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汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控單元的研究類別：汽車電子 閱讀：2098-摘要：設(shè)計(jì)了一款采用PIC16F877單片機(jī)為電子控制單元核心的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),全文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理和硬件組成,重點(diǎn)對(duì)各傳感器信號(hào)的采集處理電路、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、離合器和繼電器的控制電路、電機(jī)電流的采樣電路等進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有輸出扭矩平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向控制靈敏、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電子控制單元；電動(dòng)機(jī)；傳感器 1 引言 隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展及其在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, 簡稱EPS)越來越成為目前汽車電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，靈活性大，可以獲得理想的操縱穩(wěn)定性，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)汽車行駛狀況的變化，在操縱舒適性、安全性、環(huán)保、節(jié)能、易于維修等方面也充分顯示了其優(yōu)越性1。目前, 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代液壓助力轉(zhuǎn)向并獲得廣泛應(yīng)用，如日本的大發(fā)、三菱、本田汽車公司，美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司，德國的ZF公司等都相繼研制出各自的EPS并裝配使用。國內(nèi)對(duì)EPS 系統(tǒng)的研究起步較晚，僅有清華、華中科大、吉林大學(xué)、合肥工大等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模和動(dòng)力學(xué)分析等研究，但處在理論探索、實(shí)驗(yàn)研究階段。國內(nèi)部分汽車廠商如重慶長安、南昌昌河、東風(fēng)、一汽等與高校聯(lián)合研究，也都處在研制的初級(jí)階段，未達(dá)到實(shí)用程度2。 2 EPS系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 2.1 EPS的硬件組成 EPS是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它由電子控制單元(ECU)控制電機(jī)提供助力，系統(tǒng)主要由電子控制單元、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器(可與其他系統(tǒng)共用)、直流電機(jī)、離合器、電磁繼電器、減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。 圖2-1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2 EPS的工作原理 當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，ECU上電開始對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過后，閉合繼電器和離合器，EPS系統(tǒng)便開始工作，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器把測得方向盤上的角位移和作用于其上的力矩傳遞給ECU，ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)并結(jié)合車速等信息，控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的助力，實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)最佳控制：在低速行駛時(shí)，減輕轉(zhuǎn)向力，保證汽車轉(zhuǎn)向靈活、輕便，在高速行駛時(shí)，適當(dāng)增加阻尼控制，保證轉(zhuǎn)向盤操作穩(wěn)重、可靠。 3 基于PIC單片機(jī)的ECU系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖3-1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 3.1 ECU工作原理 系統(tǒng)的控制核心為PIC16F877單片機(jī)，控制單元結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由車載12V蓄電池供電，ECU工作時(shí)，扭矩、轉(zhuǎn)角、車速、溫度等傳感器把采集到的信號(hào)經(jīng)過輸入接口電路處理后送至單片機(jī)的相應(yīng)端口, 單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)助力特性和相應(yīng)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理,以確定助力電流的大小和方向，并通過單片機(jī)的PWM口發(fā)出脈沖指令和相應(yīng)的換向控制端口發(fā)出換向指令，通過驅(qū)動(dòng)電路和H橋電路控制直流電動(dòng)機(jī)工作。在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)有電流傳感器，該傳感器把檢測到的電機(jī)實(shí)際工作電流通過電流探測電路反饋到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的控制算法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如EPS系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常,單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)斷開繼電器、離合器，退出電動(dòng)助力工作模式，轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式3。 3.2 PIC16F877單片機(jī)簡介 該款機(jī)型是美國Microchip公司生產(chǎn)的8位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，具有高速數(shù)據(jù)處理的特性(執(zhí)行速度可達(dá)120ns)，PIC16F877內(nèi)部自帶看門狗定時(shí)器、具有256Bytes的EEPROM、8k空間的FLASH存儲(chǔ)器、8路10位AD轉(zhuǎn)換功能、2個(gè)脈寬調(diào)制CCP模塊、在線燒錄調(diào)試（ISP）功能，寬電壓工作，可靠性高。PIC16F877有8級(jí)深度的硬件堆棧，RAM區(qū)的每個(gè)Byte位都可以尋址，有4條專用的位操作指令和2條移位指令。 3.3 直流電動(dòng)機(jī)的選擇 無刷直流電機(jī)在控制特性、效率、轉(zhuǎn)矩脈沖、制造成本等方面，具有明顯的優(yōu)勢。本項(xiàng)目采用永磁式無刷直流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)源。 