叉车助力转向设计

1目录第一章绪论11叉车转向系统类型12叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向13EPS的主要分类131转向轴式132转向小齿轮式133转向齿条式14EPS系统的优势第二章叉车EPS系统设计21电动助力转向系统选型22总体方案确定23电动助力转向系统的工作原理24EPS助力控制策略第三章叉车EPS系统主要零件选型31机械类零件选型311直流电机选型312减速机构选型313角位移传感器选型314转向轮复位传感器选型32主要控制芯片的选型321单片机选型322数模D/A转换器323场效应管选型324场效应管基极驱动选型第四章EPS系统电路设计41C51单片机的最小系统电路设计42电源转换电路设计43角度传感器信号和电动机转角信号采集电路44D/A电路设计45PWM电路46电机驱动电路设计47故障保护电路第五章EPS系统程序设计51PWM程序实现52信号采集程序实现53信号发送程序实现2第一章绪论11叉车转向系统类型所谓转向系统，顾名思义，是用来改变汽车的转向或者保持汽车的某种状态不变（如直线行驶、前进、倒退等）的一系列装置，而这种功能的实现都是通过驾驶员操纵转向机构来完成的。无论是叉车还是轿车等，现在主流的转向系统主要有两大类，即机械转向系统和动力转向系统。对于叉车而言其传统的转向系统即机械转向系统。其主要是由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成。由于机械转向系统其所有传力部件都是机械部件，受外界干扰较小，所以可靠性较高。但是机械传动部件的动力源是由驾驶员传递的，所以受驾驶员的体力限制，输出的转向力矩较小，应用范围受到了一定限制。动力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增设了一系列助力转向的装置。由于机械转向系统受限于驾驶员的体力，基于此使得助力转向系统得以快速的发展。其主要经历了两个阶段，第一阶段为液压助力转向系统，即HPS（HYDRAULICPOWERSTEERING）；第二阶段为电控助力转向系统，即EPSELECTROLICPOWERSTEERING。下面分别对此介绍（1）HPS（液压助力转向系统）对于HPS主要分为两大类，即传统的液压助力转向系统和电控式液压助力转向系统。传统的液压助力转向系统是由发动机驱动通过皮带传动机构来实现助力的目的，其核心部件是机械液压泵，但是其助力是不可调的是固定的，它是随着发动机的转速发生变化，在低速时具有很好的助力效用，但是随着发动机转速的提高，其助力效用会使转向盘越来越灵敏，驾驶员会丧失手感，无法更好的驾驶；而电控式液压助力转向系统则是在传统的液压助力转向系统的基础上加设了车速感应模块，进而使得助力可控，实现在低速时提供的助力力矩大而在高速时提供的助力力矩小的效果。所以综合起来说，不管是传统的液压助力转向系统还是电控液压助力转向系统，相对于机械助力转向系统其操纵灵活轻便工作无噪声，尺寸小，但是耗能比较厉害，最主要的不环保，存在油液泄露问题，维修起来也比较麻烦，还有就是效率低路感低。（2）EPS电控助力转向系统电控助力转向系统实际上电控液压助力转向系统的的改良，虽然电控液压助力转向系统实现了助力可控，但是其结构过于复杂所以注定会被摈弃。电控助力转向系统其助力是由电动机提供的，而其助力大小的调节和控制则是通过控制模块来实现的。相对于HPS,EPS助力性能优、效率高、耗能少、路感好、环保、可独立于发动机工作、装配性好且易于布置,所以该系统一出现就成为了各汽车公司的首选。12叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向随着汽车技术的发展以及人们逐渐追求安全、轻便、舒适的驾驶环境的心理，使得汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。动力转向装置主要有气动液动助力转向和电动助力转向，其中电动助力转向因为具有装置EPS轻便、简单、节能、清洁等优点，倍受人们青睐。逐渐有取代其它助力方式的趋势。