电动助力转向系统

电动助力转向系统的设计电动助力转向系统的设计 设计题目 设计题目 电动助力转向系统的设计电动助力转向系统的设计 设设 计计 者 者 祖春胜祖春胜 专专 业 业 车辆工程车辆工程 09 2 学学 校 校 山东科技大学山东科技大学 学学 号 号 200901040440 设计日期 设计日期 2012 年年 6 月月 22 日日 指导教师 指导教师 韩以伦韩以伦 2 目录目录 一 设计目的 4 二 该方案的功能 5 三 助力转向系统 6 3 1 助力转向系统简介 6 3 2 液压回路设计工作原理 6 四 动力转向器的机构 12 4 1 动力转向器的机构简介 12 4 2 转向器的材料 12 4 3 转向器的组成及工作原理 12 五 传感器 13 5 1 转矩传感器 13 5 1 1 电位计式转矩传感器 13 5 1 2 金属电阻应变片的扭矩传感器 14 5 1 3 非接触式扭矩传感器 14 5 2 车速传感器 15 5 2 1 接触式车速传感器 15 5 2 2 非接触式车速传感器 16 六 其他机构的简介 17 6 1 电动机 17 6 2 电磁离合器 17 6 3 减速机构 18 6 3 1 双行星齿轮式减速机构 18 6 3 2 涡轮蜗杆式减速机构 20 6 4 助力控制 20 6 5 回正控制 21 6 6 阻尼控制 21 七 EPS 控制系统 23 7 1 电子控制单元简介 23 7 2 电子控制单元基本结构 23 7 3 EPS 控制系统总体结构 24 7 4 ECU 的控制芯片 80C552 24 7 5 电源电路和信号处理电路 26 7 5 1 电源电路 26 7 5 2 扭矩信号 27 7 5 3 车速信号 28 八 电动助力转向系统的软件流程 29 8 1 控制策略 29 8 2 故障诊断 30 九 电动助力转向系统的工作原理 32 3 9 1 EPS 工作原理 32 9 2 EPS 关键技术 33 9 3 EPS 结构特点 33 9 4 电动助力转向系统的控制策略 33 十 结论 35 十一 心得体 会 36 参考文献 37 4 一 一 设计目的设计目的 汽车转向系统是用于改变和保持汽车行驶方向的专门机构 其作用是使汽 车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向 并在受到 路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时 能与行驶行驶系统配合共 同保持汽车继续稳定行驶 因此 转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定 性和安全性 对转向系统的要求主要概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性 高的转向灵 敏性 要求转向器具有小的传动比 以小的转向盘转角迅速转向 好的操纵轻 便性 则要求转向器具有大的传动比 这样才能以较小的转向盘操纵力获得较 大的转向力矩 可见上述两个要求是相互矛盾的 因此 在实际设计过程中 一般规定 当转向轮达到最大设计转角时 转向盘总转数不宜超过 5 圈 而转向盘操纵力 最大不超过 250N 为了满足以上要求 除尽量减轻自重 选择最佳轴向分配 提高转向系统 传动效率 减小主销后倾角 选择最佳的转向器速比曲线等措施外 通常都采 用助力转向方式 尤其对中 重型车 由于轴荷重 助力转向几乎是唯一的选 择 近年来 随着对小轿车舒适性要求的提高 助力转向的应用比较普遍 助力转向系统应满足以下的要求 1 能有效的减小操纵力 特别是停车转向操纵力 行车转向的操纵力不应 大于 250N 2 转向灵敏性好 助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下 转向助力器产 生助力作用的快慢程度 助力作用快 转向就灵敏 3 具有直线行驶的稳定性 转向结束时转向盘应自动回正 驾驶员应具有 良好的 路感 4 要有随动作用 转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定 的关系 并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上 5 工作可靠 当助力转向失效或发生故障时 应能保证通过人力进行转向 操纵 5 二 二 该方案的功能该方案的功能 助力转向系统是指在驾驶员的控制下 借助于汽车发动机通过液压泵产生 的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向 助力转向是一种以驾驶员的操纵 转向盘 转矩和转角 为输入信号 以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机 构 助力转向系统使转向操纵灵活 轻便 在设计汽车时对转向器结构形式的 选择灵活性增大 能吸收路面对前轮产生的冲击等优点 因此在汽车制造中普 遍使用 电子控制技术在汽车助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 电子控制助力转向系统在低速时可使转向轻便 灵活 当汽 车在中 高速区域转向时 