汽车电动液压助力转向电子控制系统研究

重庆交通大学硕士学位论文汽车电动液压助力转向电子控制系统的研究姓名:周波申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:李伟;季学武20100401摘 要汽车电动液压助力转向系统是在传统液压助力转向系统上发展起来的一种新的机电一体化产品,具有优良的转向手感和节约能耗等优势。由于其优良的性能,在国外很早便进行了研究,并且已经普及装车了。国内对于电动液压助力转向系统的研究还处于初级阶段,因为该系统涉及机械、电子、自动控制等多学科领域,面临的难题也很多,并且由于国外技术壁垒等因素,国内在这方面的研究还比较落后。首先,本文对某轿车电动液压助力转向系统的结构组成和工作原理进行了分析,在完善了该轿车系统性能测试实验台的相关硬件设施后,通过总线适配器获得了系统的助力特性数据,绘制了系统助力特性三维曲面图,并对其助力特性进行了分析。重点分析了系统助力电动机的结构特点、工作原理和控制策略。根据该电动机的特点和系统技术要求,研究了一套基于位的控制器,该芯片具有丰富的硬件资源和出色的电机控制模块。控制器系统采用转速外环和电流内环的双闭环调节,增加了电机的启动、抗负载、抗干扰的性能。最后,进行了电动液压助力转向系统空载试验。根据给定的车速信号,助力电机能够准确、快速的达到目标转速,并且当电机受到干扰如用手施加阻力后,电机能够快速的回到目标转速。实验验证表明,本文所研发的控制器具有较好的可靠性;电机调速比较稳定;所采用的控制算法能够达到快速性、准确性和稳定性。关键词:;控制器:助力特性曲面 ? . , ,.,., ., . , . ?.,. ,. ., .?. , ,., .:;重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者篝名:习次 日期:孔形年每月夕日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等,同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。:指导教师签名位期 月作易溲胡文 期:产年一 戳厶 名甲扎?嗲本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。指导教师签名:学位论文作者签名:词赴日期:孤/口年仁月/歹日日期:跏年争月夕第一章绪论第一章绪论.汽车转向系统概述汽车在行驶过程中,需要按驾驶员的意图经常改变其行驶方向,即所谓汽车转向。就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是驾驶员通过一套专设的机构,使转向桥一般是前桥上的车轮转向轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时,转向轮也往往受到路面侧向干扰的作用,自动偏转而改变行驶方向。此时,驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转,从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套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。因此,汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意图而进行转向行驶【。随着现代汽车电子技术的快速发展,人们对于汽车转向系统操纵性能的要求也日益提高。为了保证车辆在任何工况下转动方向盘时,都有理想的操纵稳定性,即使车辆在停车情况下转动方向盘时也能够轻松自如,而在高速行驶时又不会感到轻飘不稳。因此,在汽车原有的机械转向系统上增加助力转向系统可以很好的改善汽车的转向操控性能【。根据转向能源的不同,汽车转向系统可以分为机械转向系统和助力转向系统,如图.所示。. 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传递力的部件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。助力转向系统就是在原有机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形第一章绪论成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机或电动机.其中发动机或电动机占主要部分,转向助力通过转向加力装詈提供。常情况下,驾驶员能轻松地控制转向。但在转向加力装置失散时,就回到机械转向系统状忐,一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。助力转向系统按照传能介质的不同,可以分为四种形式:液压助力转向系统液坻助力转向系统是利用发动机带动转向油泵工作。转向时,液压油经转向控制鼍分配流入转向助力缸中的一个腔室,而另腔审则有一部分油回流。