电动转向系统资料.doc

既然在讨论汽车转向系统，那我就简单介绍一下目前3种转向系统。 1.机械转向系统机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，所有传递力的构件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 2.动力转向系统动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机（或电动机）的动力作为转向能源的转向系统，并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏摆，以实现汽车转向的一系列装置。动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。主要分为：液压助力转向系统、电动助力转向系统 2.1液压助力转向系统（简称HPS，hydraulic power steering） 2.1.1常压式液压助力转向系统其特点是无论转向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，系统工作管路中总是保持高压。 2.1.2常流式液压助力转向系统其特点是转向油泵始终处于工作状态，但液压助力系统不工作时，基本处于空转状态。多数汽车都采用常流式液压助力转向系统。 常见车型有：福美来2、标致307、Mazda6、新宝来、威驰 2.2电动助力转向系统电动助力转向（简称EPS，Electrical Power Steering）系统利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。电动助力转向系统根据其助力机构的不同可以分为电动液压式（简称EPHS）和电动机直接助力式两种。 2.2.1电动液压助力转向系统（简称EHPS，Electro Hydraulic Power Steering）由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。电动液压助力转向系统的液压泵（齿轮泵）通过电动机驱动，与发动机在机械上毫无关系，助力效果只与转向盘角速度和行驶速度有关，是典型的可变助力转向系统。其特点是由ECU提供供油特性，汽车低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；在高速行驶时转向系统的助力作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。 典型的车子有：福克斯、POLO、别克林荫大道、速腾、Mazda3、卡罗拉 2.2.2直接助力式电动转向系统 EHPS这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向HPS和电动助力转向EPS之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。直接助力式电动转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。 2.2.2.1直接助力式电动转向系统的结构和工作原理当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给电子控制单元（ECU），ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，并将指令传递给电动机，通过离合器和减速机构将辅助动力施加到转向系统（转向轴）中，从而完成实时控制的助力转向。 此类系统一般由转矩传感器(3)、电控单元（微处理器）(5)、电动机(4)、减速器(2)、机械转向器(1)和蓄电池电源(6)所组成。 2.2.2.2直接助力式电动转向系统根据电动机布置位置的不同，直接助力式电动转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。 本田雅阁轿车的前轮载荷较大，所需要的转向辅助力也大，因此辅助力直接作用在齿条上。 优点如下： a、效率可高达90以上，液压动力转向效率一般在60%70%； b、路感和回正性好，EPS结构简单，内阻小、回正性好，改善了汽车操纵稳定性； c、能耗少，EPS只在转向时电机才提供助力，汽车油耗可降低3左右； d、系统便于集成，整体尺寸减小，结构简单，质量小； e、可独立于发动机工作，EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，与发动机无关； f、省去了油泵和辅助管路，总布置更加方便； g、对环境污染少，而液压助力转向系统液压管路接头存在油泄漏问题且液压管路不可回收： h、装配性好,易于布置，由于EPS主要部件（电机、减速器、传感器、电控单元等）可集成在一起，便于整车布置和装配： 缺点 a、直接助力式电动转向系统提供的辅助动力较小，难以用于大型车辆，主要用于轿车和轻型货车，对电动汽车、混合动力车、燃料电池车是最佳选择； b、减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整车性能至关重要； c、使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了系统的成本。 