電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）

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1、（論文）1目 錄1 引言.11.1 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn) .11.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .21.3 EPS 的發(fā)展趨勢(shì)和急待解決的核心技術(shù).21.4 本課題研究的目的與意義 .32 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及其工作原理.42.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 .52.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 .72.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分 .113 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).163.1 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu).163.2 控制器微處理芯片的選擇 .173.3 控制器輸入通道的設(shè)計(jì) .203.4 控制器輸出通道的設(shè)計(jì) .233.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) .283.6

2、 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 .284 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).304.1 EPS.的控制策略.304.2 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計(jì) .325 總結(jié).38參考文獻(xiàn).39致 謝.40（論文）2附錄.411 引言1.1 汽車(chē)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(chē)上開(kāi)始普遍應(yīng)用?，F(xiàn)今液壓助力轉(zhuǎn)向器(HPS)是以?xún)?nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向器的主流。但是傳統(tǒng)的 HPS 需要持續(xù)的能量消耗，降低了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)其復(fù)雜的液壓系統(tǒng)具有助力特性不可調(diào)整、污染環(huán)境、維修不便等缺點(diǎn)。20世紀(jì) 80

3、年代開(kāi)始研究的汽車(chē)上電能為動(dòng)力的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。和 HPS 相比，它具有更為突出的優(yōu)點(diǎn): 1.EPS 能在各種行駛工況下提供最佳助力，減少由路面不平所引起的對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，減少汽車(chē)低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性。并且可通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來(lái)滿(mǎn)足不同對(duì)象使用的需要。 2.提高了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。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。相反電動(dòng)轉(zhuǎn)向系的 EPS 需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，是真正的“按需供能型”(on demand)系統(tǒng)。裝有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)輛和裝有

4、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)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(chē)輛燃油消耗降低 2.5%;在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了 5.5% 。1 3.增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在 EPS 中，電動(dòng)機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連以使其能量直接用于車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。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(chē)輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)。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(chē)輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的跟隨性能。4.該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，在停車(chē)時(shí)，也可獲得最大的轉(zhuǎn)向動(dòng)力。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

5、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（論文）3方面也更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，維修更簡(jiǎn)單。 5.EPS 沒(méi)有液壓回路，不存在滲油的問(wèn)題，減少了對(duì)環(huán)境的污染。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。 6.在未來(lái) 10-15 年推出的純電動(dòng)汽車(chē)或者燃料電池汽車(chē)等汽車(chē)上由于沒(méi)有的傳統(tǒng)意義上的內(nèi)燃機(jī)，因此必須考慮安裝 EPS。 7.電動(dòng)轉(zhuǎn)向還可有各種安全保護(hù)措施和故障自診斷功能。使用可靠，維修方便。 由此可見(jiàn)，EPS 和 HPS 相比，是一項(xiàng)

6、緊扣現(xiàn)代汽車(chē)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)。1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)外從 1979 年就開(kāi)始研究電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，1988 年日本鈴木公司首先在其 CER 車(chē)上裝備了電動(dòng)式 EPS。同年，美國(guó)通用公司也在某些型號(hào)的汽車(chē)上裝備了電動(dòng)式EPS。1993 年，本田汽車(chē)公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉利和波爾舍競(jìng)爭(zhēng)的愛(ài)克 NSX 跑車(chē)上;同年，在歐洲市場(chǎng)銷(xiāo)售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)-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。隨后，國(guó)外很多公司和機(jī)構(gòu)介入了電動(dòng)式 EP

7、S 的研究和開(kāi)發(fā)工作。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。經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，EPS 技術(shù)已日趨完善，其應(yīng)用范圍正從最初的微型轎車(chē)向普通轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展。EPS 產(chǎn)品在 2002 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。從市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，國(guó)內(nèi)已裝有 EPS 產(chǎn)品的汽車(chē)主要為 1.3L-1.6L 的轎車(chē)(主要是電動(dòng)機(jī)的功率所致)。如重慶長(zhǎng)安的奧拓、安徽的奇瑞、南京菲亞特、廣州

8、本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國(guó)產(chǎn)汽車(chē)各車(chē)型技術(shù)的實(shí)際情況以及使用條件的特殊性，國(guó)外的 EPS 與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的匹配以及實(shí)用性還存在問(wèn)題，至今還沒(méi)有與國(guó)產(chǎn)汽車(chē)相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 EPS，僅僅在近幾年才開(kāi)展 EPS 的技術(shù)研究，可獲得的技術(shù)資料較少，目前尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。（論文）41.3 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(chē)上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，在全世界汽車(chē)行業(yè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以 9%-10%的增長(zhǎng)速度發(fā)展，年增長(zhǎng)量達(dá) 130 萬(wàn)至 150 萬(wàn)套，估計(jì)至 2005 年，該產(chǎn)品的產(chǎn)量將由目

9、前的 150 萬(wàn)套增長(zhǎng)到 800 萬(wàn)套，2007 年將達(dá)到 1140 萬(wàn)套。按此速度發(fā)展，用不了幾年的時(shí)間，電動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)?huì)完全占領(lǐng)轎車(chē)市場(chǎng)，并向微型車(chē)、輕型車(chē)和中型車(chē)擴(kuò)展。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。其中，進(jìn)一步改善電動(dòng)機(jī)的性能是下一步努力的一個(gè)主要方向。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。概括地說(shuō)，今后電動(dòng)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。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能，才能滿(mǎn)足更高檔車(chē)的使用