又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感 从而提高了高速行驶的操纵稳定性 电动助力转向系统 EPS 是利用电动机作为助力源 根据车速和转向参数 等 由电子控制单元 ECU 完成助力控制 它能节约燃料 提高主动安全性 且有利于环保 是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术 该系统主要由转矩 传感器 车速传感器 电子控制单元 电动机 离合器 减速机构 转向轴及 手动齿轮齿条式转向器等组成 EPS 系统可以对转向过程中的每一个环节 转向 回正 中间位置 进行精 确控制 从而提高汽车转向助力性能 微机可以根据各种传感器的信号 判断 转向状态 选择执行不同控制模式 并根据这些要求制定 EPS 的控制策略 主 要包括助力控制 回正控制 阻尼控制 6 三 三 助力转向系统助力转向系统 3 3 1 1 助力转向系统简介助力转向系统简介 助力转向系统 也就是动力转向 目前已成为绝大多数轿车的一项标准配 置 顾名思义 助力转向就是协助驾驶员做汽车方向调整 为驾驶员减轻打方 向盘强度的装置 助力转向是一种以驾驶员操纵转向盘 转矩和转角 为输入 信号 以转向车轮的角位移为输出信号 产生与转向阻力相平衡的辅助力 电子控制技术在汽车助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 电子控制助力转向系统在低速行驶时可使转向轻便灵活 当汽车 在中 高速区域转向时 又能保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感 从 而提高了高速行驶的操纵稳定性 助力转向系统的类型主要有 1 传统的液压式助力转向系统 这种转向系统的一个致命缺点是即若要保 证汽车在停车或低速调头时转向轻便 那么当汽车在高速行驶时就会感到有 发飘 的感觉 反之 若要保证汽车在高速行驶时操纵有适度手感 那么当 其要停车或低速调头时就会感到转向太重 两者不能兼顾 2 电子控制式液压助力转向系统 电子控制式液压助力转向系统 EHPS 主要由电子控制系统 转向齿轮箱 油泵 分流阀等组成 电子控制式液压助 力转向系统是通过控制电磁阀 使助力转向系统的油压随车速的变化而改变 在大转角或低速行驶时 转向轻便 在中 高速时 能获得具有一定手感的转 向力 3 电动助力转向系统 电动助力转向系统 EPS 是利用电动机作为助力 源 根据车速和转向参数等 由电子控制单元 ECU 完成助力控制 该系统主 要由转矩传感器 车速传感器 电子控制单元 电动机 离合器 减速机构 转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成 3 23 2 液压回路设计工作原理液压回路设计工作原理 该回路主要是应用在电控液压助力转向系统 此次设计的是电控助力转向 系统 因此在这里简单介绍下液压回路的设计 EHPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀 车速传感器和电子控制单元等装置构成的 电子控制单元根据检测到的车速信 号 控制电磁阀的开度 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 电动式 EPS 则是利用直流电动机作为动力源 电子控制 单元根据转向参数和车速信号 控制电机输出扭矩 电动机的输出扭矩经由电 磁离合器通过减速机构减速增扭后 加在汽车的转向机构上 使之得到一个与 工况相适应的转向作用力 EHPS 从控制方式可以分为以下几种类型 序号序号名名 称称控控 制制 对对 象象 1 1 流量控制式向助力系统供给的流量 7 其中 第 1 种和第 2 种类型是 EHPS 发展初期的控制方式 主要的 控制目标都是将系统中的动力泄荷掉一部分以实现高速时减小助力 但这样做 的弊病就是浪费了动力 不利于车辆省油 而且 还有急转弯反应迟钝的缺点 需要安装特别装置才能解决 现在已很少采用 第 3 种油压反馈控制式现在 使用的比较普遍 其根据车速传感器 控制反力室油压 改变压力油的输入 输出的增益幅度以控制操舵力 操舵力的变化量 按照控制的反馈压力 在油 压反馈机构的容量范围内可任意给出 急转弯也没问题 但是其结构复杂 各 部分的加工精度要求较高 价格也较高 第 4 种阀特性控制式是近几年开发 的类型 是根据车速控制电磁阀 直接改变动力转向控制阀的油压增益 阀灵 敏度 以控制油压的新方法 这种控制方式使来自油泵的供给流量没有浪费 结构简单 部件少 价格便宜 有较大的选择操舵力的自由度 可获得自然的 操舵感和最佳的操舵特性 又因其阀结构简单 在传统的液力转向系统上不须 做太多的改动就可实现 所以成为 EHPS 今后发展的主流 车速感应式电子控制液压动力转向系统车速感应式电子控制液压动力转向系统 系统概要简介 该系统在传统的液压动力转向器的转阀上做了局部改进 并增加了比例电 磁阀 电子控制单元 车速传感器等实现 转阀的可变油口分为低速油口和高 速油口两种 高速油口的前后设有低速油口 在高速油口之后设有旁通回路 在旁通回路中又设置了比例电磁阀 根据车速开启电磁阀 改变电磁阀的灵敏 度以控制操纵力 