汽车电动动力转向系统设计论文

中文摘要摘 要汽车电动助力转向系统(EPS)与传统的机械、液压助力转向系统相比具有转向灵敏、能耗低、与环境的兼容性好、成本低等优点。目前，在很多高端车上都装由EPS，因此，开发EPS具有很大的实际意义和商业价值。电动助力转向系统主要由控制部分、执行部分和程序这三个部分组成，控制部分主要由信号采集电路、单片机和信号发送电路组成。其中单片机是控制部分的核心部件，信号采集电路采集到的转矩和车速信号送单片机处理后，单片机再发出控制信号给信号发送电路，经过驱动电路驱动电机转动。执行部分主要由电机、减速机构和电磁离合器的组成。它起着转向辅助动力的产生，传递和中断的作用。而程序是助力控制方式的具体体现，它由控制方式和控制策略来决定。控制部分、程序、执行部分相互组合就构成了以一完整的汽车电动助力转向系统。经过组建系统调试后，得出了我们所需要的助力特性曲线，经过分析，采用的控制形式存在级变震动，为了减小震动的影响，必须增加助力曲线的数目以减小震动幅度，但是幅度必须足够的小，小到足以忽略频率的影响。关键词：电动助力转向，单片机，助力曲线，直流电机，电机控制III本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTElectric power steering system (EPS) has the advantage of sensitive, low energy consumption and environmental compatibility, and low cost compared with the traditional mechanical and hydraulic power steering system. At present, in many high-end vehicles are installed by the EPS, therefore, the development of EPS has great practical significance and commercial value. EPS controlled by the controller, actuator and procedures. The controller controlled by the signal acquisition, SCM, and circuit sent signals. SCM is the core components of the system, signal acquisition circuit to the acquisition of torque and speed signals sent to deal with SCM. Then, SCM sent the control signals to the signal circuit, after, driving circuit driving motor rotation. Actuator controlled by motor, reducer, and electromagnetic clutch. It plays to the formation of auxiliary power, transmission and the role of interruption. The assistance program is a concrete manifestation of control. It is decided by the control strategies. Controller, procedures, operation each other are combination of a complete vehicle electric power steering system. After the system debugging, we need to come to the assistance of the curve. After analysis, there is a shocking when the speed changes from one state to another. In order to reduce the impact of shock, we need to