基于單片機的電動助力轉(zhuǎn)向畢業(yè)設計

.....參考資料.基于單片機的電動助力轉(zhuǎn)向畢業(yè)設計目錄113361緒論 1111111.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 116371.2課題研究的意義 3115921.3設計的目的 336401.4本文研究的主要容 4130732電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡介 5215592.1EPS系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)組成 5198712.1.1助力電機 5263802.1.2電磁離合器 6300232.1.3減速機構(gòu) 6145242.1.4雙行星齒輪減速機構(gòu) 7273602.1.5渦輪蝸桿式減速機構(gòu) 8189762.1.6車速傳感器 9188902.1.7扭矩傳感器 10141422.1.8電子控制單元 1070322.2助力特性曲線的建立 11213083EPS系統(tǒng)硬件設計 13113.1EPS系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖 13145883.2硬件電路繪制軟件Protues簡介 13238043.3車速信號處理電路 1476003.4扭矩信號處理電路 15189253.5電源電路 16237723.6電磁離合器控制電路 17299673.7電機驅(qū)動電路 17127073.8電機電流信號采集電路 18173553.9控制系統(tǒng)硬件電路總圖 19285063.10控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡圖 20.參考資料.229193.11硬件抗干擾設計 21234643.11.1地線設計 21158053.11.2電源線布置 2278763.11.3印刷電路板的尺寸與器件布置 22255474EPS系統(tǒng)軟件設計 2388504.1EPS系統(tǒng)控制目標 23107754.2EPS系統(tǒng)控制方式 23162974.2.1助力控制 23213754.2.2回正控制 24203624.2.3阻尼控制 25218114.3EPS系統(tǒng)控制策略 25137114.4數(shù)字PID控制技術(shù)在EPS中的實現(xiàn) 26257004.5編程軟件KeiluVision4簡介 27154544.6EPS控制軟件流程圖 27214764.7部分軟件程序的調(diào)試和簡介 29316094.7.1PWM控制部分 29235805protues仿真及成果 3126835.1仿真原件介紹 31192555.1.1信號發(fā)生器 31121355.1.2示波器 31127685.1.3滑動變阻器 31304145.2仿真結(jié)果分析 32303766總結(jié)和展望 34123156.1總結(jié) 34107306.2展望 345750附錄A 367581附錄B 4520917參考文獻 462291致謝 48.參考資料.1緒論汽車，已經(jīng)成為人們同常生活中不可缺少的工具，是現(xiàn)代文明社會的標志之一，被譽為“改變世界的機器"。汽車在行駛過程中，需按照駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂的汽車轉(zhuǎn)向。對于最初的汽車而言，只是駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)向動作，轉(zhuǎn)向動作通過一套專門的機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪相對于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。而汽車轉(zhuǎn)向操縱力的大小，對汽車的低速操縱輕便性和高速行駛穩(wěn)定性有很大的影響[1]。隨著科技水平的提高、轎車的普及，駕駛員對降低操縱力的呼聲也愈來愈高。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)被具有助力功能的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所取代。目前，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有三種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。其中，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因為可提供較大助力、助力效果明顯，同時具有工作過程比較平順等優(yōu)點，在目前仍普遍采用，幾乎所有中、重型載貨汽車都采用此種助力轉(zhuǎn)向形式。但由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身弱點日益顯現(xiàn)出來，轎車和少量輕型車已經(jīng)開始大量應用電動助力式或電液助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且日益廣泛。1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ElectdcPowerSteeringSystem，EPS)完全拋棄液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力執(zhí)行機構(gòu)，它是在原機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上增加了扭矩傳感器，助力電機和電控單元等裝置所構(gòu)成的一套新的系統(tǒng)(圖1.1)。它與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本不同之處在于它的驅(qū)動部件是一個電機。其工作原理是：扭矩傳感器感知出駕駛員施加到轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩后送控制單元，控制單元根據(jù)力矩大小結(jié)合車速等信號確定應當提供的助力大小和方向，再通過電機驅(qū)動部件驅(qū)動電機提供合適的輔助轉(zhuǎn)向力[2]。圖1.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，有以下幾個優(yōu)點：1、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械和液壓連接，效率低，而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械與電機連接，效率較高；2、方向盤的轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向手感和汽車的穩(wěn)定特性，可以通過軟件進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，所以其功能顯然優(yōu)于傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)；3、在低速時，助力系統(tǒng)提供較大的助力．助力大小隨車速的增加而逐漸減小，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)在高速時往往會趨于產(chǎn)生過度的助力：4、能耗少，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在需蔓轉(zhuǎn)向時爿啟動電機產(chǎn)生助力，使汽車油耗得到降低；5、裝配性好，一體式模塊系統(tǒng)，便于總裝』裝配，降低裝配成本。EPS的零部件數(shù)少，電動機，傳感器和電子控制單元(ECU)均可以組合在一起，因此整體外形尺寸減小了。