电子动力转向系统的研究与设计【18800字】【优秀机械毕业设计论文】

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关键词：: 电子动力转向系统研究钻研设计优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,40页,18800字左右.
开题报告一份.
任务书一份.
PPT答辩稿一份.
外文翻译一份.

图纸EPS.SCHDOC

目录
1 引言 1
1.1 汽车电动助力转向系统的特点 1
1.2 电动助力转向系统国内外的研究现状 2
1.3 EPS的发展趋势和急待解决的核心技术 2
1.4 本课题研究的目的与意义 3
2 电动助力转向系统方案确定及其工作原理 4
2.1 电动助力转向系统的工作原理 5
2.2 电动助力转向系统的数学模型 7
2.3 电动助力转向系统的主要部分 11
3 电动助力转向系统的硬件设计 16
3.1 电子动力转向系统控制器的总体结构 16
3.2 控制器微处理芯片的选择 17
3.3 控制器输入通道的设计 20
3.4 控制器输出通道的设计 23
3.5 系统供电电源电路设计 28
3.6 系统硬件抗干扰措施 28
4 电子动力转向系统的软件设计 30
4.1 EPS.的控制策略 30
4.2 电子动力转向系统各功能模块的软件设计 32
5 总结 38
参考文献 39
致谢 40

摘要
电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，是汽车工程领域的热门课题之一。本文在研究了电动助力转向系统工作原理的基础上，设计开发了EPS的电子控制单元ECU (Electronic Control Unit)的硬件电路和相应的控制软件框图。
本文详细分析了电动助力转向系统电子控制单元的功能，研究开发了以89c51单片机为微处理器的电子控制单元。控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能，根据采集的数据信号，确定电动机输出的目标电流，利用PWM脉宽调制技术，通过H桥式电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现助力转向功能。
在研制了实验用ECU装置后，开发了相应的控制软件。控制软件分为控制策略的实现和数据信号采集与分析两部分。整个软件系统采用了模块化的设计思想。在数据信号采集与控制部分，设计了系统主程序、A/D采集程序、车速信号采集程序和PWM控制程序。
本文所设计的EPS电子控制单元性能稳定，结构合理，与整车匹配性能好，可保证EPS实现良好的转向助力效果。

关键词
电动助力转向电子控制单元单片机控制策略

Abstract

Electric Power Steering System (EPS) is one of the focuses research in automotive engineering.This paper is based on the principles of EPS to study the operation, designed and developed the Electronic Control Unit (ECU) and the soft ware diagram of the ECU.
The thesis Considers the functions of the electronic control unit of EPS, studied and developed the hardware that adopted 89c51 as its microprocessor. The control unit was able to realize real-time data/signal acquisition and system control. The target current of motor output could be determined by the obtained data; and utilizing the Pulse-Width Modulation (PWM) technology, power could be provided to the steering system by controlling the output current and rotation direction through H-bridge circuit.
The software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition&control of data/signal, was developed in modular after thedesign of experimental ECU was completed. And the main program, A/D acquisition program, speed signal acquisition program and PWM control program are developed in the second part.
The result showed that the electronic control unitdesigned was with stable performance, appropriate structure and excellent matchingcondition, and the excellent power steering effect could be ensured by EPS.

Key words: Electric Power Steering System (EPS) Electronic Control Unit
Single-Chip Microprocessor Control Strategy

毕业设计（论文）任务书

设计内容
动力转向装置用来减轻驾驶者在转向和低速时转向盘的操舵力,利用转矩加力器实现较轻的转向操纵。而在高速行驶时，为保证安全，希望助力减轻。因此研究设计电子动力转向系统有实际意义。通过本项目的设计，培养学生查阅相关资料，结合专业知识，解决工程实际问题，锻炼学生动手能力和综合应用能力。
本系统硬件包括控制系统微处理器模块及周围电路、电动机驱动与保护电路、电流、扭矩等传感器输入信号的处理电路、电磁离合器与显示电路以及系统供电电源电路等。在完成硬件电路的前提下，设计主程序及各子程序流程图，并以汇编语言或C语言为开发工具进行了软件编程。
工艺条件及主要技术指标
1、汽车行驶最高时速200公里/小时；
2、转矩加力器根据汽车速度输出何时的转矩；
3、测速传感器具有抗震动性能。

