应用情况来看，可靠性和安全性还没达到理想要求。1.3课题研究的目的和意义EPS系统是典型的机电一体化系统，其涉及的技术领域相当广泛，主要包括机械技术、计算机技术、电力电子技术、汽车理论、传感器技术、控制理论、电机学等，在一些资料中，都是对整个电动助力转向系统做了详细的分析，包括电动助力转向系统的发展以及分类，相对于其它转向系统的优点，在研究内容上主要分析了电动助力转向系统的系统组成、工作原理、助力特性和控制策略研究、动力学仿真等。随着电动助力转向系统在汽车上的普遍应用，针对电动机控制系统的开发和研究是十分重要的，电动机控制系统是实现转向系统具体功能的核心，控制系统设计的优劣是衡量电动助力转向系统性能的主要指标，所研究的目标是通过对电动助力系统理论和试验研究，形成一套可行的电机控制系统设计方案，掌握电动助力系统的核心技术，另外，也是从事国内电动助力转向系统实际开发工作的尝试，对提升国内电动助力转向系统的研究应用水平也大有裨益，课题的开展有一定的难度，同时也是很有意义的工作。1.4本文研究内容本文的主要研究内容：1.在研究国内外电动助力转向的资料基础上，分析了其原理。 2.对电动机控制系统进行模块化设计，如ECU模块、车速信号采集模块、扭矩信号采集模块、电源模块、电机控制和保护模块等，对各模块的功能原理进行深入的研究学习；3.针对电动助力转向系统控制处理的特点，对目标电流和助力力矩的确定进行了研究，深入分析助力控制、回正控制策略，提出了控制算法；4.依据电子控制单元和控制策略，设计了电动助力转向系统的关键代码，系统在理论上具有可行性。第二章助力特性和控制策略研究本文研究的电机控制系统主要应用在电动助力转向系统，在对电动助力转向系统有了一个大概的认知之后，在本章中，主要是研究系统的助力特性和策略。2.1助力特性分析2.1.1助力特性的概念助力特性是指助力随汽车运动状况(车速和转向盘手力)变化而变化的规律。对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩(及车速)的变化曲线来表示助力特性。对电动助力转向，助力与直流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性，在满足转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个助力特性区域内不变，则驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。助力特性对动力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等，有重要影响。在传统液压动力转向中主要由阀的结构决定，调整非常困难，而且设计完成后助力特性就确定了，不能随车速变化。而EPS系统不同，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调整。由于事先确定的助力特性曲线往往难以兼顾所有的转向工况，而且要想得到最优化的助力特性曲线是很困难的，因此实际系统使用的助力曲线需要通过试验调试才能最终确定。针对EPS系统的特点，对助力特性曲线提出以下要求。1.助力曲线有转向助力死区，当转向盘输入力矩小于助力阈值(通常设为1 Nm右)时，EPS系统不起作用，即助力力矩为零，且开始助力的阈值与车速有关，以保证具有足够的路感；2.车速不同，助力比不同，助力特性曲线不同，车速越高，助力越小，提高高速时的稳定性，车速越低，助力越大，提高低速的转向轻便性；3.当方向盘扭矩达到某值时，助力扭矩将保持不变，形成转向饱和区，保证不至于因电机电流过大而烧毁电机和控制器中的功率器件；4.在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力效果；5.符合汽车转向系统对转向操纵要求的国家标准。2.1.2助力特性曲线分类电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式，图2-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见，特性曲线都有三个区域:当0TdTdo时为无助力区域，当TdoTdTmax时为助力变化区域，当TmaxTd时为助力不变区域。图2.1三种助力特性曲线1.直线型助力特性在助力变化域中，方向盘输入力矩与助力力矩按直线形变化规律。其函数表达为： 式2-1式(2.1)中，Ta为电动机助力力矩；K (v)为斜率函数，是速度的函数；Td为方向盘输入力矩；Tdo为电动机开始提供助力时的方向盘输入力矩，即电动助力转向系统开始作用时的输入初始力矩；Tdmax为电动机提供最大助力时的方向盘输入力矩。2.折线型助力特性在助力变化区域中，特性曲线呈分段线形变化。