EPS的電子控制單元ECU (Electronic Control Unit)的硬件電路和相應的控制軟件框圖畢業(yè)論文secret

1、摘 要 電動助力轉向系統(tǒng)(electric power steering system，簡稱 eps)，是汽車工程領 域的熱門課題之一。本文在研究了電動助力轉向系統(tǒng)工作原理的基礎上，設計開 發(fā)了 eps 的電子控制單元 ecu (electronic control unit)的硬件電路和相應的控制 軟件框圖。 本文詳細分析了電動助力轉向系統(tǒng)電子控制單元的功能，研究開發(fā)了以 89c51 單片機為微處理器的電子控制單元?？刂茊卧哂袑崟r數(shù)據信號采集和系 統(tǒng)控制功能，根據采集的數(shù)據信號，確定電動機輸出的目標電流，利用 pwm 脈 寬調制技術，通過 h 橋式電路控制電動機的輸出電流和轉動方向，實現(xiàn)助

2、力轉向 功能。 在研制了實驗用 ecu 裝置后，開發(fā)了相應的控制軟件。控制軟件分為控制 策略的實現(xiàn)和數(shù)據信號采集與分析兩部分。整個軟件系統(tǒng)采用了模塊化的設計思 想。在數(shù)據信號采集與控制部分，設計了系統(tǒng)主程序、a/d 采集程序、車速信號 采集程序和 pwm 控制程序。 本文所設計的 eps 電子控制單元性能穩(wěn)定，結構合理，與整車匹配性能好， 可保證 eps 實現(xiàn)良好的轉向助力效果。 關鍵詞 電動助力轉向 電子控制單元 單片機 控制策略 abstract electric power steering system (eps) is one of the focuses research in a

3、utomotive engineering.this paper is based on the principles of eps to study the operation, designed and developed the electronic control unit (ecu) and the soft ware diagram of the ecu. the thesis considers the functions of the electronic control unit of eps, studied and developed the hardware that

4、adopted 89c51 as its microprocessor. the control unit was able to realize real-time data/signal acquisition and system control. the target current of motor output could be determined by the obtained data; and utilizing the pulse-width modulation (pwm) technology, power could be provided to the steer

5、ing system by controlling the output current and rotation direction through h-bridge circuit. the software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition在使 用轉向情況下，燃油消耗降低了 5.5% 。 1 3.增強了轉向跟隨性。在 eps 中，電動機與助力機構直接相連以使其能量直接用于車輪 的轉向。這樣增加了系統(tǒng)的轉動慣量，電機部分的阻尼也使得車輪的反轉和轉向前

6、輪擺振大 大減小。因此轉向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強。和 hps 相比，旋轉力矩產生于電機，沒有液 壓助力系統(tǒng)的轉向遲滯效應，增強了轉向車輪對轉向盤的跟隨性能。 4.該系統(tǒng)由電動機直接提供轉向助力，在停車時，也可獲得最大的轉向動力。同時省去 了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動機 上的皮帶輪等，其零件比 hps 大大減少，因而其質量更輕、結構更緊湊，在安裝位置的選擇 方面也更容易，裝配自動化程度更高，維修更簡單。 5.eps 沒有液壓回路，不存在滲油的問題，減少了對環(huán)境的污染。同時由于液壓油在低 溫時的粘度很大，存在低溫時必須有個加溫的過程，而 eps

7、可以在零下 40很好的工作，基 本上不存在受溫度影響的問題。 6.在未來 10-15 年推出的純電動汽車或者燃料電池汽車等汽車上由于沒有的傳統(tǒng)意義上 的內燃機，因此必須考慮安裝 eps。 7.電動轉向還可有各種安全保護措施和故障自診斷功能。使用可靠，維修方便。 由此可見，eps 和 hps 相比，是一項緊扣現(xiàn)代汽車時代發(fā)展主題的高新技術，必將逐步 取代現(xiàn)有的機械轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)和電控液壓助力轉向系統(tǒng)。 1.2 電動助力轉向系統(tǒng)國內外的研究現(xiàn)狀 國外從 1979 年就開始研究電動式電子控制動力轉向系統(tǒng)，1988 年日本鈴木公司首先在 其 cer 車上裝備了電動式 eps。同年，美國通用

8、公司也在某些型號的汽車上裝備了電動式 eps。1993 年，本田汽車公司首次將電動助力轉向系統(tǒng)裝備于大批量生產的、在國際市場上 同法拉利和波爾舍競爭的愛克 nsx 跑車上;同年，在歐洲市場銷售的一種經濟型轎車-菲亞 特幫托也將美國德爾福公司生產的電控助力轉向系統(tǒng)作為標準裝備。隨后，國外很多公司和 機構介入了電動式 eps 的研究和開發(fā)工作。美國的 trw 公司，日本的三菱公司、koyo 公 司，德國的 zf 公司都相繼研制出了電動式 eps。經過二十幾年的發(fā)展，eps 技術已日趨完 善，其應用范圍正從最初的微型轎車向普通轎車和商用客車方向發(fā)展。 eps 產品在 2002 年才有國內企業(yè)進行研制