10、要求。另外，EPS 的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車(chē)速、扭矩和方向盤(pán)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(hào)進(jìn)行與汽車(chē)特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。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(xiàn)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(chē)的運(yùn)動(dòng)。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(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這將是 EPS 的未來(lái) 10 年的發(fā)展方向。 對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于在這方面和國(guó)外的差距很大，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)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。1.4 本課題研究的目的與意義 汽車(chē)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在

11、著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車(chē)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。同時(shí)，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約。本課題將通過(guò)2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(chē)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)。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)傳來(lái)的信息表明:電動(dòng)轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。本文所進(jìn)行的工作正是在這一時(shí)代背景下展開(kāi)的。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，（論文）5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。2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案

12、確定及其工作原理系統(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。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。第一方案：此方案以 80c552 作微處理器。如圖 2-1 所示。80c552 單片機(jī)是由 Philips 公司生產(chǎn)的一款功能非常強(qiáng)大的 MCS-51 系列兼容機(jī)。除了提供 80C51 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(zhuān)為儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)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)。但是由于 80C552 沒(méi)有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需

13、對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 圖 2-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖第二方案：PWMA/DA/D80c55280c552車(chē)速信號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)扭矩信號(hào)74LS373AT28C64驅(qū)動(dòng)電路光電隔離離合器直流電機(jī)（論文）6此方案是由 89c51 作為微控制器，如圖 2-2 所示。以扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)電流傳感器的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，并經(jīng)放大電路、ADC0809 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到 89c51 單片機(jī)，再由 89c51 對(duì)輸出電路進(jìn)行分時(shí)控制，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。與 80c552 相比，89c51不需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 圖 2-2 電動(dòng)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)

14、是以實(shí)際使用性能為出發(fā)點(diǎn)，比較方案一來(lái)說(shuō)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。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。故本設(shè)計(jì)中選方案二為設(shè)計(jì)方案。2.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理2.1.1 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(chē)速信號(hào)，由電子控制裝置來(lái)執(zhí)行助力控制的。典型的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖 2-3 示:89C51扭矩傳感器車(chē)速傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)電流信號(hào)系統(tǒng)供電電源點(diǎn)火開(kāi)關(guān)輸入處理電路輸出及監(jiān)控電路直流電機(jī)顯示電路離合器（論文）7 圖 2-3 電動(dòng)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

15、統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了車(chē)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制器、電動(dòng)機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接利用動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸提供助力轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大小并和車(chē)速信號(hào)一起送入電子控制器?？刂破鞲鶕?jù)得到的信號(hào)判斷是否助力以及助力的方向。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。后者提供相應(yīng)的電壓或者電流給電動(dòng)機(jī)。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。當(dāng)汽車(chē)點(diǎn)火后，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷的測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)向力矩，該信號(hào)與車(chē)速信號(hào)同時(shí)輸入給控制器 ECU?？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

16、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)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)電磁離合器通過(guò)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(guò)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(chē)工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。2.1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類(lèi)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。31:轉(zhuǎn)向柱助力式(Column-assist type) 此時(shí)電動(dòng)機(jī)、減速器直接與轉(zhuǎn)向柱相連。它可安裝在轉(zhuǎn)向柱上的任意合適位置，一般提（論文）8供蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)減速和變向。工作環(huán)境好，電機(jī)的輸出力矩比較小，是一種目前常見(jiàn)的助力形式。由于各部

17、件相對(duì)獨(dú)立，因此維修方便。設(shè)計(jì)時(shí)也有很大的靈活性。但是電機(jī)輸出力矩的波動(dòng)容易傳遞到方向盤(pán)上。如果電動(dòng)機(jī)的安裝位置和駕駛員的乘坐位置很近的話(huà)，必須考慮對(duì)電動(dòng)機(jī)噪聲的抑制。2:小齒輪助力式(Pinion-assist 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。它具有轉(zhuǎn)向柱助力式 EPS 的全部?jī)?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(Rack-assist type) 電動(dòng)機(jī)的電樞通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒條直接相連，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)從而實(shí)現(xiàn)助力。作為最初應(yīng)用的 EPS，這種助力形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，不受安裝位置

18、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(pán)上。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(dòng)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。2.1.3 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。高的轉(zhuǎn)向靈敏性，要求轉(zhuǎn)向器具有較小的傳動(dòng)比，以小的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角獲得迅速轉(zhuǎn)向。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(pán)操縱力獲得大的轉(zhuǎn)向力矩?？梢?jiàn)，上述的兩個(gè)要求是矛盾的。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

19、。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的如下要求：4(1)能有效減小操縱力，特別是停車(chē)轉(zhuǎn)向操縱力。而行車(chē)轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大于 245N。(2)轉(zhuǎn)向靈敏度好。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。(3)具有直線(xiàn)行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)能自動(dòng)回正;駕駛員應(yīng)有良好的“路感”。(4)要有隨動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角保持一定關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車(chē)輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。（論文）9(5)工作可靠。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。2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 為了研究 EPS 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及 EPS 系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)操縱性的影響，EPS 數(shù)

20、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)。EPS 的機(jī)械部分主要可分為轉(zhuǎn)向盤(pán)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 2-4 所示的模型。（論文）10 圖 2-4 EPS 動(dòng)態(tài)模型2.2.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)和輸入軸受力分析，這里考慮了轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)方程:XXU電機(jī)TsenImTaTwRp轉(zhuǎn)矩傳感 器ECU減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)sTh

21、（論文）11J+B=T -T (2-1)sssshsen式中 Js轉(zhuǎn)向盤(pán)、輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kgm ;2 Bs輸入軸的粘性阻尼系數(shù)，Nm /( rad / s) ; 輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad ;s T 作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，Nm;h Tsen扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，Nm 。 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) (2-2)式中 KS扭桿的剛性系數(shù)，Nm/rad ; s輸出軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。2.2.2 電動(dòng)機(jī)模型 系統(tǒng)采用永磁式直流電動(dòng)機(jī)，如圖 2-5 所示，電動(dòng)機(jī)的端電壓 U 與電感 L、電樞電阻 R、反電動(dòng)