这样两腔之叫产生了压力差.从而产生助力。并且传统的渡堆助力转向只具有单一的助力特性,助力不能随着车速的变化而变化,在低速转向轻便性和高速转向稳定性之间,只能采取折中的方法.其结粜是汽车在原地转向时助力不足,高速时转向助力偏大。图 为传统液压助力转向系统结构示意阁。图 液压助力转向系统示意刚 /电动液压助力转向系统为了克服液压助力转向系统转向单一和能耗大的缺点。电动液压助力转向系统是在传统液压系统的基础上增设了电动机、转向盘转速传感器、电控单元叽和车速传感器【。它用电机代替发动机带动转向油泵工作,由蓄电池提供能量,根据车速信号、发动机信号和方向盘转速信号实时控制电机转速,电机转速越高,转向油泵的流量越大,相应产生的助力也就越大。通过调节电机转速,就以实现可变助力【。与传统液压助力转向系统相比,电动液压助力转向系统采用车速感应的可变转矩力控制方式,提高了汽车的操控稳定性:改由电机驰动油泵,附加能耗可以降低%.%”。与目前的电动助力转向系统相比,电动液压助力转向系统的传力介第一章绪论质为液压油,转向手感要优于。并且,可以在现有的液压助力转向系统的基础上进行简单的改装,因此,在未来的几年中电动液压助力转向系统还有很大的发展空问。图 为电动液压助力转向系统结构示意图。电控液压助力转向系统图.为一种反力控制式液压助力转向器的结构及原理图。阀芯的下部装有由弹簧、活塞和钢球组成的反力机构。活塞可相对阀芯轴向移动,但二者不可相对转动。活塞的下端及阀套的上端有型槽,钢球置于第一章绪论型槽中。这样,活塞上的轴向力对阀芯和阀套的相对转动起阻碍作用。反山机构位于反力腔中,而在进油环槽和反力腔的通道卜安装有电磁阀。该系统的工作过程为:转向电控单元图中未绘出根据采集到的车速信号,对电磁阀电流进行控制,以改变反作用腔中的油压,从而使阀芯附加的转动阻力产生变化,获得所需要的路感。汽车行驶速度低时,流经电磁阁线圈的电流大,反力腔与进油腔问的通道被堵塞,反力腔中无法建立油压,这与普通液压助力转向系统相同,转向操舵力较小。随着车速的增加,流过电融阀线圈的电流减小,反作用腔与进油腔之间的节流面积增大.油液的压力损失减小.反作用腔中压力升高,转动阀芯的阻力增大,转向操舵力增加。套 漆“。一:油卜箜辫卜转向齿轮;一阀套:一活塞;一弹簧;一挡片;阀芯;一油泵;一屯磁剃:一储油罐;一安全阀;卜钢球:一转向助力缸;一进油环槽;铲反力腔控制阀结构.作原理圈 液压反力式助力转向器结构及原理 母 .系统的基本工作原理及发展现状 系统的分类【电动液压助力转向系统根据转阀的不同分为叶位开式和中位闭式。中位开式所示。转向阎中位有预开量,不转向时,阀芯的槽转向阀及其工作原理如图脊与阀套的槽正对.而前者比后者略窄,此时,转向动力缸的左、右腔室相通,且与油泵的出油、回油口相通;左、右腔油压相等,不产生助力。来自转向液压泵的液压油经过槽和槽脊之倒的间隙预开口、阀芯上的径向孔流回油箱,因此也被称为常流式转向助力系统。转向时以左转向为例.右转向时分析方法相同,第一章绪论扭朴在外力作用下产生扭转变形,而阀芯和阀套分别与扭杆的两端固连,因此阀芯相对阀套转动,阀芯的槽脊与阀套上槽的两侧间隙不对称,使油泵泵出的油液大部分进入动力缸右腔、小部分进入左腔,两侧的压差推动活塞与齿条轴固连右移,从而产生助力作用。中位开式转向助力系统的优点是结构简单、液压泵寿命长和转向手感好四。剀 中何开式系统 中位闭式转向阀如图 所示。当方向盘处于不转向的中间位置时,转向阀的进出油口关闭。液压回路中装有蓄能器,当蓄能器中的压力低于某一位时,卸荷阀关闭,液压泵向蓄能器供油;当蓄能器中的压力达到另一较高值时,卸荷阀扣开,液压泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中总保持一定的工作压力,所以也被称为常压式转向助力系统。中位闭式转向系统最大的优势在于,在非转向工况下,系统几乎不消耗电动机的能量,在液压泵不运转的情况下,系统保持一定的转向能力。但是中位闭式转向助力系统转向流量和压力由蓄能器提供,在各种工况下输出不易调整,转向助力不能随转向负荷做相应的变化,降低了驾驶的可靠性和舒适性。另外,它的密封和结构都比中位开式复杂,所以目前车辆中常用的仍是传统的中位开式转向助力系统【“。第一苹绪论鬟?。?二磐二?弋?噜图】某轿车电动液压助力转向系统的结构示意图. 小 以某轿车使用的系统为例。其基本的工作原理是:系统通过总线输入发动机点火信号和车速信号.当控制器检测到发动机点火信号时,系统开始工作,这时助力电机保持怠速运转。当汽车直线行驶不需要助力时,扭杆处于旋转分流阀的中间位置,嘏压油几乎无压力的通过旋转分流湖由回油管流回储油罐;当汽车转向需要助力时,控制器根据由总线输入的车速信号。和方向盘旋转角速度信号来决定助力电机的转速,驱动齿轮泵输出相应压力的高压油,高压油筇奄绪论经旋转分流阎进八助力/。司时右腔的液压油经回油管流储油姥。雪商蓄曼。虱种隧 乜动渡压助力转向系统示意幽.系统的国内外发展现状从年只本公司研制出第一台电动液压助力转向系统至今,系统在很多方面都有了很大的进步。其中最大的变化就是由无刷直流电机代替有刷直流电机.