电动助力转向器电控单元(ECU)的研究

汽车电动助力转向器电控单元（ECU）的研究

姓名：赵镇锋申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：阮祥发

20070401

武汉理Ｔ大学硕士学位论文摘要汽车电动助力转向系统（ＥＰＳ—ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒｅｄｓｔｅｅｒｉｎｇ提近年来发展起来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控制电机的运转，从而实现助力转向的功能，ＥＰＳ除了具备液压动力转向器的转向轻便等优点之外，它还具有转向平稳、节齄、环保等一系列特点，因此，ＥＰＳ取代液压动力转向系统势在必然。当前国内在ＥＰＳ的研究和产业化方面还比较落后，没有形成具有自主知识产权的ＥＰＳ产品。因此，开展对ＥＰＳ的研发上作具有重要的理论和实际意义。本文分析了ＥＰＳ系统的结构和工作原理，在此基础上建立了ＥＰＳ系统的数学模型并进行了分析对ＥＰＳ系统控制方法进行了研究，采用ＰＩＤ控制器对本系统进行控制，分析了助力控制、阻尼控制、回正控制三种控制方式。研究了控制器的硬件结构，以８０Ｃ５５２为核心设计了控制器，详细介绍了系统硬件部分相关模块的设计情况，包括控制系统核心模块及其周围电路的设计，电动机驱动与保护电路的设计，电流、扭矩等传感器输入信号的处理电路设计，电磁离合器与显示电路以及系统供电电源系统的设计等勾画了电动助力转向系统的软件控制总体流程框架，介绍了滤波环节，采样信号处理环节，转向判定环节，辅助力计算环节以及电动机控制环节的流程图。最后，对全文工作进行总结，并提出了诸多尚待讨论的问题，为今后的工作确定了目标。关键词：汽车电动助力转向ＰＩＤ控制单片机武汉理工大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ（ＥＰＳ）ｉｓａｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ．ＴｈｅＰｒｉｎｃｉＰｌｅｏｆＥＰＳｉｓｔｈｅａｓｓｉｓｔａｎｔｍｏｔｏｒｗｏｒｋｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｏｒｑＨｅａｎｄｖｅｈｉｃｌｅｓｉｇｎａｌｓ．ＳｏｔｈａｔＤｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．ＢｅｓｉｄｅｓＥＰＳｈａｓｔｈｅｌｉｇｈｔｓｔｅｅｒｉｎｇｔｏｒｑｕｅｌｉｋｅＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇ（ＨＰＳ）ｓＹｓｔｅｍ，ｉｔｈａｓｍａｎｙｏｔｈｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｓｕｃｈａｓｓｔｅｅｒｉｎｇｐｌａｃｉｄｌｙ，ｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｉｎｇ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｓｏＯＤ．ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｉｓａｃｅｒｔａｉｎｔｅｎｄｅｎｃｙｔｈａｔＥＰＳｂｅｉｎｇｉｎｓｔｅａｄｏｆＨＰＳ，Ｂｕｔａｔｐｒｅｓｅｎｔ．ｔｈｅＲ＆ＤｏｆｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃＥＰＳｉｓｂｅｈｉｎｄｈａｎｄ．ａｎｄａ１１ｔｈｅＥＰＳｕｓｅｄｉｎｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｓｎｏｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｋｎｏｗｌｅｄｇｅｐｒｏｐｅｒｔｙｒｉｇｈｔ．ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎａｃａｄｅｍｉｃａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎＲ＆ＤｏｆＥＰＳ．Ｉｎｔｈｉ§ａｒｔｉｃｌｅ．ｔｈｅＥＰＳｓＹｓｔｅｍｏｒｅａｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ｉｎｔｈｉｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｈｅＥＰＳｓｙｓｔｅｍｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｎｌｏｄｅｌｈａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｃａｒｒｉｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ．ＴｈｅＥＰＳｓｙｓｔｅｍｓｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｈａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅＰＩＤｃｏｎｔｒ０１ｌｅｒｉｓｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒ０１ｔｏｔｈｉｓｓＹｓｔｅｍ，ａｎｄｂｏｏｓｔｉｎｇ．ｄａｍｐｉｎｇａｎｄｒｅｔｕｒｎｓｔｏｔｈｅｔｈｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｈａｓａｎａｌｙｚｅｄＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅｆｒａｍｅｏｆＥＰＳｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏＰｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎ８．ｂｉｔＭＣＵ８０Ｃ５５２ｉｓｉｎｔｒｏｄＨｅｅｄａｎｄｍａｎｙｒｅｌａｔｅｄｃｉｒｅｕｉｔｕｎｉｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｅｏｎｔｒｏｌｃｉｒｅｕｉｔ。ｔｈｅｄｒｉｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｅｕｉｔ，Ｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｔｏｒｑｕｅｓｅｎｓｏｒｓｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｌｕｔｃｈａｎｄｄｉｓｐｌａｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍＰｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｏｏｎ．ＳｋｅｔｃｈｅｓｏｆＥＰＳｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｃｏｎｔｒ０１ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌＰｒｏｃｅｓｓｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｆｉｌｔｅｒｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔ，ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｌｉｎｋｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｌｉｎｋｓ，ａｕｘｉｌｉａｒｙｆｏｒｃｅｏｆ１ｉｎｋｓａｎｄｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｋｆｌｏｗｃｈａｒｔＦｉｎａｌｌｙ，ａｓｕｍｍａｒｙｏｆｗｏｒｋｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓｉｓｇｉｖｅｎａｎｄｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｆｏｒｍｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｗｏｒｋｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＳＣＭＩＩ武汉理工大学硕十学位论文第１章绪论１．１传统动力转向技术的发展汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮（一般是前轮）相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。尽管人们采用了变速比转向器等，但始终不能从根本上解决这一矛盾。随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求日益提高，因此对转向系统讲行了不断地改讲。助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为三类：液压助力转向系统（ＨＰＳ－－ＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒｅｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒｅｄＳｔｅｅｆｉｎｇ），电动液压转向系统（ＥＨＰＳ－－ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＰｏｗｅｒｅｄＳｔｅｅｒｉｎｇ），电动助力转向系统（ＥＰＳ—ＥｌｅｃｔｒｉｃＢｙＳｔｅｅｒｉｎｇ），将来的趋势是电线转向］（ＳＢＷ－－ＳｔｅｅｒｉｎｇＷｉｒｅ）ＢＰ在方向盘和转向轮之间没有机械连接。１．１．１液压动力转向系统液压动力转向系统（ＨＰＳ）于１９２８年在汽车上首次得到应用，到１９４０年左右ＨＰＳ已经实用化了，开始在重型卡车、客车上装备。１９５１年开始应用在轿车上，获得好评，随后ＨＰＳ在轿车上迅速普及，到目前为止超过８０％的轿车上装备有ＨＰＳ［“。ＨＰＳ是在传统的机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管路等液压动力装置来提供转向助力。开始ＨＰＳ的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。２０世纪５０年代出现了转阀式ＨＰＳ，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式ＨＰＳｌ２１。武汉理工大学硕士学位论文ＨＰＳ具有如下优点：１）提高转向轻便性，减小驾驶员的驾驶疲劳强度；２）液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击；３）如果在汽车高速行驶时发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把握，应用ＨＰＳ可以使驾驶员较容易地把握转向盘，提高行驶的安全性；４）液压执行机构可以提供较大的助力，允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重的问题；５）一技术成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格比较便宜。同时ＨＰＳ也有很多不足：１）选定参数，设计完成之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此很难协调汽车转向轻便性和路感之间的矛盾；２）无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，浪费燃料，使整车的燃油经济性变差；３）存在渗油问题，泄漏的液压油会对环境造成污染；４）对工作温度有一定的要求，低温工作性能较差既１．１．２电控液压动力转向系统电控液压动力转向系统（ＥＨＰＳ）是为了克服ＨＰＳ的不足，在ＨＰＳ的基础上，增加了电子控制和执行元件，将车速引入到系统中，实现了车速感应型助力特性的液压动力转向。ＥＨＰＳ的种类很多，但其原理基本上都是由车速传感器将车速信号传递给控制系统，控制装在油泵或转向器上的电液转换装置，通过改变液压系统的流量或压力来改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件的变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向力进行操作，提高轻便性；在高速行驶时能以稍重的转向手力进行操作，增强路感。使操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态［４１。