【正文】 2I / O 口串 行 I / OU A R T控 制 信 號(hào)PORT0PORT1PORT2PORT3PORT41 61 6V c cV s sX T A L 2X T A L 1TXDRXDHSIOV R E FA N G N DC P UT2CLK 圖 單片機(jī) 80C196KC 內(nèi)部。本系統(tǒng)由 CPU、鎖存器、譯碼器、第四章 EPS 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 27 EEPROM 組成，采用 8M 晶振，為與外圍的常用接口芯片配合，采用 8 位總線方式，為減小功耗并考慮接線的方便，外圍接口芯片均采用高速 CMOS 芯片。研究中所用的單片機(jī)系統(tǒng)主要由80C196KC 單片機(jī)、鎖相環(huán)濾波電路、復(fù)位電路、晶振電路、串行通訊電路等組成。 單片機(jī)系統(tǒng)介紹 單片機(jī)是控制器的核心，它根據(jù)各種輸入?yún)?shù)判定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定的控制策略來(lái)計(jì)算控制量，發(fā)出控制指令。 電機(jī)電流的測(cè)量是采取其采樣電阻兩端的電壓，由于采樣電阻功率限制，阻值非常小，電阻兩端電壓值也非常小，這樣對(duì)應(yīng)采入的電機(jī)電流非常小，因而擾動(dòng)對(duì)其造成的影響非常大，必須在進(jìn)入 A/D 前將其放大，才能取得比較滿(mǎn)意的采樣效果。 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車(chē) EPS 系統(tǒng)的重要組成部件，用于測(cè)量駕駛員施加在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩大小和方向。 傳感器 EPS 系統(tǒng)需要采集到方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、車(chē)速、電機(jī)電流信號(hào)以及如蓄電池電壓、控制器散熱器溫度等在內(nèi)的狀態(tài)信號(hào)，因此傳感器的選型和設(shè)計(jì)是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)于電流 的測(cè)量，通過(guò)采樣電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行采樣，而后進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成電流閉環(huán)控制。另外還有電源電路，通訊電路等。并著重論述了電動(dòng)機(jī)電流的 PWM 控制策略和閉環(huán)控制算法。本章對(duì)助力特性進(jìn)行了分析，討論了路感及路感強(qiáng)度、助力特性的基本要求及曲線特征，闡明了確定助力特性曲線的一般方法。助力特性是指轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩與助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩的映射關(guān)系，是由輸入信號(hào)得到輸出信號(hào)的依據(jù)與關(guān)鍵，助力特性曲線就是表示這一映射關(guān)系的曲線。因 PID 參數(shù)用試湊法整定，通過(guò)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，反復(fù)湊試參數(shù) [17]。 PID 參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)確定方法。另外控制變量不宜過(guò)大，以避免系統(tǒng)過(guò)載。在對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在給定值變化時(shí)，被控量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)的跟蹤，超調(diào)量要小。電動(dòng)機(jī)電流增量式數(shù)字 PID 控制算法如下 : ( ) ( ) ( 1 ) ( 2)( ) ( 1 ) ( )( ) I ( ) ( )(1 )(1 2 )mbDpIDPDPu k Ae k Be k C e ku k u k u ke k k I kTTAKTTTBKTTCKT? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ???? (36) 式中， k 為采樣序號(hào)， k=0， 1， 2… ； △ u(k)為第 k 次采樣時(shí)刻的電動(dòng)機(jī)電樞電壓增量； e(k)為第 k 次采樣時(shí)刻電動(dòng)機(jī)實(shí)際電流 I(k)與目標(biāo)電流 Imb(k)的偏差值。只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此采用增量式數(shù)字 PID 控制器來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)電流的控制。數(shù)字 PID 有位置式和增量式兩種。 PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是通過(guò)硬件 (電子元件、氣動(dòng)和液壓元件 )來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能。微分作用不足之處是放大了噪聲，而且過(guò)大的微分常數(shù)是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。但積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量增大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。 (2)積分環(huán)節(jié) :積分環(huán)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。 