3.4 扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的選擇 本文采用意大利BI公司的扭矩、位置復(fù)合傳感器，該傳感器除了提供扭矩信號(hào)外，還提供方向盤位置信號(hào)，為回正和阻尼邏輯的開發(fā)提供了便利。 3.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路必須能夠高精度、快速地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，從而滿足EPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本項(xiàng)目中后向通道的核心控制采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路。直流電機(jī)PWM控制方式有多種，根據(jù)電機(jī)工作的實(shí)際需要和系統(tǒng)的整體要求，本項(xiàng)目采用受限單極可逆PWM控制模式，主要優(yōu)點(diǎn)在于可以避免開關(guān)管同臂導(dǎo)通，運(yùn)行可靠性高、不需附加延時(shí)電路、開關(guān)頻率相對(duì)較高，特別適用于大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電機(jī)控制的場合。 3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括FET橋式電路、FET基極驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路上的電流傳感器和繼電器構(gòu)成。 FET橋式電路主要由四個(gè)大功率MOSFET功率管組成，要求功率管具有良好的開關(guān)特性、能承受較大的驅(qū)動(dòng)電流、且具有較長的使用壽命，根據(jù)電機(jī)的功率參數(shù)及功率管的極限參數(shù)和電特性，我們采用四個(gè)相同的N溝道IRFP250功率管來構(gòu)成H橋電路。 FET基極驅(qū)動(dòng)電路選用MOSFET專用柵極集成電路IR2109作為核心模塊，該芯片是一種單通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目大大減少，控制了電路板的體積，降低了成本，提高了系統(tǒng)可靠性4。驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示，兩個(gè)IR2109的IN端為驅(qū)動(dòng)H橋同臂上下兩個(gè)功率管的信號(hào)脈沖輸入端，分別通過具有高速性能的6N137光電耦合器接至PIC16F877單片機(jī)的兩個(gè)PWM脈沖輸出端口；兩個(gè)SD端分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，控制電機(jī)停車操作；每個(gè)芯片的HO和LO端分別與同橋臂的功率管相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；VB端通過自舉二極管UF1005與+12V電源相連，為了阻斷特殊電路中所承受的全部電壓，此處選用具有超快恢復(fù)特性的二極管UF1005。 圖3-2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 3.5.2 電機(jī)電流采樣電路 系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣有兩方面用途，一是為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)；二是通過電流傳感器反饋電樞電流的信號(hào)，以便對(duì)電樞電流進(jìn)行閉環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)電阻是一種常用的電流傳感器，由于其簡單可靠、阻值穩(wěn)定、精度高、頻響好、輸出電壓直接比例于所流過的電流，在 PWM 系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。標(biāo)準(zhǔn)電阻一般采用錳銅或硅錳銅制成。在采樣電路中，選用AD626把采樣信號(hào)放大10的n倍送至單片機(jī)相應(yīng)端口，具體電路如圖3-3。 圖3-3 電機(jī)電流采樣電路 3.6 繼電器控制電路 如下圖3-4所示，CPU控制信號(hào)經(jīng)CPU端口PSP0輸出后，開關(guān)管 Q1導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)功率三極管 Q12，使繼電器通電并閉合節(jié)點(diǎn)，繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后可給電機(jī)、離合器供電。CPU輸出的高低電平信號(hào)分別控制繼電器的合開操作。 圖3-4 繼電器控制電路設(shè)計(jì) 4 結(jié)論 本文在對(duì)EPS系統(tǒng)的原理和助力控制過程的分析基礎(chǔ)上，對(duì) EPS 控制系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，提出了采用受限單極性可逆PWM控制模式控制直流電機(jī)；探索了在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,低壓、低速、大電流永磁式無刷直流電機(jī)的控制方法。采用精密電阻進(jìn)行電機(jī)電流采樣的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)輸出扭矩的閉環(huán)控制。在完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程后，按照預(yù)定的助力特性曲線，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電子控制單元信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性較高，對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的跟隨性較好，整個(gè)系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性，硬件部分的抗干擾能力和可靠性都很高。 創(chuàng)新點(diǎn) 1、采用PIC16F877單片機(jī)為電子控制單元核心。 2、采用受限單極可逆PWM控制模式控制直流電機(jī)。 參考文獻(xiàn) 1 Nakayama T，Suda FThe present and future of electric power steeringJInt Jof Vehiche Design, 1994，15：243254 2于建成.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)D.大連理工大學(xué)：車輛工程，2005，03-24：2-5。 3艾寶瑩.混合建模式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)控制J.微計(jì)算機(jī)信息, 2007，02：311-312。 4趙慶松.基于ARM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息，2007，02：173-175。