increase the number of curve to reduce the rate shock, however, the rate must be small enough to neglect the impact of the frequency. Key words： electric power steering, SCM, power curve , DC motor, motor control本科学生毕业设计（论文） 目录本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要ABSTRACT绪论11.1转向系统的分类11.2电动助力转向系统的发展现状21.3 EPS的分类21.3.1转向轴助力式21.3.2转向小齿轮助力式21.3.3转向齿条助力式31.4 电动助力转向系统的优点31.5电动助力转向系统的工作原理42.系统设计52.1电动助力转向系统选型52.2机械部分系统设计52.2.1设计要求分析52.2.2实现形式52.3控制部分系统设计72.4电动转向系统总体设计73.主要零部件选型93.1主要机械部件选型93.1.1直流电机选型93.1.2电磁离合器的选型113.1.3 转矩传感器选型123.2 主要控制芯片的选型143.2.1 单片机143.2.2数模D/A转换器及模数A/D转换器153.2.3 锁存器173.2.4 STK6855电机控制芯片183.2.5 TL494电机调速芯片193.2.6LM224放大器193.2.7场效应管203.2.8稳压芯片203.2.9主要选购件列表214机械设计部分224.1 减速机构设计224.1.1 减速器结构设计224.1.2 减速器齿轮齿圈设计234.1.3 强度校核264.2传动锥齿轮设计314.2.1外形尺寸设计314.2.2锥齿轮校核335.电路设计355.1信号采集及A/D电路设计355.2信号发送及D/A电路设计365.3电机正反转电路设计375.4 电磁离合器驱动电路设计395.5电源控制电路设计405.6 总电路设计406. 程序设计426.1 电动转向系统的助力曲线426.2程序的前期数学处理436.3 程序框图466.4程序486.5程序结果验证546.6 助力曲线分析58参考文献59三、论文提纲1.绪论2.系统设计2.1电动助力转向系统选型2.2机械部分系统设计2.3控制部分系统设计2.4电动转向系统总体设计3.主要零部件选型3.1主要机械部件选型3.2 主要控制芯片的选型4机械设计部分4.1 减速机构设计4.2传动锥齿轮设计5.电路设计6. 程序设计参考文献II本科学生毕业设计（论文） 绪论绪论随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低,电动助力转向系(EPS)统越来越受到人们的重视, 并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点, 迅速迈向了应用领域, 部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 。电子控制技术在汽车动力转向系统中的应用, 使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动助力转向系统(EPS) 在汽车低速行驶转向时减轻转向力使转向轻便、灵活；在汽车高速行驶转向时,适当加重转向力,从而提高了高速行驶时的操纵稳定性, 增强了“路感”。不仅如此,EPS的能耗是HPS能耗的1 /3以下,且前者比后者使整车油耗下降可达3%5%, 因而, EPS将成为汽车传统转向系统理想的升级换代产品。1.1转向系统的分类由于助力转向系统具有转向轻便和响应性好等优点，已经在汽车上广泛使用。 目前汽车配置的助力转向系统可分为以下3类。1) 机械式液压助力转向系统机械式液压助力转向系统在汽车上的应用最为广泛，系统的核心部件是机械液压泵。液压泵通过传动皮带由发动机驱动， 属于固定助力效果的助力转向系统。具有明显的缺点，转向系统的助力效果在车速较低时能够起到很好的作用，但是当车速不断升高时，固定的助力效果会使转向盘过于灵敏，不利于驾驶者对方向进行控制。2)电子液压助力转向系统电子液压助力转向系统是机械式液压助力的改进， 通过电子控制技术在助力转向系统上增加了车速感应式转向功能，以实现车辆低速行驶时助力力矩大和高速行驶时助力力矩小的效果，但是结构太复杂，而且液压系统由于液体的惯性和可压缩性，导致转向滞后影响操作。