以图示中的两段折线为例，函数表达为: 式2-2式(4.2)中，K1(v)和分别为两段直线的斜率函数，仍然是速度的函数， Td1是由斜率K1(v)变为K2(v)时的转向盘输入力矩。3.曲线型助力特性在助力变化区域中，助力力矩和转向盘输入力矩呈非线形变化，函数表达为: 式2-3比较三种助力特性曲线:直线形确定简单、便于控制系统设计，调整也简便.缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化，但对于输入的高、低区域却不能区别对应，输出为线性、路感单一，故无法很好协调路感和轻便性的关系；非线性曲线在感应速度的同时，每条曲线自身又可感应高、低输入区域进行的变化，是十分理想的特性曲线，但在确定过程中需要大量和稠密的、理想的方向盘力矩特性信息，故确定和调整都不容易；折线形的优、缺点则介于二者之间。2.2控制模式汽车转向系统在发展的过程中主要经历了机械转向系统(即无助力)、液压动力转向系统到现在电动助力转向系统阶段，常规的机械转向系统使驾驶员感觉方向盘很沉重，驾驶员体力消耗过大；液压动力转向系统虽然能减轻驾驶员的体力消耗，解决了转向轻便性这个难题，但在车速增高时操纵方向盘过于轻巧，会出现所谓的“方向发飘”，从而导致方向失控；电动助力转向系统由微控制器检测行驶过程中的车速情况，通过切换助力控制、回正控制、阻尼控制对系统进行控制，能很好兼顾汽车在低速转向时的轻便性与高速转向时的操纵稳定性，从而达到理想助力效果。EPS的控制要解决两个问题，一是确定助力特性，二是跟踪该助力特性。整个控制其可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电机电枢两端的电压，跟踪目标电流。EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPS的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。2.2.1助力控制助力控制是在转向过程中，为减轻方向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到转向机构上的一种基本控制模式。该控制是利用电机转矩和电机电流成比例的特性，由方向盘扭矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据系统助力特性确定出电机助力的目标电流，通过对反馈电流与电机目标电流的闭环控制输出PWM信号到动力回路以驱动电机产生合适的助力12。实现助力转向过程中，当转向盘力矩已知时，助力电机提供多大的力矩才是最合适，这是实现该控制系统的核心，亦即准确求出助力特性曲线。该助力特性曲线反映了转向盘力矩和助力电机提供的助力力矩之间的关系。实现助力控制的具体过程是车转向时向某一个方向转动转向盘，电机输出转矩直接作用在齿条轴上，以减小施加在转向盘上的力，此时处于常规控制。此控制状态下：1.车速信号与发动机转速信号经处理送入ECU，如果发动机转速信号大于某规定值，说明系统可以正常工作；2.转向传感器输出转向盘转矩和转角信号以及其方向经处理送入ECU的AD，得到转矩数据和转角数据，如果转矩方向与转向盘旋转方向相同，则进入常规控制；3.依据助力特性曲线，对车速数据、转向盘转矩数据进行计算少并得到此时山电磁输出转矩得到的电机电压KTTm，助力特性曲线是不同车速下转向盘转矩电机输出转矩的关系，由系统动态数学模型以及系统参数得到，不同车型的助力特性也不相同；4.依据式N =G*n，由转向盘转速n、减速比G得到电机转速N，并得到此时电机电压K *N；5.将上述(3)(4)两部分的电机电压数据相加，得出此时电机两端的总电压值，并以PWM形式输出到电机两端。图2.2 助力控制首先判断转向盘旋转方向，向右旋转时，Q1Q4由ECU输出的脉宽调制信号驱动导通(其占空比大于50%),同时Q2Q3导通，占空比小于50%，电流从电源正极经过Q1流过电机，再由Q4流回电源负极。电机也向右旋转。同理，左转时,Q2Q3以大于50%的占空比导通，Q1Q4以小于50%的占空比导通。改变PWM的占空比，即改变FFT的导通时间，就可以改变电枢两端电压的大小。2.2.2回正控制以某一速度行驶的汽车，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。驾驶员转向时,回正力矩是使转向车轮自动返回到直线行驶位置的主要恢复力矩之一。当车辆恒速行驶时,在小转角范围内,回正力矩几乎同侧偏角成正比,侧偏角为46时达到最大值；随着侧偏角继续增大,回正力矩反而下降。电动助力转向系统是在原有机械转向机构的基础上增设了电动机和减速机构,电动机通过减速机构作用到转向机构上。电动机和转向机构中不仅存在着摩擦损失转矩,还有弹性或间隙。如果轮胎的回正力矩比总的摩擦损失转矩小,转向盘就不能够回到中间位置,汽车将偏离预期的行驶路线,直到驾驶员通过转向盘用力使它返回中间位置。