设计的基本要求 1、研究汽车转矩加力器工作原理；
2、设计系统硬件电路原理图；
3、用PROTEL99画原理图；
4、能用MCS-51汇编语言或C语言编程，并进行部分调试；
5、完成设计（论文）一份，要求用A4纸打印，并有中、英文摘要；
6、完成与设计内容有关的外文资料翻译，外文翻译不少于原文单词3000。

主要参考文献
1、冯英肖生发李春茂。电子控制式电动助力转向系统的控制。汽车研究与开发。2001年第6期
2、林逸施国标皱常丰。电动助力转向助力控制策略的研究。汽车技术。2002年12月
3、潘新民。微型计算机控制技术。北京：高等教育出版社，2003年2月
4、胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社。2005年3月
5、何立民。单片机应用技术。北京：北京航空航天大学出版社，1991年2月
6、汪吉鹏。微机原理与接口技术，北京：高等教育出版社，2002年7月
阶段计划安排
日期内容
4.41
至
4.20
调研、查阅中外文献，自己初步确定设计方案，给出框图
4.21
至
4.27
撰写开题报告，进行外文翻译，完成外文翻译
4.28
至
5.4
指导教师讨论确定系统设计方案
完成开题报告

5.5
至
5.11
设计原理框图和硬件原理图，采用PROTEL99画出原理图
5.12
至
5.18
编写程序流程图和软件程序
5.19
至
5.25
调试软件和硬件
修改软件及硬件

5.26
至
6.1
技术理论分析
6.2
至
6.8 搜集资料，整理相关数据、图纸等
按照学院统一要求撰写毕业设计（论文）
6.9
至
6.15
指导教师修改毕业论文
6.16
至
6.22
指导教师、评阅教师评阅论文，分别给出成绩
6.23
至
6.29
装订论文，准备10分钟PPT演讲稿
参加答辩

