【正文】 算處理后，傳動給電動機一個合適的電流以產(chǎn)生扭矩，經(jīng)減速機構(gòu)減速以增加扭矩，施加在汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。：比液壓助力轉(zhuǎn)向輕20%左右。此后世界各大汽車公司投入大量的人力、物力，開展電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究。等中型轎車己經(jīng)安裝EPS，本田甚至還在其AcuraNXS賽車上裝備了EPS。目前國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)十家大專院校和國營、民營企業(yè)開發(fā)該產(chǎn)品，并取得了一定的進展。英國的盧卡斯公司認為：EPS是轎車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)未來的發(fā)展方向，對于HPS來說無疑是一場技術(shù)革命。EPS的前景是可觀的，首先在注重環(huán)保和石油資源的國家，如日本和歐洲各國將獲得快速推廣。英國盧卡斯公司認為，EPS在轎車上正在成為標準配置，而不是選裝件，自1996至2006年，歐洲市場上的A、B、C級轎車安裝EPS的比例將由35%增加到70%。近年來,現(xiàn)代控制理論、電子技術(shù)、計算機仿真技術(shù)的發(fā)展使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)設(shè)計還是在產(chǎn)品性能方面都有進一步的提高。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容包括：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性和控制策略的確定。 小結(jié)本章首先介紹了課題提出的背景及意義，介紹了不同幾種汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類以及國內(nèi)外發(fā)展概況，最后明確了本文的主要研究內(nèi)容。 EPS系統(tǒng)的分類根據(jù)汽車前軸負荷的不同，助力電機的安裝位置也不同。此外，在選擇電動機時，必須考慮其噪聲和振動對駕駛員的影響?，F(xiàn)有的EPS系統(tǒng)的車速信號來自ABS系統(tǒng)所采集的信號，通過CAN總線等方式傳送給EPS系統(tǒng)的控制器供后者使用。 方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器電動助力轉(zhuǎn)向器(EPS系統(tǒng))中的方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器測量檢測方向盤的位置和輸入轉(zhuǎn)矩并轉(zhuǎn)換為電信號。從自動控制的原理來看，方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器既是向控制器提供輸入信號的元件，又是助力結(jié)果(控制結(jié)果)的檢測反饋元件。非接觸式的測量精度高、抗干擾能力強、剛度相對較高、易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量；但成本較高。滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向移動。這些偏差使滑塊在軸方向移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)換為下圖所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。當方向盤處于中間位置時，主、 V；當方向盤右轉(zhuǎn)時， V， V；當方向盤左轉(zhuǎn)時， V， V。ECU通常是一個8位單片機系統(tǒng)，也有采用數(shù)字信號處理器(Digtial Signal Processing，簡稱DSP)作為控制單元。對課題研究中所用到的EPS主要部件的結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹。由于國外對該曲線的研究處于保密狀態(tài)，所以成為EPS系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于各方面條件和自身能力的限制，本系統(tǒng)設(shè)計的EPS系統(tǒng)的控制策略是建立在系統(tǒng)的簡化模型的基礎(chǔ)之上，沒有考慮系統(tǒng)的非線性因素，并將干擾信號調(diào)整到系統(tǒng)能夠容忍的范圍。汽車轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾。傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向由于不能對助力進行實時調(diào)節(jié)與控制。駕駛員在轉(zhuǎn)向時作用在方向盤的操縱力，同時在EPS系統(tǒng)的電動機助力下，通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉(zhuǎn)向。因此駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況：一、改變汽車行駛方向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力；二、保持汽車行駛方向不變(包括直線運動和固定某個方向的運動)時駕駛員保持方向盤不動的力。1) 轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”，“轉(zhuǎn)向系復原力矩”和“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”三部分。2) “繞主銷的阻力矩”大部是由路面和輪胎間的轉(zhuǎn)矩形成的，它受路面狀態(tài)、輪胎特性、車輪定位和負荷等的影響，隨著車速和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角的變化而變化。