9、開發(fā)，目前已經知道的有 10 多家科研院校正 在研制中，如清華大學、吉林大學、江蘇大學、天津大學、合肥工業(yè)大學等，另外還有 10 多家轉向企業(yè)和 10 多家配套企業(yè)也在研制中。從市場應用來看，國內已裝有 eps 產品的汽 車主要為 1.3l-1.6l 的轎車(主要是電動機的功率所致)。如重慶長安的奧拓、安徽的奇瑞、 南京菲亞特、廣州本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國產汽車各車型技術的實際情況以 及使用條件的特殊性，國外的 eps 與國產汽車的匹配以及實用性還存在問題，至今還沒有與 國產汽車相協(xié)調匹配的、且具有自主知識產權的 eps，僅僅在近幾年才開展 eps 的技術研究， 可獲得的技術資料較

10、少，目前尚處于技術攻關階段。 1.3 eps 的發(fā)展趨勢和急待解決的核心技術 首先，eps 的應用范圍將會進一步拓寬，將作為標準件裝備在汽車上，并將在動力轉向 領域占據主導地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動轉向系統(tǒng)每年正以 9%-10%的增長速 度發(fā)展，年增長量達 130 萬至 150 萬套，估計至 2005 年，該產品的產量將由目前的 150 萬 套增長到 800 萬套，2007 年將達到 1140 萬套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動轉 向將會完全占領轎車市場，并向微型車、輕型車和中型車擴展。 盡管 eps 已達到了其最初的設計目的，但仍然存在一些問題急待解決，比如提高現(xiàn)有應 用的

11、 eps 系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產成本等。其中，進一步改善電動機的性能是下一步努 力的一個主要方向。電動機本身的性能及其與電動助力轉向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉向操縱 力、轉向、路感等問題。概括地說，今后電動助力轉向技術的發(fā)展方向主要為:改進控制系 統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進一步改進控制系統(tǒng)的性能， 才能滿足更高檔車的使用要求。另外，eps 的控制信號將不再僅僅依靠車速、扭矩和方向盤 轉角，還包括轉向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控 制，以獲得更好的轉向和路感。未來的 eps 將向電子四輪轉向的方向發(fā)展，并與通過總線技 術電子懸架、發(fā)

12、動機電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調控制汽車的運動。隨著電子技術的發(fā)展，今后 有可能取消轉向系統(tǒng)的機械部分而采用所謂的線控轉向系統(tǒng)。這將是 eps 的未來 10 年的發(fā) 展方向。 對于我國來說，由于在這方面和國外的差距很大，所以在今后相當長的一段時間內，仍 須集中精力解決傳感器、電機、和電子控制器方面的研究工作。 1.4 本課題研究的目的與意義 汽車電子動力轉向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車低速時需要“輕”的 轉向力，高速時需要“靈”的轉向效果。同時，轉向力與路感也相互制約。本課題將通過 2 合適的綜合控制方法，設計合適的控制系統(tǒng)，以提高汽車轉向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和路感，并 為以后的深入研究

13、eps 的工作打下良好的基礎。從中汽轉向專業(yè)委員會第十一屆學術年會傳 來的信息表明:電動轉向是現(xiàn)代汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。因此我們必須大力對電動轉 向技術進行研究。本文所進行的工作正是在這一時代背景下展開的。通過查閱國內外的文獻， 本文詳細介紹了國內外的電動轉向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過仿真提出了 一條可供進一步研究的控制策略。 2 電動助力轉向系統(tǒng)方案確定及其工作原理 系統(tǒng)總體方案的確定，是進行系統(tǒng)設計最重要、最關鍵的一步，直接影響到整個控制系 統(tǒng)的性能、安全運行等因素的參數(shù)選定，使設計能夠有序、正確的進行。為更好的擬定一份 準確、可靠的總體方案，可以采用“多選一”的形式。

14、 第一方案： 此方案以 80c552 作微處理器。如圖 2-1 所示。80c552 單片機是由 philips 公司生產的一 款功能非常強大的 mcs-51 系列兼容機。除了提供 80c51 的全部功能外，還提供了大量的硬 件資源，引入了許多新的功能，是專為儀表控制、工業(yè)過程控制、汽車發(fā)動機與傳動控制等 實時應用場合而設計的高性能單片機。但是由于 80c552 沒有片內程序存貯器，系統(tǒng)需對程 序存儲器進行外部擴展。 pwm a/da/d 80c552 80c552 車速信號 發(fā)動機轉速信號 扭矩信號 74ls373at28c64 驅 動 電 路 光 電 隔 離 離 合 器 直 流 電 機 圖

15、2-1 電動助力轉向系統(tǒng)的方案框圖 第二方案： 此方案是由 89c51 作為微控制器，如圖 2-2 所示。以扭矩傳感器、車速傳感器、發(fā)動機 電流傳感器的輸出信號作為輸入信號，并經放大電路、adc0809 轉換器轉換送到 89c51 單片 機，再由 89c51 對輸出電路進行分時控制，從而保證系統(tǒng)正常運行。與 80c552 相比，89c51 不需對程序存儲器進行外部擴展。 89c51 扭矩傳感器 車速傳感器 發(fā)動機電流信號 系統(tǒng)供電電源 點火開關 輸入 處理 電路 輸出 及監(jiān) 控電 路 直流電機 顯示電路 離合器 圖 2-2 電動助力轉向系統(tǒng)的方案框圖 與方案一相比，此方案的特點是以實際使用性能

