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电动助力转向(EPS)系统的研究与开发


哈尔滨理工大学 硕士学位论文 汽车电动助力转向(EPS)系统的研究与开发 姓名:王野 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:王振波 20050301

峨尔滨理T人学T学坝I。学位论史

摘要
汽车电动助力转向(EPS)系统是近些年来出现的新型动力转向系统。 与传统的动力转向(PS)相比较,汽车电动助力转向系统(EP

S)结构简 单、成本低、灵活性好、能充分的满足汽车转向性能的要求,在转向操作的 舒适性、安全性和节能、环保等方面显示出显著的优越性。 电动助力转向(EPS)系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电了控单 元、无刷直流电动机、电磁离合器和减速机构等部分组成。在相应的软件及 控制算法的协助下,共同实现转向助力的功能。本文在明晰了EPS的组成 和工作原理后,首先对转向系对汽车操纵稳定性的影响作了一定分析,在此 基础之』:,对电动助力转向(EPS)系统进行了建模,开发了EPS控制执行 系统的硬件和软件。 为了便于对动力转向进行建模,本文将汽车简化成二自由度汽车模型。 依据EPS系统输入信号(扭矩和车速信号),建立了电动助力转向的B氏模 型,并进行了控制器的数学建模。为了提高系统的稳定性,采用_I彳。控制理 论对电动助力转向系统控制器进行设计。 本文的EPS系统以MSP单片机为核心,采用传感器信号采集技术和 LM62l无刷直流电动机专用控制芯片等,实现信号采集和助力电机的控 制。在EPS系统的设计过程中,将系统的安全与保护措施渗透到系统的每 一个环节。在此基础之上,对样机进行了模拟试验,验证了本系统的合理性
和可靠档i。

关键词

车辆工程;电动助力转向系统;B氏模型;无刷直流电动机

LM621;电机功率驱动单元;安全与保护

竺竺堡些!!:叁兰二兰竺!:兰丝篁兰

Abstract

Electric power steering emerged in
recent

system(EPS)is
aIl



new power steering system,which

years.uses

electric moor to provide assistance.From EPS attaches more and more importance
to

emerged,the amomotive industry

it.

Comparing with traditional steering system

the electric power steering(EPS)
call

system of the automobiles is simpler in structure,more flexible,and meet the requirements of steering performances.EPS also has

fully

prominent

advantages in the comfortableness and security of steering,energy saving,and environmental protection. Electric power steering(EPS)system mainly combines the torque velocity sensor,electric control
sensor,

unit,electromagnetic clutch and gear down

machine etc.In ordef to make the EPS run.we design the software fitting for the EPS’s

hardware,and the

control arithmetic. the work principium system and structure according
to

The analyzes

paper introduces the influence
on

of the EPS.

of the

steering

the automobile

stability,basing

the B—shi model builds up the arithmetic model of EPS,

designs hardware and software of EPS.In order to improve system’s stability, Ⅳ。control theory has been used in the design of electric power steering(EPS) controller. EPS system
use

SCM

as

the control core,adopted


sensor

signal collection

technology and LM62 1 chip which is

special control chip for 110—bmsh DC

motor.During the whole design course,security measures and protection has been applied in all details.Through simulation test,the EPS system’s

performance has been verified.

Keywords

Vehicle engineering;electric power steering;B—shi

model;no.

brush DC motor;LM62 1;motor power driver unit;security and protection

竺堡鎏些三叁兰三兰堡!;兰堡丝兰

第1章绪论
1.1引言
随着现代汽车技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也只益提
高。为了保证车辆在任何工况下转动转向盘时,都有较理想的操纵稳定性,即使 车辆在停车情况下转动转向盘时也能够轻松自如:而在高速行驶时又不会感到 方向“发飘”。汽车转向系统从简单的纯机械式转向系统,发展到机械液压动力 转向系统(Hydraulic
Power

Steering,简称HPS)、到电控液压动力转向系统
Power

(Electric Hydraulic Power

Steering,简称EHPS),直至如今的更为节能、操纵性 Steering,简称EPS)阶

能更优的电子控制式电动助力转向系统(Electric 段。

动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便、能吸收路面对前轮产生的冲击 等优点,因此己在汽车制造业中普遍采用。电子控制技术在汽车动力转向系统 的应用,使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动式动力转向系统在低速 时可使转向轻便、灵活;当汽车在中高速区域转向时,又能保证提供最优的动 力放大倍率和稳定的转向手感,从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电动式动力转向系统(EPS)是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电动 动力式转向系统。该系统仅需要控制电动机电流的方向和幅值,不需要复杂的 机械、液压机构。另外,该系统由于利用微机控制,因此为转向特性的设置提 供了较高的自由度。有着非常广阔的丌发和应用前景。

1.2课题研究的目的、意义
汽车转向系统是汽车的一个重要组成部分,是完成控制汽车行驶路线和方 向的主要装置,其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、转向可靠性、驾 驶员的操纵手感和汽车行驶的安全性。为提高汽车转向性能,目静普遍采用了 动力转向系统,为此,汽车动力转向技术也向着更高、更新的方向发展。纵观

转向系统的发展历程,可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。 机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮的转向。机械
转向中一个重要性能参数是传动效率,即输出功率和输入功率的比值。一般应

要求转向系统正效率高而逆效率适当。逆效率为驾驶员提供“路感”,若逆效 率太高,在路面上行驶时,汽车前轮受到的冲击力很大部分都会传给驾驶员, 造成“打手”现象;反之,若逆效率太低,则“路感”就会差,且不能保证车 轮自动回正。由于每台机械转向器的结构都是固定的.所以其传动效率也是同 定的,很难在不同的路况F均获得良好的转向传动效率。 动力转向系统是在家实验的控制下,借助于汽车发动机产生的液压力或电 动机驱动力来实现车轮转向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力 矩,改善汽车的转向轻便性和汽车的操纵稳定性,因此,在国外不仅在中高级 轿车上,而且在商用车和轻型车上也逐渐普遍应用动力转向系统。动力转向系 统按照提供动力方式的不同可分为气动助力式、液压助力式(又可进一步分为 机械液压助力式和电子控制的液压助力式)和电动助力式。气压助力式动力转 向系统主要应用于一部分在载重量3—7吨,并且采用气压制动系统的商用车 卜,因为其工作效率较低,所以现在很少采用。传统的液压助力转向系统一般 是由发动机驱动转向油泵提供液压油,由转向控制阀柬控制液压油的流向以实现 助力。但这种转向系统的助力特性与汽车的实际要求不一致,因为汽车不同速度 行驶时对助力特性的要求不同,而传统的液压助力转向系统无法做到这…点。后 来,把电子技术引进了转向系统,出控制单元根据不同的转向状态来控制电动机, 驱动转向油泵运转,就形成了电子控制的液压助力转向系统(Electric
Power Hydraulic

Steering,简称EHPS),它符合当代节能与环保的要求,因为传统的液压

助力转向系统中转向油泵不停地运转,但真正转向的时恻却不多,这样存在很大 的寄生损失:在EHPS中,币常转向时,驾驶员转向动作不快,其电动机可以低速运 转;当需要快速转向时,电动机加速,以提供足够的液压油;不需要转向动作的时候, 可以让电机停转或低速运转,从而大大节约能量。 电子控制式液压动力转向系统由于增加了电子控制装置而且其阀的结构较 常规阀复杂,因恧成本较高。目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上,在 技术上电子控制液压动力转向器的设计也比普通液压动力转向器要复杂,须考 虑电气部分如传感器的选型及布置、电磁阀的特性、电液系统的耦合、转向电 子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求。虽然,电子控制 的液压动力转向系统在驾驶舒适性上较传统的液压动力转向系统有很大的提 高,但是没能从根本上解决系统在工作时大量的液流在泵内循环而造成的能源 的浪费问题。 此外,液压动力转向系统具有噪声大的缺点。液压动力转向系统的噪声主 要来自于两个方面:一方面是油泵振动及由此引起的压力软管、控制阀、动力

吣尔演理T人学T学蝴I:学位论殳

缸和转向柱的振动,使得液压动力转向系统具有不可克服的液压噪声;另一方
面是来自液体流动的流动噪声。这些噪声使得转向的舒适性大大降低。此外, 液压动力转向系统还存在着液压管路的泄漏以及进气造成的转向沉重。尽管存 在上述问题,液压动力转向系统以其转向助力大、工作滞后时问短、可以很好 的吸收来自不平路面的冲击,因而获得很广泛的应用,液压动力转向系统仍是 日前动力转向主要的转向助力方式之~。 目前,电动助力转向系统(Electric
Power

Steering,简称EPS)是近年来出

现的新型动力转向系统,它是在机械转向系统的基础上,根据作用在转向盘上 的转矩信号和车速信号,通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的转向 辅助力,协助驾驶员进行转向操纵,并获得最佳的转向特性的伺服系统。EPS 系统由机械转向装置、驱动电机、电磁离合器、减速机构、方向盘转矩传感 器、车速传感器、助力转向控制器(包括控制单元ECU和驱动单元两部分) 等组成。其基本工作原理是:当操纵转向盘,装在转向盘轴上的转矩传感器不 断地测量出转向轴上的转矩信号,该信号与车速信号同时输入到电子控制单 元,电子控制单元根据这些输入信号,经过计算处理后控制电动机输出相应大 小和方向的转矩信号,电动机的转矩信由电磁离合器通过减速器减速增扭后, 加到汽车的转向系统中,从而实现汽车转向助力的作用。 与液压动力转向系统相比,EPS具有如下优点: 1.效率高:液压动力转向系统中机械与液压连接的效率较低,一般为60 %~70%;而EPS系统为机械与电机相连接,效率较高,可达到90%。 2.能耗少:汽车在实际行驶过程中,处于转向状态的时问约占总行驶时 间的5%。对于EPS系统来说,电动机只有在需要时才工作,所以消耗的能量 要比液压动力转向系统少得多,应用EPS系统的汽车燃油消耗率仅增加O.5%
左右。

3.重量轻:将电动机、离合器.减速装置和转向杆等部件裟配成一个整 体,这既无管道也无控制阀,使其结构紧凑、质量减轻,而且为整车布雹带来 了很大的方便。一般电动式EPS比液压助力转向质量轻20%左右。 4.可控性高:对于不同车型和使用要求,在基本上不变动硬件的条件 下,只要改变软件,就能满足性能要求。可以比较容易地按照汽车性能的需要 设置和修改转向助力特性。另外它容易与目前国外正在发展的车辆稳定性控制 系统和四轮转向系统集成和匹配,提高整车综合性能。 5.有较好的“路感”:EPS系统可通过软件编写很容易实现不同驾驶转向 工作状况下获得更优的“路感”。

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6.回正性好:EPS系统结构简单、内部阻力小、回『F性好,从而可以得 到最佳的转向回}F特性,改善汽车的操纵稳定性。 7.’r作可靠性好,维修方便:电动转向系统零部件数目少,不存在液压 动力转向系统中常有的液压油泄漏问题,故其故障率低,维修方便。 8.制造成本低,竞争力强:因其机械部分与机械转向器相同,整个电动 转向系统零部件不仅数目少,而且制造工艺与液压零件制造工艺相比要简便, 设备投资少,制造费用低。批量生产后总成本比液压助力转向低10%~15%。 电动助力转向系统(EPS)能够满足当前节能与环保的要求,并给汽车的 设计与制造带来了新的空间;目前,电动助力转向(EPS)系统每年讵以10% 的速度递增,据估计到2007年世界将达到l 140万套的产量,因此EPS必将得 到更加广泛的应用。同时,也对EPS系统的设计提出了更加严格的要求,其性 能的优劣和成本的高低都直接影响其在汽车上的应用前景。因此,低成本高效 能的电动助力转向系统(EPS)是现阶段汽车动力转向系统的研究重点。

1.3课题来源
自拟。

1.4电动助力转1"6](EPS)系统的国内外发展现状
电动助力转向系统(EPS,Electric
Power

Steering)是在20世纪80年代中

期提出来的,它是将最新的电子控制技术和高性能的电机控制技术应用于汽车 转向系统,从而能显著改善汽车动态性能和静态性能,提高行驶中驾驶员的舒 适性和安全性、减少对环境的污染等,并有效解决了液压动力转向系统在能 耗、环保等方面的不足,满足时代发展的要求。因此,该系统一经提出,就受 到许多大汽车公司的重视,并进行了丌发和研究,今后转向系统中电动助力转 向将成为转向系统的主流。 近些年来,动力转向系统的技术革新都是在液压动力转向系统基础上开发 的。即便是电控液压动力转向系统也无法根除液压动力转向系统在系统布置、 安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的固有缺憾。直到 1988年3月,同本铃木公司开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统 (以下简称:电动助力转向系统)Ⅲ,才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。1993 年,本阳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

喻尔滨型1:人学T=学顺Ij学位论史

同法拉利和波尔舍竞争的爱克NSX跑车l:1 21。同年,在欧洲市场销售的一种经

济型轿车一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:由于电控助力转向系统完全取消液压装置,用电能取代液压能,减少了发动 机的能量消耗;an上其性能的优越性,很快在越来越多的国外轿车上得到应用,如 本田最新推出的111sight轿车上就是其中的一例。电动助力转向系统无疑是未 来动力转向设计的新方向,目前在中型以上货车和中级以上轿车上广泛采用的机