为此,需要在常规转向的基础上增加回正控制功能13。当检测到转向盘转矩方向与其旋转方向不同时，开始实施回正控制。在转向盘回正过程中，有三种情况需要考虑。一是速度较小时的机械自动回正；二是回正力矩过大，引起转向盘位置超调；三是回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。第一种情况在低速回正过程中，EPS系统对H桥实行断路控制，保持机械系统的原有回正特性；对第二种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调；后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力，需要注意的是，此时助力特性曲线与常规控制的不同，助力值比常规控制小。图2.3 回正控制2.3控制策略研究电动机控制系统的控制策略主要包括两部分:1.根据车速和转矩信号确定助力电机的目标转矩；2.对电机的助力转矩进行闭环控制。2.3.1电机目标转矩的控制策略无刷直流电机的输出转矩和电枢电流成正比，调节电枢电压可以实现电机的电流控制，电控单元可以把目标转矩转换成目标电流，通过调节电压信号控制电机驱动电路使电机输出相应的助力扭矩。可以利用PWM技术使电控单元输出电压信号变成电压脉冲列，通过控制脉冲列的占空比以达到改变电压的目的。由于试验中选用的微控制器具有脉冲宽度调节器，因此不需要另外添加。电机工作时要不断换向，采用桥式电路可以实现电机的换向。桥式电路在前面的章节中己经进行了详细的介绍，主要有四个MOSFET管组成、通过两组MOS管的导通和关闭来实现电机的换向。当电机在正转或反转时，调整脉冲宽度调节器，改变电压信号的占空比，就可以使控制电机的电枢电压，也就实现了对电机电流的控制46。图2.4 电机目标转矩控制图2.3.2助力电机的电流控制策略电机PID控制 参考电流+电流检测 反馈电流-图2.5 电流闭环控制图助力电机工作过程中，电流控制电路把电机的实际电流值和目标电流值进行比较，生成一个差值信号，在闭环回路上通过PID算法控制电机的电流。整个闭环回路的控制框图如图2.6所示。2.3.3控制算法EPS能否获得满意的性能，关键是在电动机的电流闭环控制。汽车行驶的工况千差万别，加上EPS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EPS有很大影响，这些都对电动机的电流闭环控制提出很高的要求。PID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EPS的成功开发提供了保障，作为一项新技术，EPS的控制策略还需要在发展中不断地加以完善。参考一些文献15之后，我们发现采用积分分离PID控制算法比普通的PID算法使控制系统的性能有了较大的改善。因此我们采用这种控制算法。PID参数的选择有两种可用方法：理论设计法和试验确定法。理论设计法确定PID控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，这在电动机模型中往往很难做到。因此，用下列两种试验确定法来选择PID控制参数，就成为目前经常采用，并且是行之有效的方法。图2.6 算法的效果对比1.凑试法凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。凑试前，要先了解PID控制器参数对系统的响应有哪些影响。增大比例系数KP，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数TI，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分常数Tp，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。2.经验法用凑试法确定PID参数需要经过多次反复试验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的试验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。数字PID控制算法是模仿连续系统的PID控制器，要求采样周期足够短，一般要远小于系统的时间常数。采样周期越短，数字控制效果就越接近实际连续控制。采样周期的选择要受到多方面因素的影响（比如单片机响应速度和精度、系统的动态性能和抗干扰性能、执行元件的响应速度和要求）。在电动机控制软件设计中，采样周期也是一个重要的参数。在实际选择采样周期时，必须根据具体情况和要求综合做出选择。2.4本章小结本章介绍了助力特性的确定，针对汽车转向系统的特点，对助力控制、回正控制的工作原理以及它们之间的关系和切换作了研究，在此基础上研究了基本的电机控制系统的控制算法。