16、為出發(fā)點，比較方案一來說更節(jié)省系統(tǒng) 內存空間，在使用中有較強的隨機應變能力。根據上述種種分析得出，方案二為本設計中的 最佳方案。故本設計中選方案二為設計方案。 2.1 電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理 2.1.1 電動助力轉向系統(tǒng)的組成和工作原理 電動助力轉向系統(tǒng)是利用電機作為助力源，根據轉矩參數(shù)和車速信號，由電子控制裝置 來執(zhí)行助力控制的。典型的電動助力轉向系統(tǒng)的組成如圖 2-3 示: 圖 2-3 電動助力轉向系統(tǒng)的組成 從圖上可以看出，所謂的 eps 系統(tǒng)就是在原機械轉向系統(tǒng)的基礎上，增加了車速傳感器、 轉矩轉角傳感器、電子控制器、電動機及其傳動機構，直接利用動機驅動轉向軸提供助力轉 矩。轉矩轉

17、角傳感器測量轉矩與方向盤轉角大小并和車速信號一起送入電子控制器?？刂破?根據得到的信號判斷是否助力以及助力的方向。若需要助力，則依照既定的控制策略計算電 機助力轉矩的大小并輸出相應控制信號給驅動電路。后者提供相應的電壓或者電流給電動機。 電動機輸出的轉矩通過傳動機構驅動轉向軸轉動從而實現(xiàn)助力作用。 當汽車點火后，方向盤轉動時，裝在轉向盤輸入軸上的轉矩傳感器不斷的測出轉向軸上 轉向力矩，該信號與車速信號同時輸入給控制器 ecu。控制器根據輸入的這些信號，依據相 應的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動機的電流大小和方向，調整轉向助力的 大小。電動機的輸出轉矩經電磁離合器通過減速機構進行減速

18、轉矩后，施加給轉向桿輸出軸， 并經過齒輪齒條等轉向機構的作用，使之得到一個與汽車工況相適應的轉向作用力。 2.1.2 電動助力轉向系統(tǒng)的分類 電動助力轉向系統(tǒng)按照其轉向助力機構結構和位置的不同，可分為轉向軸助力式、轉向 軸小齒輪助力式和齒條助力式三種形式。 3 1:轉向柱助力式(column-assist type) 此時電動機、減速器直接與轉向柱相連。它可安裝在轉向柱上的任意合適位置，一般提 供蝸輪蝸桿機構來實現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機的輸出力矩比較小，是一種目前常見 的助力形式。由于各部件相對獨立，因此維修方便。設計時也有很大的靈活性。但是電機輸 出力矩的波動容易傳遞到方向盤上。如果電

19、動機的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話， 必須考慮對電動機噪聲的抑制。 2:小齒輪助力式(pinion-assist type) 這也是一種目前較為常見的助力形式，此時電動機、減速器直接與轉向小齒輪相連。它 具有轉向柱助力式 eps 的全部優(yōu)點，并且還可在現(xiàn)有的機械轉向器上直接設計，而不用改變 轉向柱的結構。 3:齒條助力式(rack-assist type) 電動機的電樞通過傳動機構與齒條直接相連，傳動機構將電樞的轉動變?yōu)槠絼訌亩鴮崿F(xiàn) 助力。作為最初應用的 eps，這種助力形式的優(yōu)點是結構緊湊，不受安裝位置的限制，可以 提供較大的助力力矩，電機的力矩波動不易傳遞到方向盤上。缺點是結構復雜，

20、價格昂貴， 工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動機的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必 須拆下整個轉向齒條部件，因此維修不方便。 2.1.3 電動助力轉向系統(tǒng)的技術要求 對轉向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。高的轉向靈敏性， 要求轉向器具有較小的傳動比，以小的轉向盤轉角獲得迅速轉向。好的操縱輕便性，則要求 轉向器具有較大的傳動比，這樣才能以較小的轉向盤操縱力獲得大的轉向力矩?？梢?，上述 的兩個要求是矛盾的。而電動式助力轉向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實時的調節(jié)和控制電機 提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。一般來說，電動式助力轉向器應當滿足動力轉向系 統(tǒng)的如下要求： 4

21、 (1)能有效減小操縱力，特別是停車轉向操縱力。而行車轉向的操縱力不應大于 245n。 (2)轉向靈敏度好。轉向靈敏度就是轉向助力器產生助力作用的快慢程度。 (3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉向結束時轉向盤應能自動回正;駕駛員應有良好的“路感”。 (4)要有隨動作用。轉向車輪的偏轉角和駕駛員轉動的轉角保持一定關系，并能使轉向車 輪保持在任一偏轉角位上。 (5)工作可靠。當動力轉向失敗或發(fā)生故障時，應能保證通過人力進行轉向操縱。 2.2 電動助力轉向系統(tǒng)的數(shù)學模型 為了研究 eps 系統(tǒng)的動態(tài)特性及 eps 系統(tǒng)對汽車操縱性的影響，eps 數(shù)學模型的建立是 進行理論研究必不可少的一個環(huán)節(jié)。eps 的

22、機械部分主要可分為轉向盤和轉向軸、電動機、 減速結構和齒輪齒條四個主要部分，根據系統(tǒng)的使用條件和研究對象，忽略一些次要因素， 對 eps 部件進行簡化，在簡化的基礎上，根據牛頓運動定律建立各部分的力學模型，然后再 根據各部件之間的相互約束關系，聯(lián)立各模型，得到如圖 2-4 所示的模型。 x x u 電機 tsen im ta tw rp 轉矩傳 感 器 ecu 減速機構 減速機構 s th 圖 2-4 eps 動態(tài)模型 2.2.1 轉向盤和轉向柱輸入軸子模型 對轉向盤和輸入軸受力分析，這里考慮了轉向盤的轉動慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼 考慮在內，可以得到如下運動方程: j+b=t -t (2-