22、勢(shì)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 二 L 十 RI 十 Km （2-3）。I。 圖 2-5 永磁式直流電動(dòng)機(jī)模型 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為: Tm = Ka I (2-4)式中 Ka電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù):NmA。1（論文）12 對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械部分受力分析，可以得到: Jmm + Bmm=Tm-Ta (2-).式中 Jm,電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kgm ;2 Bm電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)，Nm/(rad/s); m電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，rad; Tm電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Nm; Ta電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，Nm 。 在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩 Ta 可以如下式所示 Ta = Km （m Ge

23、） (2-6) 式中 Km電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的輸出軸剛性系數(shù)，Nm/rad 。2.2.3 輸出軸子模型 對(duì)轉(zhuǎn)向柱輸出軸及電機(jī)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程: Jee +Bee=Tsen + GTa Tw (2-7)式中 Je輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kgm ;2 Be輸出軸的阻尼系數(shù)，Nm /(rad / s) ; G蝸輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)的減速比; Tw作用在輸出軸上的反作用轉(zhuǎn)矩，Nm 。2.2.4 齒輪齒條子模型 對(duì)齒條和小齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，可以得到 Mr Xr + Br Xr=-FTR (2-8) pwRT式中 Mr齒條及小齒輪的等效質(zhì)量，Kg; Br齒條的阻尼系數(shù)，N/(m/s); X

24、r齒條的位移，m; Rp小齒輪半徑，m; FTR輪胎轉(zhuǎn)向阻力及回正力矩等作用于齒條上的軸向力，N。 轉(zhuǎn)向阻力 FTR主要受轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)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(chē)速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)速等有關(guān)。對(duì)于常規(guī)助（論文）13力控制過(guò)程該模型的簡(jiǎn)化對(duì)控制策略的影響不大，這里給出簡(jiǎn)化的計(jì)算公式：6 FTR= Kr Xr+F (2-9)式中 Kr等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m ; F 路面的隨機(jī)信號(hào)，N。 其中e=。聯(lián)立上面所建的動(dòng)力學(xué)方程，可以得到:pfRX Jss + Bss+ Kss=Ts + Ks （2-10）.prRXJm m +Bm m +Km

25、 m = Tm+ G Km （2-11）.prRXMr r+Br r+Kr Xr=+-F （2-12）.X.XpmrGKmpsrKsMr=mr+減速機(jī)構(gòu)、小齒輪和齒條等的當(dāng)量質(zhì)量，Kg；2perJBr=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） 。2perBKt=kt+小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m；2p2srGKmk2.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部分電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然有著三種不同的類(lèi)型，但其主要部件幾乎相同。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(chē)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 Con

26、trol Unit)。2.3.1 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用于測(cè)量方向盤(pán)的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)傳送給控制器 ECU，作為系統(tǒng)控制策略的重要依據(jù)之一，它直接影響到控制效果的好壞，所以很多廠(chǎng)家都非常重視轉(zhuǎn)矩傳感器的研究與開(kāi)發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類(lèi)，非（論文）14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)。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線(xiàn)性6功能和滯后性能好，但價(jià)格較高。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。 本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。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)

27、的球洞里?；瑝K相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向移動(dòng)。同時(shí)，滑塊通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)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)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸旋轉(zhuǎn)的方向和輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)(在軸方向)，(等于輸入軸相對(duì)于輸出軸旋轉(zhuǎn))。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，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。這些偏差使滑塊在軸方向移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為圖 2-6 所示的控制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。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)方向盤(pán)處于中間位置時(shí)，主、副兩路輸出的信號(hào)都為 2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 2

28、.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于2.5 V;當(dāng)方向盤(pán)左轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于 2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于 2.5 V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號(hào)即可判斷方向盤(pán)轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。圖 2-6 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性2.3.2 車(chē)速傳感器 車(chē)速信號(hào)也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號(hào)結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車(chē)速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系（論文）15統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車(chē)速信號(hào)由車(chē)速傳感器測(cè)得，車(chē)速傳感器也有多種類(lèi)型，主要是利用電磁原理和光學(xué)原理制成。常見(jiàn)的車(chē)速傳感器工作原理如圖 2-7 所示，車(chē)速傳感7器由永久磁鐵、鐵芯及線(xiàn)圈組成。由于傳感

29、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(xiàn)圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖2-7 為車(chē)速傳感器的工作原理。1.輪毅 2.轉(zhuǎn)子 3.永久磁鐵 4.輸出信號(hào)電壓 5.高速時(shí) 6.低速時(shí) 圖 2-7 車(chē)速傳感器的工作原理車(chē)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)。在本文的研究中，作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬實(shí)際的車(chē)速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。2.3.3 直流電動(dòng)機(jī) EPS 用直流電動(dòng)機(jī)與一般的起動(dòng)電機(jī)在原理上基本相同，但一般采用永磁電動(dòng)機(jī)。為了降低噪聲和減小振動(dòng)，有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外圓表面開(kāi)有斜槽。作為 EPS 系統(tǒng)助力的提供者，直流

30、電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)有較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。一般應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：3 1)盡可能寬的調(diào)速范圍; 2)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 3)良好的低速平穩(wěn)性; 4)體積小、質(zhì)量輕、噪聲低; 5)過(guò)載能力強(qiáng); 按照上述要求，本課題選用了直流有刷永磁電動(dòng)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，額定轉(zhuǎn)矩為 1.48Nm.（論文）162.3.4 電磁離合器 電磁離合器安裝在電動(dòng)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)工作于助力模式時(shí)，離合器使電機(jī)與減速齒輪結(jié)合，傳送電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)車(chē)速高于

