【正文】 向微型車、輕型車和中型車擴(kuò)展。其中，進(jìn)一步改善電動機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。概括地說，今后電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要為:改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。另外，EPS的控制信號將不再僅僅依靠車速、扭矩和方向盤轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。對于我國來說，由于在這方面和國外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，仍須集中精力解決傳感器、電機(jī)、和電子控制器方面的研究工作。同時(shí)，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會第十一屆學(xué)術(shù)年會傳來的信息表明:電動轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文所進(jìn)行的工作正是在這一時(shí)代背景下展開的。第2章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及工作原理系統(tǒng)總體方案的確定，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步，直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的性能、安全運(yùn)行等因素的參數(shù)選定，使設(shè)計(jì)能夠有序、正確的進(jìn)行。第一方案： 此方案以80c552作微處理器。80c552單片機(jī)是由Philips公司生產(chǎn)的一款功能非常強(qiáng)大的MCS51系列兼容機(jī)。但是由于80C552沒有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需對程序存儲器進(jìn)行外部擴(kuò)展。以扭矩傳感器、車速傳感器、發(fā)動機(jī)電流傳感器的輸出信號作為輸入信號，并經(jīng)放大電路、ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到89c52單片機(jī)，再由89c52對輸出電路進(jìn)行分時(shí)控制，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。89C52扭矩傳感器車速傳感器發(fā)動機(jī)電流系統(tǒng)電源點(diǎn)火開關(guān)輸入處理電路輸出監(jiān)控電路直流電機(jī)顯示電路離合器 圖22 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖與方案一相比，此方案的特點(diǎn)是以實(shí)際使用性能為出發(fā)點(diǎn)，比較方案一來說更節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存空間，在使用中有較強(qiáng)的隨機(jī)應(yīng)變能力。故本設(shè)計(jì)中選方案二為設(shè)計(jì)方案。典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖23示: 圖23 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成從圖上可以看出，所謂的EPS系統(tǒng)就是在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制器、直流電動機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)，直接利用直流電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸提供助力轉(zhuǎn)矩?？刂破鞲鶕?jù)得到的信號判斷是否助力以及助力的方向。后者提供相應(yīng)的電壓或者電流給電動機(jī)。當(dāng)汽車點(diǎn)火后，方向盤轉(zhuǎn)動時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤輸入軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷的測出轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)向力矩，該信號與車速信號同時(shí)輸入給控制器ECU。電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)電磁離合器通過減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速轉(zhuǎn)矩后，施加給轉(zhuǎn)向桿輸出軸，并經(jīng)過齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用，使之得到一個(gè)與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。1:轉(zhuǎn)向柱助力式(Columnassist Type)此時(shí)電動機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見的助力形式。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。如果電動機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話，必須考慮對電動機(jī)噪聲的抑制。它具有轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的全部優(yōu)點(diǎn)，并且還可在現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向器上直接設(shè)計(jì)，而不用改變轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)。 3:齒條助力式(Rackassist Type) 電動機(jī)的電樞通過傳動機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動變?yōu)槠絼訌亩鴮?shí)現(xiàn)助力。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，工作環(huán)境差，要求密封好，要求電動機(jī)的輸出力矩比較大，并且一旦某一部件出現(xiàn)故障，必須拆下整個(gè)轉(zhuǎn)向齒條部件，因此維修不方便。高的轉(zhuǎn)向靈敏性，要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動比，以小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角獲得迅速轉(zhuǎn)向?？梢?，上述的兩個(gè)要求是矛盾的。一般來說，電動式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿足動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的如下要求： (1)能有效減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力。 (2)轉(zhuǎn)向靈敏度好。 (3)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤應(yīng)能自動回正。 (4)要有隨動作用。 (5)工作可靠。為了研究EPS系統(tǒng)的動態(tài)特性及EPS系統(tǒng)對汽車操縱性的影響，EPS數(shù)學(xué)模型的建立是進(jìn)行理論研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖24 EPS動態(tài)模型對轉(zhuǎn)向盤和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動慣量，并且把輸入軸的粘性阻尼考慮在內(nèi)，可以得到如下運(yùn)動方程: J+B=TT (21) 式中Js—轉(zhuǎn)向盤、輸入軸的轉(zhuǎn)動慣量，Kg Bs—輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，N —輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。m。m 。m/rad 。系統(tǒng)采用永磁式直流電動機(jī)，如圖25所示，電動機(jī)的端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動勢常數(shù)Kb、轉(zhuǎn)速m、電流I和時(shí)間t之間的關(guān)系如下: U=L十RI十Km （23） 圖25 永磁式直流電動機(jī)模型電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為:Tm = Ka I (24)式中Ka—電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù):全文用了很多這種英文標(biāo)點(diǎn)符號，需要你自己好好檢查一下。NA。m + Bm式中Jm,—電動機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動慣量，Kg Bm—電動機(jī)粘性阻尼系數(shù)，N m—電動機(jī)的轉(zhuǎn)角，rad。m。m 。m/rad 。e +BeTa – Tw (27)式中Je—輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量，Kg Be—輸出軸的阻尼系數(shù)，N G—蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比。m 。 Br—齒條的阻尼系數(shù)，N/(m/s)。 Rp—小齒輪半徑，m。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)阻以及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。 F—路面的隨機(jī)信號，N。