【正文】 采用永磁電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 27 車速傳感器的工作原理 車速傳感器的輸出信號(hào)一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號(hào)送給控制系統(tǒng)。由于傳感 器的頂端設(shè)置在附有齒的轉(zhuǎn)子附近，當(dāng)附有齒的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，從傳感器的永久磁鐵出來(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。車速信號(hào)由車速傳感器測(cè)得，車速傳感器也有多種類型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于 V。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，并傳送到控制?ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分為主、副兩路。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時(shí)，輸入軸 和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。同時(shí)，滑塊通過(guò)一個(gè)銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。鋼球通過(guò)螺旋球表面固定在輸入軸外側(cè)的螺旋球槽和滑塊內(nèi)側(cè)的球洞里。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類，非接觸式主要是使用下列三種技術(shù)之一 ； ]6[ 磁、光和感應(yīng)技術(shù)。除了本身的機(jī)械傳動(dòng)部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn) 矩傳感器、車速傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器 ECU (Electronic Control 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 Unit)。聯(lián)立上面所建的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到 : Js..? s + Bs .? s+ Ks? s=TprRX （ 210） Jm..? m +Bm .? m +Km ? m = Tm+ G KmprRX （ 211） Mr ..X r+Br .X r+KrXr=pmrGK m? +psrK s? F ? （ 212） Mr=mr+2perJ——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量， Kg； Br=br+2perB——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量阻尼系數(shù)， N/（ m/s）。 F? —路面的隨機(jī)信號(hào)， N。 轉(zhuǎn)向阻力 FTR 主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的摩擦、回正力矩及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種摩擦力和力矩的影響，同時(shí)它還與車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、 風(fēng)阻以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。 Rp—小齒輪半徑， m。 Br—齒條的阻尼系數(shù)， N/(m/s)。m 。 G—蝸輪 蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比 。 Be—輸出軸的阻尼系數(shù)， NTa – Tw (27) 式中 Je—輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kg? e +Bem/rad 。m 。m。 ? m—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角， rad。 Bm—電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)， N.? m=TmTa (25) .. mm m m m aJ B T T???? 式中 Jm,—電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， Kg 對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械 部分受力分析，可以得到 : JmmI 十 RI 十 K 。 ? s—輸出軸的旋轉(zhuǎn)角， rad 。 由于轉(zhuǎn)矩傳感器是依靠扭桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭桿受到的轉(zhuǎn)矩與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度成正比，即 有 Tsen = Ks (? s? e) (22) 式中 KS—扭桿的剛性系數(shù)， N Tsen—扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩， N Th —作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩， Nm /( rad / s) 。m2 。 EPS 的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸、電動(dòng)機(jī)、減速結(jié)構(gòu)和齒輪齒條四個(gè)主要部分，根據(jù)系統(tǒng)的使用條件和研究對(duì)象，忽略一些次要因素，對(duì) EPS 部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立各部分的力學(xué)模型，然后再根據(jù)各部件之間的相互約束關(guān)系，聯(lián)立各模型，得到 如圖 24 所示的模型。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向失敗或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過(guò)人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角保持一定電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。駕駛員應(yīng)有良好的 ―路感 ‖。轉(zhuǎn)向靈敏度就是轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生助力作用的快慢程度。而行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于 245N。而電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器由于采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和控制電機(jī)提供助力，因而能較好的解決這一矛盾。好的操縱輕便性，則要求轉(zhuǎn)向器具有較大的傳動(dòng)比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)要求 對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，主要可以概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的穩(wěn)定性。作為最初應(yīng)用的 EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置的限制，可以提供較大的助力力矩，電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤上。 因此本設(shè)計(jì)采用此種助力方式。 2:小齒輪助力式 (Pinionassist Type) 這也是一種目前較為 常見(jiàn)的助力形式，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向小齒輪相連。但是電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤上。由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速和變向。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照其轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和位置的不同，可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向軸小齒輪助力式和齒條助力式三種形式 ?？刂破鞲鶕?jù)輸入的這些信號(hào)，依據(jù)相應(yīng)的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動(dòng)機(jī)的電流大小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小。電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力作用。若需要助力，則依照既定的控制策略計(jì)算電機(jī)助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應(yīng)控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩與方向盤轉(zhuǎn)角大小并和車速信號(hào)一起送入電子控制器。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電機(jī)作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)和車速信號(hào)，由電子控制裝置來(lái)執(zhí)行助力控制的。根據(jù)上述種種分析得出，方案二為本設(shè)計(jì)中的最佳方案。 與 80c552 相比， 89c52 不需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 21 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖 第二方案： 此方案是由 89c52 作為微控制器， 如圖 22 所示。