3.线控转向系统随着科学技术的发展，一种更新型的助力转向系统一线控转向系统(Steering ByWire，简称SBW）会逐渐得到人们的认可和采用。线控转向系统中有两个电机，其中一个与汽车前轮转向机构相连接，作为转向执行机构：另一个电机直接与转向传动轴连接，为驾驶员提供路感力矩。因此这种转向系统中的转向盘与转向轮之间没有机械连接，是断开的，通过CAN传输必要的信息，故也称柔性转向系统。线控转向系统由于转向盘与转向轮之间没有机械连接，在系统设计上一般采用机械冗余或电气冗余措施。 成果简介：当前，随着汽车行驶速度的提高，人们对其操纵性、舒适性、安全性等各项性能的要求也越来越高，以改善汽车操纵稳定性、安全性为主要目的，以汽车转向为主要研究目标的横向运动控制正成为一项重要研究内容。对转向系统的要求，主要可概括为转向的灵敏性和操纵的轻便性，而这两个要求是相互矛盾的。传统的液压助力转向方式在选定参数，完成设计后，助力转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压助力转向系统协调转向力与路感的关系较困难。为克服这一缺点，日本、美国等近年来开发出了电动助力转向系统(EPS)，以取代传统的液压动力转向系统，并已应用在某些轿车上。EPS由电机提供助力，助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制，故为助力特性的设置提供了较高的自由度，改善了汽车的操纵稳定性。 主要优点反应灵敏、迅速，转向平稳、精确，路感良好；质量更轻、结构更紧凑，调整和检测方便，不存在漏油问题；能减少发动机的燃油消耗；具有良好的低温工作性能；转向操纵力特性能满足不同对象的需要,只需更换软件即可自由地设计转向操纵力特性；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。 研究目标及内容：本电动助力转向装置装车后，汽车转向系的性能应满足国家颁布的“汽车操纵稳定性标准”和其它行业有关标准的要求。在不同路面、不同载荷和不同行驶工况下，采用电动助力转向装置的汽车与使用液压助力转向装置的汽车相比，在助力效果相近的前提下，前者具有良好的节能效果。 建立转向系统仿真模型；利用建立的转向系统仿真模型进行汽车在各种工况下的运动学、动力学及操纵稳定性分析计算；以P87LPC768微处理机为核心的控制单元开发；可靠性高，精度好，价格适宜的扭矩传感器、车速传感器等的设计与选配；建立准确适用的控制模型，设计快速有效的控制算法；电动机、离合器、转向轴和减速机构等的设计与加工；电控装置中电子线路的设计与制作；电动助力转向装置车中的布置、安装与调试。汽车电动助力转向系统电控单元的研究类别：汽车电子 阅读：2462 -摘要：设计了一款采用PIC16F877单片机为电子控制单元核心的汽车电动助力转向系统,全文详细介绍了该系统的工作原理和硬件组成,重点对各传感器信号的采集处理电路、电动机的驱动电路、离合器和继电器的控制电路、电机电流的采样电路等进行了研究设计。实验表明,该系统具有输出扭矩平稳、转向控制灵敏、抗干扰性强、稳定性高等优点。 关键词：单片机；电子控制单元；电动机；传感器 1 引言 随着电子控制技术的发展及其在汽车领域的广泛应用, 电动助力转向系统（Electric Power Steering, 简称EPS)越来越成为目前汽车电子技术研究的热点之一。与传统的转向系统相比，EPS系统结构简单，灵活性大，可以获得理想的操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全性、环保、节能、易于维修等方面也充分显示了其优越性1。目前, 电动助力转向已部分取代液压助力转向并获得广泛应用，如日本的大发、三菱、本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司，德国的ZF公司等都相继研制出各自的EPS并装配使用。国内对EPS 系统的研究起步较晚，仅有清华、华中科大、吉林大学、合肥工大等高校开展了系统结构的方案设计、系统建模和动力学分析等研究，但处在理论探索、实验研究阶段。国内部分汽车厂商如重庆长安、南昌昌河、东风、一汽等与高校联合研究，也都处在研制的初级阶段，未达到实用程度2。 2 EPS系统的硬件组成及工作原理 2.1 EPS的硬件组成 EPS是一种直接依靠电力提供辅助扭矩的动力转向系统，结构如图2-1所示，它由电子控制单元(ECU)控制电机提供助力，系统主要由电子控制单元、扭矩传感器、转角传感器、车速传感器(可与其他系统共用)、直流电机、离合器、电磁继电器、减速机构和转向机构等组成。 