ＥＨＰＳ有如下优点：１）ＥＨＰＳ是在ＨＰＳ的基础上发展起来的，原来的ＨＰＳ系统全部都可以利用，不需要更改布置；２）满足汽车低速行驶时转向轻便性的要求，高速行驶时可以自动根据车速逐渐２武汉理工大学硕士学位论文减小助力，增大路感，提高主动安全性；３）把油泵与发动机分离，采用电机驱动油泵，能够节省能量１５］１６］；４）有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原ＨＰＳ安全工作【刀。ＥＨＰＳ存在如下缺点：１）由于仍然使用液压机构提供助力，使得ＥＨＰＳ无法克服渗油问题、零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等缺点；２）虽然引入车速，实现车速感应型助力特性，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统更加复杂，成本增加，可靠性变差［８１。１．２电动助力转向系统的结构及工作原理１．２．１电动助力转向系统的发展情况汽车是一种高新技术高度集成的产品，此产品依赖于各个系统高度的电子化，才能进行信息交流，实现综合性控制。电力电子技术的飞快发展为市场提供了优质廉价、高性能、高集成的电子器件。控制理论和信息技术的进步，为建立实用性的控制策略和方法，奠定了理论基础和技术支撑。因此，在２０多年前难以实现的电动助力转向系统（ＥＰＳ），国外如今己经实用化，并进入小批量生产阶段，由于它具备了现有液压助力转向系统不可比拟的特点，该系统一出现就受到人们的青睐，市场前景广阔【９Ｊ。电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。１９８８年２月铃木公司首先在Ｃｅｒｖｏ车上装备ＥＰＳ［１０ｌ，随后还用在Ａｌｔｏ车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Ｄｅｌｐｈｉ汽车系统公司、ＴＲＷ公司，德国的ＺＦ公司，都相继研制出各自的ＥＰＳ。如：大发汽车公司在Ｍｉｒａ车上装备了ＥＰＳ，三菱汽车公司在Ｍｉｎｉｃａ车上装备了ＥＰＳｌｌｌｌ；本田汽车公司的Ａｃｃｏｒｄ车目前己经选装ＥＰＳ，￥２０００轿车的动力转向也将倾向于选择ＥＰＳ［１２】；Ｄｅｌｐｈｉ汽车公司己经为大众的Ｐｏｌｏ、欧宝的３１８ｉ以及菲亚特的Ｐｕｎｔｏ开发出ＥＰＳ。ＴＲＷ从１９９８年开始，投入了大量的人力、物力和财力用于ＥＰＳ的开发。他们最初针对客车开发转向轴助力式ＥＰＳ，目前小齿轮助力式和齿条助力式ＥＰＳ的开发也获得成功。１９９９年３月，他们的ＥＰＳ己经装备在轿车上，如ＦｏｒｄＦｉｅｓｔａ和Ｍａｚｄａ３２３等【１３】。Ｍｅｒｃｅｄｅｓ．Ｂｅｎｚ和ＳｉｅｍｅｎｓＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ两大公司正共同投资武汉理工大学硕士学位论文开发ＥＰＳ，他们的目标是到２００２年装车，年产３００万套，成为全球ＥＰＳ制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负载超过１２００ｋｇ的ＥＰＳ，因此货车也将可能成为ＥＰＳ的装备目标。经过二十几年的发展，ＥＰＳ技术日趋完善，其应用范围己经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Ａｃｃｏｒｄ和菲亚特的Ｐｕｎｔｏ等中型轿车己经安装ＥＰＳ，本田还甚至在其ＡｃｕｒａＮＳＸ赛车上装备了ＥＰＳｉｌ４１。ＥＰＳ的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期的ＥＰＳ仅仅在低速和停车是提供助力，高速时ＥＰＳ将停止工作。新一代的ＥＰＳ则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时保证汽车的操纵稳定性。目前，国内对该系统的研究和开发还处于起步阶段，ＥＰＳ系统研究己被我国列为高新科技产业项目之一，己有部分高校和企业联合，形成“产、学、研”为一体的研究和开发，但还没有真正的应用于实车中。国内的一些轿车也选装了电动助力转向系统，如最新下线的“北斗星”选装了进口的转向轴式的电动助力转向系统，马自达Ｍ６、广州本田雅阁轿车也选装了电动助力转向系统。１．２．２ＥＰ￥的类型根据电动机驱动部位的不同，将ＥＰＳ转向系统分为三类：转向轴助力式（ＣｏｌｕｍｎＴｙｐｅ）、转向器小齿轮助力式（ＰｉｎｉｏｎＴｙｐｅ）和齿条助力式（ＲａｃｋＴｙｐｅ）（图１－１所示）【１５‘１９１。ａ．转向柱助力式转向器助力单元、控制器和传感器都集中于转向柱处。系统比较紧凑，易于在车辆上的安装，可安装在固定式转向柱、倾斜式转向柱和其它形式的转向柱上。ｂ．小齿轮助力式转向器助力单元固定在转向齿轮的小齿轮轴上端。由于助力单元在驾驶室之外，在提高转向助力的同时驾驶室内可感觉到噪声很小。如果配合变传动比转向齿轮和足够动力的电动机，可提供优异的操纵特性。ｃ．齿条助力式转向器助力单元固定于转向齿轮的齿条处。助力单元可灵活固定于齿条各处，因而方便整车布置，同时降低了齿数比即降低了传动惯量，可以提供优良转向特性。４武汉理工大学硕士学位论文ａ转向柱助力形式ｂ小齿轮助力形式ｃ齿条助力形式图１．１电动助力转向系统的常见助力形式齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。由于转向轴助力式ＥＰＳ系统具有结构简单紧凑，成本低、维修方便等优越性，所以应用相对较广泛，本文将基于这一结构形式的ＥＰＳ系统建立模型。１．２．３电动助力转向系统的工作原理瓣图１．２ＥＰＳ系统结构原理示意图【２０】电动助力转向系统的基本组成包括转矩传感器、车速传感器、控制单元（ＥＣＵ）、电动机和减速机构等，见图１．２所示。控制单元（ＥＣＵＤ根据各传感器的输入信号确定助力转矩的幅值和方向，并且直接控制电动机。电动机的输出转矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向机中的传送装置把输出转矩传送到齿条，从而向转向轮提供助力转矩。助力转矩的信号源包括：转矩传感器、转向角传感器和车速传感器，转向角传感器可根据齿条的位移量和位移的方向测出转向武汉理工大学硕士学位论文角。电动助力转向系统是与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系统。它直接依靠电动机提供辅助转矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时减轻操纵力提高操纵的稳定性，当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性。１．２．４电动助力转向系统关键部件ＥＰＳ主要部件包括转矩传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等［２ｑ。（１）电动机和离合器ＥＰＳ系统的电动机采用永磁直流电动机。在电动机设计时，应着重考虑如何提高路感、降低噪音和振动。比如在电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都可改善电动机的性能。离合器采用电磁式离合器，其由控制单元根据车速的快慢来控制。当车速在设定车速以上时，电磁离合器切断，电动机不再提供助力，此时，系统不受电动机惯性力矩的影响，转入人工转向状态；在设定车速下，电磁离合器接合，转入助力转向状态。（２）减速传动机构减速传动机构是用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。前者主要用于小齿轮助力式和齿条助力式转向系统；后者主要用于转向轴助力式转向系统。（３）转矩传感器转矩传感器用来检测转向盘的转矩和方向，采用电位计式传感器。它输出两个彼此独立的电压信号：主信号和副信号，控制单元用副信号来检查主信号是否正确。电控助力转向系统的转矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向力矩的。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移，从而测得转向力矩。（４）电子控制单元（ＥＣＵ）［２２１６武汉理丁＝大学硕十学位论文ＥＣＵ的功能是根据转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。此外，ＥＣＵ还有安全保护和自我诊断功能，ＥＣＵ通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ＥＣＵ将进行故障诊断分析。ＥＣＵ通常是一个８位单片机系统，也有采用数字信号处理器（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称ＤＳＰ）作为控制单元。由于电动助力转向系统存在非线性元件（如摩擦和阻尼），另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性。因此，控制系统与控制算法也是ＥＰＳ的关键之一。按控制信号的来源，ＥＰＳ系统的控制器有两种型式：一种是以车辆的行驶速度施控，叫速度型控制器；另一种是以发动机的运转速度施控，称转速型控制器。目前广泛采用是速度型控制器，即系统在每一个车速下都可得到优化的转向作用力。［２１１以三菱Ｍｉｎｉｃａ为例，列举了ＥＰＳ的主要部件的有关参数。田Ｉ７武汉理工大学硕士学位论文表１－１三菱Ｍｉｎｉｃａ的ＥＰＳ主要部件的参数部件参数类别类型额定电压（ｖ）电动机额定转矩（ｋｇ．ｃｍ）额定电流（Ａ）类型额定电压（Ｖ）离合器绕阻（ｏ）额定传递转矩（ｋｇ．ｃｍ）额定电压（Ｖ）转矩传感器额定输出电压（ｖ）最大阻抗（０）输出电压（ｖ）车速传感器内阻（Ｑ）控制方式电控单元额定电压（、ｒ）工作电压范围（Ｖ）１６５±２０／２０℃１９．５／２０℃１５／１２Ｖ、２０℃５１０３０参数永磁式ＤＣｌ２干式单片电磁式ＤＣｌ２２．５（中间位置）２．１８±ｏ．６６９．５以上／ＩＯＯＯｒ／ｍｉｎ单片机控制ＤＣｌ２１０一１６１．２．５电动助力转向系统的优点和发展方向ＥＰＳ具有以下优点：１）可以在汽车不同的行驶工况下提供合理的助力，既能既满足汽车低速行驶时转向轻便性的要求，又能满足汽车高速行驶时路感的要求。并且助力特性可以很容易地通过软件设置，得到不同的转向手力特性；２）电机只在转向时才提供助力，因而能减少能量消耗，提高燃油经济性［２４１；３）不存在渗油问题，有利于环境保护，并且可以降低保修成本。据Ｄｅｌｐｈｉ称，目前全世界８０％的汽车装备有传统的ＨＰＳ，也就是３７００万辆汽车要消耗４０００万升的液压油。如果ＥＰＳ全面进入市场，经济效益和社会效益将都十分可观；武汉理工大学硕士学位论文４）取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装置，只需增加电机、减速机构、离合器、传感器及电子控制单元等，零件比ＥＨＰＳ减少，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［２５１；５）没有液压回路，比ＨＰＳ更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的软件程序，能快速与不同车型进行匹配，因而能缩短生产和开发周期：６）ＥＰＳ比ＨＰＳ和ＥＨＰＳ具有更好的低温工作性能［２６１。尽管ＥＰＳ已经达到最初的设计目的，但仍然存在一些问题需要改进和解决，其中：１）继续改善电机的性能是ＥＰＳ发展的关键问题。电机的性能是影响系统性能的主要因素，电机本身的性能及其与ＥＰＳ的匹配都将影响转向手力特性、转向路感、汽车动态响应等重要问题；２）合理助力特性的确定。助力特性的好坏应该从汽车低速行驶时转向轻便性和高速行驶时路感两方面综合考虑；３）合适的控制策略。ＥＰＳ能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控制软件做支撑。汽车行驶工况千差力．别，加上ＥＰＳ的安装位置一般在发动机附近，发动机发出的热辐射与电磁干扰对ＥＰＳ有很大影响。这些都对ＥＰＳ的控制策略提出很高的要求［２６，２７１；４）ＥＰＳ的控制信号将不再仅仅依靠车速与转向盘扭矩，而是根据转向盘转角、转向速度、侧向加速度、前轴载荷等多种信号，进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感口８～３０】；５）故障诊断与可靠性。ＥＰＳ通过采用电机和计算机控制系统，部分的将转向操作独立于驾驶员的控制，因此ＥＰＳ比液压系统会有更多不同的故障模式。并且ＥＰＳ是一项新技术，它没有传统转向系统那么长的历史，所以ＥＰＳ的故障诊断与可靠性更应受到重视１３１］。ＥＰＳ可能有两种主要故障表现形式，一是系统停止工作，这时转向盘力矩超过手动转向，引起转向时的力大于等价的手动转向系统。当汽车在行驶过程中发生这种故障时，很容易出现交通事故。另一种更严重的故障就是引起系统在没有驾驶员转向输入的情况下改武汉理工大学硕士学位论文变汽车的方向，出现不希望的转向，结果导致汽车偏离原有的方向。这是绝对不允许发生的。ＥＰＳ中有一些故障可以通过采用机械设计方法减少故障的发生，这与传统液压动力转向采用的方法没有本质区别。作为一个电控系统，有些故障模式是不能通过机械设计方法来加以避免的，而是需要通过故障诊断的方法来有效地加以校正ｆｌ“。１．３本章小结本章介绍了助力转向系统按照提供动力的形式分为三类，即液压助力、电动液压助力、电动助力，重点介绍了电动助力转向系统的优缺点，系统结构和工作原理以及它的几个关键部件。