内容简介：: （论文） 1 空载时没有内部压降，转换效率达 ; 可采用串联方式实现倍压输出。系统硬件抗干扰措施在检测系统的电子线路和电子设备中， “干扰 ”是一种普遍存在的问题。它是检测过程中的一种无用信号，它的存在会造成检测系统检测出的结果有偏差。为了使检测系统能够得到更加准确的检测结果，在电路的设计时一定要考虑电路的抗干扰能力的设计。这就要求必须搞清楚干扰源、被干扰对象、干扰源和被干扰对象之间的耦合方式，只有这样才能采取相应的措施，抑制干扰的影响。在实际测控系统中，干扰源主要来自以下几方面： 14 (1)机械干扰 :主要是机械的振动或冲击造成的干扰。 (2)温度干扰 :主要指系统中电子测量装置和元器件在工作过程中产生的热量以及环境温度的变化造成的干扰。 (3)电磁干扰 :主要是指设备本身的电磁波或外界的电磁场的影响在设备的有关电路中感应出干扰电流或干扰电压，从而使设备的检测出现偏差、甚至不能正常工作。干扰的耦合方式主要有以下几种 : (1)静电电容耦合 :由于电路与电路之间存在寄生电容，产生静电效应从而引起干扰。对于小电流、高电压干扰源产生的干扰主要是通过电容耦合产生的。 (2)电磁耦合 :由于两个电路之间存在互感而产生的干扰。 (3)共阻抗耦合 :当一个电路的电流流经共阻抗时所产生的压降，就要在另一个电路中产生干扰电压。为此，在硬件的设计过程中，为了抑制干扰带来的影响，应该采取以下措施 : (1)屏蔽措施 :系统中的控制电路板应放置在一个铁盒中，并且铁盒子与被屏蔽电路的零信号基准相接，从而起到抗干扰作用。同时信号的传输线全部采用带屏蔽层的信号线，这样就可以避免信号在传输过程中受到干扰。 (2)一点接地和多点接地 :接地系统干扰主要是由于多点接地，使得两接地点的电位不为零，这个电位差对于电路的输入输出电压产生干扰，或由于两个电路经公共接地线接地，两个电路电流不同而产生干扰。（论文） 2 解决地线噪声的方法有 : 采用单点接地。所有强电信号地线都接到一个电源地线上，尽可能地把地线加粗，降低内阻 :所有外部弱电信号用一个公共地线，并与电源地线分开。并联接地。可以切断由于多个设备采用公用地区串联接地而形成的环路。 (3)数字地和模拟地 :数字地是指片， I/O 接口芯片等数字逻辑电路的地端，以及 A/D, D/A 转换器的数字地。而模拟地则是指 A/D 和 D/A 中模拟信号的接地端。在计算机测控系统中，数字地和模拟地分别接地。 4 电子动力转向系统的软件设计控制器硬件是电子动力转向系统的基石，而软件则可以说是统的灵魂。件的设计除了数据信号的采集和控制部分，还必须有特定的控制思想，即控制策略，才能实现对系统的控制要求。因此，本章主要讨论与软件设计相关的两个方面：一是制策略的实现，二是各功能模块的实现，数据信号的采集和控制信号的处理。控制策略国内外学者研究了不同的制策略，但就目前己商品化的看，主要采用的还是制，制是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制方式，有资料表明目前 90%以上的工业控制回路均采用各种形式的制算法。在这一节中，主要研究了的应用，并对所采用的控制策略进行分析。制例 )、分 )、分 )三者的缩写。制的实质是根据反馈后计算得到的输入偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出。制算法主要具有以下特点： 13 在和将来的主要信息，而且其配置近乎最优。其中，（论文） 3 比例代表了当前的信息，起纠正偏差作用，使过程反应迅速 ;微分在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减少超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程 :积分代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。此三种作用配合得恰当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好得效果。 2. 制适应性好，有较强的鲁棒性。对各种工业应用场合都可以在不同程度上应用。成了完整的设计和参数调整方法，很容易为工程技术人员所掌握。