图2-1 EPS系统结构图 2.2 EPS的工作原理 当汽车点火开关闭合时，ECU上电开始对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，当方向盘转动时，位于转向轴上的转角传感器和扭矩传感器把测得方向盘上的角位移和作用于其上的力矩传递给ECU，ECU根据这两个信号并结合车速等信息，控制电机产生相应的助力，实现在全速范围内最佳控制：在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便，在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠。 3 基于PIC单片机的ECU系统设计 图3-1 ECU系统结构原理图 3.1 ECU工作原理 系统的控制核心为PIC16F877单片机，控制单元结构如图3-1所示。整个系统由车载12V蓄电池供电，ECU工作时，扭矩、转角、车速、温度等传感器把采集到的信号经过输入接口电路处理后送至单片机的相应端口, 单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据分析处理,以确定助力电流的大小和方向，并通过单片机的PWM口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电路和H桥电路控制直流电动机工作。在电动机的驱动电路上设有电流传感器，该传感器把检测到的电机实际工作电流通过电流探测电路反馈到单片机，单片机再根据相应的控制算法对电机实现闭环控制。如EPS系统工作出现异常,单片机将驱动EPS灯亮进行报警提示，同时断开继电器、离合器，退出电动助力工作模式，转为人工手动助力模式3。 3.2 PIC16F877单片机简介 该款机型是美国Microchip公司生产的8位RISC结构的单片机，具有高速数据处理的特性(执行速度可达120ns)，PIC16F877内部自带看门狗定时器、具有256Bytes的EEPROM、8k空间的FLASH存储器、8路10位AD转换功能、2个脉宽调制CCP模块、在线烧录调试（ISP）功能，宽电压工作，可靠性高。PIC16F877有8级深度的硬件堆栈，RAM区的每个Byte位都可以寻址，有4条专用的位操作指令和2条移位指令。 3.3 直流电动机的选择 无刷直流电机在控制特性、效率、转矩脉冲、制造成本等方面，具有明显的优势。本项目采用永磁式无刷直流电机做为驱动源。 3.4 扭矩、转角传感器的选择 本文采用意大利BI公司的扭矩、位置复合传感器，该传感器除了提供扭矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回正和阻尼逻辑的开发提供了便利。 3.5 电动机驱动控制电路的设计 电动机驱动控制电路必须能够高精度、快速地调整电动机的转速和输出转矩，从而满足EPS系统实时性和可靠性的要求。本项目中后向通道的核心控制采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路。直流电机PWM控制方式有多种，根据电机工作的实际需要和系统的整体要求，本项目采用受限单极可逆PWM控制模式，主要优点在于可以避免开关管同臂导通，运行可靠性高、不需附加延时电路、开关频率相对较高，特别适用于大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电机控制的场合。 3.5.1 电机驱动电路 电动机的驱动电路主要包括FET桥式电路、FET基极驱动电路、电机驱动线路上的电流传感器和继电器构成。 FET桥式电路主要由四个大功率MOSFET功率管组成，要求功率管具有良好的开关特性、能承受较大的驱动电流、且具有较长的使用寿命，根据电机的功率参数及功率管的极限参数和电特性，我们采用四个相同的N沟道IRFP250功率管来构成H桥电路。 FET基极驱动电路选用MOSFET专用栅极集成电路IR2109作为核心模块，该芯片是一种单通道、栅极驱动、高压高速功率器件，采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目大大减少，控制了电路板的体积，降低了成本，提高了系统可靠性4。驱动电路如图3-2所示，两个IR2109的IN端为驱动H桥同臂上下两个功率管的信号脉冲输入端，分别通过具有高速性能的6N137光电耦合器接至PIC16F877单片机的两个PWM脉冲输出端口；两个SD端分别与单片机的一个I/O口相连，控制电机停车操作；每个芯片的HO和LO端分别与同桥臂的功率管相连，控制电机转速；VB端通过自举二极管UF1005与+12V电源相连，为了阻断特殊电路中所承受的全部电压，此处选用具有超快恢复特性的二极管UF1005。 图3-2 电机驱动电路 3.5.2 电机电流采样电路 系统进行电流采样有两方面用途，一是为电动机提供保