除了提供80C552 的全部功能外，還提供了大量的硬件資源，引入了許多新的功能，是專為儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)控制等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的高性能單片機(jī)。 如圖 21 所示。為更好的擬定一份準(zhǔn)確、可靠的總體方案，可以采用 “ 多選一 ” 的形式。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，本文詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過(guò)仿真提出了一條可供進(jìn)一步研究的控制策略 。因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。 ]2[ 本課題將通過(guò)合適的綜合控制方法，設(shè)計(jì)合適的控制 系統(tǒng)，以提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和路感，并為以后的深入研究 EPS 的工作打下良好的基礎(chǔ)。 本課題研究的目的與意義 汽車電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著 “ 輕 ” 與 “ 靈 ” 的矛盾，即汽車低速時(shí)需要 “ 輕 ” 的轉(zhuǎn)向力，高速時(shí)需要 “ 靈 ” 的轉(zhuǎn)向效果。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 這將是 EPS 的未來(lái) 10 年的發(fā)展方向 。未來(lái)的 EPS 將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過(guò)總線技術(shù)電子懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)動(dòng)。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，才能滿足更高檔車的使用要求。電動(dòng)機(jī)本身的性能及其 與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向、路感等問(wèn)題。 盡管 EPS 已達(dá)到了其最初的設(shè)計(jì)目的，但仍然存在一些問(wèn)題急待解決，比如提高現(xiàn)有應(yīng)用的 EPS 系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)成本等。 EPS 的發(fā)展趨勢(shì)和急待 解決的核心技術(shù) 首先， EPS 的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓寬，將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備在汽車上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。如重慶長(zhǎng)安的奧拓、安徽的奇瑞、南京菲亞特、廣州本田飛度、昌河北斗星等。 EPS 產(chǎn)品在 20xx 年才有國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)知道的有10 多家科研院校正在研制中，如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)、天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等， 另外還有 10 多家轉(zhuǎn)向企業(yè)和 10 多家配套企業(yè)也在研制中。美國(guó)的 TRW 公司，日本的三菱公司、 KOYO 公司，德國(guó)的 ZF 公司都相繼研制出了電動(dòng)式 EPS。同年，在歐洲市場(chǎng)銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車 菲亞特幫托也將美國(guó)德?tīng)柛９旧a(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。同年，美國(guó)通用公司也在某些型號(hào)的汽車上裝備了電動(dòng)式 EPS。 由此可見(jiàn)， EPS 和 HPS 相比，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車時(shí)代發(fā)展主題的高新技術(shù)，必將逐步取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 措施和故障自診斷功能。同時(shí)由于液壓油在低溫時(shí)的粘度很大，存在低溫時(shí)必須有個(gè)加溫的過(guò)程，而EPS 可以在零下 40℃ 很好的工作，基本 上不存在受溫度影響的問(wèn)題。同時(shí)省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓 油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪等，其零件比 HPS 大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，在安裝位置的選擇方面也更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，維修更簡(jiǎn)單。和 HPS 相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒(méi)有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。這樣增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)部分的阻尼也使得車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。 ]1[ 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 。裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，在不轉(zhuǎn)向情況下、裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低 %。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不停地流動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。并且可通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來(lái)滿足不同對(duì)象使用的需要。 20世紀(jì) 80 年代開(kāi)始研究的汽車上電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)。但是傳統(tǒng)的 HPS 需要持續(xù)的能量消耗，降低了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 緒論 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn) 由于動(dòng)力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)在各國(guó)汽車上開(kāi)始普遍應(yīng)用。 隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，轎車的普及率將會(huì)越來(lái)越高，轎車的駕駛轉(zhuǎn)向的輕便性將成為購(gòu)車者考慮因素之一。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，研制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵，在于電子控制技術(shù)，包括確立適宜的助力特性，還有采集主要參數(shù)的傳感技術(shù)。隨著近年來(lái)電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低， EPS 越來(lái)越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱 HPS）。汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國(guó)際上已有一些大的汽車公司在探討開(kāi)發(fā)的下一代線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 and utilizing the PulseWidth Modulation (PWM) technology, power could be provided to the steering system by controlling the output current and rotation direction through Hbridge circuit. The software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition amp。 本文所設(shè)計(jì)的 EPS 電子控制單元性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，與整車匹配性能好，可保證 EPS 實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)向助力效果。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。 在研制了實(shí)驗(yàn)用 ECU 裝置后，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的控制軟件。 本文詳細(xì)分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元的功能，研究開(kāi)發(fā)了以 89c52單片機(jī)為微處理器的電子控制單元。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 摘 要 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (Electric Power Steering System，簡(jiǎn)稱 EPS)，是汽車工程領(lǐng)域的熱門課題之一。本文在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了 EPS 的電子控制單元 ECU (Electronic Control Unit)的硬件電路和相應(yīng)的控制軟件框圖。控制單元具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制功能，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，確定電動(dòng)機(jī)輸 出的目標(biāo)電流，利