车辆工程毕业设计8EPS电机控制器的设计正文
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车辆工程毕业设计论文
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车辆工程毕业设计8EPS电机控制器的设计正文,车辆工程毕业设计论文
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1 第 1 章 绪 论 节能、环保、舒适、廉价是广大汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。汽车转向系统的性能在节能、环保及舒适方面具有非常重要的作用。传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。随着汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发展的一种趋势。 1.1 本设计研究的意义 随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向 器。电动助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地位。 在国内，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还在中国境内申请了一些 EPS专利。因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入 WTO后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术 产品。同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义。 1.2 本设计研究的目的 电动转向器是一种新型的汽车转向系统，该系统能根据车辆的运动状况和驾驶员的要求实行多目标控制，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性和回正速度、较强的抗干扰能力和较快地响应转向输入，而且这些控制是在基本上不改变硬件的条件下通过软件即可实现。 从汽车诞生之日起，机械式转向系统就已经开始使用。几十年来，机械式转向系统一直在使用着，但由于人们对转向轻便性和舒适性要求越来越高，机械式转向系统已经不能满 足人们的需求，迫切需要一种能够帮助驾驶员辅助转向的一种装置，此时液压式助力转向系统诞生了。 1953年通用汽车公司第一个使用了液压助力转向系统，转向轻便性效果显著。此后该技术得到了迅速发展 , 使得助力转向系统在功耗、体积nts 2 和价格等方面都取得了很大的进步。 80年代后期 ,出现了变减速比的液压动力转向系统，随后又出现了基于液压转向系统的新的动力转向系统新产品 , 具有代表性的产品是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少， 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以根据需要随时关闭，所以也部分的降低了燃油消耗。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力 , 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力转向系统是在上述两种助力机构的基础上发展起来的，它采用独立电机直接提供助力，助力大小由电控单元根据方向盘扭矩和车速信号进行控制。它具有节能、环保、高度安全性等特点，目 前正逐步取代液压动力转向，像时下热卖的雨燕、飞度、 SX4、速腾等车型都采用的是这种助力机构，而它也是未来动力转向技术的发展方向之一。 如图 1.1 电动助力转向系统 通过将装有 EPS 和装有 HPS 的车辆对比表明，在不转向的情况下， EPS 能降低约为 2.5%的燃油消耗；而在使用转向情况下，燃油消耗更是降低了 5.5%。此外， EPS可根据车速自动控制转向助力力度，有效解决一直困扰着传统转向系统的方向盘“轻”和“灵”的难题，提高了行驶 安全性。 电动助力转向有效地解决了车辆在操纵稳定性和方向盘转向手感方面的问题，具有兼顾低速转向轻便性和高速增强路感的优点。三种助力转向系统性能比较如表 1.1所示。 nts 3 表 1.1 三种助力转向系统性能比较 类型 EPS EHPS HPS 燃油特性 耗油最少 介于两者之间 耗油最多 独立与发动机工作 可以 可以 不可以 方向跟随性 很好 差 差 路感状况 很好 好 差 回正性能 很好 好 差 助力特性 准确、灵活、控制最优 灵活性、传递性较 HPS差 中等 集成性能 方便 不方便 不方便 环保性能 环保 不环保 不环保 占用空间 只有四个组建、结构紧凑占用空间最小 有 40到 50个零部件，占用空间较大 有 40到 50个零部件，占用空间较大 耐寒性 耐寒 不耐寒需要预热 不耐寒需要预热 重量 很高 中等 较差 效率 很高 中等 较差 1.3 电动助力转向系统国内外发展研究现状 在国外，从 1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有 30多年的历史。之前一直没有取得很大的进展，主要是因为 EPS 的成本太高。