【正文】 轉子 ，其主要作用是產生 電磁轉矩 和感應電動勢，是直流電機進行能量 轉換的樞紐，所以通常又稱為 電樞 。 如圖 所示 是微型電機實物圖。目前，國內外現有的 EPS 系統(tǒng)采用的轉矩傳感主要分別有以下幾種形式： （ 1）電位計式， BI 公司和 NSK 公司都有該類型的產品，前者集成了轉矩、轉角測量，后者采用滑套機構將轉角差變換為電位計擺臂擺動，實現轉矩測量。 非接觸式轉矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價格較高。 如 圖 是 10K2W 的電位器實物圖。 電子控制單元 電子控制單元 ECU 作為關鍵部件，主要有微處理器、與傳感器輸入信 號相匹配的接口電路、微處理器內置的模數轉換器 (A/D)和脈寬調制器 (PWM)，直流電動機的驅動電路等部分組成。對電動機的控制可以分為簡單控制和復雜控制兩種。隨著控制要求的提高，對自動化的要求越來越高，使電動機的復雜控制逐漸成為主流。 STC89C52RC 是的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，另外 STC 單片機成本較低，性能較好，原有程序可以直接使用，硬件無需改動。 （ 2）工作電壓： （ 5V 單片機） /（ 3V 單片機） 。 （ 6）通過 I/O 口（ 35/39 個），復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉（普通8051 傳統(tǒng) I/O 口）； P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時，需加上拉電阻 。 （ 10）內部集成 MAX810 專用復位電路（ HD 版本和 90C 版本才有），外部晶體20M 以下時，可省外部復位電路。 本設計采用的 STC89C52RC 單片機的內部結構框圖如下圖所示， STC89C52RC 單片 機中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲器（ SRAM）、定時 /計數器、 UART 串口、 I/O接口、 EEPROM、看門狗等模塊、 STC89C52RC 單片機幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。 第 3 章 EPS系統(tǒng)的硬件設計 EPS 系統(tǒng) 硬件電路結構 電動助力轉向系統(tǒng)要實現的主要功能是采集來自轉矩傳感器、車勝元傳感器的信號經過控制器（ ECU）運算后，控制直流電機為駕駛員提供轉向助力，從而達到改善 13 駕駛舒適性的目的。 EPS 控制系統(tǒng)框圖 單片機最小系統(tǒng)電路 時鐘電路 時鐘電路是單片機系統(tǒng)硬件中的一個關鍵部分，由于晶振體的工作頻率十分高，設計不當很有可能使其工作時會產生對其他電路造成干擾的高頻信號，尤其是對 AD轉矩輸入信號的干擾； STC89C52 單片機的時鐘輸入接口在 18（ XTAL2）和 19（ XTAL1）引腳上，當時鐘晶振頻率為 12M~25MHz 時，時鐘電路中電容 一般 小于 47pF。但是實際應用電路設計中一般采用并聯型方式 。 （ 2）軟件復位 用戶應用程序在運行過程當中，有時會有特殊需求，需要實現單片機系統(tǒng)軟復位（熱啟動之一），傳統(tǒng)的 8051 單片機由于硬件上未支持此功能，用戶必須用軟件模擬實現，實現起來較為麻煩。當 VCC 重新恢復正常電壓時， HD 版本的單片機延遲 2048 個時鐘（ 90C版本單片機延遲 32768 個時鐘）后，上電復位 /掉電復位結束。 STC89C51RC/RD+系列單片機內部也引進了此看門狗功能，使單片機系統(tǒng)可靠性設計變得更加方便 /簡潔。通常我們用 7805 進行電壓轉換。本設計采用 L298。 18 緩沖器分為兩種，常用緩沖器（常說緩沖器）和三態(tài)緩沖器。 緩沖器又可以分為輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。 