汽车电动助力转向系统(EPS)硬件设计

内 容 摘 要电动助力转向( Electric Power Steering, 简称EPS) 作为一种新型转向系统, 因其具有节能、环保等优点而受到世界各大汽车公司和企业的青睐, 它将逐步取代传统的液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 。本文以传统的转向柱助力式EPS 为研究对象, 建立EPS系统数学模型,给出了汽车电动助力系统的动力学方程。根据电动助力转向系统的工作原理及控制器可靠设计的关键技术，设计了以P87C591 单片机为主控单元的EPS系统，系统采用闭环电流控制方案, 利用目标电流技术调节电机端电压达到控制电机电流力矩的目的。EPS 控制器采用模块化设计，把信号处理电路和功率驱动电路进行分层设计,以增强系统的抗干扰能力和可靠性。在进行PWM 驱动频率的选择时，考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。最后通过研究分析了EPS系统的经济性、系统硬件电路板空间与发热功耗及可靠性合理地选择散热片及其参数,提高了驱动效率和稳定运行能力。实验表明, 该系统具有良好的电动助力特性, 满足电动助力转向要求,证明了这种系统在实际应用中的有效性。关 键 词电动助力转向; 单片机; H桥驱动; PWM斩波; 控制系统Hardware Design of the Electric Power Assisted Steering System050607337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professorAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world company and the enterprise favour , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step.The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of the tradition vergence post power-assistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , testifying this system on systematic power-assistance.This paper presents an elect ricpower steering system controlled by P87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled. The working principle and key technologies for reliable design of EPS controller were analyzed.The signal processing circuit and the power drive circuit were hierarchically designed to improve theanti jamming capability and reliability. The PWM frequency was selected considering the influence of switching currentpulse on the safety of the transistors and the motor should be taken into account . Besides paralleled for the economy , the heat dissipation and the reliability.It srelevant parameters were selected to improve the drive efficiency and the stableoperation capability. The results of the experiment show thesystem designed has good steering characteristics and meets the request of electric power steering.Key wordsElectric Power Steering; Microprocessor; The bridge drives H ;PWM chopped wave; Control System目 录第1章 概述11.1 EPS系统简介 11.2 转向系统的发展概况21.3 EPS系统的特点3第2章 EPS系统模型 72.1 EPS系统的结构及原理 72.2 建立EPS动力学模型 82.3 EPS的动力学方程 82.4 直流电动机11第3章 基于高性能P87C591单片机控制方案制定123.1 单片机控制方案12 3.1.1 P87C591单片机芯片简介123.1.2 单片机控制系统143.2 EPS工作流程图163.3 助力电流控制系统 173.3.1 控制策略 173.3.2 电机目标助力电流算法 173.3.3 助力电流闭环控制 18第4章 EPS控制系统设计 214.1 EPS 控制器模块化设计 214.2电机控制电路设计22 4.2.1 H桥驱动芯片IR2110功能简介22 4.2.2 H 桥功率驱动电路 244.2.3 电机保护电路 254.3 PWM斩波 264.3.1 PWM控制原理 264.3.2 PWM斩波电路274.3.3驱动频率的选择28第5章 汽车转向技术的发展趋势 325.1 线性转向系统325.2 转向技术发展趋势32结束语 33致谢 34参考文献 35汽车电动助力转向系统（EPS）硬件设计第1章 概述1.1 EPS系统简介电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统，而DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。