【正文】 兩大部分，一是數(shù)據(jù)輸入通道，即數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，二是控制輸出通道，主要是電動(dòng)機(jī)的控制電路。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)提供的助力雖不如兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿足微型車(chē)的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)系統(tǒng)車(chē)速高于設(shè)定值或電機(jī)電流高于設(shè)定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器又?jǐn)嚅_(kāi)電動(dòng)機(jī)與減速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。作為EPS系統(tǒng)助力的提供者，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。車(chē)速信號(hào)由車(chē)速傳感器測(cè)得，車(chē)速傳感器也有多種類(lèi)型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時(shí)，輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類(lèi)，非接觸式主要是使用下列三種技術(shù)之一；磁、光和感應(yīng)技術(shù)。轉(zhuǎn)向阻力FTR主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪與地面的摩擦、回正力矩及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時(shí)它還與車(chē)速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。 G—蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比。m/rad 。 Bm—電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)，NNm。為了研究EPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及EPS系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)操縱性的影響，EPS數(shù)學(xué)模型的建立是進(jìn)行理論研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 (2)轉(zhuǎn)向靈敏度好。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動(dòng)機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火后，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷的測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)向力矩，該信號(hào)與車(chē)速信號(hào)同時(shí)輸入給控制器ECU。故本設(shè)計(jì)中選方案二為設(shè)計(jì)方案。80c552單片機(jī)是由Philips公司生產(chǎn)的一款功能非常強(qiáng)大的MCS51系列兼容機(jī)。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)傳來(lái)的信息表明:電動(dòng)轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。另外，EPS的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車(chē)速、扭矩和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車(chē)特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。但是，由于國(guó)產(chǎn)汽車(chē)各車(chē)型技術(shù)的實(shí)際情況以及使用條件的特殊性，國(guó)外的EPS與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的匹配以及實(shí)用性還存在問(wèn)題，至今還沒(méi)有與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS，僅僅在近幾年才開(kāi)展EPS的技術(shù)研究，可獲得的技術(shù)資料較少，目前尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。1993年，本田汽車(chē)公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉利和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的愛(ài)克NSX跑車(chē)上。 ，不存在滲油的問(wèn)題，減少了對(duì)環(huán)境的污染。在使用轉(zhuǎn)向情況下，% 。同時(shí)其復(fù)雜的液壓系統(tǒng)具有助力特性不可調(diào)整、污染環(huán)境、維修不便等缺點(diǎn)。實(shí)踐證明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車(chē)，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時(shí)代的要求。在數(shù)據(jù)信號(hào)采集與控制部分，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序、A/D采集程序、車(chē)速信號(hào)采集程序和PWM控制程序。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘 要電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS)，是汽車(chē)工程領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一。本文所設(shè)計(jì)的EPS電子控制單元性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，與整車(chē)匹配性能好，可保證EPS實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向助力效果。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，研制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵，在于電子控制技術(shù)，包括確立適宜的助力特性，還有采集主要參數(shù)的傳感技術(shù)。20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究的汽車(chē)上電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。同時(shí)由于液壓油在低溫時(shí)的粘度很大，存在低溫時(shí)必須有個(gè)加溫的過(guò)程，而EPS可以在零下40℃很好的工作，基本上不存在受溫度影響的問(wèn)題。同年，在歐洲市場(chǎng)銷(xiāo)售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)菲亞特幫托也將美國(guó)德?tīng)柛９旧a(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。 EPS的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù)首先，EPS的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。未來(lái)的EPS將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過(guò)總線技術(shù)電子懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。除了提供80C552的全部功能外，還提供了大量的硬件資源，引入了許多新的功能，是專(zhuān)為儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)控制等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的高性能單片機(jī)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)和車(chē)速信號(hào)，由電子控制裝置來(lái)執(zhí)行助力控制的?？刂破鞲鶕?jù)輸入的這些信號(hào)，依據(jù)相應(yīng)的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動(dòng)機(jī)的電流大小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小。但是電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤(pán)上。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向靈敏度就是轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。EPS的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個(gè)主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對(duì)象，忽略一些次要因素，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。 Tsen—扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，Nmm/(rad/s)。對(duì)轉(zhuǎn)向柱輸出軸及電機(jī)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程: Je Tw—作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩，N對(duì)于常規(guī)助力控制過(guò)程該模型的簡(jiǎn)化對(duì)控制策略的影響不大，這里給出簡(jiǎn)化的計(jì)算公式： FTR=KrXr+F (29)式中Kr—等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m 。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價(jià)格較高。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)換為圖26所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。常見(jiàn)的車(chē)速傳感器工作原理如圖27所示，車(chē)速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。一般應(yīng)滿足如下要求： 1)盡可能寬的調(diào)速范圍。