齿轮泵代替叶片泵【”。并且,随着电子技术的飞速发展,也由最初的位单片机向功能、运算能力更加强大的位过渡。由于这些新技术的使用使得的助力特性得到不断的提高。文献介绍了口轴负荷小于车辆的中位开式电动液压助力转向系统。系统用车辆的速度信号对电动机转速进行控制,采用开环方式;在控制器中嵌入固定算法,可靠性较好。在市区公路上行驶,系统能耗为发动机驱动油泵系统的%。在提高节能效果方面,文献傈用车速和方向盘转速作控制参数。在非转向工况,电动机以比转向工况更低的备用工况转速运转;转向工况,系统根据车速及方向盘转速信号控制电动机从备用工况迅速转入转向工况。文献对紧急避让工况系统的响应进行了仿真;系统响应迅速,助力平稳.可以满足助力要求。由于在非转向工况,电动机转速维持在很低的水平,消耗能量很少,系统的能源利用率有较大提高。但研究没有对备用工况电动机转速的选择做分析,对系统的设计缺乏实际的指导意义。圈外虽然已经有产品推出,但由于时间较短,还不具有很大市场捌模,而且汽车产品都有较长的试验期和寿命测验,所以如今的大多数的汽车还是采用传统者更高级的系统所代替【。第一章绪论国内对于系统的研究还处于探索阶段.因为该系统涉及电子、机械、自动化等诸多领域,需要多学科的交叉.面临的难题也比较多,另外国内在无刷电机和转向传感器方面的配套技术比较落后。而且困外对技术非常保密。这些因素导致了我国在系统方面的研究十分落后。.本文的研究内容本文首先研究某轿车系统的工作原理,及其系统助力电机控制原理。并在此基础上研究开发了一套系统控制器,通过实验研究该的助力性能,最后进行台架空载实验。本文的主要研究任务有:深入研究系统工作原理;进行系统静态性能测试,测绘出系统助力性能特征曲线,并分析其助力特性;重点研究系统永磁无刷直流电机工作原理、控制方法和控制策略。系统控制器硬件的研究开发,包括芯片的选型、原理图的设计、板的绘制、电路板的调试;在实验台架上完成对系统的测试,验证该控制器的正确性与可行性。第璋系统的特性测试发控制肇略分析第二章 系统特性测试及控制策略分析.系统测试实验台简介图 系统性能测试试验台的全景视图珊.实验台机械系统本试验台的机械系统主要包括试验台架、模拟转向阻力的弹簧、电动泵、转向盘、转向轴、转向管柱、齿轮齿条转向器以及转阀和助力油缸等。图.中深蓝色部分为试验台架,本试验台架是直接与地面连接的,因此可以将整个试验台固定在地面上保持整体不动,保证了试验台的稳定性。汽车在转向的时候主要克服的是车轮与地面问的摩擦力,以及转向系统机械摩擦等,为了模拟车轮与地面间的摩擦力,使得转向机构具有定得负载,本试验台在试验台架的两边固定了两个弹簧.以此来模拟汽车在转向过程中转向机构的负载。该系统将储油罐、控制器、电机、齿轮泵集合在一起组成电动泵,节省了空间,并且便于安装。电动泉如图.所示。第一章系统的特性洲斌乏控制策略分忻警萄。:氩舀澎 美。学叠爱叠当转向盘右转时如图 ,油泵泵出的高压油进入左缸,推动活塞向右移动,右缸的低压油则回流入泵,从而产生向右的助力。当直线行驶时,左右缸油压相同,没有助力:转向盘向左转时,相应产生向左的助力。.实验台电器系统本试验台的电器系统主要山无刷直流电机、微控制器、方向盘转速传感器、电机转述传感器,总线适配器,:位机,示波器,数字采集仪以及雷电池、开关等部分组成。第一章系统的特性洲试嵌托制麓略升忻力向黜转进他感器抄幽.方向盘转速传感器转于及定,。郫叫封 礁旋转编码器实验台信号传输顺序上位机通过总线适配器向系统控制器芨送所需信号,包括车速信号和发动机信号,转向盘转速信号和助力电机转速信号经过通信板转换为相应的电压物理量,通过示波器记录一次数据,虽后将采集到得数据保存到上位机进行处理。助力电机转速传感器电机转速信号主要由磁旋转编码器来获取。在电机外转子底部安装一个纽扣形磁铁,就可以实现电机转速的获取,如图.所示。的工作原理是通过芯片内部的线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分布,从中分离卅角度信息。浚磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为、两路,磁铁柑对旋转一周,、通道系判断转动方向,通过倍频可以状得位的分辨率。将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列自的角度,磁铁每旋转周,将输出个绝对角度信号,通过通讯可将其读出。在绝对角度为或时,通道将”“。第。章系统的特测试及控制策略分析.总线适配器及其使用方法介绍本文进川光。 总线适配器 ,奠外观加罔.所不. .总线适配器是带有 接 和路接勺总线适配器.可进行双向传送。 ?总线适配器司以艘作为个标准的竹点,是总线产品开发、总线设备测试、数据分析的强大工具。采用法接【适配器,可以通过接连接个标准网络,应用于构建现场总线澳试实验室、业控制、智能楼宇、汽牟电子等领域中,进行数据处理、数据采集、数掘通讯。同时,.接适配器具有体积小、方便安装等特点,也是便携,系统用户的最悻选择。幽.占目光电总线适配器外形接口适配器设备中,总线电路采用独立的?