聯(lián)立上面所建的動力學(xué)方程，可以得到: Jss + Bss+ Kss=T （210） Jmm +Bm m +Km m = Tm+ G Km （211） Mrr+Brr+KrXr=+F （212）Mr=mr+——減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量，Kg；Br=br+——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）。除了本身的機(jī)械傳動部件外，主要的部件還包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、直流電動機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制器ECU (Electronic Control Unit)。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；磁、光和感應(yīng)技術(shù)。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。鋼球通過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。同時(shí)，滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤，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。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，、副兩路。?dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)， V， V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。車速信號由車速傳感器測得，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。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的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會產(chǎn)生交流電流。 圖27 車速傳感器的工作原理車速傳感器的輸出信號一般是經(jīng)里程表處理后，變成方波信號送給控制系統(tǒng)。EPS用直流電動機(jī)與一般的起動電機(jī)在原理上基本相同，但一般采用永磁電動機(jī)。作為EPS系統(tǒng)助力的提供者，直流電動機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。 2)較小的轉(zhuǎn)動慣量。 4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低。按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動機(jī)作為EPS系統(tǒng)的助力電機(jī)，其工作的額定電壓為12 V,額定電流為30A,，額定轉(zhuǎn)速為1050r/min,額定輸出功率為170W，. 電磁離合器安裝在電動機(jī)和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)快速地結(jié)合和分離。當(dāng)系統(tǒng)車速高于設(shè)定值或電機(jī)電流高于設(shè)定值或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器又?jǐn)嚅_電動機(jī)與減速齒輪的連接，使系統(tǒng)停止助力，改為人工操作，從而保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。其工作原理如下:裝在電動機(jī)輸出軸上的主動輪內(nèi)裝有電磁線圈，通過滑環(huán)引入電流。于是，電動機(jī)的動力經(jīng)主動輪、壓板、花鍵、從動軸傳給減速齒輪滅。目前實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)有多種組合方式，一般采用蝸輪蝸桿與轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動組合式，也有的采用兩級行星齒輪與傳動齒輪組合式。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)提供的助力雖不如兩級行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿足微型車的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小以及成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛。在本課題的研究中，所選用的就是蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，它是與電動機(jī)及電磁離合器集成為一體的一個(gè)組成機(jī)構(gòu)。 圖29 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成ECU的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動機(jī)和離合器的動作。21洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制器ECU是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，控制器的硬件性能直接影響EPS系統(tǒng)的控制效果。控制器的設(shè)計(jì)主要包括兩大部分，一是數(shù)據(jù)輸入通道，即數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，二是控制輸出通道，主要是電動機(jī)的控制電路。EPS控制器結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。汽車在行駛過程中，ECU采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的輸入信號，根據(jù)已定的控制規(guī)則，確定一個(gè)目標(biāo)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，并以PWM調(diào)制的方式通過H橋電路來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。另一方面結(jié)合車速信號，用于系統(tǒng)的保護(hù)。作為汽車電子技術(shù)研究的熱門課題之一，國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對控制器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了新的嘗試和探討，主要體現(xiàn)在控制芯片的選擇上。 89C52芯片及A/D轉(zhuǎn)換芯片介紹89C52單片機(jī)芯片引腳如圖32所示。（2） 8通道8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 0808由于單片機(jī)不能直接與模擬信號相連接，所以必須有一個(gè)器件完成從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，而ADC0808就是這樣一個(gè)器件。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可控制選擇8個(gè)模擬量中的一個(gè)。輸出的數(shù)字信號有TTL三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線。主體部分是采用逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，由CLK信號控制內(nèi)部電路的工作，由START信號控制轉(zhuǎn)換開始。ADC0808與89C52連接圖如圖33所示。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有74LS3782874LS273等。圖34為74LS373引腳圖。74LS373是帶三態(tài)輸出的8位鎖存器。 由于89C52的數(shù)據(jù)存儲器不能滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，必須外接RAM。片外的RAM可直接掛在外部系統(tǒng)總線上，至于RAM的選通操作，需要由控制信號和片外信號確定。單片機(jī)片外RAM芯片的種類和型號非常多。本系統(tǒng)選擇6264來外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器。 圖35 6264的各個(gè)功能引腳 ●Vcc：電源電壓，+5V。 ●A0A12:地址線。 ●：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號線。單片機(jī)和片外RAM的電路連接圖如圖36所示.。單片機(jī)的ALE連接地址鎖存器的控制端；連接6264的輸出允許端。輸入的轉(zhuǎn)矩信號幅值為05 V,A/ Y,故對轉(zhuǎn)矩信號除了一般的濾波處理外，還需對其進(jìn)行分壓處理。此采樣濾波電路為二階低通有源濾波電路，阻值相同的R1, R2先將輸入的轉(zhuǎn)矩信號分壓，幅值變?yōu)樵瓉淼囊话?，然后與C1構(gòu)成一階低通濾波電路，R3與C2構(gòu)成第二級一階低通濾波，運(yùn)放則作為一個(gè)電壓跟隨器來使用。 圖37 轉(zhuǎn)矩信號采集電路電動機(jī)的反饋電流是電動機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個(gè)參數(shù)，它一方面用來與目標(biāo)電流的比較，使其更接近于目標(biāo)電流。電機(jī)的反饋電流采用霍爾電流傳感器采集，電機(jī)的額定電流為30A，本課題所選用的是PASHID50型霍爾電流傳感器，具有反應(yīng)時(shí)間快，過載能力強(qiáng)，全程范圍內(nèi)極高的線性度的特點(diǎn)。 圖38 PASHID50霍爾傳感器電路連接圖由于助力電動機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分。 圖39 電動機(jī)電流采集電路車速信號是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號， V以上。所以車速信號