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1、第1章 绪 论节能、环保、舒适、廉价是广大汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。汽车转向系统的性能在节能、环保及舒适方面具有非常重要的作用。传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。随着汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发展的一种趋势。1.1 本设计研究的意义随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向器。电动助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地位。在国内
2、，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还在中国境内申请了一些EPS专利。因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入WTO后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术产品。同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义。1.2本设计研究的目的电动转向器是一种新型的汽车转向系统，该系统能根据车辆的运动状况和驾驶员的要求实行多目标控
3、制，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性和回正速度、较强的抗干扰能力和较快地响应转向输入，而且这些控制是在基本上不改变硬件的条件下通过软件即可实现。从汽车诞生之日起，机械式转向系统就已经开始使用。几十年来，机械式转向系统一直在使用着，但由于人们对转向轻便性和舒适性要求越来越高，机械式转向系统已经不能满足人们的需求，迫切需要一种能够帮助驾驶员辅助转向的一种装置，此时液压式助力转向系统诞生了。1953年通用汽车公司第一个使用了液压助力转向系统，转向轻便性效果显著。此后该技术得到了迅速发展, 使得助力转向系统在功耗、体积和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期,出现了变减速比的液压动
4、力转向系统，随后又出现了基于液压转向系统的新的动力转向系统新产品, 具有代表性的产品是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以根据需要随时关闭，所以也部分的降低了燃油消耗。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力转向系统是在上述两种助力机构
5、的基础上发展起来的，它采用独立电机直接提供助力，助力大小由电控单元根据方向盘扭矩和车速信号进行控制。它具有节能、环保、高度安全性等特点，目前正逐步取代液压动力转向，像时下热卖的雨燕、飞度、SX4、速腾等车型都采用的是这种助力机构，而它也是未来动力转向技术的发展方向之一。 如图 1.1 电动助力转向系统通过将装有 EPS 和装有 HPS 的车辆对比表明，在不转向的情况下，EPS 能降低约为2.5%的燃油消耗；而在使用转向情况下，燃油消耗更是降低了5.5%。此外，EPS可根据车速自动控制转向助力力度，有效解决一直困扰着传统转向系统的方向盘“轻”和“灵”的难题，提高了行驶安全性。电动助力转向有效地解
6、决了车辆在操纵稳定性和方向盘转向手感方面的问题，具有兼顾低速转向轻便性和高速增强路感的优点。三种助力转向系统性能比较如表1.1所示。表 1.1 三种助力转向系统性能比较类型EPSEHPSHPS燃油特性耗油最少介于两者之间耗油最多独立与发动机工作可以可以不可以方向跟随性很好差差路感状况很好好差回正性能很好好差助力特性准确、灵活、控制最优灵活性、传递性较HPS差中等集成性能方便不方便不方便环保性能环保不环保不环保占用空间只有四个组建、结构紧凑占用空间最小有40到50个零部件，占用空间较大有40到50个零部件，占用空间较大耐寒性耐寒不耐寒需要预热不耐寒需要预热重量很高中等较差效率很高中等较差1.3
7、电动助力转向系统国内外发展研究现状在国外，从1979年开始研究电动助力转向系统，至今已有30多年的历史。之前一直没有取得很大的进展，主要是因为 EPS 的成本太高。随着近几年来电子技术的快速发展，EPS 的成本已大幅度降低，再加上它独特的优点，因而越来越受到人们的重视，并迅速迈向应用领域，部分取代了液压动力转向系统。EPS 系统在日本最先获得实际应用,1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本