所以为解决国产电动叉车转向功能普遍采用液压助力转向系统而带来易漏油、结构复杂等问题，将电动助力转向EPS技术引入叉车转向系统设计中已经成为必然。2000年左右，德国JUNGHEINRICH公司在推出的前移式叉车产品上，率先装备了EPS系统。近10年来，随着叉车EPS电控、高效永磁电机或交流电机，大速比、小尺寸减速箱技术的成熟以及成本的下降，更多品种的电叉装备了EPS系统，如三支点、四支点平衡重式电叉、托盘堆垛车、托盘搬运车、拣选车、牵引车。在国际市场上，2007年以后欧洲和日本公司推出的新产品，70以上装备EPS系统，而国内还处于研究初期，极少有国内公司生产装备EPS系统的电叉。现代叉车普遍采用电气动力转向EPS和电气液压动力转向EHPS，这也是国际叉车发展趋势之一。3为解决国产电动叉车转向功能普遍采用液压助力转向系统而带来易漏油、结构复杂等问题，随着仓储设备、前移式叉车、三支点叉车越来越广泛的应用，叉车上使用EPS助力转向将会越来越普遍，并有逐步替代传统液压助力转向的趋势。13EPS的主要分类131转向轴助力式图11转向轴助力式EPS转向助力式电控助力转向系统，顾名思义，其助力转向部分安装在转向轴管上，即电机和减速装置安装在转向轴管上，因此助力力矩需要通过减速机构和传动机构才能传到转向轴上，所以其助力矩较少，而且这种主力方式的安装也较方便，所以普遍适用于小型汽车上。132转向小齿轮助力式图12转向小齿轮式EPS其实EPS的分类是安装助力转向部分的不同安装位置来分类的。转向小齿轮助力式电控助力转向系统其电机和减速装置安装在转向系齿轮上，由于直接安装于转向小齿轮上，所以这种助力方式提供的助力力矩很大，所以使用于需要较大助力的大中型车上，但是安装起来比较复杂。133转向齿条助力式图13转向齿条助力式EPS转向齿条助力式电控助力转向系统其电机和减速装置安装在齿条外侧。这种助力方式由于直接将助力提供于转向齿条，所以能提供的助力很大，所以一般应用于较大型的车上。但是这种助力方式结构复杂安装起来也比较困难。14EPS系统的优势由于电动助力转向系统综合了电子电力技术、现代控制技术和机电一体化等技术，相较于机械转向系统和液压助力转向系统有如下优势（1）高效节能且更加舒适环保。首先，EPS相对于传统的机械转向系统，由于可以通过电机来提供助力，这就从根本上解决了驾驶员由于体力限制而使得其应用范围受限的这一问4题，相对来来说驾驶员能够更自由的更大范围的驾驶它，使用起来会更加的舒适。而相对于液压助力转向系统，电控助力转向系统不但摈弃了一系列笨重的液压助力装置包括液压泵、皮带传动装置以及一些液压油管路等，而且他是采用蓄电池作为电源，只在需要助力的时候才向电机提供能量，而不像液压助力转向系统，其是发动机驱动液压泵提供液压油再通过转向控制阀控制液压油以此来提供助力的。所以相对与电控助力转向系统，液压助力转向系统只要发动机在转动，其液压泵通过皮带的传动就会一直转动，即使系统不需要提供助力，所以这样就会造成极大的能量浪费。所以相对与液压助力转向系统而言，电控助力转向系统在各种行驶状况下均可节能80到90。另外相对于液压助力转向系统，电控助力转向系统不存在液压油泄漏等问题，而且液压软管不可回收，对环境污染很大，而电控助力转向系统是采用电力作为能源，不存在这些问题，所以更加环保。（2）助力性能优越。助力提供多少，什么时候提供助力，对于EPS来说都是可控的。EPS根据车速传感器、转矩传感器等信号来通过软硬件控制得到相应转速和转矩下相应的助力矩，进而控制电机做出相应的动作。（3）重量减轻、结构简化。相对于HPS，EPS由于摈弃了笨重的一系列的液压助力装置，零件数量大大减少，结构也变得更简单，零件数量减少重量自然就变得更轻，且其占用空间少，布置方便。（4）改善了回正特性。所谓回正特性就是指当转向盘转过一个角度后恢复到直线行驶的能力。对于传统的液压动力转向系统，其一旦设计完成，回正性能就已经确定。而电控助力转向系统可以对该回正过程进行控制，可以通过控制模块可以使回正特性最佳化。（5）应用范围广。EPS基本上可以适用于各种车辆，对于电动车辆更是适用。第二章叉车EPS系统设计21电动助力转向系统选型如上所述，叉车的电动助力转向系统主要有转向轴助力式、转向小齿轮助力式和转向齿条助力式三种。