械一液压动力转向器将逐渐被效率更高、适应性更强的电动助力转向系统所代
替。为此,国外几家大公司(如德国的ZF、英国卢卡斯一伟利达、Saginaw、 TRW、同本的NSK、Koyo等)都竟相推出自己的电动助力转向系统。比如:三 茭公司在其Minica车上装备了EPS,大发汽车公司在其Mira车上装备了 EPS,本阳汽车公司的Accord车目前已经选装了EPS,¥2000轿车的动力转向 也将倾向于选择EPSl 2],Delphi汽车系统已经为大众的Polo、欧宝318i以及 菲亚特的Punto丌发出EPS。TRW从1998年开始.便投入了大量人力、物力 和财力用于EPS的丌发,他们最初是针对客车开发出转向柱助力式EPS,如今 小齿轮助力式EPS丌发已获成功,1999年3月,他们的EPS已经装备于轿车 上,!tl:1:Ford Fiesta和Mazda 323F等131。Mercedes—Benz和Siemens
Automotive

两大公司正共同投资了6500万英镑用于开发EPS,他们计划丌发出用于汽车 前桥负载超过1200kg的EPS系统,因此货车也可能成为EPS的装备目标。 目前,EPS技术日趋完善,其应用范围也在逐渐的扩大,其生产成本也在 不断的降低,EPS正向着低成本、高性能化方向发展。EPS的助力形式也从低 速范围助力型向全速范围助力型发展Nl[51,并且其控制实现形式与功能也进一 步加强。 电动助力转向系统按电机布置形式可以分为转向柱驱动、小齿轮驱动、齿 条驱动等三种形式161。下面对三种助力方式下各公司对EPS系统的丌发现状作 简要的介绍: 1.转向柱驱动方式英国的Lueas公司的EPS系统:出无刷直流电机、 扭矩传感器、电子控制单元、助力机构等组成。其扭矩传感器采用双通道光电 传感器,在方向盘与转向柱间扭杆的两端各安装一个光电码盘和一个光电传感 器,当在转向盘上施加扭矩时,在两个码盘上之间产生相对转角。光电接受其 接收到的光强与扭矩大小成一定的比例。从而通过比较两个光电传感器的输出 信号计算出转向角和转向角速度。Lucas通过一个三相逆变器来根据电机的相 电流从而控制扭矩大小。驱动电路由一组MOSFET功率管组成,由PWM方 式来控制MOSFET的开关时间和顺序。

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DeIphi公司的E,Steerw系统:由转向系统、助力机构、电子控制单元、 电动机、传感器等组成。所采用的电动机是12V的无刷永磁直流电动机。电动 机由汽车上的蓄电池供电,发动机不工作时也可以为汽车转向提供助力。电子 控制单元对转向扭矩、转向角和车速等信息进行运算处理后输出相应的电流去 驱动电动机为汽车提供转向助力。助力扭矩与转向手力之问的比例由电子控制 单元按照车速的高低提供相应的助力。在行使的过程中,电子控制单元一直监 测着助力机构的运行,一旦发生故障,电磁力离合器立刻断丌助力机构和转向 机构。转向恢复到传统的机械转向状态171。 2.转向小齿轮驱动方式ZF公司的EPS系统:由扭矩出感器、速度传感 器、控制器、电动机、电磁离台器和减速机构等构成。驾驶员手动转动方向盘 产生的扭矩经转向柱、中问轴和万向节传递给伺服机构。电动机、电磁离合 器、减速机构和电子控制单元ECU等伺服机构直接安装在转向小齿轮处,这 种助力方式适用于前轴最大负荷为900kg的中级轿车。 Delphi的EPS也有转向小齿轮驱动方式的产品,其结构同上。

3.转向齿条驱动方式本田汽车公司开发的EPS有齿轮一齿条式转向齿
轮箱、两个速度传感器、继电器、熔断器、故障指示灯等组成。其中齿轮箱包 括转向传感器、电子控制单元ECU、功率驱动模块和助力机构。其中电气部分 入控制单元和功率模块都装在转向齿轮箱内以起到保护作用同时也简化了系统 的结构。转向传感器分别由测试转向角速度的转向传感器和测试扭矩的传感器

组成。扭矩传感器是扭杆式的,即通过扭杆检测到输入与输出的相对位移而得
知转向扭矩。转向传感器是采用直流测速电机来测试转向角速度。 国外汽车公司对EPS的研究已经有多年的历史,但是以前一直没有取得大 的进展,其主要原因是EPS的成本太高。近几年来,随着电子技术的发展和控 制方式的改进,大幅度降低EPS的成本已成为可能。在国内,大部分科研院所 对EPS系统的研究币处在初始阶段,基本完成台架性能试验,j下准备台架寿命 试验和整车试验。国内大部分文献只介绍了国外转向系统的应用现状Ia-lsJ,文 献[s-i2]介绍了转向系统的发展趋势,并对机械转向、液压动力转向、电子液压 动力转向和电子控制电动助力转向系统的发展动态和关键技术进行了部分阐 述。文献113-151分析了汽车运动的力学特性,阐明了作用在轮胎上的力产生的机 理与性质,讨论了转向装置对汽车运行稳定性的影响。文献116-1s】在对轮胎特性 进行线性化假设的前提下,忽略了影响操纵系统稳定性的因素,并给出了转向 力矩与车速、转弯曲率半径、转向系传动比等参数之问的关系。 Badaway对EPS系统进行建模并对模型进行了简化,验证了简化模型的有

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效性,在此毖础上设计了控制器并讨论了影响转向性能的因素¨9l。Gregg,R.D 给出了EPS完整的系统构成,并利用手动转向系统的精确模型及Matti




包,对整车进行计算机模拟,使EPS性能得到了优化120I。Zarcmba,A.T.分析了 电动助力转向系统开发中的控制和路感问题,按照转向系统的性能要求,提出 了对校丁F器增益、相位滞后和零极点位胃的约束,针对变结构控制器,提出了 一种非线性约束的最优化方法,其控制规律使目标函数(H sub2范数)取极 小值,从而使操纵手感得到改善|2q。文献1221在对转向系统中存在的振动进行 分析后,提出了一个降低振动和保持路感的校正器。McCann分析了电动助力 转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响,通过采用横摆角速度和横 向加速度反馈,系统过得了良好的稳定性1231。Burton对电动助力转向系统中 驱动电路的Matlab模型进行了仿真1241。Sugitani提出转向系统操纵的手感取 决于控制系统获取路面环境的信息的多少,并给出了H infinity控制器125】。 J.S.Chen采取PD控制,获得理想的稳念扭矩,并避免了扭矩在中频段的高传 递率,采用超前补偿器消除PD控制器无法解决的噪音问题[261。

1.5课题研究的主要内容
本课题首先要掌握国内外的电动助力转向技术的发展历史和应用现状,在 此基础之上,介绍了EPS系统的工作原理和主要组成部分,并对每个功能单元 的原理和设计内容进行了简要的描述。为了研究动力转向对汽车的影响,我们 在文中研究了转向系对汽车操纵稳定性的影响。对汽车模型进行了二自由度简 化并在此基础之上对汽车转向系进行了动力学建模。最后,本文阐述了汽车电 动助力转向系统的硬件和软件系统。本文各章节的具体内容如下: 第一章,介绍了国内外动力转向技术的发展历程和应用现状,电动助力转 向(EPS)系统与其他动力转向相比的优势,并对国内外各公司EPS产品进行 了分类介绍,最后对部分国内外EPS研究的成果进行了概括和总结。 第二章,描述了EPS系统的总体结构和工作原理,按功能模块分类的方式 分别对EPS系统的主要构件的结构和工作原理进行了介绍。 第三章,介绍了汽车操纵稳定性的概念和转向系对汽车操纵稳定性的影响 研究,对汽车操纵稳定性的研究方法进行了探讨,并分析了动力转向对汽车驾 驶路感的影响。 第四章,对EPS系统进行了动力学建模,首先研究了将汽车简化成二自由 度汽车模型的简化过程并在此基础之上提出了动力转向的B氏模型。为了解决

EPS系统受路面冲击干扰和传感器噪声干扰的影响,在控制器设计中采用了 H。设计方案,保证系统的稳定性和抗干扰能力。 第血章,首先从总体上介绍了EPS系统的硬件组成,分别对单片机核心单 元,车速、扭矩传感器输入接口单元,电压、电流监测单元,电动机功率驱动 单元,故障诊断和显示单元,EPS系统的安全保护单元工作原理和设计内容进 行了描述。 第六章,介绍了EPS系统软件设计思路,并用框图的方式进行了描述。并 对主程序和部分子程序进行了介绍。在软件设计过程中采用了模块化的设计方 法,使系统程序运行更加高效,提高程序的可读性,便于程序的修改和功能扩
充。

第2章EPS的原理及主要构件
2.1

EPS的系统介绍
EPS系统是在机械转向系统的基础上,根据作用在方向盘上的转矩信号和

车速信号,通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力,协助驾驶 员进行转向操作,并获得最佳转向特性的伺服系统。该系统不使用汽车发动机 的动力,而是依靠汽车上蓄电池作为其电源,也不需要复杂的控制执行机构, 只要控制电动机电流/电压的幅值和方向,就能实现转向系统的自动控制。
2.1.1

EPS的组成

EPS系统由机械转向器、驱动电机、减速机构、方向盘扭矩传感器、车_速 传感器及电控单元(包括控制单元和驱动单元)等组成,如图2.1。

幽2-1汽车EPS的组成
Fig.2一l The composingofEPS

1一转向赧:2一输入轴:3~Ecu;4一电动机;5一电磁离合器;

卜转向齿条;7~横拉轩:8—转向轮;嗍l出毒|li;10一柑力轩
11一士H矩传感器;12一转向齿轮

喻尔滨删T人学1学坝f。学位论史

2.1.2

EPS的工作原理

汽车在转向时,转矩传感器会检测到驾驶员施加在转向盘上的力矩和拟转 动的方向,这些信号通过数据总线发给电子控制单元,电子控制单元根据转向 缸的转动力矩、拟转动的方向以及车辆速度等数据信号,向电动机控制器发出 动作指令,从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩来产生助 动力。当不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出信号指令,系统处于 standby(体眠)状念等待调用。同时,电子控制单元根据车辆速度信号,通过 控制助力电机的输出扭矩来实现转向助力,减少驾车者在低速行驶时方向盘 “沉”和高速行驶时方向盘“飘”的感觉。 当操纵转向盘时,装在转向柱上的转矩传感器不断测出转向柱上的转矩, 并幽此产生一个电压信号,该信号与车速信号同时输入电子控制单元,由电子 控制单元中的微机根据这些输入信号进行运算处理。确定助力转矩的大小与方 {句,即选定电动枫的电流/电压和方向,调整转向的辅助动力。电动机的转矩 由电磁离合器通过减速机构减速增扭后,施加在汽车的转向机构上,使之得到 一个与汽车转向状念相适应的转向作用力 目前国内外一些汽车公司正在研制的汽车电子控制电动助力转向系统传动 方案主要有转向柱驱动(Column Drive)、转向小齿轮驱动(Pinion Drive)、齿 条驱动(Rack Drive)等三种方式。 转向柱驱动方式,转向助力机构安装在转向柱上,当驾驶员转动转向盘 时,电控单元接受转矩、车速等信号,控制助力电机的电流,电机的动力经过 离合器、减速机构传给转向柱的齿轮,然后经万向节及中间轴传给转向器。 小齿轮驱动方式,转向助力机构安装在转向转向器小齿轮处,与转向柱驱 动方式相比较,可提供较大的转向助力,适用于中型车,但在助力控制方面增 加了难度。 齿条驱动方式,转向助力装置安装在转向齿条处,电动机通过减速机构直 接驱动转向齿条。与转向小齿轮驱动相比较,可提供更大的转向助力,适用于 大型车,但它对原有的转向传动机构有较大的改变1211,l【i31
2.1.3

EPS的控制原理图

在掌握EPS的工作原理前提下,为后继设计工作的方便,将EPS系统用 框图表示如下,如图2.2,2-3:

咐尔滨理T大学1‘学硕i?学位论文

表示

蚌向盘

幽2-2汽乍EPS控制原理图(表示法一)
Fig.2—2 The COntrol principle chart ofEPS(representationl)

表不一

酗2-3汽下EPS控制原理幽(表示法_二)
Fig.2—2 The eomrol principle chaa of EPS(representation2)

坠丝堡些三垒兰!!!耋丝!:耋竺丝兰
2。1.4

EPS的助力特性

延。:亟。亟。
幽2-4 EPS助力特性的形式
Fig.2-4 The
CUrVC

ofassistant power character

它们的特点分别是:直线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成 线性关系;折线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成分段线性关 系;曲线型助力特性在助力变化区,助力与转向盘力矩成非线性关系。直线型 助力特性最简单,有利于控制系统设计,并且在实际中容易调整;曲线型助力 特性复杂,且调整不方便;折线型助力特性则介于两者之间。 助力特性对动力转向系统的性能,包括轻便性、回正性、路感等有重要影 响。在传统的液压助力转向中助力特性主要出阀的结构决定,调整困难,并且 设计完成后助力特性也就确定了,不能随车速变化。而EPS不同,助力特性曲 线是其控制目标,可以设计成车速感应型特性曲线,并可方便进行调节。针对 EPS的特点,对助力特性曲线提出以下要求: 1.当转向盘输入力矩小于某一特定值(通常为1Nm)时,助力矩为O, EPS不起作用。 2.在转向盘输入力矩较小的区域.助力部分的输入应较小,以保持较好 的路感。 3.在转向盘输入力矩较大的区域,为使转向轻便,助力效果要明显。