电源模块,进行光电隔离,使该接口适配器具有很强的抗干扰能力,大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。.接口适配器产品可以利用厂家提供的工具软件,直接进行总线的配置,笈送和接收。用户也可以参考厂家提供的动态连接库、例程编写自己的应用程序,方便地开发出系统应用软件产品。.总线适配器的性能与技术指标是:与总线的协议转换:具有两个通道独立接口;具备个通道接接口支持 ,兼容 ;支持 和.协议,支持标准帧和扩展帧;支持烈向传输,发送、接收支持数据帧.远程帧格式:控制器波特率在一之间可选,可以软件配置:总线接口采用光电隔离、.电源隔离;堆大流量为每秒钟帧总线数据;内部接收缓冲区容量为每通道;第二章系统的特性测试及控制策略分析 总线直接供电,无需外部电源;隔离模块绝缘电压:;工作温度:一;浚适配器带有数据发送,接受软件,如图.所示。用户可以自行编写发送数据表格,如表所示。盘墨田衄墨墨?圆一。?豆一一?:誊: “?,一蕙,:一:妒蛋端雠?再。矗面 ”“?。一”一一图 /软件界面.表发送数据表格式龇 ?“圳四“%删女?。口四%。?。洲?&躺十洲?四?。?洲?”喇十?八?四“四“ ?自“”?四?四?晰九?四四口删? 九四?.系统静态性能测试.系统静态测试目的为了研究某轿车系统控制策略的设计思路,同时为系统控制策略的表格制定提供参考,进行某轿车系统静态助力特性的试验。在已经进行了的动态试验中,由人力转动方向盘提供方向盘转速信号,将由数据采集仪采七二震用人力转动万向龠,阿口.方向甜的限制,组难获得较时的、稳定的方向:转速,瘦助山?乜机转述泼自足啦的响埘方向鼎转速的变化,町测符的赦批电并小删想,蛐助力乜机转速没有达到【论要求的撤高转谜等。为了弥补动态删试的小足.本文行了某轿车系统静忐助山特?的试验。.实验方法分别通过总线发送辨给定恒定车速/,隔/,在各恒定车速条件下由直流无刷电机带动方向盘转速传感器,提供。/转速信号,并且最后转速维持在。/,示波器同步己录此时转向盘转速与助力电机转速数据。分别测得/,/,/,/,/,/,/./共组试验数掘。图 所示为车速为/时转向盘转速与助力电机转速测量数据图。无刷直流电机转速由。/加速到。/,最后一直维持这一转速。助力电机山怠速跟随方向盘电机加速到电机最高转速然后进过一段时问回到怠速状态。表.为转向盘转速.助力电机转速关系部分原始数据,由示波器采集得到数据为格式。示波器采集一次数据。表 转向盘转述助力电机转述芙系部分原始数据.? , 第二章系统的特性测试及控制策略分析.系统静态性能测试数据的采集与处理在数据采集过程中,山现场设蔷较多,不可避免地会产生于扰,为了减少这种随机干扰的影响,必须采用数字滤波剥采集到的数据进行滤波处理。其中移动平均滤波法便是种很有效的方法。移动平均滤波的基本原理是:基于统计规律,将连续的采样数据看成个长度固守为的队列,在新的一次测量后,上述队列的首数据去掉,其余个数据依次前移,并将新的采样数据插入,作为新队列的尾;然后对这个队列进行算术平均值运算,并将其结果作为本次澳量的结果。移动平均滤波器是一个低通滤波器,是对模拟滤波的补充,用于实时检测,只要采样频率足够高,就能得到较为理想的测量结果。由于本试验采样频率很高,因此采用移动平均滤波可以得到很好的结果。在中可以很方便地实现移动平均滤被,只需对若干数据取平均值,然后用公式自动填充平均值所在的列即可。经过对比分析,发现对转向盘转速取、对电机转速取滤波效果最好。从图.中还可以看出,在同一时刻采集到的数值并非唯一值,而是“一对多”。针对这种现象,采用平均值法减少误差。分别取转向盘转速为、/对应的助力电机转速值,将若干个助力电机转速值取平均值作速二维曲线图。醇 订。 叫甜山.系统控制策略分析为了研究助力性能,本文进行了系统助力性能测试。在方向盘转速为零的情况下,助力电机转速随车速变化形成的曲线代表了系统中无刷直流电机在无载荷状态下的性能特性,是最能直接反应系统与车速关系的特性曲线。辛载助力电机转速随车速变化曲线如图 所示。第二章系统的特性测试及控制策略分析.三蔷强赛删车速/图.空载助力电机随车速变化曲线、. 由空载助力电机转速随车速变化曲线可以看出,助力电机在零车速下转速为/。随着车速的提高,助力电机转速逐渐下降,当车速达到/时,助力电机转速降到/。在整个车速范围内./,助力电机转速基本上维持在/上下。这一特性符合系统在汽车低速时的特性:当车速较低时,车轮与地面的摩擦主要是静摩擦力,此时的摩擦力比较大,转向盘比较沉,这时系统无刷直流电机的转速较高,油泵提供较大的助力油流量,进而在转向时能够迅速提供较大的转向助力,并且提高了系统的响应速度。但是在汽车高速时,这一特性并没有满足系统的特性:在车速较高时,车轮与地面间的摩擦力主要由静摩擦力变为动摩擦力,此时摩擦力较小,转向盘较轻,甚至觉得发飘,导致转向手感和安全性降低,即路感差。这时在转向过程中为了使驾驶员能够感觉到方向盘较沉,从而改善转向手感和安全性,系统只需在转向时提供较小助力即可,对系统响应速度要求不高,因此,此时无刷直流电机转速保持一较低转速即可,油泵的流量也随之下降,提高了经济性。