945191677电子动力转向系统的研究与设计（毕业论文）

（论文） 1 目 录 1 引 言 .1 1.1 汽车电动助力转向 系统的特点 .1 1.2 电动助力转向系统国内外的研究现状 .2 1.3 EPS 的发展趋势和急待解决的核心技术 .2 1.4 本课题研究的目的与意义 .3 2 电动助力转向系统方案确定及其工 作原理 .4 2.1 电动助力转向系统的工作原理 .5 2.2 电动助力转向系统的数学模型 .7 2.3 电动助力转向系统的主要部分 .11 3 电动助力转向系统的硬件设计 .16 3.1 电子动力转向系统控制器的总体结构 .16 3.2 控制器微处理芯片的选择 .17 3.3 控制器输入通道的设计 .20 3.4 控制器输出通道的设计 .23 3.5 系统供电电源电路设计 .28 3.6 系统硬件抗干扰措施 .28 4 电子动力转向系统的软件设计 .30 4.1 EPS.的控制策略 .30 4.2 电子动力转向系统各功能模块的软件设计 .32 5 总结 .38 参考文献 .39 致 谢 .40 （论文） 2 附 录 .41 1 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 （论文） 3 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。 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。 （论文） 4 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。 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， （论文） 5 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。 2 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。 图 2-1 电动助力转向系统的方案框图 第二方案： PWM A/DA/D 80c552 80c552 车速信号 发动机转速信号 扭矩信号 74LS373 AT28C64 驱 动 电 路 光 电 隔 离 离 合 器 直 流 电 机 （论文） 6 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 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。 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: 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 （论文） 7 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。 3 1: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） 8 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） 9 (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） 10 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: XX U 电机 Tsen Im Ta Tw Rp 转矩传 感 器 ECU 减速机构 减速机构 sTh （论文） 11 J +B =T -T (2-1)sshsen 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 ; 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 K m （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） 12 对电动机机械部分受力分析，可以得到: Jm m + Bm m=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 G e） (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: Je e +Be e=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; 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 （论文） 13 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 Js s + Bs s+ Ks s=Ts + Ks （2-10） .prRX Jm m +Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11） . pr Mr r+Br r+Kr Xr= + -F （2-12 ） .X. prKpsr Mr=mr+ 减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量，Kg；2perJ Br=br+ 减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数，N/（m/s） 。2perB Kt=kt+ 小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数，N/m；2psrGKmk 2.3 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 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 （论文） 14 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 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 （论文） 15 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 为 1.48Nm. （论文） 16 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 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 （论文） 17 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 ECU ECU 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） 19 （论文） 20 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） 21 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 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 （论文） 22 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。 3.2.2 89C51 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 、XTAL2cs (2)控制引脚： 、ALE、 、RESET（即 RST）PSENA (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） 23 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。 8 P1.0/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT012 P3.3/INT1 13P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL218 XTAL1 19 VSS20 P2.0/A8 21P2.1/A9 22 P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25 P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28 PSEN 29 AL E 30 EA/VPP31 P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38P0.0/AD0 39 VCC 40 89C51 12保HZ 20pFC1 20pFC2 C3 R1R2+5 +5 2 31 2 31 1 2 DQ CPQ DQ CPQ D7 28D6 27 D5 26D4 25 D3 24D2 23 D1 22D0 21 ADDA 20ADDB 19 ADDC 18 EOC 17 GND 16REF(-) 15 START1 ALE2 OE3 REF(+)5 IN713 IN6 12 IN511 IN410 IN3 9 IN28 IN17 IN0 6 Vcc4 CLK 14 ADC 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） 24 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） 25 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/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT012 P3.3/INT1 13P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL218 XTAL1 19 VSS20 P2.0/A8 21P2.1/A9 22 P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25 P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA/VPP31 P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38P0.0/AD0 39 VCC 40 89C51 +5V +5 WE20 OE22 A19 A0 10 A28 A37 A46 A55 A64 A73 A825 A924 A1021 A1123 A122 CS1 26 VCC 27CS2 1 Q0 11Q1 12 Q2 13Q3 15 Q4 16Q5 17 Q6 18Q7 19 GND 14 U3 6264 OE1 LE11 D03 D14 D27 D38 D413 D514 D718 D6 17 GND10 VCC 20 Q0 2Q1 5 Q2 6Q3 9 Q4 12Q5 15 Q6 16Q7 19 U2 74LS373 +5 VCC 图 3-6 单片机 89C51 和片外 RAM 的电路连接 （论文） 26 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。10 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） 27 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 DC 12-15V 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，50Hz PAS-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） 28 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） 29 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） 30 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=t l/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。 a l。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） 31 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 V DS 55V 栅源开启电压 V O 4-20V 额定漏极电流 I DS 64A 导通电阻 R ON 14m 开通时间 t on 90ns 关短时间 t f 84ns （论文） 32 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） 33 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） 34 R1 LM339N R2 R4 C1 R5 R3 保保 保保保保保保保保 176 12 3 +12 +12 10mH L1 D1A11 Y12 A23 Y24 A35 Y36 A47 Y4 9A5 10Y5 11 A6 12Y6 13A7 14 Y7 15 GND8 VCC 16 U 10UF C +5 K2 D2 A -+ 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） 35 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