23、1) ssss h sen 式中 js轉向盤、輸入軸的轉動慣量，kgm ; 2 bs輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，nm /( rad / s) ; 輸入軸的旋轉角，rad ; s t 作用在轉向盤上的轉向轉矩，nm; h tsen扭桿的反作用轉矩，nm 。 由于轉矩傳感器是依靠扭桿的相對轉動產生扭轉變形，扭桿受到的轉矩與扭 桿的扭轉角度成正比，即有 tsen = ks ( s-e) (2-2) 式中 ks扭桿的剛性系數(shù)，nm/rad ; s輸出軸的旋轉角，rad 。 2.2.2 電動機模型 系統(tǒng)采用永磁式直流電動機，如圖 2-5 所示，電動機的端電壓 u 與電感 l、 電樞電阻 r、反電動勢常數(shù) kb

24、、轉速 m、電流 i 和時間 t 之間的關系如下: u 二 l 十 ri 十 k m （2-3） 。 i 。 圖 2-5 永磁式直流電動機模型 電動機產生的電磁轉矩為: tm = ka i (2-4) 式中 ka電動機的轉矩系數(shù):nma。 1 對電動機機械部分受力分析，可以得到: jmm + bmm=tm-ta (2-) . . 式中 jm,電動機和離合器的轉動慣量，kgm ; 2 bm電動機粘性阻尼系數(shù)，nm/(rad/s); m電動機的轉角，rad; tm電動機電磁轉矩，nm; ta電動機輸出轉矩，nm 。 在實際的控制系統(tǒng)中，電動機助力轉矩 ta 可以如下式所示 ta = km （m g

25、e） (2-6) 式中 km電動機和減速機構的輸出軸剛性系數(shù)，nm/rad 。 2.2.3 輸出軸子模型 對轉向柱輸出軸及電機輸出軸進行動力學分析，得到下面的運動學方程: jee +bee=tsen + gta tw (2-7) 式中 je輸出軸的轉動慣量，kgm ; 2 be輸出軸的阻尼系數(shù)，nm /(rad / s) ; g蝸輪-蝸桿減速機構的減速比; tw作用在輸出軸上的反作用轉矩，nm 。 2.2.4 齒輪齒條子模型 對齒條和小齒輪進行動力學建模，可以得到 mr xr + br xr=-ftr (2-8) p w r t 式中 mr齒條及小齒輪的等效質量，kg; br齒條的阻尼系數(shù)，n

26、/(m/s); xr齒條的位移，m; rp小齒輪半徑，m; ftr輪胎轉向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力，n。 轉向阻力 ftr主要受轉向時車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉向系統(tǒng)中各種摩擦力和力 矩的影響，同時它還與車速、路況、轉彎半徑、風阻以及轉向盤的轉速等有關。對于常規(guī)助 力控制過程該模型的簡化對控制策略的影響不大，這里給出簡化的計算公式： 6 ftr= kr xr+f (2-9) 式中 kr等效彈簧的彈性系數(shù)，n/m ; f 路面的隨機信號，n。 其中e=。聯(lián)立上面所建的動力學方程，可以得到: p f r x jss + bss+ kss=ts + ks （2-10） . . p r

27、 r x jm m +bm m +km m = tm+ g km （2-11） . . p r r x mr r+br r+kr xr=+-f （2-12） . x . x p m r gk m p s r k s mr=mr+減速機構、小齒輪和齒條等的當量質量，kg； 2 p e r j br=br+減速機構、小齒輪和齒條等的當量阻尼系數(shù)，n/（m/s） 。 2 p e r b kt=kt+小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，n/m； 2 p 2 s r gk m k 2.3 電動助力轉向系統(tǒng)的主要部分 電動助力轉向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類型，但其主要部件幾乎相同。除了本身的機械 傳動部

28、件外，主要的部件還包括轉矩傳感器、車速傳感器、直流電動機、電磁離合器、減速 機構和電子控制器 ecu (electronic control unit)。 2.3.1 轉矩傳感器 轉矩傳感器用于測量方向盤的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉換為相應的電壓信號 傳送給控制器 ecu，作為系統(tǒng)控制策略的重要依據之一，它直接影響到控制效果的好壞，所 以很多廠家都非常重視轉矩傳感器的研究與開發(fā)。轉矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類，非 接觸式主要是使用下列三種技術之一； 磁、光和感應技術。非接觸式轉矩傳感器的線性 6 功能和滯后性能好，但價格較高。接觸式轉矩傳感器一般結構簡單，價格合適，目前的應用 也較為廣

29、泛。 本課題選用的即為非接觸電位式轉矩傳感器，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。 鋼球通過螺旋球表面固定在輸入軸外側的螺旋球槽和滑塊內側的球洞里?；瑝K相對于輸入軸 可以在螺旋方向移動。同時，滑塊通過一個銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對于輸出軸在垂 直方向上移動。因此，當輸入軸相對輸出軸轉動時，滑塊按照輸入軸旋轉的方向和輸出軸的 旋轉量，垂直移動(在軸方向)，(等于輸入軸相對于輸出軸旋轉)。當轉動方向盤，轉矩被傳遞 到扭力桿時，輸入軸和輸出軸之間的旋轉方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動， 這些軸方向的移動轉換為圖 2-6 所示的控制桿里電位器的旋轉角度。結果，轉矩轉變?yōu)殡妷?變化，并傳送到