當 E=1 時，選通，其輸入直接送到輸出； 若 E=0，緩沖器被阻止，無論輸入什么值，輸出的總是高阻態(tài)，用 Z 表示。 L=低電平 。變頻調速系統(tǒng) 主要設備是提供 變頻電源 的 變頻器 。 電動機 H 橋驅動方式 L298 是 SGS 公司的產品，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。 21 第 4 章 EPS控制策略和軟件設計 EPS 系統(tǒng)的控制要求 采用 EPS 的 目的是在車速發(fā)生變化時提供合適的轉向助力，并保持一定的轉向路感，緩解駕駛員的疲勞。但是如果要滿足操縱輕便性則需要轉向器具有較大的傳動比，從而使較小的轉向盤操縱力能獲得較大的轉向力矩。根據轉向助力特性在不同的車速和方向盤轉矩的情況下提供合乎運行工況的助力力矩 。在隨著車速的提高， EPS 的助力應較小或提供合適的阻尼力，使得車輛在行駛過程中提供給駕駛員一定的路感。但回正力矩必須要克服系統(tǒng)本身的阻力矩和路面的摩擦力矩，當回正力矩大于總的回正阻力矩 時，車輪能夠自動回正；當回正力矩小于回正阻力矩時，車輪不能夠準確的回到直線行駛的位置，從而影響汽車行駛的安全性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內進行阻尼控制，適當加重轉向盤的阻力，最終體現 22 在高速行駛時手感的穩(wěn)重。低速型是指 EPS只在低速時 才 提供助力，當車速超過某一預定值時， EPS 停止工作。全速型的優(yōu)點是改善汽車的告訴操縱穩(wěn)定性，缺點是算法相對復雜，對控制系統(tǒng)的硬件要求相對較高。如圖 所示 ： 圖 直線型、折線型和曲線型助力曲線 本設計所采用的 直線型助力特性 。 EPS 的控制軟件主要可分為三個部分：扭矩傳感器信號的采集，車速傳感器信號的采集，電機轉速和轉動方向的控制。匯編語言主要優(yōu)點是執(zhí)行效率較高，運行速度較快，與硬件的結合較好，但是對于編程人員的要求較高，編程的難度較大，開發(fā)周期較長，硬件更換后程序的可移植性較差；相比而言 C 語言的表達能力較強，易于編程，可讀性較好， C 語言是編譯型語言，具有高級語言的特點，也具備匯編語言簡潔、可控制硬件的功能，同時 C語言不依賴系統(tǒng)硬件，因此其可移植性較好，可以很容易移植到不同類型的單片機上，寄存器的分配由編譯器完成，編程者可將精力集中到軟件整體設計，而匯編語言編程者必須記住這些分配，用 C 語言編程開發(fā)周 期也比匯編語言大大縮短。 C 是中級語言。結構式語言的顯著特點是 代碼 及數據的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。具有各種各樣的 數據類型 ，并引入了 指針 概念，可使程序效率更高。 C 語言對編寫需要 硬件 進行操作的場合，明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，有一些大型 應用軟件 也是用 C 語言編寫的。把高級語言 的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。 8051 是增長最快的微處理器構架之一。一個新的輸出分揀格式（ OMF2）允許支持最多 16MB 代碼和數據空間。 Keil C51 單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結構 ： 可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程，該集成系統(tǒng)可以編譯 C 源程序，也可以編譯匯編語言源程序。對周期性的工頻或高頻信號，可以在電路中加入硬件 RC 低通濾波器來加以抑制；但對于各種隨機出現的干擾績號，硬件濾波的效果往往不夠理想。 （ 2）可以對頻率很低的信號實現濾波。 濾波程序框圖如圖 所示： 圖 濾波程序框圖 初始化 對傳感器的數據采集 將數據的排序 去掉一個最大值和一個最小值 結束 剩余數取平均值 開始 26 AD 模塊 傳感器的扭矩信號是不能直接在程序中直接使用的，因此需要對其進行 A/D轉換。