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上網(wǎng)時(shí)間：2008-11-02 中心論題： 簡介EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理 EPS控制系統(tǒng)具體電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能 解決方案： 利用MC9S12系列單片機(jī)作為高性能的微控制器 采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制 電源倍壓電路中采用NE555定時(shí)器滿足電源需求 一、EPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，Electric Power Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，具有調(diào)整簡單、裝置靈活以及無論在何種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。EPS最為突出的是該系統(tǒng)可在不更換系統(tǒng)硬件的情況下，通過改變控制器軟件的設(shè)計(jì)，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同工況下駕駛員對(duì)路感的要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）主要包括傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部件。傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)處理后輸人到控制器，控制器運(yùn)行內(nèi)部控制算法，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動(dòng)作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：在操縱方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器根據(jù)輸人轉(zhuǎn)向力矩的大小，產(chǎn)生出相應(yīng)的電壓信號(hào)，由此電動(dòng)式動(dòng)力系統(tǒng)就可以檢測出操縱力的大小，同時(shí)，根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)又可測出車速，再控制電動(dòng)機(jī)的電流，形成適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力。二、EPS控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)微控制器的選擇MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12 CPU及0.5m制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。硬件電路總體框架電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號(hào)處理電路、直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖2所示。電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制，由4個(gè)功率MOSFET組成，如圖3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂。IRF3205具有8 m導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對(duì)MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。1H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）為高電平時(shí)，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí)，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí)，Qa的柵源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble12V0.34V0.4V10V=22.74V。 當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí)，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為24V，OV的柵源極電壓能夠使其關(guān)斷。2下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。 當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）低電平時(shí)， Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對(duì)Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵源極電壓等于電源電壓減去Q2的集射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷骸Ｋ?，Qc的柵源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當(dāng)蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(dòng)（10V）所需的電壓。蓄電池倍壓工作電源由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計(jì)蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動(dòng)電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。電源倍壓電路如圖6所示，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負(fù)載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時(shí)，輸出電壓低于24V，當(dāng)供電電源為12V時(shí)，倍壓電源電壓約為22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以滿足需要。三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，車速信號(hào)用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)代替網(wǎng)。圖7為中等車速轉(zhuǎn)向助力時(shí)，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動(dòng)機(jī)電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時(shí)，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。四、結(jié)論與展望MC9S12系列16位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，對(duì)于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn)，性能良好，可基本滿足電動(dòng)助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個(gè)基本的信號(hào)進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號(hào)在未來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。1 引言 ADAMS機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)化動(dòng)力學(xué)分析軟件，是由美國機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，其建模仿真的精度和可靠性在現(xiàn)在所有的動(dòng)力學(xué)分析軟件中名列前茅。