１０武汉理工大学硕士学位论文第２章ＥＰ￥系统的模型的建立汽车的操纵稳定性主要研究汽车的直线行驶和曲线行驶两种行驶工况，ＥＰＳ系统的助力特性主要体现在汽车的曲线行驶过程中，因此，ＥＰＳ系统的分析主要在曲线行驶过程中进行。曲线行驶是指驾驶员给方向盘一个角位移输入或者力矩输入，汽车通过转向器及转向机构使转向车轮转过一个相应的角度，达到转向的目的，从而使汽车按预定轨迹行驶。从力学方面来分析，汽车转向过程中，ＥＰＳ系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力矩、电动机作用在转向轴上的辅助力矩和地面反作用力到整个转向系统的阻力矩。在实际的转向过程中，方向盘角输入和力输入是同时加入的，通过驾驶员作用在方向盘上的操纵力矩和ＥＰＳ系统依靠电动机提供的辅助力矩，克服汽车转向时所受的阻力矩，实现对汽车的转向。由上述分析可知：转向时，驾驶员作用在方向盘上的操纵力矩以及电动机输出的辅助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩及车速有关［３２１＊２．１ＥＰＳ系统的动力学模型为了研究ＥＰＳ系统的动态特性，除了对其受力情况有一个正确认识外，还必须推导出它的数学模型，即系统动态特性的数学表达式。同时，为了研究ＥＰＳ系统对汽车操纵性的影响，数学模型的建立也是进行理论研究一个必不可少的环节。通常根据基本物理定律来建立ＥＰＳ系统的数学模型，由这些定律分析ＥＰＳ系统间的一些变量关系，并用微分方程加以描述。在推导数学模型过程中通常要考虑在模型的简化和准确性之间作出折衷。因为影响系统的因素很多，把它们全部都考虑在内，模型固然很准确很全面，然而往往太复杂，它的可用性也就成问题了。所以根据系统使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，采用适当简化的模型较为合适。对于ＥＰＳ系统，为分析问题方便，把前轮和转向机构向转向轴简化，扭矩传感器安装在方向盘和助力机构之间，可以看成是一个刚度为缸的扭力杆，用来跟踪转向柱的角度变化，得到简化后的转向系统模型如图２一ｌ所示。以转向小齿轮为分析对象进行受力分析，得到如下动力学方程：乙＋Ｋ（包一点）＝‘４＋耳４＋Ｉ（２—１）武汉理工大学硕士学位论文方向盘图２－１转向系统动力学模型Ｔｍ——电动机作用在转向系上的助力矩（Ｎ·ｍ）乃——转向轮等效到转向柱的阻力矩（Ｎ·ｍ）缸——传感器的扭矩刚度（Ｎ·ｍ／ｒａｄ）知——折算到小齿轮上的总惯性矩，包括减速机构、齿条及转向轮折合到转向小齿轮的当量惯性矩（ｋｇ·ｍ２）西——当量阻尼系数（Ｎ·ｍ／ｒａｄ·Ｊ）劬——方向盘转角（ｒａｄ）万，——小齿轮转角（ｒａｄ）２．２线性二自由度转向模型２．２．１二自由度的汽车运动微分方程上一节主要建立了ＥＰＳ系统的模型，为了更全面研究ＥＰＳ系统对汽车操纵稳定性的影响，必须引入汽车的转向模型，并与ＥＰＳ系统模型结合在一起。在介绍汽车转向模型之前，首先引入汽车的车辆坐标系。汽车的运动是借固定于运动着的汽车上的动坐标系——车辆坐标系来描述的。图２－２所示固定于汽车上的武汉理工大学硕士学位论文ｏｘｙｚ直角动坐标系就是车辆坐标系。ＸＯＺ处于汽车左右对称的平面内。当汽车在水平路面上静止状态下，Ｘ轴平行于地面指向前方。ｚ轴通过质心指向上方，Ｙ轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点０常可令其与质心重合。与操纵稳定性有关的主要运动参量为：车厢角速度在ｚ上的分量——横摆角速度国，，汽车质，ｔ：，／Ｊｎ速度在Ｙ轴上的分量——侧向加速度ａｙ等。图２－２车辆坐标系为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，我们将对一简化为线性二自由度的汽车模型进行研究。分析中直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平面运动，即汽车沿ｘ轴的位移，绕Ｙ轴的俯仰角与绕ｘ轴的侧倾角均为零。另外在这里，假设汽车沿Ｘ轴的前进速度ｖ视为不变。因此，汽车只有沿Ｙ轴的侧向运动与绕ｚ轴的横摆运动这样两个自由度。此外，汽车的侧向加速度限定在０．４９以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。在建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化力矩的作用。这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型，见图２．３。它是一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型［３２１。武汉理工大学硕士学位论文图２－３线性二自由度模型分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。显然，汽车的质量分布参数，如转动惯量等对固结于汽车的这一动坐标系而言为常数，这正是采用车辆坐标系的方便之处。参看图２－３，ＯＸ与ｏｙ为车辆坐标系的纵轴与横轴，质心速度Ｖ在ＯＸ轴上的分量为／，／，在ｏｙ轴上的分量为ｖ。因此，只要将汽车的（绝对）加速度与（绝对）角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，由力学定律得出运动微分方程：ｒ』ｅ２＋ＦｙｌｃｏｓＳ＝ｍ（什“ｃｏｔ）１日０ｌｃｏｓ８—６６２＝ｔ甜ｒ式中肌——汽车质量乃－乃ｚ——地面对前、后轮的反作用力，即侧偏力ａ、ｂ——质心到前、后轴的距离万——前轮转角厶——汽车绕Ｚ轴的转动惯量、弛——横摆角速度（２—２）考虑到占角度不大，同时侧偏力的大小取决于侧偏角，而侧偏角又与汽车运动参数有关，这样就可以推理得到只由侧向运动及横摆运动二自由度组成的汽车运动微分方程：１ｍｖｐ＋２（ｃ，＋Ｃ，）∥＋【埘”＋２（口ｃ，一６ｑ）～ｎ２２ｑＪ｝Ｉｃｏ，＋［２（ａ２Ｃ／＋６２ｅ）／ｖ］ｃｏ，＋２（口ｃ，一６ｃ；）∥＝２ａＣ：８Ｊ（２—３）１４武汉理工大学硕十学位论文式中ｏ、ｃ，——前、后轮侧偏刚度口——质心的侧偏角２．２．２轮胎转向模型汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用，车轮中心沿ｌ，轴方向将作用有侧向力ｎ，相应地在地面上产生地面侧向反作用力Ｂ，Ｂ也称侧偏力。由于轮胎具有侧向弹性，车轮行驶方向将偏离车轮平面的方向瓦，这就是轮胎的侧偏现象。见图２．４中图ａ），当车轮静止不滚动时，轮胎胎面与地面接触印迹的中心线痂与车轮平面面平行但不重合，它们错开ａｈ；而当车轮滚动时，见图３．４中ｂ），痂不只是和面错开一定距离，且不再与平行。动与历的夹角口即为侧偏角，此时车轮就是沿痂方向滚动的。ａ）静止ｂ１滚动图２－４轮胎的侧偏现象轮胎发生侧偏时，还会产生作用于轮胎绕主销的力矩拖，＾如是转向车轮武汉理ｔ大学硕士学位论文回复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。回正力矩是由接地印迹内分布的微元侧向反作用力产生的。当车轮不滚动时，这些微元力沿劢均匀分布，如图２．５ａ）所示：其合力乃，的作用点位于印迹中心，因此不产生回正力矩；当车轮滚动时，微元力沿面不是均匀分布，如图２—５ｂ）所示：印迹前端离车轮平面近，侧向变形小；印迹前端离车轮平面远，侧向变形大。可以认为微元侧向反作用力与变形成正比，Ｄ的作用点位于印迹几何中心的后方，偏移某一跟离ｄ，ｄ称为拖距；当Ｆ增大到一定程度时，反作用力将沿曲线变化，如图２—５ｃ）所示：此时侧偏力将不再随侧偏角增加而变大，而拖距则随侧向力的增加而逐渐变小，因而回正力矩也会随之变小。同时，轮胎的形式与结构参数对回正力矩也有影响。ＣＣＣＩＦｙＯＣＣａ）ｂ）ｃ）图２．５地面侧向反作用力的分布与同正力矩关系由上述可知：侧偏力和回正力矩两者与侧偏角之间并不全是线性关系，这样给理论研究带来许多麻烦。图２－６给出了试验测出的侧偏力与侧偏角曲线。１６武汉理丁大学硕十学位论文７喜｜Ｚ、√【Ｌ引㈣㈣Ｒｑ堡髫一３ｏ一侧偏角Ｑ（。）图２－６侧偏力与侧偏角关系曲线试验表明：汽车正常行驶时，侧向加速度不超过０．４９，侧偏角不超过４。～５。时，可认为侧偏力与侧偏角成线性关系。同时，前面所建立的转向模型也要求轮胎侧偏特性处于线性范围内，因此，所建轮胎模型认为轮胎的侧偏力与侧偏角成线性关系，表达式如下：Ｆ｜＝ｃｊ‘ａｆ（２－－４）式中：口，——前轮侧偏角毋——前轮侧偏力在二自由度汽车转向模型中，前轮侧偏角与运动参数有关：吩＝（Ｊ一詈哆一∥）（２－－５）回正力矩与侧偏力关系如下：哆＝Ｅ‘ｄ（２—６）在二自由度汽车转向模型中，两个前轮简化到中心面一个等效车轮，又因转向轴小齿轮到前轮的传动比为Ｇｚ，故模型中转向等效阻力矩表示如下：Ｉ＝麦妈（万一≯∥）小齿轮转角与前轮转角关系为：ｃｚ卅４＝Ｇ２Ｊ（２－－８）武汉理工大学硕士学位论文２．３电动机模型ＥＰＳ系统中一般采用直流电动机，图２．７所式为电动机的等效电路，电动机的电压Ｕ与电感￡、电枢电阻胄、反电势常数Ｋｂ、转速Ⅳ、电流有关，及时问ｔ的关系如（２—９）式：·－—一，图２．７电动机等效电路图Ｕ——电动机端电压三——电动机电感Ｒ——电动机电枢电阻Ⅳ——电动机转速，——电动机电流Ｕ＝Ｌ笔心＋ＫｂＮ（２－－９）由于采用直流电动机，电动机自感电动势很小，电机端电压可表达成如下关系：Ｕ＝Ｒ／＋屹Ｎ（２－１０）当电动机电流稳定时，电动机产生输出转矩ｎ可简化成如下关系：乙＝竿（ｕ—ＫｂＧ，ａ，）式中ｃｚ—ｎ，死——电动机助力矩Ｇ，——电动机到转向轴传动比缸——电动机转矩系数缸——反电动势常数武汉理工大学硕士学位论文２．４模型的状态方程２．４．１模型的结构框图由前面叙述，把ＥＰＳ系统模型、电动机模型、二自由度汽车单轨模型和轮胎模型通过中间变量联系在一起，建立一个考虑比较全面的ＥＰＳ系统整车模型。通过对该模型的分析和求解，能够得出ＥＰＳ系统对汽车操纵性的影响。各模型之间的结构关系如图２．８所示：图２－８ＥＰＳ系统整车模型结构框图２．４．２模型的状态方程由式（２．１），（２－７），（２－８），（２－９）得（２—１２）：忙（争Ｇ：州ＸｏＫ６＂Ｉａ－一睁可２ａｃ，¨等卜可２ａｃ，？。：吨，＋鱼统＋．ＧＩＫ．“ｉ，１ｉｒＲ由式（２－３），（２－８）可得：肛ｚ（警蚶＋２（警肛筹（ｏ’ｒ＝－２（华卜（等等］ｑ＋等取系统的状态变量：沪㈤ｘ＝¨叫７系统的输入变量：ｕ＝■ｕ１７这样就得到系统的状态方程：１９武汉理工大学硕士学位论文Ｘ＝ＡＸ＋ＢＵ（２—１５）ＥＰＳ的控制目标是改善汽车操纵的轻便性和转向的灵敏性，所以选取汽车横摆角速度曲、质心侧偏角∥和方向盘转矩撕（其中：胁＝ｋｗ（Ｏｈ一艿－））作为输出变量：ｌ，＝［ｑ∥乃，６】７系统的输出方程：Ｙ＝ＣＸ＋ＤＵ（２—１６）式（２—１５）（２—１６）中ＯＫｕＩＡ＝Ｏ２ｄＣ，Ｇ：Ｉｆ２ｄｃ：ＲＢｒ＋Ｇ：ＫｑＫｂＩｒＲ。２ｄａＣ，Ｇ，ｌｑＩ三生一一２——土——二ｌｒＣｂ—ｆＣｎ、ｍｖ２丝ＩＧ、０ＫＮ占＝ＩＯ０坍ＶＧ２一２笠堡ｍＶｏ—２竺生±垒堡知一２—口ｃ：－—ｂＣ，，ＯＧ、Ｘ４ＲＩ００ｌ００００１０ｏ０１ｏｃ＝Ｉ一秭ｏ【％。。。Ｄ＝翊２０武汉理工大学硕士学位论文２．５本章小结本章介绍了整个系统的模型，给出了系统整车模型结构框图和状态方程，并分别介绍了系统的动力学模型、线性二自由度转向模型以及电机模型。２ｌ武汉理工大学硕士学位论文第３章ＥＰＳ控制系统控制方法研究３．１助力控制过程图３－１ＥＰＳ基本助力过程ＥＰＳ的基本助力控制过程如图３－１所示，控制器根据转向盘转矩传感器的输出信号豇和车速传感器的输出电压Ｖ，由助力特性确定电动机的目标电流‰，然后由电流控制环节控制电动机的电流，，使电动机输出目标力矩Ｌ。因此ＥＰＳ控制要解决的两个问题，一是确定电动机的目标电流，二是跟踪目标电流，即电流的闭环控制。３．１．１目标电流的确定电动机的目标电流是根据助力特性曲线确定的，ＥＰＳ的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输入下，电动机的目标电流随车速的增加而降低，电流愈小则助力愈小，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。助力特性是指助力（矩）随汽车运动状况（转向盘受力和车速）变化而变化的规律【３３】。对液压动力转向，助力与液压油压成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩（及车速）的变化关系曲线来表示助力特性。对电动助力转向，助力与直流电动机电流成正比例，故可采用电动机的电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。助力特性对动力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等，都有重要影响【３４】。汽车在行驶过程中有以下几种转向情况：行驶时的高速、中等速度和低速转向，以及点火起动后的原地转向，其对应的转向力依次增加，高速行驶时的助力武汉理工大学硕士学位论文最小，原地转向时，助力最大；相应的，动力转向系统的助力依次增加。助力特性反映助力电机助力大小随汽车的行驶状况变化的规律。对直流助力电机和汽车行驶的主要参数进行抽象，ＥＰＳ的助力特性分为下面３类：直线型助力、折线型助力以及曲线型助力，如图３．２所示，图中，（４）为助力电机电流；Ｔｄｏ为开始助力时的转向盘输入转矩；掰一为转向盘输入的最大转矩。，，＾，，＾，ＩＡ方“畦矽。Ｆ涨”ｌ超．一√一”Ｉ＇ｍ图３－２直线型、折线型和曲线型助力曲线３类助力特性均可分为３种助力区：①无助力区（０≤Ｔ≤Ｔｄｏ），当转向盘输入转矩小于掰。