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毕业设计论文-电子动力转向系统的研究与设计,毕业设计,论文,电子,动力,转向,系统,研究,设计
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（论文）1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（论文）2Abstract 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（论文）3目 录1 引言.11.1 汽车电动助力转向系统的特点 .11.2 电动助力转向系统国内外的研究现状 .21.3 EPS 的发展趋势和急待解决的核心技术.21.4 本课题研究的目的与意义 .32 电动助力转向系统方案确定及其工作原理.42.1 电动助力转向系统的工作原理 .52.2 电动助力转向系统的数学模型 .72.3 电动助力转向系统的主要部分 .113 电动助力转向系统的硬件设计.163.1 电子动力转向系统控制器的总体结构.163.2 控制器微处理芯片的选择 .173.3 控制器输入通道的设计 .203.4 控制器输出通道的设计 .233.5 系统供电电源电路设计 .283.6 系统硬件抗干扰措施 .284 电子动力转向系统的软件设计.304.1 EPS.的控制策略.304.2 电子动力转向系统各功能模块的软件设计 .325 总结.38参考文献.39（论文）4致 谢.40附录.41（论文）51 引言1.1 汽车电动助力转向系统的特点由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自 20 世纪 50 年代以来在各国汽车上开始普遍应用。现今液压助力转向器(HPS)是以内燃机作为动力的汽车助力转向器的主流。但是传统的 HPS 需要持续的能量消耗，降低了汽车的燃油经济性。同时其复杂的液压系统具有助力特性不可调整、污染环境、维修不便等缺点。20世纪 80 年代开始研究的汽车上电能为动力的电动助力转向系统(EPS)。和 HPS 相比，它具有更为突出的优点: 1.EPS 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少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。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同对象使用的需要。 2.提高了汽车的燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动转向系的 EPS 需要转向操作时才需要电机提供的能量，是真正的“按需供能型”(on demand)系统。装有电动转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下、装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低 2.5%;在使用转向情况下，燃油消耗降低了 5.5% 。1 3.增强了转向跟随性。在 EPS 中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。和 HPS 相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。4.该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件比 HPS 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简单。 5.EPS 没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须有个加温的过程，而 EPS 可以在零下 40很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。（论文）6 6.在未来 10-15 年推出的纯电动汽车或者燃料电池汽车等汽车上由于没有的传统意义上的内燃机，因此必须考虑安装 EPS。 7.电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。使用可靠，维修方便。 由此可见，EPS 和 HPS 相比，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，必将逐步取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。1.2 电动助力转向系统国内外的研究现状国外从 1979 年就开始研究电动式电子控制动力转向系统，1988 年日本铃木公司首先在其 CER 车上装备了电动式 EPS。同年，美国通用公司也在某些型号的汽车上装备了电动式EPS。1993 年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克 NSX 跑车上;同年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车-菲亚特帮托也将美国德尔福公司生产的电控助力转向系统作为标准装备。随后，国外很多公司和机构介入了电动式 EPS 的研究和开发工作。美国的 TRW 公司，日本的三菱公司、KOYO 公司，德国的 ZF 公司都相继研制出了电动式 EPS。经过二十几年的发展，EPS 技术已日趋完善，其应用范围正从最初的微型轿车向普通轿车和商用客车方向发展。EPS 产品在 2002 年才有国内企业进行研制开发，目前已经知道的有 10 多家科研院校正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、天津大学、合肥工业大学等，另外还有 10多家转向企业和 10 多家配套企业也在研制中。从市场应用来看，国内已装有 EPS 产品的汽车主要为 1.3L-1.6L 的轿车(主要是电动机的功率所致)。如重庆长安的奥拓、安徽的奇瑞、南京菲亚特、广州本田飞度、昌河北斗星等。但是，由于国产汽车各车型技术的实际情况以及使用条件的特殊性，国外的 EPS 与国产汽车的匹配以及实用性还存在问题，至今还没有与国产汽车相协调匹配的、且具有自主知识产权的 EPS，仅仅在近几年才开展 EPS 的技术研究，可获得的技术资料较少，目前尚处于技术攻关阶段。