30、控制器 ecu.送到控制器的轉矩信號分為主、副兩路。當方向盤處于中間位 置時，主、副兩路輸出的信號都為 2.5 v;當方向盤右轉時，主轉矩信號大于 2.5 v，副轉矩信 號小于2.5 v;當方向盤左轉時，主轉矩信號小于 2.5 v，副轉矩信號大于 2.5 v。系統(tǒng)利用主、 副轉矩信號即可判斷方向盤轉向的方向和轉矩大小。 圖 2-6 電位式轉矩傳感器的輸出特性 2.3.2 車速傳感器 車速信號也是系統(tǒng)控制重要依據之一，一方面它與轉矩信號結合用以確定系統(tǒng)控制的目 標電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當車速超出系統(tǒng)設定的助力范圍時，系 統(tǒng)將停止助力，改為手動操作。車速信號由車速傳感器測得，

31、車速傳感器也有多種類型，主 要是利用電磁原理和光學原理制成。常見的車速傳感器工作原理如圖 2-7 所示，車速傳感 7 器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。由于傳感器的頂端設置在附有齒的轉子附近，當附有齒的 轉子旋轉時，從傳感器的永久磁鐵出來的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會產生交流電流。圖 2-7 為車速傳感器的工作原理。 1.輪毅 2.轉子 3.永久磁鐵 4.輸出信號電壓 5.高速時 6.低速時 圖 2-7 車速傳感器的工作原理 車速傳感器的輸出信號一般是經里程表處理后，變成方波信號送給控制系統(tǒng)。在本文的 研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來模擬實際的車速信號，用于對控制策略的研究。 2.3.3 直流電動機

32、eps 用直流電動機與一般的起動電機在原理上基本相同，但一般采用永磁電動機。為了 降低噪聲和減小振動，有的電動機轉子外圓表面開有斜槽。作為 eps 系統(tǒng)助力的提供者，直 流電動機應當有較好的機械特性和調速特性。一般應滿足如下要求： 3 1)盡可能寬的調速范圍; 2)較小的轉動慣量; 3)良好的低速平穩(wěn)性; 4)體積小、質量輕、噪聲低; 5)過載能力強; 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動機作為 eps 系統(tǒng)的助力電機，其工作的 額定電壓為 12 v,額定電流為 30a,，額定轉速為 1050r/min,額定輸出功率為 170w，額定轉矩 為 1.48nm. 2.3.4 電磁離合器 電磁

33、離合器安裝在電動機和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機與減速機構快速地結 合和分離。當系統(tǒng)工作于助力模式時，離合器使電機與減速齒輪結合，傳送電機的輸出轉矩。 當系統(tǒng)車速高于設定值或電機電流高于設定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，離合器又斷開電動機與減 速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。一般的 eps 系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結構如圖 2-8 所示，主要由電磁線圈、 主動 輪、從動軸、壓板 1 滑環(huán) 2 電磁線圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動軸 6 主動軸 7 滾珠軸承 圖 2-8 電磁離合器結構圖 等組成。其工作原理如下:裝在電動機輸出軸上的主動輪內裝

34、有電磁線圈，通過滑環(huán)引入電 3 流。當離合器通電時，電磁線圈產生的電磁力使壓板與主動輪端面壓緊。于是，電動機的動 力經主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳給減速齒輪滅。 2.3.5 減速機構 減速機構也是電動助力轉向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機構的作用是降低電動機的輸出 軸的轉速，從而將電動機輸出軸的輸出轉矩放大后作用于轉向輸出軸。目前實用的減速機構 有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉向軸驅動組合式，也有的采用兩級行星齒輪與傳動 齒輪組合式。兩級行星齒輪減速機構能提供較大的助力，一般用于小齒輪助力和齒條助力式 eps 系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機構提供的助力雖不如兩級行星齒輪減速機構的大，但已能滿足微 型車的

35、應用需求，加之其減速機構傳動平穩(wěn)、結構簡單、體積小以及成本低，所以目前應用 較為廣泛。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹 脂材料制成。在本課題的研究中，所選用的就是蝸輪蝸桿減速機構，它是與電動機及電磁離 合器集成為一體的一個組成機構。圖 2-9 為電機、離合器、減速機構組成。 圖 2-9 電機、離合器、減速機構組成 2.3.6 電子控制單元 ecu ecu 的功能是根據扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，進行邏輯分析與計算后，發(fā)出 指令，控制電動機和離合器的動作。由于 eps 系統(tǒng)處理的數(shù)據量還不是很大，所以目前的控 制器核心一般采用 8 位的單片機。現(xiàn)以昌河北

36、斗星微型車所用的。ecu 來說明其控制結構 3 (如圖 2-10 示)和工作原理。 圖 2-10 電子控制單元 ecu 結構圖 ecu 控制模塊接收到 a1 的點火信號后，接通蓄電池電源，系統(tǒng)開始工作。根據轉矩傳 感器 a8(主信號)、a10(副信號)和車速傳感器 a2 的輸入信號，確定助力控制的大小和方向， 驅動電機轉動(b1, b3)和離合器(a6, all)的開斷除此之外，p/s 控制模塊還具有故障自我診斷 (a12)和安全防護功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警時，系統(tǒng)將停止助力控制，并顯示故障代碼。 3 電動助力轉向系統(tǒng)的硬件設計 控制器 ecu 是電動助力轉向系統(tǒng)研究的主要內容之一，是控制策略