时，不提供助力；②助力变化区（Ｔｄｏ＜Ｔ≤尉一），当转向盘输入转矩介于Ｔｄｏ与７万一之间时，助力电机依据助力特性曲线提供实时助力；⑨最大助力区（ｒ＞尉ｍ“），当转向盘输入转矩大于Ｔｄｎ．时，在一定车速下，助力电流达到最大值并保持。直线型助力特性用函数表示为１（Ｔｄ）＝ＯＫ（ｖ）ｘｒ（埘一砜）Ｌ。ＩＴｄＩ－＜ｚａｏ砜＜Ｉｒｄｌ－＜ｒａ＿ＩＴｄｌ＞财ｍ瓠（３—１）式中：Ｋ（Ｖ）为不同速率下助力直线的斜率；Ｔ（Ｔｄ—Ｔｄｏ）为转向盘输入转矩掰的一次函数。直线型助力实现相对简单，当驾驶员对转向盘的作用力处于死区范围内时，ＵＰｄ，于Ｔｄｏ时，系统不助力：当处于助力变化区时，系统实现线性助力，但在死区边界转向时，助力由无到有或由有到无，这给行车中的驾驶员以手感上的冲击，从而带来潜在的危险。武汉理工大学硕士学位论文折线型助力特性用函数表示为，（Ｚ留）＝ｆ０Ｉ掰Ｉ≤砜ｒｄｏ＜ｌ阿Ｉ≤磁ｌＫ，（ｖ）ｘＴｌ（Ｔｄ—ｒｄｏ）ｌＫｚ（ｖ）ｘＴ２（Ｔｄ一磁）ｋ磁＜Ｉ掰Ｉ≤‰俐＞‰（３—２）式中；髟（Ｖ）为在第ｆ段折线内助力直线的斜率；Ｔ，（Ｔｄ—Ｔｄ，～·）为转向盘输入转矩掰的一次函数（ｋ１，２）。折线型助力是在直线型的基础上经改进而成的，将直线型的线性助力变化区改进为一段折线，实现在两段直线范围内的线性助力。在死区边界转向时，助力曲线的斜率有所减小，但助力转向仍存在手感上的冲击，而且转向盘输入转矩在Ｔｄｌ附近时，由于助力曲线斜率的变化引起另一处转向手感上的冲击。曲线型助力特性用函数表示为ＯｌＴｄＩ≤：ｒｄｏＺ（Ｔｄ）＝Ｆ（ｖ）ｘＴｏ］砜＜Ｉ阿Ｉ＜砜。，ｍ。ＩＴｄＩ＞‰（３—３）式中：，（Ｖ）为不同速度Ｖ对应的助力曲线，为变量Ｖ的多项式，一般在控制精度要求下取Ｖ的３次多项式Ｆ（Ｖ）。ａｏ＋ａｗ＋ａｚＶ２·－Ｉ－ａｓｖ３。曲线型助力综合了直线型和折线型助力的优点，实现连续、均匀助力。设计助力控制曲线时，可以对折线型助力或初拟定的曲线型助力进行试验，依据采集转向盘输入扭矩数据，参照ＥＰＳ设计技术参数，如表３－１所列，调整修正助力控制输出，最后对助力控制曲线进行３次样条曲线拟合，优化助力曲线【３５１。２４武汉理工大学硕士学位论文表３－１技术参数ＥＰＳ部分设计技术参数数值７．５３５转向盘最大作用力矩灯ｑ·ｍ）转向盘最大作用力／Ｎ转向盘平均作用力矩／（Ｎ·ｍ）转向盘平均作用力／Ｎ３．８１８～２０３．１．２电机电流闭环控制电机电流闭环控制实现是根据确定的目标电流和目标转矩，以电动机的实际输出的电流和转矩作为反馈的闭环控制。电机的等效电路如图３－３所／示１３６］，由于电机的自感电动式很小，可以忽略不计，因此电机端电压‰、电枢电流厶，反电动势Ｋｂ，转速之间关系可表示为：Ｕｍ＝黜ｍ＋ＫｂＮ。（３—４）对于直流永磁电机，电机转矩与电枢电流成正比，令忍为常数，则式４－２变为：Ｕｍ＝屹乙＋蚝虬（３－－５）图３．３直流电机等效电路图由公式３—４和３－－５可以看出，电动机转矩控制可以将电流作为反馈信号构成反馈通道，进行闭环控制。其优点是控制精度高，抗干扰能力强。武汉理工大学硕十学位论文图３－４电机电流闭环框图３．２控制算法的选择控制系统的任务是使被控量按参考输入值保持或跟随参考输入变化，但并不是所有控制系统都能满足正常地工作，它必须满足如下基本的要求：１。稳定性：稳定性决定系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋于希望值。２。快速性：快速性决定被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统，它的过渡时间就短，因而具有较高的动态精度。３。准确性：这个指标是指系统从一个平衡过程过渡到新的平衡过程结束后，被控量与希望值接近的程度，这一指标为稳态精度。控制系统的构建同时要考虑实际调试的灵活与方便。在一定的系统硬件构架上，控制算法决定了系统的性能。为此，必须选用合适的控制算法，以满足上述的要求【３７Ｊ［３８１。在工业过程控制中，目前采用最多的控制方式是ＰＩＤ方式，在日本，ＰＩＤ控制的使用率达８４．５％。其原因一方面是，由于ＰＩＤ控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性、可靠性；另一方面是，因为其算法简单，ＰＩＤ控制器允许工程技术人员以一种简单而自接的方式来调节系统［３９１。本系统采用ＰＩＤ算法的电流控制方法控制电机转矩，将电动机助力控制算法确定的电机目标转矩直接转换成电机目标电流，与电流传感器测得韵电机实际电流构成闭环，通过ＰＩＤ算法获得控制驱动电路的ＰＷＭ斩波信号。常规ＰＩＤ控制系统（模拟ＰＩＤ控制系统）原理框图如图３—５所示。武汉理工大学硕士学位论文ＰＩＤ控制器是一种线性控制器，它根据给定值７（ｆ）与实际输出值。（ｆ）构成控砸Ｍ卜＋枷出＋半］。，咱式中：足，——比例系数；乃——积分时问常数；乃——微分时间常数：其中ＰＩＤ控制器各校正环节的作用为：１．比例环节：实时成比例地反映系统的偏差信号８（ｎ，偏差一旦产生，控２．积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强３．微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并在偏差信号变得太ＥＰＳ三种控制方式汽车转向系统在发展的过程中主要经历了机械转向系统（即无助力）、液压出现所谓的“方向发飘”，从而导致方向失控；电动助力转向系统由微控制器检制偏差８（ｎ，即８（ｆ）＝，∽一ｃ（ｆ）。将偏差的比例（Ｐ）、积分（，）及微分（Ｄ）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称ＰＩＤ控制器。其控制规律为：制器立即产生控制作用，以减少偏差。弱取决于积分时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。３．３动力转向系统到现在电动助力转向系统阶段，常规的机械转向系统使驾驶员感觉方向盘很沉重，驾驶员体力消耗过大；液压动力转向系统虽然能减轻驾驶员的体力消耗，解决了转向轻便性这个难题，但在车速增高时操纵方向盘过于轻巧，会武汉理工大学硕士学位论文测行驶过程中的车速情况，通过切换“助力控制”和“阻尼控制”两种控制方式对系统进行控制，能很好兼顾汽车在低速转向时的轻便性与高速转向时的操纵稳定性，从而达到理想助力效果。３．３．１助力控制助力控制是在转向过程中，为减轻方向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到转向机构上的一种基本控制模式。该控制是利用电机转矩和电机电流成比例的特性，由方向盘扭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控制器单片机中，根据系统助力特性确定出电机助力的目标电流，通过对反馈电流与电机目标电流的闭环控制输出ＰＷＭ信号到动力回路，以驱动电机产生合适的助力。在助力控制模式下，每时刻必须使其中一对对角ＭＯＳ管截止，另一对对角ＭＯＳ管的导通与否受基极驱动电路的ＰＷＭ斩波信号控制，助力控制Ｈ桥的驱动方式如图３－６所示，助力控制是ＥＰＳ系统转向助力的主要方式。３．３．２阻尼控制阻尼控制是为了提高汽车高速行驶转向稳定性的一种控制模式ｍ１。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影晌汽车转向的操纵稳定性，此时系统采取阻尼控制。其Ｈ桥驱动方式如图３．７所示，用一定占空比的ＰＷＭ信号在Ｈ桥内部使电动机短路，由第２章提到的电机数学模型公式（２．９）可知，当忽略电枢电感产生的电感电动势时，若将电机两端短路，则此时直流电动机电枢电流可由下式表达：Ｉ２一Ｋ－ｃｏ．，／Ｒ（３－－７）式中：缸——反电动势系数踟——为电机转速式（３—７）含义即利用电机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩，避免了汽车高速行驶时转向过快，保证了驾驶员操纵的稳定性。改变ＰＷＭ占空比，即改变了阻尼转矩的大小，车速越高，ＰＷＭ占空比也就越大，阻尼作用越明显，驾驶员高速操纵的稳重感更强。武汉理工大学硕士学位论文１己Ｖ图３－６助力控制Ｈ桥驱动方式ｌ己Ｖ图３－７阻尼控制Ｈ桥驱动方式通过上述两种控制模式，电动助力转向实现的操纵力特性与无动力转向、液压动力转向的操纵力特性对比如图３．８所示。从图中可以看出，当车速小于碥。时，ＥＰＳ系统的控制模式为助力控制，保证驾驶员操纵方向盘的轻便灵活，当车速高于碥。时，ＥＰＳ系统转为阻尼控制，使驾驶员操纵方向盘具看稳重感。武汉理工大学硕士学位论文，‘判·属，文：力ｌ水鼍●———一事薯————一＋一图３－８三种转向系统操纵力特性对比图３．３．３回正控制回正控制是针对转向回正特性提出的控制策略。汽车方向盘回正力矩主要包括轮胎本身产生的回正力矩、转向机构主销定位产生的回正力矩和主销定位参数的轮荷回正力矩。当汽车以一定速度行驶时，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，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：１）回正力矩过大，引起转向盘位置超调；２）回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置。对前一种情况，可以利用电动机的阻尼来防止出现超调，后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力０４”。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。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，ＥＰＳ系统Ｈ桥实行断路控制（见图３．９），保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时为防止回正超调，采用阻尼控制。武汉理工大学硕士学位论文＋图３－９回正控制Ｈ桥驱动方式３．４本章小结本章介绍了ＥＰＳ系统的助力控制过程和控制算法的选择，采用ＰＩＤ算法的电流控制方法控制电机转矩，将电动机助力控制算法确定的电机目标转矩直接转换成电机目标电流，与电流传感器测得的电机实际电流构成闭环，还介绍了三种控制方式即助力控制、阻尼控制和回正控制。武汉理工大学硕士学位论文第４章电动助力转向系统ＥＣＵ的硬件实现４．１电动助力转向系统硬件设计的内容电动助力转向系统要实现的主要功能是采集来自扭矩传感器和车速传感器的信号，经控制器运算、判决后，控制伺服电动机为驾驶人员的转向提供辅助力。另外，考虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急处理方案。综合考虑电动助力转向系统的功能要求和一些特殊要求，电动助力转向系统的硬件设计主要包括以下一些主要模块。分别是：电动助力转向系统控制器核心系统设计、控制单元接口电路、电动机驱动及其保护电路、电磁离合器控制电路、传感器信号处理电路、故障诊断与故障显示电路以及电源系统电路的设计等。４．２电动助力转向系统的硬件设计４．２．１电动助力转向系统控制器核心系统设计控制系统核心电路的设计包括微控制器的选型、微控制器关键引脚设置、内部资源分配、存储器等内容。４．２．１．１微控制器的选择电动助力转向系统的开发过程中，电子控制单元的设计是关键的一部分，其中处理器的选用也是非常关键的，性能优良的处理器一定程度上为电动助力转向系统取得良好的助力效果奠定了基础。选用处理器的着眼点是处理器的性能能够很好地与控制系统的特性与要求相吻合。电动助力转向系统的主要控制对象是电动机。对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是指对电动机进行起动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。随着控制要求的提高，对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。电动助力转向系统主要是实现电枢电压的控制，因此也属于电动机复杂控制的范畴。传统上认为电动机的复杂控制是１６位微控制器和数字信号处理器（ＤＳＰ）武汉理工大学硕士学位论文的优势。但是今人看来这种优势己经不是很明显，而且有时候甚至是小题大做之举。之所以选择１６位的单片机实现电动机的复杂控制，主要是因为１６位机支持１６位的运算处理和速度比较快。而采用ＤＳＰ除了其运算速度快的因素外，还在于现今的电动机控制专用ＤＳＰ往往包含一些传统的电机控制基本算法模块。例如美国ＴＩ公司的电机控制类专用ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ）等自身带有ＰＩＤ控制等控制模块，如果采用类似的器件进行电动机的控制，一些传统的控制在硬件设计和软件设计上都可以采用ＤＳＰ供应商现成的解决方案，但同时应当看到１６位机和ＤＳＰ的应用设计也存在一定的弊端，作为工业应用，接口电路现在依然是８位机占据着绝对的地位，很容易搭建其应用系统的框架，而且８位机应用系统其成本相对比较低，而且现今的８位微控制器在价格几乎没有变化的同时，在性能上有了很大的提高，其运算速度、扩展功能等许多方面足以与传统的１６位微控制器功能相媲美，其具体的功能介绍将在下文中提及。ＤＳＰ虽然在控制模块上有优势，但是传统的控制算法对于业界来讲不是什么秘密，也很容易由开发人员自行设计，而且就目前而言，ＤＳＰ的硬件成本还是比较高。