【正文】 算處理后，傳動(dòng)給電動(dòng)機(jī)一個(gè)合適的電流以產(chǎn)生扭矩，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速以增加扭矩，施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上得到一個(gè)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(dòng)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(jìn)展。英國的盧卡斯公司認(rèn)為：EPS是轎車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)未來的發(fā)展方向，對(duì)于HPS來說無疑是一場(chǎng)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(rèn)為，EPS在轎車上正在成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是選裝件，自1996至2006年，歐洲市場(chǎng)上的A、B、C級(jí)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展使電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是在產(chǎn)品性能方面都有進(jìn)一步的提高。 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容包括：電動(dòng)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(dòng)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?jī)?nèi)容。 EPS系統(tǒng)的分類根據(jù)汽車前軸負(fù)荷的不同，助力電機(jī)的安裝位置也不同。此外，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須考慮其噪聲和振動(dòng)對(duì)駕駛員的影響?，F(xiàn)有的EPS系統(tǒng)的車速信號(hào)來自ABS系統(tǒng)所采集的信號(hào)，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(dòng)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(cè)量檢測(cè)方向盤的位置和輸入轉(zhuǎn)矩并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從自動(dòng)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(hào)的元件，又是助力結(jié)果(控制結(jié)果)的檢測(cè)反饋元件。非接觸式的測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高、易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量；但成本較高。滑塊相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向移動(dòng)。這些偏差使滑塊在軸方向移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為下圖所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)方向盤處于中間位置時(shí)，主、 V；當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)， V， V；當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時(shí)， V， V。ECU通常是一個(gè)8位單片機(jī)系統(tǒng)，也有采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digtial Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)作為控制單元。對(duì)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(duì)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(jì)的EPS系統(tǒng)的控制策略是建立在系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(hào)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(dòng)力轉(zhuǎn)向由于不能對(duì)助力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制。駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)作用在方向盤的操縱力，同時(shí)在EPS系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)助力下，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向。因此駕駛員對(duì)汽車的操縱力分成兩種情況：一、改變汽車行駛方向時(shí)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(yùn)動(dòng)和固定某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng))時(shí)駕駛員保持方向盤不動(dòng)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(fù)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(fù)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(dòng)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(hào)來決定。駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)所需克服的阻力矩包括兩個(gè)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(huì)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(jì)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(gè)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(duì)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(gè)函數(shù)關(guān)系 ： （31）式中,U車速，F(xiàn)f滾動(dòng)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(shí)，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(shí)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(dòng)比和傳動(dòng)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(fù)雜。直線型助力曲線的確定需要確定三個(gè)參數(shù)：助力裝置開始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤操舵力矩Mio。因?yàn)檗D(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(yàn)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(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時(shí)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(shí)，開始助力的時(shí)機(jī)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(jìn)行“J”字型轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，先需要電機(jī)提供助力減輕駕駛員員操縱力；再重新回到直線行駛時(shí)需要方向盤平滑的、無震蕩的回到中間位置。