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4.在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时,应尽可能发挥较大 的助力效果。 5.随着车速的增高,助力应减小。 6.符合崮家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。
2.2

EPS主要构件的工作原理及选型

2.2.1扭矩传感器

a)

幽2-5无触点式{!}【矩传燎器
Fig.2?5 No-contact torque
sensor

扭矩传感器的作用就是测量转向盘与转向器之间的相对扭矩,以作为电动 助力的依据之一。图2—5,是无触点式扭矩传感器的结构及工作原理图。在输 出轴的极靴上分别绕有A、B、C、D四个线圈,转向盘处于中间位爱(直线 行驶)时,扭力杆的纵向对称面萨好处于图示输出轴极靴AC、BD的对称丽 上。当在u、T两端加上连续的输入脉冲电压信号u.时由于通过每个极靴的

竺丝堡些三叁兰三兰竺!i兰丝篁兰
磁通量相等,所以在v、W两端检测到的输出电压信号Uo=0。转向时,由 于扭力卡T和输出轴极靴之间发生相对扭转变形,极靴A、D之问的磁阻增加, B、C之问的磁阻减少,各个极靴的磁通量发生变化,于是在V、W之间就出 现了电位差。其电位差与扭力杆的扭转角和输入电压Ui成正比。如果比例系 数为K,则有Uo=KUi口。所以,通过测量V、w两端的电位羞就可以测量出 扭力卡T的扭转角,于是也就知道了转向盘施加的转动扭矩‘2”。

2.2.2助力电机
EPS系统的电动机与起动用直流电动机原理上基本相同,我们选用无刷永 磁直流电动机。其最大电流为30A左右,额定电压为12V,额定转矩为lONm左 右。这种电动机具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。助 力电动机的功用是根据控制器的指令产生相应的转矩输出。助力电动机对EPS 系统性能的影响很大,是EPS的关键部件之一,系统不仅要求电动机低转速大 扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻,而且要求可靠性高,易控制。 为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动,需要对电动机的结

al

a2

蚓2-6勘力电机正反转控制原理幽
Fig.2?6 The control scheme ofpositive and negative rotation

喻尔滨趔T人学ur学坝J‘学位论义

构作1些特殊处理,如:沿转子的表面丌出斜槽或螺旋槽,定予磁铁设计成1:
等厚.

转向助力用直流电动机需要币反转控制,其正反转控制原理,如图2—6所 示。a。、a,为触发端信号。当a.端得到输入信号时,晶体管L导通,L得到 基极电流而导通,电流经T,、电动机IlI、L和搭铁(地线)而构成回路,于是 电机正转;当a:端得到输入信号时,电流则经t、电动机M、T4和搭铁而构成 回路,电机则因电流方向相反而反转。控制触发信号端电流的大小,就可以控 制通过电动机电流的大小。

2.2.3电磁离合器

圈2—7电磁离台器l柞原理
Fig.2—7 The scheme ofelectromagnetic clutch

1一滑环;2~线圈;3一压板:4~花键;5一从动轴 6一主动轮;7一滚珠轴承 如图2—7,为单片干式电磁离合器的工作原理图.当电磁离合器控制电流通过滑 环进入电磁离台器线圈时,主动轮产生电磁吸力,带花键的压板被吸引与主

喻尔滨理T人学T学顺l‘学位论立

动轮压紧,于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键和从动轴传递给执 行机构。 电动式EPS中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用,当EPS系统发生 故障、助力电机工作电流过大等情况下.电磁离合器会及时切断,汽车仍i叮以 以传统的机械转向装雹进行工作,从面保障整个系统和行车的安全。为了不使 电动机和电磁离台器的惯性影响转向系的工作,离合器应及时分离,以切断辅
助动力。

2.2.4减速机构
减速机构是电动式EPS不可缺少的部件。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。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,有的采用树脂材料制成。在本次EPS系统设计中,由于是采用转向柱助 力方式,为此我们选用蜗轮一蜗杆减速装置,其优点是传动平稳、结构简单、 可靠性高、体积小、成本低。更适合在汽车驾驶室内安装。

2.2.5电子控制单元
电子控制单元ECU作为关键部件,主要有微处理器、与传感器输入信号相 匹配的接口电路、微处理器内置的模数转换器(A/D)和脉冲宽度调制器 (PWM)、监测微处理器工作的监测电路,无刷直流电动机的驱动电路和场效应 管(MOSFET)组成的放大驱动电路等部分组成。其基本工作原理如下:转向 时,控制单元根据检测到传感器的信号以及电视的电流/电压信号,判断汽车 的转向状态(转向或回正),向驱动单元伐出控制指令,通过电机驱动芯片使 MOSFET按一定的占空比导通,使电机按方向盘转动的速度和方向产生所需的助 力转矩。协助驾驶员进行转向操纵。 电控单元根据各传感器输入的信号通过查询控制策略表确定控制参数,并

根据控制参数控制电动机转动。另外电控单元还需要对系统进行故障诊断,一
旦发现故障,将中断对电动机供电,EPS系统的故障指示灯点亮,并将故障以 代码的形式进行存储记忆。 驱动单元主要是由无刷直流电动机驱动芯片和功率场效应管(MOSFET)驱 动电动机正向和反向转动的驱动电路、电流传感器和控制电动机电路通断的继 电器组成。电控单元对电动机的驱动电路进行监测,当驱动电流不币常时将中

朴尔滨理T人学T学填lj学位论义

断向电动机供电。 转向控制(包括常规控制、回正控制和阻尼控制)是EPS丌发的核心之 一,EPS系统根据检测到的车速,转向盘扭矩和转速信号确定车辆的运动状 念,以此来控制助力电机产生相应大小和方向的辅助力。 汽车在低速行驶进行转向时,电控单元对电动机进行常规控制,出于要求 电动机的端电压随转向盘转速提高而增大,所以场效应管的占空比将随转向盘 转速提高而增大。这样使转向机具有较好的转向晌应,转向操纵灵敏轻便。以 前的EPS系统大多数是在汽车低速时爿’助力,当车速高于43~52km/h时,停 止电机的助力并切断电磁离合器。在本次设计中,采用全程助力方式:汽车在 高速行驶时仍不切断离合器,利用电动机本身和其内部电路构成的回路对汽车 原有的转向系统增加~个阻尼,这样能够进一步提高汽车在高速行驶的稳定 性,更进一步降低了汽车高速转向变道时方向盘“发飘”的现象,提高驾驶员 驾驶的舒适性。 回正控制可以改善转向盘的回正性。在汽车低速行驶过程中,当转向盘转 动后回到中位时,电控单元对电动机进行回正控制,电动机将产生一个与电动 机转速成正比的阻力矩,电控单元将是电动机电流逐渐减小,使转向车轮迅速 回『F,汽车将具有良好的回『F特性。 汽车高速行驶过程中,当转向盘转动后回到中位时,电控单元将电动机电 流逐渐减少,对转向车轮产生回正阻尼,使汽车具有稳定的转向特性。阻尼控

制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象。消除转向车轮因路面输入
引起的摆振现象。其原理为电动机绕组发生短路时,电动机将产生一个大小与 其转速成『F比的反向转矩,电控单元就是利用这一特性对电动机进行阻尼控制 的。在EPS系统中,由于电动机的转动惯量,系统的转动惯量要大于传统系统 的转动惯量,因此,当电动机转动惯量较大时,阻尼控制是根有效的方法之 一。当电动机转矩小于设定值,转速大于阻尼控制表中的数据,如:方向盘转 速很高,但没有对方向盘施加作用(引起方向盘抖动),即需要阻尼控制,以 提高路面路感。

2.2.6系统故障自诊断和安全功能
电子控制电动助力转向系统具有故障自诊断和显示功能。当出现任何一种 故障时,系统均可显示出故障代码。如果同时出现两个以上故障时,则依次显 示其故障代码。

晴尔演理T人学T学坝I:学位论立

与安全有关的信号流程是:当由电池电压过低检测电路、电源装置短路检 测电路、时钟监测电路和其他监测电路以及由ECU检测出一个故障时,仪表板 上的故障灯点亮,控制器上显示故障代号。 EPS系统的安全功能可以确保转向系萨常工作,即使转向系统的某些部件 出现故障时也能连续安全工作。系统能迅速的检测出故障,以便采取相应的安 全措施,即停止助力转矩的控制或限制助力转矩控制。 停止助力转矩控制的功能是当系统的基本部件,如:转矩传感器、电流传 感器、动力装置及其它连线等出现故障,可能导致严重后果时,离合器迅速断

丌,电源继电器释放,从而停止助力转矩控制。
上述部分开路或断路的故障可以用测量传感器输出端的电压降来判断。在 一常运转范围内的传感器仍有输出值的故障较难检测出来。但是可以在各种运 动条件下,检测每个传感器的输出值,并把这些输出值和预先设置的币常输出 值精确地进行比较,确切地检测出任一个传感器的故障,并采取适当的处理措
施。

限制助力转矩控制功能是力图防止可能会出现的故障。一旦出现可导致系 统故障或严重故障的蓄电池电压降低、动力装旨过热等时,系统就会执行这种 功能。

蓄电池电压过低:当发动机处于怠速时,蓄电池充电不足,而又过载使用
的情况下,若助力转向系统仍继续运转,则蓄电池将大量放电。此时如果继续

使用蓄电池,将会导致蓄电池失效。为了预防这种情况和保护蓄电池,系统将
限制助力电机的电流。 动力装置温度升高:如果汽车长时间爬坡,或热天在拥挤的道路上行使, 系统为了防止助力电机过热,系统对连续几秒钟内电机的电流消耗进行监测, 且保持电流消耗不超过预先规定的数值,当系统检测到平均电流损耗过大时, 也会执行这种功能。

2.3本章小结
本章介绍了EPS的组成和工作原理,并用图表的方式对EPS的工作原理进 行了描述,同时对EPS的助力特性进行了简要的介绍。在本章的后半部分重点 介绍了EPS系统的主要构件的工作原理,以及系统的故障自诊断和安全功能。

竺!:堡竺三叁竺玉耋丝!:兰些篁兰

第3章转向系对汽车操纵稳定性的影响
3.1汽车操纵稳定性概述
汽车操纵稳定性是指汽车能够确切地响应驾驶员的转向指令,并在受到外 界扰动(例如,路面不平产生的扰动等)后恢复原来运动状念的能力。汽车的 操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的轻便性和稳定性,而且也是决定汽车高速行 驶安全性的一个重要因素,因而在设计汽车电动助力转向系统(EPS)时,要 始终要以提高汽车操纵稳定性为基本准则。 在研究汽车操纵稳定性时,常把汽车作为一个控制系统,求出汽车曲线行 驶时的时域响应和频域响应,并以它们来表征汽车的操纵稳定性。汽车曲线行 驶的时域响应是指汽车在转向盘输入或者外界侧向干扰输入下的侧向运动响 应。转向盘的输入可以是力输入或角输入,系统的输出是稳态和瞬态响应。横 摆角速度响应特性是转向盘转角正弦输入下,频率由O一一时。汽车横摆角速 度与转向盘转角的振幅比及其相位差的变化特性。 在对汽车时域性应的研究中,假定驾驶员只是机械地急速转动转向盘至某 一转角并维持此角度不变,而不允许根据汽车的转向运动做出任何操纵修币动 作,即驾驶员不起任何反馈作用。此时,汽车是一个开环系统,其控制特性完 全取决于汽车的结构与参数,是汽车本身固有的特性町1。

3.2汽车转向系对汽车操纵稳定性的影响
3.2.1概述
汽车转向系的力学特性和转向系统的设计一样,对汽车的操纵稳定性具有 很大的影响【。

汽车转向系是出前轮到方向盘的机构,其功能是根据驾驶员在方向盘上的
输入,转动前轮以控制汽车的运动方向,并通过方向盘将汽车及轮胎的运动、 受力情况反馈给驾驶员。前轮的转向角不仅与悬架系统有关,而且还与转向系 得力学特性有关。在力输入运动中,转向系的力学特性起着更重要的作用。

竺尘鎏些.!:垒兰三兰堡!:兰竺篁兰
3.2.2转向系的主要性能参数
对汽车转向系统的基本要求是:操纵轻便、安全可靠、有自动回正作用, 传到转向盘上的逆向冲击要小。施加在转向盘上的手力,对轿车不超过200N, 对中型货车不超过360N,对重型货车不超过450N。 转向系的主要性能参数有转向器的效率卵、转向系角传动比f。o、转向系

的力传动比fPo和转向盘的旋转圈数阳。
1,转向器的效率 在汽车转向系统中有币效率和逆效率之分。当功率出转向盘输入、经过转

向器输出到车轮时,其效率称为『F效率,用符号仉表示;反之,功率由车轮
输入,经过转向器输出到转向盘时,其效率称为逆效率,用符号,7一表示。

”华
..