另外，这里想突出强调的是具体在应用系统的设计工作中采用什么样的微控制器，其决定因素是控制系统的控制要求，其次才是成本的考虑。如果低投入的微控制系统解决方案能够满足控制系统的控制要求，那么，高投入的微控制器解决方案对于工业应用来讲是没有必要的，当然纯粹是实验，而不考虑具体工业应用的除外。在目前所设计的电动助力转向系统中，采用的是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的８位微控制器８０Ｃ５５２［４２～４４１。选择该类型的微控制器，正如上文提及的选型原则，首先是基于对所研究、开发的应用对象的控制特性要求。电动助力转向系统是典型的随动系统。从控制的角度讲，系统对实时性有一定的要求。也即要求系统能够对系统输入及时响应，做出合理的控制处理，但是这里的实时与快速有一定的区别，实时是指在转向系统的控制效果能够保证的时间要求范围内转向系统能够做出合适的控制处理，而不是绝对意义上的快速动作。作为电动转向系统实时性是基于驾驶人员的感觉的一个时间概念，所以实时性更多体现在及时性上，没有必要对控制器的处理能力提出更高的要求。电动助力转向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统对控制精度的要求不是非常高，只要控制系统的控制效武汉理工大学硕士学位论文果比较平顺，没有助力骤加或者助力骤减的外在表现，一般可以被用户接受。所选择的微控制器能够满足控制系统的控制要求，可以从以下几个方面进一步分析。８０Ｃ５５２的内核是Ｉｎｔｅｒ公司的８０Ｃ５１，８０Ｃ５５２继承了所有８０Ｃ５１的功能，在８０Ｃ５１环境下的应用都可以为８０Ｃ５５２所借鉴，从开发人员的角度看，可以参考、借鉴的资料、开发工具等比较齐全，有利于缩短开发周期。当然事实上在电动助力转向系统中采用８０Ｃ５５２最为看重的是其强大的扩展功能。’首先，电动助力转向系统的主要控制对象是直流电动机，电动机控制电路的软硬件设计是比较复杂的一块。直流伺服控制系统现在多采用脉冲宽度调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）控制，用于调节电机电枢两端的电压，从而实现对电动机的调速。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。另外，电动助力转向系统主要处理信号——车速和发动机点火信号，它们均为脉冲信号，为了获得信号具体情况，不可避免要进行频率的测量。８０Ｃ５５２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的Ｔ２中的内容，可以方便的计算出被测脉冲的周期。再者，构建电枢电流反馈环需要处理采集进来的电流信号，８９Ｃ５５２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。电动助力转向系统需要对采集进来的车速和扭矩信号进行快速处理，以满足电动助力转向系统对适时性的要求，这就要求处理器有比较快的数据处理能力。８０Ｃ５５２的工作频率可达３０ＭＨｚ，也能够满足电动助力转向系统的要求。最后，现代汽车往往配备有防抱制动装置（ＡＢＳ）．ＥＰＳ和其他一些电器控制单元，这些模块通过总线与汽车控制系统的总控制模块相关联、通讯。８０Ｃ５５２除了具有全双工的ＵＡＲＴ串行接口外，还有１２ｃ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。这里要说明的是在汽车电控系统中，普遍被采用的总线是ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ），作为试制阶段，现在采用８０Ｃ５５２，倘使真正投入工业化应用，可以选用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的带有ＣＡＮ总线扩展功能的８武汉理工大学硕士学位论文位微控制器，以便与汽车电控部分的其它控制单元相集成。８０Ｃ５５２的主要性能指标如下所示：内置８０Ｃ５１处理器单元；８ｋ×８ＲＯＭ，可外扩６４ｋ字节的程序存储器；附加一个与４路捕捉寄存器和３路比较寄存器相配合使用的１６位定时／计数器：８通道１０位ＡＤＣ；两路ＰＷＭ通道；Ｊ２Ｃ总线；全双工ＵＡＲＴ：频率范围３．５．３０Ｍｈｚ。４．２．１．２８０Ｃ５５２资源分配电动助力转向系统微控制器周围电路如图４－１所示图４．１ＥＰＳ周围电路连接图Ｃ２７和Ｒ１８构成控制单元的复位电路。Ｒ４．Ｒ５．Ｒ６是上拉电阻，防止误触发。８０Ｃ５５２其他引脚对应关系如表４．１武汉理工大学硕士学位论文表４－１管脚对应表ＸＴＡＬｌ和ＸＴＡＬ０构成系统的时钟电路，其中，晶振Ｙ１的频率是１６Ｍｈｚ。图４－２是时钟电路原理图。轴一华ｕ弩Ｈ图４．２时钟电路原理图８０Ｃ５５２没有片内程序存贮器，系统对程序存储器进行了外部扩展。考虑到调试过程中需要频繁写程序，设计时采用的是Ａｔｍｅｌ公司的ＦｌａｓｈＲＯＭ，其型号是ＡＴ２９Ｃ２５６，其存储容量为６４ｋ×８字节，其与８０Ｃ５５２的连接关系见图４－３武汉理工大学硕士学位论文争—丽Ａ商一—一州２７Ｄ１４２占丘ｎ２＇＝ｃ？Ｉｌｌ１２５２４２３２２Ａ【瞎Ａｌ＿ｔｙＡＤｌｌ一ｐＳ珂筮兰墨暨璺鸯舭舯蛞盆“∞舵虬∞嘲姒薹∞々口ｎ‰《眦小舭姐曲Ⅲ傀晓；堇螂啪筹臣一专图４—３存储器扩展电路４。２．２电动机驱动及其保护电路设计电动机控制电路的设计在电动助力转向系统的设计中是比较关键的一块。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称ＰｗＭ）的控制方式己成为绝对主流。而且这种控制方式也很容易在单片机控制中实现。所设计系统的电机控制方式也是采用的该类型的控制方式。ＰＷＭ控制方式具有以下几方面的优点：需要的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽；快速性好；电流波形系数好，附加损耗小。这主要是因为ＰＷＭ调制频率高，不需要平波电抗器就可以获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于ｌ，故而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它所引起的附加损耗小。另外还有效率高，功耗小、频带宽、滞后小等优点。所以，ＰＷＭ控制方式是一种很理想的驱动方式。利用开关型功率元件对直流电动机进行ＰＷＭ调速控制的原理图和输入输出电压波形如图４－－４所示。图４—４（ａ）中，当开关管ＭＯＳＦＥＴ的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ｕｓ，ｔ１秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢电压为０，ｔ２秒后，栅极输入变为高电压，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，直流电机电枢绕组两端的电压波形如图４－－４（ｂ）所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值￡胁为３７武汉理工大学硕士学位论文Ｕｏ＝（ｎｕｓ＋ｏ）／（ｔｌ＋ｆ２１＝ｔｌＵｓ／Ｔ＝ａＵｓ式中，口为占空比，ａ＝ｔｌ／Ｔ。占空比ａ表示在一个周期丁里，开关管导通的时间与周期的比值。ａ的变化范围为，０≤口≤１。由上式可知，在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值ｃ，Ｄ取决于占空比ａ的大小，改变ａ值就可以改变端电压的平均值，从而达到调节电枢电压的目的，此即ＰＷＭ控制方式的原理。在ＰＷＭ控制方式中，占空比ａ是一个重要的参数。通常可以通过三种方式改变占空比的值。（１）定宽调频法这种方法是保持ｔｌ不变，只改变ｔ２，这样使周期Ｔ也随之改变。（２）调宽调频法这种方法是保持ｔ２不变，而改变ｔ１，这样是周期Ｔ也随之改变。（３）定频调宽法这种方法是使周期Ｔ保持不变，而同时改变ｔｌ和ｔ２。前两种方法由于在调整过程中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，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电机的控制中，主要使用定频调宽法。所设计系统也是采用此种方式的ＰＷＭ控制方式。ＯＵＯＵ￥口（ａ）原理图（ｂ）输入输出电压波形图４－４ＰＷＭ控制原理和电压波形图４．２．２．１电动机ＰＷＭ控制电路的设计分析武汉理工大学硕士学位论文控制电路的设计主要包括以下几个方面：功率转换电路的分析设计、脉冲分配电路的设计、基极驱动电路的设计以及保护电路的设计等。４．２．２．１．１电动机功率驱动电路的设计直流电动机ＰＷＭ控制系统有可逆和不可逆系统之分１４５１。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单向旋转。电动助力转向系统有正反方向转向的要求，因此系统的执行电动机也必须能够工作在正反两个方向旋转的运行状态，所以系统采用可逆ＰＷＭ控制系统。对于可逆ＰＷＭ系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个ＰＷＭ周期内，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个ＰＷＭ周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。单极性驱动方式又有单极模式和受限单极模式之分。但是双极驱动龟路和单极驱动电路的电路形式是一样的，其间的不同之处在于控制方式不同。单极模式和双极模式各有优缺点。表现在以下几个方面。（１）双极模式控制较单极模式和受限单极模式的电流脉动量大，特别是在控制信号为零时呈最大值，尽管零位颤动特性有助于克服静摩擦，改善系统低速平稳性，但在大功率系统中，对电动机的发热和换向不利，有时是不能接受的。另一方面，同侧对管瞬时切换的可靠性要认真对待，附加延时、保护电路繁杂，限制了开关频率的提高。再则，电磁脉冲干扰较严重，工艺布局要考究。但是对５００ｗ以下的高精度快速响应的伺服系统，优先选取双极模式ＰＷＭ方案。（２）单极模式控制较双极模式控制时电流脉动要减少一半（倍频单极模式要减少四分之一），因而波形系数近似为ｌ，有利于电动机换向和减少热损耗，这对大功率系统应用是有价值的。但在系统为零时，可能出现死区。同样，桥路同侧对管存在直通短路电源的危险，延时电路必不可少。（３）受限单极模式控制方案的主要优点在于运行可靠性高，不需附加延时，因而开关频率相对可以提高。电动助力转向系统从功率上考虑是中小功率应用系统，其电动机的功率要求仅为１５０Ｗ；另外电动助力转向系统主要是工作在低速区，对低速平稳性有一定的要求；另外，电力电子器件的快速发展己经很好的解决了延时、保护电路的设计过于复杂的问题，一些功率器件本身就综合考虑到防止对管直通等工程实际问题，并作了适当的处理。因此，双极模式的一些弊端今天看来己经不再是很棘手武汉理工大学硕士学位论文的问题。所以根据工程经验，选取双极模式ＰＷＭ控制方案。双极模式ＰＷＩＶｌ功率转换电路可分为两类：Ｔ型和Ｈ型。Ｔ型双极模式ＰＷＭ功率转换电路结构简单，便于实现电能的反馈，但要求双电源供电，且晶体管承受的反向电压较高，为电源电压的两倍，适用于小功率低压伺服电动机系统。由于车载电源是单电源供电方式，倘使不经过其他处理不可能为系统提供负电压电源。而Ｈ型仅需要单一电源供电，晶体管的耐压能力相对要求较低。因此，这里采用了Ｈ型双极模式ＰＷＭ功率转换电路。Ｈ型双极模式ＰＷＭ的功率转换电路如图４．５所示。Ｕｂ２Ｕ鹕图４－５Ｈ型双极模式ＰＷＭ功率转化原理图它已由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组，ｖｌ和ｖ４为一组，Ｖ２和ｖ３为另一组。同一组中的两个晶体管同时导通、同时关断，两个晶体管之间是交替轮流导通和截止的。亦即驱动信号Ｕｂｌ＝Ｕｂ４，Ｕｂ２＝Ｕｂ３＝－－Ｕｂｌ。此基极驱动信号的提供方式正是Ｈ型双极模式ＰＷＭ转换电路区别于单极型模式的地方。４．２．２．１．２电动机控制电路的详细设计４．２．２．１．２．１开关器件的选择选用ＭＯＳＦＥＴ作为功率开关器件。ＥＰＳ系统中电动机的额定电压是１２Ｖ，额定电流是３０Ａ。选用ＭＯＳＦＥＴ时，反向耐压取值为两倍以上的余量，工作电流有２～４倍的余量，工作频率与实际频率相当。在前期的设计中采用的是武汉理工大学硕士学位论文ＩＲＦＰ３７１０。该ＭＯＳＦＥＴ能够满足以上要求，但是散热性能不是很理想，所以现改选ＩＲＦＰ３７１０。ＩＲＥＰ３７１０的散热性能比较好，其主要性能指标如表４．２所示。表４．２ＩＲＦＰ３７１０主要性能参数表参数名符号测试条件数值单位漏极击穿电压ＶＤＳＢＶＧＳ＝０ｖ－ＩＤ－－２５０Ｍａ≥１００Ｖ漏极ｄｕ／ｄｔ耐量ｄｕ／ｄｔＳＶ／ｎｓ漏极额定电流Ｄ≤５７Ａ峰值电流ＩＤＭ≤１８０Ａ通态电阻ＲＯＮＶｏｓ＝１０ｖＩｌｔ＞－－一２８Ａ≤０．０２５Ｗ门槛电压ＶＧＳ（ｔｈ）ＶＧＳ＝１０Ｖ．ＩＤ＝２５０ｌＺＡ２～４Ｖ４．２．２．１．２．２栅极前置驱动电路的设计由于单片机输出为弱电信号，端口的最高输出电压只有５Ｖ，而ＭＯＳＦＥＴ栅极驱动电压信号不小于１０Ｖ，所以单片机输出信号不能直接应用于功率驱动电路，必须在单片机系统和功率驱动电路之间设置前置驱动电路，将单片机输出的弱电控制信号转换为强电控制信号才能应用于功率驱动电路。