对于本次设计我主要采用转向轴助力式电动助力转向系统，由于叉车本身对转向助力力矩要求不是很高，而且出于经济的考虑，转向轴助力式安装简便，成本也较低，所以选择转向轴助力式更合理。22总体方案确定转矩传感器电压信号模数转换A/D转矩信号电机控制单元（单片机）ECU车速传感器车速信号数字信数模转换电路D/A控制信号控制电路模拟信号驱动电路驱动信号助力电机5电动助力转向系统其助力功能的实现主要是通过控制助力电机来实现。对于每一种叉车来说，电机型号也不尽相同。本文采用的电机为永磁无刷直流电动机，电机控制单元采用微处理器STC89C51单片机作为控制核心，控制系统的基本结构如上图所示。系统的基本工作过程如下电机控制单元通过通过扭矩传感器和车速传感器输入的信号和助力策略进而进行综合判断，计算出所需要的目标助力电流，再通过驱动电路驱动电机输出相应的助力扭矩。在驱动电路中安装有电流传感器，以便于同时是实现电机的闭环控制和过电流保护，如果电流过大，控制器发出故障信号，通过控制继电器切断电源。23电动助力转向系统的工作原理图21电动助力转向系统机构示意图工作原理里如下当点火开关闭合后，需要转弯时，驾驶员转动转向盘，安装于转向轴处的扭矩传感器就会检测采集转向盘的扭矩和转向并通过模数转换器转换为电信号传递给电机控制单元89C51，该电机控制单元根据该信号以及此前测得的车速信号，并按照转向控制策略以及助力模型，计算出所需的助力电流的大小和方向，通过数模转换电路转换成控制信号再通过控制电路及H桥电路驱动助力电机，再通过驱动小齿轮将所需的助力传递到转向传动机构，通过转向传动机构来实现助力转向。另外安装于驱动电路处的电流传感器会采集电动机的电流，如果于目标电流不符时，则会通过PID控制算法（对于PID控制算法本文不做研究）调整到目标电流。当然如果系统过流或者是出现故障时，电机控制单元发出故障信号，通过控制继电器切断电源。24EPS助力控制策略所谓的助力特性，其实就是指在不同的车速下，不同的路况下等各种不同的运行状况输出最佳的助力力矩特性。一般助力特性曲线是由电动机电流、转向盘转矩和车速三者之间的变化关系来表示的，因为电动机的输出转矩和其电流成正比。所以本质上来讲助力控制就是对电动机电流的控制。由于汽车行驶状况的不同，其控制算法亦不同，主要包括以下四大功能模块（1）基本助力控制基本助力控制对于整个电动助力转向系统来说就相当于一个人的骨架，一个合理的基本助力控制算法能过让驾驶员获得良好的路感和手感，同时其舒适度也会得到相应的提升。一般情况下，在汽车低速行驶时，驾驶员应输出较大的手力，以使转向轻便；当汽车高速行驶时，驾驶员所需输出的手力较小，以便获得充分的路感。基于此，一个合理的助力转向系统应该尽可能地满足驾驶员的这一习惯，所以一般的助力曲线如图22所示，该曲线图主要分为三个区域无助力的转向扭矩区、主力变化的转向扭矩区和助力恒定的转向扭矩区。相对来说，这是一个理想的助力特性曲线，所以该助力模型提供了很好的助力特性，但是建立6如此庞大的助力曲线簇，其需要的理想的转向盘扭矩数据信息无疑是相当庞大的，其需要的计算时间就会剧增，这样一来就会大幅度的降低EPS的灵敏性，所以目前来说并不适用。对于叉车来说，其行驶速度较低，一般都在15KM/H以下。所以可以简化系统，用一条直线来代替曲线，所以可将该助力特性曲面简化成直线型助力特性曲线，如图23所示直线型助力实现相对简单，而且直线型的助力特性其计算方法亦可简化，参数容易调整，同时也容易获得理想助力特性。图22曲线型助力特性图23直线型助力特性（2）补偿控制通常情况下，对于EPS系统，我们需要将碳刷与换向器的接触面积做的比较大，这样就可以增加磁通密度，进而减少电阻，这样就可以提高电机的输出功率。但是同时也引发一个问题，由于接触面积的增加，其必然会增加电机的摩擦力矩和转动惯量。如此一来就会严重影响到轮胎的回正，同时使转向有滞碍，助力控制失效等问题产生，所以为了解决上述问题，在EPS系统中常常引入补偿控制。其实补偿控制是一种修正控制算法，是基本助力控制的基础上附加的一种对电机输出力矩的修正。电机惯量和摩擦力的大小及电机速度和加速度的变化和转动方向变化是对补偿力矩的主要影响因素，但是当电机选型确定后，其惯量、摩擦力就已经确定是常量，所以补偿力矩的大小往往取决于电机的转速、转动加速度和转向，理论上比较合理的补偿函数经常采用TCK1W1K2WK3SINW21式中，K1、K2、K3分别为电机惯量、电机阻尼、电机摩擦系数；W1、W分别为电机转动加速度和电机转速；TC表示电机补偿力矩；SINW表示电机转动方向。