基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现Word格式.docx
《基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现Word格式.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
我国在EPS的研究上与国外相比起步较晚，而且由于液压式转向系统即HPS技术比较成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格也比较便宜，所以液压式转向系统即HPS占国内车辆转向系统的主流地位。
然而EPS的发展前景的广阔的，如今国内有多所高等院校和科研单位正在进行该项技术的相关研究，并取得的一定进展。
我国自主设计的EPS和国外的成熟产品相比，还有一定的差距，很多整车厂装配的电动助力转向系统的核心技术都依靠进口。
但是我们正在奋起直追，逐步缩小自主开发的EPS与国外同类产品的技术差距。
电动助力转向技术在国内的发展势头良好。
2001年，昌河汽车厂开始将电动转向器装在北斗星高档微型箱式车，揭开了我国汽车转向器生产历史上新的第一章，2002年该车型已有6万台配装电动转向器，即电动转向车己占该车型的60％了。
哈飞汽车厂也开始在新车型上装电动转向器，吉利在其多款轿车上也安装了电动转向器。
另外奇瑞QQ轿车、扬子皮卡车厂和很多微型箱式车厂，都准备安装电动转向。
这充分说明装配EPS产品的市场和市场潜力是很大的。
电动式EPS有许多优点，它比液压式动力转向系统更轻便、紧凑、可靠易于维护保养，同时也取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装置，如此诸如漏油的这种对清洁性造成影响的问题便消失了；
能满足汽车不同车速时的不同要求，如低速时的轻便性和高速时保持一定的路感以使驾驶员在不同状况下操纵时获得最佳的感受；
在无需提供助力时不驱动电机，这样就减少了不必要的能源消耗，提高了经济性；
对控制计算机编程，可提供不同程度的动力转向，能兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性好；
它能与汽车上其他电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，并能促进悬架系统的发展。
无助力转向系统的回正作用具有很大的缺陷,往往会降低汽车行驶稳定性，而EPS恰恰改善了回正特性。
通过软件编程可对对不同车况进行调整，这是传统助力系统无法做到的。
尽管EPS比传统转向系统拥有种种优势，但是电动助力转向系统仍然存在着一些需要解决和改进的问题：
继续改善电机的性能是EPS的发展关键；
合理助力特性的确定；
合适的控制策略；
故障诊断的可靠性，EPS通过采用电机和计算机控制系统，部分操作独立于驾驶员的控制，因此EPS也会比传统转向助力系统有更多的故障模式。
汽车转向技术已经进入了电动助力时代，随着传感器、控制方式助力电动机等关键技术的不断进步，EPS系统将愈加完善。
在未来EPS将替代现有的转向系统，近几年EPS产量正以每年上百万套的速度增加，最终将完全占领轿车市场，并向大型车发展。
1.2选题的目的和意义
目的：
汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，当汽车在低速时需要轻便的转向助力，而在高速时有需要灵巧的转向效果已获得较好的操作手感。
本课题应用综合控制方法，来提高汽车转向系统的性能。
电动助力转向系统是当前汽车技术发展的前沿技术之一，有利于汽车在不同的车况下获得不同的助力效果，提高转向时的操纵稳定性和路感。
英国卢卡斯公司认为，EPS在轿车上正在成为标准配置，而不是选件，自1996年至2006年，欧洲市场上的各级别轿车安装EPS的比例已经由35%增加到70%。
按此增长速度继续发展，数年间EPS就将完全占领轿车市场。
国内电动助力转向系统还处于初级阶段，所以有必要加强力量对其进行研究和开发。
使我国的汽车在环保节能舒适等等方面赶上国际先进水平。
目前开发拥有自主知识产权的ECU有明显的经济和社会效益，它可为相关企业提供新的经济增长点，增强我国技术产品的市场竞争力。
通过对电动助力转向系统的研究，为开发出适于轿车和微型汽车的电动助力转向系统提供技术储备。
另外就是在继承前几届研究生研究成果的基础上，进一步完善控制器的硬件与软件，提高系统运行的稳定性及可靠性，把控制器往产业化方向推进。
意义：
随着时代的发展和科技的进步，人们对交通工具的环保，节能低耗，对生活的舒适性的要求也越来越高。
如今国外汽车的电动助力转向系统正在渐渐取代传统液压助力转向器的地位。
EPS是未来的发展方向，我国也要紧跟世界的脚步，不能落在后面。
在国内，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。
转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。
而一个拥有性能可靠的控制系统则能使EPS实现以上效果，EPS具有节能、环保等优点，是未来转向系统的主流发展，是研究的重点项目。
1.3本课题研究的内容和拟解决的主要问题
1.3.1本课题的主要内容
（1）设计一个小型电动转向助力系统，分析电动助力转向系统电子控制单元的功能。
在充分考虑电动助力转向系统控制的可靠性、实时性的基础上，以单片机为核心的控制单元。