8、田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。在国外，EPS已经进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品。由于技术保密，很难获得控制参数，要想实现技术自主创新，还需国人自己钻研。在国内，电动助力转向技术大多还处于实
9、验室开发研究阶段，部分科研院所已经进行了装车实验。国内的清华大学早在1992年就开始了EPS的研究，曾研制出EPS的样机，并在试验台上进行了性能试验。2002年，经调查发现国内至少13家企业和科研院校正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、同济大学以及南摩股份有限公司等。2003年上海市科委科技立项900多万元用于电动助力转向器的开发与研究，其中投资300多万给同济大学汽车学院用于EPS控制器的开发。但大多都是在实验室台架试验上取得了一些进展，在试验车上转向的效果有待改进；特别是在转向盘抖动，以及回正控制等方面还存在着一定的问题，南摩股份有限公司(生产的转向轴式EPS产品)能进行小批量生产
10、用于汽车装配。目前主要装配在排量在1.3L1.6L的紧凑型轿车。目前21个国内汽车厂家的43个品种均可装配EPS产品，其中有6个厂家8个车型具有装配 EPS 的潜力，其中有重庆长安的奥拓、羚羊，吉利的美日、豪情，奇瑞的 QQ，天津丰田的威驰，悦达起亚的千里马，东南汽车的菱帅，广州本田的飞度等。昌河在其北斗星轿车和爱迪尔等车型上已把EPS作为选装器件，在三星级以上轿车上作为标准配置。控制机理是EPS的核心技术之一，国内外学者先后提出了PID、模糊PID、神经网络等控制策略，绝大多数只进行了模拟仿真研究，进行实验研究的较少。本研究采用 PID控制策略，并进行了理论和实验研究，取得了良好的控制效果。
11、1.4 电动助力转向系统的特点电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了车速传感器、转矩传感器、助力电机和电子控制单元（ECU）等装置，电机通过减速机构作用在转向柱上，实现对转向的助力。电动助力转向的结构总成如图1.2所示：图1.2 电动助力转向结构总成图与液压动力转向相比，电动助力转向系统综合了现代控制技术、现代电子技术及机电一体化等技术，具有以下优点：（1）EPS能在不同车速下提供不同的助力特性。在低速行驶时，增加转向助力，使得转向更加轻便；在高速行驶时减少转向助力，为了提高路感可以增加转向阻尼。（2）EPS只有在转向时电动机才工作，汽车在行驶过程中大部分时间较少助力，因而很大程度上减
12、少能耗。（3）EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件与 HPS相比大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。（4）电动机由蓄电池供电，电动助力转向系统可以在发动机不工作的情况下工作，因此提高了汽车行驶安全性。（5）EPS 与液压助力系统相比，装配自动化程度更高，而且电动助力转向系统可以通过改变微处理器中的助力程序算法，改变助力特性很容易实现。（6）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越，由于该系统具有良好的模块化设计，为设计不同的系统提供了极大的灵活性。1.5 本设计研究的主要内容本文首先对EPS的工作原理及国内外研究现
13、状作分析，建立了EPS的数学模型，具体分析EPS的动态特性中的助力特性，同时介绍电动转向中的三种控制模式：助力控制，回正控制和阻尼控制。最后得出本文结论及其展望。所做工作如下：1、理论分析。分析电动助力转向电机控制器的主要结构及工作原理，研究电动助力转向系统的控制策略。2、控制器硬件及软件设计。设计电动助力转向系统控制器的硬件电路，绘制图纸，研究了单片机资源和编程原理，并进行了硬件和软件调试。3、实验研究。在实验台架上进行转向轻便性试验、转向回正性能等试验，验证自主开发控制器的性能。 第2章 EPS电机控制器的结构原理和控制方法2.1工作原理及结构组成电动助力转向系电机控制器主要由机械转向系统
14、、转矩传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、离合器、助力电动机及减速机构等组成。工作原理：汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电机电流传感器会产生各自的电信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU，ECU经过分析处理后输出 PWM信号给电机驱动模块，实现对助力电机扭矩控制。EPS电机控制器的主要组成部件主要有：助力电机、电磁离合器、电位计式扭矩传感器、车速传感器和电子控制单元。2.1.1 助力电机本设计开发的电动助力转向系统选用的助力电机为直流永磁有刷电机，额定电流为30A,额定电压为12V，额定转速为1050r/min，额定输出功率为170W，额定转矩为1.48Nm。由于汽车转