电动助力转向系统（EPS，ElectricPowerSteering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，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、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种工作状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。1.2 转向系统的发展概况作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本发展阶段。1 纯机械式转向系统机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。2 液压助力转向系统1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 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, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。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。3 汽车电动助力转向系统(EPS)EPS 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Cervo 车上, 随后又配备在Alto 上。此后, 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Delphi公司,都研制出了各自的EPS。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。日本早期开发的EPS 仅低速和停车时提供助力, 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, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展, EPS 技术日趋完善, 并且其成本大幅度降低, 为此其应用范围将越来越大。1.3 EPS系统的特点电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在： 降低了燃油消耗。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。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了按需供能，是真正的按需供能型（on-demand）系统。 增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，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。 改善了转向回正特性。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。 提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。 提供可变的转向助力。电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。 采用绿色能源，适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用最干净的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了绿色化的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。 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，所以不需要对不同的系统重新设计、试验、加工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。 生产线装配性好。电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。第2章 EPS系统模型2.1 EPS系统的结构及原理电动助力转向系统的结构如图2-1所示。系统主要由车速传感器、转向盘转矩传感器、电动机电流传感器、控制器、功率驱动电路、故障指示灯、离合器和直流电动机等组成。中央控制器ECU是EPS 系统的核心部件,它是汽车定速巡航系统的一部分，是速度控制系统的中枢，根据每种车型最平稳加速设计确定。ECU根据指令车速、实际车速及其它输入信号，经CPU数据处理之后输出信号驱动伺服控制器控制发动机节气门开度。控制器根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩,向电动机和离合器发出控制信号,通过功率驱动电路控制直流电动机的转动,电动机的输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,产生相应的转向助力。通过精确的控制算法,可任意改变电动机的转矩大小,使传动机构获得所需的任意助力值 。同时,控制器对系统进行实时故障诊断,一旦发生故障,将中断对电动机的电压供给,并点亮转向系统故障警示灯,同时将故障类型以代码的形式存储 。图2-1 电动助力转向系统结构简图1.车速信号 2.转矩信号 3.电动机反馈电流信号 4.离合器驱动信号 5.电动机驱动信号 6.ECU 7.转矩传感器 8.减速机构 9.离合器 10.