B,,

弓一B
(3-2)


7,一一—1■一


式中:只一一作用在转向盘上的功率;
P’一一转向器中的摩擦功率; B一~作用在转向摇臂轴上的功率。
2.转向系的传动比及其变化特性 转向盘转动的总圈数与转向系的角传动比以及所需要的转向轮的最大转角 有关,对于货车和轿车的转向盘转动总圈数有不同的要求。对于不安装动力转 向的重型汽车的转向盘转动的总圈数一般不宜超过7翻,对于轿车不应超过
3.6圈。

1)转向系传动比的组成 转向系的传动比出转向系的角传动比‰和转向系的力传动比如所组成。 转向系的力传动比f,是作用在汽车轮胎接地面中心的两个轮向轮上的台力 2如与作用在转向盘上的手力^之比。 转向系的角传动‰是转向盘的转角与驾驶员同侧的转向轮转角之比。它又

由转向器角传动比f。和转向传动装置角传动比,-。1所构成。转向器角传动比f。

喻尔演理T人学。r学硕I?学位论义

是转向盘转角妒与转向摇臂轴转角成,之比。 转向传动装置角传动比f:是转向摇 臂转角卢。与同侧转向节转角风之比。 2)转向系力传动比与角传动比的关系 转向系力传动比可用下式表示

L:堡


(3—3)





轮胎和地面之间的转向阻力%与作用在转向节上的转向阻力矩M一有如 下关系

%:生
离。 作用在转向盘上的手力瓦可由下式表示

(3—4)

式中a…一车轮转臂,指主销延长线至地面的交点到轮胎接地中心的距

耻等
式中M厂~作用在转向盘上的力矩;

(3-5)

以,…一转向盘作用半径。
将上两式代入式(3-3)后可得

ip:—2Mr—R、,w Mha
如果忽略摩擦损失,转向系的角传动比‰可用下式表示

(3—6)

f。。:i2M_r:妒,风
‘∞o

2可2妒7以

‘3’7’ (3.7)

于是可以得力传动比

iP:‘。堕

(3-8)

由上式(3-8)可知,力传动比与车轮转臂。有关,。愈小,力传动比愈 大,转向愈轻便。但是当a值过小,会造成车轮和路面之间表面摩擦力增加, 反而增大了转向阻力。对于不同的车型,可用实验方法确定a位的最小极限。

通常货车的a值在40—60mm内,轿车的a值可取0.4-一0.6倍倍轮胎胎面的宽

度,转向盘半径根据车增大小可在200…275mm范围内选取。对于一定的汽车

竺丝堡堡:!:叁兰二耋堡!:兰竺丝兰
而言,R。。和n都是一个常值,所以力传动比i,与角传动比f。。成正比。 3)转向系的角传动比i。。 转向传动装置的角传动比艺,可用转向摇臂轴转角绑与同侧转向节转角 风之比束表示、也可以近似地用转向节臂臂长,:与摇臂长,。之比表示

(;塑:蔓
“鲰f1

(3—9)

现代汽车结构中/,和1。的比值,大约在0.85~1.1之间,可近似的认为其
比值‘=l,而由|j{『面所述的关系有
i。=lP/p P

所以转向系的角传动比

j。o;jmf‘m。导=j。 ‰o“∥“方“m

¨。w (3—10)

上式(3-10)表明转向系的角传动比近似等于转向盘的转角与转向摇臂轴转角 之比即转向器角传动比。于是根据式(3—10)可以看出,如果要研究力传动比i,

和转向系角传动比‰及其变化规律,只要对转向器角传动比f。.进行设定就可
以了。

4)转向器角传动比及其变化规律 在汽车转向系中,转向器的角传动比i。是一个重要参数,它影响汽车的操 纵轻便性、转向灵敏性和汽车行驶稳定性。增大角传动比可以增大力传动比, 在转向阻力为一个确定值时,增大力传动比可以减少驾驶员作用在转向盘上手 力,使操纵轻便。但转向器角传动比增加后,转向轮转角对同一转向盘转角的 响应变得迟钝,操纵时间长,汽车转向灵敏性降低,所以“轻”和“灵”构成 了一对矛盾。所以在汽车转向系中加装助力装置可以在不改变原有转向系主要 结构和参数的情况下,实现汽车驾驶的“轻”和“灵”的更好的协调,提高驾 驶员的驾驶舒适性和汽车行驶的安全性[291130l。 3.转向系的综合刚度 汽车转向系的弹性由以下三部分的弹性组成: 1)转向机以上的弹性,主要是转向机轴,其刚度为K。; 2)转向机与转向轮阃的连接秆件和铰接点的弹性,其刚度为K,; 3)与车身、车架有连接干洗的部件的连接弹性,主要是转向桃的固定刚 度。在断丌式转向机中还有与车身相接的摆臂的连接刚性,其刚度为K,。

llf}尔滨理丁人学r学坝I‘学位论j[

豳3-1转向系的力学模璀
Fig.3—1 The mechanics model ofsteering system

整个转向系的力学模型如图3-1所示。设转向盘固定不动(氏。:0),转 向系总传动比为,,将车轮绕主销转过J角时所需的力矩为M,。要求转向系的 综合刚度K,,可直接在车轮上测定力矩M,和转角6,并出式3-11分析综合刚 度K.的构成、影响因素及改进措施13t]。

K:粤:_—』坠&一
3.2.3方向盘的输入与“路感”

(3一11)

驾驶员操纵转向盘时对转向盘的输入有两种方式,即角输入与力输入。前 面论述的主要是转向盘角输入下汽车的响应,但实际驾驶中既有角输入也有力 输入,有时则以一种为主。如在装有动力转向的汽车以低速行驶时,操纵转向 盘的力很轻,却可能有很大的转向盘输入、汽车的运动纯粹是由几何关系决定 的,这时基本上是角输入;而在高速公路上以高速行驶时,可能出现的转向盘 转角很小,汽车上却作用有一定的侧向惯性力,这时主要是通过力输入来操纵 汽车。力输入时,驾驶员除了要克服回『F力矩以外,还要克服转向主销的摩擦 力矩、转向机的摩擦力矩、各个球头的摩擦力矩及原地转向时轮胎与地面的摩 擦力矩等。 对于较早的机械式转向器,回『F力矩以转向系传动比就是驾驶员为使汽车 转弯时所经常需要克服的力矩。除了回正力矩以外,驾驶员还需要克服主销的 摩擦阻力矩,转向机的摩擦力矩(取决于转向机的效率,各个球头的摩擦力矩 以及原地转向时轮胎对于地面的摩擦力矩等)。然而,动力转向系统中,驾驶 员和助力装置共同承担回J下力矩和摩擦力矩。

阶尔滨理丁人学T学硕I‘学位论文

回ni力矩中包含了汽车载荷,轮胎气压,轮胎与地面的附着状态等信息, 使汽车的运动状态与驾驶员的手上的力有一种对应关系,这种关系可以用“路 感”来描述,“路感”就是驾驶员在进行转向操作时,通过转向器获得对路面 状况和阻力变化的直接感觉。这种感觉是驾驶员在驾驶汽车过程中不可缺少 的。如果转向盘转向力矩太小了,“路感”就没有了。从这个意义上讲,转向 力矩不能太小更确切的说转向力矩与日F轮侧向力矩有对应关系的那,一部分(刨 lF力矩部分)不能太小,而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则越小越好。通 常逆传递的摩擦力太小,也会增大不平路面对转向盘的冲击,为了减小所谓的 反冲,有时故意追求较低的转向机的“逆效率”,这种做法肯定是要以减小 “路感”为代价。转向系统的干摩擦的存在,对转向力矩中的侧向力信息来说 是一种“噪声”,从而降低了转向力中的信噪比。理想的设计应该是尽量降低 转向系统的干摩擦,以尽量提高信噪比,而为了减小路面冲击的传递,靠装设 与速度成m比的阻尼器,从而达到保持路感和降低冲击之间的平衡。 路感的大小可以理解为回『F力矩通过转向装置传递到驾驶员手上的力矩的 大小,它可以用路感强度来表示。影响路感的主要因素有: 1.传动中存在摩擦阻力,它传递到转向盘将会给驾驶员一种错觉。摩擦 力矩会使路感变弱。 2.动力转向器中,一部分回一力矩有助力机构承担。可以认为,动力转 向系统的助力越大,回正力矩传递到转向盘上的力就越小,路感也就越差。 路感强度定义为转向负载增加单位值时对应操纵手力的变化量。用E表示 路感强度

E=Kl暑》=Kl导
Ar 』下 △』∥ d』W

(3-12)

式中:
载。

K1…表示摩擦阻力对路感的影响,%一操纵力矩。z访一为转向负

路感的大小与转向器特别是动力转向器的结构以及控制方式有着直接的关

系。在传统的液压动力转向系统中,液压助力系数一般是恒定的,若要获锝不
同的路感强度,必须改变扭杆的刚度或液压系统控制阀的结构来实现H。而 EPS系统就能很好的解决这个问题,能够在不改变原有硬件结构的情况下,通 过设计软件就能实现在不同路况,获得最优的驾驶路感。 总之,驾驶员在转向时所需的力包括两个主要部分:即回J下力矩和摩擦力 矩,其值的大小决定了驾驶员的体力消耗和“路感”。由于转向力中包含着前

哈尔滨理1-人学丁学顾l博}位论史

轮侧向力的信息,使汽车既轮胎的运动状态(包括车轮与路面的附着状态)与 驾驶员手一J:的力有~种对应关系,即“路感”。如果转向盘上的力太小,“路 感”将丧失.因此转向力不能太小。确切地说,转向力中与前轮侧向力无关的 各种摩擦力矩则是越小越好。通常,如果逆传递的摩擦力太小,也会增大不平 路面对转向盘的冲击,为了减小这个冲击,有时故意追求较低的转向机的逆效 率,但会以减少“路感”为代价。 安装电动助力转向器的汽车,影响路感强度的主要因素是转向系统的结 构、控制器的参数和传动中的摩擦力矩。其中拧制器的参数占主导地位,而控 制器参数是出软件控制的。所以,装有EPS系统的汽车的路感强度调整起来非 常的方便,在不同行使速度区域内可设有不同的路感,让驾驶员获得更好驾驶 转向舒适性13211”I。

3.3本章小缩
本章主要介绍了汽车操纵稳定性的概念和转向系对汽车操纵稳定性的影响 两大方面。在第一部分中还介绍了研究汽车操纵稳定性的方法;在第二部分中 介绍了转向系的主要性能参数和动力转向对汽车驾驶路感的影响。

喻尔滨理T人学T学烦I:学位论史

第4章EPS系统的建模和算法分析
4.1汽车模型的简化
要对汽车EPS系统建模,首先就要对汽车模型进行简化:汽车在水平路面 上等速行驶时的操纵稳定性主要通过转向系转向盘角输入或力输入的响应来研 究,作为刚体它具有6个自由度。为了获得满意的计算精度,通常利用4、5 个自由度非线性数学模型来模拟,即国,(横摆角加速度)、芦(质心的侧偏 角)、m,(车身侧倾角)、万(前轮转角)、和氐,(转向盘转角)为自由度并 考虑轮胎侧偏角的非线性特性。为了研究方便,把多自由度模型缩减为只有 国,和卢的二自出度模型L31]l”】,因此,对汽车模型做出如下假设: 1.汽车只作平行于路面的平面运动,无垂直方向运动,也无俯仰和侧倾
运动;

2.汽车沿X轴的前进方向作等速运动,不考虑地面切向力和空气阻力的 作用:

幽4-1二自由度汽车模型
Fig.t4-1 The auto model oftwo freedom degree

堕堡堡竺三叁兰三兰丝:!:兰竺丝兰
3.忽略左、右车轮由于载荷变化引起的轮胎特性的变化和回J下力矩的作
用:

4.忽略悬架及转向系的影响,直接以前轮转角作为输入。 令汽车坐标系的原点与汽车的质心重合,设前轮转过d角,此时在质心产 生离心力, 它在前、后车轮上引起侧向反作用力一,和一:,即前、后车轮的 侧偏力,相应的前、后车轮的侧偏角为a.和12":。前、后轮速度“.和叱的方向 即可确定。根据刚体运动定理,转动瞬心O,点至质心O点的距离为汽车转弯半 径R,质心处速度的速度为
Vc=CO,R

式中,棚,为横摆角速度,v。在x轴上的分量为
“=v

COS矗

式中,口为汽车质心车速与汽车x轴的央角,即为质心的侧偏危。 出于口很小,cosfl。1,所以 1,1=Vc=坼R v,在Y轴上的分量为 v=v。sin∥ 所以
(4—1)

口:三:兰
Vc “

(4—2)

这样汽车质心绝对加速度沿Y轴上的分量为 q 口y:v+善:V+t4q(4-3) 叶“+吉 根据图4-1,用二自出度汽车受到的外力沿Y轴法向内向的台力与绕质心 的力矩平衡方程,推导出运动微分方程:


厅I+一2

2“叶2“(…啡’}


(4~4)

口~t_b艮2:I:m



式中,一,和一。分别为前、后车轮的侧偏力;111为整车的质量;,:为车身绕z

轴的转动惯量;a和6分别为前、后轴到汽车质心问的距离,o为汽车质心绝

喻尔滨理T人学T学坝f‘学位论义

对加速度沿横轴@上的分量,即侧向加速度。 侧偏力的大小,取决于汽车轮胎的侧偏刚度与侧偏角,即: 巧I=t1口.
Fr2=k20f2

式中,k.和^:分别为汽车前、后轮胎的侧偏刚度;∞和a:分别为汽车前、后轮 他的侧偏角。所以:

七1口i+七2口2=m(”+”2珊r)} n^a,一6七:口:=L国, J
而阿、后轮的∞和a:可由几何关系求得

(4—5)

