【文章內(nèi)容簡介】 1 滑環(huán) 2 電磁線圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動(dòng)軸 6 主動(dòng)軸 7 滾珠軸承圖28 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖減速機(jī)構(gòu)也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。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。兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)能提供較大的助力，一般用于小齒輪助力和齒條助力式EPS系統(tǒng)。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)簡單、體積小以及成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛。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，有的采用樹脂材料制成。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)。圖29為電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。 圖29 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成ECU的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)和車速傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。由于EPS系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量還不是很大，所以目前的控制器核心一般采用8位的單片機(jī)。21洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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。在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計(jì)開發(fā)了硬件控制器ECU?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要包括兩大部分，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。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡要介紹。EPS控制器結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。圖31 EPS控制器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)控制器接收到汽車點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開始工作。汽車在行駛過程中，ECU采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的輸入信號(hào)，根據(jù)已定的控制規(guī)則，確定一個(gè)目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過H橋電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣，采樣的結(jié)果一方面與目標(biāo)電流相比較，用于電機(jī)的控制。另一方面結(jié)合車速信號(hào)，用于系統(tǒng)的保護(hù)。若電機(jī)電流大于設(shè)定值或車速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù)電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對(duì)繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開電機(jī)電源，停止助力，待系統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。作為汽車電子技術(shù)研究的熱門課題之一，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)控制器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上。現(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。 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。 圖32 89C52單片機(jī)芯片引腳（1） 89C52的40個(gè)引腳按其功能來分，可分為如下三類： (1)電源及時(shí)鐘引腳：V、V；XTALXTAL2 (2)控制引腳： 、ALE、RESET（即RST） (3)I/O口引腳：P0、PPP3，為4個(gè)8位I/O口的外部引腳。（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。ADC0808 是CMOS的8位單片A/D轉(zhuǎn)換器。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)。A/D轉(zhuǎn)換采用逐漸逼近原理。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。模擬輸入部分有8路多路開關(guān)，可由三位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇。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。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在內(nèi)部鎖存，通過三態(tài)緩沖器接至輸出端。ADC0808與89C52連接圖如圖33所示。 圖33 ADC0808與單片機(jī)89C52的連接圖 89C52外部總線擴(kuò)展及片外ROM的連接由于89C52的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下，我們采用地址鎖存器進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有74LS3782874LS273等。本設(shè)計(jì)中，采用74LS373來擴(kuò)展89C52的外部總線。圖34為74LS373引腳圖。 圖34 74LS373的引腳圖我調(diào)小了。74LS373是帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門為有效低電平，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。 由于89C52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不能滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，必須外接RAM。RAM是程序存儲(chǔ)器的簡稱，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)。片外的RAM可直接掛在外部系統(tǒng)總線上，至于RAM的選通操作，需要由控制信號(hào)和片外信號(hào)確定。外部程序存儲(chǔ)器的讀信號(hào)為PSEN。單片機(jī)片外RAM芯片的種類和型號(hào)非常多。例如6116(2k)、6264（8k）、62256（32k）等。本系統(tǒng)選擇6264來外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6264的各個(gè)功能引腳如圖35所示。 圖35 6264的各個(gè)功能引腳 ●Vcc：電源電壓，+5V。 ●GND：接地。 ●A0A12:地址線。 ●D0D7:數(shù)據(jù)線。 ●：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號(hào)線。 ●:寫允許引腳，低電平有效。單片機(jī)和片外RAM的電路連接圖如圖36所示.。 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。單片機(jī)的ALE連接地址鎖存器的控制端；連接6264的輸出允許端?？刂破鹘邮諒霓D(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。輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值為05 V,A/ Y,故對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了一般的濾波處理外，還需對(duì)其進(jìn)行分壓處理。其電路原理如圖37示。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的R1, R2先將輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话耄缓笈cC1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成第二級(jí)一階低通濾波，運(yùn)放則作為一個(gè)電壓跟隨器來使用。轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路如圖37所示。 圖37 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路電動(dòng)機(jī)的反饋電流是電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個(gè)參數(shù)，它一方面用來與目標(biāo)電流的比較，使其更接近于目標(biāo)電流。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。電機(jī)的反饋電流采用霍爾電流傳感器采集，電機(jī)的額定電流為30A，本課題所選用的是PASHID50型霍爾電流傳感器，具有反應(yīng)時(shí)間快，過載能力強(qiáng)，全程范圍內(nèi)極高的線性度的特點(diǎn)。其電氣參數(shù)見表31.表31 電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)表電源電壓DC1215V額定輸入電流50A電流測量范圍070A精度%線性度%額定輸出電流50mA失調(diào)電流跟隨精度200A/us響應(yīng)時(shí)間us頻帶寬度DC200KHz耐壓，50HzPASHID50的接線方式如圖38所示。 圖38 PASHID50霍爾傳感器電路連接圖由于助力電動(dòng)機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動(dòng)機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分?；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)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， 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。 圖39 電動(dòng)機(jī)電流采集電路車速信號(hào)是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)， V以上。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)。，所以車速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，一般采用一個(gè)前位分壓電路即可實(shí)現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電平匹配方式。其具體電路設(shè)計(jì)比較簡單，如圖310所示。輸入的車速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V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。 　　 圖310 車速信號(hào)處理電路ECU的輸出通道主要是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和離合器的開斷控制電路。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。下面將分別說明。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)。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，所以這部分的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性。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。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受次級(jí)飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制方法。對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開半導(dǎo)體功率器件。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。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡單，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)。絕大多數(shù)直流的電動(dòng)機(jī)采用的是開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。PWM調(diào)制的原理圖如圖311所示。圖311 電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過PWM來控制電機(jī)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓U0為: U0=(t1Us十0) /(t1+t2)=ttUs/T 　　（31）式中a為占空比，a=tl/To，開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，T為脈寬調(diào)制PWM的周期。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。a的變化范圍為。0al。在電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓Uo的平均值取決于占空比a的大小，改變a的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到控制目的。在PWM調(diào)制時(shí)，占空比a是一個(gè)重要參數(shù)。改變占空比a的主要方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)頻調(diào)寬法和定頻調(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。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。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)?？赡鍼WM控制系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。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。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。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。由于單極性驅(qū)動(dòng)方式能夠避免開關(guān)管直通，可大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以適用于在大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要