基于单片机的电动助力系统的设计与实现
46页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+电路图【详情如下】
任务书.doc
基于单片机的电动助力系统的设计与实现开题报告.doc
基于单片机的电动助力系统的设计与实现说明书.doc
电路图.ddb
电路图.doc
答辩相关材料.doc
说明书封面.doc
说明书摘要.doc
过程管理封皮.doc
过程管理材料.doc
目 录
摘要I
ABSTRACTII
第1章 绪论1
1.1 转向助力系统的国内外研究现状与发展趋势1
1.2 选题的目的和意义3
1.3 本课题研究的内容和拟解决的主要问题4
1.3.1 本课题的主要内容4
1.3.2 拟解决的主要问题4
第2章 EPS系统的组成5
2.1 EPS工作原理与结构组成5
2.2 传统液压动力转向系统5
2.3 电动助力转向系统特点6
2.4 EPS的类型6
2.5 助力系统的关键部件7
2.5.1 助力电机7
2.5.2 转矩传感器7
2.5.3 车速传感器8
2.5.4 电子控制单元9
2.6 本章小结11
第3章 EPS系统的硬件设计12
3.1 EPS系统硬件电路结构12
3.2 单片机最小系统电路12
3.2.1 时钟电路12
3.2.2 复位13
3.3 电源电路14
3.4电动机的驱动15
3.5 三态缓冲器17
3.6 电动机的变频调速控制18
3.7 电动机H桥驱动方式18
3.8 本章小结19
第4章 EPS控制策略和软件设计20
4.1 EPS系统的控制要求20
4.1.1 回正控制20
4.1.2 阻尼控制20
4.2 转向助力特性曲线的选择21
4.2.1 助力特性的理论研究21
4.2.2 助力特性曲线的选择21
4.3 EPS的软件设计22
4.3.1 开发环境22
4.3.2 数字滤波程序设计24
4.3.3 AD模块25
4.3.4 电机助力子程序26
4.3.5 系统主程序27
4.4 本章小结27
第5章 软件下载及系统的试验28
5.1 STC单片机程序下载器的使用28
5.2 系统的试验30
5.3 系统的调试30
5.4 本章小结30
结论32
参考文献33
致谢34
摘 要
汽车电动助力转向系统(EPS—Electric Powered Steering)是近年来发展起来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控制助力电机的运转，从而实现助力转向的功能，EPS除了具备液压动力转向器的转向轻便等优点之外，它还具有转向平稳、节能、环保等一系列特点，因此，EPS取代液压动力转向系统势在必然。当前国内在EPS的研究和产业化方面还比较落后，没有形成具有自主知识产权的EPS产品。因此，开展对EPS的研发上作具有重要的理论和实际意义。
本文在分析、总结现有电动助力转向系统基础上，以提高系统运行可靠性与达到更好的助力效果为目标，开发了以STC89C52为微处理器的EPS控制器。硬件上结合单片机的资源，对电路进行了设计，包括外围电路以及单片机最小系统的改进。软件上并结合硬件电路，设计了相应的程序，提高了整个系统运行可靠性。
最后,总结论文工作中涉及的一些问题,并给出对未来进行了讨论,形成了未来的研究方向和工作目标。
关键词：汽车；电动助力转向；单片机
ABSTRACT
Electric power steering system(EPS) is a new developing direction of Power steering system in automotive．The principle of EPS is the assistant motor works according to the measured torque and vehicle signals．So that Dower steering can be realized．Besides EPS has the light steering torque like Hydraulic Power Steering (HPS)system，it has many other characteristics such as steering placidly，low energy consuming，environment protecting and so on．Therefore it is a certain tendency that EPS being instead of HPS，But at present．the R&D of the domestic EPS is behindhand．and a11 the EPS used in vehicles has no independent knowledge property right．Therefore it is very important in academic and practical significance in R&D of EPS．
On basis of summary，analysis of the system，a EPS controller based on STC89C52 Was developed in order to improve the reliability and performance of system．With MCU hardware combined resources to circuit design, including peripheral circuit and single chip minimize system improvement. Software and hardware circuit, design with the corresponding program and improve the operation of the system reliability.