37、實現(xiàn)的硬件基礎， 控制器的硬件性能直接影響 eps 系統(tǒng)的控制效果。在研究了電動助力轉向控制器的工作原理 和結構的基礎上，作者自行設計開發(fā)了硬件控制器 ecu?？刂破鞯脑O計主要包括兩大部分， 一是數(shù)據輸入通道，即數(shù)據采集電路的設計，二是控制輸出通道，主要是電動機的控制電路。 對于硬件設計中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡要介紹。 3.1電子動力轉向系統(tǒng)控制器的總體結構 eps 控制器結構圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 eps 控制器結構圖 方向控制 繼電器通斷信號 點火信號 電機電流采集 車速信號 扭矩信號副 扭矩信號主 波形 處理 a/d 采集 電路 外部信號 處理電路 單片機 繼電器驅

38、動 電路 繼電器保護 電路 光電 隔離 h 橋 驅動 電路 h 橋電 動機控 制電路 電動 機 a/d 采 集 電 路 轉 矩 傳 感 器 車 速 傳 感 器 霍 爾 傳 感 器 外 部 信 號 方向 控制 電路 系統(tǒng)穩(wěn)壓 電 路 故障 顯示 電路 當控制器接收到汽車點火信號時，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開始工作。汽車在行駛過 程中，ecu 采集轉矩傳感器和車速傳感器的輸入信號，根據已定的控制規(guī)則，確定一個目標 電流和電機轉動的方向，并以 pwm 調制的方式通過 h 橋電路來驅動電機轉動。同時，系統(tǒng) 對電機的輸出電流進行采樣，采樣的結果一方面與目標電流相比較，用于電機的控制;另一方 面結合車速信

39、號，用于系統(tǒng)的保護。若電機電流大于設定值或車速高于設定值時，為了保護 電機和系統(tǒng)的安全，控制器將對繼電器發(fā)出一個控制信號，斷開電機電源，停止助力，待系 統(tǒng)正常后，再恢復助力功能。 3.2 控制器微處理芯片的選擇 3.2.1 控制器微處理器常用芯片及選型 作為汽車電子技術研究的熱門課題之一，國內外很多研究機構和高校對控制器的硬件 設計進行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上。現(xiàn)在常用的芯片有很多種，如 8031,8051,89c51,89c52 等，本設計中選擇 89c51 作為微處理器。 3.2.289c51 芯片及 a/d 轉換芯片介紹 89c51 單片機芯片引腳如圖 3-2 所示。

40、 圖 3-2 89c51 單片機芯片引腳 （1） 89c51 的 40 個引腳按其功能來分，可分為如下三類： (1)電源及時鐘引腳：v、v；xtal1、xtal2ccss (2)控制引腳： 、ale、reset（即 rst）psenea (3)i/o 口引腳：p0、p1、p2、p3，為 4 個 8 位 i/o 口的外部引腳。 （2） 8 通道 8 位 a/d 轉換器 adc 0809 由于單片機不能直接與模擬信號相連接，所以必須有一個器件完成從模擬信號到數(shù)字信 號的轉換，而 adc0809 就是這樣一個器件。adc0809 是 cmos 的 8 位單片 a/d 轉換器。 片內有 8 路模擬開關

41、，可控制選擇 8 個模擬量中的一個。a/d 轉換采用逐漸逼近原理。輸出 的數(shù)字信號有 ttl 三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據總線。模擬輸入部分有 8 路多路開關， 可由三位地址輸入 adda、addb、addc 的不同組合來選擇。主體部分是采用逐次逼近式 的 a/d 轉換電路，由 clk 信號控制內部電路的工作，由 start 信號控制轉換開始。轉換后 的數(shù)字信號在內部鎖存，通過三態(tài)緩沖器接至輸出端。adc0809 與 89c51 連接圖如圖 3-3 所 示。 8 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8

42、rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3

43、 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 89c51 12保hz 20pf c1 20pf c2 c3 r1r2 +5 +5 2 3 1 2 3 1 12 dq cpq dq cpq d7 28 d6 27 d5 26 d4 25 d3 24 d2 23 d1 22 d0 21 adda 20 addb 19 addc 18 eoc 17 gnd 16 ref(-) 15 start 1 ale 2 oe 3 ref(+) 5 in7 13 in6 12 in5 11 in4 10 in3 9 in2 8 in1 7 in0 6 vcc 4

44、clk 14 adc 0809 +5 圖 3-3 adc0809 與單片機 89c51 的連接圖 3.2.3 89c51 外部總線擴展及片外 rom 的連接 由于 89c51 的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下，我們采用地址鎖存器進行單片機系統(tǒng) 總線的擴展。常用的單片機地址鎖存器芯片有 74ls373、8282、74ls273 等。本設計中，采 用 74ls373 來擴展 89c51 的外部總線。圖 3-4 為 74ls373 引腳圖。 圖 3-4 74ls373 的引腳圖 74ls373 是帶三態(tài)輸出的 8 位鎖存器。當三態(tài)門 oe 為有效低電平，使能端 g 為有效高 電平時，輸出跟隨輸入變