随着近几年来电子技术的快速发展， EPS 的成本已大幅度降低，再加上它独特的优点，因而越来越受 到人们的重视，并迅速迈向应用领域，部分取代了液压动力转向系统。 EPS 系统在日本最先获得实际应用 ,1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的 Cervo车上，随后又配备在 Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的 Delphi公司，英国的 Lucas公司，德国的 ZF公司，都研制出了各自的 EPS。 EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式 与功能也进一步加强。日本早期开发的 EPS仅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。随着电子技术的发展， EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。在国外， EPS已经进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品。由于技术保密，很难获得控制参数，要想实现技术自主创新，还需国人自己钻研。 nts 4 在国内，电动助力转向技术大多还处于实验室开发研究阶段，部分科研院所已经进行了装车实验。国内的清华大学早在 1992年 就开始了 EPS的研究，曾研制出 EPS的样机，并在试验台上进行了性能试验。 2002年，经调查发现国内至少 13家企业和科研院校正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。 2003年上海市科委科技立项 900多万元用于电动助力转向器的开发与研究，其中投资 300多万给同济大学汽车学院用于 EPS控制器的开发。但大多都是在实验室台架试验上取得了一些进展，在试验车上转向的效果有待改进；特别是在转向盘抖动，以及回正控制等方面还存在着一定的问题，南摩股份有限公司 (生产的转向轴式 EPS产品 )能进行 小批量生产用于汽车装配。目前主要装配在排量在 1.3L 1.6L的紧凑型轿车。目前21个国内汽车厂家的 43个品种均可装配 EPS产品，其中有 6个厂家 8个车型具有装配 EPS 的潜力，其中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 QQ，天津丰田的威驰，悦达起亚的千里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。昌河在其北斗星轿车和爱迪尔等车型上已把 EPS作为选装器件，在三星级以上轿车上作为标准配置。控制机理是 EPS的核心技术之一，国内外学者先后提出了 PID、模糊 PID、神经网络等控制策略，绝大多数只进行了模拟仿真 研究，进行实验研究的较少。本研究采用 PID控制策略，并进行了理论和实验研究，取得了良好的控制效果。 1.4 电动助力转向系统的特点 电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了车速传感器、转矩传感器、助力电机和电子控制单元（ ECU）等装置，电机通过减速机构作用在转向柱上，实现对转向的助力。电动助力转向的结构总成如图 1.2所示： 图 1.2 电动助力转向结构总成图 与液压动力转向相比，电动助力转向系统综合了现代控制技术、现代电子技术及机电一体化等技术，具有以下优点： nts 5 （ 1） EPS能在不同车速下提供不同的助力特性。在低速行驶时，增加转向助力，使得转向更加轻便；在高速行驶时减少转向助力，为了提高路感可以增加转向阻尼。 （ 2） EPS只有在转向时电动机才工作，汽车在行驶过程中大部分时间较少助力，因而很大程度上减少能耗。 （ 3） EPS取消 了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件与 HPS相比大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。 （ 4）电动机由蓄电池供电，电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作，因此提高了汽车行驶安全性。 （ 5） EPS 与液压助力系统相比，装配自动化程度更高，而且电动助力转向系统可以通过改变微处理器中的助力程序算法，改变助力特性很容易实现。 （ 6）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越，由于该系统具有良好的模块化设计，为设计不同的系统提供了极大的灵活性 。 1.5 本设计研究的主要内容 本文首先对 EPS的工作原理及国内外研究现状作分析，建立了 EPS的数学模型，具体分析 EPS的动态特性中的助力特性，同时介绍电动转向中的三种控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。最后得出本文结论及其展望。所做工作如下： 1、理论分析。分析电动助力转向电机控制器的主要结构及工作原理，研究电动助力转向系统的控制策略。 2、控制器硬件及软件设计。设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，绘制图纸，研究了单片机资源和编程原理，并进行了硬件和软件调试。 