1.3 EPS 的发展趋势和急待解决的核心技术 首先，EPS 的应用范围将会进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界汽车行业中，电动转向系统每年正以 9%-10%的增长速度发展，年增长量达 130 万至 150 万套，估计至 2005 年，该产品的产量将由目前的 150 万套增长到 800 万套，2007 年将达到 1140 万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动转向将会完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。（论文）7尽管 EPS 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题急待解决，比如提高现有应用的 EPS 系统性能的可靠性、降低生产成本等。其中，进一步改善电动机的性能是下一步努力的一个主要方向。电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向、路感等问题。概括地说，今后电动助力转向技术的发展方向主要为:改进控制系统的性能、提高系统可靠性和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统的性能，才能满足更高档车的使用要求。另外，EPS 的控制信号将不再仅仅依靠车速、扭矩和方向盘转角，还包括转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向和路感。未来的 EPS 将向电子四轮转向的方向发展，并与通过总线技术电子悬架、发动机电子控制等一起统一协调控制汽车的运动。随着电子技术的发展，今后有可能取消转向系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统。这将是 EPS 的未来 10 年的发展方向。 对于我国来说，由于在这方面和国外的差距很大，所以在今后相当长的一段时间内，仍须集中精力解决传感器、电机、和电子控制器方面的研究工作。1.4 本课题研究的目的与意义 汽车电子动力转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，即汽车低速时需要“轻”的转向力，高速时需要“灵”的转向效果。同时，转向力与路感也相互制约。本课题将通过2合适的综合控制方法，设计合适的控制系统，以提高汽车转向系统的操纵稳定性和路感，并为以后的深入研究 EPS 的工作打下良好的基础。从中汽转向专业委员会第十一届学术年会传来的信息表明:电动转向是现代汽车转向系统发展的必然趋势。因此我们必须大力对电动转向技术进行研究。本文所进行的工作正是在这一时代背景下展开的。通过查阅国内外的文献，本文详细介绍了国内外的电动转向系统的发展现状、硬件系统、控制系统并通过仿真提出了一条可供进一步研究的控制策略。（论文）82 电动助力转向系统方案确定及其工作原理系统总体方案的确定，是进行系统设计最重要、最关键的一步，直接影响到整个控制系统的性能、安全运行等因素的参数选定，使设计能够有序、正确的进行。为更好的拟定一份准确、可靠的总体方案，可以采用“多选一”的形式。第一方案：此方案以 80c552 作微处理器。如图 2-1 所示。80c552 单片机是由 Philips 公司生产的一款功能非常强大的 MCS-51 系列兼容机。除了提供 80C51 的全部功能外，还提供了大量的硬件资源，引入了许多新的功能，是专为仪表控制、工业过程控制、汽车发动机与传动控制等实时应用场合而设计的高性能单片机。但是由于 80C552 没有片内程序存贮器，系统需对程序存储器进行外部扩展。 PWMA/DA/D80c55280c552车速信号发动机转速信号扭矩信号74LS373AT28C64驱动电路光电隔离离合器直流电机图 2-1 电动助力转向系统的方案框图第二方案：此方案是由 89c51 作为微控制器，如图 2-2 所示。以扭矩传感器、车速传感器、发动机电流传感器的输出信号作为输入信号，并经放大电路、ADC0809 转换器转换送到 89c51 单片（论文）9机，再由 89c51 对输出电路进行分时控制，从而保证系统正常运行。与 80c552 相比，89c51不需对程序存储器进行外部扩展。 89C51扭矩传感器车速传感器发动机电流信号系统供电电源点火开关输入处理电路输出及监控电路直流电机显示电路离合器图 2-2 电动助力转向系统的方案框图与方案一相比，此方案的特点是以实际使用性能为出发点，比较方案一来说更节省系统内存空间，在使用中有较强的随机应变能力。根据上述种种分析得出，方案二为本设计中的最佳方案。故本设计中选方案二为设计方案。2.1 电动助力转向系统的工作原理2.1.1 电动助力转向系统的组成和工作原理电动助力转向系统是利用电机作为助力源，根据转矩参数和车速信号，由电子控制装置来执行助力控制的。典型的电动助力转向系统的组成如图 2-3 示:（论文）10 图 2-3 电动助力转向系统的组成从图上可以看出，所谓的 EPS 系统就是在原机械转向系统的基础上，增加了车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机构，直接利用动机驱动转向轴提供助力转矩。转矩转角传感器测量转矩与方向盘转角大小并和车速信号一起送入电子控制器。控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的方向。若需要助力，则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应控制信号给驱动电路。后者提供相应的电压或者电流给电动机。电动机输出的转矩通过传动机构驱动转向轴转动从而实现助力作用。当汽车点火后，方向盘转动时，装在转向盘输入轴上的转矩传感器不断的测出转向轴上转向力矩，该信号与车速信号同时输入给控制器 ECU。控制器根据输入的这些信号，依据相应的控制策略，确定助力的大小和方向，即确定电动机的电流大小和方向，调整转向助力的大小。电动机的输出转矩经电磁离合器通过减速机构进行减速转矩后，施加给转向杆输出轴，并经过齿轮齿条等转向机构的作用，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。2.1.2 电动助力转向系统的分类电动助力转向系统按照其转向助力机构结构和位置的不同，可分为转向轴助力式、转向轴小齿轮助力式和齿条助力式三种形式。31:转向柱助力式(Column-assist type) 此时电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装在转向柱上的任意合适位置，一般提（论文）11供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向。工作环境好，电机的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形式。