口l=旦生+卢一JI

嘞;芦一堕f 妒£堕}
(tl+k2)P+!(础l一6女2)∞,一女l万=m(v+“m,)l

“喝’

将式(4-6)代入(4-5),经整理后可以得到汽车二自由度运动微分方程

(嘶城:)卢+吉(,”62七2)q一嵋如,=。一




式(4-7)的联立方程式包含了汽车质量和轮胎侧偏刚度两方面的重要参数, 反映了汽车曲线运动最基本的特征。

4.2

EPS系统的B氏模型
汽车电动助力转向基本原理是方向盘的转动经扭矩传感器给控制器一个扭

矩信号,这些都是可以通过ECU处理出来的:通过车速传感器给出一个车速信 号,控制器则根据此=信号按照预先设定的力模型对助力电机及电磁离合器实 施控制,通过控制改变电机电流的大小,从而改变输出力矩。该输出力矩通过

减速机构放大后直接作用于转向柱上,对驾驶员转向起到助力作用㈣。
汽车电动助力转向器助力电机动作原理框图如图4-2:

晴尔滨理T人学T学删I:学位论丘

电帆.方向
摔制

酸定:

扣如倩号

矧作
车速倩号

电机转速 抨制

c叫.黜

电机惯性摊 制(补偿) 电机L”何 阻尼抻制

图4 2电机动作原理框图
Fig 4?2 The scheme ofmotor control

汽车电动助力转向系统设计的关键在于控制器(Bcu)控制程序的设计+ 而ECU控制程序所依据的模型也同样是重要所在。按车速调整助力一般有两种 方式:全程调速控制和半程调速控制,我们认为全程调速比半程调速优越性更 大,更有利于对转向全过程进行控制。

遵循汽车转向原理和汽车操纵稳定性要求,助力特性随方向盘转动手力变
化和在不同车速时有以下规律: 1.随方向盘转角增大,电机电流(扭矩)按一定规律增大; 2随方向盘转速增大,电机转速增大:

3随方向盘转动方向不同,电动机转动方向不同,换向时的滞后现象要
尽可能的小。 4随汽车车速增大。电机电流(扭矩)按一定规律减小
图4

3所示,就是FⅡ动助力转向器在任意车速下的手力特性。该特性是否

合理就看其形状是否利于驾驶员操纵。根据动力转向设计的经验可知,在等刚 度载荷作用下,在较小角度或缓慢转向时,地面转向阻力较小,助力应增加的 缓和:在较大角度或急速转向时,地面转向阻力较大,助力应该增加的快些,
因此,图4 3是出两个二次曲线拟和成的曲线,保证了转向过度平滑。

哈尔滨理-r人学T学颤I+学位论史

E口刀刀l基 (Nm)











操纵力矩(Nm)

幽4-3转向手力特性
Fig.4—3 The character ofturning hand power

图4_4是电动助力转向手力按照速度变化的特性曲线。该特性设计的是否 合理就是看汽车在低速转向时是否轻便,在高速时加大转向手力,从而解决高

速时操纵稳定性的问题。曲线形状在4肚oOKm/h以下,助力较大,可有较

小的下降;而在7旺80Km/h以上时,助力应较小。且有较小的下降。在中
问车速过渡段应有一个圆滑双曲线的过渡,以保证驾驶员全过程操纵平滑。其 下降比一般为100:30,在高速行驶时应保持30%的助力。

车速(‰/h
幽4~4迷度特性曲线
Fig.4—4 The
curve

ofvelocity character

将转向力特性和速度特性相结合所得到的曲线(如图4.5)就是动力转向

的B氏模型。x轴为车速坐标,Y轴为操纵力矩坐标,z轴为助力扭矩坐标。 在每一个车速上都有一个转向特性,该模型就是不同车速下无数转向力特性组
合成的。对于轿车低速时转向手力矩一般控制在5Nm以内,而在高速时转向手

竺垒堡些三叁耋三耋丝:!:薹竺篁兰
力矩应控制在7~8Nm左右。

|!E|4-5勘力转向B氏模型
Fig.4?5 The B—shi model ofpower steering

4.3

EPS系统的模型建立和算法分析

4.3.1

EPS模型的建立

在汽车电动助力转向系统中,采用转向柱助力方式(助力电机和减速装置 安装在转向柱上),对系统进行动力学分析,得到EPS系统的非线性动力学模 型为

,厅a+C^矗+足,(口一万)=n+^(口,占)
,。万+c。占=K。(口一艿)+K。G(O—GS)一I+以(d,占) ,。目+c。占=%一毛+fm(口,0)

(4.8)

(4—9)

(4.10)

式中:死~一驾驶员操纵扭矩;乇…一助力电机的辅助扭矩,正一一转向系统的
系统负载,t/"一…方向盘转角,d…~转向小齿轮转角,口一…为助力电机的 转角。 系统中被控对象的模型参数有:

喻尔滨理T人学uT学倾}:学位论文

1。,C。为方向盘的转动惯量和粘性阻尼:,。,e为转向柱的转动惯量和粘性 阻尼:,,C。为助力电机的转动惯量和粘性阻尼:K,为转向柱的刚度,,^, 正,/:。为系统模型的非线性部分;G为减速机构的减速比。 助力电机的线性模型为

L,=等(p")
矩系数和反电动势常数。 助力电动机的辅助扭矩L可表示为: 兀=K。,(0一G6) 系统的负载定义为 t=K,占+耳

(4—11)

式中:“…为电动机电枢电压,R---为电枢绕组电阻,k, k。一一分别为扭

(4—12)

(4.13)

式中:K,~为名义刚度,r一一为路面变化对系统的干扰。
由扭矩传感器的工作原理,其实际测量值r可表示为 7:=K,@一J)
14—14)

对于EPS系统来说,驾驶员的操纵扭矩死和EPS系统控制助力电机的控制 信号“是其主要的输入;汽车行驶在不同的路面上,路面的状况会造成在相同 的车速下负载的差异,产生对EPS系统的冲击。因此,传感器会产生测量误差 及测量噪音,这就造成系统还存在两个外部干扰输入t和d(传感器噪声)。 EPS系统的主要输出为助力扭矩咒,转向柱扭矩疋,其中乃不能直接测得, t可通过扭矩传感器测得。在我们的研究过程中,把方向盘的转角a和助力电 机转速0作为系统的反馈信号,因此它们也是系统输出的一部分13611”Ⅱ3…II”。 定义系统的状态量如下:
。l=口,

。2=J,

。3=0

将系统的非线性部分^,^,厶线性化,把对应的线性部分折算到模型 参数中,并将式(4-11)(4-12)(4-13)分别代入(4-9)(4-10)种,表示成 状态量形式,可以得到如下方程

坠!!堡些三垒兰三兰堡!:兰竺丝兰

如=去(《幽“^-c成+rh)


(4.15)

如2亡叫∥l-Ksx2-Kn,G2x2-Ktx2根mGx3-C3x5_)(4-16)

‰=毒(K。伪:一即,一百kakb X6--Cmx6+争“)

54

(4—17)

2而,

。5=n,

。6=。3

由式(4-12)(4—14),系统的输出量可用状态量表示 %=KⅢx3一KmGx2 瓦=KJ。I—Ks。2
占=x3 (4.18) (4.19)

0=x6

因此,系统的状态方程可表示成矩阵形式


O 0 0

0 0 0 o K




0 1 0 o

0 0 l o
x2
x3

0 0





足。 ,^

一鱼
』^



^-‘ I。 0

。。。k一““
I。

G+

K K#jG

o一生

Jd


x5



K。G ,-J

一生o
|。 0 0 0

o一生!±!生墨
f。R

x6



0 O 0

上o
I^ 0.,.—1— Ir 0 0


。。。。



(4—20)

。生¨

.33.

哈尔滨理丁人学T学坝.Ij学位论文

输出方程的矩阵形式

L t
占 口




(4.21)





叩?。

O●0



z=k
U=h

x2如z4

X5

X6r

t”y


r=[L

a一]7

因此,EPS状态空间表达式为
X=Ax+曰U

J,=Cx+DU

式(4—22)(4—23)中,矩阵A,B,C,D分别在式(4—20)(4-21) 的部分,其中D=0。 将EPS系统表示成传递函数形式
咒 L
占 口

怒~



G12 G22 G32

G1,]陬1
G23

G3,j l”j
(4—24) (4—25)

H‘l

即:

y=a(s)-U 其中:
G(s)=C(苴,一一)_1B

4.3.2

EPS控制器设计

由于所建立的电机模型是理想电机的数学模型,在实际运行中必然存在着 模型的摄动,此外助力系统还存在着路面干扰和扭矩传感器、电流传感器噪声 的影响,考虑到这些因素,要求电动助力转向系统的控制器应据有较强鲁棒性 和抗干扰能力,建立在频域方法基础上的古典控制理论,在一定程度上能处理

堕堡童型三尘兰三竺堡尘兰丝兰兰
单变量控制系统的鲁棒稳定性问题,属于试凑法,难以找到最优解和次优解, 而以状态空间方法为基础的现代控制理论能够很好的解决多变量控制系统的分 析和综合问题,但对受控对象模型摄动的鲁棒性有时不是很好。为此采用H。 控制理论对电动助力转向系统控制器进行设计。 反馈控制的目标就是要设计一个反馈 打=c(j)歹

使EPS系统外部的干扰元.一,d,,d。,d,。对元的干扰达到最小值。
为了便于控制器c的设计,将对EPS的模型转化成为标准的H。控制问题进行 研究,如图4-6。

蚓4-6标准H。控制器框|!E|
Fig.4_6 The chart ofstandardⅣ。controller

控制系统的设计目标可以定量描述为
1.

数,%为权函数,并设

减小1%兑II:以获得最佳的转向助力

式中只;L一《,l U:为H2范

哪)=c。筹
2.

(4.26)

减小0%(t—K,t)lI:以获得最佳的转向路感。设即为

哪一,筹
3.减小忙一忆以获得最小能耗。

(4-27)

晴尔滨理T人学T学倒I:学位论义

出于权函数%,H,厂为一阶动态系统,必须增加状念变量,并加入到原受控对
象模型中。

令e。=%艺,引入状态量%,并令

P。:上%+%乏
口1

(4.28)

将式(4—26)进行拉氏反变换,并将式(4—28)代入,得到:

… ÷比%+n一‰克+。.wa+^0元=cablT‘a十c。艺
dl 口l

解出吒:

谛。:一—1—w。+(c。61一口lho)乏+(c。一ho)fo
aI

令c。bl—alho=O,则^o=鱼堕,代入上式,得:
W ‘:一土。+。oWa 2一——口+d一2Jyd C一堕)£



£=L一巧=Clz—K死,其中K。为助力曲线的斜率,则
谛。:一—1—w。+c。O-b1)clx+coK。(.蔓一1)瓦
al

(4—29)

al

al

%一1

bl
w。+Ca
al

Clx-c。足。堕靠
a,

(4—30)

口l

出同样的方法我们可以得到加权函数∥,引入的状态量

谛,一。1--,-wf+cf。b2,)clx+cfKf(。b2f(1-”z)Clx+c w,一。1
。2

,一1)耳 。2一l弦;

(4.31)

f 8,一iw,托,。2 e,2一i1 w,+“。b2:clx-cyKf

b2 C-XICrT
a2

(4—32)

可以得到扩充状态量为

铲h。W,寸
一36.

堕丝鎏些三垒兰三兰竺;!兰些篁兰

系统的输入为U.=p£,r,其中a=p,以d。死0】。系统输出为

,.=卜y】,其中评价输出为w=k。%e,j,可测输出为Y=k占自】。则广义
受控对象的状态空间模型为 南=Axl+B1“+B2d
(4—33)

Y1=Cx




(4—34)

其中

一一1
dl



c。(1

A=



0 0

一二cffl
口1





『o]


B1=J

巩一q如屯A

lB.J

砭=b Br=【o
0 0—1

B。B。Bh

B,】
0 0一K。0 K。0







017,B。=【o

or

‰=【o









GK。0一K。7】,以:f0

0且F

曰,=【0。曰:r+[。c,c考}一?,足, 。。。。]7

-37-

哈尔滨理T大学T学倾I:学位论义





01。6

上o

c。堕c

。=l。言吒b2:c, f



0C 0




设广义受控对象的传递函0数为0 P 0C=)s(

C[是≮



日2

)岛2
(4—35)

%..=鼻1(5)+量2(s)【,一C(s)Pz2(s)】-‘C(s)Pzl(s)
现求一个c(s),使控制系统闭环稳定,且满足

l%,(s)忆<1
控制器的C(s)可由matlab中的p-tools工具箱求出1331。

(4—36)

4.4本章小结
本章首先介绍了将汽车简化成二自由度汽车模型的简化过程,在此基础之 上介绍了动力转向的B氏模型,同时对EPS进行了数学建模和分析,在控制器 设计中采用了Ⅳ。方法,保证了系统的稳定性和抗干扰能力。

喻尔滨理T人学T学颁lj学位论文

第5章电动助力转向控制系统的硬件设计
5.1概述
在清楚EPS工作原理和控制模型确立之后,我们将进行控制器的硬件电 路的设计。系统硬件组成如图5.1所示,控制器以单片机(MCU)为核心, 单片机采集力矩传感器及车速传感器的输出信号,计算出电动机所需的驱动电 流,利用电动机的驱动电路驱动电动机。完成系统安全监测、故障检测和显示 等功能。同时为软件运行控制功能的实现提供良好的运行平台。