31、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_(kāi)電動(dòng)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。一般的EPS 系統(tǒng)通常采用干式單片式電磁離合器，它的結(jié)構(gòu)如圖 2-8 所示，主要由電磁線(xiàn)圈、 主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓板 1 滑環(huán) 2 電磁線(xiàn)圈 3 壓板 4 花鍵 5 從動(dòng)軸 6 主動(dòng)軸 7 滾珠軸承圖 2-8 電磁離合器結(jié)構(gòu)圖等組成。其工作原理如下:裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸上的主動(dòng)輪內(nèi)裝有電磁線(xiàn)圈，通過(guò)滑環(huán)引入電3流。當(dāng)離合器通電時(shí)，電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力使壓板與主動(dòng)輪端面壓緊。于是，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳給減速齒輪滅。2.3.5 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)

32、也是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可缺少的部件，減速機(jī)構(gòu)的作用是降低電動(dòng)機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速，從而將電動(dòng)機(jī)輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩放大后作用于轉(zhuǎn)向輸出軸。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(dòng)組合式，也有的采用兩級(jí)行星齒輪與傳動(dòng)齒輪組合式。兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)能提供較大的助力，一般用于小齒輪助力和齒條助力式EPS 系統(tǒng)。蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)提供的助力雖不如兩級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的大，但已能滿(mǎn)足微型車(chē)的應(yīng)用需求，加之其減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及成本低，所以目前應(yīng)用較為廣泛。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹(shù)（論文）17脂材料制成。在本課題的研究中，所選用

33、的就是蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，它是與電動(dòng)機(jī)及電磁離合器集成為一體的一個(gè)組成機(jī)構(gòu)。圖 2-9 為電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成。 圖 2-9 電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)組成2.3.6 電子控制單元 ECUECU 的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)和車(chē)速傳感器信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。由于 EPS 系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量還不是很大，所以目前的控制器核心一般采用 8 位的單片機(jī)?，F(xiàn)以昌河北斗星微型車(chē)所用的。ECU 來(lái)說(shuō)明其控制結(jié)構(gòu)3(如圖 2-10 示)和工作原理。（論文）19（論文）20圖 2-10 電子控制單元 ECU 結(jié)構(gòu)圖 ECU 控制模塊接收到 A1 的點(diǎn)火信號(hào)后，接通蓄電池電源

34、，系統(tǒng)開(kāi)始工作。根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器 A8(主信號(hào))、A10(副信號(hào))和車(chē)速傳感器 A2 的輸入信號(hào)，確定助力控制的大小和方向，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(B1, B3)和離合器(A6, All)的開(kāi)斷除此之外，P/S 控制模塊還具有故障自我診斷(A12)和安全防護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將停止助力控制，并顯示故障代碼。3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制器 ECU 是電動(dòng)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。在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了硬件控制器 ECU?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要包括兩大部分，一是數(shù)據(jù)輸

35、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(dòng)機(jī)的控制電路。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)中所采用的抗干擾措施，本章也做了簡(jiǎn)要介紹。3.1電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的總體結(jié)構(gòu)EPS 控制器結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示。（論文）21當(dāng)控制器接收到汽車(chē)點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，ECU 采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車(chē)速傳感器的輸入信號(hào)，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(dòng)的方向，并以 PWM 調(diào)制的方式通過(guò) H 橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行采樣，采樣的結(jié)果一方面與目標(biāo)電流相比較，用于電機(jī)的控制;另一方面結(jié)合車(chē)速信號(hào)，用于系統(tǒng)的保護(hù)。若電機(jī)電流大于設(shè)定值或

36、車(chē)速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù)圖 3-1 EPS 控制器結(jié)構(gòu)圖方向控制繼電器通斷信號(hào)點(diǎn)火信號(hào)電機(jī)電流采集車(chē)速信號(hào)扭矩信號(hào)副扭矩信號(hào)主波形處理A/D采集電路外部信號(hào)處理電路單片機(jī)繼電器驅(qū)動(dòng)電路繼電器保護(hù)電路光電隔離H 橋驅(qū)動(dòng)電路H 橋電動(dòng)機(jī)控制電路電動(dòng)機(jī)A/D采集電路轉(zhuǎn)矩傳感器車(chē)速傳感器霍爾傳感器外部信號(hào)方向控制電路系統(tǒng)穩(wěn)壓電 路故障顯示電路（論文）22電機(jī)和系統(tǒng)的安全，控制器將對(duì)繼電器發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開(kāi)電機(jī)電源，停止助力，待系統(tǒng)正常后，再恢復(fù)助力功能。3.2 控制器微處理芯片的選擇3.2.1 控制器微處理器常用芯片及選型作為汽車(chē)電子技術(shù)研究的熱門(mén)課題之一，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)控制器的硬件

37、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?，F(xiàn)在常用的芯片有很多種，如8031,8051,89C51,89C52 等，本設(shè)計(jì)中選擇 89C51 作為微處理器。3.2.289C51 芯片及 A/D 轉(zhuǎn)換芯片介紹89C51 單片機(jī)芯片引腳如圖 3-2 所示。 圖 3-2 89C51 單片機(jī)芯片引腳（1） 89C51 的 40 個(gè)引腳按其功能來(lái)分，可分為如下三類(lèi)： (1)電源及時(shí)鐘引腳：V、V；XTAL1、XTAL2ccss (2)控制引腳： 、ALE、RESET（即 RST）PSENEA (3)I/O 口引腳：P0、P1、P2、P3，為 4 個(gè) 8 位 I/O 口的外部引腳。（2） 8