其栅极驱动要求可概括如下：（１）栅极电压一定要比漏极电压高１０～１５Ｖ，用作上桥臂高压侧开关时，其栅极电压必定高于干线电压，而且应该是系统中最高电压。（２）栅极电压从逻辑上看是可控制的，已通常以地为参考点。因此控制信号就不得不转换电平为上桥臂（即高压侧源极）电位，在绝大部分应用中控制信号在两干线电压间摆动。（３）栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。ＩＲ２１１０是高压高速率功率ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ功率驱动模块。输入端带ＣＯＭＳＳｃｈｍｉｔｔ－ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ电路，已有独立的高端和低端输出通道，逻辑输入兼容标准ＣＯＭＳ和ＬＳＴＴＬ电路输出。输出延迟时间小于１０ｎｓ，在输入脉冲频率较高时，仍可以满足驱动要求。输出端可驱动的ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ组成的桥臂的电压最大值达５００Ｖ；驱动电流２Ａ；上下输出端对各自参考电压１０～２０Ｖ；上升脉冲４１武汉理工大学硕士学位论文时间常数与下降脉冲常数为１２０ｎｓ～９４ｎｓ。系统采用两片ＩＲ２１１０搭建驱动电路的前置驱动电路。４．２．２．１．３电动机控制电路设计电动助力转向系统电动机控制电路具体实现电路如图４－６所示。图４－６系统双极性Ｈ桥功率驱动电路图图４－６中利用两片ＩＲ２１１０构成功率ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１～Ｑ４）的基极驱动电路。ＩＲ２１１０的ｌ和７脚的电平跟随１０角和１２脚的电平（高低电平状态的跟随，不是电压值相同意义上的跟随，两者的高电平分别是１２Ｖ和５ｖ）。具体的工作情形是：来自８０Ｃ５５２脉冲调制输出口ＰＷＭ０的脉冲信号经７４０７后加在Ｕ１的１０脚和Ｕ２的１２脚，同时这一脉冲信号经由７４０６获得的电平相反的信号加在Ｕｌ的１２脚和Ｕ２的１０脚，经ＩＲ２１１０后，就实现了在Ｑ１．Ｑ４门极加上和Ｑ２．Ｑ３门极相反电平的目的，也即如图４．７所示的控制信号。假定ＰＷＭ０口的输出波形如图４－７所示，电压脉冲信号的周期为Ｔ，则脉宽调制信号的占空比ａ的值为，ａ＝ｔｌ／Ｔ，设脉冲高电平为Ｕ，则加在电枢线圈上的平均电压Ｕｏ＝（２ａ．１）ｕｓ。这样通过调整ＰＷＭ０输出脉冲的占空比，就可以实现对直流电动机的电枢电压的控制，从而对电机的转速进行调节。当ａ在值域（Ｏ，Ｏ．５）与（０．５，１）电动机的转动方向相反。武汉理工大学硕士学位论文ｌ母ｌ（０４》门极激励屯压ｌ∞（Ｑ３）Ｉ’］撅激励屯盔图４－７Ｈ桥双极性驱动控制信号波形４．２．２．２电动机保护电路设计电动助力转向系统中的电动机受工作环境的影响，需要频繁的起制动，这将在电机电枢绕阻上产生比较大的电流冲击，倘使不能够很好的加以保护，则电动机很容易被破坏掉。电动助力转向系统相对以往的助力转向系统更加注重安全性，安全性考虑的周全与否直接决定着系统是否能够真正投入使用。基于此，所设计的电动助力转向系统分别从软件和硬件两个方面进行了考虑、处理。这样，只要软、硬件不是同时遭到损坏，系统就能够对电动机可能的故障进行恰当的处理。电动机保护电路的设计思路如图４．８所示。图４－８电机保护电路原理图电流传感器的采样输出在（Ｏ，５ｖ）上变化，２．５ｖ是实际的电流零值情形，而电机保护电路所关心的只是电流的大小，不关心其方向性，如图４－８Ｔ进行了减法处理、绝对值求取和与设定值比较等处理过程，最终将信号传递给保护输入端。电动机保护电路具体实现如图４－９所示。图４－９中虚线以下为图４－８的差动电路的实现部分。具体情形是：来自电流传感器的采样值经由低通滤波电路后将采样值ＩＦ送到由运算放大器ｏＰ０７等组成的减法电路，德到论域为［－１，ｌ】的电压信号。此信号被传递到虚线上方的绝对值电路进行求取绝对值运算。因为所采４３武汉理工大学硕士学位论文用的电流传感器，其输出幅值的范围是【１．５，３．５】也即其输出是在中值２．５士ｌ的范围内变化。为了便于后续的比较运算，绝对值电路在完成求取绝对值的工作的同时，还需要对绝对值信号进行放大处理。具体实现如图４－９所示。经绝对值电路出来的信号经ＬＭ３９３等构成的比较电路后，输出电动机保护电路控制信号。此信号可以通过单片机的Ａ／Ｄ接收后再进行软件处理，最终通过指令对电动机的控制端发出相应的信号；也可以直接将此信号送ＩＲ２１１０的工作允许控制端ＳＤ，一旦电动机的电枢电流超过允许的最大电流值，比较电路的相应输出端输出高电平，则ＳＤ受高电平的控制，从而｛ｒｆｌｐ关断ＩＲ２１１０的输出，则无论此时从单片机的ＰＷＭ０端口输出的脉宽调制信号如何，ＩＲ２１１０驱动ＭＯＳＦＥＴ的栅极端始终保持低电平，由于栅极电压低于门槛电压，则Ｈ桥电路不会投入工作，电机电枢电压将很快减小，从而起到保护电动机的作用。当电枢电流降低后，由于控制ＩＲ２１１０的ＳＤ端重新回到低电平，Ｈ桥电路转入工作状态。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。可可图４－９电动机保护电路４．２．３电磁离合器和显示控制电路的设计电磁离合器和显示控制电路的设计如图４．１０所示。武汉理工大学硕士学位论文电磁离合器控制电路设计非常简单，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。其中二极管４００７是起保护三极管０１的作用。考虑到电磁继电器的干扰信号可能串入单片机控制系统，从而影响数字电路部分的控制效果，采用光电耦合器４Ｎ２５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。ＬＨＱ端用于连接电磁继电器的输入端，离合器的另一端接地。电磁继电器在接收到来自单片机控制系统的控制信号Ｃｏｕｐｌｉｎｇ后做出相应的动作，系统设计为低电平有效，也即在Ｃｏｕｐｌｉｎｇ为低电平是电磁继电器闭合，接通电磁离合器。显示电路主要是用于故障信急的显示。其控制电路非常简单，不再赘述。尽管实现起来比较简单，但是事实上，显不电路的作用却是很大的。电动助力转向系统安全性要求很高，而所有故障信急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ＰＨＯＴＯ的闪烁频率显示出来。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。前期的原理设想中采用的是数码管的故障显示模式，电路设计比较繁琐，而且事实上故障显示效果并不理想，在本次设计中对此进行了改进。新的显示模式电路简单、实用。另外从另一个角度讲，故障显示电路本身也可能出现故障，也即也要作为一种故障类型进行检测，新的设计一方面自身的简洁使得故障几率较小，另一方面故障检测电路也能够大大简化。图４．１０电磁离合器和显示控制电路４．２．４系统输入信号的处理电路４５武汉理工大学硕士学位论文４．２．４．１车速信号的处理车速信号是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１２电压到５Ｖ电压的解决方案不是唯一的，可以采用分压原理，也可以采用光电耦合器等。这里采用的是光电耦合器的电平匹配方式。其具体电路设计如图４—１１所示。为Ｒｌ和Ｒ２选择合适的电阻值即可。其中，ＣｈｅＳｕ是来自里程表的信号，ＶＳＳ作为输入信号送单片机Ｐ１．０端日，即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。＋５Ｖ葛·ｊ７图４－１１车速通道电路设计图４．２．４．２扭矩信号的处理电路光电扭矩传感器信号处理电路如图４．１２所示。武汉理工大学硕十学位论文图４．１２光电扭矩传感器信号处理电路图光电扭矩传感器的输出信号０９０．．Ｄ６］经由ＣＯＮｌ０直接连接到８０Ｃ５５２的数据线上。传感器部分的电源由系统板提供。引脚８用于扭矩传感器信号的选通控制。７４ＬＳ３２或门确保只有在扭矩传感器片选端ＡＤｌ５和８０Ｃ５５２的读控制端口Ｔｐｅｒｍｉｔ同时低电平的情况下，光电扭矩传感器才被选通，进行扭矩信号的读取，防止与控制系统的其已设备或者动作发生总线冲突。４。２．４．３电流传感器信号的处理系统进行电流取样有两方面的用途，其一是为电动机提供保护，上文中己经提及；另外一个作用则是通过电流传感器反馈的电枢电流信号，进行电枢电流的反馈控制。依据系统要求，所选择的电流取样方式必须具有良好的频响特性和极小的延迟时间，也即对于ＰＷＭ系统的电流保护，快速的电流检测是关键问题之一。电流采样的方法有多中，其中标准电阻取样和霍尔效应电流检测法比较有代表性。标准电阻是一种常用的电流传感器。由于其简单可靠、阻值稳定、精度高、频晌好、输出电压直接比例于所流过的电流，在ＰＷＭ系统中应用相当广泛。为了使标准电阻不受所通过的电流或工作环境温度变化而引起阻值改变，一般采用４７武汉理工大学硕士学位论文锰铜或硅锰铜制成。但是电动助力转向系统电枢的电流能达到３０Ａ之多，在这样的大电流负载下，电阻的消耗功率很大，对散热需要采取特别措施。当要求电流检测回路与功率转换回路相隔离时，标准电阻作为电流传感器来使用受到一定的限制。若采用光电耦合器件隔离，势必增加电路的复杂性，具体设计时，硬件成本比较高。考虑到标准电阻采样具体到电动助力转向系统的特点时存在的不足之处，所设计系统采用的是霍尔效应电流检测法。事实上，霍尔效应电流检测法也是国内外普遍采用、作为一种发展趋势存在的电流检测方法。其电路如图４．１３所示其中Ｍｏｔｏｒ历代表的线表示电枢引线，霍尔电流传感器ＣＳ检测到电流后由Ｃｏｕｔ输出与电流大小成比例的电压信号，经过低通滤波等电路输出稳定的电压信号Ｕｏｕｔ（反映电流的大小和方向），Ｕｏｕｔ信号传递给单片机内置的Ａ／Ｄ转换器，从而使控制系统可以感知电枢电流的大小和方向。图４．１３电流信号处理电路４．２．５系统供电电源电路设计图４．１４所示为电动助力转向系统供电电源原理图。４８武汉理工大学硕士学位论文图４．１４供电电源电路图其中的１２Ｖ电压电源在实际应用中是汽车电源，搭铁接地。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。另外单片机内置Ａ／Ｄ需要的５ｖ的精密基准电压由ＬＭ３３６产生，ＬＭ３３６的实质是精密瑟压二极管。４．３本章小结本章主要介绍了电动助力转向系统硬件部分相关模块的设计情况，包括控制系统核心模块及其周围电路的设计、电动机驱动与保护电路的设计、电流、扭矩等传感器输入信号的处理电路设计、电磁离合器与显示电路以及系统供电电源系统设计等。武汉理工大学硕士学位论文第５章电动助力转向系统的软件实现对于一个计算机控制系统来说，软件设计与硬件设计是相辅相成的，在进行系统硬件设计时必须考虑到后一阶段控制软件设计实现的可能，而控制软件的设计则是以系统硬件的设计为基础的。可以这样认为“硬件是控制系统的躯体，软件是控制系统的灵魂”，任何一方面的设计缺陷，都将导致整个控制系统的设计失败。同时，控制系统的控制策略与控制方法都是通过软件的设计来实现的。因此，要想达到理想的控制效果，就必须设计出完善的控制软件。本章将从控制系统软件的基本组成环节谈起，最终建立系统整体的软件框架结构。其中主要涉及软件滤波设计、数据采集、电动机控制、故障处理等环节。５．１软件滤波设计在ＥＰＳ系统中需要采样的模拟量有方向盘主、付扭矩，扭矩传感器电源电压，电动机反馈电流。在实际中，这些模拟量常混有干扰噪声，用混有干扰的测量值作为控制信号，将引起系统误动作。干扰噪声可分为周期性和随机性两类。对周期性的工频或高频干扰，可以通过在电路中加入ＲＣ低通滤波器来加以抑制；但对于低频周期性干扰和随机性干扰，硬件就无能为力了，而数字滤波可以解决这些问题。所谓数字滤波，就是通过一定的软件计算或判断来减少干扰在有用信号中的比重，达到减弱或消除干扰的目的。数字滤波一共有４种，分别为：算术平均值法，防脉冲干扰平均值法，移动平均滤波法以及数字低通滤波法【舶】。在汽车转向控制过程中，现场不可避免会产生尖脉冲干扰。这种干扰是随机性的，一般持续时间短，峰值较大，因此在这时采样得到的受干扰数据会与其它数据有明显区别。另外，考虑到汽车转向的实时控制，为了加快数据处理速度，本系统对４个模拟量采取的数字滤波方法是结合防脉冲干扰平均法和移动平均滤波法各自优点，即既能防止脉冲干扰，又能提高系统实时性，称之为“防脉冲移动平均滤波法”。这里设置数据区数据的个数为１０个，每采样一次新数据，主程序就调用一次防脉冲移动平均滤波子程序，去掉１０个数据中的最大值和最小值，再取余下８个数据的算术平均值来逼进真实的模拟量数值。其程序框图见图５．１所示。５０武汉理工大学硕士学位论文暂存新数据ｉ循序移动数据区内的数据ｉ新数据ｘ－存入数据区ｌＩ去掉数据区内最大和最小数据ｌ求数据区内８个数据之和ｌ｛求剩下ｓ个数据的平均值ｙ＝ｓ／８图５－１软件滤波程序图５．２信号采集程序设计电动助力转向系统的数据采集包括发动机信号、车速信号和扭矩信号等。发动机信号和车速信号是数字信号，经滤波处理即可。信号采集程序的设计主要是扭矩信号的处理。如图５－２是扭矩信号的采集软件设计流程图。武汉理工大学硕士学位论文１１．设定存储始值１２．设定采样次数１３．清部分存储单元』ｋ｝—————————————一连通７４２“ｉ转换为无符号７位ＪＩ格雷码转化为２进制上◇Ｎ图５．２扭矩信号采集流程图５．３判断转向子程序电动机在正式投入工作之前，必须确定电动的正反转情况，从而确定提供辅助力的方向。助力方向的判定主要是根据光电扭矩传感器采集到的扭矩值，判断检测到的扭矩值与正反向分界点的数值的大小关系。其软件流程图如图５．