它為用戶提供了強(qiáng)大的建模、仿真環(huán)境，具有十分強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析功能，其應(yīng)用覆蓋汽車、工程機(jī)械、鐵道、船舶、航空航天等行業(yè)1。ADAMS可以像建立物理樣機(jī)一樣建立任何機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。首先建立運(yùn)動(dòng)部件，用約束將它們連接，而后通過裝配成為系統(tǒng)，再利用外力或運(yùn)動(dòng)將他們驅(qū)動(dòng)，形成仿真模型在機(jī)械及車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究過程中，除了對(duì)樣機(jī)進(jìn)行建模、仿真分析和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)樣機(jī)的各種特性進(jìn)行深入分析。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，其性能直接關(guān)系到車輛的舒適性和安全性。運(yùn)用ADAMS軟件強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)勢，導(dǎo)入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)PRO/ENGINEER三維模型，在模型上施加力/力矩和運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，最后執(zhí)行不同工況的運(yùn)動(dòng)仿真模擬，所得的結(jié)果近似轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作的實(shí)際情況。動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS和Pro/E對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，解決了ADAMS在建模方面不利的缺點(diǎn)，是一種較實(shí)用的仿真方案。2 EPS系統(tǒng)工作原理 EPS系統(tǒng)是繼液壓助力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS）系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。HPS系統(tǒng)已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。但隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車節(jié)能性和環(huán)保性要求不斷提高，該系統(tǒng)存在的耗能、對(duì)環(huán)境可能造成的污染等固有不足已越來越明顯，不能完全滿足時(shí)代發(fā)展的要求2。EPS系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，EPS系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中EPS將成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主流。EPS系統(tǒng)純粹依靠電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強(qiáng)，解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次革命3。EPS系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，由機(jī)械式轉(zhuǎn)向裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、扭矩、扭矩傳感器及控制單元等組成，EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。 EPS系統(tǒng)根據(jù)作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的反饋伺服系統(tǒng)。其基本的工作原理如下：該系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個(gè)信號(hào)，與車速傳感器測得的車速信號(hào)一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過助力裝置實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值。圖1 EPS系統(tǒng)工作原理圖3 汽車EPS系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 減速比是減速機(jī)構(gòu)最重要的參數(shù)，它對(duì)EPS系統(tǒng)以及整車的性能都有很大的影響。選擇這個(gè)參數(shù)要同時(shí)考慮電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特殊工況。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)向盤速度范圍很大,可以從保舵到每秒數(shù)圈4。作為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),應(yīng)該在這個(gè)轉(zhuǎn)向速度范圍內(nèi)都能夠提供助力,其最低要求就是至少不能阻礙轉(zhuǎn)向動(dòng)作。圖2 EPS系統(tǒng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖 如圖2所示的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，設(shè)齒輪3、5齒數(shù)為z3、z5，齒輪3的轉(zhuǎn)速為n3，齒輪5的轉(zhuǎn)速為n5，行星架H的轉(zhuǎn)速為nH，由輪系的傳動(dòng)比有 整理得 由此可知，該方案中行星架H的轉(zhuǎn)速即前輪等效到轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)速，其值為手動(dòng)轉(zhuǎn)向速度和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的合成，該方案具有兩個(gè)自由度，當(dāng)手動(dòng)轉(zhuǎn)向速度n3確定，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，合成得到的轉(zhuǎn)臂輸出轉(zhuǎn)速nH也隨之改變，因此可通過獨(dú)立地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來獲得不同的轉(zhuǎn)臂H輸出轉(zhuǎn)速nH，故此方案下轉(zhuǎn)向靈敏性可調(diào)5。4 動(dòng)力學(xué)仿真分析方法研究1) 建立EPS系統(tǒng)三維實(shí)體模型 零部件或者系統(tǒng)的建模過程中需要注意其單位和密度的設(shè)定，由于其要與ADAMS相結(jié)合，可以選擇“ ”，Pro/E提供的工具可以計(jì)算各零部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6。由于在多數(shù)情況下，Pro/E中圖形和ADAMS環(huán)境單位不統(tǒng)一，裝配體的單位也需要設(shè)定。ADAMS/View為用戶提供了非常豐富的基本幾何體建模工具，但是應(yīng)用它建立汽車EPS系統(tǒng)的三維模型相對(duì)于Pro/E等專用建模軟件來說還是極不方便。EPS系統(tǒng)中，對(duì)于減速機(jī)構(gòu)中所用的輪系，則按照輪系配齒方法和輪系強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定建模所需參數(shù)。