（3）回正和阻尼控制车辆在行驶过程中由于有摩擦力矩的损失，而且系统还存在间隙以及有些构件存在弹性，所以可能造成回正力矩小于总的摩擦损失力矩，转向盘就不能完全回正，车辆可能会跑偏。尤其是汽车低速行驶过程中这一问题尤其显著，由于轮胎与地面之间摩擦很大再加上轮胎本身的阻尼特性以及本身系统中存在的摩擦、阻尼就会使转向盘无法及时回正，造成残留转向摆角、无法直线行驶等问题；另外当汽车转速过高时，就会产生回正过度，有时候会严重影响汽车行驶的稳定性。所以综上所述进行回正和阻尼控制是非常有必要的。一般情况下都是让电动机绕组发生短路，产生反响转矩进而达到阻尼控制的目的。回正和阻尼力矩主要是由转向盘的转角和转速决定，所以引入一下补偿控制算法7TRDK4AK5ADTK622式中K4、K5、K6为控制其参数；A、表示为转速和转角加速度；积分用来控制产生回正力矩，微分控制产生阻尼力矩。（4）电机最大电流控制在很多电子器件中,其温度会随着电流的增加而升高，如果对电流不加以控制的话，该器件可能因为电流过高而损毁。所以对于电机这个电子器件也是一样，必须对该电机的最大电流予以控制。如图24所示，电机温度越高，其允许通过的最大电流越小。工作温度与电流两者之间的关系是一种非线性关系。图24电机最大电流控制第三章叉车EPS系统主要零件选型31机械类零件选型311直流电机选型电机是把电能转换为机械能的装置，所以助力电机的作用就是在叉车转向时电机控制单元根据不同路况控制电机输出最佳助力，而这助力是电机通电后将电能通过一系列机械装置转化为机械能，以此来帮助驾驶员更好的转向。由于叉车EPS是通过蓄电池供电，蓄电池提供的是直流电源，所以选择直流电机比较合适。另外叉车的EPS控制系统要求在叉车不同的运行状态下提供最佳的助力力矩，所以作为叉车助力转向的动力源，该直流电机应该具有如下要求（1）调速范围较广；（2）启动时具有较大的转动力矩，运行时转动惯量较小；（3）尺寸较小，即体积要求较小，这样可以节省空间；（4）噪声低，震动也较低；（5）过载能力强，可靠性高；所以对于叉车EPS来说，现在普遍采用永磁直流电机，永磁直流电机相对于电磁直流电机来说，结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、噪音小、振动小、损耗小、效率高。此外对于叉车EPS来说，属于中小功率的范畴，而永磁直流电机可以提供足够的功率。本文采用永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机结构简单，电机免维护，寿命长，稳定可靠。所选电机信号为FBL92K10061RS。如图31所示图31永磁无刷直流电机外形图8电机性能参数电机型号额定电压（VDC）额定输出功率（W）额定转速（RPM）额定转矩（NM）最大转矩（NM）定位转矩（NM）额定电流（A）最大电流（A）极对数FBL92K10061RS121006001593180020104220834电机外形尺寸DEFGKN12304952783H7RTYM4SX1229010447875312减速机构选型减速机构的主要功能就是“减速增扭”，其有一个放大功能，可以将通过电动机输出轴输出的扭矩通过该机构进行放大，然后作用于转向输出轴。常用的减速机构有涡轮蜗杆减速机构、内啮合圆柱齿轮减速机构、外啮合圆柱齿轮减速机构、滚珠螺杆螺母减速机构、星型齿轮减速机构等。圆柱齿轮啮合减速机构刚度大、传动可靠，但是尺寸过大，安装不便，所以一般的EPS系统不采用这种方式作为减速机构。滚珠螺杆螺母减速机构其实通过滚珠丝杆副将旋转运动转化为直线运动或者逆向将直线运动转化为旋转运动，其传动效率较高，可高达85到90，灵敏度也高，但是安装复杂，滚珠易受损。星型齿轮减速机其尺寸小、传动比大而且传动可逆，但是单级传动比较小。