Finally，a summary of works involved in the thesis is given and some problems for the future are discussed，which forms the objectives for future research and works．
Key words: Automobile；Electric Power Steering；MCU
转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、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起着重要的作用。而一个拥有性能可靠的控制系统则能使EPS实现以上效果，EPS具有节能、环保等优点，是未来转向系统的主流发展，是研究的重点项目。
1.3 本课题研究的内容和拟解决的主要问题
1.3.1 本课题的主要内容
（1）设计一个小型电动转向助力系统，分析电动助力转向系统电子控制单元的功能。在充分考虑电动助力转向系统控制的可靠性、实时性的基础上，以单片机为核心的控制单元。
（2）设计电子控制单元的硬件，采用P控制策略完成对直流电动机的控制、并对各种传感器信号进行采集和处理，通过单片机产生控制脉冲波来控制H桥驱动直流电动机正反转，满足EPS控制要求。
（3）采用模块化设计的方法编写相应控制软件。控制软件中主要包含系统主程序、信号采集子程序，策略控制子程序等。
1.3.2 拟解决的主要问题
（1）系统硬件电路的搭建，硬件电路需要单片机最小系统主要包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等电路的设计。
（2）传感器信号处理电路的设计，如转矩信号通过A/D转换输入处理器进行处理，再通过电机驱动电路控制电机转动方向。
（3）将软件和硬件进行连接并进行测试，检查出现故障部分并思考出现故障的原因，再就相关知识努力将故障排除。第2章 EPS系统的组成
2.1 EPS工作原理与结构组成
EPS的工作原理：当驾驶员操纵方向盘转向时，转向柱上的扭矩传感器检测到的信号与车速信号经过滤波处理后送入ECU，ECU对这些信号进行运算处理后输出PWM信号给电机驱动模块，从而实现对电动机的控制，电机经传动机构将助力转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的目的。当车速超过一定值时，EPS系统退出助力工作模式。EPS可在不同车速的情况下提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时的轻便性和高速行驶时的稳定可靠。EPS的主要组成有扭矩传感器、车速传感器、助力电机和电控单元。
2.2 传统液压动力转向系统
液压动力转向系统（HPS）是在1928年就在汽车上首次应用的，到1940年左右HPS就已经实用化了，并在多种大型车辆上装备。在1951年在轿车上也得到了应用，获得了当时的好评，随后HPS在轿车上便迅速普及，到今天装备HPS的车辆已经超过了80%。
HPS是在传统机械式转向器的基础上通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管等液压动力装置来提供转向助力。开始HPS的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向一定来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。20世纪50年代出现了转阀式HPS，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式HPS。 电动助力转向系统是未来汽车发展趋势的高新技术，本文在对EPS的原理和助力控制的基本过程进行了研究，通过硬件和软件的设计，主要工作如下：
（1）通过对EPS的有关文献资料进行研究，对电动助力转向系统的关键部件进行研究和分析，选择合适的传感器信号模拟部件，电动机及其它部件。
（2）以STC89C52为核心设计了电控单元，其中主要有电机驱动电路，信号采集电路，单片机最小电路，利用变频调制的方法对直流电机的电流大小进行控制，利用H桥实现对电机正反转的控制。
（3）利用Keil软件编写了控制程序，软件的主要功能是对转矩和车速的信号进行采集和数字滤波，然后将经过处理的信号输入单片机，采用P控制策略完成对直流电动机的控制。
（4）将程序下载到单片机中，将电路板通电试验，经过测试表明，控制器能有效对电机进行旋转方向和转速的调节。
本次设计制作的电路板对转矩信号和车速信号用电位计进行了信号的模拟，并用TCL549模数转换芯片对信号采集并送入单片机，电机在单片机和L298电机控制芯片的调控下进行相应的旋转，从而实现在不同的情况下进行对助力的调节。总结以上的工作，有以下几点展望：
（1）电控单元的进一步设计和开发。如电路中抗干扰及保护措施的完善。故障诊断功能的完善等。
（2）EPS控制策略的研究。如何采用更加先进的控制策略，增强对EPS系统控制的效果，以及对EPS数学模型的建立和助力特性曲线的建立。
（3）对助力系统的控制不够准确，需要大量的试验，从而使EPS系统更加完善。
虽然做出了一定的成果，但由于个人能力和时间限制，系统仅仅是在电动助力方面的一个验证性实验，离最后的实用化、产品化还有一定的距离，未来进一步的研究方向主要是在程序上设计的更加贴近实用性，以达到更加合理的助力目标。
参考文献
[1]王晓明,电动机的单片机控制[M],北京航空航天大学出版社,2002.5:125-136
[2]赵良红,张渭泷.汽车底盘电控技术[M].机械工业出版社,2002.7:209-214
[3]解福泉,周建平.汽车典型电控系统构造与维修[M],人民交通出版社,2005.9:199-202
[4]李朝青.单片机原理及接口技术第3版[M],北京航空航天大学出版社,2006.12
[5]朱华,汽车电动助力转向系统研究现状及趋势[J],汽车与配件,2010
[6]王豪,许镇琳等.电动转向系统的发展及其现状[J],汽车运用,2002(8)
[7]龚小平,杜志强.电动助力转向技术发展的新动向[J],汽车研究与开发,2005(7)
[8]陈志恒,胡宁.汽车电控技术[M],高等教育出版社,2003.9:211-214
[9]钱学武,汽车电动助力转向控制系统设计与开发[D],扬州大学硕士论文,2010:3-5
[10]秦曾煌,电工学电子技术第六版[M],高等教育出版社,2004.7
[11]林敏,丁金华,田涛.计算机控制技术及工程应用[M].北京国防工业出版社.2005,8
[12]俞方磊,动助力转向系统控制器的研究与开发[D],江苏大学硕士学位论文,2009
[13]周冬林,电动助力转向系统仿真及控制系统设计[D], 南昌大学硕士学位论文,2009
[14]蒋春斌,汽车电动助力转向控制系统的研究设计[D],江苏大学硕士学位论文,2006
[15]毕大宁,汽车转阀式动力转向器的设计与应用[M],北京人民交通出版社,1998
[16]Nakayama T,Suda E.Presem and future of electric power steering[J]. International Journal of Vehicle Design,1994,15(3,4,5):243-254
[17]Akira Noguchi,etc.Development of a Steering Angle and Sensor of Contact-type[J].
FurukawaReview,2004(25):36～41
[18]明月,刘嘉明,沈建新.低成本电动助力转向电机控制系统的实现与控制策略优化[J]. 电机与控制应用,2010,37(6):27-30
[19]逯海燕.电动助力转向系统控制及仿真分析[J].汽车与配件,2010,23(6):29-31
[20]晋兵营,宁广庆,施国标.汽车电动助力转向系统发展综述[J].拖拉机与农用运输车,2010,37(1):1-2
[21] 赵学平,李欣,陈杰,边姜.电动助力转向系统永磁直流电机PWM控制模式研究[J].系统仿真学报,2010,22(1):174-178
[22]潘新民,王燕芳.微型计算梳控制技术[M].北京电子工业出版社.2003,1
[23]徐中明,胡康博,余烽,张志飞.电动助力转向系统控制策略的仿真分析[J].重庆大学学报,2010,33(08):81-83
川公网安备: 51019002004831号