３所示。武汉理工大学硕士学位论文图５．３转向判断流程图５。４辅助力计算流程图辅助力计算子程序是依据第三章中介绍的辅助力匹配模式所确定的助力幅度，经过处理器运算处理后，确定下来希望电动机提供的辅助力的大小，并通过占空比查询表确定出需要占空比数值，将此值赋给ＰＷＭ占空比输出寄存器，从而控制电枢两端的电压。辅助力计算的流程图如图５．４所示。武汉理工大学硕士学位论文图５－４辅助力计算流程图５．５电动机控制程序设计电动机的控制一方面要保证不使电动机的起动冲击电流过大，损害电动机；另一方面要保证有足够的起动电流，以提高响应时间。另外，由于电动助力转向系统中的电动机的工作状态的特殊性，经常处于频繁的起制动状态，因此为了提高响应性，还需要在控制过程中对电动机的状态进行跟踪。电动机的状态体现在两个方面：其一是电动机静止还是运动，决定是否进行降压起动；另一方面是电动的正反转状态，决定了助力是否可以直接施加，需不需要进行其它处理。图５．５是电动机的控制流程图。武汉理工大学硕士学位论文图５．５电动机控制流程图其中，“电机状态”用于判断电机静止与否；“特殊起动处理”部分是考虑到在急速反向的情形下电枢电流过大，而考虑先制动，后起动提供辅助力的处理思路。Ｆ是转向判断中确定的希冀电动机的转动方向。图５—６是电机起动的子程序。根据测量到的扭矩的大小决定如何进行处理，日前提供四种助力的方式。扭矩较小时直接提供助力、大于临界值时提供降压起动、超过电动机的助力限度范围时作满负荷处理。区分正反转的原因在于：在正反转情况下电动助力转向系统的占空比的数值大小趋向的差异性。因为在中值两侧，正转是正序，也即数值大则占空比响应代表的电枢电压就大；而反向是逆序。图５－６中的转向判断就是为了解决这一问题。武汉理工大学硕士学位论文图５－６电动机起动流程图５．６电动助力转向系统软件总体流程图电动助力转向系统的总体流程图如图５．７所示。武汉理工大学硕士学位论文图５．７电动助力转向系统总体流程图５．７本章小结本章主要介绍了电动助力转向系统的软件设计情况，包括滤波环节、采样信号处理环节、转向判定环节、辅助力计算环节以及电动机控制等主要环节，最后勾画了电动助力转向系统的总体流程框架。另外电动转向系统的软件设计中还有一些细节问题，比如ＰＩＤ控制算法、格雷码与二进制的转换等，这里不再赘述。武汉理工大学硕士学位论文第６章总结与展望６．１总结本文在对电动助力转向系统的原理和助力控制的基本过程进行分析基础上，对ＥＰＳ的控制系统的硬件和软件系统进行了研究，同时利用了积分分离式的ＰＩＤ控制算法，实现了对电动机的助力电流和输出扭矩的闭环控制。。概括起来。本文的主要上作有以下几个方面：（１）在国内外资料的基础上，总结了目前电动助力转向系统的原理和基本类型，并对关键性部件进行了分析。（２）完成了电子控制单元的硬件电路设计。硬件电路以８０Ｃ５５２为微处理器，利用单片机实现了对扭矩、车速和电流信号的采集；通过了ＦＥＴ桥功率转换电路，实现了对自流电动机的最优驱动；同时成功的利用了ＰＷＭ脉宽调制的方法对自流电机的电流大小进行了控制，进而实现了对电动机输出助力扭矩的控制。（３）对电子控制单元的软件进行了模块化的设计。软件的功能主要包括：对扭矩、车速和电流信号的采集及数字滤波；根据传感器的信号，对电机电流方向和大小进行实时的控制。（４）利＿ＩＩｊ了积分分离式ＰＩＤ控制算法，以电流为反馈信号，实现了对电动机的输出电流和输出扭矩的闭环控制。６．２展望目前，国内外大公司都在研究ＥＰＳ，己完成批量生产ＥＰＳ的技术储备，而且，人们己普遍的认识到了ＥＰＳ的优越性，它将是现代汽车转向系统的必然趋势。ＥＰＳ的市场增长很快，在国内外己经由研究、开发和试用阶段，转入批量生产阶段，并成为现代汽车零部件生产的“高新科技产品”。在未来的十年，ＥＰＳ将可能完全替代现有的转向系统，２００７年ＥＰＳ产量将达到１１４０万套，即产量正以１３０．１５０万套／年的速度增加，按此增长速度发展下去，几年之内，ＥＰＳ将完全占领轿车的市场，并向微型车、轻型车、和中型车扩展，因此，我国有必要加大投入进行研究。尽管目前的ＥＰＳ产品己达到其最初的设计目的，但仍然存在许多问题需要解决。（１）电动机的性能。电动机的性能是影响控制系统的主要因素，电动机本身及其ＥＰＳ的匹配都将影响转向操纵力、转向路感等问题。概括地说，ＥＰＳ技术的发展方向主要为：改进控制系统和降低控制系统的制造成本。武汉理工大学硕士学位论文（２）增加反馈控制信号，进一步改善控制性能。ＥＰＳ的控制信号不能仅仅依靠车速、扭矩和方向盘转速，而是根据转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号与汽车特性相吻合的综合控制。（３）提高系统的可靠性。如采用非接触式的转矩传感器等。随着经济高速发展，轿车的普及率将会越来越高，轿车的驾驶转向的轻便性成为购车者的考虑因素之一。因此电动助力转向系统的研制和开发对满足社会需求、跟上世界汽车技术发展进程，具有十分重要的意义。武汉理工大学硕士学位论文参考文献［１】汽车技术手册·设计篇，臼本汽车技术会编，长春汽车研究所译，１９９７６１２页【２】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，１９９８【３】施国标，电动助力转向助力特性仿真与控制策略研究，吉林大学博士学位论文，２００２．１２．４，９’１３。１０７页【４１ＡｋｈａｎＭＢ，Ｍｕｎｒｏｌ，ＢｙａｔｔＭＪ，ＴｏｒｑｕｅＧＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔｅｄＳｔｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｏｑｕｉｕｍＤｉｇｅｓｔ－ｌＥＥ０９６３—３３０８，１９９７【５】ＫｅＵｉＳｕｚｕｋｉ，ＹｏｓｈｉｈａｒｕＩｎａｇｕｍａ，ａｎｄＫｙｏｓｕｋｅＨａｇａ，ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＥｌｅｃｔｒｏ－ＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＬｏｗＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ＳＡＥＰａｐｅｒＮｏ．９５０５８０【６】Ｙｏｓｈｉｈａｒｕｌｎａｇｕｍａ，ＫｅＯｉＳｕｚｕｋｉ，ａｎｄＫｙｏｓｕｋｅＨａｇａ，ＡｎＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎａｎＥｌｅｃｔｒｏ－ＨｙｄｒａｕｌｉｃＰｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＥＨＰＳ）Ｓｙｓｔｅｍ，ＳＡＥＰａｐｅｒＮｏ．９６０９３４ｆ７】《汽车工程手册》编辑委员会，汽车工程手册·基础篇，北京：人民交通出版社，２００２，６１４页【８ｌ邹常丰，电动助力转向台架试验系统开发及相关技术的研究，吉林大学博士后研究报告，４。７—８页【９】季学武、陈垒元。汽车电动助力转向系统的特点，第十一届转向学术年会汽车转向专业论文集，２００１，９：％１３（１０】王豪，许镇琳等，电动转向系统的发展及现状，汽车运用，２００２．８：９～ｌｌ１】ＮａｋａｙａｍａｔｓｕｄａＥ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｆｕｔｕｒｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎｔ．Ｊ．ＶｅｈｉｃｌｅＮｏｓ．３／４／５１９９４；２４３－２５４Ｒｏｇｅｒｓ，ＷｉｌｌｉａｍＫｉｎｂｅｒｌｅｙ．＂ｆｕｍｉｎｇＳｔｅｅｒｉｎｇｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ．ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒ１０８（２）：３９－４１Ｂｕｃｈｈｏｌｚ．ＴＲＷＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＰｏｗｅｒｅｄＳｔｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｃｔｉｖｅＲｏｌｌＣｏｎｔｒ０１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒ１９９６１０４（２）：４２Ｓｈｉｍｉｚｕ，ＴｏｓｈｉｔａｋｅＫａｗａｉ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇ．ＰａｐｅｒＮｏ．９１００１４ＤｉｓｐｌａｙｓＮｅｗＢｅａｒｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｒｉｎｇＰｒｏｄｕｃｔｓａｔ３３｝ｄＴｏｋｙｏＭｏｔｏｒＳｈａｗ．ＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，ＢｅａｒｉｎｇｓａｎｄＵｎｉｔｓａｔＰａｒｉｓＡｕｔｏＳｈａｗ．砷ｔｌＤｅｓｉｇｎ，ｖ０１．１５【１２］Ｋｅｎ２０００【１３】ＫａｍｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ【１４】ＹａｓｕｏＳＡＥ【１５】Ｋｏｙｏｆ１６】ＫｏｙｏＤｉｓｐｌａｙｅｄＥＰＳ武汉理工大学硕十学位论文【１７】ＫｏｙｏＳｅｉｋｏＣｏ．Ｌｔｄ．ＣＡＴ．ＮＯ．１４５Ｅ．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒｗｉｔｈＴｉｌｔ【１８】Ｃｏｌｕｍｎ－ＴｙｐｅＮｏ．１ＳｔｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｍｏｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ１（Ｏｃｔｏｂｅｒ２００１）．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ【１９】Ｅ。ＳｔｅｅｒＴＭＳｔｅｅｒｉｎｇ．ＤｅｌｐｈｉＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓ．［２０】冯樱·肖生发，罗永革．汽车电子控制式电动助力转向系统的发展．湖北汽车工业学院学报，２００１，１５（１）：ｐ４～８【２ｌ】周泉．电动式执行器在汽车上的应用（１Ｉ）．汽车电器，２００１，２（１★ｐ５９～６２［２２１朱迅．新型电子控制电动助力转向系统一Ｅ京汽车，１９９６．４：ｐ３３～３７［２３１周泉．电动式执行器在汽车上的应用（Ｖ）。汽车电器，２００１４（１），Ｐ５８＿＿６１【２４】ＹａｓｕｏＳｈｉｍｉｚｕ，ＴｏｓｈｉｔａｋｅＮｏ．９１００１４，１３Ｋａｗａｉ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇ．ＳＡＥＰａｐｅｒ【２５】王望予，汽车设计，北京：机械工业出版社，２０００【２６Ｊ潘公宇，现代控制技术的电动转向系统，汽车技术，１９９５．７，５７－５８页【２７】叶金虎等，无刷直流电动机，北京：科学出版社，１９８２ｆ２８】毛爱瑛，黄兆麟，电助力转向的现状与未来，天津汽车，１９９８．３，【２９】马扎根，浅谈转向技术的发展，汽车技术，１９９６．３，４．１０页ｆ３０］林逸，施国标，汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势，公路交通科技，２００１，６．８２页【３１】陈丙辰，田沛然，三菱微型汽车电动式动力转向装置（ＥＣＰＳ）的故障诊断，汽车技术，１９９７．４，４５－４８页［３２１余志生．汽车理论（第２版），机械工业出版社，１９９０年【３３】ＭａｓａｈｉｋｏＫｗｉｓｈｉｇｅ，ＴａｋａｙｕｉｄＫｉｆｕｌＮ耐ｙＩｌｌ【ｉＩｎｏｎｅ，ＵｓｕｍｕＺｅｎｉｙａａｎｄＳｈｉｇｅｋｉＯｔａｇｋｉ．Ａ１１－１４页ＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｔｏＲｅｄｕｃｅＳｔｅｅｒｉｎｇＴｏｒｑｕｅｆｏｒＳｔａｔｉｏｎａｒｙＶｅｈｉｃｌｅｓＰａｐｅｒ１９９９－０１－０４０３ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＥｑｕｉｐｐｅｄＷｉｔｈＰａｐｅｒｉ９ＥＰＳ．ＳＡＥｏｆａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ．ＳＡＥ９９－０１－０３９９Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ【３４】ＣｈｉｎＴｅｎｇＬｉｎＣ．Ｓ，ＧｅｏｒｇｅＬｅｅ，ａｎｄＤｅｃｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＩＥＥＥＮｅｕｒａｌ－Ｎｅｔｗｏｒｋ·ＢａｓｅｄＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，４０（１２）：１３２０—１３３６【３５】王元聪，李伟光汽车电动助力式转向系统（ＥＰＳ）控制策略研究。交通与计算机２００５（２３）６：７５～７８【３６】胡寿松．自动控制理论．北京：国防工业出版社，１９９４．５第三版【３７】王孝武现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学位授予单位：