6、“路感”好，由丁EPS部采用剛性連接，系統(tǒng)的滯后特性可通過軟件來控制．而且可以根據(jù)駕駛蛐的操作習慣進行調(diào)節(jié)；7、對環(huán)境污染小。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓回路中有液壓軟管和接頭，往往存在油液泄漏問題，而且液壓軟管是不可回收的，對環(huán)境有一定的污染，而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對環(huán)境幾乎沒有污染；8、可獨立于發(fā)動機工作。即使發(fā)動機熄火，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能照常工作，因此很適用于將來的電動汽車或電汽混合動力型車。1.2課題研究的意義隨著汽車制造技術(shù)以及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車環(huán)保、節(jié)能、舒適、安全的要求越來越高，國外汽車的電動助力轉(zhuǎn)向器正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向器。電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)代表了目前汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，將來會在動力轉(zhuǎn)向領域占據(jù)越來越重要的地位。在國，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于初級階段，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)廠家還很少，市場上的產(chǎn)品主要被國外的公司所壟斷。國外的許多廠家除了申請必要的國際專利外，還在中國境申請了一些EPS專利。因此目前開發(fā)和研制用于轎車和輕型汽車的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟和社會效益，它可為汽車零部件企業(yè)的發(fā)展提供新的經(jīng)濟增長點，也為我國汽車行業(yè)在加入WTO后參與國際汽車市場競爭提供一種有競爭力的機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。同時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于汽車的環(huán)保、節(jié)能、安全等方面也具有積極的現(xiàn)實意義[3]。1.3設計的目的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變和保持汽車行駛方向的專門機構(gòu)，其作用是使汽車在行駛過程中能按照駕駛員的操縱要求而適時地改變其行駛方向，并在受到路面?zhèn)鱽淼呐既粵_擊及汽車意外地偏離行駛方向時，能與行駛行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車繼續(xù)穩(wěn)定行駛。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求主要概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的輕便性。高的轉(zhuǎn)向靈敏性，要求轉(zhuǎn)向器具有小的傳動比，以小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角迅速轉(zhuǎn)向；好的操縱輕便性，則要求轉(zhuǎn)向器具有大的傳動比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得較大的轉(zhuǎn)向力矩?？梢娚鲜鰞蓚€要求是相互矛盾的，因此，在實際設計過程中，一般規(guī)定，當轉(zhuǎn)向輪達到最大設計轉(zhuǎn)角時，轉(zhuǎn)向盤總轉(zhuǎn)數(shù)不宜超過5圈，而轉(zhuǎn)向盤操縱力最大不超過250N。為了滿足以上要求，除盡量減輕自重，選擇最佳軸向分配；提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動效率；減小主銷后傾角；選擇最佳的轉(zhuǎn)向器速比曲線等措施外，通常都采用助力轉(zhuǎn)向方式。尤其對中、重型車，由于軸荷重，助力轉(zhuǎn)向幾乎是唯一的選擇。近年來，隨著對小轎車舒適性要求的提高，助力轉(zhuǎn)向的應用比較普遍[4]。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應滿足以下的要求：1能有效的減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力，行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應過大。.2轉(zhuǎn)向靈敏性好。助力轉(zhuǎn)向的靈敏度是指在轉(zhuǎn)向器操縱下，轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。助力作用快，轉(zhuǎn)向就靈敏。3具有直線行駛的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向結(jié)束時轉(zhuǎn)向盤應自動回正，駕駛員應具有良好的“路感”。4要有隨動作用。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角保持一定的關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車輪保持在任意偏轉(zhuǎn)角位置上。5工作可靠。當助力轉(zhuǎn)向失效或發(fā)生故障時，應能保證通過人力進行轉(zhuǎn)向操縱。1.4本文研究的主要容本文首先對EPS的工作原理及國外研究現(xiàn)狀作了分析，建立了EPS的數(shù)學模型，具體分析了EPS的動態(tài)特性中的助力特性，同時介紹了電動轉(zhuǎn)向中的三種控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。具體所作工作如下：1理論分析。分析了電動助力轉(zhuǎn)向器的主要結(jié)構(gòu)及工作原理，研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略。2仿真研究。在protues環(huán)境下對EPS系統(tǒng)模型和電機模型進行了仿真與結(jié)果分析，優(yōu)化控制策略,并繪制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)的開發(fā)系統(tǒng)框圖。3控制器硬件及軟件設計。設計電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的硬件電路，研究了單片機資源和編程原理，并進行了硬件和軟件調(diào)試。2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡介2.1EPS系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)組成電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、控制單元(ECU)、離合器、助力電動機及減速機構(gòu)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示。工作原理：汽車在運行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器及電機電流傳感器會產(chǎn)生各自的電信號，這些信號經(jīng)過濾波、信號電平調(diào)整后傳給ECU，ECU經(jīng)過分析處理后輸出PWM信號給電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對助力電機扭矩控[5]。