由于各部件相对独立，因此维修方便。设计时也有很大的灵活性。但是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。2:小齿轮助力式(Pinion-assist type)这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器直接与转向小齿轮相连。它具有转向柱助力式 EPS 的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。3:齿条助力式(Rack-assist type) 电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从而实现助力。作为最初应用的 EPS，这种助力形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较大的助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。缺点是结构复杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电动机的输出力矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不方便。2.1.3 电动助力转向系统的技术要求对转向系统的要求，主要可以概括为转向的灵敏性和操纵的稳定性。高的转向灵敏性，要求转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获得迅速转向。好的操纵轻便性，则要求转向器具有较大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。可见，上述的两个要求是矛盾的。而电动式助力转向器由于采用电子控制系统，实时的调节和控制电机提供助力，因而能较好的解决这一矛盾。一般来说，电动式助力转向器应当满足动力转向系统的如下要求：4(1)能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。而行车转向的操纵力不应大于 245N。(2)转向灵敏度好。转向灵敏度就是转向助力器产生助力作用的快慢程度。(3)具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应能自动回正;驾驶员应有良好的“路感”。(4)要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动的转角保持一定关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位上。（论文）12(5)工作可靠。当动力转向失败或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。2.2 电动助力转向系统的数学模型 为了研究 EPS 系统的动态特性及 EPS 系统对汽车操纵性的影响，EPS 数学模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。EPS 的机械部分主要可分为转向盘和转向轴、电动机、减速结构和齿轮齿条四个主要部分，根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对 EPS 部件进行简化，在简化的基础上，根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型，然后再根据各部件之间的相互约束关系，联立各模型，得到如图 2-4 所示的模型。（论文）13XXU电机TsenImTaTwRp转矩传感 器ECU减速机构减速机构sTh 图 2-4 EPS 动态模型2.2.1 转向盘和转向柱输入轴子模型 对转向盘和输入轴受力分析，这里考虑了转向盘的转动惯量，并且把输入轴的粘性阻尼考虑在内，可以得到如下运动方程:（论文）14J+B=T -T (2-1)sssshsen式中 Js转向盘、输入轴的转动惯量，Kgm ;2 Bs输入轴的粘性阻尼系数，Nm /( rad / s) ; 输入轴的旋转角，rad ;s T 作用在转向盘上的转向转矩，Nm;h Tsen扭杆的反作用转矩，Nm 。 由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形，扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比，即有 Tsen = Ks (s-e) (2-2)式中 KS扭杆的刚性系数，Nm/rad ; s输出轴的旋转角，rad 。2.2.2 电动机模型 系统采用永磁式直流电动机，如图 2-5 所示，电动机的端电压 U 与电感 L、电枢电阻 R、反电动势常数 Kb、转速m、电流 I 和时间 t 之间的关系如下:U 二 L 十 RI 十 Km （2-3）。I。 图 2-5 永磁式直流电动机模型 电动机产生的电磁转矩为: Tm = Ka I (2-4)式中 Ka电动机的转矩系数:NmA。1（论文）15 对电动机机械部分受力分析，可以得到: Jmm + Bmm=Tm-Ta (2-).式中 Jm,电动机和离合器的转动惯量，Kgm ;2 Bm电动机粘性阻尼系数，Nm/(rad/s); m电动机的转角，rad; Tm电动机电磁转矩，Nm; Ta电动机输出转矩，Nm 。 在实际的控制系统中，电动机助力转矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km （m Ge） (2-6) 式中 Km电动机和减速机构的输出轴刚性系数，Nm/rad 。2.2.3 输出轴子模型 对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析，得到下面的运动学方程: Jee +Bee=Tsen + GTa Tw (2-7)式中 Je输出轴的转动惯量，Kgm ;2 Be输出轴的阻尼系数，Nm /(rad / s) ; G蜗轮-蜗杆减速机构的减速比; Tw作用在输出轴上的反作用转矩，Nm 。2.2.4 齿轮齿条子模型 对齿条和小齿轮进行动力学建模，可以得到 Mr Xr + Br Xr=-FTR (2-8) pwRT式中 Mr齿条及小齿轮的等效质量，Kg; Br齿条的阻尼系数，N/(m/s); Xr齿条的位移，m; Rp小齿轮半径，m;（论文）16 FTR轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力，N。 转向阻力 FTR主要受转向时车轮与地面的摩擦、回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等有关。