再者，液压油也对环境造成污染。能量损耗很大。3)电动助力转向系统(EPS)EPS是在机械转向系统的基础上，将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统之中，根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统,EPS能显著改善汽车动态性能和静态性能，提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性，减少环境的污染。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究。1.2电动助力转向系统的发展现状自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来, HPS给汽车带来了巨大的变化,几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速, 出现了电控式液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering,简称EHPS) 。1988年3月，日木铃木公司开发出一种全新的电子控制式EPS，真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。首先在其Cervo车上装备EPS , 随后又应用在Alto汽车上；1993年，本田汽车公司首次将EPS装备于大批量生产的、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克NSX跑车。TRW公司继推出EHPS后也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS和转向柱助力式EPS,并装配在Ford Fiesta和Mazda 323F等车上, 此后EPS技术便得到了飞速的发展，如本田最新推出的Insight轿车上就是其中的例。在国外, EPS已进入批量生产阶段, 并成为汽车零部件的高新技术产品。 我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向,EPS的研究开发目前还处于起步阶段, 其产品在2002年才有国内企业进行研制开发。目前已经知道的有13家企业和科研院校正在研制中，其中南摩股份有限公司(生产转向柱式的EPS产品)在2003年开始进入小批量生产阶段，在昌河公司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司生产的新雅途轿车上使用。吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备其吉利豪情等系列轿车上。1.3 EPS的分类目前电动助力转向系统总共分为3类：转向轴助力式，转向小齿轮式，转向齿条式。1.3.1转向轴助力式转向轴助力式电动助力转向系统是将转向助力部分安装在转向轴管上，辅助力矩由助力电机经过减速机构和传动机构传递到转向轴上，从而实现助力效果。这种助力方式在结构上安装很方便，但其助力较小，一般用于小型汽车上。结构如图1-1(a)所示。1.3.2转向小齿轮助力式转向小齿轮助力式电动助力转向系统是将辅助机构安装在转向小齿轮上，辅助力矩由助力电机发出后经过减速系统和传动系统直接作用在转向小齿轮上。这种结构的助力方式能够提供较大的辅助力矩，适合用于需要较大助力的中型车上。但由于结构方面的原因，使得安装不是很方便。结构如图1-1(b)所示。1.3.3转向齿条助力式转向齿条助力式电动助力转向系统是将辅助部分安装在转向齿条上，辅助力矩由辅助电机发出后经过减速和传动机构作用在齿条上以达到助力的目的。齿条助力方式能够提供很大的转向助力力矩，适合用于转向力矩较大的大型车上。但其安装和结构很复杂。结构如图1-1(c)所示。 (a) (b) (c)图 1-1 电动助力转向系统的类型1.4 电动助力转向系统的优点1)EPS系统只有在乘用车转向时提供助力，因此能减少能量消耗，即降低油耗(液压助力转向系统的油泵在乘用车不转向时也工作，能量消耗大)，并能在各种行驶工况下提供最佳的转向助力。2)减小由于路面不平所引起的对转向系统的干扰，改善乘用车的转向性能，减小低速行驶时的转向操纵力，提高高速行驶时的转向稳定性，从而提高乘用车的主动安全性。