【正文】 系統(tǒng)的控制目標，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS系統(tǒng)的助力特性曲線屬于車速感應型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸入下，電動機的目標電流會隨著車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。圖43 直線性助力特性圖 阻尼控制 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的“飄”的感覺，這給駕駛會帶來很大的危險。為了提高高速行駛時駕駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制，適當加重轉(zhuǎn)向盤的助力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的“穩(wěn)重”。汽車在高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需要采用阻尼控制。采用阻尼控制時，只需要將電動機輸出為制動狀態(tài)，就可以使電動機具有阻尼效果。 回正控制 當汽車以一定的車速行駛時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而同時輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，兩者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正的過程中，有兩種情況需要考慮：（1）回正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對于前一種情況而言，可以利用電動機的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況則需要對助力進行補償，以增加回正能力。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?，保持機械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。5 EPS電機驅(qū)動電路的設(shè)計 微控制器的選擇 MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機是基于16位HCS12 、 FLASH微控制器[14]，是根據(jù)當前汽車的要求設(shè)計出來的一個系列。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計方案采用MC9S12DP256單片機，其主頻高達25 MHz，同時片上還集成了許多標準模塊，包括2個異步串行通信口SCI，3個同步串行通信口SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/0口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。 硬件電路總體框架電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊[15]：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機功率驅(qū)動模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動機點火信號、電流及電流傳感器等接入處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖51所示。圖51 EPS控制系統(tǒng)組成圖框圖 電機控制電路設(shè)計 直流電動機是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實施對直流電動機的控制，由4個功率MOSFET組成，如圖52所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個臂。IRF3205具有8 mΩ導通電阻、功耗小、耐壓達55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30 A）的要求。圖52 直流電機的H橋驅(qū)動電路 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動電路設(shè)計 上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動電路如圖53所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFET a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當MOSFET的控制信號a（b）為高電平時，Q1和Q2導通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導通，Q3截止。當Qa導通時，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ VdbleVCEVFVbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導通電壓，VF為D1的正向?qū)▔航?，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導通，降低器件的直流導通損耗，VGS不低于l0V。因此需設(shè)計高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動要求。如果蓄電池電壓為12V時，Vdble≥12V＋＋＋10V=。 圖53 H橋上側(cè)橋臂驅(qū)動電路 當MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時，Q1和Q2均截止，Q3導通，Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時，連接其柵源之間的電阻R6使其柵源電壓為零。IRF3205的導通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。 橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動電路 下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動電路如圖54所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當MOSFET的控制信號c（d）為高電平時，Q1導通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。 圖54 H橋下側(cè)橋臂驅(qū)動電路 當MOSFET的控制信號c（d）低電平時， Q1截止，Q2導通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導通。當Qc導通時，其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵—源極電壓VGS=（VbatVCEVF），當蓄電池電壓為12V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動（10V）所需的電壓。 蓄電池倍壓工作電源 ，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導通。 電源倍壓電路如圖55所示，NE555定時器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/（R2+2R1）C1的矩形波。CC4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當NE555引腳3輸出高電平時，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時，輸出電壓低于24V，當供電電源為12V時，大于Vdb1（），可以滿足需要。圖55 電源倍壓電路 電機驅(qū)動電路臺架試驗 根據(jù)電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動轉(zhuǎn)向試驗臺上進行臺架模擬試驗，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖56為中等車速轉(zhuǎn)向助力時，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動機電流（I）變化曲線。從圖56中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動機電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動機電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動機的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。圖56 方向盤扭矩和電機電流的關(guān)系曲線6 結(jié)論 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)作為一項高新技術(shù)產(chǎn)品，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括汽車工程、電子、電力驅(qū)動、控制器、傳感器、現(xiàn)代控制理論等等諸多方面，需要解決的關(guān)鍵問題也很多，所以對于這項產(chǎn)品的研究與開發(fā)不可能一蹴而就。本設(shè)計針對EPS的核心部位，主要開展了以下兩個方面的研究：對機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行總體方案的選擇與設(shè)計。本次設(shè)計以某一微型轎車為參考，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，對轉(zhuǎn)向器中的關(guān)鍵元件齒輪和齒條進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核，對轉(zhuǎn)向橫拉桿進行了運動分析、從而確定了齒條行程，對自動間隙調(diào)整彈簧進行了選取，還對齒輪軸軸承進行選取、并進行了壽命驗算，并對鍵的強度進行了校核。對EPS中的助力控制部分進行了研究與設(shè)計。其中主要是對其關(guān)鍵元件（電動機、離合器、減速機構(gòu)及扭矩傳感器等）的功能要求進行了分析，并且對EPS的電流控制及上層控制策略（助力控制、回正控制及阻尼控制）進行了逐一論述，最后進行了電機控制電路以及驅(qū)動電路的設(shè)計。致謝本論文的選題、研究內(nèi)容、研究方法及論文的形成是在曹建國教授和徐杰老師支持、鼓勵和悉心指導下完成的。在論文完成的過程中傾注了導師大量的心血，在論文完成之際，特向我尊敬的導師曹老師和徐老師表示衷心的感謝。曹老師高尚的品格、淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、勤懇的敬業(yè)精神以及非凡的領(lǐng)導才能、魄力，都令我十分欽佩，老師的為人處事，讓我深深的領(lǐng)悟到“將者，智、信、仁、勇、嚴也”,所有的這一切將時刻激勵和教育著我，使我受益終生。在我論文完成過程中，曹老師和徐老師在百忙之中抽出時間給予了我很多指導和幫助，在此我特向曹老師和徐老師表示衷心的感謝。參考文獻[1] 王林超，. 2010年 北京 中國水利水電出版社[2] 錢學武. 汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā). 2010年 揚州大學碩士學位論文[3] 王望予. 汽車設(shè)計. 2004年 北京 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