【正文】 ，對 EPS 部件進(jìn)行簡化，在簡化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運動定律建立各部分的力學(xué)模型，然后再根據(jù)各部件之間的相互約束關(guān)系，聯(lián)立各模型，得到 如圖 24 所示的模型。m /( rad / s) 。 Tsen—扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩， N ? s—輸出軸的旋轉(zhuǎn)角， rad 。m.? m=TmTa (25) .. mm m m m aJ B T T???? 式中 Jm,—電動機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動慣量， Kg ? m—電動機(jī)的轉(zhuǎn)角， rad。m 。? e +Be Be—輸出軸的阻尼系數(shù)， Nm 。 Rp—小齒輪半徑， m。 F? —路面的隨機(jī)信號， N。除了本身的機(jī)械傳動部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn) 矩傳感器、車速傳感器、直流電動機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器 ECU (Electronic Control 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 Unit)。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡單，價格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。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。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，并傳送到控制?ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號分為主、副兩路。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。由于傳感 器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生交流電流。 直流電動機(jī) EPS 用直流電動機(jī)與一般的起動電機(jī)在原理上基本相同， 但一般采用永磁電動機(jī)。 2)較小的轉(zhuǎn)動慣量 。 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動機(jī)作為 EPS 系統(tǒng)的助電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 力電機(jī)，其工作的額定電壓為 12 V,額定電流為 30A,，額定轉(zhuǎn)速為 1050r/min,額定輸出功率為 170W，額定轉(zhuǎn)矩為 . 電磁離合器 電磁離合器安裝在電動機(jī)和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié)合和分離。 ]3[ 其工作原理如下 :裝在電動機(jī)輸出軸上的主動輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過滑環(huán)引入電流。目前實用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動組合式，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。在本課題的研究中，所選用的就是蝸輪蝸桿 減速機(jī)構(gòu)，它是與電動 機(jī)及電磁離合器集成為一體的一個 組 成機(jī)構(gòu)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第 3 章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計 控制器 ECU 是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實現(xiàn)的硬件 基礎(chǔ)，控制器的硬件性能直接影響 EPS 系統(tǒng)的控制效果。 電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu) EPS 控制器結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。另一方面結(jié)合車速信號，用于系統(tǒng)的保護(hù)。 89C52 芯片及 A/D 轉(zhuǎn)換芯片介紹 89C52 單片機(jī)芯片引腳如圖 32 所示。片內(nèi)有 8 路模擬開關(guān)，可控制選擇 8 個模擬量中的一個。主體部分是采用逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由 CLK 信號控制內(nèi)部電路的工作，由START 信號控制轉(zhuǎn)換開始。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有 74LS37828 74LS273 等。當(dāng)三態(tài)門 OE 為有效低電平，使能端 G 為有效高電平時，輸出跟隨輸入變化；當(dāng) 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。外部程序存儲器的讀信號為 PSEN。 6264 的各個功能引腳如圖 35 所示 。 ●D0D7:數(shù)據(jù)線。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 36 單片機(jī) 89C52 和片外 RAM 的電路連接 圖中 P2 口和 6264 的高 8 位地址線連接； P0 口經(jīng)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(jù)線相連。其電路原理如圖 37 示。另一方面，可以利用它來對電動機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流高于保護(hù)值時，切斷電機(jī)供電電源，用軟件的方式替代硬件過流保護(hù)電路?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖请娏餍盘?(050mA)，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，將輸入的信號洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 轉(zhuǎn)換為 5V 到 5V 的電壓信號，然后經(jīng)過電壓變換電路如圖 39 示，使其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 0V 到 V 的電壓信號，最后經(jīng)濾波電路送到 89C52 芯片的A/D 端口。電路設(shè)計中采用的是光耦合器的電平匹配方式。電機(jī)的驅(qū)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。 1. 電動機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理 直流電動機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩種。在對直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。 PWM 調(diào)制的原理圖如圖 311 所示。 0 ? a? l。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(dāng)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，因此這兩種方法很少用。雙極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期中，直流電動機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。 鑒于上述原因，本課題的 EPS 控制器的電機(jī)控制部分，采用了單極性PWM 控制方式，占空比 a 的調(diào)整采用了定頻調(diào)寬法。選擇 MOSFET 的型號時要考慮到漏極電流的最大額定值，漏極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導(dǎo)通電阻。專用驅(qū)動器件常用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等。考慮到電機(jī)的助力電流較大，為了能有效的隔離強(qiáng)電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計中最終采用了光耦驅(qū)動器件。 .電源電壓 (Vcc)=1012V。緩沖電路就是為了在開關(guān)過程中保護(hù)開關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施。 