【正文】 具有外部中斷及喚醒功能）；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。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。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。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。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? 電源倍壓電路如圖55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/（R2+2R1）C1的矩形波。圖55 電源倍壓電路 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56 方向盤扭矩和電機(jī)電流的關(guān)系曲線6 結(jié)論 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)作為一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括汽車工程、電子、電力驅(qū)動(dòng)、控制器、傳感器、現(xiàn)代控制理論等等諸多方面，需要解決的關(guān)鍵問題也很多，所以對(duì)于這項(xiàng)產(chǎn)品的研究與開發(fā)不可能一蹴而就。其中主要是對(duì)其關(guān)鍵元件（電動(dòng)機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)及扭矩傳感器等）的功能要求進(jìn)行了分析，并且對(duì)EPS的電流控制及上層控制策略（助力控制、回正控制及阻尼控制）進(jìn)行了逐一論述，最后進(jìn)行了電機(jī)控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。在我論文完成過程中，曹老師和徐老師在百忙之中抽出時(shí)間給予了我很多指導(dǎo)和幫助，在此我特向曹老師和徐老師表示衷心的感謝。在論文完成的過程中傾注了導(dǎo)師大量的心血，在論文完成之際，特向我尊敬的導(dǎo)師曹老師和徐老師表示衷心的感謝。本次設(shè)計(jì)以某一微型轎車為參考，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，對(duì)轉(zhuǎn)向器中的關(guān)鍵元件齒輪和齒條進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析、從而確定了齒條行程，對(duì)自動(dòng)間隙調(diào)整彈簧進(jìn)行了選取，還對(duì)齒輪軸軸承進(jìn)行選取、并進(jìn)行了壽命驗(yàn)算，并對(duì)鍵的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。從圖56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(shì)和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)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。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。 蓄電池倍壓工作電源 ，而蓄電池電壓只有12V。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、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。 圖53 H橋上側(cè)橋臂驅(qū)動(dòng)電路 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。此時(shí)，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ VdbleVCEVFVbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，VF為D1的正向?qū)▔航?，Vbat為蓄電池電壓。IRF3205具有8 mΩ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。圖51 EPS控制系統(tǒng)組成圖框圖 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。5 EPS電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(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 、 FLASH微控制器[14]，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列。對(duì)于前一種情況而言，可以利用電動(dòng)機(jī)的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。 回正控制 當(dāng)汽車以一定的車速行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。汽車高速直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會(huì)有通常說的“飄”的感覺，這給駕駛會(huì)帶來很大的危險(xiǎn)。步驟如下[13]： （1）輸入由車速傳感器測(cè)得的車速信號(hào)； （2）輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)向盤力矩的大小和方向； （3）根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，由助力特性得到電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流； （4）通過電動(dòng)機(jī)電流控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問題：（1）確定助力特性。 電流傳感器 我們選用閉環(huán)霍爾傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，精度和線性度較好，響應(yīng)時(shí)間較快，溫度漂移較小。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波，僅有扭矩信號(hào)部分被放大。如圖所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。需要對(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。精確、可靠、低成本的扭距傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。1 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)用來增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。離合器采用干式電磁式離合器，主要參數(shù)見表42。我們采用的永磁直流電機(jī)，主要參數(shù)如下表：表41 EPS電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)型式永磁式直流電動(dòng)機(jī)額定時(shí)間S2 2分鐘標(biāo)稱輸出150W額定轉(zhuǎn)速1200r/min/DC額定轉(zhuǎn)矩額定電流30A旋轉(zhuǎn)方向正反轉(zhuǎn)允許最大電流35A 電磁離合器 電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。