所有參數(shù)確定完畢，利用Pro/Engineer建立模型如圖3所示。圖3 汽車EPS系統(tǒng)三維實(shí)體模型2) Mech/Pro環(huán)境定義剛體、簡單約束和參考坐標(biāo) Mech/Pro是MDI公司為ADAMS開發(fā)的Pro/E專用程序接口，可以進(jìn)行比較簡單的仿真分析。由于轉(zhuǎn)換到ADAMS環(huán)境后，圖形的許多幾何特征會(huì)丟失，所以應(yīng)將某些約束在Mech/Pro環(huán)境下借助完整的幾何特征添加，對(duì)于需要在ADAMS中添加約束的，也要考慮能否在Mech/Pro環(huán)境下添加參考坐標(biāo)。3) 轉(zhuǎn)換到ADAMS環(huán)境添加必要的約束和受力情況 利用Mech/Pro菜單下的InterfaceADAMS/View完成向ADAMS環(huán)境的轉(zhuǎn)換，其類型可設(shè)為render或SLA格式。并應(yīng)用其建模工具，施加特殊力、子過程等較復(fù)雜的模型特性。4) 檢驗(yàn)和修正仿真模型 在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行仿真，并將獲得的仿真結(jié)果與樣機(jī)的結(jié)果向比對(duì)，若不一致則修改相應(yīng)的參數(shù)定義。5 結(jié)束語 本文深入研究了EPS系統(tǒng)工作原理，建立了EPS系統(tǒng)三維模型，該模型采用了輪系構(gòu)成減速機(jī)構(gòu)，然后探討了將Pro/E圖形轉(zhuǎn)換到ADAMS環(huán)境中進(jìn)行仿真分析的方法，應(yīng)用該方法能夠避免直接在ADAMS軟件中建立模型的諸多缺陷，更好地發(fā)揮了ADAMS軟件在動(dòng)力學(xué)分析方面的優(yōu)勢，為EPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了良好的依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 鄭凱，胡仁喜，陳鹿民編著. ADAMS 2005機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20062 Yuji Kozaki, Goro Hirose, Shozo Sekiya and Yasuhiko Miyaura. Electric Power Steering(EPS)R. Motion & Control,1999(6)：9163 李書龍. 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與開發(fā)：碩士學(xué)位論文. 江蘇：東南大學(xué)4 彭文生，李志明，黃華梁主編. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，20025 楊芬，周春國等. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模與仿真分析. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008.27（6）：7887926 朱金波編著. 中文版Pro/Engineer Wildfire 3.0工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完全掌握. 北京：兵器工業(yè)出版社，2007汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS原理詳解時(shí)間：2009-02-26 12:50:06 來源：中國汽車電子網(wǎng) 作者：1、綜述 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng)，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性,提高汽車的主動(dòng)安全性；沒有液壓回路,調(diào)整和檢測更容易,裝配自動(dòng)化程度更高,且可通過設(shè)置不同的程序，快速與不同車型匹配,縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在漏油問題,減小對(duì)環(huán)境的污染。 EPS系統(tǒng)是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。 圖1 EPS結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示，EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元,再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩,最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多，主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。 2、電位計(jì)式扭矩傳感器 電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對(duì)比較高，在早期應(yīng)用比較多。 2.1EPS中扭桿式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)、原理 扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成。滑塊相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng)，同時(shí)滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上，可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對(duì)于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。 2.扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì) 扭桿是整個(gè)扭桿扭矩傳感器的重要部件，因而扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是扭桿的設(shè)計(jì)。扭桿通過細(xì)齒形漸開線花鍵和方向盤軸連接，另外的一端通過徑向銷（直徑D）與轉(zhuǎn)向輸出軸連接，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 圓柱截面扭桿結(jié)構(gòu)圖 扭桿細(xì)齒形漸開線花鍵端部結(jié)構(gòu)外直徑 d0=(1.151.25)d,長度L=（0.50.7）d，為了避免過大的應(yīng)力集中，采用過度圓角時(shí)，半徑R=（35）d，扭桿的有效長度為l，d為扭桿有效長度的直徑。 扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度k是扭桿的一個(gè)重要的物理量，可以參照下面的公式計(jì)算。 當(dāng)其受到扭矩的時(shí)候，其扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力和變形角分別為：其扭轉(zhuǎn)剛度為： 其中d-扭桿直徑，有效長度，Ip慣性矩，Zi抗扭截面系數(shù) 圖3 如圖3為某扭矩傳感器扭桿的試驗(yàn)曲線，曲線的斜率即為扭轉(zhuǎn)剛度k。 扭桿式扭矩傳感器在早期的EPS中應(yīng)用比較多，但由于是接觸式的，工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦使其易磨損，影響其精度，將會(huì)被逐步淘汰。 、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器 傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值