圖2.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.1.1助力電機作者開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用的助力電機為直流永磁有刷電機，額定電流為30A,額定電壓為12V，額定轉(zhuǎn)速為1050r／min，額定輸出功率為170W，額定轉(zhuǎn)矩為1.48N·m。由于汽車轉(zhuǎn)向過程中電機助力的大小是通過PWM進行調(diào)整的，因此要求電動機要有很好的機械特性和調(diào)速特性。考慮到對原機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，要求電動機具有噪聲低、低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小和質(zhì)量輕等特點，以便達到良好的動態(tài)特性和可靠性。2.1.2電磁離合器電磁離合器的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。它主要由電磁線圈，主動輪，從動輪和壓板等部件構(gòu)成。工作原理：當電磁線圈中有電流通過時，電磁線圈產(chǎn)生的吸力吸引壓板與主動輪接合。這樣，電動機的動力就經(jīng)過主動輪、壓板、花鍵輸出到從動軸上。當線圈中沒有電流流過時，電磁線圈就不會產(chǎn)生電磁吸力，壓板和主動輪之間就沒有接觸壓力，因此電動機的動力傳遞路線就被切斷，助力停止。圖2.2電磁離合器工作原理圖1—滑環(huán)2一電磁線圈3—壓板4—花鍵5一從動軸6—主動輪7一滾珠軸承電磁離合器的作用有以下兩個方面：第一，防止動力過載。如果電動機產(chǎn)生的扭矩過大，主動輪就會克服在電磁吸力作用下，主動輪和壓板之間產(chǎn)生的摩擦力，從而打滑，保證電動機給系統(tǒng)的助力不致過大；第二，在電機系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，電磁離合器可以切斷電動機和機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的連接，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能夠進行轉(zhuǎn)向操作[6]。2.1.3減速機構(gòu)減速機構(gòu)用來增大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，主要有兩種形式：蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和雙行星齒輪減速機構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后者主要用于齒輪助力式和齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構(gòu)中的齒輪有的采用樹脂材料制成，有的采用特殊齒形。2.1.4雙行星齒輪減速機構(gòu)按照太陽輪和齒圈之間的行星齒輪組數(shù)的不同，行星齒輪機構(gòu)可以分為單行星齒輪式和雙行星齒輪式兩種。雙行星齒輪機構(gòu)在太陽輪和齒圈之間有兩組互相嚙合的行星齒輪，其外面一組行星齒輪和齒圈嚙合，里面一組行星齒輪和太陽輪嚙合。它與單行星齒輪機構(gòu)在其它條件相同的情況下相比，齒圈可以得到反向傳動。下圖是雙行星齒輪減速機構(gòu)的工作簡圖：圖2.3雙行星齒輪結(jié)構(gòu)示意圖為了保證尺寸在尺寸方面的要求在齒輪5與齒圈7之間增加了一個中轉(zhuǎn)齒輪6，這樣不僅保證了傳動的高效性，又保證了齒輪齒輪保證下的強度的要求。圖2.4雙行星齒輪結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)以圖2.4所示的雙行星齒輪為例簡單介紹其傳動過程：設輸入軸A的轉(zhuǎn)速為n1則可知計算如下：(1)定軸部分傳動比計算：i13=n3/n1=-Z3/Z1=i47=n4/n7=-Z5Z7/Z4Z6(2)差動部分傳動比計算：i13H=（n1-nH）/(n3-nH)=-z3/z1由圖可知n1=n4，n3=n7=nB帶入上式可知(3)由于nB=n3=n7=n1/i47=-Z4Z6n1/Z5Z7則由差動部分和定軸部分計算可知：nH=(Z1Z5Z7-Z3Z4Z6)n1/(Z5Z7(Z1-Z3))在太陽輪、齒圈和行星架三個基本元件中，可任選兩個分別作為主動件和從動件，而使另一個元件固定不動（使該元件轉(zhuǎn)速為零）或使其運動受一定約束（使該元件的轉(zhuǎn)速為某一定值），則整個輪系即以一定的傳動比傳遞動力。不同的連接和固定方案可得到不同的傳動比，三個基本元件的不同組合可有6種不同的組合方案，加上直接擋傳動和空擋，共有8種組合，相應能獲得5種不同的傳動比。而且雙行星齒輪即有行星齒輪多轉(zhuǎn)速的特點，又包含了自己獨有的特點，外兩組行星齒輪增加了轉(zhuǎn)矩的傳輸，具有傳輸穩(wěn)定的特點，故在減速器上應用較多。2.1.5渦輪蝸桿式減速機構(gòu)普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。在中間平面上，普通圓柱蝸桿傳動就相當于齒條與齒輪的嚙合傳動，故在設計蝸桿傳動是，均取中間平面上的參數(shù)（如模數(shù)、壓力角等）和尺寸（齒頂圓、分度圓等）為基準，并沿用齒輪傳動的計算關(guān)系[7]。普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及選擇:普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角α、蝸桿頭數(shù)z1、蝸桿齒數(shù)z2及蝸桿的直徑d1等。進行蝸桿傳動的設計時，首先要正確地選擇參數(shù)。設計要求：普通圓柱蝸桿閉式傳動（EPS系統(tǒng)中電機輸出到轉(zhuǎn)向軸），蝸桿轉(zhuǎn)速n1=1210r/min，扭矩T1=1760N.mm，傳動比i=31.5.雙側(cè)工作工作載荷較穩(wěn)定，沖擊不大。要求壽命為5年（按每年365天，每天8小時），則使用壽命Lh=5*365*8=14600h選擇渦輪蝸桿傳動類型根據(jù)GB10085—88的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。傳動比i介于5～80之間，根據(jù)推薦，確定蝸桿頭數(shù)z1=1.蝸桿與渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸1)蝸桿直徑系數(shù)q=d1/m=4.8齒頂圓直徑da1=d1+2ham=17.0mm齒根圓直徑df1=d1-2m(ha+c)=12.0mm分度圓導程角γ=蝸桿軸向齒厚sa=πm/2=3.1416mm2)渦輪渦輪齒數(shù)z2=33;變位系數(shù)x2=+0.6;驗算傳動比i=z2/z1=33，這時的傳動比誤差為（33-31.5）/31.5=4.76%<5%，是允許的。2.1.6車速傳感器大多數(shù)汽車上裝載的車速傳感器一般是磁感應式車速傳感器，如圖2.5所示。該傳感器穩(wěn)定性較好，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理就可以轉(zhuǎn)成方波信號，供單片機采集?？紤]到目前決大部分汽車都有電子儀表板，有現(xiàn)成的車速信號，可阻直接使用。但是在實驗室中，較難采集到實際的車速信號，一般用信號發(fā)生器模擬車速信號。圖2.5車速傳感器2.1.7扭矩傳感器扭矩傳感器主要用來測量方向盤上力矩的大小，扭力桿是它的主要的測力元件。扭力桿的信號測量方式有電位計式、差動式和光電式三種。其中差動式和光點式的成本高，結(jié)構(gòu)復雜，主要用于高速測量。