图5-1

EPS系统硬件组成图

Fig.5-1 The hardware chart ofEPS

EPS控制器的硬件电路主要有以下几个单元组成:MCU核心单元、车 速、扭矩传感器输入接口单元、蓄电池电压监测单元、电机电流监测单元、电 动机功率驱动单元、故障诊断和显示单元等。

哈尔滨理1i人学丁学倾I‘学位论文

5.2中央处理单元(MCU)的设计

5.2.1

MCU核心部分的设计
中央处理单元主要是由单片机及其基本外围电路组成:MSP430单片机、

时钟电路、单片机的数字和模拟供电电源、JTAG接1:3电路、复位电路等部分 组成。这些是保证单片机能正确运行的最基本组成部分,其性能的优劣直接决 定着能否为其他外围模块的运行提供良好的运行平台。

5.2.2单片机的资源介绍
在汽车电动助力转向系统(EPS)中控制核心采用MSP430F149单片机 (如图5—2),它是美国Tl公司推出的新一代具有片内FLASH型存储器的混 合信号控制器。具有以下优点: I.强大的处理功能 MSP430F149为16位RISK结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻 址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量 的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算:还有高效的查表处理方法: 有较高的处理速度,在8MHz晶振驱动下,指令周期为125/嚣。MSp430单片 机的中断源较多,并可以任意嵌套,使用时灵活方便。当系统处于省电状态 时.用中断唤醒只需6/.s 2.系统工作稳定 系统上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位簧 丌始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的 寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时 钟MCLK时发生故障;DCO会自动启动,以保证系统正常工作:如果程序跑 飞,可用看门狗将其复位。 3.丰富的片内设 MSP430F149单片机继承了较丰富的片内外设。它采用16位的总线,外设 和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理, 片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换 器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO

晴尔滨理T人学T学预:1:学位论空

内部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟.由于为FLASH型,则可以在线对 单片机进行调试和下载,且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的 相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境 和人体的辐射小,测量结果为100row左右的功耗(电流为14mA左右),可靠性能 好,在较强电干扰环境下运行不受影响,适应工业级的运行环境m1。

豳5-2
Fig.5-2

MSP430F149系统结构Ij}I
The structure ofMSP430F149

4.MsP4630F149内部资源 ?基础时钟模块,包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器。 ?看门狗定时器WatchdogTimer,可用作通用定时器。 ?带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器TimerA3。 ?带有7个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer__B7。 ?2个具有中断功能的8位并行端I=1:PI与P2。 ?4个8位并行端口:P3、P4、P5与P6。 ?模拟比较器ComparatoL
A.

?12位A/D转换器ADCl2。 ?2个串行通信接口:USART0与USARTl。 ?1个硬件乘法器。 ?MSP430F149:60KB+256字节FLASH,2KB RAM。

喻尔滨理1。人学丁学颂I。学位论史

5.2.3单片机的电源
电源的稳定性对单片机的稳定性起着至关重要的作用,为此,我们在设计 电源时采用了TPS76033集成稳压电源为单片机供电,可将汽车12V电源转换 成单片机所需要的电压,为系统提供3.3V的高精度稳压电源(具体实现电路 如图5—3所示),保证了系统供电的需要[all。

,-2-

U1 TPS76033

图5-3单片机电源电路
Fig.5—3 The power circuit of SCM

由于系统要采集的扭矩信号和蓄电池电压信号都是模拟信号,所以在单片 机系统中还应为模拟信号的采集提供可靠的模拟电源。在设计中,我们采取的 方法是将单片机的数字地和模拟地进行有效隔离,简单可行的电路如图5.4所 示。同时,在进行电路板布线时,尽量缩短模拟信号输入到单片机之间的连 线,以及将模拟信号和模拟电源的布线与数字部分分离开布局等方法。这些措 施的采用,将为下一步模拟信号的采集和采集精度打下良好基础。

Fig.5—4

The chart of power isolation measure

n舟尔滨理丁人学T学颅{:学位论文

5.2.4单片机的JTAG接口电路
JTAG的硬件连接通过TMS、TCK、TDl和TD04个引脚,外加TCLK、 TEST、RESET等引脚来实现的,如图5—5。由于采用JTAG接E1方式,不需要 专门的编程器,就可以很方便的对单片机进行在线程序的编写、调试和程序的 烧制。
JPl i 3 5 7 9 1l 13 2 4 6 8 10 12 14


脚接口

J3 1

CON2

I--

I鼍
TMS :

1Q!



釜X画OLIT
:P————一 :P————一 :P————一





B匝





j1AG

幽5-5
Fig.5—5

JTAG接口的连线幽

The connection chart of.ITAG interface

5.2.5单片机的复位电路
单片机系统在运行的过程中可能受到外界严重的干扰,为了能让系统恢复 征常运行,除了单片机的上电自动复位和软件保护复位,我们还需要针对不同 单片机为其设计一个复位电路(如图5—6),使得单片机可以手动复位。当按动


图5-6单片机的复位电路
Fig.5-6 The reset circuit ofSCM

复位按钮时,在单片机的复位RST端产生一个低电平,电容C16的设置保证 r复位时|、日J的充足。

5.3传惑器输入接口单元
MSP430F149单片机内部集成了12位精度的A/D转换模块,具有高速、 通用的特点。其内部集成以下5大功能模块:带有采样/保持功能的ADC内 核;可控制的参考电平发生器;可控制的转换存储器;可控制和选择的时钟 源;可控制的采样及转换时序电路。由于其内部集成了高精度参考电平发生电 路,通过软件设簧我们就可选择适当的参考电平,不需要在电路板上设计参考 电平发生电路,从参考电源的稳定性上保证了A/D转换的可靠性。

扭矩传感器输出的信号是标准的模拟信号,其输出范围是耻_2.5V。其输
出状态设计为扭矩为0时,其输出电压为1.3V;当输出小于1.3V时,代表向 方向盘左转向,大于1.3V时,代表方向盘向右转。扭矩传感器输出的电压值 背离中心位置电压1.3V的幅值将直接反映了不同方向的扭矩大小。扭矩传感 器输出信号是通过单片机的A/D转换口来采集的,为保证A/D转换采集精 度,除了保证单片机模拟电源的稳定性之外,我们还在模拟信号输入之前进行 了处理(如图5—7):该电路的主要作用是防止输入信号的电压过高或过低,在 信号输入端加上阻容电路,除了起到低通过滤的作用外,还有以下两个作用: 1.串联电阻主要是起到限流的作用:2.由于模拟信号内阻过大会降低A/D转 换的精度,在电路中并联电容C主要是起到误差补偿的作用[421。
VCC

薛器



kp

D1N4148 R

-4+-J:

0a 一 一DlI。I

841 NIDu570 主K72


幽5—7模拟信号输入接口电路
Fig.5—7 The chart ofanalogue signal input circuit

呛尔滨理1.人学丁学坝I‘学位沦义

车速传感器输入的信号是标准的脉冲信号,采集车速信号就是对脉冲信号

的计数,我们通过单片机的最。口进彳亍计数,为了节省CPU的资源,采用
Timer

A定时器的捕获模式进行速度采集。

5.4电动机功率驱动单元
5.4.1概述
EPS系统中采用的无刷直流电动机是伴随着数字电子技术而产生和发展起 来的,因此,采用以单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手 段。但是,单片机的本身不能直接驱动高电压大电流的器件。为了控制助力电 机的运行,就需要在单片机的I/O输出端口和电动机之间采用功率驱动电路。 EPS助力电机功率驱动单元,我们采用了无刷直流电动机专用驱动芯片 (LM621)配合功率场效应管(MOSFET)来完成助力电机的驱动控制。
5.4.2

LM621芯片的工作原理和功能分析

LM621专用集成电路芯片专用于三相或四相无刷直流电动机的控制。三 相无刷直流电动机可以选择全桥或半桥驱动,三角形或星形联结方式;四相无

刷宜流电动机采用半桥驱动。LM621的输出提供35 rnA基极电流,可以直接驱
动双极型功率晶体管或功率MOSFET管;要求电动机使用霍尔式位置传感 器;可以直接与外界PWM信号接口,实现调速功能;具有转向控制功能,死 区调节功能.过电流保护功能和欠电匾保护功能。 1.LM62l引脚功能说明 LM621芯片采用双列直插式封装,有18个引脚,各功能如下: 引脚l(圪。):第一电源,+5V,为逻辑电路和时钟电路供电。 引脚2(DIRECTION):换向控制端。高电平正转,低电平反转。 引脚3(DEAD—TIME ENABLE):死区功能允许端。高电平时允许使用死 区功能。 引脚4(CLOCK TIMING):振荡时钟输入端。外接电容电阻,产生振荡 时钟,其振荡周期决定死区时间。 引脚5、6、7(H.、H:、H,):霍尔式传感器信号输入端。对于三相无

刷直流电动机,有3个霍尔传感器.3个输出信号直接接口1、月2、玛:对

坠堡堡些三叁兰三兰堡!:兰些篓兰
于四无刷直流电动机,有2个霍尔传感器,分别接H1、H2,也和片2短
接。

引脚8(30/60 SELECT):30/60选择端。对于转子有2对磁极的三相无刷 直流电动机,浚引脚高电平时,表示选择使用30。空间间隔的位置传感器:低 电平时,表示选择使用60。空间间隔的位置传感器。对于四相无刷直流电动 机,取高电平。 引脚9(LOGIC GROUND):逻辑地。 引脚10(POWER GROUND):功率地。 引脚11、12、13(CURRENT
SOURCE

OUT):下桥臂驱动输出端。

引脚14、15、16(CURRENT SINK OUT):上桥臂驱动输出端。 引脚17(OUTPUTINHIBIT):输出禁止端。高电平使输出关闭。 引脚18(咋。):第二电源,+5V_.+40V,为驱动供电。当驱动MOSFET 时,可取高电压:当驱动双极晶体管时,电压取+5V,以降低功耗和发热。 2.LM62l的总体结构及工作分析 LM621的工作原理如图5-8所示。其内部主要结构是由欠压封锁电路、死 区时间发生器、换相译码电路、驱动输出电路等几大模块组成。

欠压封 锁电路 死区时『HJ发q:器

DIR‘0E

换向译码电路

l!}|5-8 LM621原理框图
Fig.5-8 The principle chart ofLM621

欠压封锁电路用于对K。端的端电压进行监视,如果‰,,电压过低则立即
关闭输出。典型的动作电压为+3.6V。此外通过LM621的引脚17,外部输入 一个电压信号也能够实现控制输出封锁的功能。

哈尔滨理T人学丁学坝.J:学位论文

死区时间发生器的作用是避免上、下桥臂丌关管同时导通出现直通现缘。 这种直通现象一般出现在开关管“丌”与“关”的延时过程中,以及突然改变 转向的过程中。这种现象在电机控制过程中是必须要避免的,如果一旦出现将 会直接造成元器件的烧毁而导致重大事故的发生。 通过LM62l的引脚4外接RC振荡电路,为死区时间发生器提供振荡时 钟;在设置振荡时钟周期时应遵循:死区的时间应该是振荡周期的2倍。因 此,振荡周期t,。(芦)可由式(5-1)柬计算:

如,^=(R+lkfl)Cx0.756x10。
式中R_…电阻,地;
C一-电容,芦F。

(5一1)

出上式可以根据实际需要确定死区时间,通过式(5.1)计算所需要的R 值和C值。
表5-1换向译码真值表

传感器间
拦丘,(。)

转角范闱,
(。) 0~60 60~120

传感器输入
Ⅳl 0 0 0 1 l l l 1 l O 0 0 H2 0 0 1 l 1 0 0 O 1 1 1 0 H3 0 1 1 1 0 0 l O 0 0 l l l 1

上挢臀
2 0 3 O 0 O O 1 1 0 O 0 0 1 l l 0 0 0 l 1 0 0 O 0 l l 0

r桥臂
2 1 0 0 0 0 1 l O 0 0 0 l 3 0 l l O 0 0 0 1 l 0 0 O

】0 0 0 O O 1 1 0 0 0 0 l 1 0 0 0 O l l 0 0

30

120~180

180~240 240~300 300~360 0~60 61)~120
60

120~180 180~240 240~300 300~360

从LM621原理框图可以看出,死区时间发生器输出一个死区信号OE,它 通过换相译码电路实现死区功能。来自引脚2的J下反转控制信号也通过死区时 问发生器,并产生一个延时后的转向信号DIR输出,实现可靠保证转向的状

堕尘堡竺三垒兰三兰堡!:兰竺篁兰
态变化是在死区时间内进行的。换向译码电路将来自转子位置传感器的信号和 LM621引脚8的信号转换成控制丌关管的换向信号。LM621的换向译码真值表 如表5一l所示。

5.4.3驱动电路的设计
EPS系统中采用的无刷直流电动机是转子具有两对磁极的三相电动机,其 驱动采用三相全桥星形联结方式,其定子绕组采用二二导通的通电方式。针对 所采用的电动机的结构特点和驱动方式,我们对驱动电路作了下面的具体设
计。