系统备有故障安全保险功能 当电气系统发生故障时 具有 确保高速工况的操作特性 典型的系统如图所示 图 3 1 EHPS 系统图 1 发动机 2 前轮 3 17 动力转向泵 4 齿轮齿条机构 5 19 油箱 6 18 比例电磁阀 7 20 电控单元 ECU 8 车速传感器 9 车灯开关 10 空挡开关 11 离合器开关 12 保险丝 13 蓄电池 14 动力缸 15 外体 16 内体 主要部件的结构及工作过程 2 2 动力缸分流控制式动力缸有效的工作压力 3 3 油压反馈控制式作用于油压反馈机构的压力 4 4 阀特性控制式系统中控制阀的压力 8 转阀转阀转阀一般在圆周上形成 6 条或 8 条沟槽 图 3 3 示出了用于可变特 性的具有 12 条沟槽的系统 各沟槽利用阀体 与泵 动力缸 电磁阀及油 箱连接 图 3 2 示出实际的转阀结构剖面图 阀部的等效电桥电路如图 3 3 所示 图 3 2 转阀及电磁阀剖面图 9 图 3 3 阀部电桥电路 系统在动力缸与回油口之间配置了两个可变油口 在这两个可变油口之 间设有电磁阀控制的油压回路 可变油口 1R 1L 2R 2L 是能以较小的转向扭 矩关闭的低速油口 3R 3L 是能以较大转向扭矩关闭的高速油口 工作原理如 图 3 4 当车辆处于低速行驶或停车时 电磁阀完全关闭 由于旁通回路截止 高 灵敏度低速油口 1R 及 2R 以较小的转向扭矩关闭 所以具有轻便的转向特性 图 3 4 图 3 4 低速或停车时 车辆高速行驶时 电磁阀完全开启 液压油经过旁通回路 流回油箱 灵敏度低的高速油口 3R 控制通向动力缸的油压 所以具有重工况的转向特性 图 3 5 从低速到高速的过渡区间 由于电磁阀的作用 根据车速控制其可 变油口的开度 可按顺序改变转向特性 见图 3 6 10 图 3 5 高速时 图 3 6 系统的操作特性 11 电磁阀电磁阀 图 3 2 示出了电磁阀的一种结构 该阀设有控制流量的旁通油路 是可变节流阀 在低速时电磁线圈通过最大的电流 可变油口关闭 随着车速 的提高 顺次减小通电电流 可变油口开启 在高速时开启面积达到最大值 该阀在左右转向时 液压油的流动方向可以逆转 所以在上下流动方向中 可 变油口必须具有相同的特性 为确保高压时流体力作用于阀 必须提供稳定的 油压控制 电子控制单元 电子控制单元 ECUECU ECU 接受来自车速传感器的信号 换算后向电磁阀 的电磁线圈中输出相应的电流 同时 ECU 还监测自身及附件的工作情况 一 旦出现异常会立刻作出反应 图 3 7 示出了控制力特性图 图 3 7 车速 电流特性 电子控制动力转向系统的发展前景 理论上来讲 液压式 EPS 是在优化车速所对应的操纵性和稳定性处于均衡 状态下 控制助力大小而获得最佳手感的系统 同常规的液压动力转向系统相 比 它有以下优点 1 阀特性可变 手感好 电子控制单元接受速度传感器传递来的脉冲 信号 按照预先设定的转换规则输出相对应的电磁阀控制信号 控 制电磁阀口的开度 进而得到此时刻的最佳助力 实际使用时 可 根据路面状况 车辆性能及个人习惯设置不同的阀特性曲线系数 使转向系统适应范围更加广泛 2 结构简单 部件少 成本低 在原有转向器的基础上不需太大的改 动 3 能够把油泵提供的流量尽可能的变成作用在动力缸中的压力 耗能 少 效率高 4 系统具有失效自动保护装置 因为电子控制系统只是附加在原来的 转向机上 所以当电子控制系统失效而使电子信号消失时 系统会 12 自动恢复到普通液压动力转向状态 四 四 动力转向器的结构动力转向器的结构 4 14 1 动力转向器的机构简介动力转向器的机构简介 齿轮齿条式转向器具有结构简单 加工方便 工作可靠 传动效率高等优 点 因此在轿车和微型 轻型货车上得到广泛的应用 4 24 2 转向器的材料转向器的材料 转向器的壳体材料一般为 有铸铁 铝合金等 齿轮齿条 钢 转向器摇臂轴材料 20CrMnTi 汽车转向器支撑套采用具有极好耐磨性的材料 CSB M3 制成 其在确保低磨 损率的情况下能长 CSB M3 材料可以在 40 100 下长期运行 此材料出色的自润滑性能可确 保在无油脂润滑的情况下也能正常工作 持久保持支撑套必须的回弹性能 确保齿条在整个转向系统中始终保持较为 平缓的运动状态 4 34 3 转向器的组成及工作原理转向器的组成及工作原理 图 4 1 所示为齿轮齿条式转向器工作示意图 转向器壳体 11 支撑在车身上 作为传动副主动件的转向齿轮 4 垂直地安装在壳体中 在其上端的安全万向节 3 相连 与传动齿轮啮合的转向齿条 9 水平布置 转向减震器 5 一端连接在转 向器壳体上 另一端连接在齿条上 用以减小转向轮的摆振 有效长度可调的 转向拉杆 10 一端铰接在转向节臂上 另一端支撑在齿条上 转向时 驾驶员转动转向盘 通过转向轴 安全万向节带动转向齿轮转动 齿轮使齿条轴向移动 带动拉杆移动 使车轮偏移 实现转向 图 4 1 齿轮齿条式转向器工作示意图 13 五 五 传感器传感器 5 15 1 转矩传感器转矩传感器 5 1 15 1 1 电位计式转矩传感器电位计式转矩传感器 扭杆式转矩传感器主要由扭杆弹簧 转角 位移变换器 电位计组成 扭杆 弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩 并将其转化成相应的转角值 转角 位移变换器是一对螺旋机构 将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的 轴向位移 由刚球 螺旋槽和滑块组成 滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上 移动 同时滑块通过一个销安装到输出轴上 可以相对于输出轴在垂直方向上 移动 因此 当输入轴相对于输出轴转动时 滑块按照输入轴的旋转方向和相 对于输出轴的旋转量 垂直移动 当转动方向盘的时候 钮矩被传递到扭力杆 输入轴相对于输出轴方向出现偏差 该偏差是滑块出现移动 这些轴方向的移 动转化为电位计的杠杆旋转角度 滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻 值随之变化 电阻的变化通过电位计转化为电压 这样扭矩信号就转化为了电 压信号 转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向 目前采用 较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器 它是在转向轴位置加一扭杆 通过 扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到的转矩 图所示为转矩传感器的 基本原理 在转矩传感器中 用磁性材料制成的定子和转子可以形成闭合的磁 路 线圈 A B C D 分别绕在极靴上 接成一个桥式回路 转向轴扭转变形的 扭转角与转矩成比例 所以只要测定转向轴的扭转角 就可间接的知道转向角 的大小 在线圈的 U T 两端施加连续的脉冲电压信号 Ui 当转向轴上的转矩为零时 定子与转子的相对转角也为零 这时转子的纵向对称面处于图示定子 AC BD 的 对称平面上 每个级靴上的磁通是相同的 因而电桥是平衡的 在 V W 两端的 电位差 Uo 0 如果转向轴上存在转矩时 定子与转子的相对转角不为零 此时 转子与定子间产生如图所示的角位移 极靴 A D 间的磁阻增加 B C 间的磁 阻减少 各个极靴的磁通产生差别 电桥失去平衡 在 V W 之间出现电位差 这个电位差与转向轴的扭转角 和输入电压 Ui 成比例 若比例系数为 k 则 有 Uo k Ui 由 V W 两端的电位差 Uo 就可以知道转向轴的扭转角 从而便可以知道转 向轴的转矩 14 图 5 1 转矩传感器基本原理 5 1 25 1 2 金属电阻应变片的扭矩传感器金属电阻应变片的扭矩传感器 传感器扭矩测量采用应变电测技术 在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥 当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化 应变电桥电阻的变化转 变为电信号的变化从而实现扭矩测量 传感器就完成如下的信息转换 在金属电阻应变片的扭矩传感器中 需要解决的技术关键是 1 弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的 1 3 且取初始段 为了将迟 滞误差减低到最底 按照超载能力指数选取最大的轴径 2 采用 LM 型硅扩散力敏全桥应变片 较好的敏感性 很小的非线形度 3 采用高精度的稳压电源 5 1 35 1 3 非接触式扭矩传感器非接触式扭矩传感器 15 图 5 2 非接触式扭矩传感器的结构 如图 5 2 所示的为非接触式扭矩传感器的典型结构 输入轴和输出轴由扭杆 连接起来 输入轴上有花键 输出轴上有键槽 当扭杆受方向盘的转动力矩作 用发生扭转时 输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了 花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量 使得花键上的磁感强度改 变 磁感强度的变化 通过线圈转化为电压信号 信号的高频部分由检测电路 滤波 仅有扭矩信号部分被放大 非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工 作方式 因而寿命长 可靠性高 不易受到磨损 有更小的延时 受轴的偏转 和轴向偏移的影响更小 现在已经广泛用于轿车和轻型车中 是 EPS 传感器的 主流产品 5 25 2 车速传感器车速传感器 速度传感器是一种将非电量 如速度 压力 的变化转变为电量变化的原 件 根据转换的非电量不同可分为压力传感器 速度传感器 温度传感器等 是进行测量 控制仪器及设备的零件 附件 单位时间内位移的增量就是速度 速度包括线速度和角速度 与之相对应的 就有线速度传感器和角速度传感器 我们都统称为速度传感器 在机器人自动化技术中 旋转运动速度测量较多 而且直线运动速度也经常 通过旋转速度间接测量 目前广泛使用的速度传感器是直流测速发电机 可以 将旋转速度转变成电信号 测速机要求输出电压与转速间保持线性关系 并要 求输出电压陡度大 时间及温度稳定性好 测速机一般可分为直流式和交流式 两种 直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种 