图.为车速在./时转速变化曲线;图.为车速在/./时转速变化曲线。/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到。/,/。并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,此时转速为/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线第二章系统的特性测试及控制策略分析车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。转速变化曲线保持平并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为稳增长。/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。/左右。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。/左右。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。/左右。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。车速为/时的并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为助力电机转速随车速变化曲线在转向盘转速为/时具有一个下凹的趋势。./车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。/左右。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到/,/。并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线车速为/时的助力电机转速随车速变化曲线在转向盘转速为/时具有一个下凹的趋势。在车速为/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在 /左右。随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转/。向盘转速达到/,并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为车速为/时的助力电机转速随车速变化曲线在转向盘转速为/时具有一个下凹的趋势。/车速时电机转速随方向盘转速变化曲线第二章系统的特性测试及控制策略分析在车速/时,助力电机转速在方向盘零转速时达到最低,为/。/左右。与汽车低速时相比,助力电机转速并没有明显降低,而是保持在随着方向盘转速的升高,助力电机转速也迅速升高,在转向盘转速达到。/,并维持这一转速时,助力电机转速达到最高,为 /。车速为/时的助力电机转速随车速变化曲线在转向盘转速为/时具有一个下凹的趋势。图. ./曲线图./ 第二章系统的特性测试及控制策略分析/./曲线图图. / .系统助力特性下特性:在各车速下,随着方向盘转速由/连续增长到/时,助力电机转速保持连续增长。在方向盘转速为/时,助力电机转速为最低值,并且在各车速下保持这一最低转速,为/左右。当方向盘转速为/,并保持这一转速时,助力电机转速达到最大值,为/左右。在车速为/./时,曲线斜率先大后小,方向盘转速为/这一点时为分界点,曲线在这一点处呈上凸趋势。车速为/时,曲线斜率在整个范围内基本保持不变。当车速为/./时,曲线斜率先小后大。在分界点处呈现下凹趋势。这种曲线变化特点的出现于系统的控制策略是有很大关系的。在车速较低时,曲线呈上凸趋势,随着转向盘转速提高,电机转速提高的斜率先大后小,这就使得驾驶员在以较低转速转动转向盘时就可以获得较大的转向助力,具有较好的转向手感。当车速较高时,曲线呈下凹趋势,电机转第一章系统的特性测试盐控制镱略分析速上升的斜:先小后人,这就使得驾驶员在以较低转速转动转向盘时获得匀转向且句力鞍小,转阿盘手感较:,获较好的转向于感咀发转向安全.,.系统静态性能特性曲线图将以上各固定车速下助力电机转速随方向盘向盘转速变化的维曲线图综合起来,绘制出系统静态性能特性三维曲面图,如图.所示。此图为分析、制订系统助力特性控制策略提供了参考依据。幽 系统静态性能特性曲线鳘醇山系统特性图可以看出,某车系统的助力随车速升高而降低,并且随方向盘转速增加而升高。但当转向盘转速大于。/时,助力基本上达到最高值而不再变化。从整体来看,该曲面图较为平滑,除了处理数据时误差的影响,基本投有急剧变化的区域,这就使得驾驶员在车速持续变化或转向盘转速反复变化的情况下仍能感到手感平顺。.保舵维持时间在实际驾驶过程中,当出现紧急状况需要紧急转向时,驾驶员通常会向某一方向猛打方向疵,此后并维持方向盘不动,此时即为保舵过程。此时,以最快转速转动方向盘,助力电机迅速上升到最高转速。当方向盘打到一定角度后停,即方向盘转速为零.助力电机转速降低到空载虽低转速。