3、实验研究。在实验台架上进行转向轻 便性试验、转向回正性能等试验，验证自主开发控制器的性能。 nts 6 第 2 章 EPS 电机控制器的结构原理和控制方法 2.1 工作原理及结构组成 电动助力转向系电机控制器主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、控制单元（ ECU）、离合器、助力电动机及减速机构等组成。工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给 ECU， ECU经过分析处理后输出 PWM信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控制。 EPS电机控制器的主要组 成部件主要有：助力电机、电磁离合器、电位计式扭矩传感器、车速传感器和电子控制单元。 2.1.1 助力电机 本设计开发的电动助力转向系统选用的助力电机为直流永磁有刷电机，额定电流为 30A,额定电压为 12V，额定转速为 1050r/min，额定输出功率为 170W，额定转矩为1.48N m。 由于汽车转向过程中电机助力的大小是通过 PWM进行调整的，因此要求电动机要有很好的机械特性和调速特性。考虑到对原机械转向系统的影响，要求电动机具有噪声低、低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小和质量轻等特点，以便达到良好的动态 特性和可靠性。 2.1.2 电磁离合器 电磁离合器的结构主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机的动力传递路线就被切断，助力停止。 电磁离合器的作用有以下两个方面：第一，防止动力过载。如果电动机产生的扭矩过大，主动轮就会克服在电磁吸力作用下，主动轮和压板之间产生的摩擦力，从而打滑，保证电动机给系统的助力不致过大；第二，在电机系统产生故障时，电磁离合器可以切断电动机和机械转向系统的连接，保证转向系统仍能够进行转向操作。 nts 7 2.1.3 电子控制单元 电子控制单元是电子控制系统中最重要的元件之一，其性能在一定程度上决定着电子系统的性能，选择优良的控制器对取得良好的控制效果非常重要。结合 EPS 控制系统的特点，尽可能的减少外围电路元件和降低成本，而且处理单元还要具备功能模块多，运算速度快，所以该系统选用了飞思卡尔公司生产的汽车级 MC9S12系列微处理芯片 MC9S12XS128单片机。 该单片机是基于 16位 S12XSCPU 内核及 0.5 m制造工艺的高速、高性能 5.0V FLASH微控制器，它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境，其主频高达 96 MHz，同时片上还集成了多个汽车用标准模块。其主要性能如下： 1. 具有在线背景调试模式（ BDM）； 2. 2个异步串行通信口 SCI； 3. 1个同步串行通信口 SPI； 4. 8通道输人捕捉 /输出比较定时器； 5. 8通道 12位 A/D转换模块（ 10位 A/D转换时间只需要 7us），转换结果有左对齐和右对齐模式，可作为普通 I/O口使用； 6. 1个 8通道 8位脉宽调制模块（ PWM），可以设置成 4通道 16位 PWM信号，占空比可以从 0 100%设置； 7. 具有片内电压调整模块； 8.1个低电压唤醒定时器，定时器溢出时间从 0.2ms 13s之间设置； 9.49个独立数字 I/0口（其中 20个具有外部中断及唤醒功能）； 10.1个 MSCAN模块，兼容 CAN2.OA/B协议，具有标准和扩展数据帧模式，通信速率最快可达 1Mbps； 11.片内拥有 128KB的 Flash EEPROM， 8KB的 RAM，资源十分丰富； 12.芯片正常工作温度范围在 40 C到 125 C之间，基本上适应汽车复杂环境。 2.2 EPS 电机控制器的 基本控制方式 EPS 电机控制器 根据车速、转矩和电机电流来执行控制策略，提高转向灵敏度。因而系统有三种控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的转向过程中，通常是助力控制。当驾驶员释放方向盘后，作用在方向盘上的力减小，且小于助力控制的门限值，同时，系统判断此时检测转矩大小的加速度和转向盘转动方向是否相异，如果两者相异，系统就执行回正控制。 EPS系统中的电机、减速机构以及转向机构等都有很大的摩擦力与惯性力矩，这些都构成了汽车的回正阻力矩，当回正阻力矩过大，nts 8 阻止车轮回正时，使用回正控制，利用电机提供辅助回正力矩。为了防止提供的辅助回正力矩过大，产生回正过头现象或在回正过程中出现摆振现象，在车轮将要回到中间位置时要施加阻尼，此时选用阻尼控制模型。 2.2.1 助力控制 助力控制是指在转向过程中为了减轻方向盘的操纵力 ,通过减速机构把电动机转矩作用在转向小齿轮上的一种基本控制模式。利用电动机转矩和电动机电流成正比的特 性采用控制电动机电枢电流的方法实现助力控制。助力控制是 EPS系统控制的主要内容 ,是电动助力转向控制内容中的“重头戏”电动助力转向的名字正是由此而来。驾驶员都希望车辆转向时有助力转向力“轻”些 (可减少驾驶员的体力消耗 );但又不能太“轻” ,太“轻”则意味着太“灵” ,路感较差。