涡轮蜗杆减速机构可实现大传动比，而且体积小，传动平稳，结构简单，所以本文选用的减速机构是涡轮蜗杆减速机构，如图32所示图32涡轮减速电机9减速器外形尺寸图33减速器外形尺寸313角位移传感器选型角位移传感器安装于扭杆，当驾驶员转动方向盘时，方向盘将驾驶员的扭矩传递于扭杆，此时相连于扭杆的角位移传感器检测到相应的角位移，并且将此信号传给助力控制模块，助力控制模块经计算后，输出相应的信号驱动电机转动输出相应状态下最佳助力。并通过传动机构驱动叉车车轮转向。本文中采用的是非接触式传感器，对于非接触式角位移传感器，其主要是通过测量磁场方向的改变来确定角位移的变化。转轴上的磁铁会随着转轴的旋转而导致磁场方向的改变，传感器相应的电路会捕获磁场方向的变化，并将其转化为相对应的角度信号以模拟量输出。本文采用的是WDA型角度传感器。其型号为WDABAV360。其采用高性能的集成磁敏感元件利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代360全量程以及可编程选定测量区间角度传感器。该产品相对于其他角位移传感器主要有以下优点（1）噪音小震动也小，舒适度较高；（2）无触点，减少了触点摩擦等，寿命较高；（3）灵敏度高，性能稳定；（4）环境适应性较高，几乎可以适用于各种恶劣工业使用环境下，可用于水、油、汽、高低温、震动较强烈等环境下；（5）可360绝对测量，性能优越；所选产品如图34所示图34WDA型角度传感器安装尺寸图10图35WDA型角度传感器安装尺寸图性能参数图图36WDA型角度传感器性能参数图314转向轮复位传感器选型在每次启动叉车时，都要对叉车转向轮进行复位，如果转向轮在上一次没有复位然后直接转向的话，就会可能出现严重跑偏现象，所以转向轮的复位是必须的。本文采用光电开关来复位。光电传感器是采用光电原件作为检测元件的传感器。它首先把被测量量的变化转化为光信号的变化再通过一系列的光电原件转化为电信号的变化。光电开关作为一种接近开关，其为非接触式检测，这样子就会避免机械碰撞和磨损，而且其动作迅速，性能稳定，寿命长。其主要原理如下图所示在转向轮上设有复位标记，该标记是可读标记，当光电传感器检测到该标记后，会想电控单元反馈相应信号，进而确定该转向轮已经复位。在本文中所选的光电传感器为高性能光电传感器，检测距离为8MM，为直接反射型，如图38所示。11图37光电式传感器复位原理图38光电传感器32主要控制芯片的选型321单片机选型单片机是整个系统的灵魂，其实整个EPS系统都是围绕着单片机在工作，简单来讲EPS系统就是一些外围电路不断检测传感器将结果反馈给单片机，单片机不停地进行计算输出控制指令，完成相应的工作。本文中选用的单片机是STC89C51，该单片机是宏晶科技推出的新一代的单片机，具有抗干扰、高速、低功耗等优点，片内含有FLASH程序存储器、SRAM、UART、SPI、AD、PWM等模块，该单片机与传统8051单片机完全兼容。图39STC89C51单片机（一）该单片机主要有如下特点（1）CPU为8位；（2）片内带振荡器，频率范围为1212MHZ；（3）片内带128字节的数据存储器；（RAM）（4）片内带4KB的FLASH程序存储器；（ROM）（5）程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM）（6）片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM）（7）128位（16字节）用户位寻址空间；（在128个字节中）（8）18个字节特殊功能寄存器SFR；12（9）4个8位的并行I/O接口P0、P1、P2、P3；（10）2个16位定时器/计数器T0、T1；（MCS52子系列为3个，T2）（11）2个优先级别的5个中断源；（高、低2个）（12）1个全双工的串行I/O接口，可多机通信；（13）片内采用单总线结构；（14）有较强的位处理能力；（二）该单片机的基本结构组成图310STC89C51基本结构组成（三）单片机的各引脚功能说明图311STC89C51单片机引脚图STC89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图22所示。引脚按其功能可分为如下3类电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；控制引脚/RSTVPD、/ALEPROG、PSEN、和/EAVPP；I/O口引脚P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。