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦系數(shù)、車速和車輪偏轉(zhuǎn)角等。它的大小由EPS的ECU根據(jù)傳感器傳來的車速和力矩信號來決定。駕駛員在轉(zhuǎn)向時所需克服的阻力矩包括兩個主要部分：一是回正力矩；二是摩擦力矩。如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到，“心中有數(shù)”。然而各種摩擦力矩的大小也存在另一方面的制約。理想的設(shè)計應(yīng)該是盡量降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干摩擦，以盡量提高“信噪比”；而為了減小路面沖擊的傳遞，靠裝設(shè)與速度成比例的液力阻尼器。根據(jù)以上分析，理想的助力特性應(yīng)包括以下三個方面：一、要使汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的輕便性；二、要使駕駛員能獲得足夠高的“信噪比”；三、要防止路面對方向盤的反向沖擊過大。由此，可以定性建立轉(zhuǎn)向阻力Mu與這些影響因素之間的一個函數(shù)關(guān)系 ： （31）式中,U車速，F(xiàn)f滾動阻力，F(xiàn)w空氣阻力，r轉(zhuǎn)彎半徑，zs轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速。M1 M0 輸入輸出特性在系統(tǒng)中采用助力裝置時，用MS0表示駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上的操舵力矩，MU表示某一時刻系統(tǒng)克服的轉(zhuǎn)向阻力矩(與系統(tǒng)的輸出力矩等值)，MZU表示助力系統(tǒng)提供的力矩，則三者應(yīng)有如下關(guān)系： （32）式中K由系統(tǒng)傳動比和傳動效率確定。 帶助力裝置的輸入輸出特性，這將使系統(tǒng)的控制變得復雜。直線型助力曲線的確定需要確定三個參數(shù)：助力裝置開始助力時的轉(zhuǎn)向盤操舵力矩Mio。因為轉(zhuǎn)向阻力的影響因素眾多，無法精確確定，所以決定了K最終需要理論分析結(jié)合試驗調(diào)試來確定。一般來說，裝有助力裝置的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的不悖于駕駛員原有的駕駛習慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。(2)助力曲線有轉(zhuǎn)向助力死區(qū)，在轉(zhuǎn)向力矩較小的區(qū)域，提供的轉(zhuǎn)向助力為零，且在不同車速時，開始助力的時機不同，以保證具有足夠的路感。 理想的助力特性曲線 EPS系統(tǒng)控制策略的研究 EPS系統(tǒng)控制方法的選擇轉(zhuǎn)向過程中，汽車車速和方向盤轉(zhuǎn)矩變化范圍很大，不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，需要不同的控制模式和控制方法。如車輛進行“J”字型轉(zhuǎn)向行駛時，先需要電機提供助力減輕駕駛員員操縱力；再重新回到直線行駛時需要方向盤平滑的、無震蕩的回到中間位置。電機電樞電流控制法電機電樞電流控制方法利用電機轉(zhuǎn)矩和電機電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)矩信號和車速信號輸入控制器單片機中，根據(jù)預制的“轉(zhuǎn)矩一電動機助力目標電流表”確定出電機助力的目標電流，電流檢測電路將電機電樞電流反饋到控制器中并與電機目標電流相比較，利用PID調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)后輸出PWM信號給驅(qū)動電路進行助力。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩控制法就是直接以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩為控制量進行控制。對于EPS系統(tǒng)第二種控制目的，限于實驗條件不能很好模擬實際車輛的轉(zhuǎn)向過程，僅僅設(shè)計了簡單的控制方法，回正時減小目標電流，方向盤在中位時對電機制動。有四個功率開關(guān)和四個續(xù)流二極管組成。當兩種狀態(tài)相等時，相當于平均電壓為0，電動機停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動方式。當方向盤右轉(zhuǎn)時，V1導通，V4進行PWM控制。由于EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較大，當轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時為了增強系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，引入電動機轉(zhuǎn)速對目標電流進行補償。汽車在高速行駛時，側(cè)向加速度比較大，回正力矩也較大，為了提高汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須控制回正速度，使汽車轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)超調(diào)和左右擺動的現(xiàn)象。 回正助力特性曲線 回正控制驅(qū)動電路利用方向盤力矩微分值判斷是否處于回正狀態(tài)。左轉(zhuǎn)回正時V3導通，V2進行PWM控制。當方向盤轉(zhuǎn)矩較小，進入助力死區(qū)(意味著此時轉(zhuǎn)向盤已經(jīng)回到或接近中間位置)，電機旋轉(zhuǎn)速度比根據(jù)當前車速得到的某特定值大時，對電機進行中位控制。一般有兩種方法。這種工作方式上下橋臂沒有直通的危險，工作可靠性比較高。