汽车转向中的“轻”与“灵”成为一对需要调和的矛盾体。在设计电动转向时 ,一方面必须保证驾驶员操纵的轻便性 ,另一方面还要使驾驶员获得良好的路感。 2.2.2 回正控制 在 EPS取代 HPS的初期 , EPS的任务就是在操纵方向盘转向时提供助力 ,所以 助力控制是 EPS研制初期的全部控制内容。纯机械转向系统和液压助力转向系统没有回正控制 ,驾驶时将方向盘回正后 ,轮胎的自动回位主要靠转向系统的设计参数 (主销后倾角和主销内倾角 )来保证。回正控制的实现与助力控制类似 ,即 ECU控制电动机产生一个与方向盘转角相反的适当的回正力矩。回正力矩的大小可用电流大小来表示 ,回正控制时 ,助力电动机的参考输出电流。 2.2.3 阻尼控制 汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为了提高直线行驶的稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在 高速驶时手感的“稳重”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。 采用阻尼控制时，一般情况下只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。 nts 9 第 3 章 硬件设计 系统硬件电路是实现电动助力转向的基础， EPS硬件电路设计的科学性和合理性，直 接关系到 EPS系统的控制效果。本章主要研究 EPS硬件的设计，主要的有单片机、电源转换电路、传感器、电机、蓄电池和继电器等。 3.1 硬件电路图及系统框图 图 3.1 硬件系统电路图 EPS系统主要硬件电路包括： （ 1）单片机的选择 （ 2）电源 （ 3）传感器 （ 4）驱动器的选择 （ 5）电机 nts 10 图 3.2 EPS 控制系统框图 本系统主要工作流程为：首先对系统进行自动检测，确保系统各部分工作正常 。然后单片机采集各传感器信号，经过分析运算后，判断是否 提供助力，如果实施助力控制，启动继电器驱动电路，输出 PWM信号控制助力电机的转矩，进而辅助驾驶员转向；否则进行其他相应控制。当系统出现故障时，电磁离合器与电机脱离，助力电机停止工作，故障指示灯点亮。 3.2 传感器 3.2.1 电位计式扭矩传感器 扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结构复杂，主要用于高速测量。本论文中采用的是导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简单，可靠性好，使用寿命在 3000万次 以上，适合于方向盘扭矩的测量。 电位计式的主要工作原理如图 3.2所示。传感器的两个输入端分别是 VCC和 GND(分别是输入端 1和 4)。当转向盘处于中间位置时，传感器的两个输出端 T1和 T2上的电压均为 2.5V；当转向盘向右旋转时，其输出端 T1上的电压大于 2.5V，输出端 T2上的电压小于 2.5V；当转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，输出电压 T1减去输出电压 T2得到的差动电压值就可以用来表示转矩的大小和方向。差动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据扭矩传感器输出差动电压的大小和正负，就可 以判断转向盘的转矩大小和转动方向。 蓄电池 驱动电路 助力电机驱动及功率电路 电池模块 电磁离合器 助力电机 MC9S12XS128 方向盘扭矩 信号处理电路 故障指示灯 电压处理电路 nts 11 图 3.3 电位计式扭矩传感器原理图 3.2.2 车速传感器 大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，如图 3.4所示。该传感器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可以直接使用。但是在实验室中，较难采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。 图 3.4 磁感 应式车速传感器 nts 12 3.3 ECU 3.3.1 单片机的选择 图 3.5 MC9S12XS128 单片机 如图 3-4MC9S12XS128单片机最小系统硬件电路设计比较复杂，需要考虑电磁兼容、晶振电路设计技巧，以及防干扰滤波电路设计技巧等。 3.3.2 时钟电路 原理 时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键部分，由于晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对 A/D 转矩输入信号的干扰；甚至导致晶振体不 工作，导致整个单片机系统无法正常运行。 MC9S12XS128单片机的时钟输入接口在 34（ EXTAL）和 35 (XTAL)引脚上，通常接一个 16MHZ晶振体。外部晶振体的连接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器 3种方式。但是在实际应用电路设计中一般采用并联型方式。时钟电路如图 3.6所示。 