【文章內容簡介】 根據電機電流的大小，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得電機轉矩控制更加準確，跟隨性更好。，根據電路分壓原理，電流信號轉為電壓信號，經過電路濾波，放大后，送給單片機的A／D轉換口，進行A／D轉換。在第一次設計硬件電路圖時，作者采用了AT89C51型單片機，原因是該單片機在以前的學習中接觸較多，比較熟悉，便于連接和編程。由于AT89C51型單片機不能提供A/D轉換功能，故選取ADC0808芯片作為A/D轉換器。該電路圖包含一個車速信號處理電路，一個扭矩信號處理電路，一個電機驅動電路，一個電磁離合器控制電路以及一個電流信號采集電路。[15]。但是由于作者水平有限，仍然無法對其進行成功的運行及仿真。，故加入說明書中以表達作者的設計思路。圖 控制系統(tǒng)硬件電路總圖 控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡圖 為了能夠較好的較直觀的反應出模擬仿真控制系統(tǒng)的控制原理。該圖中用一個信號發(fā)生器發(fā)出方波模擬車速信號，用一個滑動變阻器發(fā)出電壓差模擬方向盤轉矩信號，外接一個示波器直觀顯示信號狀態(tài)和車速狀態(tài)。外接一個LED顯示屏顯示車速狀況，并選用可以直接進行A/D轉換的PIC16F887型單片機作為系統(tǒng)CPU進行仿真[16]。圖 控制系統(tǒng)硬件電路仿真簡圖 硬件抗干擾設計PCB板(印刷電路板)是電動助力系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設計得好壞對抗干擾能力影響很大，故印刷電路板設計決不單是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設計原則。電動助力系統(tǒng)中采用下述抗干擾措施。 地線設計電動助力轉向系統(tǒng)中地線結構大致有系統(tǒng)地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。在電動助力系統(tǒng)中，接地和敷銅是抑制干擾的重要方法。1數字、模擬電路分開電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，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，將使接地電位隨電流的變化而變化，致使微機的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此將接地線條加粗，使它能通過三倍于印刷電路板上的允許電流。3接地線構成閉環(huán)電路數字電路部分的印刷電路板接地時，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，因受到線條粗細限制，地線不能足夠寬，產生電阻，此電阻致使地線產生電位差，引起抗噪聲能力下降，若地線構成閉環(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電流的大小，盡量加粗導體寬度外，還要采取使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向一致，有助于增強抗噪聲能力。 印刷電路板的尺寸與器件布置印刷電路板大小要適中，當印刷電路板過大時，印刷線條變長，阻抗則增加，不僅抗噪聲能力下降，而且成本也高；印刷電路板過小，則散熱不好，同時易受鄰近線條干擾。在器件布置方面，與其它邏輯電路一樣，應把相互有關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的時鐘輸入端都易產生噪聲，要相互靠近些。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離計算機邏輯電路[17]。4 EPS系統(tǒng)軟件設計在硬件選擇、設計完成后，對控制方案進行了細致的分析，根據軟件仿真結果及控制理論，分析各種控制算法的控制效果，與硬件對接，實現對系統(tǒng)的準確控制。在本章中，重點探討系統(tǒng)控制策略，根據系統(tǒng)設計要求，用C語言編寫軟件控制程序，實現硬件控制，為下一步實驗做好準備。 EPS系統(tǒng)控制目標采用EPS的主要目的是隨車速變化時提供合適的轉向力、保持一定的轉向路感、確保響應速度和抑制來自電動機的振動及地面不平造成的振動。控制系統(tǒng)控制目標具體如下：(1)提供合適的助力。根據轉向助力特性曲線，在不同的車速和方向盤手力的情況下，提供合乎運行工況的助力力矩。(2)有較快的響應速度?？刂葡到y(tǒng)應具備較高的相應速度，并與駕駛員的動作向匹配，而且轉向靈敏。(3)有效抑制振動。低頻振動直接影響駕駛員的手感，較大的振動易使得駕駛員失去對路面情況的把握。(4) 良好的路感。在車速較高時，助力應較小或提供合適的阻尼力，使得車輛在行駛過程中轉向系統(tǒng)有一定的路感存在。 EPS系統(tǒng)控制方式EPS系統(tǒng)根據車速、轉矩和電機電流來執(zhí)行控制策略，提高轉向靈敏度。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。在正常的轉向過程中，通常是助力控制。當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，系統(tǒng)判斷此時檢測轉矩大小的加速度和轉向盤轉動方向是否相異，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、減速機構以及轉向機構等都有很大的摩擦力與慣性力矩，這些都構成了汽車的回正阻力矩，當回正阻力矩過大，阻止車輪回正時，使用回正控制，利用電機提供輔助回正力矩。為了防止提供的輔助回正力矩過大，產生回正過頭現象或在回正過程中出現擺振現象，在車輪將要回到中間位置時要施加阻尼，此時選用阻尼控制模型[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單，有利于控制系統(tǒng)設計，并且在實際中調整容易；曲線型助力特性復雜，調整不方便；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。