38、通道 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC 0809由于單片機(jī)不能直接與模擬信號(hào)相連接，所以必須有一個(gè)器件完成從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而 ADC0809 就是這樣一個(gè)器件。ADC0809 是 CMOS 的 8 位單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。（論文）23片內(nèi)有 8 路模擬開(kāi)關(guān)，可控制選擇 8 個(gè)模擬量中的一個(gè)。A/D 轉(zhuǎn)換采用逐漸逼近原理。輸出的數(shù)字信號(hào)有 TTL 三態(tài)緩沖器控制，故可直接連至數(shù)據(jù)總線(xiàn)。模擬輸入部分有 8 路多路開(kāi)關(guān)，可由三位地址輸入 ADDA、ADDB、ADDC 的不同組合來(lái)選擇。主體部分是采用逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由 CLK 信號(hào)控制內(nèi)部電路的工作，由 START 信號(hào)控制

39、轉(zhuǎn)換開(kāi)始。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在內(nèi)部鎖存，通過(guò)三態(tài)緩沖器接至輸出端。ADC0809 與 89C51 連接圖如圖 3-3 所示。8P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30

40、EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC4089C5112保HZ20pFC120pFC2C3R1R2+5+523123112DQCPQDQCPQD728D627D526D425D324D223D122D021ADDA20ADDB19ADDC18EOC17GND16REF(-)15START1ALE2OE3REF(+)5IN713IN612IN511IN410IN39IN28IN17IN06Vcc4CLK14ADC 0809+5 圖 3-3 ADC0809

41、 與單片機(jī) 89C51 的連接圖3.2.3 89C51 外部總線(xiàn)擴(kuò)展及片外 ROM 的連接由于 89C51 的輸入/輸出引腳有限，一般的情況下，我們采用地址鎖存器進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)的擴(kuò)展。常用的單片機(jī)地址鎖存器芯片有 74LS373、8282、74LS273 等。本設(shè)計(jì)中，采用 74LS373 來(lái)擴(kuò)展 89C51 的外部總線(xiàn)。圖 3-4 為 74LS373 引腳圖。（論文）24 圖 3-4 74LS373 的引腳圖74LS373 是帶三態(tài)輸出的 8 位鎖存器。當(dāng)三態(tài)門(mén) OE 為有效低電平，使能端 G 為有效高電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化；當(dāng) G 端有高變低時(shí)，輸出端 8 位信息被鎖存，直到 G 端

42、再次有效為止。 由于 89C51 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，必須外接 RAM。RAM 是程序存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)稱(chēng)，用來(lái)存放用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，具有 RAM 型存儲(chǔ)器的單片機(jī)價(jià)格最低，它適用于大批量生產(chǎn)。片外的 RAM 可直接掛在外部系統(tǒng)總線(xiàn)上，至于 RAM 的選通操作，需要由控制信號(hào)和片外信號(hào)確定。外部程序存儲(chǔ)器的讀信號(hào)為 PSEN。單片機(jī)片外 RAM 芯片的種類(lèi)和型號(hào)非常多。例如 6116(2k)、6264（8k） 、62256（32k）等。本系統(tǒng)選擇 6264 來(lái)外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6264 的各個(gè)功能引腳如圖 3-5 所示。（論文）25圖 3-5 6264 的各個(gè)功能引腳Vcc：電源電壓，+

43、5V。GND：接地。A0-A12:地址線(xiàn)。D0-D7:數(shù)據(jù)線(xiàn)。OE：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號(hào)線(xiàn)。WE:寫(xiě)允許引腳，低電平有效。單片機(jī)和片外 RAM 的電路連接圖如圖 3-6 所示.。9 P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119VSS20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1

44、326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE30EA/VPP31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC4089C51+5V+5WE20OE22A19A010A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS126VCC27CS21Q011Q112Q213Q315Q416Q517Q618Q719GND14U36264OE1LE11D03D14D27D38D413D514D718D617GND10VCC20Q02Q15

45、Q26Q39Q412Q515Q616Q719U274LS373+5VCC 圖 3-6 單片機(jī) 89C51 和片外 RAM 的電路連接（論文）26圖中 P2 口和 6264 的高 8 位地址線(xiàn)以及片選信號(hào) CE 連接；P0 口經(jīng)過(guò)地址鎖存器輸出的地址線(xiàn)和 6264 的高 8 地址總線(xiàn)相連，同時(shí) P0 口又與 EPROM 的數(shù)據(jù)線(xiàn)相連。單片機(jī)的 ALE連接地址鎖存器的控制端；PSEN 連接 6264 的輸出允許 OE 端。3.3 控制器輸入通道的設(shè)計(jì)3.3.1 轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來(lái)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)有主、副兩路，如前所述，這兩路信號(hào)是對(duì)稱(chēng)的，故在設(shè)計(jì)時(shí)只需采用一種電路。輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅

46、值為 0-5 V,A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 0-2.5 Y,故對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)除了一般的濾波處理外，還需對(duì)其進(jìn)行分壓處理。其電路原理如圖 3-7 示。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(hào)分壓，幅值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，然后與 C1 構(gòu)成一階低通濾波電路，R3 與 C2 構(gòu)成第二級(jí)一階低通濾波，運(yùn)放則作為一個(gè)電壓跟隨器來(lái)使用。轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路如圖 3-7 所示。1110 圖 3-7 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路3.3.2 電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的采集電動(dòng)機(jī)的反饋電流是電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所必須的一個(gè)參數(shù)，它一方面用來(lái)與目標(biāo)電流的比較，使其更接近于目標(biāo)電流;另一方面，可以利用它來(lái)對(duì)電