对于常规助力控制过程该模型的简化对控制策略的影响不大，这里给出简化的计算公式：6 FTR= Kr Xr+F (2-9)式中 Kr等效弹簧的弹性系数，N/m ; F 路面的随机信号，N。 其中e=。联立上面所建的动力学方程，可以得到:pfRX Jss + Bss+ Kss=Ts + Ks （2-10）.prRXJm m +Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11）.prRXMr r+Br r+Kr Xr=+-F （2-12）.X.XpmrGKmpsrKsMr=mr+减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量，Kg；2perJBr=br+减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数，N/（m/s） 。2perBKt=kt+小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数，N/m；2p2srGKmk2.3 电动助力转向系统的主要部分电动助力转向系统虽然有着三种不同的类型，但其主要部件几乎相同。除了本身的机械传动部件外，主要的部件还包括转矩传感器、车速传感器、直流电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制器 ECU (Electronic Control Unit)。2.3.1 转矩传感器（论文）17 转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器 ECU，作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。转矩传感器有接触式和非接触式两类，非接触式主要是使用下列三种技术之一； 磁、光和感应技术。非接触式转矩传感器的线性6功能和滞后性能好，但价格较高。接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。 本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器，主要由滑块、钢球、环和电位器组成。钢球通过螺旋球表面固定在输入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞里。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。同时，滑块通过一个销安装到输出轴，使它仅可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对输出轴转动时，滑块按照输入轴旋转的方向和输出轴的旋转量，垂直移动(在轴方向)，(等于输入轴相对于输出轴旋转)。当转动方向盘，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输出轴之间的旋转方向里出现偏差。这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为图 2-6 所示的控制杆里电位器的旋转角度。结果，转矩转变为电压变化，并传送到控制器 ECU.送到控制器的转矩信号分为主、副两路。当方向盘处于中间位置时，主、副两路输出的信号都为 2.5 V;当方向盘右转时，主转矩信号大于 2.5 V，副转矩信号小于2.5 V;当方向盘左转时，主转矩信号小于 2.5 V，副转矩信号大于 2.5 V。系统利用主、副转矩信号即可判断方向盘转向的方向和转矩大小。图 2-6 电位式转矩传感器的输出特性2.3.2 车速传感器 车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目（论文）18标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。常见的车速传感器工作原理如图 2-7 所示，车速传感7器由永久磁铁、铁芯及线圈组成。由于传感器的顶端设置在附有齿的转子附近，当附有齿的转子旋转时，从传感器的永久磁铁出来的磁通量发生变化，在线圈上就会产生交流电流。图2-7 为车速传感器的工作原理。1.轮毅 2.转子 3.永久磁铁 4.输出信号电压 5.高速时 6.低速时 图 2-7 车速传感器的工作原理车速传感器的输出信号一般是经里程表处理后，变成方波信号送给控制系统。在本文的研究中，作者采用脉冲发生器来模拟实际的车速信号，用于对控制策略的研究。2.3.3 直流电动机 EPS 用直流电动机与一般的起动电机在原理上基本相同，但一般采用永磁电动机。为了降低噪声和减小振动，有的电动机转子外圆表面开有斜槽。作为 EPS 系统助力的提供者，直流电动机应当有较好的机械特性和调速特性。一般应满足如下要求：3 1)尽可能宽的调速范围; 2)较小的转动惯量; 3)良好的低速平稳性; 4)体积小、质量轻、噪声低; 5)过载能力强; 按照上述要求，本课题选用了直流有刷永磁电动机作为 EPS 系统的助力电机，其工作的额定电压为 12 V,额定电流为 30A,，额定转速为 1050r/min,额定输出功率为 170W，额定转矩（论文）19为 1.48Nm.2.3.4 电磁离合器 电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间，它的作用主要是使电机与减速机构快速地结合和分离。当系统工作于助力模式时，离合器使电机与减速齿轮结合，传送电机的输出转矩。当系统车速高于设定值或电机电流高于设定值或系统出现故障时，离合器又断开电动机与减速齿轮的连接，使系统停止助力，改为人工操作，从而保证系统的安全性和可靠性。一般的EPS 系统通常采用干式单片式电磁离合器，它的结构如图 2-8 所示，主要由电磁线圈、 主动轮、从动轴、压板 1 滑环 2 电磁线圈 3 压板 4 花键 5 从动轴 6 主动轴 7 滚珠轴承图 2-8 电磁离合器结构图等组成。其工作原理如下:装在电动机输出轴上的主动轮内装有电磁线圈，通过滑环引入电3流。当离合器通电时，电磁线圈产生的电磁力使压板与主动轮端面压紧。于是，电动机的动力经主动轮、压板、花键、从动轴传给减速齿轮灭。2.3.5 减速机构减速机构也是电动助力转向系统不可缺少的部件，减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速，从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。目前实用的减速机构有多种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。