它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉向盤力成線性關系。該助力特性曲線可用下面函數表示： 式 式中，I為電動機的目標電流；為電動機的最大工作電流；為轉向盤入力矩；f(v)為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減小；為轉向系統(tǒng)開始助力時的轉向盤輸入力矩；為轉向系統(tǒng)提供最大助力時的轉向盤輸入力。 回正控制回正就是轉向盤轉過一定角度后，撤去操縱力，車輪回到中間位置的過程。通過回正控制可以改善轉向系統(tǒng)的回正性能，控制方向盤快速準確的回到中位。當駕駛員放開轉向盤，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。因此，為了能使汽車穩(wěn)定并準確的回正，電動助力轉向系統(tǒng)在助力控制的基礎上必須進行有效的回正控制。此策略可以改善汽車的轉向回正特性，主要應用于汽車低速行駛情形。 阻尼控制汽車高速行駛時，如果轉向過于靈敏，會影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內進行阻尼控制，適當加重轉向盤的阻力，最終體現在高速行駛時手感的“穩(wěn)重。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉向盤轉向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機械式轉向系統(tǒng)的慣性大，轉向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，一般情況下只需將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機產生阻尼效果。 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，由于汽車在行駛過程的中，助力控制占95％以上的時間，所以本文主要針對助力控制進行控制策略分析。目前，一般由計算機控制的電動機動力轉向系統(tǒng)為車速感應控制型。根據汽車理論，隨著汽車的車速的提高，給與轉向盤的輔助動力應該相應減小，也就是說，隨著車速的升高，助力電動機的電流應該減小。然而，在實際的控制中，電動機電流呈下降變化規(guī)律。在起動和低速時，電動機電流的變化比較大，因為在車速極低時，轉向盤上所需要的轉矩比中速時大的多。當車速超過30km/h時，轉向盤上的操縱力很小，為了保持一定的操縱手感，這是助力電動機和電磁離合器停止工作。另外，助力電動機的電流還隨著轉向盤轉矩的增加而增加，當轉向盤轉矩增加到一定程度后，在一定車速范圍內，電動機電流就維持不變。因為更大的轉向盤轉矩出現的概率很小，所以從整體上說對駕駛員的轉向操縱力影響不大[19]。：圖 電機電流控制邏輯圖結合前面介紹助力特性曲線，以及直線型助力特性的函數關系，為了方便軟件編程和模擬仿真，作者將電動機目標電流I與車速V和轉向盤力矩Td,起始助力轉矩TO=7/NM的關系簡化為如下關系：I=f(v)*(TdTO)當v=0時，f(v)=當0v20時，f(v)=當20v30時，f(v)=當30v時，f(v)=例如，當車速為25KM/h，轉矩為30/Nm時， 數字PID控制技術在EPS中的實現電動助力轉向系統(tǒng)根據扭矩傳感器輸出的扭矩信號和車速信號計算出電機的助力大小。數字PID控制器的控制目標是減小轉向過程中駕駛員對方向盤的操作力。由于扭矩傳感器安裝在轉向軸上，這里我們就以轉向軸上的扭桿為研究對象，當駕駛員轉動轉向盤進行轉向操作時，扭桿首先感知出駕駛員施加在轉向盤上的扭矩。直流電機的轉矩與電機電流成正比，我們可以根據電流的大小對電機進行控制，從而實現助力。設轉向盤傳到扭桿上的扭矩為T，由T根據助力特性曲線計算出助力電流值，當前實際的助力電流值為，則偏差為我們可以得出對應的PWM增量。 圖 PID控制原理圖 編程軟件Keil uVision4簡介Keil uVision4是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)c語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入匯編，您可以在關鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產品。C51已被完全集成到uVision4的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調試器。uVision4 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。最新的Keil uVision4 IDE，旨在提高開發(fā)人員的生產力，實現更快，更有效的程序開發(fā)。uVision4引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠拖放到視圖內的任何地方，包括支持多顯示器窗口。uVision4在μVision3 IDE的基礎上，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備外設寄存器信息，調試還原視圖創(chuàng)建并保存多個調試窗口布局，多項目工作區(qū)簡化與眾多的項目[20]。 EPS控制軟件流程圖 EPS控制器上電以后，系統(tǒng)開始自檢，檢測蓄電池電壓是否達到正常電壓，如果正常開始采樣方向盤扭矩信號并進行A／D轉換；根據加轉換結果判斷方向盤的位置是否處于中間位置，轉向操作是否需要助力；當方向盤位置超出死區(qū)范圍后，判斷方向盤旋轉方向，程序接著判斷轉向系統(tǒng)是處于轉向助力過程還是回正過程，以此選擇不同的控制模式；如果方向盤處于回正狀態(tài)，就