直流电动机2.2 建立EPS动力学模型转向柱助力式EPS 的动力学模型如下图2-2所示, 图2-2 EPS动力学模型示意图设转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转动惯量分别为、; 转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的阻尼分别为、; 转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转角分别为、; 转向盘力矩、前轮及转向机构阻力矩、电动机作用到转向柱的助力力矩分别为、。2.3 EPS的动力学方程EPS 中转向盘和转向柱之间通过扭矩传感器连接, 根据传感器的工作原理有: （2-1）式中, 、 表示扭矩传感器的扭矩和刚度。考虑到EPS 中的速度匹配特性, 即电动机的转速经减速机构后应与转向柱速度快慢一致以及前轮转向机构和转向柱工作的协调性, 有: （2-2） （2-3）式中、 分别表示电动机和转向柱转角、前轮和转向柱转角的传动比。汽车在小转角的情况下, 轮胎特性处于线性变化范围, 前轮受到的阻力矩与前轮转角成正比, 即 （2-4）根据以上条件结合相关的力学定律可建立系统的数学模型如下: （2-5） （2-6） （2-7） （2-8）图2-3 电动机电枢电路示意图汽车在转向过程中, 控制单元根据扭矩传感器检测到驾驶员作用到转向盘的力矩信号和车速信号来决定电动机的助力扭矩的大小和方向, 在电动机和驾驶员的共同作用下来实施转向。其电动机采用直流电机, 电枢电路如图2-3所示,忽略其电感, 则电动机端电压U 与电枢电阻R 和电流I 的电压平衡方程式为: （2-9）电动机输出扭矩和电动机的电流存在以下关系: (2-10)在对电动机的控制中可以根据扭矩传感器检测到的扭矩信号控制电动机的电压, 即 (2-11) 式中, 为控制器。根据式(2-1)可以看出, 当转向柱转角一定时,转向盘转角越小, 则驾驶员作用到转向盘的扭矩越小, 转向越轻便, 达到了减轻驾驶员操纵力的作用, 因此可以建立以为输入, 为输出的EPS 系统助力特性传递函数, 系统控制框图如图2-4所示, 系统的传递函数如下: （2-12）式中, , , ,为控制器函数的拉氏变换。图2-4 EPS控制框图2.4 直流电动机 直流电动机是EPS系统的执行单元,在该系统中起着重要的作用。图2-5 直流电动机原理图如上图所示，给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A流入，经过线圈abcd，从电刷 B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷 A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。选择无刷永磁直流电机即可满足设计要求。第3章 基于高性能P87C591单片机控制方案制定3.1 单片机控制方案3.1.1P87C591单片机芯片简介PHILIPS公司生产的P87C591单片机有44个引脚，是一个单片8位高性能微控制器，它具有片内CAN控制器，是从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000 CAN控制器强大的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1：1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了80C51的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功能。P87C591组合了P87C554(微控制器)和SJA1000(独立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增强特性：1. 增强的CAN接收中断2. 扩展的验收滤波器3. 验收滤波器可在运行中改变通常，电动助力转向系统是一个8位单片机系统。因此，电动助力转向系统采用此种型号单片机作为控制系统, 能够很好的达到控制要求。P87C591功能框图如下所示：图3-1 P87C591功能框图特性1. 16K字节内部OTP程序存储器512字节片内数据RAM2. 3个16位定时/计数器T0、T1、和T2(捕获&比较)1个片内看门狗定时器T33. 带6路模拟输入的10位ADC可选择快速8位ADC4. 增强性能的6CLK加速指令周期500ns 12MHz5. 2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)6. 具有32个可编程I/O口(准双向推挽高阻和开漏)7. 带硬件总线接口8. 全双工增强型UART带有可编程波特率发生器9. 双DPTR10. 可禁止ALE实现降低EMI11. 低电平复位信号12. 增强型PeliCAN内核13. 增强的温度范围-40+85摄氏度14. 提供PLCC44、QFP44封装3.1.2单片机控制系统单片机采样的模拟量包括蓄电池电压、方向盘的主、副扭矩传感器信号、电机电流、电机端电压等参数。车速和发动机转速等非电量信号经过频率输人电路处理后, 其输出脉冲信号分别送到定时器0和定时器1的两个外部计数端口T0和T1, 通过定时器T2读取采样到的脉冲可以分别得到车速和发动机转速;单片机的PWM0口用来产生20K的方波频率信号, PWM1口作为助力电流指令的D/A输出,PWM0、 PWM1与电机反馈电流一起作为PWM电路的输人信号, 形成FET-H桥基极驱动的PWM斩波。除此之外，系统还有保证转向可靠性的转向锁定电路、电机端电压获取电路、电机故障检测电路、温度检测电路、EPS故障灯驱动电路、电源变换电路。FET-H桥驱动、离合器驱动、继电器驱动电路等。EPS硬件控制电路框图如下图3-2所示。图3-2 EPS硬件控制方框图当汽车点火开关闭合时, 微控制器即进行自检,自检通过后, 闭合继电器和离合器, EPS系统便开始工作。其基本助力过程为驾驶员操纵方向盘转向,扭矩传感器检测到方向盘的力矩和转动方向, 车速传感器检测到车速信号, 这些信号分别经过扭矩传感器输人电路和频率输人电路处理后送至P87C591相应端口, 单片机根据方向盘的转动力矩、转动方向和车速等数据, 并依据系统助力特性,确定电流的大小和方向, 通过PWM1口发出电流指令和不停地对温度、扭矩、电机、离合器进行检测, 如发现异常, 单片机将通过EPS驱动电路驱动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。