两级行星齿轮减速机构能提供较大的助力，一般用于小齿轮助力和齿条助力式EPS 系统。蜗轮蜗杆减速机构提供的助力虽不如两级行星齿轮减速机构的大，但已能满足微型车的应用需求，加之其减速机构传动平稳、结构简单、体积小以及成本低，所以目前应用（论文）20较为广泛。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。在本课题的研究中，所选用的就是蜗轮蜗杆减速机构，它是与电动机及电磁离合器集成为一体的一个组成机构。图 2-9 为电机、离合器、减速机构组成。 图 2-9 电机、离合器、减速机构组成2.3.6 电子控制单元 ECUECU 的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。由于 EPS 系统处理的数据量还不是很大，所以目前的控制器核心一般采用 8 位的单片机。现以昌河北斗星微型车所用的。ECU 来说明其控制结构3(如图 2-10 示)和工作原理。（论文）22（论文）23图 2-10 电子控制单元 ECU 结构图 ECU 控制模块接收到 A1 的点火信号后，接通蓄电池电源，系统开始工作。根据转矩传感器 A8(主信号)、A10(副信号)和车速传感器 A2 的输入信号，确定助力控制的大小和方向，驱动电机转动(B1, B3)和离合器(A6, All)的开断除此之外，P/S 控制模块还具有故障自我诊断(A12)和安全防护功能。当系统出现故障报警时，系统将停止助力控制，并显示故障代码。3 电动助力转向系统的硬件设计控制器 ECU 是电动助力转向系统研究的主要内容之一，是控制策略实现的硬件基础，控制器的硬件性能直接影响 EPS 系统的控制效果。在研究了电动助力转向控制器的工作原理和结构的基础上，作者自行设计开发了硬件控制器 ECU。控制器的设计主要包括两大部分，一是数据输入通道，即数据采集电路的设计，二是控制输出通道，主要是电动机的控制电路。对于硬件设计中所采用的抗干扰措施，本章也做了简要介绍。3.1电子动力转向系统控制器的总体结构EPS 控制器结构图如图 3-1 所示。（论文）24图 3-1 EPS 控制器结构图方向控制继电器通断信号点火信号电机电流采集车速信号扭矩信号副扭矩信号主波形处理A/D采集电路外部信号处理电路单片机继电器驱动电路继电器保护电路光电隔离H 桥驱动电路H 桥电动机控制电路电动机A/D采集电路转矩传感器车速传感器霍尔传感器外部信号方向控制电路系统稳压电 路故障显示电路当控制器接收到汽车点火信号时，接通蓄电池电源，控制系统开始工作。汽车在行驶过程中，ECU 采集转矩传感器和车速传感器的输入信号，根据已定的控制规则，确定一个目标电流和电机转动的方向，并以 PWM 调制的方式通过 H 桥电路来驱动电机转动。同时，系统对电机的输出电流进行采样，采样的结果一方面与目标电流相比较，用于电机的控制;另一方面结合车速信号，用于系统的保护。若电机电流大于设定值或车速高于设定值时，为了保护（论文）25电机和系统的安全，控制器将对继电器发出一个控制信号，断开电机电源，停止助力，待系统正常后，再恢复助力功能。3.2 控制器微处理芯片的选择3.2.1 控制器微处理器常用芯片及选型作为汽车电子技术研究的热门课题之一，国内外很多研究机构和高校对控制器的硬件设计进行了新的尝试和探讨，主要体现在控制芯片的选择上。现在常用的芯片有很多种，如8031,8051,89C51,89C52 等，本设计中选择 89C51 作为微处理器。3.2.289C51 芯片及 A/D 转换芯片介绍89C51 单片机芯片引脚如图 3-2 所示。 图 3-2 89C51 单片机芯片引脚（1） 89C51 的 40 个引脚按其功能来分，可分为如下三类： (1)电源及时钟引脚：V、V；XTAL1、XTAL2ccss (2)控制引脚： 、ALE、RESET（即 RST）PSENEA (3)I/O 口引脚：P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚。（2） 8 通道 8 位 A/D 转换器 ADC 0809由于单片机不能直接与模拟信号相连接，所以必须有一个器件完成从模拟信号到数字信号的转换，而 ADC0809 就是这样一个器件。ADC0809 是 CMOS 的 8 位单片 A/D 转换器。（论文）26片内有 8 路模拟开关，可控制选择 8 个模拟量中的一个。A/D 转换采用逐渐逼近原理。输出的数字信号有 TTL 三态缓冲器控制，故可直接连至数据总线。模拟输入部分有 8 路多路开关，可由三位地址输入 ADDA、ADDB、ADDC 的不同组合来选择。主体部分是采用逐次逼近式的 A/D 转换电路，由 CLK 信号控制内部电路的工作，由 START 信号控制转换开始。转换后的数字信号在内部锁存，通过三态缓冲器接至输出端。ADC0809 与 89C51 连接图如图 3-3 所示。8P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC4089C5112保HZ20pFC120pFC2C3R1R2+5+523123112DQCPQDQCPQD728D627D526D425D324D223D122D021ADDA20ADDB19ADDC18EOC17GND16REF(-)15START1ALE2OE3REF(+)5IN713IN612IN511IN410IN39IN28IN17IN06Vcc4CLK14ADC 0809+5 图 3-3 ADC0809 与单片机 89C51 的连接图3.2.3 89C51 外部总线扩展及片外 ROM 的连接由于 89C51 的输入/输出引脚有限，一般的情况下，我们采用地址锁存器进行单片机系统总线的扩展。常用的单片机地址锁存器芯片有 74LS373、8282、74LS273 等。本设计中，采用 74LS373 来扩展 89C51 的外部总线。图 3-4 为 74LS373 引脚图。（论文）27 图 3-4 74LS373 的引脚图74LS373 是带三态输出的 8 位锁存器。当三态门 OE 为有效低电平，使能端 G 为有效高电平时，输出跟随输入变化；当 G 端有高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 G 端再次有效为止。 由于 89C51 的数据存储器不能满足设计系统的要求，必须外接 RAM。RAM 是程序存储器的简称，用来存放用户数据的存储器，具有 RAM 型存储器的单片机价格最低，它适用于大批量生产。片外的 RAM 可直接挂在外部系统总线上，至于 RAM 的选通操作，需要由控制信号和片外信号确定。外部程序存储器的读信号为 PSEN。单片机片外 RAM 芯片的种类和型号非常多。例如 6116(2k)、6264（8k） 、62256（32k）等。本系统选择 6264 来外扩数据存储器。