電機(jī)電樞電流控制法電機(jī)電樞電流控制方法利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)輸入控制器單片機(jī)中，根據(jù)預(yù)制的“轉(zhuǎn)矩一電動(dòng)機(jī)助力目標(biāo)電流表”確定出電機(jī)助力的目標(biāo)電流，電流檢測(cè)電路將電機(jī)電樞電流反饋到控制器中并與電機(jī)目標(biāo)電流相比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)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(jìn)行控制。對(duì)于EPS系統(tǒng)第二種控制目的，限于實(shí)驗(yàn)條件不能很好模擬實(shí)際車輛的轉(zhuǎn)向過程，僅僅設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的控制方法，回正時(shí)減小目標(biāo)電流，方向盤在中位時(shí)對(duì)電機(jī)制動(dòng)。有四個(gè)功率開關(guān)和四個(gè)續(xù)流二極管組成。當(dāng)兩種狀態(tài)相等時(shí)，相當(dāng)于平均電壓為0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)，V1導(dǎo)通，V4進(jìn)行PWM控制。由于EPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，引入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)目標(biāo)電流進(jìn)行補(bǔ)償。汽車在高速行駛時(shí)，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(dòng)的現(xiàn)象。 回正助力特性曲線 回正控制驅(qū)動(dòng)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(shí)V3導(dǎo)通，V2進(jìn)行PWM控制。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)矩較小，進(jìn)入助力死區(qū)(意味著此時(shí)轉(zhuǎn)向盤已經(jīng)回到或接近中間位置)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度比根據(jù)當(dāng)前車速得到的某特定值大時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)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(xiǎn)，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(jiǎn)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(shí)間常數(shù) TD—微分時(shí)間常數(shù) KP—比例系數(shù)三個(gè)環(huán)節(jié)的不同作用簡(jiǎn)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(qiáng)會(huì)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(dòng)和液壓元件)來實(shí)現(xiàn)它的功能。因此采用增量式數(shù)字PID控制器來進(jìn)行電動(dòng)機(jī)電流的控制。電動(dòng)機(jī)電流增量式數(shù)字PID控制算法如下: (36)式中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2…；△u(k)為第k次采樣時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)電樞電壓增量；e(k)為第k次采樣時(shí)刻電動(dòng)機(jī)實(shí)際電流I(k)與目標(biāo)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(fù)湊試參數(shù)[17]。本章對(duì)助力特性進(jìn)行了分析，討論了路感及路感強(qiáng)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(jī)電流信號(hào)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(hào)，因此傳感器的選型和設(shè)計(jì)是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。電機(jī)電流的測(cè)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(duì)應(yīng)采入的電機(jī)電流非常小，因而擾動(dòng)對(duì)其造成的影響非常大，必須在進(jìn)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(jī)系統(tǒng)主要由80C196KC單片機(jī)、鎖相環(huán)濾波電路、復(fù)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(chǔ)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(hào)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(jī)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(shí)，二極管起作用將電壓穩(wěn)在5V輸入到單片機(jī)A/D端口。 電動(dòng)機(jī)電流轉(zhuǎn)換電路 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于受限單極方式的PWM控制，在正轉(zhuǎn)時(shí)，V4導(dǎo)通，V2和V3截止，僅Vl受PWM調(diào)制；在反轉(zhuǎn)時(shí)，V2導(dǎo)通，V1和V4截止，僅V3受PWM調(diào)制。系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制系統(tǒng)、模擬量輸入電路、I/O量輸入電路、PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)間。主循環(huán)模塊通過定時(shí)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(dòng)平均濾波法進(jìn)行數(shù)字濾波，在實(shí)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(dòng)的情況，保證了控制量的輸出。 開始選擇A/D時(shí)鐘啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成讀取A /D轉(zhuǎn)換結(jié)果 進(jìn)入濾波子程序 得到需要的信號(hào) 結(jié)束 信號(hào)采集程序流程圖 開始 暫存新數(shù)據(jù)Xi順序移動(dòng)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(gè)數(shù)的和S 平均值y=S/n 結(jié)束 移動(dòng)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(jì)的核心部分，主要實(shí)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(shì)和研究EPS系統(tǒng)的意義。為此建立了EPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，用EPS系統(tǒng)的響應(yīng)特性來表征電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)特性，結(jié)果表明簡(jiǎn)單的直線型助力特性不能實(shí)現(xiàn)理想的動(dòng)態(tài)特性，必須進(jìn)行微分補(bǔ)償。(4)設(shè)計(jì)了EPS控制系統(tǒng)的硬件電路。如果能通過對(duì)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(xué)模型是和實(shí)際系統(tǒng)吻合的，所設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的輕便性，回正性等多項(xiàng)性能指標(biāo)的話，會(huì)更具說服力。祝大家工作順利，學(xué)業(yè)有成，前程似錦!最后，我要感謝我的家人和朋友對(duì)我深情的照顧和支持，祝您們身體健康，幸?？鞓?