TI—積分時(shí)間常數(shù) TD—微分時(shí)間常數(shù) KP—比例系數(shù) 三個(gè)環(huán)節(jié)的不同作用簡(jiǎn)述如下 : (1)比例環(huán)節(jié) :比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。其基本算法是：控制器的輸出是與控制器的輸入(誤差 )成正比，與輸入的積分成正比和與輸入的導(dǎo)數(shù)成正比這三個(gè)分量之和。 數(shù)字 PID 控制算法 PID(比例、積分、微分 )控制由于其原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制中得到了廣第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 23 泛的應(yīng)用。 電動(dòng)機(jī)電流的閉環(huán)控制算法 在目標(biāo)電流決定以后，為了使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作電流能迅速跟蹤目標(biāo)電流 ，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)目標(biāo)電流跟蹤器。這種工作方式上下橋臂沒(méi)有直通的危險(xiǎn)，工作可靠性比較高。也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速信號(hào)可用電動(dòng)機(jī)電壓和電流進(jìn)行估算，在本系統(tǒng)中沒(méi)有角度傳感器信號(hào)，只有采用第二種方法。一般有兩種方法。當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩消失，控制結(jié)束。當(dāng)方向 盤(pán)轉(zhuǎn)矩較小，進(jìn)入助力死區(qū) (意味著此時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)已經(jīng)回到或接近中間位置 )，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度比根據(jù)當(dāng)前車(chē)速得到的某特定值大時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行中位控制。 直流電動(dòng)機(jī)的等效電路可簡(jiǎn)化為 mbNKRIU ?? ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 IKT am ? ，所以有 mbam NKKRTU ?? （ 33) 當(dāng)電源短路時(shí)則有： mabm NRKKT ??? (34) 該式表明當(dāng)電源短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)的力矩表現(xiàn)為制動(dòng)力矩，與電動(dòng)機(jī)的方向相反，轉(zhuǎn)速成比例。左轉(zhuǎn)回正時(shí) V3 導(dǎo)通， V2 進(jìn) 行 PWM控制。功率驅(qū)動(dòng)單元的電路與常規(guī)助力控制相同如圖。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 21 圖 回正助力特性曲線 圖 回正控制驅(qū)動(dòng)電路 利用方向盤(pán)力矩微分值判斷是否處于回正狀態(tài)。因此電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流需要根據(jù)回正助力特性來(lái)確定。汽車(chē)在高速行駛時(shí)，側(cè)向加速度比較大，回正力矩也較大，為了提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須控制回正速度，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)超調(diào)和左右擺動(dòng)的現(xiàn)象。汽車(chē)在轉(zhuǎn)向回正時(shí)，轉(zhuǎn)向輪主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角使得轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。由于 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)快速轉(zhuǎn)向時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，引入 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)目標(biāo)電流進(jìn)行補(bǔ)償。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 20 圖 助力控制驅(qū)動(dòng)電路 補(bǔ)償控制 為了降低助力增益的增加對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，需要引入微分控制，使得當(dāng)助力增益增加時(shí)，相對(duì)阻尼系數(shù)不降低較多，保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)， V1 導(dǎo)通， V4 進(jìn)行 PWM 控制。利用方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車(chē)速傳感器檢測(cè)到的車(chē)速信號(hào)輸入控制器中，根據(jù)存儲(chǔ)在控制器的 “轉(zhuǎn)矩 —電動(dòng)機(jī)助力目標(biāo)電流表 ”，確定電動(dòng)機(jī)助力的目標(biāo)電流，通過(guò)電動(dòng)機(jī) 電流控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。 對(duì)于受限單極方式的 PWM 控制，在正轉(zhuǎn)時(shí)， V4 導(dǎo)通， V2 和 V3 截止，僅 Vl 受PWM 調(diào) 制；在反轉(zhuǎn)時(shí)， V2 導(dǎo)通， V1 和 V4 截止，僅 V3 受 PWM 調(diào)制。