6264 的各个功能引脚如图 3-5 所示。（论文）28图 3-5 6264 的各个功能引脚Vcc：电源电压，+5V。GND：接地。A0-A12:地址线。D0-D7:数据线。OE：片输出允许，连接单片机的读信号线。WE:写允许引脚，低电平有效。单片机和片外 RAM 的电路连接图如图 3-6 所示.。9 P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC4089C51+5V+5WE20OE22A19A010A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS126VCC27CS21Q011Q112Q213Q315Q416Q517Q618Q719GND14U36264OE1LE11D03D14D27D38D413D514D718D617GND10VCC20Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U274LS373+5VCC 图 3-6 单片机 89C51 和片外 RAM 的电路连接（论文）29图中 P2 口和 6264 的高 8 位地址线以及片选信号 CE 连接；P0 口经过地址锁存器输出的地址线和 6264 的高 8 地址总线相连，同时 P0 口又与 EPROM 的数据线相连。单片机的 ALE连接地址锁存器的控制端；PSEN 连接 6264 的输出允许 OE 端。3.3 控制器输入通道的设计3.3.1 转矩信号的采集控制器接收从转矩传感器送来的转矩信号有主、副两路，如前所述，这两路信号是对称的，故在设计时只需采用一种电路。输入的转矩信号幅值为 0-5 V,A/D 转换器的输入电压范围为 0-2.5 Y,故对转矩信号除了一般的滤波处理外，还需对其进行分压处理。其电路原理如图 3-7 示。此采样滤波电路为二阶低通有源滤波电路，阻值相同的 R1, R2 先将输入的转矩信号分压，幅值变为原来的一半，然后与 C1 构成一阶低通滤波电路，R3 与 C2 构成第二级一阶低通滤波，运放则作为一个电压跟随器来使用。转矩信号采集电路如图 3-7 所示。1110 图 3-7 转矩信号采集电路3.3.2 电动机电流信号的采集电动机的反馈电流是电动机闭环控制所必须的一个参数，它一方面用来与目标电流的比较，使其更接近于目标电流;另一方面，可以利用它来对电动机进行过流保护，即当电机电流高于保护值时，切断电机供电电源，用软件的方式替代硬件过流保护电路。电机的反馈电流（论文）30采用霍尔电流传感器采集，电机的额定电流为 30A，本课题所选用的是 PAS-HID50 型霍尔电流传感器，具有反应时间快，过载能力强，全程范围内极高的线性度的特点。其电气参数见表 3-1.表 3-1 电动机的电气参数表电源电压DC12-15V额定输入电流50A电流测量范围0-70A精度0.5%线性度0.15%额定输出电流50mA失调电流优于0.2mA跟随精度200A/us响应时间us频带宽度DC-200KHz耐压AC2.5KV/min，50HzPAS-HID50 的接线方式如图 3-8 所示。图 3-8 PAS-HID50 霍尔传感器电路连接图由于助力电动机提供左右两个方向的助力，电动机的助力电流也就有正负之分。霍尔传感器输出的是电流信号(0-50mA)，而系统接收的是电压信号，故需在传感器的输出引脚上接一个约 100的电阻，将输入的信号转换为-5V 到 5V 的电压信号，然后经过电压变换电路如图 3-9 示，使其转换为对应的 0V 到 2.5 V 的电压信号，最后经滤波电路送到 89C51 芯片的A/D 端口。（论文）31 图 3-9 电动机电流采集电路3.3.3 车速信号的采集车速信号是从车速里程表引出的，输出为单极性的脉冲信号，电压在 9.5 V 以上。在课题研究中作者采用脉冲发生器来模拟车速信号，输入到单片机。单片机所能处理的信号高电压在 2.5V 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，一般采用一个前位分压电路即可实现，但这不如采用光耦电路安全可靠。电路设计中采用的是光耦合器的电平匹配方式。其具体电路设计比较简单，如图 3-10 所示。输入的车速信号经光耦转变为 5V的脉冲信号，经电阻 R2 , R3(阻值相同)分压后输入给单片机的计数器，再通过软件处理得到对应的车速。（论文）32 图 3-10 车速信号处理电路3.4 控制器输出通道的设计 ECU 的输出通道主要是电机的驱动电路和离合器的开断控制电路。电机的驱动电路采用了常用的 H 全桥 PWM 电路，方向控制由门电路组成，离合器的开断用继电器来控制。下面将分别说明。3.4.1 电动机的 PWM 控制 在控制器的硬件设计中，电动机的控制设计是重要的一环。电动机是系统直接控制的对象，所以这部分的设计直接影响到系统控制的有效性和稳定性。3.4.1.1 电动机的 PWM 调压调速原理直流电动机的控制方式可分为调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法两种。其中励磁控制方法在低速时受次级饱和的限制，在高速时受换向火花和换向其结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电机的电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流的电动机采用的是开关驱动方式，通过脉宽调制 P WM 来控制电动机电枢电压，实现电机的控制。PWM调制的原理图如图 3-11 所示。 （论文）33 图 3-11 电动机控制电路原理图采用开关驱动方式，通过 PWM 来控制电机电压时，电动机的电枢绕组两端的平均电压 U0为: U0=(t1Us 十 0) /(t1+t2)=ttUs /T= （3-1）Us式中 a 为占空比，a=tl/To，开关器件导通的时间，T 为脉宽调制 PWM 的周期。占空比 a 表示了在一个周期 T 中，开关管导通的时间与周期的比值。a 的变化范围为。al。在电源电压 Us 不变的情况下，电枢的端电压 Uo 的平均值取决于占空比 a 的大小，改变 a 的值就可以改变端电压的平均值，从而达到控制目的。 在 PWM 调制时，占空比 a 是一个重要参数。改变占空比 a 的主要方法有定宽调频法、调频调宽法和定频调宽法。前两种方法由于在控制时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 根据电动助力的原理，要求电动机能正反转工作，这就需要可逆 PWM 控制系统。可逆PWM 控制系统分为双极性驱动和单极性驱动。