一般的EPS系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結(jié)構(gòu)如圖28所示，主要由電磁線圈、 主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓板等組成。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)脂材料制成。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡(jiǎn)要介紹?，F(xiàn)在常用的芯片有很多種，如8031,8051,89C51,89C52等，本設(shè)計(jì)中選擇89C52作為微處理器。模擬輸入部分有8路多路開(kāi)關(guān)，可由三位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來(lái)選擇。 圖34 74LS373的引腳圖我調(diào)小了。例如6116(2k)、6264（8k）、62256（32k）等。 ●:寫(xiě)允許引腳，低電平有效。轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路如圖37所示。在課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車(chē)速信號(hào)，輸入到單片機(jī)。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)。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(wèn)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)。在PWM調(diào)制時(shí)，占空比a是一個(gè)重要參數(shù)。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。表32 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電氣參額定漏極電壓V55V柵源開(kāi)啟電壓V420V額定漏極電流I64A導(dǎo)通電阻R14m開(kāi)通時(shí)間t90ns關(guān)短時(shí)間t84ns在選定功率開(kāi)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。TLP250的主要電氣參數(shù)如下： .輸入閥值電流F=5mA (max)。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)斷時(shí)的過(guò)壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。顯示電路主要是用于故障信息的顯示。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，二極管D1截止，不影響電路工作。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要5V的供電電壓，7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)換。 可采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)倍壓輸出。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。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(kāi)。因此，本章主要討論與軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的兩個(gè)方面：一是EPS控制策略的實(shí)現(xiàn)，二是各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的處理。在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減少超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程:積分代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性。為便于在計(jì)算機(jī)中用程序?qū)崿F(xiàn)PID控制，當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，可用求和代替積分，用向后差分代替微分，則可將式((41)離散化為差分方程，然后做如下近似運(yùn)算: (42) (43)式中T— 采樣周期。而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則應(yīng)采用增量式算法。給定轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩T h，轉(zhuǎn)矩傳感器則有相應(yīng)的輸出Tsen ，PD控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩T h，和轉(zhuǎn)矩的變化率Tsen來(lái)確定助力電動(dòng)機(jī)電流的大小，并通過(guò)PWM方式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)助力。定時(shí)器使能后，定時(shí)計(jì)數(shù)緩沖區(qū)寄存器具有一個(gè)初始值，用來(lái)載入到倒計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器。車(chē)速信號(hào)的采集主要是通過(guò)對(duì)定時(shí)器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文主要取得了以下成果: (1)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，列出了系統(tǒng)各部件的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，討論了系統(tǒng)的控制策略。 (3)繼續(xù)開(kāi)展大量試驗(yàn)工作，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完善助力表格。 //sbit EOC=P3^2。 //定義點(diǎn)火和啟動(dòng)標(biāo)志void timer_init() //定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化{ TMOD=0x51。 TR0=1。 //讀出測(cè)速周期到時(shí)T1的計(jì)數(shù)值 TH1=0。 //計(jì)數(shù)量計(jì)數(shù)滿，歸零；，約39Hz if(flag==1) //車(chē)輛已啟動(dòng){ if(zhuanju==0){Motor0=0。 }}else {Motor0=0。} case 1:{ADDA=1。j++) //采樣5次，并采用加權(quán)平均，濾除噪聲干擾 { START=1。}void main() //主函數(shù){ float speed=0。 //計(jì)算測(cè)速值 dianliu=adtran(0)。 //采集轉(zhuǎn)矩信號(hào)大小 if(speed10amp。 timer_init()。 while(EOC==0)。break。} //車(chē)輛還未啟動(dòng)，助力電機(jī)不工作} uchar adtran(uchar tongdao) //AD0808驅(qū)動(dòng){ uchar result,j。} //轉(zhuǎn)矩為零，則助力電機(jī)不工作 else if(zhuanju128) // 轉(zhuǎn)矩小于128為正轉(zhuǎn)，以下可輸出PWM波 { Motor1=0。 TH0=(6553650000)/256。 RCAP2H=(65536200)/256。 //測(cè)速周期為50ms TL0=(6553650000)%256。sbit ADDB=P0^6。這么長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，陳老師不僅在學(xué)術(shù)上給予本人精心的指導(dǎo)和熱情的鼓勵(lì)，而且在生活上也給予了莫大的關(guān)心和幫助，學(xué)生的每一點(diǎn)進(jìn)步，謹(jǐn)向陳老師表示衷心的感謝。本文對(duì)EPS系統(tǒng)做了一定的研究，但是還是存在許多不完善的地方和沒(méi)有解決的問(wèn)題。用定時(shí)器0來(lái)確定測(cè)量時(shí)間周期T。比較緩沖區(qū)寄存器的值用于脈寬調(diào)制，當(dāng)該計(jì)數(shù)器值與定時(shí)器控制邏輯中的比較寄存器值相等時(shí)，定時(shí)器控制邏輯改變輸出電平。在初期的軟件設(shè)計(jì)和以后的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，都需要在軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件的編輯、編譯、調(diào)試，因此，有必要介紹一下本課題所采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。EPS控制策略的任務(wù)之一就是確定助力目標(biāo)電流的大小。由式(4I )、式(42)、式(43)可得如下數(shù)字PID控制算式 u(k)=Kpe(k)+k+Kd[e(k)e(k1)] (44)式中K p— 比例系數(shù)。 2. PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性。在這一節(jié)中，主要研究了PID控制算法在EPS中的應(yīng)用，并對(duì)所采用的控制策略進(jìn)行分析?？梢郧袛嘤捎诙鄠€(gè)設(shè)備采用公用地區(qū)串聯(lián)接地而形成的環(huán)路。 (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。它是檢測(cè)過(guò)程中的一種無(wú)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。ICL7660是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的變極性DGDC變換器。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。故障信號(hào)類(lèi)型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來(lái)。RCD緩沖電路能有效地改善開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特性，減小開(kāi)關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。 .電源電壓(Vcc)=1012V。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器件常用的有IR公司IR2110, IR2111, IR2112, IR2113等。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。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。PWM調(diào)制的原理圖如圖311所示。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。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電平匹配方式。另一方面，可以利用它來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流高于保護(hù)值時(shí)，切斷