电枢结构有带槽 的 空心的 盘式印刷电路等形式 其中带槽式最为常用 旋转式速度传感器的结构和特征 旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类 5 2 15 2 1 接触式车速传感器接触式车速传感器 旋转式速度传感器与运动物体直接接触 当运动物体与旋转式速度传感器接 触时 摩擦力带动传感器的滚轮转动 装在滚轮上的转动脉冲传感器 发送出 一连串的脉冲 每个脉冲代表着一定的距离值 从而就能测出线速度 16 接触式旋转速度传感器结构简单 使用方便 但是接触滚轮的直径是与运动 物体始终接触着 滚轮的外周将磨损 从而影响滚轮的周长 而脉冲数对每个 传感器又是固定的 影响传感器的测量精度 要提高测量精度必须在二次仪表 中增加补偿电路 另外接触式难免产生滑差 滑差的存在也将影响测量的正确 性 因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大 的材料 尽可能减小滑差 5 2 25 2 2 非接触式车速传感器非接触式车速传感器 旋转式速度传感器与运动物体无直接接触 非接触式测量原理很多 以下仅 简单介绍两点 以供参考 1 光电流速传感器 叶轮的叶片边缘贴有反射膜 流体流动时带动叶论旋转 页轮每转动一 周光纤传输反光一次 产生一个电脉冲信号 可由检测到的脉冲数 计算出 流速 2 光电风速传感器 风带动风速计旋转 经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转 光纤被徒轮轮 番遮断形成一串光脉冲 经光电管转换成定信号 经计算可检测出风速 非接触式旋转速度传感器寿命长 无需增加补偿电路 但脉冲当量不是 距离整数倍 因此速度运算相对比较复杂 旋转式速度传感器的性能可归纳如下 1 传感器的输出信号为脉冲信号 其稳定性比较好 不易受外部噪声干扰 对测量电路无特殊要求 2 结构比较简单 成本低 性能稳定可靠 功能齐全的微机芯片 使运算 变换系数易于获得 故目前速度传感器应用极为普遍 17 六 其他机构的简介六 其他机构的简介 6 16 1 电动机电动机 EPS 的动力源是电动机 通常采用无刷永磁式直流电动机 其功能是根据 ECU 的指令产生相应的输出转矩 电动机是影响 EPS 性能的主要因素之一 不 仅要求低速大转矩 波动小 转动惯量小 尺寸小 质量轻 而且要求可靠性 高 控制性能好 在电动机设计时 应着重考虑如何提高路感 降低噪声和振 动 如在电动机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽 靠特殊形状的定子产生 不均匀磁场等来提高电动机的性能 转向助力用的电动机需要正反转控制 一种比较简单适用的转向助力电动 机正反转控制电路如图 6 1 所示 图中 a1 a2 为触发信号端 从微机系统的 D A 转换器得到的直流信号输入到 a1 a2 端 用以触发电动机正反转 当 a1 端得到输入信号时 晶体管 VT3 导通 VT2 得到基极电流而导通 电流经 VT2 的集电极和发射极 电动机 M VT3 的集电极和发射极搭铁 电动机有电流通过 而正转 当 a2 端得到输入信号时 晶体管 VT4 导通 VT1 得到基极电流而导通 电流经过 VT1 的发射极和集电极 电动机 M VT4 的集电极和发射搭铁 电动机 有反向电流通过而反转 控制触发信号端的电流大小 就可以控制电动机通过 电流的大小 图 6 1 电动机正反转控制电路 6 26 2 电磁离合器电磁离合器 离合器采用干式电磁离合器 其功能是保证 EPS 在预先设定的车速范围内 闭合 当车速超出设定的范围时 离合器断开 电动机不在提供助力 转入手 动转向状态 另外 当电动机发生故障时 离合器将自动断开 为了提高性能 离合器设计成具有磁滞特性 并可实现无级离合 干式单片电磁离合器的工作 原理如图所示 工作电压为 DC12V 额定转速时传递的转矩为 15N m 线圈电阻 20 为 19 5 当电流通过滑环进入离合器线圈时 主动轮产生电磁吸力 带花键的压板被吸引与主动轮压紧 电动机的动力经过电动机轴 主动轮 压 板 花键 从动轴传递给执行机构 由于转向助力的工作范围限定在某一转速区域内 所以离合器一般设定一 个转速范围 例如当车速的超过 30Km h 时 离合器分离 电动机和离合器的惯 18 性影响转向系统的工作 离合器也应及时分离 以切断辅助动力 当系统中电 动机等发生故障时 离合器会自动分离 这时仍可以恢复手动控制转向 为了 减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别 离合器不仅具有滞后输出特性 同时还具有半离合状态区域 1 滑环 2 线圈 3 压板 4 花键 5 从动轴 6 主动轮 7 滚子轴承 8 电动机 图 6 2 电磁离合器工作原理 6 36 3 减速机构减速机构 减速机构用来增大电动机的输出转矩 主要有两种形式 蜗轮蜗杆减速机 构和双行星齿轮减速机构 前者主要用于转向柱助力式转向系统 后者主要用 于齿轮助力式和齿条助力式转向系统 为了抑制噪声和提高耐久性 减速机构 中的齿轮有的采用树脂材料制成 有的采用特殊齿形 6 3 16 3 1 