双极性驱动是指在一个 PWM 周期中，直流电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆控制系统虽然有低速平稳的优点，但存在着电流波动大，功耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关管频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。单极性驱动方式是指在一个 PWM周期内，直流电动机电枢只能承受单极性电压。由于单极性驱动方式能够避免开关管直通，（论文）34可大大提高系统的可靠性，所以适用于在大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电动机控制应用上。 鉴于上述原因，本课题的 EPS 控制器的电机控制部分，采用了单极性 PWM 控制方式，占空比 a 的调整采用了定频调宽法。在确定了 PWM 控制方法后，下一步的工作就是对半导体功率器件的选择。3.4.1.2 功率开关部件的选择及其驱动电路 目前应用较多的功率开关器件有功率场效应晶体管(Power MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)和 MOS 栅控晶体管(MCT)等。由于 MOSFET 开关管工作频带最宽，又具有一定的价格优势，所以在目前的控制系统中应用较多。选择 MOSFET 的型号时要考虑到漏极电流的最大额定值，漏极一源极间电压的最大额定值以及器件的导通电阻。根据助力电动机的电气参数，考虑到还需留有一定的裕量，在电路设计中，我们选用的是国际整流公司(IR)的IRFZ48NN 型 MOSFET 管，它的基本电气参数和结构见表 3-2。 12表 3-2 功率场效应晶体管的电气参额定漏极电压 VDS55V栅源开启电压 VOS4-20V额定漏极电流 IDS64A导通电阻 RON14m开通时间 ton90ns关短时间 toff84ns（论文）35 在选定功率开关器件后，接着就要考虑选择与其相关的驱动器件，并设计驱动电路。功率开关器件的驱动电路一般采用专用的集成驱动器件或采用光耦器件器件。专用驱动器件常用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等。光耦驱动电路由于线路简单，可靠性高，开关性能好，是设计时被广泛采用的一种驱动电路。驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的主要由东芝的 TLP 系列，夏普的 PC 系列，惠普的 HCPL 系列等。考虑到电机的助力电流较大，为了能有效的隔离强电与弱电，提高系统的可靠性，在设计中最终采用了光耦驱动器件。所选用的光耦型号为东芝的 TLP250，它包含一个 GaAlAs 光发射二极管和一个集成光探测器，是 8 脚双列封装，适合于工 GBT 或功率 MOSFET 栅极驱动电路。TLP250 的主要电气参数如下：.输入阀值电流 F=5mA (max);.电源电流 Icc=11mA (max);.电源电压(Vcc)=10-12V;.输出电流 Io=0.5A(min);.开关时间 tPLH/tpHL=0.5(max)。s另外，开关器件在开通和关断过程中可能同时承受过压、过流、过大的 di/dt, du/dt 以及过大的瞬时功率，因此需要设计缓冲保护电路。缓冲电路就是为了在开关过程中保护开关器件，抑制高电压和大电流的防护措施。在电路设计中，我们采用的是 RCD 冲、放电缓冲电路。当 MOSFET 关断时，经二极管 D 向电容 C 充电，由于二极管正向导通时压降很小，所以关断时的过压吸收效果与电容的吸收效果相当。当 MOSFET 开通时，电容 C 通过电阻 R放电，限制了 MOSFET 中的开通尖峰电流。RCD 缓冲电路能有效地改善开关器件的开关特性，减小开关器件本身的功耗发热。3.4.2 电磁离合器和显示控制电路的设计 电磁离合器控制电路主要是完成功率接口电路的设计。此功率接口电路用于将单片机低电压、小电流的控制信号转换为用于控制电磁离合器的较大电压、电流。为了确保继电器工作可靠，对单片机输出的控制信号通过上拉电阻使控制信号定位在低电平或者高电平。考虑到电磁继电器的干扰信号可能窜入单片机控制系统，从而影响数字电路部分的控制效果，采（论文）36用光电耦合器 TLP521-1 对单片机系统的信号与继电器部分的信号进行了光电隔离。电磁继电器在接收到来自单片机控制系统的控制信号后做出相应的动作，系统设计为低电平有效，即在控制信号为低电平时电磁继电器闭合，接通电磁离合器。显示电路主要是用于故障信息的显示。电动助力转向系统安全性要求很高，而所有故障信息的外在反映都是通过显示电路。故障信号类型转化为发光二极管显示出来。与电磁离合器的控制方式相同，发光二极管也是采用低电平有效的方式。电磁离合器驱动电路的设计如图 3-12 所示。13图 3-12 电磁离合器继电器控制电路当系统输出控制信号(高电平)时，经反相驱动变为低电平，使光耦导通，从而使继电器吸合，接通电磁离合器的电源。反之，继电器断开，切断离合器电源。图中所示电阻 R1 为限流电阻，二极管 D1 的作用是保护晶体管 T1。当继电器吸合时，二极管 D1 截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这是晶体管 T1 已截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。此感应电压的极性为上负下正，正端接在晶体管的集电极上。当感应电压与 Vcc 之和大于晶体管 T1 的集电极反向电压时，晶体管 T1 有可能损坏。加入二极管 D1 后，继电器线圈产生的感应电流从二极管 D1 流过，从而使晶体管 T1 得到保护。3.4.3电动机保护电路及继电器驱动电路设计 前期的设计中没有考虑电动机的保护环节，难以满足电动助力转向系统对安全性的要求。在设计中对此部分进行了补充。（论文）37R1LM339NR2R4C1R5R3保保保保保保保保保保176123+12+1210mHL1D1A11Y12A23Y24A35Y36A47Y49A510Y511A612Y613A714Y715GND8VCC16U10UFC+5K2D2A-+B2 图 3-13 电动机保护电路及继电器驱动电路3.5 系统供电电源电路设计 图 3-14 系统电源电路图 3-14 为系统电源电路，其中的 12V 电压电源是车载电源。单片机控制系统需要 5V 的供电电压，7805 完成 12V 到 5V 的转换。电路中的运算放大器等器件需要-5V 的供电电压，由 ICL7660 产生所需的负电压。ICL7660 是美国哈里斯公司生产的变极性 DGDC 变换器。通过该 DC/DC 变换器可以将正电压输入变为负电压输出，即 Vi 与 Vo 的极性相反。这种变换（论文）38器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，因而静态电流小、转换效率高。