131电源引脚VSS（20脚）接地，0V参考点。VCC（40脚）5V电源。【提供掉电、空闲、正常工作电压】2外接晶体引脚XTAL1（19脚）接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CMOS单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接外部振荡源；对于CMOS单片机，此引脚悬空不接。图312晶振图89C51晶体振荡器频率可在6MHZ40MHZ之间选择，常选6MHZ或12MHZ的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20PF100PF之间选择。当外接晶体振荡器时，电容可选30PF10PF；外接陶瓷振荡器时，电容可选40PF10PF。3控制信号或与其它电源复用引脚（1）/RSTVPD（9脚）复位端。当输入的复位信号持续2个以上机器周期（12个晶体振荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电平应05V。在VCC发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源VPD（电源范围5V05V），由VPD向内部RAM供电，以保持内部RAM中的数据。（2）/ALEPROG（30脚）地址锁存使能。ALE（ADDRESSLATCHENABLE）；PROG（PROGRAM）/ALEPROG为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。/ALEPROG引脚第二功能，对片内FLASH编程，为编程脉冲输入端。（3）PSEN（29脚）（PROGRAMMERSAVINGENABLE），外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。14在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时PSEN无效。（4）/EAVPP（31脚）（ENABLEADDRESS/VOLTAGEPULSEOFPROGRAMMING）访问程序存储控制信号。当/EAVPP“0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000HFFFFH（64KB），片内的4KBFLASH程序存储器不起作用。当/EAVPP“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFLASH存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当PC值超出0FFFH（即超出片内4KBFLASH地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000HFFFFH）程序存储器空间中的程序。对于EPROM（或FLASH）型单片机，在EPROM编程期间，此引脚需加1275V或21V的编程电压。322数模D/A转换器一般从单片机I/O口输出的为数字信号，是没办法驱动功率件运动的，必须通过D/A转换器将数字信号转化为模拟信号；另外单片机几乎没有驱动能力，所以单片机通过D/A转换器转化的模拟信号并不是很大，一般在D/A转换器后都会加上一个运算放大器将电流放大后驱动后继电路。本文选用的D/A转换器是DAC0832，DAC0832是一个8位分辨率的D/A转换器，其内部有8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和一些控制门电路。之所以选用DAC0832作为D/A转换器，主要是因为DAC0832具有8位并行、速度较快（中速）、价格低廉等优点。