双行星齿轮减速机构双行星齿轮减速机构 按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同 行星齿轮机构可以分为单 行星齿轮式和双行星齿轮式两种 双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组 互相啮合的行星齿轮 其外面一组行星齿轮和齿圈啮合 里面一组行星齿轮和 太阳轮啮合 它与单行星齿轮机构在其它条件相同的情况下相比 齿圈可以得 到反向传动 下图是双行星齿轮减速机构的工作简图 19 A 为了保证尺寸在尺寸方面的要求在齿轮 5 与内齿圈 7 之间增加了一个中转齿轮 6 这样不仅保证了传动的高效性 又保证了齿轮齿轮保证下的强度的要求 如 下图 B 现以 B 图所示的双行星齿轮为例简单介绍其传动过程 设输入轴 A 的转速为 n1 则可知计算如下 1 定轴部分传动比计算 i13 n3 n1 Z3 Z1 i47 n4 n7 Z5Z7 Z4Z6 2 差动部分传动比计算 i13H n1 nH n3 nH z3 z1 由图可知 n1 n4 n3 n7 nB 带入上式可知 3 由于 nB n3 n7 n1 i47 Z4Z6n1 Z5Z7 则由差动部分和定轴部分计算可知 nH Z1Z5Z7 Z3Z4Z6 n1 Z5Z7 Z1 Z3 在太阳轮 齿圈和行星架三个基本元件中 可任选两个分别作为主动件和 从动件 而使另一个元件固定不动 使该元件转速为零 或使其运动受一定约 20 束 使该元件的转速为某一定值 则整个轮系即以一定的传动比传递动力 不 同的连接和固定方案可得到不同的传动比 三个基本元件的不同组合可有 6 种 不同的组合方案 加上直接挡传动和空挡 共有 8 种组合 相应能获得 5 种不 同的传动比 而且双行星齿轮即有行星齿轮多转速的特点 又包含了自己独有 的特点 内外两组行星齿轮增加了转矩的传输 具有传输稳定的特点 故在减 速器上应用较多 6 3 26 3 2 涡轮蜗杆式减速机构涡轮蜗杆式减速机构 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 为了抑制噪声和提高耐久性 减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形 有的采用 树脂材料制成 在中间平面上 普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合 传动 故在设计蜗杆传动是 均取中间平面上的参数 如模数 压力角等 和 尺寸 齿顶圆 分度圆等 为基准 并沿用齿轮传动的计算关系 普通圆柱蜗杆传动的主要参数及选择 普通圆柱蜗杆传动的主要参数有模数 m 压力角 蜗杆头数 z1 蜗 杆齿数 z2 及蜗杆的直径 d1 等 进行蜗杆传动的设计时 首先要正确地选择参 数 设计要求设计要求 普通圆柱蜗杆闭式传动 EP S 系统中电机输出到转向轴 蜗杆转速 n1 1210r min 扭矩 T1 1760N mm 传动比 i 31 5 双侧工作工作载荷较稳定 冲击不大 要求寿命为 5 年 按每年 365 天 每天 8 小时 则使用寿命 Lh 5 365 8 14600h 选择涡轮蜗杆传动类型选择涡轮蜗杆传动类型 根据 GB10085 88 的推荐 采用渐开线蜗杆 ZI 传动比 i 介于 5 80 之间 根据推荐 确定蜗杆头数 z1 1 蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸 1 蜗杆 直径系数 q d1 m 4 8 齿顶圆直径 da1 d1 2ham 17 0mm 齿根圆直径 df1 d1 2m ha c 12 0mm 分度圆导程角 1 1 11 77 蜗杆轴向齿厚 sa m 2 3 1416mm 2 涡轮 涡轮齿数 z2 33 变位系数 x2 0 6 验算传动比 i z2 z1 33 这时的传动比误差为 33 31 5 31 5 4 76 5 是允许的 涡轮分度圆直径 2 2 2 5 33 82 5 涡轮喉圆直径 2 2 2 2 87 5 涡轮齿根圆直径 2 2 2 2 76 6 6 46 4 助力控制助力控制 助力控制是在转向过程 转向角增大 中为减轻转向盘的操作力 通过减 速机构把电动机转矩作用到机械转向系统 转向轴 齿轮 齿条 上的一种基 21 本控制模式 助力控制的驱动方式为 参照电动机的控制电路 使晶体管 VT1 导通 VT2 和 VT3 截止 VT4 斩波 该控制利用电动机转矩和 电动机电流成比例的特性 由转向盘转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到控制器单片机中 根据预制的不同车速下 转矩 电 动机助力目标电流表 确定电动机助力的目标电流 通过对反馈电流与电动机 目标电流相比较 利用 PID 调节器调节 输出 PWM 信号到驱动回路 以驱动电 机产生合适的助力 6 56 5 回正控制回正控制 回正控制是为了改善转向特性的一种控制模式 汽车在行驶过程中转向时 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 随着车速的提高 因回正转矩增大 而轮胎与地面的侧向力附着系数却减小 