3.2 EPS工作流程图扭矩电压=2.5V车速45Km/h无故障NNY开始采集扭矩信号采集车速信号闭合离合器采集发动机转速信号采集发电机电压信号处理输入输出信号误差计算PWM的占空比电动机正反转输出控制PID控制故障类型输出显示结束NYY图3-3 EPS工作流程图3.3 助力电流控制系统3.3.1 控制策略EPS控制系统助力输出电流（力矩）T。由电机目标助力电流控制算法和电机转矩控制两部分组成。前者根据驾驶员对方向盘施加的扭矩和车速确定电机助力的目标电流；后者根据电机目标电流和电机反馈电流对电机实际输出电流进行闭环控制。图3-4所示为助力电流控制策略原理框图。方向盘扭矩车速助力电流控制算法电机输出电流控制电动机图3-4 助力电流控制策略图3.3.2 电机目标助力电流算法控制系统根据驾驶员施加在方向盘上的力矩和当时的车速, 按照预制助力特性确定电机目标助力转矩的大小和方向,由于直流电动机转矩与电枢电流成正比, 故可用通过电枢的电流来代替电动机转矩进行运算分析,其助力算法为: （3-1）其中, 为计算机给定的目标助力电流(转矩) ,为扭矩传感器检测到的方向盘力矩信号, 为车速信号, 为助力比,即电机输出转矩和方向盘输出力矩的比值,它是车速信号的函数。图3-5 电机电流助力特性从上图可以看出, EPS 系统的助力特性是一个非线性函数。本系统制定的助力特性曲线示意图，横坐标为方向盘扭矩传感器电压信号, 反映了方向盘扭矩的大小和方向, 纵坐标为电机目标助力电流。当驾驶员施加在方向盘上力矩在死区(-1-+1)范围内, 即方向盘位于中间位置附近时, 电机助力电流为0，基本不起助力作用, 以防止转向过度灵敏;当方向盘力矩越过死区, 电机根据方向盘偏离方向线性的施加助力转矩，助力部分发挥助力作用效果比较明显。车速越高, 助力电流与方向盘力矩之间的增益越小, 以保证该系统在低车速时发挥较大的助力转向作用, 在高车速时明显减小助力转向效果, 从而使驾驶员在转向时获得较好的路感。为使方向盘操作平滑及左右转向时手感一致, 助力特性曲线保证了左右输人力矩与输出电流（力矩）的对称性。3.3.3 助力电流闭环控制系统采用无刷永磁直流电机, 端电压U与电感L、电枢电阻R、反电动势常数、转速、电流I和时间t的动态关系如下： （3-2）当电机电流稳定时, 可以简化为： （3-3）由于电机转矩与电流I成正比, 由式（3-3）可知, 电机转矩控制有电流控制和电压控制两种。电压控制为开环控制, 控制精度不高, 故系统采用电流闭环控制方式, 使得电机目标电流和实际工作电流之间的误差能够减少为零或足够的小, 而电流控制又可以通过调节电枢电压实现, 利用PWM控制技术把加在FET-H桥上的14V直流电压变成电压脉冲列, 并通过控制电压脉冲宽度来调整电机端电压值的大小, 从而调节电机输出电流转矩的大小。其原理如图3-6所示。图中ZR为正转信号, FR为反转信号 ,SSD为转向锁定信号, PWM为斩波脉冲信号。图3-6 电流闭环控制原理图由于EPS直流电动机需要正反转控制, 其控制电路采用如上图所示的FET-H桥式电路, 其极驱动电路采用分立元件搭建而成。功率管FET(a)与FET(d)受基极驱动电路控制同时导通与关断, 电流经14V电源、FET(a)电机、FET(d)、地构成正转回路。反之, 电流经14V电源、经FET(b)、电机、FET(c)、地构成反转回路。计算机发出的20K频率信号PWM0经过三角波电路形成20K的三角波输人至比较器的反相端计算机发出的目标助力电流指令PWM1与反馈电流进行模拟PID调节后作为比较器的同相端输人, 比较器对两个输人进行比较后就形成FET-H桥基极驱动的PWM斩波信号。PWM1值(即目标助力电流)越大,经过比较器比较后得到PWM斩波信号的占空比也就越大, 从而电机电流(力矩)就大, 反之电机电流(力矩)就小。P87C591单片机PWM0口发出20K频率方波信号, 经过三角波电路处理后形成20K的三角波信号输入至比较器的反相端; 把P87C591单片机PWM1口配置成一个DAC,发出由助力特性得出的目标助力电流指令,D/A 转换为电压模拟量后与反馈电压模拟量进行模拟PID调节,调节的结果输入至比较器的同相端, 比较器对两个输入进行比较后就形成了相应大小占空比的PWM斩波脉冲信号。本系统PWM1发出给定助力电流指令信号范围为05V,对应PWM斩波脉冲信号占空比为0100%,即加在电机电压U 范围为014V,电机实际输出电流控制范围为025A,对应的反馈电压信号范围为05V。当电机实际输出电流与给定电流相等时,反馈信号与给定指令信号相等,PWM占空比维持不变, 否则有如下的调节过程:当实际输出电流小于给定电流时:减小减小增大PWM增大U增大增大当实际输出电流大于给定电流时:增大增大减小PWM减小U减小减小第四章 EPS控制系统设计4.1 EPS 控制器模块化设计由于EPS系统助力电动机的工作电流非常大,最大可达30A ,在控制器的开发中,为增强硬件系统的抗干扰能力、提高系统的可靠性,将硬件系统进行了分层设计。将信号处理电路设计成一块电路板,而将功率较大、发热量大的助力电动机驱动模块及电磁离合器驱动电路设计成配带散热片的驱动电路板,两电路板之间的电动机控制信号、电磁离合器控制信号通过光耦隔离和排线联接。控制器的模块化结构如图4-1所示。控制器是EPS系统的核心部件，主要由微处理器、传感器信号调理接口电路、脉宽调制器、看门狗电路、电动机功率驱动模块等组成。电动机功率驱动模块为由功率MOS管组成的H桥驱动电路,为了提高电动机控制效果,减小电动机振荡,H桥驱动电路采用双极性驱动方式。控制器根据输入的转向工况,可通过控制H桥电路产生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高转向盘的操纵性能。转矩传感器车速传感器电流传感器发电机转速输入信号处理电路微处理器驱动及保护电路直流电动机离合器EPS指示灯ECU供电模 块故障诊断模块图4-1 EPS控制器模块化结构图4.2 电机控制电路设计4.2.1 H桥驱动芯片IR2110功能简介美国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。