赵镇锋

武汉理工大学

1.期刊论文 齐振锋.张小辉.徐漫琳.吴维鑫 单片机在汽车驾驶模拟器中的应用 -电子设计工程2010,18(2)

汽车驾驶模拟器以其环保性、安全性、高效性应用广泛.但以往的汽车驾驶仿真器是以特性弹簧等作为回正力矩的生成元件,其可靠性无法保证.且模拟误差大.提出基于单片机的直流电机控制系统模拟汽车行驶过程中受到的回正力矩.该系统中上位机实时计算出汽车受到的回正力矩,通过串口发送至单片机,单片机通过PWM(脉宽调制)控制直流电机的输出力矩以达到模拟的目的.经实验验证,该系统能较准确模拟汽车受到的回正力矩,使得驾驶模拟器更准确地反映实际情况.

2.学位论文 黄旭 一种基于单片机和DirectX的汽车模拟驾驶系统的研究与实现 2008

汽车模拟驾驶系统是利用计算机技术、控制技术、声像技术、机械工程技术和车辆工程技术等多种技术对车辆的行驶及相关环境进行模拟，使学员可以在室内进行逼真的车辆驾驶学习。它可取代驾驶培训中实车训练中的部分科目与内容，提高学员驾驶技术，有利于减少交通事故的发生率，并具有节能、安全、经济、高效等优点。

本文主要论述了一种基于单片机和DirectX等技术的汽车模拟驾驶系统的实现，研究内容主要包括模拟驾驶椅子系统和视景子系统的实现以及它们之间的数据通信等。

模拟驾驶椅子系统主要由单片机控制装置、变频器振动控制装置、操纵控制装置和相关机械装置四部分组成。本文主要研究了单片机控制装置和变频器振动控制装置。其中，单片机控制装置以STC89LE516AD为核心，辅以数据采集电路、数据通信电路等，完成了驾驶信息的采集和通信。变频器振动装置由变频器、交流电机和相关机械装置等构成。首先，PC机根据采集到的驾驶信号经动力学模型计算，然后，将计算得出的运动数据通过变频器控制相应的电机，进而控制相关的机械装置，从而驱使驾驶椅运动。

视景子系统由3DS MAX 7、VC++和DirectX开发。首先，通过对汽车动力学面向对象分析，以汽车动力学和运动学理论为基础，采用面向对象技术和数学建模的方法建立了汽车动力学模型。然后，根据所建立的汽车动力学对象数学模型，建立汽车运动仿真模型。最后，采用Visual C++和DirectXSDK开发软件，运用DirectX提供的函数库编写了模拟驾驶系统动力学模型及视景渲染部分的程序。在导入了由3DSMAX 7场景建模工具建立的3D场景模型后便完成了视景子系统。

通过整个系统连接后的验证，较好地实现了模拟驾驶系统对其视景子系统和模拟驾驶椅子系统的各项要求。

3.期刊论文 摆玉龙.杨志民.马永杰.严春满.BAI Yu-long.YANG Zhi-min.MA Yong-jie.YAN Chun-man 日本单片机汽车竞赛模式的教学实践研究 -电气电子教学学报2008,30(6)

本文简要地介绍了日本单片机汽车竞赛的竞赛规则和举办情况.文中结合电子类课程教学实践的要求,制定了适合我国电子专业教学特点的单片机汽车竞赛规则和奖励办法,提出了举办本校单片机汽车竞赛的方式,鼓励学生参与创新型电子设计,以培养带动竞赛、以竞赛促进培养,为工科大学生实践教学提供了一条新思路.

4.期刊论文 陈钊.兰琳.CHEN Zhao.LAN Lin 基于单片机的汽车起动性能检测系统 -机床与液压2007,35(4)

提出了对汽车起动性能进行评价的指标参数,并结合检测技术和单片机技术开发了基于单片机的汽车起动性能的检测系统.该系统能准确、详细地评价汽车的起动性能,并提供可视化的评价结果和相关数据,为汽车的生产、维护、修理提供了可靠的依据.

5.学位论文 张耀辉 基于单片机设计的汽车信号灯故障检测与处理的研究 2009

随着社会和经济的发展，汽车在我国已进入普及阶段，据统计我国2008年汽车保有量已经达到6467万辆，生产量已达到934.55万辆，但随着汽车工业的快速发展，我国的交通运输安全也承受了前所未有的巨大压力。今后道路交通事故死亡率的增长趋势还将持续相当长的一段时间，必须进一步加强预防措施。其中的方向之一就是加强或改进对汽车信号灯的控制，通过对汽车信号灯的智能控制，可以及时的发现汽车信号灯系统出现的故障并作出相应对策，有效的减少和防止交通事故的发生。

本课题在对现有汽车信号灯控制产品的市场反馈意见、用户的需求和实际的使用状况等进行梳理、系统分析的基础上，以稳定可靠、简单实用、扩展性好、更加人性化为设计目标，基于单片机的控制设计开发了对汽车信号灯进行智能控制的软硬件系统。该设计通过各种接口电路收集汽车信号灯的各操作和故障信息，将信息集中到单片机后再通过精心设计的软件进行处理，在信号灯系统正常的情况下，按正常的汽车设计要求控制信号灯的操作；在信号灯出现不正常的情况下，发出可视化的警告信号，并在不影响其他信号灯操作的前提下进行信号灯的故障替代。该设计首先在实验室进行相关的模拟实验，通过不断的调试使整个系统达到标准后移植到相应的汽车电器教学实验台架，在实际的汽车电器使用条件下观察实验其可靠性和稳定性，解决相应问题使其满足最终设计要求。该设计不仅能对汽车信号灯的故障进行可视化的警告，还可对故障部位进行文字提示，方便司乘及维修人员及时准确的发现和解决问题，同时可在制动和转向信号灯出现故障的情况下用倒车灯和行车灯进行工作替代，从而有效减少和防止因这些信号灯故障造成的交通隐患。

汽车信号灯控制系统包括软硬件两部分，硬件部分包括电源、主机、前后控制器、显示器件等，软件部分用汇编完成，主要包括控制处理、故障扫描、故障显示处理、故障替代处理等若干模块。

6.期刊论文 谭建军.TAN Jian-jun 一款基于凌阳61单片机的汽车弯道会车雷达设计 -电讯技术2006,46(6)

介绍了一款3 cm微波汽车弯道会车雷达的设计方案.该雷达以凌阳61单片机为核心,充分利用凌阳61单片机的DSP处理功能和语音处理功能.该装置安装在行驶的汽车上,使行驶的汽车在弯道处能自动探测出前方行驶车辆,有效避免汽车出现会车险情.该装置结构简单,灵敏度高,适用于行驶在山区公路的各种汽车.

7.期刊论文 朱西成.林辉.ZHU Xicheng.LIN Hui 基于单片机的汽车防抱死控制器设计 -机床与液压2010,38(5)

根据防抱死制动控制系统的工作原理,应用汽车单轮运动的力学模型,分析了制动过程中的运动情况.采用基于车轮滑移率的防抱控制理论,根据车速、轮速计算车轮滑移率.以MSP430F149单片机为核心,完成了输入电路、输出驱动电路及故障诊断等电路设计,阐述了ABS系统软件各功能模块的设计思想和实现方法,完成了ABS检测软件、控制软件的设计,汽车防抱死制动控制系统已通过模拟试验台的基本性能试验.结果表明:汽车防抱死制动控制系统的硬件电路设计合理可行,软件所采用的控制策略正确、有效,系统运行稳定可靠,改善了汽车制动系统性能,基本能够满足汽车安全制动的需要.

8.期刊论文 李党娟.吴慎将.Li Dangjuan.Wu Shenjiang 基于AT89S52单片机的汽车尾灯控制器设计 -国外电子测量技术2010,29(8)

为了减少交通事故隐患和提高汽车、摩托车等机动车辆尾灯电路的使用寿命,本文设计了一种利用AT89S52单片机对汽车尾灯工作状态进行控制的控制器系统.首先介绍了系统的总体设计方案;其次结合实际应用给出了界面模式与主控芯片单片机的外围电路;为了实现系统的控制功能,采用C语言编程,文中详细介绍了软件设计流程图及实现方法;最后,将软件系统与硬件电路结合调试,实现了左转、右转、刹车及夜间行车四种常用的汽车尾灯状态.

9.期刊论文 关耀奇.颜运昌.谭季秋.陈蓉玲 汽车制动检测系统中主控机与AT89C51单片机的串行通信 -湖南工程学院学报(自然科学版)2003,13(4)

以实际应用的汽车制动性能检测系统为例,探讨了在汽车制动性能检测与控制系统中主控机用Visual Basic6.0下的Microsoft Comm-control 控件与使用汇编语言编程的AT89C51单片机之间的串行通信的方法,并给出了汽车制动性能检测系统的通信协议及软件实现代码.

10.会议论文 何凤琴.林军 基于单片机的汽车机油品质检测系统的设计 2007

本文介绍了一种基于单片机的汽车机油品质检测系统的设计思路，论述了测试系统原理、硬件电路设计及系统软件设计。该仪器能检测出汽车在用机油的介电常数。通过算法分析，单片机决定在用汽车机油是否需要更换。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1120317.aspx

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下载时间：2011年2月26日