助力电机转速从最高转速降落到宅载最低转速所用的时间,即为保舵维持时间。这种现象的出现与系统助力电机转速的控制策略有关,也与无刷直流电机本身的旋转惯性有关。在第二章系统的特性测试及控制策略分析实际的紧急转向过程中,系统助力电机在各种车速下的保舵时间可以较好的反应出助力电机转速对转向盘转速的滞后效应,具有比较重要的实际意义。保舵特性实验数据的处理方法是:选取次保舵过程之中电机转速的峰值,记录下该峰值对应的时日点或采样点,而后寻找该时间点之后的电机转速首次回落至空载转速的时间点或采样点,计算两时间点之间的时间间隔。所有试验数据如表.所示。. 车速/. . . . . . . .保舵时间从表.可以看出保舵维持时问随着车速的升高变化不大,基本维持在左右。.本章小结本章详细地介绍了电动液压助力转向系统的硬件部分和软件部分,通过总线适配器向系统控制器发送发动机信号和车速信号,得到该系统的原始数据。通过提取、分析和换算将原始数据转换成系统中车速、方向盘转速、助力电机转速三者之间的关系,并做出三维助力特性曲面图。通过对该助力特性曲面图的分析我们可以看出,在车速较低时,助力特性曲面随方向盘转速的增大呈上凸趋势,曲线斜率先大后小;而在车速较高时,助力特性曲面随方向盘转速的增大呈下凹趋势,曲线斜率先小后大。这就使得驾驶员在汽车低速时感觉转向轻便,而在高速时转向手感较沉重,提高了驾驶员的驾驶舒适性及安全性。第三章系统电机控制策略的研究第三章系统电动机控制策略的研究直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点,长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中,早期的系统便是采用直流电动机带动液压泵产生转向助力。同时由于机械电刷和换向器的强迫性接触,造成它结构复杂,可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题,影响了直流电动机的调速精度和性能。随着电子技术的飞速发展,无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点,而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。因此,采用无刷直流电机带动液压泵产生转向助力成为系统新的发展方向之一【勿。本文研究的,采用永磁无刷直流电动机。.永磁无刷直流电机的工作原理无刷直流电机,就其基本结构而言,可认为是一台由电子开关线路、永磁电动机及位置传感器三者组成的“电动机系统。一般常见的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成,其主要作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场,由于电刷的换相作用,使这两磁场的方向在直流电动机运行过程中始终保持相互垂直,从而产生最大有效转矩而驱动电机不停运转。无刷直流电机为了实现无电刷换相,要把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上,把永久磁钢放在转子上,这与传统直流永磁电机的结构刚好相反。但简单的直流电源给定子各项绕组供电,只能够产生固定的磁场,难于与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互配合,以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以无刷直流电机除了由定子和转子组成的电动机本体以外,还要由位置传感器、控制电路以及功率控制开关共同构成换相装置,使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间始终保持。电角度,保证产生最大有效力矩【。第二章系统电机控制策略的研究.永磁无刷直流电机的结构该电机的供电电压为直流。该电机转子外置,是种外转子永磁无刷直流电动机。该电动机定子槽数为个即个线圈,转子内嵌块永磁体,即对极。根据电角度公式.:电腾警式.可以计算出该无刷直流电机的电角度为。根据电角度的大小,可绘制出电机的星形矢量图,如图.所示, 图中数字代表线圈序号,其中、号线圈,、号线圈,、号线圈,、号线圈分别构成一相绕组。由于电机含四相序四状态,故每相的电角度为。另外,该电机含两个霍尔位置传感器,经过计算可得两个霍尔位置传感器的空间机械角度约为.。图.为定子四相绕组结构示意图。/ 。叼口心.妇:二彳过,/、夺图.电机定子结构 .电机的驱动电路及续流原理观察电机的四相绕组发现,该电机两相共用同绕组,即、两相为同一绕组,、两相为同一绕组,、四相分别独立通电工作。因为,相、相为独立绕组线圈,并且共用同一绕组槽,所以电机的续流是通过磁耦合进行的。即,当绕组线圈的电流发生变化时,在与它相邻的绕组线圈就会产生感应电动势,它们在电的方面彼此独立,之间的影响是通过磁场进行的,这种关系就称为磁耦合【。图.为该直流无刷电机的驱动原理图。