DAC0832芯片具有20个引脚，为双列直插式，如图313所示图313DAC0832芯片（1）内部结构图314DAC0832芯片内部结构（2）引脚排列，共20个引脚15图315DAC0832芯片引脚排列（3）各引脚功能说明VCC芯片电源电压输入端,5V15V；VREF参考电压输入端,10V10V；RFB反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端；AGND模拟信号地；DGND数字信号地；DI7DI0数字量输入信号；其中DI0为最低位，DI7为最高位ILE输入锁存允许信号,高电平有效；CS片选信号,低电平有效；WR1输入锁存器写选通控制端。输入锁存器能否锁存输入数据，由ILE、CS、WR1共同决定当ILE、CS、WR1同时有效时,LE1，输入寄存器的输出随输入而变化WR1由低电平转为高电平时,LE0，将输入数据锁存到输入寄存器；XFER转移控制信号，低电平有效；WR2DAC寄存器写选通控制端，写信号2，低电平有效。当XFER、WR2同时有效时,LE21DAC寄存器输出随输入而变化；WR1由低电平转为高电平时,LE0，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转换器，开始D/A转换；IOUT1模拟电流输出端1当输入数字为全”1”时,输出电流最大，约为255VREF/256RFB全”0”时,输出电流为0；IOUT2模拟电流输出端2；IOUT1IOUT2常数；16323场效应管选型STC89C51作为整个EPS系统的控制机构，虽有控制之能，却去驱动之力。单片机的驱动能力一般很差，所以在该EPS系统中对电机的驱动必须有其他专有的驱动电路来驱动，而当下比较流行的电机驱动电路一般都是H桥驱动电路，所谓的“H桥驱动电路”因其形状酷似大写字母H。而要实现电机的正反转等控制就必须精准的控制各个桥臂的通断，而常见的H桥电路主要有两种双极型晶体管式和MOS管式，分别如图316和图317所示。图316双极性晶体管H桥电路图317MOS管式H桥电路双极性晶体管本身作为半导体其有导通电阻，所以在通电时会明显发热造成能源浪费，而且如果没有及时散热可能会导致半导体器件被烧毁。而相对于双极性晶体管，MOS管由于本身的原理和构造的不同，其导通电阻远远低于普通的三极管，一方面减少了能源损耗，另一外面允许更大电流通过，从而增强其驱动能力，而MOS管一般都内置二极管以防止静电效应、电感等造成MOS管的损害，进而挺高效率。基于此本文采用四个相同的N沟道的IRFP250N功率管构成H桥驱动电路，如图图318IRFP250N功率管（一）IRFP25ON功率管为N沟道的增强型MOS管，其基本结构和基本参数如图317图319IRFP25ON功率管基本结构和基本参数图（二）IRFP250N的基本工作原理17图320IRFP250N工作原理图（1）其实对于N沟道型MOS管来说，栅源电压UGS其主控作用其通过调节UGS进而控制整个MOS管的导通与截止A、当UGS0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，所以即使在在D、S之间加上电压也无法形成电流，此时MOS管截止；B、当UGS0V时，由于纵向电场的作用将靠近栅极下方的空穴向下排斥，如果继续增加UGS就会使纵向电场增加，这样一来P区少量电子聚集到P区表面进而形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。（2）N沟道增强型MOS管的基本特性UGSUT，管子截止UGSUT，管子导通。UGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流ID越大（开启电压（UT）沟道刚刚形成时栅源电压UGS）。3转移特性曲线IDFUGS|UDSCONST由此可根据输出特性曲线作出移特性曲线。图321输出特性曲线图图322传输特性曲线图（3）一个重要参数跨导GMGMID/UGS|UDSCONST单位MSGM的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制能力的强弱在传输特性曲线上，GM为的曲线的斜率在输出特性曲线上也可求出GM。对于本文中选用的IRFP250N功率管，其（GM）MIN17。