本論文中采用的是導電塑料電位計式扭矩傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，使用壽命在3000萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。電位計式的主要工作原理如圖2.6所示[8]。圖2.6扭矩傳感器工作原理圖傳感器的兩個輸入端分別是VCC和OND(分別是輸入端1和4)。當轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時，傳感器的兩個輸出端Tl和T2上的電壓均為2.5v；當轉(zhuǎn)向盤向右旋轉(zhuǎn)時，其輸出端Tl上的電壓大于2.5v，輸出端T2上的電壓小于2.5v；當轉(zhuǎn)向盤向左旋轉(zhuǎn)時，恰好相反。困此，輸出電壓T1減去輸出電壓T2得到的差動電壓值就可以用來表示轉(zhuǎn)矩的大小和方向。差動輸出電壓有利于提高傳感器的靈敏度，消除靜態(tài)誤差。電子控制單元根據(jù)扭矩傳感器輸出差動電壓的大小和正負，就可以判斷轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)動方向[9]。2.1.8電子控制單元電子控制單元是電子控制系統(tǒng)中最重要的元件之一，其性能在一定程度上決定著電子系統(tǒng)的性能，選擇優(yōu)良的控制器對取得良好的控制效果非常重要。結(jié)合EPS控制系統(tǒng)的特點，盡可能的減少外圍電路元件和降低成本，而且處理單元還要具備功能模塊多，運算速度快，所以該系統(tǒng)選用PIC16F877是由Microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品，屬于系列單片微機，具有Flashprogram程序存功能，可以重復燒錄程序，適合教學、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其建ICD(InCircuitDebug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產(chǎn)品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。由于該型單片機最為基礎和標準，在以前的學習中接觸的也比較多，便于軟件編程和硬件設計。故選用PIC16F887型單片機。2.2助力特性曲線的建立EPS的助力特性屬于車速感應型，即助力特性不但隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，而且隨著車速的變化而變化，因此可以較好的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系。在實際的EPS系統(tǒng)中，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Td與車速v，兩方面的信號確定助力大小，其數(shù)值通過對助力特性曲線族查表來確定。也就是說，電動機的助力矩Tm是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Td和車速v的函數(shù)，可以表示成助力增益和車速感應系數(shù)的乘積。EPS的助力特性具有多種曲線形式，典型的助力特性曲線有三種：直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性?？紤]實際ECU的控制性能和控制方便，本文采用了直線型助力特性建立助力特性曲線[10]。式2.1式中：Tm為電機的目標轉(zhuǎn)矩，f(v)為車速感應系數(shù)，Tmax為電機最大助力力矩，K(0)為0Km／h車速下的車速感應系數(shù)，Td0為開始助力時的轉(zhuǎn)向盤最小力矩。其中計算得出。本人經(jīng)過參考和分析后設計的基本助力特性如圖2.7所示。圖2.7助力特性曲線圖3EPS系統(tǒng)硬件設計ECU硬件電路是實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向的硬件基礎，ECU硬件電路設計的科學性和合理性，關(guān)系到EPS系統(tǒng)的控制效果。本章主要涉及的是ECU硬件電路的設計，主要的電路模塊有電源電路，電機控制電路、車速整形電路、扭矩整形電路、電機電流采集電路、電磁離合器控制電路等等。3.1EPS系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖圖3.1EPS硬件系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要工作流程為：首先對系統(tǒng)進行自動檢測，確保系統(tǒng)各部分工作正常。然后單片機采集各傳感器信號，經(jīng)過分析運算后，判斷是否提供助力，如果實施助力控制，啟動繼電器驅(qū)動電路，輸出PWM信號控制助力電機的轉(zhuǎn)矩，進而輔助駕駛員轉(zhuǎn)向：否則進行其他相應控制。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電磁離合器與電機脫離，助力電機停止工作[11]。3.2硬件電路繪制軟件Protues簡介Protues軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。迄今為止是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯。在PROTUES繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。PROTUES是單片機課堂教學的先進助手。PROTUES不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于PROTUES提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。隨著科技的發(fā)展“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結(jié)果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。在單片機開發(fā)應用中PROTUES也獲得愈來愈廣泛的應用。3.3車速信號處理電路如圖3.2所示，車速信號處理電路由比較器LM31l、電容、二極管和電阻組成。R1，R2分壓后得到比較器的比較基準電壓：當輸入信號大于5V時，D1截止，LM311負輸入端的電壓通過R3上拉成5V，對比較器具有保護作用；C1和R5起濾波作用；R4是外部上拉電阻。車速信號經(jīng)過濾波后，通過比較器LM311電路整形，形成規(guī)則的脈沖信號，傳給單片機，由單片機測量脈沖的周期或者頻率，得到車速大小。發(fā)動機信號采用同樣的電路處理[12]。圖3.2車速信號處理電路3.4扭矩信號處理電路如圖3.3所示，扭矩傳感器的一路扭矩信號經(jīng)過濾波鉗位后，送給單片機進行A／D轉(zhuǎn)換。C1、C2、R1進行濾波，而D1、Z1是鉗位二極管，選用肖特基管。當輸入轉(zhuǎn)矩信號大于5.2V時，D1導通，傳給單片機的ADl信號保持在5.2V；當輸入轉(zhuǎn)矩信號小于．0.2V時，Z1導通，ADl信號恒定在．0.2V，這樣就將輸入扭矩信號鉗位在．0.2V~5.2V之間。C1、C2、R1構(gòu)成的濾波電路主要消除扭矩中的高頻信號。兩路扭矩信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后相減，其差值既反映扭矩的大小，又反映扭矩的方向。圖3.3扭矩信號處理電路3.5電源電路單片機需要5V的供電電源，芯片7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)變，其中12V是汽車電源。如圖3.4所示。圖3.4電源電路3.6電磁離合器控制電路采用PWM技術(shù)來改變電磁離合器線圈兩端的平均電壓，原理與PWM控制電機的原理一樣。具體的實施電路如圖3.5。計算機根據(jù)助力電機電流信號，確定電磁離合器所要傳遞的轉(zhuǎn)矩，并由此確定電磁離合器所需要的電流，根據(jù)這個電流發(fā)出具有適當占空比的PWM波驅(qū)動信號，這個信號經(jīng)過放大以后控制電力MOS的導通與關(guān)斷，從而達到調(diào)節(jié)電磁離合器電流的目的。