二者综合作用使得回正性能提高 根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向 盘是否处于回正状态 回正控制主要用于低速行驶 此时电动机控制电路实行 断路 即四个晶体管均处于截止状态 保持机械系统原有的回正特性 对于高 速行驶 为防止转向回正超调 采用阻尼控制模式 6 66 6 阻尼控制阻尼控制 阻尼控制是汽车行驶运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式 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 在死区范围内进行阻尼控制 电动机理想模型的基本方程为 式中 u t ia t 分别为电动机的端电压和电枢电流 w t 电动机转速 Ra La 分别为电动机等效内阻和电感 电动势常数 EPS 系统中所用电动机的电枢电感很小 产生的感应电动势可忽略不计 若 将电动机两端短路 则有 22 因此 用一定占空比的 PWM 信号在电动机控制电路内部使电动机短路 电 动机旋转产生的反电动势形成阻碍电动机继续旋转的阻尼转矩 改变占空比 即改变了阻尼转矩的大小 23 七 七 EPSEPS 控制系统控制系统 7 17 1 电子控制单元简介电子控制单元简介 电控单元 汽车电控单元或集成电路控制单元 多路控制装置等等 汽车 制造公司不同叫法也不同 它是由集成电路组成的用于实现对数据的分析处理 发送等一系列功能的控制装置 目前在汽车上广泛应用 并且集成度越来越高 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 EPS 的电子控制单元 ECU 通常是一个 8bit 单片机 系统 有一个 8 位单片机 另加一个 256B 的 RAM 4KB 的 ROM 及一个 A D 转换 器组成 其工作过程 当转矩信号和车速信号输入单片机后 单片机根据这些 信号计算出最优化助力转矩 然后输出此值给 D A 转换器 输出电流指令信号 给电动机控制电路 由控制电路决定电动机作用的大小和方向 此外 ECU 也 采用数字信号处理器 EPS 作为控制单元的 控制系统与控制算法也是 EPS 的 关键之一 控制系统应具有强抗干扰能力 控制算法应快速准确 以满足定时 控制要求 ECU 还具有安全保护和故障诊断功能 ECU 通过采集电动机电压 转 速等信号判断其系统工作状况是否正常 一旦系统工作异常 ECU 将进行故障 诊断分析 单片机将记录故障类型 点亮仪器表上的故障灯 同时 ECU 上的故 障码显示灯亮 离合器断开 助力被取消 系统转入人工转向状态 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 该系统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 助力电机和干式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 7 27 2 电子控制单元基本结构电子控制单元基本结构 电控单元主要由硬件和软件两大部分组成 硬件部分主要包括系统电路 电源电路 输入采集接口电路 输出驱动电路等 1 系统电路 系统电路以所选定的单片机为核心 主要有存储区扩展电路 时钟电路 复位电路 通信电路等 2 输入接口电路 输入接口主要将从传感器中采集到的转速 油门踏板位 置 冷却水温度等各种发动机信号进行放大 整形 电压转换 滤波处理等 保证实时准确地为 CPU 提供发动机的各种参数 以便 CPU 进行监控 3 驱动电路 驱动电路主要是将 CPU 根据发动机状态和操作人员的要求计 算得到的控制信号放大驱动 实现对油量控制机构和定时控制机构的控制 24 图 7 1 电子控制单元工作原理图 7 37 3 EPSEPS 控制系统的总体结构控制系统的总体结构 电子控制电动助力转向的控制系统图下图所示 该系统的核心是一个有 4KB ROM 和 256B RAM 的 8 bit 80C552 转向盘转矩信号和车速信号经过输入接口送入微机 随着车速的升高 80C552 控制相应地降低助力电动机电流 以减小助力转矩 发动机转速信号也 被送入 80C552 当发动机处于怠速时 由于电力不足 助力电动机和离合器不 工作 点火开关的通断 ON OFF 信号经 A D 转换接口送入 80C552 当点火开 关通断时 电动机和离合器不能进入工作 80C552 控制指令经 D A 转换接口送 入电动机和离合器的驱动放大电路中 控制电路的旋转转向和离合器的离合 电动机的电流经放大回路 电流表 A A D 转换接口反馈给 80C552 将电动机 的实际电流与 80C552 指令应给的电流相比较 调节电动机的实际电流 使两者 接近一致 随着汽车车速和转矩的变化 助力电动机的电流也应变化 图 7 2 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 25 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 1 7 47 4 ECUECU 的控制芯片的控制芯片 80C55280C552 