324场效应管基极驱动芯片选型EPS系统对电机的驱动都采用H桥电路，但是要实现电机的正反转等功能，必须精准的控制桥臂的通断，如图323和图324所示，如果需要电机正传，此处选顺时针方向为正方向，则必须使Q1、Q4导通，Q2、Q3截止；同理要实现电机反转，就必须使Q2、Q3导通Q1、Q4截止。也就是说其同一半桥处的MOS管不能同时导通，而对角线处的MOS管需同时导通，而之一功能如果通过外接电路来实现的话，要自己建立自举电路及相关的辅助电路，这就使得电路会变得极其复杂，而同时会引发诸多问题，系统性能就会大大折扣。所以一般都是通过一集成电路来完成这一功能。另外MOS管是电压式驱动器件，所以综合以上本文选18用集成芯片IR2110作为MOS管的栅极驱动芯片。图323电机正传图324电机反转在功率变换装置中，根据主电路的结构，功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。（一）IR2110内部功能图及引脚排列图图325IR2110内部功能图图326IR2110引脚排列图（二）各引脚功能说明LO（引脚1）低端输出COM（引脚2）公共端VCC（引脚3）低端固定电源电压NC（引脚4）空端VS（引脚5）高端浮置电源偏移电压VB引脚6高端浮置电源电压HO（引脚7）高端输出19NC（引脚8）空端VDD（引脚9）逻辑电源电压HIN（引脚10）逻辑高端输入SD（引脚11）关断LIN（引脚12）逻辑低端输入VSS（引脚13）逻辑电路地电位端，其值可以为0VNC（引脚14）空端（三）IR2110的特点（1）具有独立的低端和高端输入通道。（2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。（3）输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。（4）逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量。（5）工作频率高，可达500KHZ。（6）开通、关断延迟小，分别为120NS和94NS。（7）图腾柱输出峰值电流2A。（四）时序图图327逻辑时序图（五）IR2110的工作原理其实IR2110内部的核心电路是一个自举电路，通过自举电路以及一些辅助电路就可实现对半桥的控制，如图327所示，其逻辑功能为HIN、LIN和SD三个逻辑输入端来逻辑输入端通过相应的输入就可以通过HO和LO两个逻辑输出端进而实现对半桥的控制。其实可以做一个真值表，如下输入输出INSDHOLO0000000101011110第四章EPS系统电路设计41C51单片机的最小系统电路设计作为EPS系统的核心部件，其合理设计是非常重要的，而作为单片机其最小系统的设计也是非常重要的。所谓最小系统，就是使单片机正常工作所必须的主要构件。对于51单片机来说，其最小系统的三要素是电源电路、复位电路、晶振电路。当然也包括一些输入输出设备。其框架图如图41所示。20图4151单片机最小系统框架图（一）51单片机最小系统的电路原理图，如图42所示图4251单片机最小系统的电路原理图（二）电路分析（1）晶振电路其电路原理图如图43所示，作为单片机系统，其工作时，从取指令到译码再进行微操作等过程必须在时钟信号的控制下才能有序进行，所以说晶振电路就是为单片机工作提供基本时钟，这样单片机才能有效有序有节奏的进行相应的操作。本文中采用的时钟方式是内部时钟方式，即在单片机的X1和X2引脚上跨接一个晶振和两个稳频电容，可以于单片机内部电路构成自激荡器。本文采用的晶振为110592MHZ的振荡器，因为该晶振可以准确的得到9600的波特率，而且比较稳定。另外稳频电容本文中选用的是20P无正负的瓷片电容。图43晶振电路图44晶振图45稳频电容（2）复位电路时间很多事情是无法确定，所以有时候单片机程序的运行也会出现无法预知的情况，21如程序运行的乱七八糟，这时候我们就要重新来过，重新开始运行程序。而复位电路就是基于此设计的，该复位电路原理图如图46所示。单片机的复位方式主要有上电复位和按键复位。所谓的上电复位就是指在电路接通瞬间，因为电容两端电压不能突变，此时电压全部加在负载R2上，此时就使得RESET引脚的电位是高电平，芯片复位。此时电容C4会被充电，随着电容不断的充电，电阻两端的电压就会变小，完全充电后就会使得R