图 3.6 时钟电路 3.3.3 滤波电路 原理 nts 13 滤波电路常用来滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性，它一般由电抗元件组成 ,如负载电阻两端并联电容器 C，或者负载串联电 感器 L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。 MC9S12XS128单片机内部带有电压调整器，它主要负责为单片机的内部提供不同的电压。主要滤波引脚有 9（ VDDF）、 49（ VDD）、 33(VSSPLL)和 36(VDDPLL)。 3.3.4 电源电路 MC9S12XS128单片机的外部供电电压为 5V，分别为单片机的内部电压调整器， IO端驱动器、 A/D转换器提供电源。为了充分提高供电电路的电磁兼容性，去除高频噪声，在各供电电路中串接一个电感元件。电源引脚 有 59（ VDDA）、 77（ VDDX1）和 29（ VDDX2）引脚。其中， VDDA的电源电路如图 3.7所示，其他引脚电路类似。 图 3.7 电源电路 3.3.5 复位电路 单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，在开发和调试单片机系统时需要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求在低压时也要对单片机进行复位，所以必须要设计一个复位电路。XS128单片机的 RESET引脚为低电平有效，其复位电路如图 3.8所示 。 图 3.8 复位电路 INPUT RESET GND nts 14 3.4 电源转换电路 由于该系统中，单片机和传感器需要电压为 5V的直流电源，以及通信传输的稳定性对电源要求较高，所以考虑了工业界常用的电源转换芯片 LM2576。其输出电流可达 3A，输入电压范围较宽，具有优良的线性调节与负载调节，只需极少的外部元件，就可以做成优良的电源转换电路，所输出的电流完全可以满足对整个系统的供电。电源转换电路如图 3.9所示。 图 3.9 电源转换电路图 3.5 传感器信号（车速、扭矩）处理电路 3.5.1 车速信号处理电路 通常车速信号都是从车轮转速经过计算都得出的，而且轮速信号一般幅值为 1V的正弦模拟信号，所以一般首先对车速信号经过滤波、放大和整形后方能被单片机获得。车速信号处理电路如图 3.10所示。轮速信号经过 AD823放大后幅值为 5V，经过比较器 LM393输出方波信号，供单片机采集。 图 3.10 车速信号处理电路 Vin ON/OFF FB GND OUT nts 15 3.5.2 方向盘扭矩信号 我们用扭 矩传感器测量方向盘上扭矩信号的大小，扭矩传感器输出信号为电压信号，为了保证其信号的可靠性，必须对信号进行滤波，滤波之后送单片机进行 A/D转换。扭矩信号滤波电路，对输入信号进行滤波，主要消除扭矩中的高频信号。实现对信号电平的处理，最后输出两路信号送给单片机两个 A/D转换口。 3.6 电机驱动器的选择 图 3.12 电机驱动器实物 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，因此，采用硬件逻辑电路实现的 PWM 控制系统已在实践中广泛应用。但是，这种方法的硬件电路比较复杂，一般也无计算机接口而本文介绍的电机驱动是采用电机专用驱动芯片 TD340实现直流电机调速的，该驱动系统可以大大简化硬件电路在本系统中采用脉宽调制（ PWM）控制 H桥电路实施对直流电动机的控制，由 4个功率 MOSFET组成，如图 3-13所示。采用 PWM伺服控制方式， MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用 4个 International Rectifier公司生产的 IRF3205型 MOSFET功率管组成 H桥路的 4个臂。 IRF3205仅有 8m导通电阻，而且功耗小，耐压达 55V，最大直流电流可达 110A，满足 EPS系统对 MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流 30A）的要求。图中所示， 4个 MOSFET管的基极驱动电压分为两组，其中 Q1和 Q4为一组，当 Q1接收 PWM信号导通时， Q4常开；而 Q2和 Q3截止这时，电机两端得 到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高由于直流电机是一个感性负载，当MOS关断时，电机中的电流不能立即降到零，所以必须给这个电流提供一条释放通路，nts 16 否则将产生高压破坏器件处理这种情况的通常方法是在 MOSFET管旁边并联一个高速开关二极而本系统采 IRF3205型 MOS管，该 MOS管内部已经并联二极管，所以外部并联的高速开关二极管可以省略。 图 3.13 H 桥电路 在本系统中选用 TD340高端智能直流电机控制芯片， TD340驱动器芯片是 ST微电子公司推出的一种用于直流电机的控制器件，可用于驱动 N沟道 MOSFET管。该芯片具有控制简单，外围电路相对较少，控制灵敏的优点，被广泛采用。 TD340采用双列贴片式封装的引脚分布，各引脚的功能如下： TD340芯片是 N沟道功率 MOS管驱动器，适合于直流电机控制。