（2）设计电子控制单元的硬件，采用P控制策略完成对直流电动机的控制、并对各种传感器信号进行采集和处理，通过单片机产生控制脉冲波来控制H桥驱动直流电动机正反转，满足EPS控制要求。
（3）采用模块化设计的方法编写相应控制软件。
控制软件中主要包含系统主程序、信号采集子程序，策略控制子程序等。
1.3.2拟解决的主要问题
（1）系统硬件电路的搭建，硬件电路需要单片机最小系统主要包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等电路的设计。
（2）传感器信号处理电路的设计，如转矩信号通过A/D转换输入处理器进行处理，再通过电机驱动电路控制电机转动方向。
（3）将软件和硬件进行连接并进行测试，检查出现故障部分并思考出现故障的原因，再就相关知识努力将故障排除。
第2章EPS系统的组成
2.1EPS工作原理与结构组成
EPS的工作原理：
当驾驶员操纵方向盘转向时，转向柱上的扭矩传感器检测到的信号与车速信号经过滤波处理后送入ECU，ECU对这些信号进行运算处理后输出PWM信号给电机驱动模块，从而实现对电动机的控制，电机经传动机构将助力转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的目的。
当车速超过一定值时，EPS系统退出助力工作模式。
EPS可在不同车速的情况下提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时的轻便性和高速行驶时的稳定可靠。
EPS的主要组成有扭矩传感器、车速传感器、助力电机和电控单元。
2.2传统液压动力转向系统
液压动力转向系统（HPS）是在1928年就在汽车上首次应用的，到1940年左右HPS就已经实用化了，并在多种大型车辆上装备。
在1951年在轿车上也得到了应用，获得了当时的好评，随后HPS在轿车上便迅速普及，到今天装备HPS的车辆已经超过了80%。
HPS是在传统机械式转向器的基础上通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管等液压动力装置来提供转向助力。
开始HPS的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向一定来控制油路。
滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。
20世纪50年代出现了转阀式HPS，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。
与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。
虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。
因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式HPS。
HPS系统拥有许多优点，比如：
可以提高转向时的轻便性，从而使驾驶员的疲劳程度得到缓解；
HPS拥有的阻尼作用可以减小由于道路颠簸造成的冲击；
迄今为止液压助力转向系统已经应用经历了许多时间，技术较为成熟，工作安全可靠，同时价格也比较便宜。
但是同时也存在着一些不足：
在设计完成以后，助力特性就不能再进行调节与控制，因此在协调汽车转向轻便性与路感之间的矛盾；
在发动机工作时，无论汽车是否进行转向油泵都一直运转，从而对燃料造成了极大的浪费，降低了整车的燃油经济性；
油路中存在漏油的问题，会对环境造成污染；
在低温时工作性能较差。
2.3电动助力转向系统特点
电动助力转向系统相比于传统的机械式转向系统增加了一系列传感器，如车速传感器、转矩传感器、助力电机和电控单元即ECU等部件，电动机通过减速机构将转矩作用在转向柱上，从而实现对转向系统提供助力。
与传统的转向助力系统相比，电动助力转向系统综合了许多现代的高新技术，诸如现代电子技术及机电一体化技术，具有许多优点：
（1）EPS能在不同的车速下对转向助力的大小进行调节,在不同工况下提供最佳的助力，减小因路面原因引起的对转向系统扰动，减轻低速行驶时的转向操纵力。
在车速较低时提供较大的转向助力，使驾驶员在转动方向盘时更加轻松；
在车速较高时降低助力大小，为驾驶员提供一定的路感。
（2）EPS取消了液压式转向系统的油泵、液压软管、液压油、皮带及密封件等部件，结构相对简单，零件数量相对较少，拥有质量轻、结构紧凑、便于选择安装位置和噪声较小等多方面的优点。
（3）助力电机可以由蓄电池直接供电，电动助力转向系统可以在发动机不运转时进行工作，同时也提高了汽车的安全性能。
（4）EPS与传统助力系统相比改变助力特性较为容易，只需改变ECU中助力程序即可。
（5）EPS结构简单，占用空间小，在车身上不知较为方便，助力性能比传统助力系统优越，又具有良好的模块化设计，又为设计不同的系统提供了极大的灵活性。
2.4EPS的类型
一般来说按照电动机驱动位置的不同，可以将EPS转向系统分为三类：
转向柱助力式（ColumnType）、小齿轮助力式（PinionType）和齿条助力式（RackType）。
（1）转向柱助力式转向器助力单元、控制器以及传感器等部件都安装在转向柱处。
结构比较紧凑，方便在车体上安装，可安装在固定式、倾斜式等不同形式的转向柱上。
（2）小齿轮助力式转向器助力单元安装在转向齿轮的小齿轮轴的上端。
助力单元在驾驶室外，一方面提高助力另一方面也可以使驾驶室内可感觉到的噪声减小。
（3）齿条助力式转向器助力单元安装在转向齿轮的齿条处。