45、化；當 g 端有高變低時，輸出端 8 位信息被鎖存，直到 g 端再次有 效為止。 由于 89c51 的數(shù)據存儲器不能滿足設計系統(tǒng)的要求，必須外接 ram。ram 是程序存儲 器的簡稱，用來存放用戶數(shù)據的存儲器，具有 ram 型存儲器的單片機價格最低，它適用于 大批量生產。片外的 ram 可直接掛在外部系統(tǒng)總線上，至于 ram 的選通操作，需要由控 制信號和片外信號確定。外部程序存儲器的讀信號為 psen。單片機片外 ram 芯片的種類和 型號非常多。例如 6116(2k)、6264（8k） 、62256（32k）等。本系統(tǒng)選擇 6264 來外擴數(shù)據存 儲器。6264 的各個功能引腳如圖 3-5

46、 所示。 圖 3-5 6264 的各個功能引腳 vcc：電源電壓，+5v。 gnd：接地。 a0-a12:地址線。 d0-d7:數(shù)據線。 oe：片輸出允許，連接單片機的讀信號線。 we:寫允許引腳，低電平有效。 單片機和片外 ram 的電路連接圖如圖 3-6 所示.。 9 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17

47、 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 89c51 +5v+5 we 20 oe 22 a1 9 a0 10 a2 8 a3 7 a4 6 a5

48、 5 a6 4 a7 3 a8 25 a9 24 a10 21 a11 23 a12 2 cs1 26 vcc 27 cs2 1 q0 11 q1 12 q2 13 q3 15 q4 16 q5 17 q6 18 q7 19 gnd 14 u3 6264 oe 1 le 11 d0 3 d1 4 d2 7 d3 8 d4 13 d5 14 d7 18 d6 17 gnd 10 vcc 20 q0 2 q1 5 q2 6 q3 9 q4 12 q5 15 q6 16 q7 19 u2 74ls373 +5 vcc 圖 3-6 單片機 89c51 和片外 ram 的電路連接 圖中 p2 口和 62

49、64 的高 8 位地址線以及片選信號 ce 連接；p0 口經過地址鎖存器輸出的 地址線和 6264 的高 8 地址總線相連，同時 p0 口又與 eprom 的數(shù)據線相連。單片機的 ale 連接地址鎖存器的控制端；psen 連接 6264 的輸出允許 oe 端。 3.3 控制器輸入通道的設計 3.3.1 轉矩信號的采集 控制器接收從轉矩傳感器送來的轉矩信號有主、副兩路，如前所述，這兩路信號是對稱 的，故在設計時只需采用一種電路。輸入的轉矩信號幅值為 0-5 v,a/d 轉換器的輸入電壓范 圍為 0-2.5 y,故對轉矩信號除了一般的濾波處理外，還需對其進行分壓處理。其電路原理如 圖 3-7 示。

50、此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的 r1, r2 先將輸入的轉矩信 號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话耄缓笈c c1 構成一階低通濾波電路，r3 與 c2 構成第二級一 階低通濾波，運放則作為一個電壓跟隨器來使用。轉矩信號采集電路如圖 3-7 所示。 1110 圖 3-7 轉矩信號采集電路 3.3.2 電動機電流信號的采集 電動機的反饋電流是電動機閉環(huán)控制所必須的一個參數(shù)，它一方面用來與目標電流的比 較，使其更接近于目標電流;另一方面，可以利用它來對電動機進行過流保護，即當電機電流 高于保護值時，切斷電機供電電源，用軟件的方式替代硬件過流保護電路。電機的反饋電流 采用霍爾電流傳感器采集，

51、電機的額定電流為 30a，本課題所選用的是 pas-hid50 型霍爾電 流傳感器，具有反應時間快，過載能力強，全程范圍內極高的線性度的特點。其電氣參數(shù)見 表 3-1. 表 3-1 電動機的電氣參數(shù)表 電源電壓dc12-15v 額定輸入電流50a 電流測量范圍0-70a 精度0.5% 線性度0.15% 額定輸出電流50ma 失調電流優(yōu)于0.2ma 跟隨精度200a/us 響應時間us 頻帶寬度dc-200khz 耐壓ac2.5kv/min，50hz pas-hid50 的接線方式如圖 3-8 所示。 圖 3-8 pas-hid50 霍爾傳感器電路連接圖 由于助力電動機提供左右兩個方向的助力，電

52、動機的助力電流也就有正負之分?；魻杺?感器輸出的是電流信號(0-50ma)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號，故需在傳感器的輸出引腳上接 一個約 100的電阻，將輸入的信號轉換為-5v 到 5v 的電壓信號，然后經過電壓變換電路 如圖 3-9 示，使其轉換為對應的 0v 到 2.5 v 的電壓信號，最后經濾波電路送到 89c51 芯片的 a/d 端口。 圖 3-9 電動機電流采集電路 3.3.3 車速信號的采集 車速信號是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號，電壓在 9.5 v 以上。在課 題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來模擬車速信號，輸入到單片機。單片機所能處理的信號高電 壓在 2.5v 左右，所以