该器件内集成有可驱动 N沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和内部 PWM发生器，可进行速度和方向控制而且功耗很低，同时具有过压 (20V)、欠压 (2); sum2=0; ATD0CTL5=0x21; /单通道采样，通道 1 ,转矩信号 T1 while(!ATD0STAT0_SCF); /等待 A/D转换结束 sum2 += ATD0DR0L; sum2 += ATD0DR1L; sum2 += ATD0DR2L; sum2 += ATD0DR3L; T1=(byte)(sum22); 4.2.2 电动机 PWM 控制 大多数直流电动机采用 开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。利用开关管对直流电动机进行 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 Us 。 T1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为 0。 T2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低。直流电动机电枢绕组两端的电压波形。电动机的电枢绕组两端的电压平均值 U0为： 占空比表示了在一 个周期 T 时间内，开关管导通的时间与周期的比值。的变nts 23 化范围为 0 1。上式可知，当电源电压 Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0 取决于占空比的值，改变的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。 在 PWM调速时，占空比是一个重要参数，有三种方法可以改变占空比的值。 （ 1） 定宽调频法：保持 t1不变，只改变 t2 ，周期 T随之改变。 （ 2） 调频调宽法：保持不变 t2，只改变 t1 ，周期 T随之改变。 （ 3） 定频调宽法：保持 T不变，同时改变 t1和 t2的值。 前两种方法由于在调速时改变了控制 脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起系统振荡，因此这两种方法很少使用。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 MC9S12XS128单片机带有 8路 8位 PWM输出通道（可构成 4路 16位 PWM）， 通过初始化设置，便能够自动发出 PWM脉冲信号，只需要增加驱动电路就可以实现对电机助力大小的控制。下面是 MC9S12XS128单片机 PWM信号的产生原理，以 8位数据的 PWM 信号为例说明， PWM信号产生原理如图 4.3所示。图中所示， PWMCNTx是 8位计数器 PWMPERx 是周期寄存器 ， PWMDTYx是占空比寄存器， T是 PWM信号周期 ,t1是 PWM信号高电平所占用的时间。周期寄存器和占空比寄存器设置完以后，在总线时钟信号的驱动下 ,8位计数器开始计数，同时 PWM信号从低电平变为高电平，当 8位计数器的值等于 PWMDTYx时， PWM信号从高电平变为低电平，当 8位计数器的值等于 PWMPERx时， PWM信号从低电平变为高电平，同时计数器清 0，计数器重开开始计数。 下面简单介绍 MC9S12XS128单片机 PWM模块相关寄存器的初始化步骤。 （ 1） 初始化 PWM 控制寄存器（ PWMCTL） 7 6 5 4 3 2 1 0 Con87 Con45 Con23 Con01 Pswa1 Pfrz 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器可以实现把 8个 8位 PWM通道级联为 4个 16位 PWM通道。 （ 2） 初始化 PWM居中对齐允许寄存器（ PWMCAE） 7 6 5 4 3 2 1 0 CAE7 CAE6 CAE5 CAE4 CAE3 CAE2 CAE1 CAE0 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器控制每个 PWM 通道输出波形的对齐方式，可以是左对齐或者居中对齐。 nts 24 如果 CAEx=1，则对应通道的 输出波形为居中对齐方式；如果 CAEx=0，则为左对齐方式。在设置此寄存器前，必须把对应通道禁止输出。 （ 3） 初始化 PWM 极性寄存器（ PWMPOL） 7 6 5 4 3 2 1 0 PPCL7 PPCL6 PPCL5 PPCL4 PPCL3 PPCL2 PPCL1 PPCL0 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器控制着每个 PWM通道输出波形的极性。当 PPOLx=1时，对应的 PWM通道的波形一开始是高电平，当占空比计数器计数完后，再变为低电平；而当 PPOLx=0时，波形恰好相反。 图 4.4 左对齐 PWM波形图 （ 4） 初始化 PWM时钟选择寄存器（ PWMCLK） 7 6 5 4 3 2 1 0 PCLK7 PCLK6 PCLK5 PCLK4 PCLK3 PCLK2 PCLK1 PCLK0 0 0 0 0 0 0 0 0 PWM的各个通道可以通过设置此寄存器来选择两个时钟源。 （ 5） 初始化 PWM预分频时钟选择寄存器（ PWMPRCLK） 7 6 5 4 3 2 1 0 0 PCKB2 PCKB1 PCKB0 0 PCKA2 PCKA1 PCKA0 0 0 0 0 0 0 0 0 nts 25 时钟 A和 B的预分频因子选择表如表 4.3所示 表 4.3 时钟 A和 B的预分频因子选择表 PCKx2 PCKx1 PCKx0 X时钟频率 0 0 0 总线频率 0 0 1 总线频率 /2 0 1 0 总线频率 /4 0 1 1 总线频率 /8 1 0 0 总线频率 /16 1 0 1 总线频率 /32 1 1 0 总线频率 /64 1 1 1 总线频率 /128 （ 6） 初始化 PWM通道周期寄存器（ PWMPERx） 7 6 5 4 3 2 1 0 Bit7 6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 此寄存器中的数值大小对应 PWM通道输出波形的周期时间。 （ 7） 初始化 PWM占空比寄存器（ PWMDTYx） 7 6 5 4 3 2 1 0 Bit7 6 5 4 3 2 1 Bit0 1 1 1 1 1 1 1 1 （ 8） 初始化 PWM允许寄存器（ PWME） 7 6 5 4 3 2 1 0 PWME7 PWME6 PWME5 PWME4 PWME3 PWME2 PWME1 PWME0 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器中的每位都控制着对应的 PWM通道，可以通过设置相应的控制位来开始或者停止 PWM波的输出。 PWM模块初始化子程序： void PWM_init_24MHZ(void) nts 26 PWMCTL=0x10; /con01=1,构成一个 16 位 PWM 通道 PWMCAE=0x00; /输出左对齐 PWMPOL=0xFF; /正极性输出 PWMCLK=0x00; /A 为 0、 1 通道的时钟给助力电机 PWMPRCLK=0x00; /时钟源 A=BusClock PWMPER01=2400; /PWM01=A/2400=10KHz PWMDTY01=0; /PWM01 初始不输出 (电机没有转速 ) PWME=0x02; /通道 1 使能 4.3 本章小结 本章首先阐述了传感器信号的 A/D采集、电动机 PWM控制和车速信号采集在单片机内的模块配置，并给出了 A/D数据采集、 PWM模块设置和车速信号采集部分程序； 根据EPS系统工作原理设计了 EPS系统的总体流程 。 nts 27 第 5 章 试验分析 5.1 程序下载 将单片机 USB口与电脑连接，用 BDM连接上单片机。 进行软件编程的设置： 1、点击 CodeWarrior IDE 软件。 2、新建工程 ,选择 MC9S12XS128。 图 5.1 选择 MC9S12XS128 3、选择 C语言编程环境。 图 5.2 选择非在线编程 nts 28 4、选择 ANSI startup code 图 5.3 启动兼容程序 5、选择浮点数据类型。 图 5.4 选择浮点运算 6、选择 Full Chip Simulation和 TBDML 图 5.5 选择全芯片模拟和 TBDML nts 29 7、将写好的程序放在程序编写的 main.c 里，编写完成，点击 make 图 5.6 程序编写 main 8、在 make 无错误的条件下，点击 Debug(调试 )，等待计算机将 C 语言编译单片机语言， 5.2 试验设备介绍 EPS 试验台架主要由三部分组成： （ 1） 机械部分： EPS转向机械系统和驱动电机； （ 2） 控制系统： EPS控制器和控制程序； （ 3） 监控系统： PC机监控软件。 5.3 实验结果与分析 实验中扭转弹簧经测定最大扭转力为 5Nim，所以在实验中转向盘所转角度受到限制，在无助力的情况下最大转角为 240度。为了实验安全，最大转角限制为 180度，对应扭矩约为 4 Nm 。 5.3.1 无助力特性试验 首先在实验中做了在车速为 0时，方向盘最大转角为 180度时有助力与无助力的比较，如图 5-7所示。从图中可以看出，在相同转角情况下，无助力和有助力有很大差别，在无助力与有助力之间的转矩空隙由电机转矩弥补，从而验证了有助力的情况下对方向盘转动起到了推动作用，从而减轻了驾驶员的转向手力。nts 30 图 5.7 0Km/h 车速下有助力与无助力的比较 5.3.2 助力特性试验 在该实验中，主要是在不同车速下，分析方向盘扭矩与电机电流的关系，从而验证助效力效果 的有效性。随着车速的增加，电机电流在减小，从而验证助力在减小。在同一车速下，方向盘扭矩在死区范围内时，电机不提供助力，而当方向盘扭矩超过中间值时，助力电流随其规则变化。以上采集到的四组方向盘扭矩与电机电流的关系曲线基本符合系统助力特性曲线。尽管实验数据存在一定程度的干扰，但基本上达到预期设计的效果。 图 5.8 方向盘扭矩与电机电流关系图 (0Km/h) nts 31 图 5.9 方向盘扭矩与电机电流关系图 (30Km/h) 图 5.10 方向盘扭矩与电机电流关系图 (60Km/h) nts 32 图 5.11 方向盘扭矩 与电机电流关系图 (90Km/h) 图 5-8、图 5-9、图 5-10和图 5-11是车速分别在 0Km/h、 30Km/h、 60Km/h 和 90Km/h时，方向盘扭矩与电机电流之间的关系曲线图。从图中可以看出，随着车速的增加，电机电流在减小，从而验证助力在减小。在同一车速下，方向盘扭矩在死区范围内时，电机不提供助力，而当方向盘扭矩超过中间值时，助力电流随其规则变化。