1.驱动芯片IR2110功能简介在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。2.IR2110引脚功能及特点简介内部功能如下图4-2所示:图4-2 IR2110内部结构功能图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 Nc（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0V Nc（引脚14）:空端3.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。4.IR2110的工作原理IR2110内部功能由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。电动机功率驱动模块为由功率MOS 管组成的H桥驱动电路,为了提高电动机控制效果,减小电动机振荡,H桥驱动电路采用双极性驱动方式。控制器根据输入的转向工况,可通过控制H桥电路产生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高转向盘的操纵性能。4.2.2 H 桥功率驱动电路直流电动机是EPS系统的执行单元,对电机的控制在该系统中有着特殊的地位。在所设计的EPS 系统中采用了双极性的H 桥功率驱动电路实施对直流电动机的控制。EPS系统双极性H桥功率驱动电路图,如图4-3所示。图4-3 EPS系统双极性H桥功率驱动电路图UsTU/V12TttU/V12Q1(Q4)门极激励电压Q2(Q3)门极激励电压图4-4 H桥双极性驱动控制信号波形系统中利用2片IR2110构成功率MOSFET(Q1Q4)的基极驱动电路。IR2110的脚1和7脚的电平跟随脚10和脚12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) 。当来自87C591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U1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4-4所示的控制信号。假定PWM0口的输出波形如图4-4所示,电压脉冲信号的周期为T,则脉宽调制信号的占空比为下式决定的值,= ,设脉冲高电平为Us,则加在电枢线圈上的平均电压Ua=(2- 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。当在值域(0 ,0.5) 与(0.5 ,1) 电动机的转动方向相反。4.2.3 电机保护电路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。为此,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4-5 所示。电流传感器的采样输出在05V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,故如图4-5所示进行了减法处理、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。保护输入端GDN电枢绕组引线电流传感器差动电路绝对值电路比较器图4-5 电机保护电路4.3 PWM斩波4.3.1 PWM控制原理理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图4-6 a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，图a为矩形脉冲，图b为三角形脉冲，图c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图d的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过度函数。图4-6 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。图4-7 PWM控制的基本原理示意图4.3.2 PWM斩波电路PWM斩波电路采用集成脉宽调制器SG3525实现斩波电流信号的生成。SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片机成脉宽调制控制器。由于它简单可靠、使用方便灵活、大大减轻了脉宽调制器的设计及调试工作。SG3525工作时的斩波频率值和死区大小由接于5、6、7引脚上的、和共同决定，即：图4-8 PWM斩波电路芯片通电后，4引脚将输出频率为的载波，经过内部的误差放大器、比较器及PWM锁存电路，SG3525的11端和14端将输出2路互补的单极性PWM信号PWM0和PWM1。4.3.3 PWM驱动电路频率的选择电动助力转向系统要根据转向盘转矩及车速情况来不断调节直流电动机的电枢电流和正反向转动,以提供适当的助力,因此必须用功率驱动电路,目前广泛应用开关型功率驱动电路,其中最常用的是PWM 驱动电路,通过改变占空比的方法来改变电动机的端电压。脉宽调制的频率对EPS 系统具有重要的影响。PWM 频率的选取主要考虑其与机械系统固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响及噪声对人的影响;同时要考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。机械系统的固有频率一般低于100 Hz ,应该使PWM 周期远远小于机械系统的固有时间常数,可选择PWM 频率为220KHz ,这在大多数情况下不会影响机械系统的正常工作。由于电动机的转子绕组中存在电感,当电动机时间常数 远远大于PWM 周期时,电动机电枢电流平滑且电流连续,相当于低通滤波器的作用,滤除了输入电压在开关管开通与关断过程中引起的纹波;但当 相对于PWM 周期比较小时,电枢电流因开关开通与关断引起的纹波就比较明显,引起电动机转动中的振荡,降低驾驶员操纵转向盘的手感,如下图4-9所示。