【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根據(jù)電機(jī)電流的大小，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制更加準(zhǔn)確，跟隨性更好。，根據(jù)電路分壓原理，電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路濾波，放大后，送給單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換口，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。在第一次設(shè)計(jì)硬件電路圖時(shí)，作者采用了AT89C51型單片機(jī)，原因是該單片機(jī)在以前的學(xué)習(xí)中接觸較多，比較熟悉，便于連接和編程。由于AT89C51型單片機(jī)不能提供A/D轉(zhuǎn)換功能，故選取ADC0808芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器。該電路圖包含一個(gè)車速信號(hào)處理電路，一個(gè)扭矩信號(hào)處理電路，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)電磁離合器控制電路以及一個(gè)電流信號(hào)采集電路。[15]。但是由于作者水平有限，仍然無(wú)法對(duì)其進(jìn)行成功的運(yùn)行及仿真。，故加入說(shuō)明書(shū)中以表達(dá)作者的設(shè)計(jì)思路。圖 控制系統(tǒng)硬件電路總圖 控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡(jiǎn)圖 為了能夠較好的較直觀的反應(yīng)出模擬仿真控制系統(tǒng)的控制原理。該圖中用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出方波模擬車速信號(hào)，用一個(gè)滑動(dòng)變阻器發(fā)出電壓差模擬方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)，外接一個(gè)示波器直觀顯示信號(hào)狀態(tài)和車速狀態(tài)。外接一個(gè)LED顯示屏顯示車速狀況，并選用可以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的PIC16F887型單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU進(jìn)行仿真[16]。圖 控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡(jiǎn)圖 硬件抗干擾設(shè)計(jì)PCB板(印刷電路板)是電動(dòng)助力系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)得好壞對(duì)抗干擾能力影響很大，故印刷電路板設(shè)計(jì)決不單是器件、線路的簡(jiǎn)單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則。電動(dòng)助力系統(tǒng)中采用下述抗干擾措施。 地線設(shè)計(jì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在電動(dòng)助力系統(tǒng)中，接地和敷銅是抑制干擾的重要方法。1數(shù)字、模擬電路分開(kāi)電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，使兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。并盡量加大線性電路的接地面積。2接地線加粗若接地線條很細(xì)，將使接地電位隨電流的變化而變化，致使微機(jī)的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此將接地線條加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板上的允許電流。3接地線構(gòu)成閉環(huán)電路數(shù)字電路部分的印刷電路板接地時(shí)，將接地電路做成閉環(huán)路能明顯地提高抗噪聲能力，其原因是：一塊印刷電路板上有很多集成電路，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受到線條粗細(xì)限制，地線不能足夠?qū)?，產(chǎn)生電阻，此電阻致使地線產(chǎn)生電位差，引起抗噪聲能力下降，若地線構(gòu)成閉環(huán)電路，則其差值將縮小。 電源線布置電源線的布線除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導(dǎo)體寬度外，還要采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。 印刷電路板的尺寸與器件布置印刷電路板大小要適中，當(dāng)印刷電路板過(guò)大時(shí)，印刷線條變長(zhǎng)，阻抗則增加，不僅抗噪聲能力下降，而且成本也高；印刷電路板過(guò)小，則散熱不好，同時(shí)易受鄰近線條干擾。在器件布置方面，與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果。晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)邏輯電路[17]。4 EPS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在硬件選擇、設(shè)計(jì)完成后，對(duì)控制方案進(jìn)行了細(xì)致的分析，根據(jù)軟件仿真結(jié)果及控制理論，分析各種控制算法的控制效果，與硬件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制。在本章中，重點(diǎn)探討系統(tǒng)控制策略，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件控制程序，實(shí)現(xiàn)硬件控制，為下一步實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。 