TLC549 的內部框圖如 圖 所示 ， 電路圖 如圖 所示： 圖 TLC549 的內部框圖 圖 TCL549 電路圖 549 的極限參數如下： 電源電壓： ； 輸入電壓范圍： ～ VCC＋ ； 輸出電壓范圍： ～ VCC＋ ； 峰值輸入電流 (任一輸入端 )： 177。 本課題在設計助力控制子程序時通過輸入信號的變化來改變電機的轉速，從而達到調節(jié)電機助力大小的目標。 STC 單片機 程序 下載器 的 使用 STC 單片機 程序 下載 器 是專門用于 將 程序 下載 到單片機中 的應用軟件 ，該軟件使用 非常 方便。 圖 為轉矩與車速信號同時控制時電機高速旋轉的狀態(tài) （由于采用高速數碼相機拍攝，因此拍攝效果中電機旋轉狀態(tài)不明顯） ： 圖 電機高速旋轉時狀態(tài) 32 圖 為轉矩信號模擬方向盤未轉動時即汽車直線行駛時的狀態(tài)，此時車速信號不起作用，系統(tǒng)不提供助力，電機不旋轉： 圖 電機不旋轉時系統(tǒng)狀態(tài) 系統(tǒng)的 調試 將 程序 載入 到 STC89C52 單片機中， 由于缺少該類型的設計經驗 ，所以 系統(tǒng)的 程序經過 了多次修改 ， 下載 了 許多次 ， 每次將軟件載入單片機后 ，都需要 對系統(tǒng)進行試驗 。 33 結 論 電動助力轉向系統(tǒng)是未來汽車發(fā)展趨勢的高新技術，本文在對 EPS 的原理和助力控制的基本過程進行了研究，通過硬件和軟件的設計，主要工作如下： （ 1）通過對 EPS 的有關文獻資料進行研究，對電動助力轉向系統(tǒng)的關鍵部件進行研究和分析，選擇合適的傳感器信號模擬部件，電動機及其它部件。 本次設計制作的電路板對轉矩信號和車速信號用電位計進行了信號的模擬，并用TCL549 模數轉換芯片對信號采集并送入單片機，電機在單片機和 L298 電機控制芯片的調 控下進行相應的旋轉，從而實現在不同的情況下進行對助力的調節(jié)。 （ 2） EPS 控制策略的研究。 34 參考文獻 [1]王曉明 ,電動機的單片機控制 [M],北京航空航天大學出版社 ,:125136 [2]趙良紅 ,張渭瀧 .汽車底盤電控技術 [M].機械工業(yè)出版社 ,:209214 [3]解福泉 ,周建平 .汽車典型電控系統(tǒng)構造與維修 [M],人民交通出版社 ,:199202 [4]李朝青 .單片機原理及接口技術第 3 版 [M],北京航空航天大學出版社 , [5]朱華 ,汽車電 動助力轉向系統(tǒng)研究現狀及趨勢 [J],汽車與配件 ,20xx [6]王豪 ,許鎮(zhèn)琳等 .電動轉向系統(tǒng)的發(fā)展及其現狀 [J],汽車運用 ,20xx(8) [7]龔小平 ,杜志強 .電動助力轉向技術發(fā)展的新動向 [J],汽車研究與開發(fā) ,20xx(7) [8]陳志恒 ,胡寧 .汽車電控技術 [M],高等教育出版社 ,:211214 [9]錢學武 ,汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)設計與開發(fā) [D],揚州大學碩士論文 ,20xx:35 [10]秦曾煌 ,電工學電子技術第六版 [M],高等教育出版社 , [11]林敏 ,丁金華 ,田濤 .計算機控制技術及工程應用 [M].北京國防工業(yè)出版社 .20xx,8 [12]俞方磊 ,動助力轉向系統(tǒng)控制器的研究與開發(fā) [D],江蘇大學碩士學位論文 ,20xx [13]周冬林 ,電動助力轉向系統(tǒng)仿真及控制系統(tǒng)設計 [D], 南昌大學 碩士學位論文 ,20xx [14]蔣春斌 ,汽車電動助力轉向控制系統(tǒng)的研究設計 [D],江蘇大學碩士學位論文 ,20xx [15]畢大寧 ,汽車轉閥式動力轉向器的設計與應用 [M],北京人民交通出版社 ,1998 [16]Nakayama T,Suda and future of electric power steering[J]. 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