【正文】 電機驅動模塊，實現(xiàn)對助力電機扭矩控[5]。m?？紤]到對原機械轉向系統(tǒng)的影響，要求電動機具有噪聲低、低轉速大扭矩、波動小、轉動慣量小、尺寸小和質量輕等特點，以便達到良好的動態(tài)特性和可靠性。它主要由電磁線圈，主動輪，從動輪和壓板等部件構成。這樣，電動機的動力就經過主動輪、壓板、花鍵輸出到從動軸上。圖 電磁離合器工作原理圖1—滑環(huán) 2一電磁線圈 3—壓板 4—花鍵5一從動軸 6—主動輪 7一滾珠軸承電磁離合器的作用有以下兩個方面：第一，防止動力過載。 減速機構減速機構用來增大電動機的輸出轉矩，主要有兩種形式：蝸輪蝸桿減速機構和雙行星齒輪減速機構。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構中的齒輪有的采用樹脂材料制成，有的采用特殊齒形。 雙行星齒輪機構在太陽輪和齒圈之間有兩組互相嚙合的行星齒輪，其外面一組行星齒輪和齒圈嚙合，里面一組行星齒輪和太陽輪嚙合。下圖是雙行星齒輪減速機構的工作簡圖： 圖 雙行星齒輪結構示意圖為了保證尺寸在尺寸方面的要求在齒輪5與內齒圈7之間增加了一個中轉齒輪6，這樣不僅保證了傳動的高效性，又保證了齒輪齒輪保證下的強度的要求。不同的連接和固定方案可得到不同的傳動比，三個基本元件的不同組合可有6種不同的組合方案，加上直接擋傳動和空擋，共有8種組合，相應能獲得5種不同的傳動比。 渦輪蝸桿式減速機構普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸計算為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機構中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂材料制成。普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)及選擇:普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)有模數(shù)m、壓力角α、蝸桿頭數(shù)z蝸桿齒數(shù)z2及蝸桿的直徑d1等。設計要求：普通圓柱蝸桿閉式傳動（EP S系統(tǒng)中電機輸出到轉向軸），蝸桿轉速n1=1210r/min，扭矩T1=，傳動比i=，沖擊不大。傳動比i介于5～80之間，根據推薦，確定蝸桿頭數(shù)z1=1.蝸桿與渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 1)蝸桿 直徑系數(shù) q=d1/m= 齒頂圓直徑 da1=d1+2ham= 齒根圓直徑 df1=d12m(ha+c)= 分度圓導程角 γ= 蝸桿軸向齒厚 sa=πm/2= 2)渦輪 渦輪齒數(shù)z2=33。 驗算傳動比i=z2/z1=33，這時的傳動比誤差為（）/=%5%，是允許的。該傳感器穩(wěn)定性較好，經過簡單的信號調理就可以轉成方波信號，供單片機采集。但是在實驗室中，較難采集到實際的車速信號，一般用信號發(fā)生器模擬車速信號。扭力桿的信號測量方式有電位計式、差動式和光電式三種。本論文中采用的是導電塑料電位計式扭矩傳感器，其結構簡單，可靠性好，使用壽命在3000萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。圖 扭矩傳感器工作原理圖傳感器的兩個輸入端分別是VCC和OND(分別是輸入端1和4)。困此，輸出電壓T1減去輸出電壓T2得到的差動電壓值就可以用來表示轉矩的大小和方向。電子控制單元根據扭矩傳感器輸出差動電壓的大小和正負，就可以判斷轉向盤的轉矩大小和轉動方向[9]。結合EPS控制系統(tǒng)的特點，盡可能的減少外圍電路元件和降低成本，而且處理單元還要具備功能模塊多，運算速度快，所以該系統(tǒng)選用PIC16F877是由Microchip公司所生產開發(fā)的新產品，屬于PICmicro系列單片微機，具有Flash program程序內存功能，可以重復燒錄程序，適合教學、開發(fā)新產品等用途；而其內建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。故選用PIC16F887型單片機。在實際的EPS系統(tǒng)中，ECU根據轉向盤轉矩Td與車速v，兩方面的信號確定助力大小，其數(shù)值通過對助力特性曲線族查表來確定。EPS的助力特性具有多種曲線形式，典型的助力特性曲線有三種：直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。 式 式中：Tm為電機的目標轉矩，f(v)為車速感應系數(shù)，Tmax為電機最大助力力矩，K(0)為0Km／h車速下的車速感應系數(shù)，Td0為開始助力時的轉向盤最小力矩。圖 助力特性曲線圖3 EPS系統(tǒng)硬件設計ECU硬件電路是實現(xiàn)電動助力轉向的硬件基礎，ECU硬件電路設計的科學性和合理性，關系到EPS系統(tǒng)的控制效果。 EPS系統(tǒng)硬件電路結構及系統(tǒng)框圖圖 EPS硬件系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要工作流程為：首先對系統(tǒng)進行自動檢測，確保系統(tǒng)各部分工作正常。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電磁離合器與電機脫離，助力電機停止工作[11]。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。迄今為止是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持805HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在PROTUES繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。PROTUES不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展“計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期設計手段?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。 車速信號處理電路，車速信號處理電路由比較器LM31l、電容、二極管和電阻組成。車速信號經過濾波后，通過比較器LM311電路整形，形成規(guī)則的脈沖信號，傳給單片機，由單片機測量脈沖的周期或者頻率，得到車速大小。圖 車速信號處理電路 扭矩信號處理電路，扭矩傳感器的一路扭矩信號經過濾波鉗位后，送給單片機進行A／D轉換。D1導通，；當輸入轉矩信號小于．，Z1導通，ADl信號恒定在．，這樣就將輸入扭矩信號鉗位在．~。兩路扭矩信號經A／D轉換后相減，其差值既反映扭矩的大小，又反映扭矩的方向。圖 電源電路 電磁離合器控制電路采用PWM技術來改變電磁離合器線圈兩端的平均電壓，原理與PWM控制電機的原理一樣。因為PWM的頻率很高，完全可以保證通過電磁離合器線圈的電流是連續(xù)的[13]。該控制利用電動機轉矩和電動機電流成比例的特性，由轉向盤轉矩傳感器檢測的轉矩信號和由車速傳感器檢測的車速信號輸入到控制器單片機中，根據預制的不同車速下“轉矩—電動機助力目標電流表”，確定電動機助力的目標電流，通過對反饋電流與電動機目標電流相比較，輸出PWM信號到驅動回路，以驅動電機產生合適的助力[14]。單片機根據車速和轉矩的大小，經計算分析后，輸出PWM信號驅動電機，再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。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。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。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。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。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]。電動助力系統(tǒng)中采用下述抗干擾措施。在電動助力系統(tǒng)中，接地和敷銅是抑制干擾的重要方法。并盡量加大線性電路的接地面積。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。 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(shù)據傳遞的方向一致，有助于增強抗噪聲能力。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。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]。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(xiàn)硬件控制，為下一步實驗做好準備。控制系統(tǒng)控制目標具體如下：(1)提供合適的助力。(2)有較快的響應速度。(3)有效抑制振動。(4) 良好的路感。 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。在正常的轉向過程中，通常是助力控制。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。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。故本文只討論直線型助力曲線的特性。它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉向盤力成線性關系。 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。當駕駛員放開轉向盤，車輪將在回正力矩的作用下回正。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。 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。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。 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。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。然而，在實際的控制中，電動機電流呈下降變化規(guī)律。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。因為更大的轉向盤轉矩出現(xiàn)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]。數(shù)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。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(xiàn)助力。 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)