15、向过程中电机助力的大小是通过PWM进行调整的，因此要求电动机要有很好的机械特性和调速特性。考虑到对原机械转向系统的影响，要求电动机具有噪声低、低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小和质量轻等特点，以便达到良好的动态特性和可靠性。2.1.2 电磁离合器电磁离合器的结构主要由电磁线圈，主动轮，从动轮和压板等部件构成。工作原理：当电磁线圈中有电流通过时，电磁线圈产生的吸力吸引压板与主动轮接合。这样，电动机的动力就经过主动轮、压板、花键输出到从动轴上。当线圈中没有电流流过时，电磁线圈就不会产生电磁吸力，压板和主动轮之间就没有接触压力，因此电动机的动力传递路线就被切断，助力停止。电磁离合器的作用有以下
16、两个方面：第一，防止动力过载。如果电动机产生的扭矩过大，主动轮就会克服在电磁吸力作用下，主动轮和压板之间产生的摩擦力，从而打滑，保证电动机给系统的助力不致过大；第二，在电机系统产生故障时，电磁离合器可以切断电动机和机械转向系统的连接，保证转向系统仍能够进行转向操作。2.1.3 电子控制单元电子控制单元是电子控制系统中最重要的元件之一，其性能在一定程度上决定着电子系统的性能，选择优良的控制器对取得良好的控制效果非常重要。结合 EPS 控制系统的特点，尽可能的减少外围电路元件和降低成本，而且处理单元还要具备功能模块多，运算速度快，所以该系统选用了飞思卡尔公司生产的汽车级MC9S12系列微处理芯片M
17、C9S12XS128单片机。该单片机是基于16位S12XSCPU 内核及0.5m制造工艺的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境，其主频高达96 MHz，同时片上还集成了多个汽车用标准模块。其主要性能如下：1. 具有在线背景调试模式（BDM）；2. 2个异步串行通信口SCI；3. 1个同步串行通信口SPI；4. 8通道输人捕捉/输出比较定时器；5. 8通道12位A/D转换模块（10位A/D转换时间只需要7us），转
18、换结果有左对齐和右对齐模式，可作为普通I/O口使用；6. 1个8通道8位脉宽调制模块（PWM），可以设置成4通道16位PWM信号，占空比可以从0100%设置；7. 具有片内电压调整模块；8.1个低电压唤醒定时器，定时器溢出时间从0.2ms13s之间设置；9.49个独立数字I/0口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）；10.1个 MSCAN模块，兼容CAN2.OA/B协议，具有标准和扩展数据帧模式，通信速率最快可达1Mbps；11.片内拥有128KB的Flash EEPROM，8KB的RAM，资源十分丰富；12.芯片正常工作温度范围在40C到 125C之间，基本上适应汽车复杂环境。2.2 EPS
19、 电机控制器的基本控制方式EPS 电机控制器根据车速、转矩和电机电流来执行控制策略，提高转向灵敏度。因而系统有三种控制方式：助力控制、回正控制和阻尼控制。在正常的转向过程中，通常是助力控制。当驾驶员释放方向盘后，作用在方向盘上的力减小，且小于助力控制的门限值，同时，系统判断此时检测转矩大小的加速度和转向盘转动方向是否相异，如果两者相异，系统就执行回正控制。EPS系统中的电机、减速机构以及转向机构等都有很大的摩擦力与惯性力矩，这些都构成了汽车的回正阻力矩，当回正阻力矩过大，阻止车轮回正时，使用回正控制，利用电机提供辅助回正力矩。为了防止提供的辅助回正力矩过大，产生回正过头现象或在回正过程中出现摆
20、振现象，在车轮将要回到中间位置时要施加阻尼，此时选用阻尼控制模型。2.2.1 助力控制助力控制是指在转向过程中为了减轻方向盘的操纵力,通过减速机构把电动机转矩作用在转向小齿轮上的一种基本控制模式。利用电动机转矩和电动机电流成正比的特性采用控制电动机电枢电流的方法实现助力控制。助力控制是EPS系统控制的主要内容,是电动助力转向控制内容中的“重头戏”电动助力转向的名字正是由此而来。驾驶员都希望车辆转向时有助力转向力“轻”些(可减少驾驶员的体力消耗);但又不能太“轻”,太“轻”则意味着太“灵”,路感较差。汽车转向中的“轻”与“灵”成为一对需要调和的矛盾体。在设计电动转向时,一方面必须保证驾驶员操纵的