當(dāng)兩種狀態(tài)相等時(shí)，相當(dāng)于平均電壓為 0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。最簡(jiǎn)單的控制室，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，首先第一組導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)兩端 A 和 B 施加正向電壓，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙M導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)兩端施加反向電壓。圖 和 所示的為 H 橋結(jié)構(gòu)部分，有四個(gè)功率開(kāi)關(guān)和四個(gè)續(xù)流二極管組成。由于 EPS 系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)能夠正反向運(yùn)轉(zhuǎn)，因此電動(dòng)機(jī)控制電路中設(shè)計(jì)了一個(gè) H橋式斬波 電路。對(duì)于 EPS 系統(tǒng)第二種控制目的，限于實(shí)驗(yàn)條件不能很好模擬實(shí)際車(chē)輛的轉(zhuǎn)向過(guò)程，僅僅設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的控制方法，回正時(shí)減小目標(biāo)電流，方向盤(pán)在中位時(shí)對(duì)電機(jī)制動(dòng)?？刂七^(guò)程與電機(jī)電樞電流控制法類(lèi)似，但多用了轉(zhuǎn)向角傳感器。轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩控制法就是直接以轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩為控制量進(jìn)行控制。該控制方法可省略方向盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器，采用電機(jī)電流閉環(huán)控制，其突出的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，抗干擾性強(qiáng)。 電機(jī)電樞電流控制法 電機(jī)電樞電流控制方法利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車(chē)速信號(hào)輸入控制器單片機(jī)中，根據(jù)預(yù)制的 “轉(zhuǎn)矩一電動(dòng)機(jī)助力目標(biāo)電流表 ”確定出電機(jī)助力的目標(biāo)電流，電流檢測(cè)電路將電機(jī)電樞電流反饋到控制器中并與電機(jī)目標(biāo)電流相比較，利用 PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出 PWM 信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行助力。該方法利用電機(jī)電壓開(kāi)環(huán)控制原理，將轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及車(chē)速信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后分別輸入到單片機(jī)中，有不同車(chē)速下的轉(zhuǎn)矩表和轉(zhuǎn)速表查表得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出最佳 PWM 占空比，通過(guò)調(diào)整占空比的大小，控制電機(jī)電樞平均電壓， 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力回路中的功率電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)助力。如車(chē)輛進(jìn)行 “J”字型轉(zhuǎn)向行駛 時(shí)，先需要電機(jī)提供助力減輕駕駛員員操縱力；再重新回到直線行駛時(shí)需要方向盤(pán)平滑的、無(wú)震蕩的回到中間位置。 EPS 系統(tǒng)的控制目的主要有： ① 能有效的減小轉(zhuǎn)向操縱力，并提供與手動(dòng)轉(zhuǎn)向一致的、可控的轉(zhuǎn)向感覺(jué)； ② 提高轉(zhuǎn)向盤(pán)回正特性，低速轉(zhuǎn)向后方向盤(pán)能迅速準(zhǔn)確的回到中位，高速回到中位時(shí)避免震蕩和擺振。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 17 圖 理想的助力特性曲線 EPS 系統(tǒng)控制策略的研究 EPS 系統(tǒng)控制方法的選擇 轉(zhuǎn)向過(guò)程中，汽車(chē)車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩變化范圍很大，不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，需要不同的控制模式和控制方法。不同車(chē)速轉(zhuǎn)向時(shí)，助力電機(jī)提供不同助力比，高車(chē)速轉(zhuǎn)向時(shí)的助力比小，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。 (2)助力曲線有轉(zhuǎn)向助力死區(qū)，在轉(zhuǎn)向力矩較小的區(qū)域，提供的轉(zhuǎn)向助力為零，且在不同車(chē)速時(shí)，開(kāi)始助力的時(shí)機(jī)不同，以保證具有足夠的路感。 (1)隨著車(chē)速的不同，得到一簇助力曲線。一般來(lái)說(shuō)，裝有助力裝置的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的不悖于駕駛員原有的駕駛習(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時(shí)得心應(yīng)手。 