另外，ICL7660 还具有如下特点: 工作电压范围宽(+1.5V 至 10.5V); 可将 CMOS 或 TTL 的+5V 电压转换成-5V; 空载时没有内部压降，转换效率达 99.7% ; 可采用串联方式实现倍压输出。3.6 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（论文）39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。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 TTL 或 CMOS 芯片，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 EPS 系统的灵魂。EPS 软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 EPS 的控制策略，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 EPS 控制策略的实现，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。4.1 EPS 的控制策略 国内外学者研究了不同的 EPS 控制策略，但就目前己商品化的 EPS 来看，主要采用的还是 PID 控制，PID 控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（论文）40明目前 90%以上的工业控制回路均采用各种形式的 PID 控制算法。在这一节中，主要研究了PID 控制算法在 EPS 中的应用，并对所采用的控制策略进行分析。4.1.1 EPS 的 PID 控制 PID 是 Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写。PID 控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。PID 控制算法主要具有以下特点：131.算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且其配置近乎最优。其中，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. PID 控制适应性好，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。3.算法简单，形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 PID 算法，其控制规律可以表示为:：u (t )= K p e(t)+Td (4-1)iT1t0)( edttdttde )(式中:K p比例增益或比例系数; Ti积分时间常数; Ta微分时间常数;为便于在计算机中用程序实现 PID 控制，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(4-1)离散化为差分方程，然后做如下近似运算: (4-2) tkiieTdtte00)()(（论文）41 (4-3)Tkekedttde) 1()()(式中 T 采样周期; k 采样序号。由式(4-I )、式(4-2)、式(4-3)可得如下数字 PID 控制算式u(k)=K p e(k)+K i+K de(k)-e(k-1) (4-4)kiie0)(式中 K p 比例系数; K i 积分系数; K d 微分系数。式(4-4)称为 PID 的位置型算式。由于位置式 PID 算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 PID 控制的另一种算法增量型算式。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，15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 EPS 系统电动机的特点，我们选用了 PID 位置式算法。EPS 控制策略的任务之一就是确定助力目标电流的大小。PID 控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 PID 控制。然而，EPS 的助力特性曲线本身就是 EPS 所要研究的内容之一，很难根据它来确定一个合适的目标电流。在此，本文采用了 PD 控制策略，对整个 EPS 系统进行闭环控制，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 EPS 的 PD 控制做了初步的研究。算法中没有采用积分环节，这是因为 EPS 系统是一个有差系统，需要保持系统的静差，控制器中不能有积分环节。EPS 的 PD 控制结构如图164-1。给定转向盘的转矩 T h，转矩传感器则有相应的输出 T sen ，PD 控制器根据转矩传感器输出的转矩 T h，和转矩的变化率 Tsen来确定助力电动机电流的大小，并通过 PWM 方式驱动电动机助力。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 sen +K d T sen (4-5)（论文）42T sen+PWM 输出TaTh干扰信号转向系统转矩传感器电动机PD 控制器 图 4-1 EPS 的 PD 控制框图4.2 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。4.2.1 A/D 采集程序A/D 采集程序的编写主要是对 ADC0809 的相关寄存器的设置及数字滤波算法。ADC0809 的相关寄存器主要是:转换控制寄存器（ADCCON)、转换预分频寄存器(ADCPSR )、转换数据寄存器(ADCDAT ). EPS 控制器对 A/D 数据的采集，只是采用了不同的 A/D 通道，而 ADC 相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 4-2 所示。（论文）43YY图 4-2 A/D 采集程序流程图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）444.2.2 PWM 控制程序 PWM 脉宽调制程序主要是通过对 89C51 的定时器的操作来实现的。PWM 脉冲频率由定时计数缓冲区寄存器决定。PWM 脉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
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