1.电机驱动电路的工作原理

J璺|5-9
Fig.5-9

LM621功率驱动电路

The circuit ofLM621 powerdrive

喻尔演理T大学T学坝I:学位论文

图5-9是电机驱动芯片(LM621)和功率场效应管(MOSFET)的驱动三

相无刷直流电动机的联结图。EPS系统中电机的驱动主要是出单片机输出的信
号控制的,主要的控制量是电动机的转速和转动方向(正转和反转)。采用六 个功率场效应管(MOSFET)作为驱动器件,分三组(QI和a、g和Qd、 嫉和绒,每组分别山N沟道和P沟道的功率MOSFET组成),每组分别连接 到电机的a、b、C相上。当单片机输出PWM波时,LM621根据波形信号和电 机位置传感器输入的信号,使QI、Q:、Q,、Q4、Q5、Q。按照不同工作时序 要求而导通。由于我们选用的是三相电机,驱动采用三相全桥星形联结方式, 其定予绕组采用二二导通的通电方式。参照表5.1换向译码真值表,以电机转 动一圈(以『F向转动为例)对功率MOSFET的导通时序(换向波形图如图5. 10所示)进行说明: 在0。~60。转角范围内,功率管Ql、Q4开启导通,电流从电源眍极经Q1 一a相一b相一Q4流回电源负极,构成回路,驱动电机正向转动。当转到600 位置时,功率管9继续导通,功率管凸关闭同时功率管Q6u丌启导通,在, 60。~120。范围内,功率管Ql、96一直导通,电流从电源证极经Q—a相一c 相一Q流回电源负极,构成回路,驱动电机继续萨向转动。当转到120。位置


矿—1矿—1密广1矛—刁矿_曩矿1薪

卜上==Ltj
呻正转

l鳘l 5—10换向波形幽

(b)反转

Fig.5—10

The wave chart ofcommutation

堕竺鎏些:三叁兰三兰堡!:兰竺垫苎
时,功率管Q6继续导通,功率管Q,关闭同时功率管g开启导通,在120。~ 180。范围内,功率管Q3、Q6一直导通,电流从电源正极经g—b相一c相一 幺流回电源负极,构成回路,驱动电机继续正向转动。以此规律,驱动芯片 根据输入的不同占空比PWM信号以不同变换速度循环开启相应功率管,也就 实现电动机以不同转速转动。当电动机需要变换转动方向时,电机驱动芯片 LM621按照来自单片机的DIR指令信号,自动在死区时间内改变各相的通电 顺序,就可以实现转动方向的改变。因此,对于控制中心的单片机来讲,大部 分电机的驱动控制工作都由驱动芯片LM621完成,单片机机仅需要给出代表

转速大小的PWM信号和代表转动方向的DIR高低电平信号,大大节约了单片
机的资源144-471。 2.电路设计方案 1)转速和转向控制 在设计中,我们用单片机的只。端1:2作为PWM输出端,协同电机的过流 保护电路的输出端通过一个与非门连接到LM621的第17管脚,只。端口通过

输出具有不同占空比的脉冲实现对电机转速的控制;单片机的只。端口与
LM621的第2管脚(DIR)相连,只,端1:3通过输出高/低电平实现对电机转动 方向的控制。为了提高单片机系统不受驱动单元的影响,在单片机与驱动单元

的之间用光藕进行隔离。由于大部分控制工作交给了LM62l完成,单片机只
是在调速和改变方向时才进行千预,所以单片机可以有十分充足的时『自J作其他 的工作。 2)工作方式的选择 驱动芯片LM621的引脚g接高电平,表示采用30。间距角,定予绕组选 用二二导通方式的换向逻辑进行驱动。对于转子为两对磁极的三相电动机,选 择30。的间距角,其对应电角度为60。。引脚3接高电平,表示在驱动中开 启死区功能,死区时问是振荡周期的2倍,其时间的计算如式5.2所示:

T=2黾K=205+1)×200x0.756x10~=4.8(声)(5-2)
3)电路中的保护设计 为了提高功率场效应管(MOSFET)的耐压,du/dt耐量和抗干扰能力, 我们在MOSFET的栅源极上并联一个10k的电阻。电路设有过流保护功能, 当电流在电阻R。上的压降大于或等于给定的参考电压%。时,经过比较器 LM324比较后输出一个低电平,使与非门74LS00输出高电平,LM621封锁输 出,起到保护作用。

晴尔滨理T人学T学硕l。学位论文

为防I卜电源中J二下I桥臂MOSFET出现“直通”现象,必须遵循先关断后丌通 的原则。LM621的振荡时钟输入端通过外接适当的时钟电路,保证高低压通道 的两路逻辑信号的脉冲之闯留有适当“死区”以确保功率管(MOSFET)的上 下桥臂丌关管先关断后导通。 为了防止功率场效应管(MOSFET)漏极产生的浪涌电压会通过漏栅极之 间的米勒电容耦合到栅极的氧化层,在功率场效应管(MOSFET)的源漏极上 并联一个续流二极管,最好选择耐压高超快恢复的二极管。同时续流二极管的 设计,在关断功率场效应管(MOSFET)时,二极管能够迅速的将源漏极之间

的输出电容。一进行快速放电,提高了功率场效应管(MOSFET)的反应速度
149—5l J

5.5

EPS的安全与保护

5.5.1蓄电池电压的监测
汽车电动助力转向系统的能源主要是由蓄电池和发电机来提供电能的,在 汽车息速或原地转向时,汽车发电机不提供电能或提供很少的一部分电能,其 大部分电能是由汽车蓄电池提供的,在这种情况下,如果连续转向汽车的蓄电 池电能的消耗量会大大增加。为了保护蓄电池不被损坏或烧毁,系统需要对蓄

电池的电压进行监视,当检测到电压过低(即:蓄电池本身就充电不足或短时
问能消耗过大)时,将切断助力功率单元的电路,停止助力操作IS21[5”。

5.5.2助力电机电流的监测
助力电机在『F常工作时,其电流应该维持在安全允许范围之内。但是,在 某些意外的情况下,例如:转向轮在转向到极限位置时仍然继续转向,如果在 极限位置持续的时间过长,这时电动机很容易被烧毁。为了保护电动机不被烧 毁或发生卡死等严重故障的发生,需要对电动机的工作电流进行监测,如果在 某连续30秒钟内,电动机的平均电流超过最大允许值,系统将采取降低电流 或切断电路的措施,以保护电机的安全和行车的安全。

5.5.3故障的诊断与显示
电动助力转向系统还应具有故障诊断和显示的功能。系统的诊断功能可以

吣尔滨理下人学1:=学坝I:学位论文

自动及时地检测出动力转向系统出现的任何故障,而且系统还可以显示出相应 的故障代码。如果同时出现两个以上故障时,则依次显示出故障代码。当发生 故障时。仪表板上的EPS安全报警灯也点亮,及时警示驾驶员EPS系统出现 故障。以便采取相应的措施。 EPS故障代码的显示:我们在EPS控制器上设计了一个LED数码管,能 够很方便的显示系统的故障信息。由于采用的位数较少,我们采用静态显示方
式。

故障代码显示内容: 代码1 代码2 代码3 代码4 代码5 代码6 代码7 代码8 系统J下常 扭矩传感器系统异常 车速传感器信号异常 电子控制单元(ECU)工作异常 电磁离合器异常 电动机异常 线路异常 电源异常(蓄电池电压不足)

为了便于系统更多故障的检测和系统的联机服务,在系统中我们设计了串 行通讯接口。接口电路如图5—11所示,我们采用了MAX3221接日芯片。串行 通讯接口的设计,可以很方便的将系统与检测站的计算机或汽车车载电脑进行 数据交换。

el+




l。二卜
o.1u3'

一卜
. 6

d-

o+TIOUT 积-
R1IH


I.._J
CON3

T】卫H

ll

nm口灯聪m
R10ⅡT
.,'FORr_dgOFF

R10UT



OND




FOE旺OH

WC

VCC

12

故耐盘测接口

G珊



图5-11故障检测通讯接口电路
Fig.5_1 1 The communication interface oftrouble checking

喻尔滨理丁人学T学硕ij学位论文

5.5.4助力电机的安全保护
在电路设计中,我们在电动机的供电电路中串联了继电器(其单片机控制 驱动电路如图5一12),一方面当电动机在发生意外情况时,可以切断电动机的 电源,可靠的保证电动机不被烧毁。另一方面,汽车不需要EPS工作时,系统 释放继电器,使功率部分不带电。降低了系统电气部分的损耗和老化速度。
REI。AY.0

了r

NPN

图5.12继电器驱动电路
Fig.t5-12 The drive circuit ofrelay

5.6本章小结
本章首先从总体上介绍了EPS系统的硬件组成,主要包括单片机核心单 元,车速、扭矩传感器输入接口单元,电压、电流监测单元,电动机功率驱动 单元,故障诊断和显示单元等。同时在本章中,对各个单元进行了分别描述, 其中重点介绍了驱动单元的设计和电机驱动电路工作原理。在本章的最后,介 绍了EPS系统的安全保护措施。

堕兰堡些三尘兰三兰竺!兰堡篁兰

第6章电动助力转向控制系统的软件设计
6.1概述
在EPS系统硬件平台之上,我们需要进行与之相匹配的软件设计,使软硬 件和谐运行,从而整个系统能够实现其具体的功能。EPS系统是一种闭环反馈 的自动控制系统,所有程序在系统上电复位后自动运行,不需要驾驶员的外部 介入性操作,所以,本系统属于自主运行程序结构。

对应于硬件部分所提出的设计要求,软件部分需要配合硬件实现其具体的
功能。EPS系统软件部分的主要任务:系统初始化自检,来自扭矩传感器的扭 矩大小和方向信息采集,汽车车速信息的采集,蓄电池电压和电机电流等监控 信息的采集,电机转速和转动方向的输出控制,离合器和继电器的输出控制, 系统故障自诊断以及故障的显示和存储等。 EPS系统是一个多任务同时执行系统,为了保证这些任务都能够顺利执 行,我们在软件设计上采用了中断的方式,这样可以大大节省CPU资源,把 信号的采集和具体输出控制等工作可以交给外围模块来完成,CPU主要完成数 掘的计算和分析工作,采用这种设计方式,系统工作起来效率更高更快,能更 好的满足EPS系统快速反应的要求。 系统的主要工作流程(如图6.1)是:系统上电后,首先进行自检(包 括:蓄电池电压的检测、各个传感器及线路状态的检测等),自检同时汽车仪 表板上的EPS指示灯闪亮,自检结束后指示灯熄灭表示EPS系统『F常(否则 代表有敞障,具体故障可以通过LED显示或通过故障接口读取),接通电机电 源的电磁继电器,然后系统进入J下常工作状态,在此状态下,若驾驶员操纵转 向盘,扭矩传感器信号输入到单片机系统中,唤醒中断,单片机系统同时采集 车速信息,进行计算分柝后,输出与扭矩和车速信息相对应的控制电机(控制 转速的PWM输出信号和转动方向控制信号)和电磁离合器的控制信号。同时 对电动机的电流进行全程监测,以保证电机的安全运行。在系统上电运行的全 过程中,EPS的安全监测单元将对整个系统进行全程监测,以保证EPS系统的

安全和汽车行车安全,例如:在某连续30秒内,电机电流超过所允许的最大
值,首先实施降低电流控制,若仍不能将电流控制在安全范围之内.将采取切 断电磁离合器和电磁继电器,同时记录故障代码、仪表板EPS指示灯报警。

哈尔滨壤工人学1=学硕l:学位论文

开始 蓄电池电 压检测 传感器及线 路状态检测 系统自检及

初始化程序

状态 显示

软件中断 系统监测

车速信号采 集和计算 扭矩信号采
集和计算

服务程序

输出
控制

转动方向l lPwH
幽6-l
Fig.6?l

f离合器l|继电器
软件系统方框幽

The chart ofsottware system

6.2主程序设计
EPS系统的主程序主要是完成对系统的初始化,主要包括单片机系统片内 片外模块的初始化(常量变量初始化、时钟源的选择、A/D启动、定时器的初 始化、显示模块初始化、PWM输出模块的初始化、捕捉模块的初始化、通讯 模块的初始化、flash存储器的初始化等)、中断任务和中断优先级的设定、启 动安全监测模块、启动状态和故障显示模块,使多项任务协调进行。主程序的 流程图如图6。2所示[54-561:

竺丝堡型三叁兰三兰丝:!:兰竺丝兰

幽6-2主程序流程豳
Fig.6-2 The main program flow chart

57.