因為PWM的頻率很高，完全可以保證通過電磁離合器線圈的電流是連續(xù)的[13]。圖3.5電磁離合器控制電路3.7電機驅(qū)動電路該驅(qū)動電路使晶體管Q3導通，Q2和Q4截止，Q1斬波。該控制利用電動機轉(zhuǎn)矩和電動機電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩信號和由車速傳感器檢測的車速信號輸入到控制器單片機中，根據(jù)預制的不同車速下“轉(zhuǎn)矩—電動機助力目標電流表”，確定電動機助力的目標電流，通過對反饋電流與電動機目標電流相比較，輸出PWM信號到驅(qū)動回路，以驅(qū)動電機產(chǎn)生合適的助力[14]。圖3.6電機驅(qū)動電路3.8電機電流信號采集電路在本系統(tǒng)中，采用的是閉環(huán)系統(tǒng)控制。單片機根據(jù)車速和轉(zhuǎn)矩的大小，經(jīng)計算分析后，輸出PWM信號驅(qū)動電機，再根據(jù)電機電流的大小，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得電機轉(zhuǎn)矩控制更加準確，跟隨性更好。電機電流采集電路如圖3.7所示，R1用0.0l歐姆電阻測量電機電流，根據(jù)電路分壓原理，電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，經(jīng)過電路濾波，放大后，送給單片機的A／D轉(zhuǎn)換口，進行A／D轉(zhuǎn)換。圖3.7電機電流信號采集電路3.9控制系統(tǒng)硬件電路總圖在第一次設計硬件電路圖時，作者采用了AT89C51型單片機，原因是該單片機在以前的學習中接觸較多，比較熟悉，便于連接和編程。由于AT89C51型單片機不能提供A/D轉(zhuǎn)換功能，故選取ADC0808芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器。該電路圖包含一個車速信號處理電路，一個扭矩信號處理電路，一個電機驅(qū)動電路，一個電磁離合器控制電路以及一個電流信號采集電路。如圖3.8[15]。但是由于作者水平有限，在經(jīng)過對圖3.8的硬件電路圖的多次調(diào)試和修改之后，仍然無法對其進行成功的運行及仿真，故放棄對圖3.8的仿真研究。由于圖3.8能夠完整的反應出EPS系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖的設計思維和理念，故加入說明書中以表達作者的設計思路。圖3.8控制系統(tǒng)硬件電路總圖3.10控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡圖為了能夠較好的較直觀的反應出模擬仿真控制系統(tǒng)的控制原理，本人設計了如圖3.9所示的硬件電路簡圖。該圖中用一個信號發(fā)生器發(fā)出方波模擬車速信號，用一個滑動變阻器發(fā)出電壓差模擬方向盤轉(zhuǎn)矩信號，外接一個示波器直觀顯示信號狀態(tài)和車速狀態(tài)。外接一個LED顯示屏顯示車速狀況，并選用可以直接進行A/D轉(zhuǎn)換的PIC16F887型單片機作為系統(tǒng)CPU進行仿真[16]。圖3.9控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡圖3.11硬件抗干擾設計PCB板(印刷電路板)是電動助力系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設計得好壞對抗干擾能力影響很大，故印刷電路板設計決不單是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設計原則。電動助力系統(tǒng)中采用下述抗干擾措施。3.11.1地線設計電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在電動助力系統(tǒng)中，接地和敷銅是抑制干擾的重要方法。1數(shù)字、模擬電路分開電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，使兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。并盡量加大線性電路的接地面積。2接地線加粗若接地線條很細，將使接地電位隨電流的變化而變化，致使微機的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此將接地線條加粗，使它能通過三倍于印刷電路板上的允許電流。3接地線構(gòu)成閉環(huán)電路數(shù)字電路部分的印刷電路板接地時，將接地電路做成閉環(huán)路能明顯地提高抗噪聲能力，其原因是：一塊印刷電路板上有很多集成電路，尤其遇有耗電多的元件時，因受到線條粗細限制，地線不能足夠?qū)挘a(chǎn)生電阻，此電阻致使地線產(chǎn)生電位差，引起抗噪聲能力下降，若地線構(gòu)成閉環(huán)電路，則其差值將縮小。3.11.2電源線布置電源線的布線除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導體寬度外，還要采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，有助于增強抗噪聲能力。3.11.3印刷電路板的尺寸與器件布置印刷電路板大小要適中，當印刷電路板過大時，印刷線條變長，阻抗則增加，不僅抗噪聲能力下降，而且成本也高；印刷電路板過小，則散熱不好，同時易受鄰近線條干擾。在器件布置方面，與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果。晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離計算機邏輯電路[17]。4EPS系統(tǒng)軟件設計在硬件選擇、設計完成后，對控制方案進行了細致的分析，根據(jù)軟件仿真結(jié)果及控制理論，分析各種控制算法的控制效果，與硬件對接，實現(xiàn)對系統(tǒng)的準確控制。在本章中，重點探討系統(tǒng)控制策略，根據(jù)系統(tǒng)設計要求，用C語言編寫軟件控制程序，實現(xiàn)硬件控制，為下一步實驗做好準備。4.1EPS系統(tǒng)控制目標采用EPS的主要目的是隨車速變化時提供合適的轉(zhuǎn)向力、保持一定的轉(zhuǎn)向路感、確保響應速度和抑制來自電動機的振動及地面不平造成的振動?？刂葡到y(tǒng)控制目標具體如下：(1)提供合適的助力。根據(jù)轉(zhuǎn)向助力特性曲線，在不同的車速和方向盤手力的情況下，提供合乎運行工況的助力力矩。(2)有較快的響應速度?？刂葡到y(tǒng)應具備較高的相應速度，并與駕駛員的動作向匹配，而且轉(zhuǎn)向靈敏。(3)有效抑制振動。低頻振動直接影響駕駛員的手感，較大的振動易使得駕駛員失去對路面情況的把握。(4)良好的路感。在車速較高時，助力應較小或提供合適的阻尼力，使得車輛在行駛過程中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一定的路感存在。4.2EPS系統(tǒng)控制方式EPS系統(tǒng)根據(jù)車速、轉(zhuǎn)矩和電機電流來執(zhí)行控制策略，提高轉(zhuǎn)向靈敏度。因而系統(tǒng)有三種控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的轉(zhuǎn)向過程中，通常是助力控制。當駕駛員釋放方向盤后，作用在方向盤上的力減小，且小于助力控制的門限值，同時，系統(tǒng)判斷此時檢測轉(zhuǎn)矩大小的加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向是否相異，如果兩者相異，系統(tǒng)就執(zhí)行回正控制。