RCD 緩沖電路能有效地改善開關(guān)器件的開關(guān)特性，減小開關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱?？紤]到電磁繼電器的干擾信號可能竄入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而影響數(shù)字電路 部分的控制效果，采用光電耦合器對單片機(jī)系統(tǒng)的信號與繼電器部分的信號進(jìn)行了光電隔離。故障信號類型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來。反之，繼電器斷開，切斷離合器電源。此感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。在設(shè)計中對此部分進(jìn)行了補(bǔ)充。ICL7660 是美國哈里斯公司生產(chǎn)的變極性 DGDC 變換器。 可將 CMOS 或 TTL 的 +5V 電壓轉(zhuǎn)換成 5V。它是檢測過程中的一種無用信號，它的存在會造成檢測系統(tǒng)檢測出的結(jié)果有偏差。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 43 (2)溫度干擾 :主要指系統(tǒng)中電子測量裝置和元器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的變化造成的干擾。 (2)電磁 耦合 :由于兩個電路之間存在互感而產(chǎn) 生的干擾。 (2)一點接地和多點接地 :接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點接地，使得兩接地點的電位不為零，這個電位差對于電路的輸入輸出電壓產(chǎn)生干擾，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 44 或由 于兩個電路經(jīng)公共接地線接地，兩個電路電流不同而產(chǎn)生干擾?？梢郧袛嘤捎诙鄠€設(shè)備采用公用地區(qū)串聯(lián)接地而形成的環(huán)路。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 45 第 4 章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計 控制器硬件是電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基石，而軟件則可以說是 EPS 系統(tǒng)的靈魂。而模擬地則是指A/D 和 D/A 中模擬信號的接地端。所有強(qiáng)電信號地線都接到一個電源地線上，盡可能地把地線加粗，降低內(nèi)阻 :所有外部弱電信號用一個公共地線，并與電源地線分開。 為此，在硬件的設(shè)計過程中，為了抑制干擾帶來的影響，應(yīng)該采取以下措施 : (1)屏蔽措施 :系統(tǒng)中的控制電路板應(yīng)放置在一個鐵盒中，并且鐵盒子與被屏蔽電路的零信號基準(zhǔn)相接，從而起到抗干擾作用。 干擾的 耦合 方式主要有以下幾種 : (1)靜電電容 耦合 :由于電路與電路之間存在寄生電容，產(chǎn)生靜電效應(yīng)從而引起干擾。這就要求必須搞清楚干擾源、被干擾對象、干擾源和被干擾對象之間的 耦合 方式，只有這樣才能采取相應(yīng)的措施，抑制干擾的影響。 可 采用串聯(lián)方式實現(xiàn)倍壓輸出。這種變換器利用振蕩器和多路模擬開關(guān)實現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。單片洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 42 機(jī)控制系統(tǒng)需要 5V 的供電電壓， 7805 完成 12V 到 5V 的轉(zhuǎn) 換。加入二極管 D1 后，繼電器 線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管 D1 流過，從而使晶體管 Q1 得到保護(hù)。當(dāng)繼電器吸合時，二極管 D1 截止，不影響電路工作。電磁離合器驅(qū)動電路的設(shè)計如圖 312 所示 。 顯示電路主要是用于故障信息的顯示。此功率接口電路用于將單片機(jī)低電壓、小電流的控制信號轉(zhuǎn)換為用于控制電磁離合器的較大電壓、電流。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時，經(jīng)二極管 D 向電容 C 充電，由于二極管正向?qū)〞r壓降很小，所以關(guān)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 斷時的過壓吸收效果與電容的 吸收效果相當(dāng)。 .開關(guān)時間 tPLH//tp HL= s? (max)。 TLP250 的主要電氣參數(shù)如下： .輸入閥值電流 F=5mA (max)。驅(qū)動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。 ]12[ 表 32 功率場效應(yīng)晶體管的電氣參 額定漏極電壓 VDS 55V 柵源開啟電壓 VOS 420V 額定漏極電流 IDS 64A 導(dǎo)通電阻 RON 14m? 開通時間 ton 90ns 關(guān)短時間 tof 84ns 在選定功率開關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動器件，并設(shè)計驅(qū)動電路。 2. 功率開關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動 電路 目前應(yīng)用較多的功率開關(guān)器件有功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)、絕緣柵晶體管 (IGBT)和 MOS 柵控晶體管 (MCT)等。單極性驅(qū)動方式是指在一個 PWM 周期內(nèi)，直流電動機(jī)電樞只能承受單極性電壓。 根據(jù)電動助力的原理，要求電動機(jī)能正反轉(zhuǎn)工作，這就需要可逆 PWM控制系統(tǒng)。 在 PWM 調(diào)制時，占空比 a 是一個重要參數(shù)。占空比 a 表示了在一個周期 T 中，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。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(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機(jī)的驅(qū)動?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制方法。 電動機(jī)的 PWM 控制 在控制器的硬件設(shè)計中，電動機(jī)的控制設(shè)計是重要的一環(huán)。輸入的車速信號經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的脈沖信號，經(jīng)電阻 R2 , R3(阻值相同 )分壓后輸入給單片機(jī)的計數(shù)器，再通過軟件處理得到對應(yīng)的車速。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(jī)。其電氣參數(shù)見表 31. 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 表 31 電動機(jī)的 電氣參數(shù)表 電源電壓 DC? 1215V 額定輸入電流 50A 電流測量范圍 070A 精度 % 線性度 % 額定輸出電流 50mA 失調(diào)電流 優(yōu)于 ? 跟隨精度 ? 200A/us 響應(yīng)時間 ? us 頻帶寬度 DC200KHz 耐壓 ， 50Hz PASHID50 的接線方式如圖 38 所 示 。 ]11][10[ 轉(zhuǎn)矩信號采集電路如圖 37 所示。 控制器輸入通道的設(shè)計 轉(zhuǎn)矩信號的采集 控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來的轉(zhuǎn)矩信號有主、副兩路 ，如前所述，這兩路信號是對稱的，故在設(shè)計時只需采用一種電路。 ●WE :寫允許引腳，低電平有效。 ●GND：接地。例如 6116(2k)、 6264（ 8k）、 62256（ 32k） 等。RAM 是程序存儲器的簡稱，用來存放用戶 數(shù)據(jù) 的存儲器，具有 RAM 型存儲器的單片機(jī)價格最低，它適用于大批量生產(chǎn)。圖 34 為 74LS373 引腳圖 。 ADC0808 與 89C52 連接圖如圖 33 所示 。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(jù)總線。 （ 2） 8 通道 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC 0808 由于單片機(jī)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(zhuǎn)換，而 ADC0808 就是這樣一個器件。