47、動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，即當(dāng)電機(jī)電流高于保護(hù)值時(shí)，切斷電機(jī)供電電源，用軟件的方式替代硬件過(guò)流保護(hù)電路。電機(jī)的反饋電流（論文）27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 PAS-HID50 型霍爾電流傳感器，具有反應(yīng)時(shí)間快，過(guò)載能力強(qiáng)，全程范圍內(nèi)極高的線(xiàn)性度的特點(diǎn)。其電氣參數(shù)見(jiàn)表 3-1.表 3-1 電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)表電源電壓DC12-15V額定輸入電流50A電流測(cè)量范圍0-70A精度0.5%線(xiàn)性度0.15%額定輸出電流50mA失調(diào)電流優(yōu)于0.2mA跟隨精度200A/us響應(yīng)時(shí)間us頻帶寬度DC-200KHz耐壓AC2.5KV/min，50HzPAS-HID50 的接線(xiàn)方式

48、如圖 3-8 所示。圖 3-8 PAS-HID50 霍爾傳感器電路連接圖由于助力電動(dòng)機(jī)提供左右兩個(gè)方向的助力，電動(dòng)機(jī)的助力電流也就有正負(fù)之分。霍爾傳感器輸出的是電流信號(hào)(0-50mA)，而系統(tǒng)接收的是電壓信號(hào)，故需在傳感器的輸出引腳上接一個(gè)約 100的電阻，將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5V 到 5V 的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓變換電路如圖 3-9 示，使其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 0V 到 2.5 V 的電壓信號(hào)，最后經(jīng)濾波電路送到 89C51 芯片的A/D 端口。（論文）28 圖 3-9 電動(dòng)機(jī)電流采集電路3.3.3 車(chē)速信號(hào)的采集車(chē)速信號(hào)是從車(chē)速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)，電壓在 9.5 V 以上。在

49、課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車(chē)速信號(hào)，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)所能處理的信號(hào)高電壓在 2.5V 左右，所以車(chē)速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，一般采用一個(gè)前位分壓電路即可實(shí)現(xiàn)，但這不如采用光耦電路安全可靠。電路設(shè)計(jì)中采用的是光耦合器的電平匹配方式。其具體電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，如圖 3-10 所示。輸入的車(chē)速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?5V的脈沖信號(hào)，經(jīng)電阻 R2 , R3(阻值相同)分壓后輸入給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)軟件處理得到對(duì)應(yīng)的車(chē)速。（論文）29 圖 3-10 車(chē)速信號(hào)處理電路3.4 控制器輸出通道的設(shè)計(jì) ECU 的輸出通道主要是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和離合器的開(kāi)斷控制電路。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用了

50、常用的 H 全橋 PWM 電路，方向控制由門(mén)電路組成，離合器的開(kāi)斷用繼電器來(lái)控制。下面將分別說(shuō)明。3.4.1 電動(dòng)機(jī)的 PWM 控制 在控制器的硬件設(shè)計(jì)中，電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)是重要的一環(huán)。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，所以這部分的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)控制的有效性和穩(wěn)定性。3.4.1.1 電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)的控制方式可分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩種。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受次級(jí)飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離

51、不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電機(jī)的電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體器件的使用上又可分為線(xiàn)性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線(xiàn)性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線(xiàn)性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線(xiàn)性好，對(duì)鄰近電路干擾小，但是功率器件在線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)消耗大部分電功率，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流的電動(dòng)機(jī)采用的是開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)脈寬調(diào)制 P WM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。PWM調(diào)制的原理圖如圖 3-11 所示。 （論文）30 圖 3-11 電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò) PWM 來(lái)控制電機(jī)電壓時(shí)，

52、電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓 U0為: U0=(t1Us 十 0) /(t1+t2)=ttUs /T= （3-1）Us式中 a 為占空比，a=tl/To，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，T 為脈寬調(diào)制 PWM 的周期。占空比 a 表示了在一個(gè)周期 T 中，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。a 的變化范圍為。al。在電源電壓 Us 不變的情況下，電樞的端電壓 Uo 的平均值取決于占空比 a 的大小，改變 a 的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到控制目的。 在 PWM 調(diào)制時(shí)，占空比 a 是一個(gè)重要參數(shù)。改變占空比 a 的主要方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)頻調(diào)寬法和定頻調(diào)寬法。前兩種方法由于在控制時(shí)改變了控制脈沖的周期

53、(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法很少用。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 根據(jù)電動(dòng)助力的原理，要求電動(dòng)機(jī)能正反轉(zhuǎn)工作，這就需要可逆 PWM 控制系統(tǒng)?？赡鍼WM 控制系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM 周期中，直流電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆控制系統(tǒng)雖然有低速平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)管頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè) PWM周期內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)電樞只能承受單極性電壓。由于單極性驅(qū)

54、動(dòng)方式能夠避免開(kāi)關(guān)管直通，（論文）31可大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以適用于在大功率、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、可靠性要求較高的直流電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用上。 鑒于上述原因，本課題的 EPS 控制器的電機(jī)控制部分，采用了單極性 PWM 控制方式，占空比 a 的調(diào)整采用了定頻調(diào)寬法。在確定了 PWM 控制方法后，下一步的工作就是對(duì)半導(dǎo)體功率器件的選擇。3.4.1.2 功率開(kāi)關(guān)部件的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路 目前應(yīng)用較多的功率開(kāi)關(guān)器件有功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)和 MOS 柵控晶體管(MCT)等。由于 MOSFET 開(kāi)關(guān)管工作頻帶最寬，又具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以在目前的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多