EPS系統(tǒng)中的電機、減速機構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)等都有很大的摩擦力與慣性力矩，這些都構(gòu)成了汽車的回正阻力矩，當回正阻力矩過大，阻止車輪回正時，使用回正控制，利用電機提供輔助回正力矩。為了防止提供的輔助回正力矩過大，產(chǎn)生回正過頭現(xiàn)象或在回正過程中出現(xiàn)擺振現(xiàn)象，在車輪將要回到中間位置時要施加阻尼，此時選用阻尼控制模型[18]。4.2.1助力控制EPS的助力特性具有多種曲線形式，較為典型的有三種：直線型、折線型和曲線型。三種助力特性曲線中，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。故本文只討論直線型助力曲線的特性。圖4.1直線型助力特性圖4.1為直線型助力特性。它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力成線性關(guān)系。該助力特性曲線可用下面函數(shù)表示：式4.1式中，I為電動機的目標電流；為電動機的最大工作電流；為轉(zhuǎn)向盤入力矩；f(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減?。粸檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力。4.2.2回正控制回正就是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過一定角度后，撤去操縱力，車輪回到中間位置的過程。通過回正控制可以改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能，控制方向盤快速準確的回到中位。當駕駛員放開轉(zhuǎn)向盤，車輪將在回正力矩的作用下回正。但回正力矩必須要克服系統(tǒng)本身的阻力矩和路面的摩擦力矩，當回正力矩大于總的回正阻力矩時，車輪能夠自動回正；當回正力矩小于回正阻力矩時，車輪不能夠準確的回到直線行駛的位置，從而影響汽車行駛的安全性。因此，為了能使汽車穩(wěn)定并準確的回正，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力控制的基礎上必須進行有效的回正控制。此策略可以改善汽車的轉(zhuǎn)向回正特性，主要應用于汽車低速行駛情形。4.2.3阻尼控制汽車高速行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏，會影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)圍進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的“穩(wěn)重"。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，一般情況下只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產(chǎn)生阻尼效果。4.3EPS系統(tǒng)控制策略EPS的三種控制模式：助力控制、回正控制和阻尼控制。不同的控制模式使用不同的控制方法，一般助力控制要用最優(yōu)的控制方法，由于汽車在行駛過程的中，助力控制占95％以上的時間，所以本文主要針對助力控制進行控制策略分析。目前，一般由計算機控制的電動機動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為車速感應控制型。根據(jù)汽車理論，隨著汽車的車速的提高，給與轉(zhuǎn)向盤的輔助動力應該相應減小，也就是說，隨著車速的升高，助力電動機的電流應該減小。然而，在實際的控制中，電動機電流呈下降變化規(guī)律。在起動和低速時，電動機電流的變化比較大，因為在車速極低時，轉(zhuǎn)向盤上所需要的轉(zhuǎn)矩比中速時大的多。當車速超過30km/h時，轉(zhuǎn)向盤上的操縱力很小，為了保持一定的操縱手感，這是助力電動機和電磁離合器停止工作。另外，助力電動機的電流還隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的增加而增加，當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增加到一定程度后，在一定車速圍，電動機電流就維持不變。因為更大的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的概率很小，所以從整體上說對駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力影響不大[19]。其控制邏輯圖如圖4.2所示：圖4.2電機電流控制邏輯圖結(jié)合前面介紹助力特性曲線，以及直線型助力特性的函數(shù)關(guān)系，為了方便軟件編程和模擬仿真，作者將電動機目標電流I與車速V和轉(zhuǎn)向盤力矩Td,起始助力轉(zhuǎn)矩TO=7/NM的關(guān)系簡化為如下關(guān)系：I=f(v)*(Td-TO)當v=0時，f(v)=0.8當0<v<20時，f(v)=0.5當20<v<30時，f(v)=0.25當30<v時，f(v)=0.12例如，當車速為25KM/h，轉(zhuǎn)矩為30/Nm時，目標電流為5.75A4.4數(shù)字PID控制技術(shù)在EPS中的實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)扭矩傳感器輸出的扭矩信號和車速信號計算出電機的助力大小。數(shù)字PID控制器的控制目標是減小轉(zhuǎn)向過程中駕駛員對方向盤的操作力。由于扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸上，這里我們就以轉(zhuǎn)向軸上的扭桿為研究對象，當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤進行轉(zhuǎn)向操作時，扭桿首先感知出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的扭矩。直流電機的轉(zhuǎn)矩與電機電流成正比，我們可以根據(jù)電流的大小對電機進行控制，從而實現(xiàn)助力。設轉(zhuǎn)向盤傳到扭桿上的扭矩為T，由T根據(jù)助力特性曲線計算出助力電流值，當前實際的助力電流值為，則偏差為我們可以得出對應的PWM增量，EPS的PID控制原理圖如圖4.3所示。圖4.3PID控制原理圖4.5編程軟件KeiluVision4簡介KeiluVision4是德國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision4的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision4IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。最新的KeiluVision4IDE，旨在提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，實現(xiàn)更快，更有效的程序開發(fā)。uVision4引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠拖放到視圖的任何地方，包括支持多顯示器窗口。uVision4在μVision3IDE的基礎上，增加了更多大眾化的功能。多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)，系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設備外設寄存器信息，調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個調(diào)試窗口布局，多項目工作區(qū)簡化與眾多的項目[20]。