【正文】 ，對(duì) EPS 部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kg ? m—電動(dòng)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(hào)， N。除了本身的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器 ECU (Electronic Control 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 Unit)。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。同時(shí)，滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。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(hào)分為主、副兩路。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生交流電流。 直流電動(dòng)機(jī) EPS 用直流電動(dòng)機(jī)與一般的起動(dòng)電機(jī)在原理上基本相同， 但一般采用永磁電動(dòng)機(jī)。 2)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動(dòng)機(jī)作為 EPS 系統(tǒng)的助電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dòng)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(dòng)機(jī)輸出軸上的主動(dòng)輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過滑環(huán)引入電流。目前實(shí)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(dòng)組合式，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)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(dòng) 機(jī)及電磁離合器集成為一體的一個(gè) 組 成機(jī)構(gòu)。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 3 章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制器 ECU 是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)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(dòng)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(hào)，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(gè)模擬量中的一個(gè)。主體部分是采用逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由 CLK 信號(hào)控制內(nèi)部電路的工作，由START 信號(hào)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(shí)，輸出跟隨輸入變化；當(dāng) G 端有高變低時(shí)，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(chǔ)器的讀信號(hào)為 PSEN。 6264 的各個(gè)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(jì)（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(shí) 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(duì)電動(dòng)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(shí)，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?hào) (050mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號(hào)，故需在傳感器的輸出引腳上接一個(gè)約 100? 的電阻，將輸入的信號(hào)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 轉(zhuǎn)換為 5V 到 5V 的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過電壓變換電路如圖 39 示，使其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 0V 到 V 的電壓信號(hào)，最后經(jīng)濾波電路送到 89C52 芯片的A/D 端口。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電平匹配方式。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)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(duì)直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法很少用。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM 周期中，直流電動(dòng)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(hào)時(shí)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(dòng)器件常用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等?？紤]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(jì)中最終采用了光耦驅(qū)動(dòng)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(hào)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(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)與繼電器部分的信號(hào)進(jìn)行了光電隔離。故障信號(hào)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(jì)中對(duì)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(cè)過程中的一種無用信號(hào)，它的存在會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的結(jié)果有偏差。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 43 (2)溫度干擾 :主要指系統(tǒng)中電子測(cè)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(gè)電路之間存在互感而產(chǎn) 生的干擾。 (2)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地 :接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點(diǎn)接地，使得兩接地點(diǎn)的電位不為零，這個(gè)電位差對(duì)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(jì)（論文） 44 或由 于兩個(gè)電路經(jīng)公共接地線接地，兩個(gè)電路電流不同而產(chǎn)生干擾。可以切斷由于多個(gè)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(jì)（論文） 45 第 4 章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 控制器硬件是電子動(dòng)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(hào)的接地端。所有強(qiáng)電信號(hào)地線都接到一個(gè)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(hào)用一個(gè)公共地線，并與電源地線分開。 為此，在硬件的設(shè)計(jì)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(gè)鐵盒中，并且鐵盒子與被屏蔽電路的零信號(hào)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(duì)象、干擾源和被干擾對(duì)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(shí)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(shí)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(jì)（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(shí)，二極管 D1 截止，不影響電路工作。電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)，經(jīng)二極管 D 向電容 C 充電，由于二極管正向?qū)〞r(shí)壓降很小，所以關(guān)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 斷時(shí)的過壓吸收效果與電容的 吸收效果相當(dāng)。 .開關(guān)時(shí)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(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。 ]12[ 表 32 功率場(chǎng)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(shí)間 ton 90ns 關(guān)短時(shí)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(dòng)器件，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。 2. 功率開關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動(dòng) 電路 目前應(yīng)用較多的功率開關(guān)器件有功率場(chǎng)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(dòng)方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)電樞只能承受單極性電壓。 根據(jù)電動(dòng)助力的原理，要求電動(dòng)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(shí)，占空比 a 是一個(gè)重要參數(shù)。占空比 a 表示了在一個(gè)周期 T 中，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。這種方式的優(yōu) 點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。 電動(dòng)機(jī)的 PWM 控制 在控制器的硬件設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。輸入的車速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的脈沖信號(hào)，經(jīng)電阻 R2 , R3(阻值相同 )分壓后輸入給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，再通過軟件處理得到對(duì)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(hào)，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(jì)（論文） 32 表 31 電動(dòng)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(cè)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(shí)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(hào)采集電路如圖 37 所示。 控制器輸入通道的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集 控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來的轉(zhuǎn)矩信號(hào)有主、副兩路 ，如前所述，這兩路信號(hào)是對(duì)稱的，故在設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)器的簡(jiǎn)稱，用來存放用戶 數(shù)據(jù) 的存儲(chǔ)器，具有 RAM 型存儲(chǔ)器的單片機(jī)價(jià)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(hào)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(hào)相連接，所以必須有一個(gè)器件完成從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而 ADC0808 就是這樣一個(gè)器件。