4 EPS的關(guān)鍵部件和控制策略 EPS的關(guān)鍵部件選型 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)[9]，無刷永磁電動(dòng)機(jī)具有無激勵(lì)損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。上軸承選擇比下軸承稍大的型號(hào)6203,同樣滿足要求。因彈簧的工作次數(shù)小于，載荷性質(zhì)屬Ⅱ類。轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)E移至的距離為=75 ==75+=齒輪齒條嚙合長(zhǎng)度應(yīng)大于即 =+=150取L=即梯形臂或轉(zhuǎn)向節(jié)由繞圓心轉(zhuǎn)至?xí)r，齒條左端點(diǎn)移至的距離為30176。 == ⑤ 確定載荷系數(shù) =1，由, /100=,=1；對(duì)稱布置，取=；取=，則=11= ⑥修正法向模數(shù) == 圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取= ⑶確定齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)和幾何尺寸 ① 分度圓直徑 == ② 齒頂圓直徑 =+2 =+2(1+0)= ③齒根圓直徑 = == ④齒寬 == 因?yàn)橄嗷Ш淆X輪的基圓齒距必須相等，即。 齒條的齒數(shù)計(jì)算Z2 （312） 式中：—齒條行程，160mm；—齒條模數(shù)，；—齒條壓力角，=200。齒輪在垂直于齒條中心線MM的方向上移動(dòng)了BC距離：；在齒條實(shí)際工作中是運(yùn)動(dòng)的，齒輪只是繞軸承中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，并不移動(dòng)。齒條導(dǎo)向座的調(diào)節(jié)使齒輪、齒條之間有一定的預(yù)緊力，此預(yù)緊力會(huì)影響轉(zhuǎn)向沖擊、噪聲和反饋。側(cè)面螺母將橫拉桿外端與橫拉桿鎖緊。當(dāng)這些球頭銷依制造廠的規(guī)范擰緊時(shí)，在球頭銷上就作用了一個(gè)預(yù)載荷。相互嚙合的齒輪的齒距和齒條的齒距必須相等。齒條代替梯形轉(zhuǎn)向桿系的搖桿和轉(zhuǎn)向搖臂，并保證轉(zhuǎn)向橫拉桿在適當(dāng)?shù)母叨纫允顾麄兣c懸架的下擺臂平行。 取齒輪模數(shù)mn1=，齒輪齒數(shù)z1=6，齒輪壓力角α1=200，齒輪螺旋角取為150、左旋，齒輪軸總長(zhǎng)L=160mm，故斜齒圓柱齒輪直徑根據(jù)公式 d1=mn1z1/cosβ= （39） 取齒寬系數(shù)， 則齒條寬度 （310） 圓整取 ，則取齒輪齒寬。相對(duì)直齒而言，斜齒的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，并能傳遞更大的動(dòng)力。齒輪軸上端與轉(zhuǎn)向柱內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸相互連接。mm；[τ]—材料許用切應(yīng)力，140MPa。 ，取。 對(duì)于給定的汽車，用式（35）計(jì)算出來的作用力是最大值。 設(shè)計(jì)取方向盤總?cè)?shù)為3，則 （34） 式中：—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（速度），3360176。精確地計(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或者混泥土路面上的原轉(zhuǎn)向阻力矩(Nmm)，即 （31） 式中，f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N)； P為輪胎氣壓（MPa)。3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì) 整車性能參數(shù) 本次設(shè)計(jì)以某微型轎車為模型，采用前置前驅(qū)的驅(qū)動(dòng)方式，其基本參數(shù)如表31所示： 表31 某微型車基本參數(shù)名稱數(shù)值單位軸距L2500mm前輪距L11490mm后輪距L21475mm最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin4940mm車長(zhǎng)3900mm車寬1695mm車高1525mm整車整備質(zhì)量1095kg前輪負(fù)荷率60%載客數(shù)5人輪胎規(guī)格前輪175/65 R15 后輪175/65 R15 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器計(jì)算載荷的確定 （1）為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。圖27 EPS系統(tǒng)工作流程圖電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件有：轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)、電子控制單元（ECU)。從最低車速到最高車速，可得到一族回正特性曲線，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是無法做到這一點(diǎn)的。如果輪胎的回正力矩比總的摩擦損失力矩小，轉(zhuǎn)向盤將不可能恢復(fù)到中間位置，汽車將偏離預(yù)期的行駛路線，直到駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤用力使它返回到中間位置。所謂跟隨性問題是指當(dāng)轉(zhuǎn)向盤有轉(zhuǎn)向輸入時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)元件（如電機(jī)等）及其他相關(guān)元件（如車輪等）均具有快速、協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確的響應(yīng)性或跟隨性。所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力和路感的關(guān)系困難，特別是汽車高速行駛時(shí)，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飆，影響操縱穩(wěn)定性，危機(jī)汽車高速行駛時(shí)的安全。所謂穩(wěn)定性主要是指汽車在行駛過程中，當(dāng)突然受到外界橫向力作用而發(fā)生自動(dòng)轉(zhuǎn)向等不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有使車輛在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)迅速地回復(fù)正常行駛狀態(tài)的能力。在高車速和低側(cè)向加速度范圍內(nèi)，汽車應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率響應(yīng)特性，直線行駛能力和回正性能?？紤]到本次設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立懸架，故設(shè)計(jì)中采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形。 本次設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，故采用如圖24所示的布置形式。針對(duì)本次設(shè)計(jì)，應(yīng)該選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 圖23 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)效率可達(dá)到75%~85%；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變