以上采集到的四组方向盘扭矩与电机电流的关系曲线基本符合系统助力特性曲线。尽管实验数据存在一定程度的干扰，但基本上达到预期设计的效果。 5.3.3 回正性试验 将方向盘转过一定角度后松手，单片机根据转矩信号的变化趋势，确定为方向盘处于回正趋势，从而断开电机离合器和电机电源，电机电流迅速变为 0，由于方向盘的惯性导致方向盘向相反方向转动，单片机检测到方向盘转矩信号大于中间位置，给电机离合器和电机电源上电，此时电机电流很小，不足以驱动方向盘，方向盘振荡一段时间后保持在零位。回正实验中方向盘转矩与电机电流的关系如图 5-12所示。由于条件和时间限制，回正控制和阻尼控制没有明显的体现出来，还需日后进一步优化改进，这也是今后研究的重点。 nts 33 图 5.12 回正试验 5.4 本章小结 本章主要进行了 EPS的试验研究，包括无助力、有助力和回正性能等典型工况的实验，通过对试验数据的整理分析，结果表明设计的控制器硬件工作可靠、性能稳定；软件控制效果良好，能够根据方向盘转矩及车速信号较准确控制助力电机电流的大小，达到了设计要求。 nts 34 总 结 电动助力转向系统（ EPS）作为一项高新技术产品，它涉及到汽车动力学、轮胎力学、电动机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多领域，因此对它的研究不可能一蹴而就。尽管已有一些 EPS系 统已投入使用，但是其应用范围和功能有一定的局限性。 以上工作都是在借鉴前人研究的基础上对控制系统的性能进行重新设计、优化而完成的。尽管在一些功能上还不够完善，如方向盘抖动、回正和阻尼控制还不够理想，但本控制器可以做为以后研究 EPS控制系统的开发平台，以便在该系统上做进一步的研究工作，节省设计与开发的时间。 nts 35 致 谢 由于个人能力不足和时间所限，论文中难免存在疏漏和不足，恳请各位专家、学者和老师给予批评指正，以求在以后的工作中得到进一步的提高。 在本论文完成之际，我首先要感 谢导师张金柱教授。在我这几个月做毕业论文的生活中，得到了张金柱老师无微不至的关怀和教诲，在此谨表示衷心的感谢张金柱老师严谨的治学态度、渊博的知识和敏捷的思维给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。导师对学术孜孜不倦的追求和对事业的执着，时刻激励着我奋发向上，催我前进。 在课题研究中，得到实验室老师的热情帮助，帮我解决了试验方面所遇到的困难，本人深表谢意。 最后，我要特别感谢我的父母和亲人，是他们的无私奉献使我的学业得以顺利完成。 nts 36 参 考 文 献 1 王常友，董爱 杰 . 汽车转向系统的现状及发展趋势 J. 北京汽车 . 2007， 3： 710. 2 苗立东，何仁，徐建平，徐勇刚 . 汽车电动转向技术发展综述 J. 长安大学学报，2004， 24(1)： 79 84. 3 林逸，施国标 . 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势 J. 公路交通科技 . 2001， 18（ 3）： 79 82， 87. 4 刘占峰 . 电动助力转向控制系统设计研究 D. 江苏大学硕士学位论文， 2006. 5 孙同景，陈桂友 . Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术 M. 北京：机械工业出版社， 2008. 6 张喆 . 电动助力转向系统的仿真及性能分析 D. 吉林大学硕士学位论文， 2008. 7 王若平，杨国荣 . 电动助力转向系统助力特性的仿真研究 J. 拖拉机与农业运输车， 2008， 35(4)： 93 94， 97. 8 刘照，杨家军，廖道训 . 基于动态分析的电动助力转向系统设计与研究 J. 华中科技大学学报（自然科学版） .2001（ 12）： 24-26. 9 刘照 . 汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究 D. 华中科技大学博士论文， 2004. 10 张文泰 . 汽车电动助力转向控制系统研究与开发 D. 吉林大学硕士学位论文，2006. 11 陈利利 . 某轿车 EPS 系统电机控制策略的仿真研究 D. 吉林大学硕士学位论文， 2008. 12 徐建平，何仁等 . 电动助力转向系统回正控制算法研究 J. 汽车工程， 2004，26（ 5）： 557-559. 13 童诗白，华成英 . 模拟电子技术基础 M. 第三版 . 北京：高等教育出版社， 2003. 14 钱俊锋 . 电动助力转向控制系统设计 D. 江苏大学硕士学位论文， 2005. 15 余永权，汪明慧，黄英 . 单片机在控制系统中的应用 M. 北京：电子工业出版社， 2003. 16 黄立培 . 电动机控制 M. 北京：清华大学出版社， 2003. nts 37 17 黄晓明 . 电动机的单片机控制 M. 第二版 . 北京：北京航空航天大学出版社， 2002. 18 刘金琨 . 先进 PID 控制 MATLAB 仿真 M. 第二版 . 北京：电子工业出版社，2007. 19 陈锡辉，张银鸿 . LabVIEW8.20程序设计从入门到精通 M. 北京：清华大学出版社， 2007. 20 李振华 . EPS 系统控制性能建模与仿真研究 D.山东大学硕士学位
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