坠垒量竺三叁耋二兰竺!:兰堡丝兰 6.3子程序设计
在程序编写的过程中,对于不同功能模块均采用了子程序的方式。这种模 块化的设计,使程序逻辑结构简单,缩短了原程序和目标程序的长度,节省了 程序的存储空间,便于程序调试和后继完善。下面是EPS系统软件中部分主要 子程序:

6.3.1车速信号采集子程序
来自于车速传感器的信号是标准脉冲信号,要采集车速信息,我们只需计 算单位时间内的脉冲数,就能够知道此刻的车速。在EPS系统中,我们是通过 单片机只。口采集脉冲数的。MSP430单片机的只口可以作为Timer A捕获输 入端,车速的计算就转化为只。上捕获到的上升沿数。
Timer A和只口初始化设置如下:


TACTL=TASSELI+TACLR+TAlE+MCl;

//时钟为ACLK,连续计数 模式 //上升沿捕捉 //P1.0中断触发为上升沿 //P1.O中断允许 //中断允许

CCTLI=CMO+SCS+CAP+CCIE;

P11ES&~BIT0;
P1

IE卜-'BI'I-0;

一EINTO;


脉冲计数中断子函数如下:

Interrupt[T1MERAlyECTOR】

case2:

void

TiInerAl(void) //捕获中断 //上升沿中断 //每捕捉到一个脉冲,脉冲数加I

if(CCTLl&CM0) { N』ulse=NAoulse+l }
break caselO: overflow++;

/,定时器溢出中断

哈尔滨理T人学T学倒I:学位论文

break; default break;

) 6.3.2

A/D转换子程序

A/D转换单元主要完成扭矩信号采集、蓄电池电压监测、电机工作电流监 测等主要任务。具体的工作内容就是把代表不同信息的模拟信号转换位单片机 能识别的数字量信号,A/D转换子程序流程如图6—3。 在A/D转换开始之前首先要对12位A/D转换器ADCl2进行初始化设 置,包括转换采样通道选择,时钟源的选择、参考电压的选择等。A/D转换的 主要由两步完成,采样和转换。在EPS系统中,只。作为扭矩输入1:3,只。、 只,分别作为电机电流和蓄电池电压监测输入端。

图6-3
Fig.6—3

A/D转换子程序流科图

The flow chart ofA/D convert subprogram

竺丝堡竺三查兰三耋竺!:耋竺墼兰
ADCl2初始化设置程序如下:
void

ADCl21nit(void)

//ADCl2设置

{ ADCl2CTLO&=~ENC; ADCl2CTL0=ADCl20N+MSH

//在改变设置前停止A/D转换 //打开ADCl2内核,无转换溢出 中断、无溢出中断、允许多次 采样 /,序列通道重复,采样定时输为 采样信号(SAMPSON)转 换存储器寄存器首地址为
ADC 12MEM0

ADCl2CTLl=CONSEQ一3+SHp

ADCl2MCTLO=Ox00:

,,ADCl2MCTLO的输入通道为 AO,参考电压为爿K。和A¨,

ADCl2MCTL4=0x00:

,/ADCl2MCTL4的输入通道为 A4。参考电压为4F。和4■。 ,,ADCl2MCTL5的输入通道

ADCl2MCTL5=0x00

A5,参考电压为A吃和4一。
ADCl2IE=OX02;

//使能ADCl2IFGl ,,允许转换

ADCl2MCTL0 l_ENC

interrupt[ADC_VECTOR]void ADCl2ISR(voia){
if(ADCl21FG.1==0x01)


ADCl2CTL0&=bENC;

,,停止重复转换
,,将A/D转换结果存储

ADvalue[0】;ADCl2MEM0; ADvalue【4】=ADCi2MEM4; ADvalue[5】_ADCl2MEM5;
ADCl2MCTLO卜f}lqC+ADCl2SC; 1

//开始新一次转换

.60.

6.3.3

EPS输出控制子程序

EPS输出控制主要包括:电机转速控制(PWM输出控制)、电机转动方向 控制、电磁离合器启闭控制、电磁继电器启闭控制。在EPS输出控制中最主要 的是控制转速的PWM波的调制。其控制方式有两种:汽车低速时的常规控制 和高速时的阻尼控制11。EPS电机在常规控制下,供给电动机的电压根据前文 模型中描述的控制算法求出的电压值,根据这个电压值的大小,在单片机内部 计算出有对应占空比的PWM波。这种工作方式使电机具有较好的转向响应, 转向操纵灵活轻便。汽车在高速行驶中转向时,驾驶员所需要的转向力矩较 小,为了减小汽车高速行驶时发生转向“发飘”现象,此时EPS输出控制单元 通过功率单元可以对电动机实施阻尼控制,电动机供电电压为零,电机将产生 一个与定动机转动方向相反的电磁转矩,给转向系统旌加一个阻尼转矩。这种 方式不仅可以抑制转向“发飘”,还能够有效的衰减汽车高速行驶时出现的转 向盘抖动的现象,降低汽车转向轮因路面不平而引起的摆动现象。 MSP430单片机的定时器Timer B模块可以很方便产生同步脉冲调制 (PWM)波形的控制。在本系统中,Timer B的时钟源采用8MHz的振荡频 率,输入到Timer—B中不进行分频,这样可以实现0.25艘周期的增量调节。 同步脉冲调制(PWM)波形的控制在程序实现中主要包括以下几个方面: 定时器Timer B模块的初始化:
void SetupTimerB(void)



TBCTL=TBSSEL

l+TBCLR:

//Colock Source=ACLK

TBCCTLl=OUTMOD 7:
TBCCRl=lnReturn;

//reset/set模式

PWM SELPPWM PWM DIR卜PWM
TBCTL}MC l:

10: IO:

//连续计数模式,启动

定时器Timer_B模块时钟源的起振:

BCSCTLl&一XT20FF;
do

墼堡鎏竺三叁兰三兰堡!:兰竺篁兰

IFGl&=~OFIFG:

for(qO=0xFF;q0>O;q0一); while((IFGl&OFIFG)12 定时器Timer B中断函数: interruptITIMERBo_.vECTOR]void TimerBO(void)
{ if(il<=clockl)
O、

{P40UT^=BIT0;
订=i1+1;}
else TBCCTL0&=-42CIE;



根据预先建立的EPS数学模型计算出控制电机转速的目标电压值,单片机 输出相对应的PWM信号,这个波形信号用以控制功率驱动电路,实现电动机 转速的控制。
6.3.4

EPS故障输出子程序

EPS系统中,故障输出除了故障代码的LED显示和仪表板EPS指示灯报警
之外,我们在设计中还提供了系统与检测电脑的串行通讯接口,这样可以很方 便的将系统更加详细的故障信息读取到检测中心的电脑中,也可以实现EPS系 统与汽车ECIJ的数据通讯。 串行通讯端口的初始化和中断程序如下:
BCSCTLl&=-XT20FF; do

{}Xn瓠砜


IFGl&=~OFIFG;

//清OSCFadt标志位

for(i=OxFF;i>0;i--); } while((IFGI&OFIFG)!=0); //判断OSCFault标志位

n舟尔滨理T人学T学坝l:学位论义

BCSCTL2卢SELMl+SELS;
UCTLI=CHAR: UTCTLI=SSELl; UBR01=0x45; UBRll=0x00;

//MCLK=SMCLK=XT2

|㈨侥 //时钟选SMCLK
,/8Mhz,115200.69.44

UMCTLl=0x2C; ME2 l=UTXEl+URXEl;
IE2}URXIEl: P3SEL l=0xC0; P3DIR}0x20;

/,调制 /,使能UsAIn’1 TXD/RXD /,使能USARTl //P3.6为输出 ||审颧龟诞
RX interrupt |l P3,6.7=USARTl option select

E1NT0;

interrupt[UARTl RX_VECTOR]void usartl_rx(void)


while((IFG2&UTXIFGl)一0);
TXBUFl=RXBUFl;

//USARTl TX buffer ready? //RXBUFl to TXBUFl



6.4本章小结
在本章中,首先从总体上介绍了EPS系统软件设计思路,并用框图的方式
进行了描述。描述了软件的主程序和部分子程序。软件设计采用了结构清晰明 了的模块化设计方法,把EPS系统的每项功能都用模块化的方法进行处理.这 样主程序主要任务就是完成每个模块之间的协调和数据运算,模块化的设计方 法的采用,使系统程序运行更加高效,提高程序的可读性,便于程序的修改和 功能扩充。

.63.

竺堡堡竺三叁耋三塞堡;!i兰竺丝兰

结论
本文对低成本、高性能汽车电动助力转向(EPS)系统的研究与丌发,符 合当今国际汽车底盘技术向电子化、信息化方向发展的要求,符合降低汽车燃 油消耗和提高汽车环保的要求。文中在分析了转向系对汽车操纵稳定性的影响 基础上,对EPS系统进行了力学建模、算法分析研究和控制器硬件和软件的研 制,在课题的研究过程中完成了以下设计: 1.分析了转向系对汽车操纵稳定性的影响,从转向系的两大参数(效率

和传动比)着手,重点对转向系中力传动比和角传动比及其变化规律进行了量 化研究,运用汽车转向系的“路感”描述法分析了转向的正、逆效率协调关
系,得出EPS系统对转向操纵性能具有可控性并占主导地位的结论。 2.本文中的EPS系统采用全程调速工作方式,系统除了依据转向盘扭矩 信号外还根据车速信号对助力特性进行控制,这样可使汽车在任何速度下都有 最优的驾驶转向舒适性。根据助力特性的要求给出了3种(直线、折线和曲 线)助力特性曲线,并对其优缺点进行了对比分析,并选定曲线型作为助力特 性曲线。结合汽车转向原理和汽车操纵稳定性要求,得出EPS助力特性随转向 手力变化和不同车速的变化规律,并用函数图形进行了量化描述。

3.在操纵扭矩、车速、助力扭矩三坐标下B氏模型基础上,对EPS系统 进行了数学模型建立和算法分析,为控制器的设计提供了数学依据。采用H。
方法进行控制算法设计,使EPS系统具有良好的鲁棒性,从控制器特性上较好 的提高了系统的抗干扰能力。 4.采用美国TI公司新型MSP单片机和LM621无刷直流电动机专用驱动 模块作为核心,进行EPS系统硬件设计。LM621专用控制芯片的采用,降低 了单片机的负担和软件的开销,电机的调速和换向控制得到简化,系统的运行

效率进一步提高。在系统的设计过程中,系统的安金与保护措施渗透到系统的
硬件和软件的各个环节, 案。 尽管本课题达到了预期设计目标,但是随着汽车技术和电子控制驱动技术 的发展,汽车电动助力转向技术将向下一代的线控电动转向系统方向发展,为 此,将给电动助力转向系统留有更大的发展空问并提出了更高的要求。 为EPS系统自身安全和行车安全保障提供了部分方

竺竺堡型三垒兰三兰堡.!:兰竺篁兰

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攻读学位期间发表的学术论文
王野,王振波.油井电机无定时自动控制器设计,南京工程学院学报 (自然科学版),2004年9月,V01.2,No.3:51~56

哈尔滨理T人学T学硕l+学位论义

致谢
本文的选题、实验研究和撰写,是在导师王振波副教授的关怀和悉心指导 下完成的。我不仅学习了王老师渊博的知识和独到的科学知觉,他丰富的实践 经验,勤奋探索科学真理的精神更使我受益终生。同时,王老师在生活上也给 予了我无微不至的关怀。在此,谨向王老师致以最崇高的敬意和最深的感谢。 在攻读硕士学位期间,得到了热能专业付国民老师和试验室宋立君老师的 热心帮助,同时,还得到胡腾飞、熊海国、王鹏飞等同学的支持和帮助;在做 课题的过程中,得到了奇瑞汽车公司的张福明工程师热心帮助和指导,对我很 好的完成课题提供了条件和支持,在此一同表示感谢。 我向在论文的完成中,给予我帮助和鼓励的老师以及同学致以最诚挚的谢 意。

汽车电动助力转向(EPS)系统的研究与开发
作者: 学位授予单位: 王野 哈尔滨理工大学

参考文献(56条) 1.Nakayama T The Present and Future of Electric Power Steering 1994 2.Yasuo Shimizu.Toshitake Kawai Development of Electric Power Steering 3.Kami Buchholz TRW Demonstrates Electrically Powered Steering and Active Roll Control 1996(02) 4.邱峰 汽车转向系统的发展趋势与关键技术[期刊论文]-轻型汽车技术 2001(5) 5.朱迅 新型电子控制电动助力转向系统[期刊论文]-北京汽车 1996(4) 6.Badawy A A.Bolourchi F.Gaut S K E* STEER system redefines steering technology 1997(09) 7.Ken Rogers.William Kimberley Turning Steering to electric 2000(02) 8.陈志鑫 汽车转向技术的昨天、今天和明天 1999(12) 9.陈雯 电子控制动力转向系统 1997(05) 10.何渝生 汽车电子技术及控制系统 1997 11.毛爱瑛.黄兆麟 电动转向的现状与未来 1998 12.苗立东.何仁.徐建平.徐勇刚 汽车电动转向技术发展综述[期刊论文]-长安大学学报(自然科学版) 2004(1) 13.龚培康 汽车转向系统的电子控制 1996(06) 14.安瓿正人 汽车的运动和操纵 1998 15.郑校英 电动助力转向系统[期刊论文]-汽车与配件 1998(31) 16.杨通顺 ZF电子助力转向器[期刊论文]-汽车与配件 1999(45) 17.M 米奇克 汽车动力学C卷 1997 18.冯樱.肖生发.罗永革 汽车电子控制式电动助力转向系统的发展[期刊论文]-湖北汽车工业学院学报 2001(1) 19.Badaway A.Zuraski J.Bolourchi F.Changdy, A Modeling and analysis of an electric power steering system 1999 20.Gregg R D Modeling of an electric power assisted steering system 1995 21.Zaremba A T Control and steering feel issues in the design of an electric power steering system 1998 22.Zaremba A.Liubakka M K.Stuntz R M Vibration control based on dynamic compensation in an electric power steering system 1997 23.McCann R.Pujura L R.Lieh J Influence of motor drive parameter on the robust stability of power steering system 1998 24.Burton A W.Thomson N G Analysis and Design of an Electric Power-assisted Steering System 1997 25.Sugitani N Electric power steering with H_infinity control design to design to obtain road information 1997 26.S Chen Control of Electric Power Steering System 27.林逸.施国标.邹常丰.陈万忠.张昕.王望予 电动助力转向助力控制策略的研究[期刊论文]-汽车技术 2003(3) 28.I J Garshelis.K Whiteny.L May Development of a Non-Contact Torque Transducer for Electric Power Steering System

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