3)由于不需要加注液压油和安装液压油管，所以EPS系统无漏油故障。4)EPS控制系统的结构简单，质量小(比液压助力转向控制系统轻25)，安装和维修方便，且成本低。5)EPS系统比液压助力转向系统具有更好的通用性，能够移植到不同的承用车上。6)因为EPS系统无需液压油，因此不会污染环境，与环境的兼容性很好，适合用于在市区的车辆。7) EPS 系统能够提供不同路面的“路感”，因此提高了行驶的安全性和稳定性，提高了驾驶的乐趣。1.5电动助力转向系统的工作原理EPS系统如图1-2 所示, 系统的控制核心为89C51单片机。当汽车点火开关闭合时, 单片机上电后对EPS系统进行自检,自检通过后, 闭合继电器和离合器,EPS 系统便开始工作。驾驶员操纵方向盘转向, 扭矩传感器检测到方向盘的扭矩和转动方向, 车速传感器检测到车速信号, 这些信号经过输入接口电路处理后送至89C51单片机相应端口,单片机根据方向盘扭矩、转动方向和车速等数据,并依据系统助力特性, 确定助力电流的大小和方向,通过89C51单片机的输出口发出电流指令和相应的转向控制端口发出转向命令,通过驱动电路及H桥电路驱动直流电动机进行转向。如EPS系统工作出现异常,单片机将驱动EPS灯发亮进行报警提示, 同时断开电磁离合器退出电动助力工作模式, 转为人工手动助力模式。电动助力转向系统主要是通过单片机来控制电机的电流大小以及电池离合器的闭合与断开来实现对转向系的助力。电机电流的大小主要受到转矩信号和车速信号的影响，当车速一定，转矩信号所代表的转矩值较低时，流经电机的电流较小，电机助力较小，反之，则流过电机的电流较大，电机助力较大。当转矩一定时，车速越大，流经电机的电流越小，助力越小。车速越低，流经电机的电流越大，助力越大。当车速大于某个值或者转向力矩小于某个值时，电磁离合器断开，系统停止工作。图1-2 电动助力转向系统工作原理图59本科学生毕业设计（论文） 第二章本科学生毕业设计（论文） 系统设计2.系统设计2.1电动助力转向系统选型如我们前面绪论中讲到，电动助力转向系统分为转向轴式、转向小齿轮式、转向齿条式。本次设计中，我们选择转向轴式的助力方式。转向轴式电动助力转向系统虽然提供的助力没有其它两种方式提供的助力大，但在安装方面要方便的多。再者，这次设计的电动助力转向系统主要是针对经济型轿车来进行开发的，其空间相对较小，空间问题是我们要考虑的重点问题。转向轴式对空间紧凑的经济型轿车很适合。2.2机械部分系统设计2.2.1设计要求分析机械部分是电动助力转向系统的执行部分，ECU发出的控制指令最终都要由它来完成。根据转向系统的要求，在满足传统的转向系的要求之外，还要求机械部分必须具有以下性能：1） 反应灵敏，因为汽车的转向是一个动态的过程，如果转向操作的滞后性太大，会造成很大的转向误差，使转向失真，影响行驶的安全。2） 传动的可逆性，汽车转向系统要求在不同的路面上有不同的路感，由于我们在传统的机械齿轮齿条转向系的基础上添加了助力部分，有可能使转向系统的“路感”变差。因此，在设计的时候必须要考虑到转向路感的问题。作用在车轮上的力，必须部分的传递到方向盘上。3） 噪声低，我们添加的助力部分距离驾驶员很近，如果噪声太大对驾驶员的驾驶会造成很大的影响。再者，过大的震动会通过转向轴传递到转向盘，使转向盘产生强烈的震动，影响驾驶的安全性和驾驶乐趣。2.2.2实现形式电动助力转向系统机械部分主要由转矩传感器、直流电机、减速机构、电磁离合器、传动锥齿轮组成。为了直接的测量驾驶员作用在转向轴上的转向力矩，我们将转向轴分断，分别接在转矩传感器的两端。联接方式如图2-1通过这样测出来的转矩与驾驶员作用在方向盘上的转矩值最为接近，而且这样设计在实现与安装方面也比较的容易。精确的转矩测量对电机的电流控制极为重要，使得系统的控制性能得到改善。图2-1 转矩传感器的连接方式辅助电机主要为电动助力转向系统提供助力力矩，通过减速机构减速增矩，然后由电磁离合器控制助力力矩的接通，最后，由一对锥齿轮传递到转向轴上。其机械部分系统图如图2-2图2-2 电动助力转向系统机械部分系统图通过这种方式将转向力矩传递到转向轴上使结构比较紧凑，所需要的传动部件比较少，因此传动效率高，噪声小，而且转向传动也比较灵敏。并且当辅助电机不工作时，电磁离合器断开，系统进入纯机械转向。当系统工作时，由于减速机构采用可逆传动，作用在转向轮上的力能够部分的传到转向盘上，保证了不同工况下有不同的路感。