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汽车与交通工程学院毕业设计（论文）题目申报表 指导教师信息编码 题目编码 题目 机控制器的设计 类型 B 主要内容： 分析 动 助力转向）电机控制器 的组成和工作原理 、设计 转向助力电机控制器 的硬件电路 。 以单片机为核心，用转换芯片实现信号采集，使用无刷直流电动机专用控制芯片实现助力电机的控制。 并用 件进行 C 语言程序编写。 对设计的 控制器 进行 仿真 试验 。 主要技术指标、要求或生产纲领： 1选用直流电机，采用 式驱动。 2电机驱动电流大于 15A。 论文数据采集方式及处理 方法： 设计主要内容及分析、校核： 1. 功能分析； 2. 控制策略分析； 3. 硬件设计；4. 软件设计； 5. 实验验证 使用的仪器、工具、软件及场地条件： 单片机，驱动电路 预期成果及表现形式： 控制器模型，软件程序 确定参考文献 3 篇（非教材、手册，近五年，设计类至少要有一份相近结构参考图）： 何仁，徐建平 ， 江苏大学学报， 2004： 24（ 3） 雷明森 ， 向铁明 ， 汽车电动助力转向的控制策略 ， 公路与汽运 ， 2008： 42（ 8） 高光辉 ， 张立新 ， 基于 汽车电动助力转向控 制系统的软件设计 ， 吉林工程技术师范学院学报 ， 2008 系部意见： 学术委员会意见： 注： A 论文、 B 设计、 C 规划、 D 软件编制、 E 其它； SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名尹世龙院系汽车系专业、班级车辆工程07-10班指导教师姓名张金柱职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称 EPS电机控制器的设计1、 设计（论文）目的、意义目的：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。意义：在EPS中，通过传感器和控制模块能使直流电动机提供与工况相适应的驱动扭矩。控制器是电动转向器的核心部件，设计性能稳定而易于实现的控制策略是EPS系统开发的一项重要工作。目前，世界各工业发达国家都在积极开发EPS系统，并不断推出新产品。从事电动转向器的研究和开发对于提高国内汽车在国际市场上的竞争能力是非常重要的。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）（一）研究的基本内容 1、功能分析 2、控制策略分析 3、硬件设计4、软件设计5、实验验证(二)技术路线（研究方法）调查研究、收集资料对系统进行建模设计控制算法设计控制硬件设计控制软件开发完成EPS电机控制器进行试验验证整理文档，形成设计说明书 三、设计（论文）完成后应提交的成果1、设计说明书2、控制器模型2、软件程序四、设计（论文）进度安排（1）熟悉任务书，了解相关信息，准备资料，填写开题报告：第12周（2月28日3月13日）（2）对系统进行建模，,并提出相应问题：第35周（3月14日-4月3日）（3）确定控制算法策略及中期检查：第68周（4月4日4月24日）（4）对系统的软、硬件进行设计，并利用C语言进行软件编程：第912周（4月25日5月22日）（5）进行实验分析：第1314周（5月23日6月5日）（6）毕业论文总结、评阅、审核及修改不足：第1516周（6月6日6月19日）（7）为毕业论文答辩做准备及答辩：第17周（6月20日6月26日）五、主要参考资料1庞国仲，自动控制原理.中国科学技术大学出版社,1993年2月2何渝生，汽车控制理论基础及应用.重庆大学出版社,1995年1月3何克忠，计算机控制系统.清华大学出版社,1998. 173 -1804张洪欣，汽车系统动力学.同济大学出版社,1996年12月5欧阳黎明，Matlab控制系统设计.国防工业出版社,2001年1月6龚培康,汽车转向系统的电子控制重型机械,1996.6总37期31-347龚学斌,汽车动力转向器实验台的计算机控制系统,1997年2月31-338王健、刘绒霞,汽车电子转向器的设计.西安工业学院学报,2001年3月42-459冯樱、肖生发，汽车电子控制式电动助力转向系统的发展.湖北汽车工业学院,2001年3月10杨海庆,新型的动力转向系统汽车电器,1998年第6期48-5011胡立生，邵惠鹤.汽车转向控制,2000年第6期381-38912汪学森,电控式动力转向系统及其维修汽车技术,1998年第4期 24-2613冯樱、肖生发，电子控制式电动转向系统的控制, 2001年第6期34-3714茅旭初、丁国清，汽车动力转向器的测试方法.电子技术应用,1999年9月33-34六、备注指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日SY-025-BY-10优秀毕业设计（论文）推荐表题 目EPS电机控制器的设计类别毕业设计学生姓名尹世龙系、专业、班级汽车与交通工程车辆B07-10班指导教师张金柱职 称教授设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）： 系部公章： 年 月 日备 注： 毕业设计（论文）过程管理材料题 目EPS电机控制器的设计学生姓名尹世龙系部名称汽车与交通工程专业班级车辆B07-10班指导教师张金柱职 称教授教研室车辆工程起止时间2010.3.1-2010.6.25教 务 处 制本科学生毕业设计EPS电机控制器的设计系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆 B07-10班 学生姓名： 尹世龙 指导教师： 张金柱 职 称： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors Design Design Of EPS Motor Controller Candidate：Yin ShiLongSpecialty：Vehicle Engineering Class：B07-10 Supervisor：Professor Zhang JinZhuHeilongjiang Institute of Technology2011-06HarbinSY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名尹世龙院系汽车系专业、班级车辆工程07-10班指导教师姓名张金柱职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称EPS电机控制器的设计一、课题研究现状、选题目的和意义 (一)研究现状随着电机性能的改进，EPS助力能力提高，其应用范围将进一步拓宽，现在3升级的运动型跑车开始安装EPS。EPS代表未来动力转向技术的发展方向，将会作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。国外各大汽车公司都研制出EPS，完成批量生产EPS的技术储备。国内近几年也开始了EPS的研究，发展势头十分强劲，已经有吉林大学、清华大学、华中科技大学、合肥工业大学、江苏大学、湖北汽车工业学院、株洲南方动力、荆州恒隆公司等多家高校与企业正在从事EPS的研究与开发工作，并且已经出现了从国外引进的车型(如:昌河北斗星、广州本田飞度等)装备有EPS投放市场。 （二）选题的目的和意义 目的：助力电机是EPS的核心部件，电动助力转向系统就是依靠助力电机提供转向助力，从而改善轿车在低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时的路感信息，它的性能决定着整个系统的性能改善电机的性能是EPS发展的关键问题。电机的性能是影响系统能的主要因素，电机本身的性能及其与EPS的匹配都将影响转向助力特性、转向路感、汽车动态响应等重要问题。 意义：随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用，其应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正以9%10%的增长速度发展，年增长量达130万150万套。据TRW公司预测，到2011年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS，到2011年，全球EPS产量将达到2500万套。