第三章硬件控制系统设计电机控制系统中的核心执行部件为电机,而向电机提供及时、有效、准确的驱动信号就显得尤为重要。硬件电路是整个控制系统的平台，其各种功能的实现都要利用这个平台来执行，本文的硬件电路由几个相互独立的模块化电路组成，整个ECU电路由信号采集及处理、强电驱动控制、故障诊断等基本电路模块构成，通过对单片机的选型、EPS的结构、系统电路模块的分析，阐述了EPS系统硬件电路的分层结构设计过程、信号处理电路、助力电机和电磁离合器功率驱动控制电路，并分析了各模块电路的工作原理。3.1 EPS控制系统的总体结构图3.1 EPS总体电路框图80C552片内扩展了两路PWM输出口，很大程度上简化了电动机驱动电路的设计，它的定时器T2有4个完全相同的捕捉中断，可以用于捕捉加在中断输入脚的外部脉冲信号，根据两个脉冲上升或下降沿引起的捕捉中断捕捉到T2中的内容，可以方便的计算出被测脉冲的周期；80C552内置的10-bitADC使得系统设计中无需外扩A/D转换器件，有利于控制电路板的体积小型化；80C552的工作频率可达到30MHZ，能够满足电动助力转向系统的要求；80C552除了具有全双工的UART串行借口外，还有I2C串行接口，能够方便地与系统的其他模块进行总线级集成和通讯，实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系,以实现整车电子控制系统一体化16。H桥及驱动电路:电机驱动电路是由4个功率MOSFET管构成的H桥式功率变换电路，4个大功率管分为两组，同一组的两个晶体管同时导通、同时关断，由于单片机输出为弱电信号，必须在单片机系统和功率驱动电路之间设置前置驱动电路，将单片机输出的弱电信号转换为强电控制信号才能应用于功率驱动电路，利用两片IR2110构成4个MOSFET的基极驱动电路。波形处理电路:MCU需要采集的模拟电压信号包括主副扭矩信号和电机电流信号：主副扭矩信号进入ECU后经过滤波,然后经过阻抗匹配进入单片机；电机电流信号要经过电流/电压转换、滤波进入ECU。另外车速和发动机转速信号以周期脉冲的形式送给MCU之前也要经过相应的波形处理电路。3.2 ECU的控制芯片主控芯片的选择是控制系统设计的一个重要环节，它直接影响到助力转向控制系统的性能。满足助力转向性能要求的主控制器有可编程逻辑器件(PLC),高性能单片机、工控机和数字信号处理(DSP)等，这四种控制器各有优缺点。本文采用的控制芯片是Philips公司的8位微控制器80C552，选择这个芯片是基于对所研究、开发的应用对象的控制特性要求。汽车的电动助力转向系统是典型的实时、随动性系统，从控制的角度讲，系统对时性有一定的要求，即要求控制系统的输出能够对系统的输入做出合理的控制处理，由于每个人的控制力度和感觉的不同，所以对精确性要求不是多高，汽车电动助力转系统的外在反映是驾驶人员的经验与感觉，经验与感觉的模糊性决定了事实上控制系对控制精度的要求不是非常高，只要控制系统的控制效果比较平顺，没有助力骤加或力骤减的外在表现，一般可以被用户接收。所选择的80C552满足设计要求，可以从下面几个方面分析17：80C552的内核是Intel公司的80C51，80C552具备80C51的所有功能，在开发21世纪8位单片机的争夺战中，80C51处于极有利地位，现已成为全世界单片机电路设计中最广泛的基础结构，因此对于研究开发人员来说，可以参考的资料多，容易学习，当然选择80C552，是因为它强大的实际应用功能。电动助力转向系统需要对采集近来的车速和扭矩信号进行快速处理，80C552的主机频率可以达到33MHz,运算速度满足电动助力转向系统的设计要求。电动助力转向系统的主要控制对象是直流电动机，目前多采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制，80C552脉冲宽度调制器PWM共分PWM0和PWM1两路，分别用于PWM0和PWM1引脚上产生频率相同和宽度（占空比）可调的输出脉冲，很大程度上简化了电动机驱动电路的设计。电动助力转向系统的采集的扭矩信号和电机反馈电流信号需要经过A/D转换，80C552含有一个8路10位逐次比较型A/D转换器，8路模拟量由P5口输入，A/D转换完成后得到的10位数字量中的高8位存放在ADC高8位寄存器ADCH和低2位在ADC控制寄存器ADCON中。因此适用80C552位核心的单片机应用系统，其硬件电路更为简单。电动助力转向系统的采集的车速和发动机转速信号均为脉冲信号，利用80C552的T2捕捉寄存器CT3CT0捕捉T2中时间的功能可以很方便地测量一个周期性变化事件的时间间隔。现代的高档汽车基本都配置了防抱死制动装置(ABS)、定速巡航自动控制系统(CCS)、电控自动变速器(ECAT)等电器控制单元，这些模块通过总线与汽车控制系统的总控制模块相关联、通信。80C552除了具有全双工的UART串行接口外，还有I 2C串行接口，能够方便地与系统的其他模块进行总线级集成和通讯。