2.3控制部分系统设计控制部分是电动转向系统的核心部分，它对车速传感器传来的车速信号和转矩传感器传来的转矩信号进行计算，最后向驱动部分发出指令。控制部分主要由单片机、A/D、D/A和一些控制电路组成。如图2-3图2-3 控制部分系统图转矩传感器采用电压输出，经过A/D转化成数字信号由单片机进行处理，车速信号采用脉冲信号，直接接在单片机上进行计数，计算。两个信号经过处理后，单片机发出指令（数字信号）经D/A转换后驱动控制电路，最后由功率模块驱动电机和电磁离合器。电机电流的大小由单片机控制。2.4电动转向系统总体设计将机械部分与控制部分结合起来就够成了完整的电动助力转向系统，如附图1所示。由图可知，控制部分对转向操作进行实时监控，机械部分将监控后的执行结果传达到转向操作中，因此，从某中角度来看，这两部分一起够成了一个“监测控制执行监测”这样的一个闭环系统。如果系统助力不够，机械部分施加在转向轴上的转向力矩较小，因此，驾驶员施加的转向力矩增大，转矩传感器测量的力矩值增大，从而使得电机电流增大，辅助力矩增大。这样对误差起到了修正的作用。由于系统的工作频率很高，从而提高了转向助力的随动性。助力减小-转向力矩增大-传感器输出增大-电机电流加大-助力增加助力增加-转向力矩减小-传感器输出减小-电机电流减小-助力减小在系统中，电机作为动力源输出动力，电磁离合器所起的作用相当于一个开关，它控制着力矩的通断。由于电机的转速很高，大约在3000r/min，因此需要一个减速机构起到减速增矩的作用。它们都受到控制部分的操作，统称为执行机构。单片机及其它控制驱动电路统称为控制部分。两个部分的相互配合使得系统功能得以实现。本科学生毕业设计（论文） 主要零部件选型3.主要零部件选型3.1主要机械部件选型3.1.1直流电机选型电机是把电能转换为机械能的装置，广泛的说，所有依靠电能工作的动力源都是电机。电机的运动形态可以是直线的也可以是旋转的，还可以是震动的，无论如何运动，都是因为电机能够产生电磁力。从供电形式上电机可分为交流电机和直流电机，本此设计采用的电机为直流旋转式电机。它由转子和定子两大部分组成。所选电机型号：10DK230-12外形：图3-1 电机外形图电机性能参数：型号电压V功率W空载参数负载参数转速R/min电流A转速R/min转矩KG.cm电流A10DK230-121222033007.030009.030表3-1 电机性能参数表电机外形尺寸：图3-2 电机外形尺寸电机特性曲线图3-3 电机特性曲线由电机特性曲线可知，电机转矩与电流近视成正比，转速增加，电流减小，转矩减小。而电机转矩与电流的关系为：(3-1)由图可知，当转矩T8Kg.cm0.8NM时，电机电流I10A。由此可以计算出所选电机的T-I函数：(3-2)直流电机的特性决定了在低速时，电机的转矩输出很大，这正好适合于汽车原地转向的要求。刚开始转向的时候，由于静摩擦力的缘故使得转向力需求很大，因此转矩传感器测量到的转矩也很大，ECU控制电路对电机输出大电流，电机输出很大的力矩，因此，使转向轻便。当转向力要求不大时，转矩传感器测量到的转矩很小，ECU控制电路对电机输出小电流，这时电机提供较小的电流和较快的转速，使转向轻便灵敏。由直流电机的特性图我们很清楚的知道，要控制电机的输出转矩，只需要控制流过电机的电流，而电流控制对于采用单片机的控制系统来说相对比较简单。3.1.2电磁离合器的选型电磁离合器的主要作用是控制辅助电机发出的辅助力矩的通断。目前，电磁离合器主要有摩擦片式和牙嵌式两种。按照不通电时电磁离合器的开闭情况又分为常开式和常闭式两种。摩擦片式电磁离合器又分为干式和湿式两种。不管干式还是湿式，摩擦片都存在相对滑动的情况，不适合用于转向系统中。因为如果发生相对滑动会使传动滞后，造成失真，使转向灵敏度下降。汽车大部分的时间时速都超过40Km/h，而大于此速度是不需要助力的，因此离合器应该断开。为了满足转向灵敏和电机不助力时断开助力部分的要求，此次设计选用牙嵌常开式电磁离合器。代号为：DLY3电磁离合器安装尺寸如图3-4和表3-2图3-4 电磁离合器外形安装尺寸图D1D2D3D4D5D6D7825842363575823-4.53-1020heLLLLa/()22.8+0.26554268450.3表3-2 电磁离合器的安装尺寸在安装时要注意间隙的调整，过大则反应滞后，过小，电磁离合器不容易断开。