因此，EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题（一）研究的基本内容 1、功能分析 2、控制策略分析3、硬件设计4、软件设计5、实验验证（二）拟解决的主要问题1、结构原理设计，对系统进行建模，设计控制算法2、对系统的软、硬件进行设计，并利用C语言进行软件编程3、进行实验分析三、技术路线（研究方法）调查研究、收集资料对EPS助力电机的匹配及建模设计控制算法设计控制硬件设计控制软件开发完成EPS电机控制器进行试验验证整理文档，形成设计说明书 四、进度安排（1）熟悉任务书，了解相关信息，准备资料，填写开题报告：第12周（2月28日-3月13日）（2）对系统进行建模，,并提出相应问题：第35周（3月14日-4月3日）（3）确定控制算法策略及中期检查：第68周（4月4日-4月24日）（4）对系统的软、硬件进行设计，并利用C语言进行软件编程：第912周（4月25日-5月22日）（5）进行实验分析：第1314周（5月23日-6月5日）（6）毕业论文总结、评阅、审核及修改不足：第1516周（6月6日-6月19日）（7）为毕业论文答辩做准备及答辩：第17周（6月20日-6月26日）五、参考文献1毕大宁，汽车转阀式动力转向器的设计与应用.北京:人民交通出版社， 19982庞国仲，自动控制原理.中国科学技术大学，1993年2月3何渝生，汽车控制理论基础及应用.重庆大学出版社，1995年1月4何克忠，计算机控制系统.北京:清华大学出版社，1998. 173 -1805张洪欣，汽车系统动力学.同济大学出版社，1996年12月6欧阳黎明，Matlab控制系统设计，国防工业出版社，2001年1月7龚培康，汽车转向系统的电子控制重型机械，1996.6总37期31-348龚学斌，汽车动力转向器实验台的计算机控制系统，1997年2月31-339范心明，汽车EPS系统用电动机综述，2006年10茅旭初，汽车动力转向器的测试方法电子技术应用,1999年9月33-34六、备注指导教师意见：签字： 年 月 日SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期地点指导方式指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名： 指导教师签名：日期地点指导方式指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名： 指导教师签名：日期地点指导方式指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名： 指导教师签名：黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘 要 由于电动助力转向系统具有环保节能、助力特性可调、安全性高等优点，许多汽车企业和研究单位已经将其做为重点研发项目之一，其中，电子控制器硬件开发和控制软件是其核心技术之一。 本文首先分析了各种助力转向系统的特点，重点研究了电动助力转向系统的结构和动力学模型 。 本文重点设计了电动助力转向系统的控制器硬件及控制软件。硬件设计方面主要包括：选取了飞思卡尔 列单片机作为 统 计了单片机最小系统电路（包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等）；采用 片 设计了稳压电源电路；方向盘转矩传感器信号和车速信号调理电路、助力电机驱动电路以及通信电路等。助力电机驱动电路由电机专用驱动芯片 动；通信电路主要由串口通信和 线通信组成，实现与 和整车通信；控制软件方面主要编写了单片机的 A/块和脉冲捕捉模块程序以及相关寄存器配置方法。 为了验证控制器硬件和软件的可靠性，在 本设计中 进行了实验研究，主要包括无助力与有助力对比、方向盘回正控制等试验，结果表明，控制器硬件部分性能良好、工作稳定可靠；软件控制效果较好，助力特性符 合设计要求。转向系统稳定性较好，同时方向盘上无明显抖动，手感良好，为下一步的装车试验做好了准备。 关键词 ： 感器；单片机；电机；电路； 黑龙江工程学院本科生毕业设计 of as of is of on on PS ; he to by of C is , on of is is is is nd of 黑龙江工程学院本科生毕业设计 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。 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 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 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。 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、体积黑龙江工程学院本科生毕业设计 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、 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 动助力转向系统 通过将装有 装有 车辆对比表明，在不转向的情况下， 降低约为 燃油消耗；而在使用转向情况下，燃油消耗更是降低了 此外， 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 表 种助力转向系统性能比较 类型 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 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 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 成本太高。随着近几年来电子技术的快速发展， 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。 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 后又配备在 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 国的 国的 研制出了各自的 且其控制形式 与功能也进一步加强。日本早期开发的 速时 一代的 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， 且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。在国外， 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 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 研制出 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 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 能进行 小批量生产用于汽车装配。目前主要装配在排量在 前21个国内汽车厂家的 43个品种均可装配 中有 6个厂家 8个车型具有装配 潜力，其中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 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 三星级以上轿车上作为标准配置。控制机理是 内外学者先后提出了 糊 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 进行了理论和实验研究，取得了良好的控制效果。 