3.3电源电路和信号处理电路3.3.1电源电路图3.2 系统电源电路80C552需要5V的供电电源，芯片7805完成12V到5V的转变，其中12V是汽车电源，LMC7660产生的-5V满足电路中运算放大器的需要，另外单片机A/D转换需要的+5V精密基准电压由LM336产生。3.3.2扭矩信号图3.3 扭矩信号处理电路在测控系统中，传感器的输出信号一般是一些微弱的电压或电流信号，另外一些干扰因素的存在，在输入到控制电路前必须要经过一些处理电路，如上图所示：ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。3.3.3车速信号图3.4 车速信号处理电路车速信号是12V的单极性脉冲信号，此信号是从车速里程表里面引出的。因为单片机所能处理的信号高电压在5V左右，所以车速信号的通道设计主要是完成信号的电平匹配设计，也即将12V的信号转化为5V的数字信号。对12V电压到5V的电压的解决方案可以采用分压原理，也可以采用光电耦合器等，本文采用后者的方法，车速信号经光电耦合器，传送到T2捕捉0输入线，对车速频率信号进行计数，通过软件处理可以得到车速信号的频率大小，从而知道车速。3.4电机的控制电路和保护电路电动机控制电路的设计在电动助力转向系统的设计中是比较关键的一块。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation ,简称PWM)的控制方式已成为绝对主流。而且这种控制方式也很容易在单片机控制中实现。所设计系统的电机控制方式也是采用的该类型的控制方式。PWM控制方式具有以下几方面的优点:需要的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽；快速性好；电流波形系数好，附加损耗小。这主要是因为PWM调制频率高，不需要平波电抗器就可以获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于1，故而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及它由所引起的附加损耗小。另外还有效率高、功耗小、频带宽、滞后小等优点。所以，PWM控制方式是一种很理想的驱动方式。3.4.1电动机的PWM调压调速原理由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：1.调节电枢供电电压U；2.改变电动机主磁通量；3.改变电枢回路电阻R。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源是直流斩波器或脉宽调制变换器，用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。直流电机的PWM控制系统有可逆和不可逆之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只可单向旋转。由于电动助力系统有正反转向的要求，因此系统的执行电动机也必须能够工作在正反两个方向旋转的运行状态，所以系统采用可逆PWM控制系统。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如下图所示。T型由2个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像横放的“T”，所以称为T型，T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。在次详细介绍“H”型，下面是其电路图。图3.5 H桥电路图3.5中Q1 Q2 Q3 Q4为四个MOSFET，型号为IRF540，是H桥的核心器件，D1 D2 D3 D4是续流二极管，提供电路续流回路，主要作用是消除电动机所产生的反向电动势，达到保护电机免于被烧的目的。由原理可知，直流斩波器的输出电压平均值Ud可以通过改变占空比，即通过改变开关器件导通或关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调至方法有三种18：1.脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。开关器件的通断周期T保持不变只改变器件每次导通的时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。2.脉冲频率调制(pulse frequency modulation, PFW)。开关器件每次导通的时间不变，只改变通断周期T或开关频率f,也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。3.