电磁离合器的工作原理为：当电磁离合器断电时，两牙嵌片在弹簧力的作用下分开，断开动力专递；通电后，感应线圈产生磁场，吸引衔铁使牙嵌片相互结合，从而传递了动力。断电后，弹簧又将两牙嵌片分开断开动力。在传动过程中，线圈不产生转动，支撑在轴承外圈上面，轴承内圈转动，实现主动件的旋转的传递。3.1.3 转矩传感器选型转矩传感器用来监测驾驶员作用在方向盘上的转向力矩，为单片机的计算提供依据。目前，国内外现有的EPS系统采用的转矩传感主要有以下形式：1)光电式，LUCAS公司有该类型的产品，清华大学也进行了这方面的研究、并做出了样件，前者结构比较复杂，对加工工艺要求较高，后者对前者进行了改进，但是存在温度漂移和绕线的问题。2)电位计式，BI公司和NSK公司都有该类型的产品，前者集成了转矩、转角测量，后者采用滑套机构将转角差变换为电位计摆臂摆动，实现转矩测量。该类型的传感器都属于接触式，存在磨损，降低了其性能3)电感式，KOYO公司和NSK公司都有该类型的产品，该类型传感器具有较高的精度，很好地实现了非接触测量，并且线性好，非常适合EPS系统使用。电感式转矩传感器的结构图如图3-5所示图3-5 电感式转矩传感器的结构图电感式转矩传感器主要有输入轴、扭杆、检测环、检测线圈、补偿线圈、输出轴、壳体组成。当输入轴有转矩输入时，扭杆发生变形，检测环齿轮正对面积发生变化，输入力矩越大，扭杆变形越大，正对面积变化越大。其工作过程如下图所示图3-6 电感式转矩传感器工作过程框图本次设计采用电感式转矩传感器，其型号为：0170MS 50R具体的安装尺寸见图3-7和表3-3量程NMA(mm)B(mm)C(mm)D(mm)E(mm)F(mm)G(mm)-50-50108385819g6303244H(mm)I(mm)J(mm)K(mm)L(mm)N(mm)轴向力N径向力N1952215可调可调20050表3-3 转矩传感器安装尺寸表图3-7 转矩传感器外形及安装尺寸其安装方式为与转向轴串接。0170MS系列具有很好的动态监测性能，响应快，能够准确迅速的测量出转向力矩。其输出电压为0-5V，当转矩为0时输出2.5V电压，转矩为-50Nm时输出电压为0，转矩为50Nm时输出电压为5V，其输入-输出曲线如图3-6所示图3-8 转矩传感器输入输出曲线车速信号由ABS中取出，为一脉冲信号，再这不做讨论。3.2 主要控制芯片的选型3.2.1 单片机单片微型计算机(简称单片机)，是将计算机基本部分微型化，使之集成在一块芯片上，片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器、中断控制、系统时钟及总线等。单片机体积小，功耗低，功能强，较多的应用在控制领域。在汽车电动助力转向系统中，单片机主要对转矩信号和车速信号进行计算，判断汽车运行工况后，对电机发出指令，使电机发出相应的辅助力矩。单片机有4位、8位、16位、32位的，它们同时存在与市场。运算频率有6MHz、12MHz、24MHz、32MHz和40MHz的。为了节约成本，并且兼顾到运算数度，我们选择8位24MHz的51系列的单片机89C51。它有丰富的指令系统，编程开发非常方便，运算速度快，用在转向系统中随动性好。89C51的工作电为5V，因此，需要另配标准恒定电源，尽量减小电压波动，使单片机工作稳定。89C51单片机的封装图如图3-9所示：图3-9 AT89C51单片机的引脚图由于单片机的内容很多，应用领域也相当广泛，具体功能在这里不做具体介绍，请参看单片微型计算机与接口技术。在汽车电动助力转向系统中的应用参看电路设计和程序设计部分。3.2.2数模D/A转换器及模数A/D转换器1)A/D转换器模数转换器是将模拟信号转换为数字信号的器件。在电动助力转向系统中，转矩传感器输出的信号为电压模拟信号，不能直接输入单片机内进行处理，因此必须经过模数转换，将模拟信号转换为数字信号，再输入单片机中进行处理计算。在本次设计中我们选择ADC0809模数转换芯片，它具有体积小，转换快等优点，还能根据输入模拟电压的最大值进行调整。芯片的封装结构如图3-10所示，它有8个模拟电压输入端口，能够对8路信号进行转换，当Vref接5V电压，Vref接地时，可对05V的电压信号进行转换，转换器全“1”输出就代表输入端口的输入电压时5V，全“0”输出时代表输入电压为0。07路的输入端口由ADDA、ADDB、ADDC进行选中，000代表选中0口，001代表输入1口，111代表输入7口。ALE为地址锁存有效信号，START信号用于启动A/D转换。