当电机转子位置传感器信号输入至后,根据该换相控制字决定、四相中的某相为当前导通相,并通过输出斩波信号控制某一功率管。当某一相绕组导通后,电流经电源正端流过绕组,最后流过检测电阻至功率地。检测电阻电流输入端经放大滤第一章系统电机控制策略的研究波后引入到的/转换引哪,为电机的流闭蚪阔述提;依:雨圈 区流无刷电机的骚动原理凹出髂 .系统无刷直流电机控制策略分析机能否根据输入信号准确、实时地变化显得尤为重要。对于该助力电机的控制主要包括换相控制和凋速控制,本系统的液压泵只有在逆时针转动时才能产生油压,因此只需要使助力电机在逆时针方向转动工作。换相控制原理根据实验观测到该电机的反电动势波形正弦被以及对应的霍尔位冠信号波形方波.如图.所示,记录每一项绕组的反电动势达到正峰值时刻的霍尔位置信号,根据这些霍尔位置状态输出信号使、各相依次导通。霍尔位置信号与换相时刻的对应关系如表 所示。四? 蚓 反电动势与霍尔位置信号盯第三章系统电机控制策略的研究.各相导通顺序 霍尔位置状态, , , ,.调速控制原理理想的无刷直流电动机的感应电动势和电磁转矩公式如下【】【】【】:式.言万,曰肛国式.专万召怄炒式中:。通电导体数;口永磁体产生的磁通密度;转子铁芯的长度;,转子半径;国转子的机械角速度;。定子电流;由以上两个公式可见,感应电动势和转子转速成正比,电磁转矩与定子电流成正比,因此永磁无刷直流电动机与有刷电动机一样具有良好的控制性能。实现的四相无刷直流电动机调速的控制和驱动电路。两个位置间隔.。的霍尔传感器经限幅、整形电路后分别与的两个捕获引脚和相连,通过产生捕获中断来给出换相时刻,同时给出位置信息。由于电动机每次只导通一相,因此每次只需控制一个电流,本文中电机用两个电阻作为廉价的电流传感器,将其安装在驱动电路下端,就可以方便地进行电流反馈控制。电流反馈输出经滤波放火电路连接到的输入端和,在每一个周期都对电流进行采样对速度占空比进行控制。通过?引脚经一个反向驱动电路连接到四个开关功率管,实现定频输出和换相控制。为了进一步提高系统的稳定性及抗负载能力,本控制器使用双闭环全数字调节,即外环转速调节和内环电流调节,其结构如图.所示。内环电流调节能够提高系统的动态性能,控制动态过程中的电流或转矩,起到电流跟随,过流自动保护和及时抑制电压扰动等作用。外环转速调节的作用是对转速的抗扰动调节并使之在稳态时无静差。内环调节比外环调节频率快,这样快速调节电机电流或转矩,利于提高系统的动态跟随性能【】【。.数字控制的实现.电流的检测和计算电流的检测是用分压电阻来实现的。电阻值的选择可以考虑当过流发生时能输出最大电压,同时起到过流检测的作用。例如,.对应/转换后的最大位数字量,对应转换后的最小位数字量。每个周期对电流采样次。如果周期设为,则电流的采样频率为。但是在每一个周期中对电流采样时要注意采样时刻,在周期“开的瞬时,电流上升并不稳定,也不易采样。所以电流采样时刻应该是周期的“开中部,如图所示,它可以通过定时器采用连续增计数方式周期匹配事件启动转换来实现。然后用转换的数值进行电流调节得到转速第三章系统电机控制策略的研究值。.速度的检测和计算位置信号还要用于产生速度控制量。电机转子有块磁铁,每转一圈霍尔传感器输出个周期信号,通过捕获端口捕捉两次信号上升沿的时刻计算出一个霍尔信号的周期,通过下式就可以计算出电机转速。霍尔信号两次上升沿的时间间隔可以通过捕捉中断发生时读定时器的寄存器的值来获得。定时器采用连续增计数方式,转子转速越低,所用垃时乜越长,寄存器中的值也就越大,式中为计数时钟周期,、乞为两次上升沿时刻寄存器中的值。两次上升沿的时间差为:气一咖丁式.每转所用时间为:“一乞式.电机转速为:/申式.通过这样计算得到的速度值作为速度反馈量参与速度调节计算。.双闭环系统具有较好的动态性能动态跟随性能双闭环调速系统在启动和升速过程中,能够在电流受电机过载能力约束的条件下,表现出快速的动态跟随性能。这一性能归功于电流环对电流的可控性。动态抗扰性能抗负载扰动由于负载的扰动作用在电流环之后,只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此,在突然加减负载时,必然会引起动态速降升。为了减少动态速降升,转速环要具有较好的抗干扰性能。而电流环要具有良好的跟随性能【。抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在影响系统的位置不同,系统对它的动态抗扰动效果也不一样。在单闭环调速系统中,电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈环包围的前向通道上,就静态特性而言,系统对它们的抗扰动效果是一样的。但是从动态性能上看,由于扰动作用的位置不同,还存在及时调节上的差别。负 第三章系统电机控制策略的研究载扰动作用在被调量的自玎面,它的变化经过积分后就可以被转速坏检测出来,从而在转速调节器上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远,它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流,再经过机电惯性的滞后爿能反映到转速上来,等到转速反馈产生调节作用,已经嫌晚。