两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。3.4.2功率开关部件的选择及其驱动电路选用MOSFET作为功率开关器件。EPS系统中电动机的额定电压是12V，额定电流是30A。选用MOSFET时，反向耐压取值为两倍以上的余量，工作电流有24倍的余量，工作频率与实际频率相当。在设计中采用的是IRFP5410。 MOSFET栅极驱动电压信号不小于10V，而单片机输出为弱电信号，端口的最高输出电压只有5V，必须在单片机系统和功率驱动电路之间设置前置驱动电路，将单片机输出的弱电控制信号转换为强电控制信号。其栅极驱动要求可概括如下：1.栅极电压一定要比漏极电压高1015V，用作上桥臂高压侧开关时，其栅极电压必定高于干线电压，而且应该是系统中最高电压。2.栅极电压从逻辑上看是可控制的，它通常以地为参考点。因此控制信号就不得不转换电平为上桥臂（即高压侧源极）电位，在绝大部分应用中控制信号在两干线电压间摆动。3.栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。IR2110具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3Vcc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9VDD）3.320V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V的偏移量；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。图3.6 系统双极型H桥功率电路3.4.3电动机的保护电路受汽车行驶转向等因素的影响，电机需要频繁的起制动，此时电机电枢绕阻上产生比较大的电流冲击，电动机很容易被烧掉。基于此，所设计的电机控制系统分别从软件和硬件两个方面进行了考虑、处理。电流传感器的采样输出在(0，5v)上变化，2.5v是实际的电流零值情形，而电机保护电路所关心的只是电流的大小，不关心其方向性，如图示进行了减法处理、绝对值求取和与设定值比较等处理过程，最终将信号传递给保护输入端。电动机保护电路具体实现如图3-7所示。具体步骤是：1.采样值经由低通滤波电路后将采样值送到由运算放大器OP07等组成的减法电路，得到论域为-1,1的电压信号；2.绝对值电路进行求取绝对值运算，得到幅值的范围是0,1；3.完成求取绝对值的工作的同时，还需要对绝对值信号进行放大处理；4.进行电压幅值比较，判断电流是否过大。经绝对值电路出来的信号经LM393等构成的比较电路后，输出电动机保护电路控制信号。此信号可以通过单片机的A/D接收后在进行软件处理，通过程序对电动机的控制端发出相应的信号；也可以直接将此信号送IR2110的工作允许控制端SD，一旦电动机的电枢电流超过允许的最大电流值，比较电路的相应输出端输出高电平，则SD受高电平的控制，从而立即关断IR2110的输出，则无论此时从单片机的PWM0端口输出的脉宽调制信号如何，IR2110驱动MOSFET的栅极端始终保持低电平，由于栅极电压低于门槛电压，则H桥电路不会投入工作，电机电枢电压将很快减小，从而起到保护电动机的作用。当电枢电流降低后，由于控制IR2110的SD端重新回到低电平，H桥电路转入工作状态。图3.7 电动机保护电路3.5故障诊断电路EPS系统工作时，自诊断系统把检测到的非正常输入输出信号为故障信号，自诊断系统故障主要有以下几种：1.当某一电路出现超出规定范围的信号时，故障诊断系统就判定该电路信号出现故障。如扭矩传感器正常时其输出电压信号在0.1V4.8V范围内变化。若，ECU即判定为故障信号，存入存储器。2.EPS工作中，当ECU在一段时间里收不到某一传感器的输入信号或输入信号在一段时间内不发生变化，ECU亦判定为故障信号。3.EPS正常工作中，如果偶然出现一次不正常信号，ECU诊断系统不会判断为故障,只有当不正常信号持续一定时间或多次出现时，ECU才将其判定为故障。要注意的是，ECU判断出的故障，只能提供故障的性质和范围，最后确定是传感器、执行器或相应配线的故障，还应进一步检查确定。本文采用动态七段数码管显示电路，动态显示所显示的若千位是逐位轮流显示的，周而复始的循环，只要速度足够快，所看到的是连续显示的一组数字。对于动态显示电路一般是利用CPU控制电路来控制显示块的导通与截止,显示电路由显示块、字形锁存驱动器及字位锁存驱动器构成。3.6系统硬件的抗干扰性设计在制PCB板时，从抗干扰的角度，考虑了以下布线原则：1.导线的布设应尽可能地短，在高频回路中更应如此；2.地线、电源线尽量加粗；3.CPU的晶振走线一定要短，并尽量用地线包围；4.尽量避免过长的平行走线；5.高、低速和模、数接地线要分开并一点接地。3.7本章小结本章依据电机控制系统要求设计了控制单元的硬件电路，包括控制芯片及外围电路的设计、电源模