EOC为转换完成信号，启动转换后 EOC变成低电平，转换完成后EOC变为高电平，此信号可以向单片机提出中断申请。EO为输出允许信号，高电平时，信号从D0D7口输出。 由于车数信号为脉冲信号不需要转换，因此在这里不作讨论图3-10 ADC0809模数转换器引脚图2)D/A数模转换器车数信号和转矩信号经过单片机处理以后，单片机输出的信号为数字信号，不能直接驱动外部电路，因此需要数模转换，本次设计采用DAC1210数模转换芯片。1210是12为的数字转换芯片，器引脚图如图3-11所示图3-11 DAC1210引脚图DI0DI11为数据的输入端，OUT1、OUT2为数据的输出端，当输入数字为全“1”时，OUT1输出电流最大，输入全“0”时，OUT1输出电流最小。OUT1与OUT2之和为一常数，当需要输出模拟电压时，需要外接运算放大器进行I/V转换。WR1、WR2控制芯片高位和低位的输入，CS为芯片的片选信号，CS为高时，芯片被选中。信号的高8位与低4位分时输入，先输入高8位，再输入低4位。输入高位与低位的区别信号由BYTE1与BYTE2来控制，BYTE1位为高时，输入高8位，BYTE1位为低时输入低4位。3.2.3 锁存器由于单片机的工作频率非常高，发出的信号为瞬时信号，若要将信号长期的保持在某种状态，则要用到锁存器。本次设计采用74ls373锁存芯片，其性能较稳定，工作可靠，外接5V电源，输出端输出信号电压高达2.5V无需放大，可直接使用。74ls373的引脚图如图所示图3-12 锁存器74ls373引脚图Vcc接5V电源D0D7接信号输入O0O7接信号输出LE、OE作为两个逻辑控制端GND接地芯片使用的电源必须稳定，以免芯片工作发生振荡而影响输出。下面表3-4是74ls373的真值表DnLEOnHHLHLHLLXLLOnXXHZ*表3-4 74ls373真值表由真值表我们可以看出LE为高电位的时候，输出On随着输入Dn变化LE为低电平的时候，输出On保持原来的状态，从而将瞬时信号变为了持续信号。因此，再控制过程中，我们可以先给LE高电平，Dn给我们需要的电平，然后将LE变为低，使输出锁住。3.2.4 STK6855电机控制芯片STK6855芯片是用着电机正反转控制的专业混合厚膜IC芯片。它能够由从正反转信号端子输入的信号来控制电机的正反转，利用PWM控制端来实现电机的脉冲调速，需要外加的器件少，使用方便。其部分引脚图如图所示：图3-13 STK6855部分引脚图其中A、B为转向控制信号输入端，PWM为脉冲调速端端口6，7接12V电源，4，5，6，9作为输出端口表3-5为A、B端口的真值表AB正转HL反转LH停止1(禁止)HH停止2(制动)LL表3-5 STK6855正反转真值表3.2.5 TL494电机调速芯片TL494 是电机脉冲控制的调速芯片，它的输入信号为电压信号，输出信号为站空比不同的脉冲信号。通过调节脉冲信号的站空比来调节电机的转速。从而节约能源。但是，这里由一个问题值得我们注意。TL494所发出的脉冲信号的周期必须比直流电机的电器周期要小很多，如果这两个周期相差不大，会造成电机的抖动。3.2.6LM224放大器 LM224放大器主要实现电压信号的放大与电流信号与电压信号的转换。由于数模转化器输出的信号为弱电流信号，而我们需要的信号为强电压信号，因此要用到运算放大器。LM224是工业运算放大器，它工作稳定，工作温度高，适合用于汽车电子当中。图3-14为LM224的引脚图LM224 共有4个集成运放组成，可同时完成4路信号的放大。每路运算相互独立，互不相干。图3-14 LM224引脚图3.2.7场效应管场效应管在此次设计中主要是用来搭建电机正反转控制的H桥式电路。它是通过电压控制电流的半导体器件，通过栅级电压的调节来控制流过源级与漏级的电流，从而达到控制流过电机电流的目的。本次设计选用场效应管的型号为IRFP150A 其封装图如图所示：图3-15 IRFP150A封装图它允许通过的最大电流为43A，而我们设计的系统最大电流为30A，因此，所选择的场效应管符合要求。关于场效应管的性能特性在这里不作叙述。3.2.8稳压芯片车载电源是一个不稳定的电源，而我们设计的系统中控制芯片较多，而芯片的工作电压波动要有严格的控制，以使其稳定工作。某些场合要求12V电压，某些场合要求5V电压，因此，我们必须通过电路来实现12V和5V的恒定电压。12V电压我们可以通过选用7812芯片来得到，5V电压可以通过7805芯片来得到。