图4-9 与关系对电动机电枢电流的影响（a） （b）而且,随着PWM 频率的提高,振动噪声对人的影响越来越小,当调制频率超过15KHz 时,对人的噪声影响消失。但是,PWM 频率的提高也引起了开关管的发热增加、电磁干扰增强、对电磁兼容性的要求提高等不利影响。同时,由于开关管的开通和关断延时,在开通和关断的过程中产生损耗,开关管的迅速开通和迅速关断是必要的。但是,开关管的迅速开通和迅速关断会引起过大,产生很大的尖峰,严重时可导致电动机和开关管的损坏。对此,可在电动机两端并联限流电阻和缓冲电容,必要时反并联续流二极管,如图4-10所示。由图4-10 b 可以看出,当采用缓冲电路时,电动机驱动电路的脉峰得到了大幅度抑制,降低了系统损耗,提高了系统的可靠性和安全性。（a）（b）图4-10 PWM驱动电路（a）电动机驱动及缓冲电路 （b）缓冲电路的脉峰抑制作用功率场效应管( Power MOSFETs) 具有极快的开关速度,可达100 kHz 以上,在设计的EPS 控制器中采用功率场效应管作为开关管。设计中采用汽车电子专用的MOS 开关管;并综合考虑PWM 频率对各方面的影响,选用脉宽调制频率为20 kHz 可满足要求。第5章 汽车转向技术的发展趋势5.1 线性转向系统助力转向系统经过几十年的发展, 技术日趋完善。今后, 电动助力转向系统将进一步成熟, 线控转向系统将成为我们研究的努力方向。线控转向系统( Steering by Wire-SBW) 是更新一代的汽车电子转向系统, 线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。该系统具有2 个电机:路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上, 控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩, 向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上, 汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服, 转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被动安全性, 有利于汽车设计制造, 并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接, 生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难; 且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前处于研究阶段, 只配备在一些概念汽车上。5.2 转向技术发展趋势具体来说, 转向系统主要从以下几个方面进一步发展:( 1) 传感器技术性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前, 传感器的成本是制约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素, 因此, 设计和开发适合电动助力转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。( 2) 控制策略的研究控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一, 也是电动助力转向系统的核心技术之一。目前, 国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于助力转向系统的研究, 如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和自适应控制理论等。今后, 控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面, 以进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。( 3) 助力电机的研究助力电机是电动助力转向系统的执行元件,助力电机的特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。目前, 电动助力转向系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。由于直流无刷电机采用电子换向, 减少了换向时的火花, 不需要经常维护以及具有较高的效率和功率密度等优点而受到越来越多的关注。因此, 开发适合助力转向系统使用的低成本的直流无刷电机是今后助力电机的研究方向。结束语纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用;液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 在重型车辆上广泛应用; EPS 以其特有的优越性而得到青睐, 它代表着未来动力转向技术的发展方向, EPS 将作为标准配置装备到汽车上, 未来一段时间在动力转向领域占据主导地位; 而HBW 由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性等原因, 将成为动力转向系统的发展方向。致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！在论文写作过程中，得到了何琳琳老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，何老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。除了敬佩何琳琳老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向何老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了