21、轻便性,另一方面还要使驾驶员获得良好的路感。2.2.2 回正控制在EPS取代HPS的初期, EPS的任务就是在操纵方向盘转向时提供助力,所以助力控制是EPS研制初期的全部控制内容。纯机械转向系统和液压助力转向系统没有回正控制,驾驶时将方向盘回正后,轮胎的自动回位主要靠转向系统的设计参数(主销后倾角和主销内倾角)来保证。回正控制的实现与助力控制类似,即ECU控制电动机产生一个与方向盘转角相反的适当的回正力矩。回正力矩的大小可用电流大小来表示,回正控制时,助力电动机的参考输出电流。2.2.3 阻尼控制汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为了提高直线行驶的稳定性，提出在死区范围
22、内进行阻尼控制，适当加重转向盘的阻力，最终体现在高速驶时手感的“稳重”。汽车高速行驶时，由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须采用阻尼控制；此外，转向盘转向后回到中间位置时，由于电动机的惯性存在，在不加其他控制情况下，助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大，转向回正时不容易收敛，此时，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时，一般情况下只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。第3章 硬件设计系统硬件电路是实现电动助力转向的基础，EPS硬件电路设计的科学性和合理性，直接关系到EPS系统的控制效果。本章主要研究EPS硬件的设计
23、，主要的有单片机、电源转换电路、传感器、电机、蓄电池和继电器等。3.1硬件电路图及系统框图 图3.1硬件系统电路图EPS系统主要硬件电路包括：（1）单片机的选择（2）电源（3）传感器（4）驱动器的选择（5）电机蓄电池驱动电路助力电机驱动及功率电路电池模块电磁离合器助力电机MC9S12XS128方向盘扭矩信号处理电路故障指示灯电压处理电路图 3.2 EPS 控制系统框图本系统主要工作流程为：首先对系统进行自动检测，确保系统各部分工作正常。然后单片机采集各传感器信号，经过分析运算后，判断是否提供助力，如果实施助力控制，启动继电器驱动电路，输出PWM信号控制助力电机的转矩，进而辅助驾驶员转向；否则进
24、行其他相应控制。当系统出现故障时，电磁离合器与电机脱离，助力电机停止工作，故障指示灯点亮。3.2传感器3.2.1 电位计式扭矩传感器扭矩传感器主要用来测量方向盘上力矩的大小，扭力杆是它的主要的测力元件。扭力杆的信号测量方式有电位计式、差动式和光电式三种。其中差动式和光点式的成本高，结构复杂，主要用于高速测量。本论文中采用的是导电塑料电位计式扭矩传感器，其结构简单，可靠性好，使用寿命在3000万次以上，适合于方向盘扭矩的测量。电位计式的主要工作原理如图3.2所示。传感器的两个输入端分别是VCC和GND(分别是输入端1和4)。当转向盘处于中间位置时，传感器的两个输出端T1和T2上的电压均为2.5V
25、；当转向盘向右旋转时，其输出端T1上的电压大于2.5V，输出端T2上的电压小于2.5V；当转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，输出电压T1减去输出电压T2得到的差动电压值就可以用来表示转矩的大小和方向。差动输出电压有利于提高传感器的灵敏度，消除静态误差。电子控制单元根据扭矩传感器输出差动电压的大小和正负，就可以判断转向盘的转矩大小和转动方向。图3.3 电位计式扭矩传感器原理图3.2.2 车速传感器大多数汽车上装载的车速传感器一般是磁感应式车速传感器，如图3.4所示。该传感器稳定性较好，经过简单的信号调理就可以转成方波信号，供单片机采集。考虑到目前决大部分汽车都有电子仪表板，有现成的车速信号，可以
26、直接使用。但是在实验室中，较难采集到实际的车速信号，一般用信号发生器模拟车速信号。 图3.4 磁感应式车速传感器3.3 ECU3.3.1单片机的选择 图3.5 MC9S12XS128 单片机如图3-4MC9S12XS128单片机最小系统硬件电路设计比较复杂，需要考虑电磁兼容、晶振电路设计技巧，以及防干扰滤波电路设计技巧等。3.3.2 时钟电路原理时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键部分，由于晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对 A/D 转矩输入信号的干扰；甚至导致晶振体不工作，导致整个单片机系统无法正常运行。MC9S12XS128单