55、。選擇 MOSFET 的型號(hào)時(shí)要考慮到漏極電流的最大額定值，漏極一源極間電壓的最大額定值以及器件的導(dǎo)通電阻。根據(jù)助力電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)，考慮到還需留有一定的裕量，在電路設(shè)計(jì)中，我們選用的是國(guó)際整流公司(IR)的IRFZ48NN 型 MOSFET 管，它的基本電氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)見(jiàn)表 3-2。 12表 3-2 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電氣參額定漏極電壓 VDS55V柵源開(kāi)啟電壓 VOS4-20V額定漏極電流 IDS64A導(dǎo)通電阻 RON14m開(kāi)通時(shí)間 ton90ns關(guān)短時(shí)間 toff84ns（論文）32 在選定功率開(kāi)關(guān)器件后，接著就要考慮選擇與其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器件，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路一般采用專(zhuān)

56、用的集成驅(qū)動(dòng)器件或采用光耦器件器件。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器件常用的有 IR 公司 IR2110, IR2111, IR2112, IR2113 等。光耦驅(qū)動(dòng)電路由于線(xiàn)路簡(jiǎn)單，可靠性高，開(kāi)關(guān)性能好，是設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的 TLP 系列，夏普的 PC 系列，惠普的 HCPL 系列等?？紤]到電機(jī)的助力電流較大，為了能有效的隔離強(qiáng)電與弱電，提高系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計(jì)中最終采用了光耦驅(qū)動(dòng)器件。所選用的光耦型號(hào)為東芝的 TLP250，它包含一個(gè) GaAlAs 光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，是 8 腳雙列封裝，適合于工 GBT 或功率

57、MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路。TLP250 的主要電氣參數(shù)如下：.輸入閥值電流 F=5mA (max);.電源電流 Icc=11mA (max);.電源電壓(Vcc)=10-12V;.輸出電流 Io=0.5A(min);.開(kāi)關(guān)時(shí)間 tPLH/tpHL=0.5(max)。s另外，開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中可能同時(shí)承受過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)大的 di/dt, du/dt 以及過(guò)大的瞬時(shí)功率，因此需要設(shè)計(jì)緩沖保護(hù)電路。緩沖電路就是為了在開(kāi)關(guān)過(guò)程中保護(hù)開(kāi)關(guān)器件，抑制高電壓和大電流的防護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中，我們采用的是 RCD 沖、放電緩沖電路。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，經(jīng)二極管 D 向電容 C 充電，由于二極管

58、正向?qū)〞r(shí)壓降很小，所以關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓吸收效果與電容的吸收效果相當(dāng)。當(dāng) MOSFET 開(kāi)通時(shí)，電容 C 通過(guò)電阻 R放電，限制了 MOSFET 中的開(kāi)通尖峰電流。RCD 緩沖電路能有效地改善開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特性，減小開(kāi)關(guān)器件本身的功耗發(fā)熱。3.4.2 電磁離合器和顯示控制電路的設(shè)計(jì) 電磁離合器控制電路主要是完成功率接口電路的設(shè)計(jì)。此功率接口電路用于將單片機(jī)低電壓、小電流的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于控制電磁離合器的較大電壓、電流。為了確保繼電器工作可靠，對(duì)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通過(guò)上拉電阻使控制信號(hào)定位在低電平或者高電平。考慮到電磁繼電器的干擾信號(hào)可能竄入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而影響數(shù)字電路部分的控制效果，采（論

59、文）33用光電耦合器 TLP521-1 對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)與繼電器部分的信號(hào)進(jìn)行了光電隔離。電磁繼電器在接收到來(lái)自單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)后做出相應(yīng)的動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為低電平有效，即在控制信號(hào)為低電平時(shí)電磁繼電器閉合，接通電磁離合器。顯示電路主要是用于故障信息的顯示。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性要求很高，而所有故障信息的外在反映都是通過(guò)顯示電路。故障信號(hào)類(lèi)型轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管顯示出來(lái)。與電磁離合器的控制方式相同，發(fā)光二極管也是采用低電平有效的方式。電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖 3-12 所示。13圖 3-12 電磁離合器繼電器控制電路當(dāng)系統(tǒng)輸出控制信號(hào)(高電平)時(shí)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)變?yōu)榈碗娖剑构怦顚?dǎo)通，從而

60、使繼電器吸合，接通電磁離合器的電源。反之，繼電器斷開(kāi)，切斷離合器電源。圖中所示電阻 R1 為限流電阻，二極管 D1 的作用是保護(hù)晶體管 T1。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，二極管 D1 截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線(xiàn)圈存在電感，這是晶體管 T1 已截止，所以會(huì)在線(xiàn)圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓。此感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正，正端接在晶體管的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與 Vcc 之和大于晶體管 T1 的集電極反向電壓時(shí)，晶體管 T1 有可能損壞。加入二極管 D1 后，繼電器線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管 D1 流過(guò)，從而使晶體管 T1 得到保護(hù)。3.4.3電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 前期的設(shè)計(jì)中沒(méi)有

61、考慮電動(dòng)機(jī)的保護(hù)環(huán)節(jié)，難以滿(mǎn)足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)安全性的要求。在設(shè)計(jì)中對(duì)此部分進(jìn)行了補(bǔ)充。（論文）34R1LM339NR2R4C1R5R3保保保保保保保保保保176123+12+1210mHL1D1A11Y12A23Y24A35Y36A47Y49A510Y511A612Y613A714Y715GND8VCC16U10UFC+5K2D2A-+B2 圖 3-13 電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路3.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì) 圖 3-14 系統(tǒng)電源電路圖 3-14 為系統(tǒng)電源電路，其中的 12V 電壓電源是車(chē)載電源。單片機(jī)控制系統(tǒng)需要 5V 的供電電壓，7805 完成 12V 到 5V 的轉(zhuǎn)換。電路中