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（ 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 图 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： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 （ 1） 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） 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） 油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件与 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） 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 。 设计研究的主要内容 本文首先对 立了 体分析 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 第 2 章 机控制器的结构原理和控制方法 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（ 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 现对助力电机扭矩控制。 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。 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/定输出功率为 170W，m。 由于汽车转向过程中电机助力的大小是通过 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。 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 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 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 该单片机是基于 16位 核及 性能 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 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（ 2. 2个异步串行通信口 3. 1个同步串行通信口 4. 8通道输人捕捉 /输出比较定时器； 5. 8通道 12位 A/10位 A/转换结果有左对齐和右对齐模式，可作为普通 I/ 6. 1个 8通道 8位脉宽调制模块（ 可以设置成 4通道 16位 空比可以从 0 100%设置； 7. 具有片内电压调整模块； 时器溢出时间从 13 （其中 20个具有外部中断及唤醒功能）； 容 协议，具有标准和扩展数据帧模式，通信速率最快可达 1 288源十分丰富； 40 125 本上适应汽车复杂环境。 机控制器的 基本控制方式 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。 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，黑龙江工程学院本科生毕业设计 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。 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 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。 正控制 在 所以 助力控制是 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 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。 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 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， 接关系到 章主要研究 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。 件电路图及系统框图 图 件系统电路图 （ 1）单片机的选择 （ 2）电源 （ 3）传感器 （ 4）驱动器的选择 （ 5）电机 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 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 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。 感器 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 感器的两个输入端分别是 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 2上的电压均为 转向盘向右旋转时，其输出端 出端 转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，输出电压 2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 向盘扭矩 信号处理电路 故障指示灯 电压处理电路 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 图 位计式扭矩传感器原理图 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 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 感 应式车速传感器 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 单片机的选择 图 片机 如图 3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。 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。 4（ 35 (脚上，通常接一个 16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 图 钟电路 波电路 原理 黑龙江工程学院本科生毕业设计 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。 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（ 49（ 33( 36( 源电路 V，分别为单片机的内部电压调整器， A/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（ 77（ 29（ 脚。其中， 他引脚电路类似。 图 源电路 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。复位电路如图 图 位电路 龙江工程学院本科生毕业设计 14 源转换电路 由于该系统中，单片机和传感器需要电压为 5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 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 图 源转换电路图 感器信号（车速、扭矩）处理电路 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 1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 速信号经过 V，经过比较器 单片机采集。 