27、片机的时钟输入接口在34（EXTAL）和35 (XTAL)引脚上，通常接一个 16MHZ晶振体。外部晶振体的连接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器3种方式。但是在实际应用电路设计中一般采用并联型方式。时钟电路如图3.6所示。图3.6 时钟电路3.3.3 滤波电路原理滤波电路常用来滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性，它一般由电抗元件组成,如负载电阻两端并联电容器C，或者负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。MC9S12XS128单片机内部带有电压调整器，它主要负责为单片机的内部提供不同的电压。主要滤波引脚有9（VDDF）、49（VDD）、33(VSSPLL)和36(V
28、DDPLL)。 3.3.4 电源电路MC9S12XS128单片机的外部供电电压为5V，分别为单片机的内部电压调整器，IO端驱动器、A/D转换器提供电源。为了充分提高供电电路的电磁兼容性，去除高频噪声，在各供电电路中串接一个电感元件。电源引脚有59（VDDA）、77（VDDX1）和29（VDDX2）引脚。其中，VDDA的电源电路如图3.7所示，其他引脚电路类似。图3.7 电源电路3.3.5 复位电路单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，在开发和调试单片机系统时需要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求在低压时也要对单片机进行复位，所以必须
29、要设计一个复位电路。XS128单片机的RESET引脚为低电平有效，其复位电路如图3.8所示。INPUTRESETGND图3.8 复位电路3.4 电源转换电路由于该系统中，单片机和传感器需要电压为5V的直流电源，以及通信传输的稳定性对电源要求较高，所以考虑了工业界常用的电源转换芯片LM2576。其输出电流可达 3A，输入电压范围较宽，具有优良的线性调节与负载调节，只需极少的外部元件，就可以做成优良的电源转换电路，所输出的电流完全可以满足对整个系统的供电。电源转换电路如图3.9所示。Vin ON/OFF FBGND OUT 图3.9 电源转换电路图3.5 传感器信号（车速、扭矩）处理电路3.5.1
30、 车速信号处理电路通常车速信号都是从车轮转速经过计算都得出的，而且轮速信号一般幅值为1V的正弦模拟信号，所以一般首先对车速信号经过滤波、放大和整形后方能被单片机获得。车速信号处理电路如图3.10所示。轮速信号经过AD823放大后幅值为5V，经过比较器 LM393输出方波信号，供单片机采集。 图3.10 车速信号处理电路3.5.2 方向盘扭矩信号我们用扭矩传感器测量方向盘上扭矩信号的大小，扭矩传感器输出信号为电压信号，为了保证其信号的可靠性，必须对信号进行滤波，滤波之后送单片机进行A/D转换。扭矩信号滤波电路，对输入信号进行滤波，主要消除扭矩中的高频信号。实现对信号电平的处理，最后输出两路信号送
31、给单片机两个A/D转换口。3.6电机驱动器的选择图3.12 电机驱动器实物直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，因此，采用硬件逻辑电路实现的 PWM 控制系统已在实践中广泛应用。但是，这种方法的硬件电路比较复杂，一般也无计算机接口而本文介绍的电机驱动是采用电机专用驱动芯片 TD340实现直流电机调速的，该驱动系统可以大大简化硬件电路在本系统中采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制，由4个功率MOSFET组成，如图3-13所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驱动电路
32、简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个International Rectifier公司生产的IRF3205型 MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。IRF3205仅有8m导通电阻，而且功耗小，耐压达55V，最大直流电流可达110A，满足EPS系统对MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30A）的要求。图中所示，4个MOSFET管的基极驱动电压分为两组，其中Q1和Q4为一组，当Q1接收PWM信号导通时，Q4常开；而Q2和Q3截止这时，电机两端得到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高由于直流电机是一个感性负载，当MOS关断时，电机中的电流不能立即降到