4.6EPS控制軟件流程圖EPS控制器上電以后，系統(tǒng)開始自檢，檢測蓄電池電壓是否達到正常電壓，如果正常開始采樣方向盤扭矩信號并進行A／D轉(zhuǎn)換；根據(jù)加轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷方向盤的位置是否處于中間位置，轉(zhuǎn)向操作是否需要助力；當方向盤位置超出死區(qū)圍后，判斷方向盤旋轉(zhuǎn)方向，程序接著判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是處于轉(zhuǎn)向助力過程還是回正過程，以此選擇不同的控制模式；如果方向盤處于回正狀態(tài)，就需要對電動機進行適當?shù)幕卣妥枘峥刂?，以實現(xiàn)方向盤回正迅速與平穩(wěn)；如果是轉(zhuǎn)向助力過程，則需要檢測電機電流，構(gòu)成閉環(huán)控制，根據(jù)采集到的扭矩信號和電機電流信號進行數(shù)字PID運算，計算出對應的PWM增量，然后再檢測是否測量出車速信號，根據(jù)車速對PWM增量進行調(diào)整。最后，將PWM信號輸出給電機驅(qū)動模塊對助力電機實施助力。YY結(jié)束斷開離合器輸出故障代碼無故障?采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號車速>30km/h閉合離合器轉(zhuǎn)矩=0.7對輸入信號進行處理并輸出電流指令信號采集車速信號采集轉(zhuǎn)矩信號采集電機電流信號故障診斷開始YY結(jié)束斷開離合器輸出故障代碼無故障?采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號車速>30km/h閉合離合器轉(zhuǎn)矩=0.7對輸入信號進行處理并輸出電流指令信號采集車速信號采集轉(zhuǎn)矩信號采集電機電流信號故障診斷開始圖4.4主程序控制流程圖4.7部分軟件程序的調(diào)試和簡介圖4.5軟件調(diào)試示意圖圖4.5為運用KeiluVision4進行軟件程序的調(diào)試和仿真時的截圖4.7.1PWM控制部分voidPWM_control(unsignedintcar_speedf){ unsignedintdata1; if(car_speedf==0) {data1=torque*4/5;} if(0<car_speedf&&car_speedf<=20) { data1=torque/2; if(data1>=1023) data1=1023; } if(20<car_speedf&&car_speedf<=30) { data1=torque/4; } if(car_speedf>30) { data1=(unsignedint)(torque/8); } //data1=CarSpeedMaxF-car_speedf*4; //data1=(double)(data1/CarSpeedMaxF); //data2=(unsignedint)(1024*data1); TRISC1=1; //TMR2ON=0; CCPR2L=data1>>2; //車速越快，應減小電機轉(zhuǎn)數(shù)， DC2B0=data1&0X1; DC2B1=(data1>>1)&0X1; //定時器2和PWM模塊設置 TMR2=0; PR2=0XFA; //設置矩形波的周期為5ms T2CON=0B00100001; //設置后分比為1:5，預分比1：4 CCP2CON=0B00001111; //設置PWM模式 TRISC1=0; //矩形波輸出端口設置為輸出 TMR2ON=1; //定時器2使能}該段程序是用來控制電機電流隨車速變化的，其函數(shù)關(guān)系為I=f(v)*(Td-TO)5protues仿真及成果5.1仿真原件介紹EPS控制仿真結(jié)果如下圖所示，由前面介紹的仿真電路簡圖可知，車速信號由信號發(fā)生器模擬，扭矩信號由滑動變阻器模擬。示波器上黃色方波表示的是占空比信號，占空比越大則說明單位時間平均電壓越大，從而可以推出占空比越大，電動機電流越大轉(zhuǎn)速越快。紅色方波表示的是車速信號，波形頻率越快則說明車速越大?；瑒幼冏杵魑恢帽硎镜氖欠较虮P扭矩大小，觸電位置越高則扭矩越大。5.1.1信號發(fā)生器圖5.1信號發(fā)生器控制旋鈕示意圖圖5.1為信號發(fā)生器控制旋鈕示意圖，從左起第一個旋鈕控制頻率，其正下方的數(shù)字為頻率大?。坏诙€旋鈕控制頻率倍率；第三個旋鈕控制電平。5.1.2示波器圖5.2示波器波形示意圖圖5.2為示波器波形示意圖。圖中上面的方波表示的是占空比信號，占空比越大則說明單位時間平均電壓越大，從而可以推出占空比越大，電動機電流越大轉(zhuǎn)速越快。圖中下面的方波表示的是車速信號，波形頻率越快則說明車速越大。5.1.3滑動變阻器如圖5.3滑動變阻器位置表示的是方向盤扭矩大小，觸電位置越高則扭矩越大。圖5.3滑動變阻器5.2仿真結(jié)果分析為了表明車速與電動機電流的關(guān)系，本人進行了如下仿真。圖5.4仿真波形圖圖5.4所示的情況是當滑動變阻器位置在中間（扭矩信號一定），方波頻率為77HZ時，占空比的情況圖5.5仿真波形圖圖5.5所示的情況是當滑動變阻器位置在中間（扭矩信號不變），方波頻率為770HZ時，占空比的情況。由此可以得出，圖5..4與圖5.5相比較，車速信號與占空比信號成反比例。當車速減小時，電動機助力電流相應加大，給方向盤提供的輔助轉(zhuǎn)向力相應加大，使方向盤更加輕便。當車速增加時，電動機助力電流相應減小，給方向盤提供的輔助轉(zhuǎn)向力相應減小，使方向盤更加沉穩(wěn)。6總結(jié)和展望電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)作為一項高新技術(shù)產(chǎn)品，它涉及到汽車動力學、輪胎力學、電動機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等諸多領域，因此對它的研究不可能一蹴而就。盡管已有一些EPS系統(tǒng)已投入使用，但是其應用圍和功能有一定的局限性。本課題的任務是自主開發(fā)電動助力轉(zhuǎn)向控制的一整套系統(tǒng)，對研發(fā)EPS控制系統(tǒng)提供技術(shù)參考[21]。6.1總結(jié)課題主要工作如下：(1)通過對EPS系統(tǒng)的研究，對EPS系統(tǒng)做了動力學數(shù)學建模，并做了較為深入的理論分析，為課題的研究提供一定的理論依據(jù)。(2)根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能要求，設計了方向盤扭矩傳感器和車速信號調(diào)理電路、電動機驅(qū)動電路及電流檢測電路。給出了信號采集、電機驅(qū)動和車速信號的程序設計步驟和流程。白行制作了硬件控制電路板，進行了控制器硬件和軟件調(diào)試工作。(3)成了相關(guān)實驗工作，結(jié)果表明，控制器能夠完成典型工況的實驗要求，穩(wěn)定性良好，與理論研究較吻合。6.2展望以上工作都是在借鑒前人研究的基礎上對控制系統(tǒng)的性能進行重新設計、優(yōu)化而完成的。盡管在一些功能上還不夠完善，如方向盤抖動、回正和阻尼控制還不夠理想，但本控制器可以做為以后研究EPS控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺，以便在該系統(tǒng)上做進一步的研究工作，節(jié)省設計與開發(fā)的時間。今后需要研究和完善EPS系統(tǒng)的任務主要有[22，23,24]：(1)優(yōu)化控制算法。控制算法是EPS的技術(shù)難點之一，由于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)眾多，建立精確的數(shù)學模型及控制算法直接決定了系統(tǒng)的控制精度、響應速度、穩(wěn)定性，所以優(yōu)化控制算法是今后的工作重點。(2)增加故障診斷模塊。本系統(tǒng)沒有加入故障診斷檢測模塊，控制系統(tǒng)的安全性不高，提高系統(tǒng)安全性必須對故障診斷做深入研究，這也是今后研究的重點之一。(3)進行裝車實驗。