在双闭环调速系统中,由于增设了电流内环,这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内,当电压波动时,可以通过电流反馈得到及时的调节,不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此,在双闭环调速系统中,由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。在实际调速中发现,采用四相半控电路进行控制时,电机的最高转速只能达到/并且经过测算此时电机的反电动势已经达到,这说明采用四相半控方式进行调速时,当转速超过/时,电机工作在发电状态。而根据测得助力特性曲线可以看出,在原地转向时电机的转速要达到/才能提供合适的助力。因此,采用四相半控的控制策略不能达到预期的电机转速,必须采用新的电机控制策略进行电机调速。.本章小结本章详细的分析了外转子四相无刷直流电动机的结构特点和控制策略。通过实验测得电机反电动势与霍尔位置信号关系,得到电机换相顺序。研究了该电机的数字控制方法。最后,对于实际调速控制中发现的问题做出了分析。第四章系统控制硬件开发第四章系统控制器硬件开发作为系统的核心部分,控制器的设计尤为重要。控制器的性能直接决定了整个系统的工作性能。控制器不仅要实现系统的助力性能控制,还必须有良好的稳定性,抗干扰能力。因此,在设计控制器时要考虑诸多因素。本章从分析整个系统的工作原理入手,阐述了无刷直流电动机系统控制器的硬件开发,包括各个功能模块的芯片选型、原理图设计。最后,对于版的绘制进行一些简要的分析。.系统控制器硬件电路框图整个控制器系统的工作原理为:电子控制单元根据车速信号、发动机点火信号和方向盘转速信号和助力特性图查找出合适的助力电机转速值,并输出波形,经过驱动模块对电机进行控制。通过霍尔位置信号和电流反馈信号对电机进行双闭环调节。系统控制器的硬件电路主要包括汽车发动机点火信号、车速信号、电源变换和监控、微处理器、方向盘转速信号、信号处理、总线模块、助力电机驱动电路及电流反馈、运算放大放电路等模块,如图.所示。电源监控模块?叫蓄电池电源模驱发动机点火信号.馗接.萄型卜一制笔黧篥嘲单.元. 薹怦 路 堡玺篁翼笪墨一”三露一电流反馈信号运算放大电路图. 系统控制器示意图. 为了增强控制器硬件系统的抗干扰能力,提高可靠性,本文开发的控制器将微处理器逻辑控制模块、通讯模块、信号处理模块、运放模块设计为控制电路板,而将功率较大、发热量大的驱动模块设计为驱动电路板,两板之间的控制信号通第四章系统控制硬件开发过引线连接。.系统控制器微处理器从发展的角度来看,未来的电动液压助力转向系统不仅仅需要车速信号和方向盘转速信号,还包括转向角、横向加速度等信号,要求控制系统有更高的处理速度、寻址能力、更好的电磁兼容性能、支持多任务系统【。而传统使用的位单片机虽然可以实现控制功能,但受其运算处理能力和结构配置的限制,部分电路还需要外部搭建,这将严重影响系统的整体性能,不能满足发展的要求。通过分析比较,本文选用公司的作为控制器微处理器芯片。该芯片为位定点,主要用于数字电机控制、电机控制、智能仪器仪表、工业自动化、机电一体化等【。.系列简介【】是为满足控制应用而设计的。通过把一个高性能的内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案, 成为传统的微控制单元和昂贵的多片设计的一种廉价替代品。每秒万条指令的处理速度,使 控制器可以提供远远超过传统的位微控制器和微处理器的性能。.内核内核采用高性能静态技术,使得供电电压将为.,减小了控制器的功耗;的执行速度使得指令周期缩短到,从而提高了控制器的实时控制能力;基于 的内核,保证了系列和系列代码兼容。.外设模块具有两个专为电机控制而设计的事件管理器模块和;可扩展的外部存储器,总共具有位的空间;看门狗定时器模块;位转换模块;控制器局域网模块,即模块;串行通信接口模块;位串行外部设备接口模块;高达个可单独编程或复用的通用输入输出引脚;第四章系统控制硬件开发 .电机控制模块介绍内部的电机控制模块主要有个,分别是转换模块、捕获模块和输出模块。转换模块内部集成了一个带有通道的位模/数转换器,其个通道分成两组,分别由两个排序控制器和控制,工作是以任务为单位,在一个任务中要转换的通道可以通过和选择,转换通道的顺序可以通过排序控制器来设置,转换结果保存在个结果寄存器中,可以自由读取。的启动触发源可以由软件、以及外部引脚来产生,用户在需要时可以很方便的触发启动。另外该还带有效验功能,保证转换结果的正确性和精度。捕获模块捕获单元可以记录输入的霍尔位置信号跳变时刻,以便对电机进行正确换相。每个事件管理器模块有个捕获单元,事件管理器的捕获单元为、,事件管理器的捕获单元为、。每个捕捉单元都有一个相对应的捕捉输入引脚。当捕捉输入引脚上检测到一个设定的跳变时,则跳变时刻通用定时器计数器的值被捕捉并储存在