33、零，所以必须给这个电流提供一条释放通路，否则将产生高压破坏器件处理这种情况的通常方法是在MOSFET管旁边并联一个高速开关二极而本系统采IRF3205型MOS管，该MOS管内部已经并联二极管，所以外部并联的高速开关二极管可以省略。图3.13 H桥电路在本系统中选用TD340高端智能直流电机控制芯片，TD340驱动器芯片是ST微电子公司推出的一种用于直流电机的控制器件，可用于驱动N沟道MOSFET管。该芯片具有控制简单，外围电路相对较少，控制灵敏的优点，被广泛采用。TD340采用双列贴片式封装的引脚分布，各引脚的功能如下：TD340芯片是N沟道功率MOS管驱动器，适合于直流电机控制。该器件内集成
34、有可驱动N沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和内部PWM发生器，可进行速度和方向控制而且功耗很低，同时具有过压(20V)、欠压(6.2V)保护功能，以及反向电源有源保护功能。TD340内含可调的频率开关(025kHz)及待机模式，且集成有看门狗和复位电路。除此之外，TD340芯片还具有H桥直流电机部分和微控制器之间的必要接口。直流电机的速度和方向可由外界输入给TD340的信号来控制。TD340与MOS管的电路连接，TD340芯片L1、L2管脚控制H桥MOS管驱动电路的下桥臂，H1、H2管脚控制H桥MOS管驱动电路的上桥臂，IN1引脚为PWM信号输入端，控制电机转速，IN2引脚为方向控制端，CF引
35、脚为模拟模式或数字模式选择端，CF引脚接地为TD340在数字模式工作。TD340在数字模式下的功能表如表3.1所示。表3.1 TD340在数字模式下的功能表STBYIN1IN2H1H2L1L2 描述0XXOFFOFFOFFOFF备用模式下电机关闭100OFFOFFONON下MOS管电机制动101ONONOFFOFF上MOS管电机制动1PWM0ONPWMOFFPWM电机x%占空比正转1PWM1PWMONPWMOFF电机x%占空比反转110ONOFFOFFON电机100%占空比正转111OFFONONOFF电机100%占空比反转注：表中“0”表示低电平信号，“1”表示高电平信号，“x”表示任意电平
36、信号，：PWM”表示单片机输出PWM信号，“OFF”表示关闭，“ON”表示开启。本文所设计的直流电机调速系统由信号输入电路、TD340和H桥电路组成其中信号输入电路由单片机输出PWM信号，TD340用于构成PWM发生器，功率放大电路是由4个MOSFET管组成的H桥电路。3.7本章小结本章主要设计开发了EPS系统硬件设计，包括单片机、电源转换电路、传感器、助力电机和电机电流采集电路，并提出了硬件抗干扰的相关措施。第4章 软件设计4.1 EPS 软件的总体流程图 5.9 方向盘扭矩与电机电流关系图(30Km/h)图 5.10 方向盘扭矩与电机电流关系图(60Km/h)图 5.11 方向盘扭矩与电机
37、电流关系图(90Km/h)图 5-8、图 5-9、图 5-10和图5-11是车速分别在 0Km/h、30Km/h、60Km/h 和 90Km/h时，方向盘扭矩与电机电流之间的关系曲线图。从图中可以看出，随着车速的增加，电机电流在减小，从而验证助力在减小。在同一车速下，方向盘扭矩在死区范围内时，电机不提供助力，而当方向盘扭矩超过中间值时，助力电流随其规则变化。以上采集到的四组方向盘扭矩与电机电流的关系曲线基本符合系统助力特性曲线。尽管实验数据存在一定程度的干扰，但基本上达到预期设计的效果。5.3.3 回正性试验将方向盘转过一定角度后松手，单片机根据转矩信号的变化趋势，确定为方向盘处于回正趋势，从
38、而断开电机离合器和电机电源，电机电流迅速变为0，由于方向盘的惯性导致方向盘向相反方向转动，单片机检测到方向盘转矩信号大于中间位置，给电机离合器和电机电源上电，此时电机电流很小，不足以驱动方向盘，方向盘振荡一段时间后保持在零位。回正实验中方向盘转矩与电机电流的关系如图5-12所示。由于条件和时间限制，回正控制和阻尼控制没有明显的体现出来，还需日后进一步优化改进，这也是今后研究的重点。图 5.12 回正试验5.4 本章小结本章主要进行了EPS的试验研究，包括无助力、有助力和回正性能等典型工况的实验，通过对试验数据的整理分析，结果表明设计的控制器硬件工作可靠、性能稳定；软件控制效果良好，能够根据方向
39、盘转矩及车速信号较准确控制助力电机电流的大小，达到了设计要求。总 结电动助力转向系统（EPS）作为一项高新技术产品，它涉及到汽车动力学、轮胎力学、电动机控制技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等诸多领域，因此对它的研究不可能一蹴而就。尽管已有一些EPS系统已投入使用，但是其应用范围和功能有一定的局限性。以上工作都是在借鉴前人研究的基础上对控制系统的性能进行重新设计、优化而完成的。尽管在一些功能上还不够完善，如方向盘抖动、回正和阻尼控制还不够理想，但本控制器可以做为以后研究EPS控制系统的开发平台，以便在该系统上做进一步的研究工作，节省设计与开发的时间。致 谢由于个人能力不足