其封装结构如图3-16所示图3-16 7812/7805的封装结构它共有三个端口，其中一端接电源，一段接输出，一段接地。一般情况需要并联一个斩波电容来减小波动。3.2.9主要选购件列表名称型号名称型号电机10DK230-12模数转换器ADC0809电磁离合器DLY3锁存器74ls373转矩传感器0170MS 50R电机控制芯片STK6855单片机AT89C51电机调速芯片TL494数模转换器DAC1210放大器LM224场效应管IRFP150A5V稳压芯片780512V稳压芯片7812表3-6 主要选购件列表本科学生毕业设计（论文） 机械设计4机械设计部分4.1 减速机构设计4.1.1 减速器结构设计目前减速器的结构形式有很多种，最常见的有圆柱外啮合齿轮传动减速、圆柱内啮合齿轮传动减速、涡轮蜗杆减速、行星轮系减速等。其见图如图4-1图4-1各种减速传动机构简图圆柱外啮合传动方式传动可靠，刚度大，但其结构尺寸过大，用在电动助力转向系统当中不方便安装，圆柱内啮合传动也存在尺寸大的问题，也不适合用于电动转向系统当中。涡轮蜗杆传动能以小的尺寸实现较大的传动比，但是它只能进行单向传动。运动可以由蜗杆传递给涡轮，而不能由涡轮传递给蜗杆。由于转向系统要求不同的路况有不同的路感，地面作用在车轮上的力必须部分的传递到转向盘上，因此，要求减速机构必须可逆。而涡轮蜗杆是不可逆的，因此不适合用在转向系当中。行星轮系减速机构也能实现小尺寸，大传动比，并且其传动可逆，因此，可以运用在电动助力转向系统当中。但是单级的行星轮系传动比还是太小，若将传动比做的太大，则尺寸较大，因此，本次设计采用双级行星轮系减速。第二级利用第一级的行星轮输出作为输入，以第二级行星轮的输出作为输出。其原理简图如图4-2所示：图4-2 双级行星轮系减速机构简图电机的动力从第一级的太阳轮输入，然后，经第一级行星轮减速后传到第二级的太阳轮，又经第二级的行星轮减速后输出。我们假设第一级的传动比为i1，第二级的传动比为i2，则整个减速机构的传动比为ii1*i2。在本此设计中，我们选择的电机的转速为3000r/min，而方向盘的转速大概在50r/min。因此，要求助力部分的总减速比为60。按照这个传动比做出来的减速机构结构很大，因此我们设计的减速器的传动比为30，在转向轴与助力部分衔接处锥齿轮传动的传动比为2，这样我们就保证了助力部分的总传动比为60。4.1.2 减速器齿轮齿圈设计双级行星轮系中，所有的齿轮都为直齿圆柱齿轮，齿圈也为直齿圆柱齿圈。由于设计的安全性要求较高，而减速器的结构又不能太大，因此做减速器齿轮的材料要求较高，每一级的行星轮系的主动轮（太阳轮）选用渗碳或者碳氮共渗合金钢，其余零件选用调质合金钢。1） 齿数的确定要实现两级行星轮系的传动比为30，则每一级的传动比为5.5。两级为30.25，与理论要求的非常接近。符合要求。下图为双级行星轮系减速机构的示意图 3图4-3 双级行星轮系加速机构示意图由于两级结构一样，因此，只需要计算其中一级。由转化轮系的传动比计算公式有： （4-1）已知 5.5 带入计算有4.5所以Z24.5Z1 取Z120则Z290 （4-2）计算得Z335初取模数m0.8 压力角取标准值20dm*Z （4-3） 因此有d116；d272；d328齿轮宽度取为152） 几何尺寸计算计算公式表如下：名称代号计算公式模数取标准值0.8压力角20分度圆直径齿顶高齿根高全齿高顶隙齿顶圆直径齿根圆直径齿距齿厚表4-1 齿轮计算公式表计算结果如下表1230.80.80.82020201672280.80.80.81111.81.81.80.20.20.217.670.429.61474262.5122.5122.5121.2561.2561.256表4-2 齿轮参数表4.1.3 强度校核根据双级行星轮系的结构，第二级行星轮系所受的力最大，在第二级行星轮系中，太阳轮的尺寸最小，因此，只需校核的二级太阳轮。齿轮失效形式虽然多种多样，但在某一具体使用场合这些失效形式并不同时发生。齿轮究竟产生那种失效，最要取决于齿轮材料得齿面硬度和具体工作条件。在一般得闭式齿轮传动中，齿轮得主要失效形式式齿面疲劳点蚀和齿根弯曲疲劳折断，所以目前应用最普遍也是最成熟得设计准则是，针对齿面点蚀和齿根弯曲疲劳折断进行齿面疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度计算。1）齿面接触疲劳强度校核计算公式 （4-4） （4-5）符号说明-许用接触应力 MPaK-载荷系