图 速信号处理电路 B 龙江工程学院本科生毕业设计 15 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/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/ 机驱动器的选择 图 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 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 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（ 制 4个功率 图 3用 作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用 4个 桥路的 4个臂。 且功耗小，耐压达 55V，最大直流电流可达 110A，满足 常工作不超过15V）大电流（额定电流 30A）的要求。图中所示， 4个 中 4为一组，当 3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，黑龙江工程学院本科生毕业设计 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 以外部并联的高速开关二极管可以省略。 图 桥电路 在本系统中选用 用于驱动 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。 引脚的功能如下： 沟道功率 合于直流电机控制。该器件内集成有可驱动 的电荷泵和内部 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); ; ，通道 1 ,转矩信号 T1 /等待 A/= = = = 2); 动机 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 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 速控制的原理图和输入输出电压波形。当开关管 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 极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为 0。 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 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。的变黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 化范围为 0 1。上式可知，当电源电压 枢的端电压的平均值决于占空比的值，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 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 改变 周期 （ 2） 调频调宽法：保持不变 改变 周期 （ 3） 定频调宽法：保持 时改变 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。 路 8位 构成 4路 16位 通过初始化设置，便能够自动发出 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 8位数据的 号为例说明， 中所示， 位计数器 周期寄存器 ， 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 8位计数器的值等于 8位计数器的值等于 时计数器清 0，计数器重开开始计数。 下面简单介绍 （ 1） 初始化 制寄存器（ 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器可以实现把 8个 8位 个 16位 （ 2） 初始化 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器控制每个 道输出波形的对齐方式，可以是左对齐或者居中对齐。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 24 如果 ，则对应通道的 输出波形为居中对齐方式；如果 ，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 性寄存器（ 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器控制着每个 时，对应的 占空比计数器计数完后，再变为低电平；而当 时，波形恰好相反。 图 对齐 （ 4） 初始化 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 （ 5） 初始化 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 黑龙江工程学院本科生毕业设计 25 时钟 的预分频因子选择表如表 表 钟 的预分频因子选择表 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 7 6 5 4 3 2 1 0 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 （ 7） 初始化 7 6 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 （ 8） 初始化 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 此寄存器中的每位都控制着对应的 以通过设置相应的控制位来开始或者停止 黑龙江工程学院本科生毕业设计 26 ,构成一个 16 位 道 ; /正极性输出 、 1 通道的时钟给助力电机 ; /; /始不输出 (电机没有转速 ) 章小结 本章首先阐述了传感器信号的 A/动机 给出了 A/根据 黑龙江工程学院本科生毕业设计 27 第 5 章 试验分析 序下载 将单片机 进行软件编程的设置： 1、点击 件。 2、新建工程 ,选择 图 选择 、选择 图 择非在线编程 黑龙江工程学院本科生毕业设计 28 4、选择 动兼容程序 5、选择浮点数据类型。 图 择浮点运算 6、选择 择全芯片模拟和 龙江工程学院本科生毕业设计 29 7、将写好的程序放在程序编写的 ，编写完成，点击 序编写 、在 错误的条件下，点击 试 )，等待计算机将 C 语言编译单片机语言， 验设备介绍 验台架主要由三部分组成： （ 1） 机械部分： （ 2） 控制系统： （ 3） 监控系统： 验结果与分析 实验中扭转弹簧经测定最大扭转力为 5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 。 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。黑龙江工程学院本科生毕业设计 30 图 Km/h 车速下有助力与无助力的比较 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 向盘扭矩与电机电流关系图 (0Km/h) 黑龙江工程学院本科生毕业设计 31 图 向盘扭矩与电机电流关系图 (30Km/h) 图 向盘扭矩与电机电流关系图 (60Km/h) 黑龙江工程学院本科生毕业设计 32 图 向盘扭矩 与电机电流关系图 (90Km/h) 图 5 5 50Km/h、 30Km/h、 60Km/h 和 90Km/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。 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 33 图 正试验 章小结 本章主要进行了 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 34 总 结 电动助力转向系统（ 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 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