數(shù)字PID控制算法PID(比例、積分、微分)控制由于其原理簡單、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。TI—積分時間常數(shù) TD—微分時間常數(shù) KP—比例系數(shù)三個環(huán)節(jié)的不同作用簡述如下:(1)比例環(huán)節(jié):比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。但積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)量增大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件(電子元件、氣動和液壓元件)來實現(xiàn)它的功能。因此采用增量式數(shù)字PID控制器來進行電動機電流的控制。電動機電流增量式數(shù)字PID控制算法如下: (36)式中，k為采樣序號，k=0，1，2…；△u(k)為第k次采樣時刻的電動機電樞電壓增量；e(k)為第k次采樣時刻電動機實際電流I(k)與目標電流Imb(k)的偏差值。另外控制變量不宜過大，以避免系統(tǒng)過載。因PID參數(shù)用試湊法整定，通過系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，反復湊試參數(shù)[17]。本章對助力特性進行了分析，討論了路感及路感強度、助力特性的基本要求及曲線特征，闡明了確定助力特性曲線的一般方法。另外還有電源電路，通訊電路等。 傳感器EPS系統(tǒng)需要采集到方向盤轉(zhuǎn)矩、車速、電機電流信號以及如蓄電池電壓、控制器散熱器溫度等在內(nèi)的狀態(tài)信號，因此傳感器的選型和設(shè)計是一個必不可少的環(huán)節(jié)。電機電流的測量是采取其采樣電阻兩端的電壓，由于采樣電阻功率限制，阻值非常小，電阻兩端電壓值也非常小，這樣對應(yīng)采入的電機電流非常小，因而擾動對其造成的影響非常大，必須在進入A/D前將其放大，才能取得比較滿意的采樣效果。研究中所用的單片機系統(tǒng)主要由80C196KC單片機、鎖相環(huán)濾波電路、復位電路、晶振電路、串行通訊電路等組成。尋址I/O接口設(shè)備常用兩種方法，線選法和譯碼法。為保證程序存儲區(qū)在2000H以上范圍，在A15=A14=0情況下，應(yīng)將80C196KC高端地址A13置為高電平。 信號處理電路系統(tǒng)輸入量包括I/O數(shù)字量，A/D模擬量，電機電流反饋量等。輸入端電壓與5V電壓間的壓差降在電阻R上，考慮到該壓差的最大值為7V，I/O口的電流110mA，因此選擇R=。A/D輸入端電壓高于5V時，二極管起作用將電壓穩(wěn)在5V輸入到單片機A/D端口。 電動機電流轉(zhuǎn)換電路 PWM電機驅(qū)動電路對于受限單極方式的PWM控制，在正轉(zhuǎn)時，V4導通，V2和V3截止，僅Vl受PWM調(diào)制；在反轉(zhuǎn)時，V2導通，V1和V4截止，僅V3受PWM調(diào)制。系統(tǒng)主要有單片機控制系統(tǒng)、模擬量輸入電路、I/O量輸入電路、PWM電機驅(qū)動電路等電路組成。初始化I/O口，配置端口類型(讀、寫)。設(shè)置AD模塊的轉(zhuǎn)換通道、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時間。主循環(huán)模塊通過定時器中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。在綜合考慮采樣精度、速率及控制器處理速度的前提下，采用移動平均濾波法進行數(shù)字濾波，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果，處理速度較快，并且采樣值很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)上下波動的情況，保證了控制量的輸出。 開始選擇A/D時鐘啟動A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成讀取A /D轉(zhuǎn)換結(jié)果 進入濾波子程序 得到需要的信號 結(jié)束 信號采集程序流程圖 開始 暫存新數(shù)據(jù)Xi順序移動數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)新數(shù)據(jù)Xi存入數(shù)據(jù)區(qū)求數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)n個數(shù)的和S 平均值y=S/n 結(jié)束 移動平均濾波法程序框圖 控制功能模塊控制功能模塊是軟件設(shè)計的核心部分，主要實現(xiàn)EPS系統(tǒng)的控制策略。 主程序流程圖 本章小結(jié)本章介紹了軟件開發(fā)流程。本課題完成的主要工作如下:(1)介紹了國內(nèi)外EPS系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和研究EPS系統(tǒng)的意義。為此建立了EPS系統(tǒng)的動態(tài)模型，用EPS系統(tǒng)的響應(yīng)特性來表征電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動特性，結(jié)果表明簡單的直線型助力特性不能實現(xiàn)理想的動態(tài)特性，必須進行微分補償。(4)設(shè)計了EPS控制系統(tǒng)的硬件電路。如果能通過對無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真研究；EPS助力特性仿真研究；EPS回正特性仿真研究；EPS阻尼特性仿真研究，證明所建立的數(shù)學模型是和實際系統(tǒng)吻合的，所設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向的輕便性，回正性等多項性能指標的話，會更具說服力。祝大家工作順利，學業(yè)有成，前程似錦!最后，我要感謝我的家人和朋友對我深情的照顧和支持，祝您們身體健康，幸福快樂!