62、的運(yùn)算放大器等器件需要-5V 的供電電壓，由 ICL7660 產(chǎn)生所需的負(fù)電壓。ICL7660 是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的變極性 DGDC 變換器。通過(guò)該 DC/DC 變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出，即 Vi 與 Vo 的極性相反。這種變換（論文）35器利用振蕩器和多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電壓極性的轉(zhuǎn)換，因而靜態(tài)電流小、轉(zhuǎn)換效率高。另外，ICL7660 還具有如下特點(diǎn): 工作電壓范圍寬(+1.5V 至 10.5V); 可將 CMOS 或 TTL 的+5V 電壓轉(zhuǎn)換成-5V; 空載時(shí)沒(méi)有內(nèi)部壓降，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 99.7% ; 可采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)倍壓輸出。3.6 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 在檢測(cè)系統(tǒng)的電子線(xiàn)路和

63、電子設(shè)備中， “干擾”是一種普遍存在的問(wèn)題。它是檢測(cè)過(guò)程中的一種無(wú)用信號(hào)，它的存在會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的結(jié)果有偏差。為了使檢測(cè)系統(tǒng)能夠得到更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，在電路的設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮電路的抗干擾能力的設(shè)計(jì)。這就要求必須搞清楚干擾源、被干擾對(duì)象、干擾源和被干擾對(duì)象之間的耦合方式，只有這樣才能采取相應(yīng)的措施，抑制干擾的影響。在實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中，干擾源主要來(lái)自以下幾方面：14(1)機(jī)械干擾:主要是機(jī)械的振動(dòng)或沖擊造成的干擾。(2)溫度干擾:主要指系統(tǒng)中電子測(cè)量裝置和元器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的變化造成的干擾。(3)電磁干擾:主要是指設(shè)備本身的電磁波或外界的電磁場(chǎng)的影響在設(shè)備的有關(guān)電路中感

64、應(yīng)出干擾電流或干擾電壓，從而使設(shè)備的檢測(cè)出現(xiàn)偏差、甚至不能正常工作。干擾的耦合方式主要有以下幾種:(1)靜電電容耦合:由于電路與電路之間存在寄生電容，產(chǎn)生靜電效應(yīng)從而引起干擾。對(duì)于小電流、高電壓干擾源產(chǎn)生的干擾主要是通過(guò)電容耦合產(chǎn)生的。(2)電磁耦合:由于兩個(gè)電路之間存在互感而產(chǎn)生的干擾。(3)共阻抗耦合:當(dāng)一個(gè)電路的電流流經(jīng)共阻抗時(shí)所產(chǎn)生的壓降，就要在另一個(gè)電路中產(chǎn)生干擾電壓。為此，在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了抑制干擾帶來(lái)的影響，應(yīng)該采取以下措施:(1)屏蔽措施:系統(tǒng)中的控制電路板應(yīng)放置在一個(gè)鐵盒中，并且鐵盒子與被屏蔽電路的零信號(hào)基準(zhǔn)相接，從而起到抗干擾作用。同時(shí)信號(hào)的傳輸線(xiàn)全部采用帶屏蔽層的信

65、號(hào)線(xiàn)，這樣就（論文）36可以避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到干擾。(2)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地:接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點(diǎn)接地，使得兩接地點(diǎn)的電位不為零，這個(gè)電位差對(duì)于電路的輸入輸出電壓產(chǎn)生干擾，或由于兩個(gè)電路經(jīng)公共接地線(xiàn)接地，兩個(gè)電路電流不同而產(chǎn)生干擾。解決地線(xiàn)噪聲的方法有:采用單點(diǎn)接地。所有強(qiáng)電信號(hào)地線(xiàn)都接到一個(gè)電源地線(xiàn)上，盡可能地把地線(xiàn)加粗，降低內(nèi)阻:所有外部弱電信號(hào)用一個(gè)公共地線(xiàn)，并與電源地線(xiàn)分開(kāi)。并聯(lián)接地?？梢郧袛嘤捎诙鄠€(gè)設(shè)備采用公用地區(qū)串聯(lián)接地而形成的環(huán)路。(3)數(shù)字地和模擬地:數(shù)字地是指 TTL 或 CMOS 芯片，I/O 接口芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地

66、。而模擬地則是指 A/D 和 D/A 中模擬信號(hào)的接地端。在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地分別接地。4 電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制器硬件是電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基石，而軟件則可以說(shuō)是 EPS 系統(tǒng)的靈魂。EPS 軟件的設(shè)計(jì)除了數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和控制部分，還必須有特定的控制思想，即 EPS 的控制策略，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制要求。因此，本章主要討論與軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的兩個(gè)方面：一是 EPS 控制策略的實(shí)現(xiàn)，二是各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的處理。4.1 EPS 的控制策略 國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同的 EPS 控制策略，但就目前己商品化的 EPS 來(lái)看，主要采用的還是 PID 控制，PID 控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式，有資料表（論文）37明目前 90%以上的工業(yè)控制回路均采用各種形式的 PID 控制算法。在這一節(jié)中，主要研究了PID 控制算法在 EPS 中的應(yīng)用，并對(duì)所采用的控制策略進(jìn)行分析。4.1.1 EPS 的 PID 控制 PID 是 Proportional(比例)、Integral(積分)、Differential(微分)三者的縮寫(xiě)。PID 控制的