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 此次设计采用的控制芯片是 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 a 80C552的主要性能 1 片内无ROM 2 2个标准的16位定时 计数器 1个附 加的16位定时计数器 并配有4个捕捉寄存器和比较寄存器 3 1个8路10位片内 A D转换器 4 2路8位分辨率的脉冲宽度调制解调器输出PWM 5 5个8位并行I O 口 1个与A D合用的输入口 6 1个全双工异步串行口UART 7 I2C串行总线口 8 内部监视定时器WDT s 2个中断优先级 15个中断源 10 有56个特殊功 能寄存器SFR b 80C552内部结构及引脚描述80C552内部结构 引脚功能如下 VDD VSS 5V电源 数字地 EA 存储器访问选择输入端 PSEN 外部ROM的读选通信号 ALE 地址锁存允许信号 STADC 片内A D转换器的启动输入 上升沿启动 PWM0 脉宽 调制器PWM通道0输出 PWM1 脉宽调制器PWM通道1输出 EW 监视定时器WDT的时钟 使能端 RST 复位输入端 当监视定时器WDT计数溢出时 输出复位信号 XTALI XTAL2 振荡器输入端 AVDD AVSS 模拟电源 模拟地 AVREF十 AVREF A D转 换器基准电压正 负输入端 PO O PO 7 8位双向I O口 P1 O P1 7 8位准双 向I O口 P2 O P2 7 8位准双向I O口 P3 O P3 7 8位准双向I O口 P4 O P4 7 8位准双向I O口 P5 0 P5 7 8位输入口 ADCO ADC7模拟入口 14 单片机引脚资源配置 8OC 55 2 具有6个8位I O口PO P5 每个口由1个寄存器 1个输入缓冲器和输出 缓冲器组成 除了P1口新增加了功能 PO P3与8051完全一样 P4口的功能与 P1 P3 相同 P5口只能作为输入口 下表为其使用分配情况 26 单片机 I 0 引脚资源配置表 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 2 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 27 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 CT3 CT0 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 7 57 5 电源电路和信号处理电路电源电路和信号处理电路 7 5 17 5 1 电源电路电源电路 47uF C19 0 01uF C110 0 01uF C18 47uF C17 IN 1 2 OUT 3 GND U5 7805 D1 Diode BAT17 12V 5V信信信信 GND 3 V 8 NC 1 CAP 2 CAP 4 OSC 7 LV 6 VOUT 5 U6 LMC7660 10uF C111 10uF C112 5V 5V信信信信 NC 1 NC 2 NC 3 V 4 ADJ 5 NC 6 NC 7 V 8 U4 LM336 100pF C113 7 5K R15 12V 图 7 3 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 28 转换需要的 5V 精密基准电压由 LM336 产生 7 5 27 5 2 扭矩信号扭矩信号 4 5 10 V 7 V 11 NC GUARD 6 NC GUARD 3 EXT CLKB 1 CLM 9 EXTCLK A 2 EXT CLK IN 13 INT CLK OUT 12 RTN CLK 8 IN EXT 14 U2 ICL7650 D1 IN4001 D2 IN4001 D3 IN4001 1K R3 0 1uF C2 0 1uF C3 1K R6 10K R4 1K R5 0 1uF C1 0 1uF C4 0 1uF C5 8 5 2 3 4 6 7 1 U3 OP07 5V 5V 10K R19 信信 信信信信信信 图 7 4 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 7 5 37 5 3 车速信号车速信号 4N25 5V 信信信信 330 R101 10K R102 信信信信信信 图 7 5 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 29 八 电动助力转向系统的软件流程八 电动助力转向系统的软件流程 8 18 1 控制流程控制流程 30 图 8 1 控制软件流程图 8 28 2 故障诊断故障诊断 故障诊断的工作原理 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 31 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 1V 4 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