在连续系统中常用的一种法，其控制规律可以表示为 :： u (t )= K p e(t)+e Td (4式中 :K p比例增益或比例系数 ; 分时间常数 ; 分时间常数 ; 为便于在计算机中用程序实现制，当采样周期足够小时，可用求和代替积分，用向后差分代替微分，则可将式 (4散化为差分方程，然后做如下近似运算 : t ki )()( (4 T 1()()( (4式中 T 采样周期 ; k 采样序号。由式 (4、式 (4式 (4得如下数字制算式 u(k)=K p e(k)+K i +K de(k)-e( (4式中 K p 比例系数 ; K i 积分系数 ; K d 微分系数。式 (4为位置型算式。由于位置式法需要累加所有的偏差 e(i)，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于程序的编写，所以人们又递推出了制的另一种算法（论文） 4 增量型算式。 15 在实际的工程应用中，一般认为，在以晶闸管或以司服电机作为执行器件，或对控制精应当采用位置型算法 ;而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中，则应采用增量式算法。根据统电动机的特点，我们选用了置式算法。制策略的任务之一就是确定助力目标电流的大小。制是根据助力特性曲线来确定助力目标电流的大小，然后对电动机采用了闭环制。然而，助力特性曲线本身就是要研究的内容之一，很难根据它来确定一个合适的目标电流。在此，本文采用了制策略，对整个统进行闭环控制，根据转矩传感器和车速信号的输入来确定助力目标电流的大小，对制做了初步的研究。算法中没有采用积分环节，这是因为统是一个有差系统，需要保持系统的静差，控制器中不能有积分环节。 16 制结构如图 4定转向盘的转矩 T h，转矩传感器则有相应的输出 T 制器根据转矩传感器输出的转矩 T h，和转矩的变化率 T确定助力电动机电流的大小，并通过式驱动电动机助力。电动机电压与转矩的关系可由下式表示 :度要求较高的系统中。 U=K p T K d T (4图 4 制框图电子动力转向系统各功能模块的软件设计一个优良的软件开发环境是高效开发软件的基础，他能大大缩短软件开发的周期和提高软件的质量。在初期的软件设计和以后的台架实验当中，都需要在软件开发环境中进行软件的编辑、编译、调试，因此，有必要介绍一下本课题所采用的软件开发环境。 A/D 采集程序 A/D 采集程序的编写主要是对相关寄存器的设置及数字滤波算法。转换控制寄存器（转换预分频寄存器 (、转换数据寄存器 (. 制器对 A/D 数据的采集，只是采用了不同的 A/D 通道，而 T + 出 h 干扰信号转向系统转矩传感器电动机制器（论文） 5 关寄存器的配置基本不变，数字滤波算法也可共用，因此只需编写一个 A/D 采集程序就可，具体程序流程图如图 4示。 Y Y N 选择采样通道设置采样通道启动 A/D 转换 A/D 转换转换是否结束？保存转换结果到 p（ 0）采样次数大于 5？加权平均数字滤波返回转换结果开始 N （论文） 6 制程序宽调制程序主要是通过对 89定时器的操作来实现的。冲频率由定时计数缓冲区寄存器决定。冲宽度值则由定时器的比较缓冲区寄存器的值来决定。定时器使能后，定时计数缓冲区寄存器具有一个初始值，用来载入到倒计时器计数器。比较缓冲区寄存器具有一个初始值，用来载入到比较寄存器，与倒计时值相比较。比较缓冲区寄存器的值用于脉宽调制，当该计数器值与定时器控制逻辑中的比较寄存器值相等时，定时器控制逻辑改变输出电平。因此，比较寄存器决定了出高电平 (或低电平 )的时间。由前述的对电动机的制采用的时单极性定频调宽法可知，在程序中只需设定好定时计数缓冲区寄存器的值就可以确定了制的频率，改变比较缓冲区寄存器的值就可得到相应的脉冲宽度，也就确定了占空比。图 4 制程序流程图。（论文） 7 车速信号采集程序车速传感器的信号是经过里程表整形后发出的脉冲方波信号，每个脉冲表示磁电式车速传感器的被测齿盘轮齿转过一齿，汽车的行驶速度就可以用单位时间内的脉冲数、被测齿盘齿轮齿数与车轮的行驶半径计算出汽车的车速来。其计算公式如下： V=2d （ 4 其中 : V 汽车行驶的车速 N 被测齿盘的齿轮齿数 T 测量时间周期 n 测量的脉冲数图 4制程序流程图输入比较缓冲寄存器 1的值初始化定时器端口使能中断设定计数缓冲寄存器 1的值设定比较缓冲寄存器 1的值更新倒计时寄存器 1的值定时器 1 中断设置设置定时器 1 配置寄存器定时器 1 使能开始结束（论文） 8 车轮的滚动半径本课题实验过程中，采用了脉冲发生器来模拟车速信号。