EPS系統(tǒng)控制目標(biāo)采用EPS的主要目的是隨車速變化時(shí)提供合適的轉(zhuǎn)向力、保持一定的轉(zhuǎn)向路感、確保響應(yīng)速度和抑制來(lái)自電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)及地面不平造成的振動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)控制目標(biāo)具體如下：(1)提供合適的助力。根據(jù)轉(zhuǎn)向助力特性曲線，在不同的車速和方向盤手力的情況下，提供合乎運(yùn)行工況的助力力矩。(2)有較快的響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具備較高的相應(yīng)速度，并與駕駛員的動(dòng)作向匹配，而且轉(zhuǎn)向靈敏。(3)有效抑制振動(dòng)。低頻振動(dòng)直接影響駕駛員的手感，較大的振動(dòng)易使得駕駛員失去對(duì)路面情況的把握。(4) 良好的路感。在車速較高時(shí)，助力應(yīng)較小或提供合適的阻尼力，使得車輛在行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一定的路感存在。 EPS系統(tǒng)控制方式EPS系統(tǒng)根據(jù)車速、轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流來(lái)執(zhí)行控制策略，提高轉(zhuǎn)向靈敏度。因而系統(tǒng)有三種控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的轉(zhuǎn)向過(guò)程中，通常是助力控制。當(dāng)駕駛員釋放方向盤后，作用在方向盤上的力減小，且小于助力控制的門限值，同時(shí)，系統(tǒng)判斷此時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩大小的加速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否相異，如果兩者相異，系統(tǒng)就執(zhí)行回正控制。EPS系統(tǒng)中的電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等都有很大的摩擦力與慣性力矩，這些都構(gòu)成了汽車的回正阻力矩，當(dāng)回正阻力矩過(guò)大，阻止車輪回正時(shí)，使用回正控制，利用電機(jī)提供輔助回正力矩。為了防止提供的輔助回正力矩過(guò)大，產(chǎn)生回正過(guò)頭現(xiàn)象或在回正過(guò)程中出現(xiàn)擺振現(xiàn)象，在車輪將要回到中間位置時(shí)要施加阻尼，此時(shí)選用阻尼控制模型[18]。EPS的助力特性具有多種曲線形式，較為典型的有三種：直線型、折線型和曲線型。三種助力特性曲線中，直線型助力特性最簡(jiǎn)單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且在實(shí)際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復(fù)雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。故本文只討論直線型助力曲線的特性。圖 直線型助力特性。它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力成線性關(guān)系。該助力特性曲線可用下面函數(shù)表示： 式 式中，I為電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流；為電動(dòng)機(jī)的最大工作電流；為轉(zhuǎn)向盤入力矩；f(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減??；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入力。 回正控制回正就是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，撤去操縱力，車輪回到中間位置的過(guò)程。通過(guò)回正控制可以改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能，控制方向盤快速準(zhǔn)確的回到中位。當(dāng)駕駛員放開(kāi)轉(zhuǎn)向盤，車輪將在回正力矩的作用下回正。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(dāng)回正力矩大于總的回正阻力矩時(shí)，車輪能夠自動(dòng)回正；當(dāng)回正力矩小于回正阻力矩時(shí)，車輪不能夠準(zhǔn)確的回到直線行駛的位置，從而影響汽車行駛的安全性。因此，為了能使汽車穩(wěn)定并準(zhǔn)確的回正，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力控制的基礎(chǔ)上必須進(jìn)行有效的回正控制。此策略可以改善汽車的轉(zhuǎn)向回正特性，主要應(yīng)用于汽車低速行駛情形。 阻尼控制汽車高速行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏，會(huì)影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時(shí)手感的“穩(wěn)重。汽車高速行駛時(shí)，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí)，一般情況下只需將電動(dòng)機(jī)輸出為制動(dòng)狀態(tài)，就可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。 EPS系統(tǒng)控制策略EPS的三種控制模式：助力控制、回正控制和阻尼控制。不同的控制模式使用不同的控制方法，一般助力控制要用最優(yōu)的控制方法，由于汽車在行駛過(guò)程的中，助力控制占95％以上的時(shí)間，所以本文主要針對(duì)助力控制進(jìn)行控制策略分析。目前，一般由計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為車速感應(yīng)控制型。