在不同車(chē)速下，輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和助力電機(jī)力矩的關(guān)系怎樣變化。因?yàn)檗D(zhuǎn)向阻力的影響因素眾多，無(wú)法精確確定，所以決定了 K 最終需要理論分析結(jié)合試驗(yàn)調(diào)試來(lái)確定。 Mio 和 Mmxa 與駕駛員的主觀感覺(jué)有關(guān)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者和駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求，通過(guò)試驗(yàn)獲得。 直線型助力曲線的確定需要確定三個(gè)參數(shù)：助力裝置開(kāi)始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)操舵力矩Mio。 圖 助力曲線 2 的兩種簡(jiǎn)化形式 系統(tǒng)助力特性曲線的確定方法 EPS 系統(tǒng)助力特性曲線的確定包括兩個(gè)層面的問(wèn)題：一是在某一特定車(chē)速下輸入轉(zhuǎn)第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 16 向盤(pán)力矩和助力電機(jī)力矩的關(guān)系；二是在不同車(chē)速下，輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和助力電機(jī)力矩的關(guān)系怎樣 變化。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，用直線代替助力曲線。對(duì)于曲線2， Mio 表 示助力裝置開(kāi)始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)操舵力矩， Mimax 表示助力裝置提供最大助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩。 Mu 與 Mso 和 Mzu 呈單調(diào)增函數(shù)關(guān)系；其輸入輸出特性是 Mso 和 Mzu 的疊加，如圖 所示。其輸入輸出特性如圖所示，圖中實(shí)線為正向傳動(dòng)的特性；虛線為反向傳動(dòng)的特性。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的輸入力矩 M1(Nm)與系統(tǒng) 的輸出力矩 M0(Nm)(系統(tǒng)克服的轉(zhuǎn)向阻力矩 )之間存在線性關(guān)系。車(chē)速高、路況好、轉(zhuǎn)彎半徑大、風(fēng)阻小，即轉(zhuǎn)向阻力較小時(shí)，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)比較輕松；反之則較沉重。 EPS 助力特性曲線確定 ，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)的作用力 (亦稱(chēng)操第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 14 舵力 )克服的主要阻力有：車(chē)輪與地面的摩擦 (滾動(dòng)和滑動(dòng)的 )；主銷(xiāo)后傾角與主銷(xiāo)內(nèi)傾角所形成的回正力矩；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的各種類(lèi)型的摩擦力和力矩。這就是為什么駕駛員往往把轉(zhuǎn)盤(pán)輕與 “飄 ”聯(lián)系在一起的原因。因?yàn)檗D(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)總是低頻的，而路面沖擊總是以高頻為主的，這種阻尼器對(duì)低頻的信息沒(méi)有影響，而對(duì)瞬時(shí)的高頻沖擊卻可產(chǎn)生很大的阻力，從而使路面的沖擊傳不到轉(zhuǎn)向盤(pán)上來(lái)。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦的存在，對(duì)轉(zhuǎn)向力中的側(cè)向力信息來(lái)說(shuō)總是一種 “噪聲 ”從而降低了轉(zhuǎn)向力中的 “信噪比 ”。通常，如果逆?zhèn)鬟f的摩擦力太小，也會(huì)增大不平路面對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的沖擊。不過(guò)，更確切地說(shuō)，原則上是轉(zhuǎn)向力中與前輪側(cè)向力有著對(duì)應(yīng)關(guān)系的那一部分 (回正力矩部分 )不能太小，而與前輪側(cè)向力無(wú)關(guān)的各種摩擦力矩則是越小越好。如果轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向力太小了， “路感 ”也就沒(méi)有了。但是轉(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) (包括車(chē)輪與 路面的附著狀態(tài) )與駕駛員手上的力有一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是所謂的 “路感 ”。如果問(wèn)： “轉(zhuǎn)向力大好還是小好 ?可能大部分開(kāi)過(guò)車(chē)的人都回答： “當(dāng)然小些好，但太小也不好。除了回正力矩以外，駕駛員還需要克服主銷(xiāo)的摩擦阻力矩、轉(zhuǎn)向機(jī)的摩擦力矩 (其大小取決于轉(zhuǎn)向機(jī)效率 )、各個(gè)球頭的摩擦力矩以及原地轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎與地面的摩擦力矩等。 轉(zhuǎn)向阻力和路感 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪上作用著與轉(zhuǎn)向力相應(yīng)的 “繞主銷(xiāo)的阻力矩 ”，通?；\統(tǒng)地稱(chēng)為回正力矩。 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 13 3) “電動(dòng)機(jī)助力矩 ”是由電動(dòng)機(jī)為了提高汽車(chē)操