53、車速信號的通道設計主要是完成信號的電平匹配設計，一般采用一個前 位分壓電路即可實現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設計中采用的是光耦合器的電 平匹配方式。其具體電路設計比較簡單，如圖 3-10 所示。輸入的車速信號經光耦轉變?yōu)?5v 的脈沖信號，經電阻 r2 , r3(阻值相同)分壓后輸入給單片機的計數(shù)器，再通過軟件處理得到 對應的車速。 圖 3-10 車速信號處理電路 3.4 控制器輸出通道的設計 ecu 的輸出通道主要是電機的驅動電路和離合器的開斷控制電路。電機的驅動電路采用 了常用的 h 全橋 pwm 電路，方向控制由門電路組成，離合器的開斷用繼電器來控制。下面 將分別說明。 3.4

54、.1 電動機的 pwm 控制 在控制器的硬件設計中，電動機的控制設計是重要的一環(huán)。電動機是系統(tǒng)直接控制的對 象，所以這部分的設計直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性。 3.4.1.1 電動機的 pwm 調壓調速原理 直流電動機的控制方式可分為調節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調節(jié)電樞電壓的電樞控制 方法兩種。其中勵磁控制方法在低速時受次級飽和的限制，在高速時受換向火花和換向其結 構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用的很少?，F(xiàn)在， 大多數(shù)應用場合都使用電樞控制方法。 對電動機的驅動離不開半導體功率器件。在對直流電機的電樞電壓的控制和驅動中，對 半導體器件的使用上又可分為線

55、性放大驅動方式和開關驅動方式。線性放大驅動方式是使半 導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰 近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產生熱量會消耗大部分電功率，效率和散 熱問題嚴重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機的驅動。絕大多數(shù)直流的電動機采用 的是開關驅動方式，通過脈寬調制 p wm 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)電機的控制。pwm 調制的原理圖如圖 3-11 所示。 圖 3-11 電動機控制電路原理圖 采用開關驅動方式，通過 pwm 來控制電機電壓時，電動機的電樞繞組兩端的平均電壓 u0為: u0=(t1us 十 0) /(t1+t2)=t

56、tus /t= （3-1）us 式中 a 為占空比，a=tl/to，開關器件導通的時間，t 為脈寬調制 pwm 的周期。占空比 a 表示 了在一個周期 t 中，開關管導通的時間與周期的比值。a 的變化范圍為。al。在 電源電壓 us 不變的情況下，電樞的端電壓 uo 的平均值取決于占空比 a 的大小，改變 a 的值 就可以改變端電壓的平均值，從而達到控制目的。 在 pwm 調制時，占空比 a 是一個重要參數(shù)。改變占空比 a 的主要方法有定寬調頻法、 調頻調寬法和定頻調寬法。前兩種方法由于在控制時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當控 制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方

57、法很少用。目前，在 直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。 根據電動助力的原理，要求電動機能正反轉工作，這就需要可逆 pwm 控制系統(tǒng)?？赡?pwm 控制系統(tǒng)分為雙極性驅動和單極性驅動。雙極性驅動是指在一個 pwm 周期中，直流 電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點，但存在著 電流波動大，功耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關管直通的危險，限制了開關 管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。單極性驅動方式是指在一個 pwm 周期內，直流電動機電樞只能承受單極性電壓。由于單極性驅動方式能夠避免開關管直通， 可大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以適用于在大

58、功率、大轉動慣量、可靠性要求較高的直流電動 機控制應用上。 鑒于上述原因，本課題的 eps 控制器的電機控制部分，采用了單極性 pwm 控制方式， 占空比 a 的調整采用了定頻調寬法。在確定了 pwm 控制方法后，下一步的工作就是對半導 體功率器件的選擇。 3.4.1.2 功率開關部件的選擇及其驅動電路 目前應用較多的功率開關器件有功率場效應晶體管(power mosfet)、絕緣柵晶體管 (igbt)和 mos 柵控晶體管(mct)等。由于 mosfet 開關管工作頻帶最寬，又具有一定的價 格優(yōu)勢，所以在目前的控制系統(tǒng)中應用較多。選擇 mosfet 的型號時要考慮到漏極電流的最 大額定值，漏

59、極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導通電阻。根據助力電動機的電氣參 數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設計中，我們選用的是國際整流公司(ir)的 irfz48nn 型 mosfet 管，它的基本電氣參數(shù)和結構見表 3-2。 12 表 3-2 功率場效應晶體管的電氣參 額定漏極電壓 vds 55v 柵源開啟電壓 vos 4-20v 額定漏極電流 ids 64a 導通電阻 ron 14m 開通時間 ton90ns 關短時間 toff 84ns 在選定功率開關器件后，接著就要考慮選擇與其相關的驅動器件，并設計驅動電路。功 率開關器件的驅動電路一般采用專用的集成驅動器件或采用光耦器件器件。專用驅動

60、器件常 用的有 ir 公司 ir2110, ir2111, ir2112, ir2113 等。光耦驅動電路由于線路簡單，可靠性高， 開關性能好，是設計時被廣泛采用的一種驅動電路。驅動光耦的型號很多，所以選用的余地 也很大。驅動光耦選用較多的主要由東芝的 tlp 系列，夏普的 pc 系列，惠普的 hcpl 系列 等。考慮到電機的助力電流較大，為了能有效的隔離強電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設 計中最終采用了光耦驅動器件。所選用的光耦型號為東芝的 tlp250，它包含一個 gaalas 光 發(fā)射二極管和一個集成光探測器，是 8 腳雙列封裝，適合于工 gbt 或功率 mosfet 柵極驅 動電路。t