根據(jù)汽車?yán)碚?，隨著汽車的車速的提高，給與轉(zhuǎn)向盤的輔助動(dòng)力應(yīng)該相應(yīng)減小，也就是說(shuō)，隨著車速的升高，助力電動(dòng)機(jī)的電流應(yīng)該減小。然而，在實(shí)際的控制中，電動(dòng)機(jī)電流呈下降變化規(guī)律。在起動(dòng)和低速時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流的變化比較大，因?yàn)樵谲囁贅O低時(shí)，轉(zhuǎn)向盤上所需要的轉(zhuǎn)矩比中速時(shí)大的多。當(dāng)車速超過(guò)30km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向盤上的操縱力很小，為了保持一定的操縱手感，這是助力電動(dòng)機(jī)和電磁離合器停止工作。另外，助力電動(dòng)機(jī)的電流還隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增加到一定程度后，在一定車速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電流就維持不變。因?yàn)楦蟮霓D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的概率很小，所以從整體上說(shuō)對(duì)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力影響不大[19]。：圖 電機(jī)電流控制邏輯圖結(jié)合前面介紹助力特性曲線，以及直線型助力特性的函數(shù)關(guān)系，為了方便軟件編程和模擬仿真，作者將電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流I與車速V和轉(zhuǎn)向盤力矩Td,起始助力轉(zhuǎn)矩TO=7/NM的關(guān)系簡(jiǎn)化為如下關(guān)系：I=f(v)*(TdTO)當(dāng)v=0時(shí)，f(v)=當(dāng)0v20時(shí)，f(v)=當(dāng)20v30時(shí)，f(v)=當(dāng)30v時(shí)，f(v)=例如，當(dāng)車速為25KM/h，轉(zhuǎn)矩為30/Nm時(shí)， 數(shù)字PID控制技術(shù)在EPS中的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)扭矩傳感器輸出的扭矩信號(hào)和車速信號(hào)計(jì)算出電機(jī)的助力大小。數(shù)字PID控制器的控制目標(biāo)是減小轉(zhuǎn)向過(guò)程中駕駛員對(duì)方向盤的操作力。由于扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸上，這里我們就以轉(zhuǎn)向軸上的扭桿為研究對(duì)象，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，扭桿首先感知出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的扭矩。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成正比，我們可以根據(jù)電流的大小對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)助力。設(shè)轉(zhuǎn)向盤傳到扭桿上的扭矩為T，由T根據(jù)助力特性曲線計(jì)算出助力電流值，當(dāng)前實(shí)際的助力電流值為，則偏差為我們可以得出對(duì)應(yīng)的PWM增量。 圖 PID控制原理圖 編程軟件Keil uVision4簡(jiǎn)介Keil uVision4是德國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語(yǔ)言的語(yǔ)法來(lái)開(kāi)發(fā)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision4的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。uVision4 IDE可為它們提供單一而靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。最新的Keil uVision4 IDE，旨在提高開(kāi)發(fā)人員的生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)更快，更有效的程序開(kāi)發(fā)。uVision4引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠拖放到視圖內(nèi)的任何地方，包括支持多顯示器窗口。uVision4在μVision3 IDE的基礎(chǔ)上，增加了更多大眾化的功能。多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)，系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息，調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局，多項(xiàng)目工作區(qū)簡(jiǎn)化與眾多的項(xiàng)目[20]。 EPS控制軟件流程圖 EPS控制器上電以后，系統(tǒng)開(kāi)始自檢，檢測(cè)蓄電池電壓是否達(dá)到正常電壓，如果正常開(kāi)始采樣方向盤扭矩信號(hào)并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；根據(jù)加轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷方向盤的位置是否處于中間位置，轉(zhuǎn)向操作是否需要助力；當(dāng)方向盤位置超出死區(qū)范圍后，判斷方向盤旋轉(zhuǎn)方向，程序接著判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是處于轉(zhuǎn)向助力過(guò)程還是回正過(guò)程，以此選擇不同的控制模式；如果方向盤處于回正狀態(tài)，就