车速信号的采集主要是通过对定时器的操作来实现的。 89定时器 4 和 5 具有一个信号输入线作者选用定时器 4 接受脉冲信号，计测量时间周期 T 内接受的脉冲个数 ;用定时器 3 来确定测量时间周期 T。即当定时器 3 计数完毕时，读取定时器 4 计数器的值，然后根据公式即可计算得出车速。程序流程图如图 4示系统主程序系统主程序前面介绍了各个主要的程序模块，有了这些必备的元素，主程序的实现则可以象搭积木一样，将各个模块整合在一起。主程序的结构如图 4示。图 4速信号采集程序流程图 Y N 开始定时器 3、 4 端口初始化中断使能中断处理设置定时器 3、 4 配置寄存器设置设置定时器 3 的计数缓冲寄存器的值设置定时器 4 的计数缓冲寄存器的值更新定时器 3、 4 的计数缓冲寄存器的值定时器使能定时器 3的计数器计数完毕？读取定时器 4 的计数器的值代入公式计算出车速返回车速信号结束（论文） 9 5 总结汽车电动助力转向 (统是一种全新的电力电子伺服系统。它克服了传统液压动力转向 (统耗能多、易污染、控制性能差等诸多缺点，是新一代汽车动力转向技术的研究焦点。本文主要取得了以下成果 : (1)对电动助力转向系统的结构进行了简化，列出了系统各部件的动力学方程，对系统进Y Y N N Y N 图 4主程序流程图开始有无点火信号系统初始化采集车速信号车速大于限定值采集电动机电流信号电流大于限定值采集转矩信号判断助力方向动机驱动常规主力控制返回（论文） 10 行了动力学分析，讨论了系统的控制策略。 (2)选取了控制器的控制主芯片，确定了电动机的驱动方案，绘制了系统各部分的电路图，探讨了减少外界干扰的措施。本文对统做了一定的研究，但是还是存在许多不完善的地方和没有解决的问题。结合本论文，下一步应该亟需解决如下几个方面的问题 : (1)进一步完善系统控制的稳定性。操纵稳定性始终是影响汽车驾驶的首要性能，控制系统的稳定性也就成为了指导设计人员设计的标准。在控制系统中加入故障诊断模块、自适应模块、自我学习自我完善模块等等，使得控制系统更加稳定，更加智能化。 (2)进一步完善系统控制策略。本文只是基于制策略，因此建议下一步采用模糊控制、神经网络等控制方法，改善系统的随动性。 (3)继续开展大量试验工作，对试验数据进行分析处理，完善助力表格。参考文献 1林逸 ,施国标公路交通科技 ,2001. 2郭顺生 ,李益兵 ,杨明忠北京汽车 3麻友良 ,丁卫东北京机械工业出版社 1 月 . 4吴定才北京人民交通出版社 9 月 . （论文） 11 5杨孝剑合肥工业大学硕士学位论文 ,2003. 6(德 )特拉北京化学工业出版社 . 7王银 ,陈丙辰北京 2002 年 . 8汪吉鹏北京：高等教育出版社， 2002 年 7 月 . 9求是科技北京人民邮电出版社 5. 10杨旭东 ,刘行景 ,杨兴瑶化学工业出版社 . 11卜益民北京邮电大学出版社 . 12（日）铃木雅臣） 2004 年 9 月 . 13潘新民 ,王燕芳北京电子工业出版社 1 月 . 14王远等北京 :北京理工大学出版社 . 15林敏 ,丁金华 ,田涛北京 2005 年 8 月 . 16黄森仁汽车电动助力转向系统（研究合肥工业大学硕士论文 17肖生发 ,冯樱 ,刘洋湖北汽车工业学报 9 月 . 致谢在本论文完成之初，首先要感谢我的指导教师，感谢老师对本论文的选题、研究到最后定稿给予的悉心指导和全力帮助。这么长时间以来，刘老师不仅在学术上给予本人精心的指导和热情的鼓励，而且在生活上也给予了莫大的关心和帮助，学生的每一点进步，无不倾注了老师的心血向刘老师表示衷心的感谢。祝您身体健康，万事如意！（论文） 12 同时还要感谢电信学院为我们毕业生提供了良好的学习环境，在此，我代表电信学院全体毕业生向学院表示衷心的感谢。在本课题的完成过程中，感谢赵会超同学、栾晶蕊同学对给予的莫大帮助，帮助我解决了课题中的难题，在此，对你们表示感谢。由于时间和能力所限，本论文中一定存在许多疏漏和不足，恳请各位专家、学者和老师们给予批评指正，以求在今后的工作中做出进一步的改进与提高，谢谢 ! （论文） 13 目录 1 引言 . 1 汽车电动助力转向系统的特点 . 1 电动助力转向系统国内外的研究现状 . 2 发展趋势和急待解决的核心技术 . 2 本课题研究的目

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