以上所有的實驗都是在實驗室中的實驗臺架上完成的，實驗數(shù)據(jù)與行駛中的汽車定有很大差別，這些實驗數(shù)據(jù)可以作為初步驗證EPS工作穩(wěn)定性的依據(jù)，為以后的裝車實驗提供數(shù)據(jù)參考。附錄A/***********************程序功能說明及硬件電路規(guī)劃**************************//*************************************************** 1）定時器0設置為采集車速信號矩形波的計數(shù)器RA4 2）定時器1用作定時中斷，采集定時器0計數(shù)器的 值 3）定時器2用作控制矩形波輸出信號控制器,控制液 力轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)數(shù) 4）端口D用來驅(qū)動LED顯示(RD) 5）端口RB0~RB3用來控制LED段選****************************************************//****************************頭文件定義區(qū)***********************************///#include<pic16f887.h>#include<pic.h>//8段共陽LED顯示代碼，0位~7位分別控制a~h段constcharLED_CODE[18]={ 0b11000000,//0 0b11111001,//1 0b10100100,//2 0b10110000,//3 0b10011001,//4 0b10010010,//5 0b10000010,//6 0b11111000,//7 0b10000000,//8 0b10010000,//9 0b10001000,//A 0b10000011,//B 0b11000110,//C 0b10100001,//D 0b10000110,//E 0b10001110,//F 0b11111111,//滅 0b01111111, //小數(shù)點};#defineCarSpeedMaxF1023 //在10ms霍爾效應傳感器采樣車速的最高頻率#defineRwheel 0.4//車輪半徑(單位m)staticunsignedintcar_vf;unsignedcharCarSpeedupdateIF; //霍爾效應傳感器數(shù)據(jù)更新信號unsignedcharCarTorqueupdateIF;unsignedinttorque; //轉(zhuǎn)矩信號//unsignedint tast=2000;#define LED_CONX RB0#define LED_CONG RB1#define LED_CONS RB2#define LED_CONB RB3 /***************************函數(shù)聲明區(qū)************************/voidInit_reg(void);voidPWM_control(unsignedint);voiddelay5us(void);voiddelay2ms(void);/***************************函數(shù)原代碼區(qū)**********************/voidmain(void){// unsignedintcarspeedi;// unsignedcharxiaow; //小數(shù)點后一位 unsignedchargew; //個位 unsignedcharshiw; //十位 unsignedcharbaiw; //百位 Init_reg(); while(1) { //carspeed=3.1415*Rwheel*2*car_vf*4*3600/(1000); //單位是Km/h,且這個數(shù)再除以10即是車速 //carspeedi=(unsignedint)carspeed; //xiaow=carspeedi%10; //提取小數(shù)點后一位 //gew=(carspeedi/10)%10; //提取個位數(shù) //shiw=(carspeedi/100)%10; //提取十位數(shù) //baiw=(carspeedi/1000)%10; //提取百位數(shù) gew=car_vf%10; //提取個位數(shù) shiw=(car_vf/10)%10; //提取十位數(shù) baiw=(car_vf/100)%10; //提取百位數(shù) LED_CONX=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[0]; //小數(shù)部分 delay2ms(); LED_CONX=0; LED_CONG=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[gew]|LED_CODE[17]; //顯示個位數(shù)，在加上小數(shù)點 delay2ms(); LED_CONG=0; LED_CONS=1; delay5us(); PORTD=LED_CODE[shiw]; //顯示十位部分 delay2ms(); LED_CONS=0; LED_CONB=1; PORTD=LED_CODE[baiw]; delay2ms(); LED_CONB=0; while(!CarSpeedupdateIF); //等待數(shù)據(jù)更新 //上面顯示速度部分也可以使用for循環(huán)方式 while(CarSpeedupdateIF&&CarTorqueupdateIF) { PWM_control(car_vf); //改變PWM占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)數(shù) CarSpeedupdateIF=0; CarTorqueupdateIF=0; } } }/**********************************函數(shù)名：Init_reg()功能：PIC16F887寄存器初始化***********************************/voidInit_reg(void){ ANSEL=0x01; //將AN這樣的復用端口設置為數(shù)值端口，將端口RA0設置為模擬端口 TRISA=0x11; //將端口RA0和RA4設置為輸入RA0作為模擬輸入端口 ANSELH=0; //定時器0初始化 //TRISA4=1; //設定時器0外部時鐘端口T0CKI OPTION_REG=0B10100001; //預分頻為1:32 T0IE=0; //定時器0中斷使能 //定時器1初始化 TMR1H=0XD8; //初始化設置車速信號采樣時間為10MS TMR1L=0XEF; T1CON=0; TMR1IE=1; //中斷使能 //端口設置為輸出 TRISD=0; //端口D設置為輸出，控制數(shù)據(jù)輸出 TRISB=0; //端口B設置為輸出，控制LED段選 //AD轉(zhuǎn)換模塊設置 ADCON0=0B01000001; //轉(zhuǎn)換時鐘為Fosc/8,模塊使能，轉(zhuǎn)化時間為2us ADCON1=0B10000000; //轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊 ADIE=1; //轉(zhuǎn)換中斷使能 //TMR2IE=0; //中斷不是能 TMR1ON=1; //定時器1使能 //TMT2ON=1; //定時器2使能 PEIE=1; //外部中斷使能,TMR0使用不上，只有TMR2與PR2匹配是才能進行使用 GIE=1; //全局中斷使能 }voidPWM_control(unsignedintcar_speedf){ unsignedintdata1; if(car_speedf==0) {data1=torque;} if(0<car_speedf&&car_speedf<=20) { data1=torque*2; if(data1>=1023) data1=1023; } if(20<car_speedf&&car_speedf<=70) { data1=torque; } if(car_speedf>70)