40、和时间所限，论文中难免存在疏漏和不足，恳请各位专家、学者和老师给予批评指正，以求在以后的工作中得到进一步的提高。在本论文完成之际，我首先要感谢导师张金柱教授。在我这几个月做毕业论文的生活中，得到了张金柱老师无微不至的关怀和教诲，在此谨表示衷心的感谢张金柱老师严谨的治学态度、渊博的知识和敏捷的思维给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。导师对学术孜孜不倦的追求和对事业的执着，时刻激励着我奋发向上，催我前进。在课题研究中，得到实验室老师的热情帮助，帮我解决了试验方面所遇到的困难，本人深表谢意。 最后，我要特别感谢我的父母和亲人，是他们的无私奉献使我的学业得以顺利完成。参 考 文 献1 王常友，董爱杰.
41、 汽车转向系统的现状及发展趋势J. 北京汽车. 2007，3：710.2 苗立东，何仁，徐建平，徐勇刚. 汽车电动转向技术发展综述J. 长安大学学报，2004，24(1)：7984.3 林逸，施国标. 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势J. 公路交通科技. 2001，18（3）：7982，87.4 刘占峰. 电动助力转向控制系统设计研究D. 江苏大学硕士学位论文，2006.5 孙同景，陈桂友. Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术M. 北京：机械工业出版社，2008.6 张喆. 电动助力转向系统的仿真及性能分析D. 吉林大学硕士学位论文，2008.7 王若平，杨国荣
42、. 电动助力转向系统助力特性的仿真研究J. 拖拉机与农业运输车，2008，35(4)：9394，97.8 刘照，杨家军，廖道训. 基于动态分析的电动助力转向系统设计与研究J. 华中科技大学学报（自然科学版）.2001（12）：24-26.9 刘照. 汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究D. 华中科技大学博士论文，2004.10 张文泰. 汽车电动助力转向控制系统研究与开发D. 吉林大学硕士学位论文，2006.11 陈利利. 某轿车 EPS 系统电机控制策略的仿真研究D. 吉林大学硕士学位论文，2008.12 徐建平，何仁等. 电动助力转向系统回正控制算法研究J. 汽车工程，2004，2
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44、门到精通M. 北京：清华大学出版社，2007.20 李振华. EPS 系统控制性能建模与仿真研究D.山东大学硕士学位论文，2008.21 赵燕，周斌，张仲甫. 汽车转向系统的技术发展趋势J.汽车研究与开发，2003，2：2224.22 胡春花. 汽车电动助力转向系统的设计J.常州工学院学报，2009，22（4）：5357.23 李翔晟, 张春花, 李小青, 邓海英.汽车电动助力转向系统回正特性控制逻辑分析J中南林业科技大学学报，2008，28（6）：122126.24 孙祖明. 汽车电动助力转向系统路感特性分析J.农业装备与车辆工程，2009，8：1517.25 吴亦君. 汽车电动助力转向系统
45、的建模与仿真J.传动技术，2008，22（1）：2024.附 录A 外文文献Overview ofDevelopment on Vehicle EPS System AbstractThe currentdevelopment of an electric power steering(EPS) system in an automobile is explicated. The structure, types and characteristics of electric power steering system are introduced. The modeling technolo
46、gies for electric power steering system and control strategies are analyzed and compared. The development trend of electric power steering system in an automobile is also discussed. It is pointed that the electric power steering technology is one orientation ofpower steering technologies in the future, and whichwill oc