助力单元可灵活安装在齿条各处，从而使整车的布置更加方便。
2.5助力系统的关键部件
2.5.1助力电机
电动机对EPS的关键部件之一，电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩，是EPS的动力源。
根据电动助力转向的特点，EPS的助力电机必须有较好的性能，要求也较高：
尽可能宽的调速范围，运行平稳，力矩波动小；
快速响应性能好，较小的转动惯量；
良好的低速平稳性；
体积小、质量轻、噪声低；
过载能力强，可靠性高；
电机驱动其结构和运行方式可分为：
直流、交流；
永磁、励磁；
有刷、无刷等多种类型。
一般采用无刷或有刷永磁式直流电动机。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。
直流发电机工作原理:
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。
）
本设计采用的是RF-300C-11440,微电机马达，这是一种有刷直流电机，额定电压9V。
如图2.1所示是微型电机实物图。
图2.1微型电机实物图
2.5.2转矩传感器
EPS传感器的作用是探测驾驶员转向时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU，ECU根据这个信号连同车速信号产生相应的助力，协助驾驶员转向。
扭矩信号作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。
转矩传感器有接触式和非接触式两类。
目前，国内外现有的EPS系统采用的转矩传感主要分别有以下几种形式：
（1）电位计式，BI公司和NSK公司都有该类型的产品，前者集成了转矩、转角测量，后者采用滑套机构将转角差变换为电位计摆臂摆动，实现转矩测量。
该类型的传感器都属于接触式，其缺点就是存在磨损，降低了其性能。
（2）光电式，LUCAS公司有该类型的产品，清华大学也进行了这方面的研究、并做出了样件，前者结构比较复杂，对加工工艺要求较高，后者对前者进行了改进，但是存在温度漂移和绕线的问题。
（3）电感式，KOYO公司和NSK公司都有该类型的产品，该类型传感器具有较高的精度，很好地实现了非接触测量，非常适合EPS系统。
非接触式转矩传感器的线性功能和滞后性能好，但价格较高。
接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。
当转向盘向一个方向旋转时，其输出端上的电压保持一定值，当转向盘向相反方向旋转时，输出端电压就会发生变化。
输出端的电压值就可以用来表示转矩的大小，本设计采用的是WTH（118）10K-2W的电位器输出的电信号来模拟转矩传感器的信号。
如图2.2是10K-2W的电位器实物图。
图2.2电位器实物图
2.5.3车速传感器
车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。
车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。
本设计采用的是与扭矩传感器一样的WTH（118）10K-2W的电位器输出的电信号来模拟车速传感器的信号。
2.5.4电子控制单元
电子控制单元ECU作为关键部件，主要有微处理器、与传感器输入信号相匹配的接口电路、微处理器内置的模数转换器（A/D）和脉宽调制器（PWM），直流电动机的驱动电路等部分组成。
图4.4TCL549电路图
549的极限参数如下：
电源电压：
6.5V；
输入电压范围：
0.3V～VCC＋0.3V；
输出电压范围：
峰值输入电流（任一输入端）：
±
10mA；
总峰值输入电流（所有输入端）：
30mA；
工作温度：
TLC548C、TLC549C：
0℃～70℃
TLC548I、TLC549I：
－40℃～85℃
TLC548M、TLC549M：
－55℃～125℃
控制转矩信号的TCL549芯片的AIN引脚接输入信号，CS、DO、CLK引脚分别是片选信号端、输出端和输入端，依次接单片机的P0.0、P0.1、P0.2引脚；
控制车速信号的TCL549芯片的CS、DO、CLK引脚分别接单片机的P2.7、P2.6、P2.5引脚。
4.3.4电机助力子程序
由于在电动助力转向系统中由于其本身的特性决定了助力电机需要经常性起动，并且要根据转矩信号的变化提供合适的助力，在某些情况下需要急速反转时，可能会对电机造成损害。
本课题在设计助力控制子程序时通过输入信号的变化来改变电机的转速，从而达到调节电机助力大小的目标。
电机助力子程序框图如图4.5所示：
数据采集
单片机处理传感器信号
电机转速改变
图4.5电机助力子程序框图
4.3.5系统主程序
前面已经主要介绍了数字滤波程序、A/D数据采集模块和电机助力子程序，将数据采集子程序和电机助力子程序组和在一起，根据L298的逻辑功能实现对电机旋转方向起到作用的单片机引脚进行相应的控制，并通过传感器信号的变化实现对电机转速进行调频控制。
4.4本章小结
本章主要对EPS的软件部分进行了介绍，软件部分主要包括三大模块，助力控制模块、数据采集模块及其主模块，并且还对助力特性曲线、Keil开发软件和C语言进行了部分介绍。
第5章软件下载及系统的试验
经过前几章对整个系统的研究和学习，制作了硬件电路并且编写了控制程序，首先需要把这段程序下载到单片机中，观察是否能实现对直流电机旋转方向和转速控制的转功能。
5.1STC单片机程序下载器的使用
STC单片机程序下载器是专门用于将程序下载到单片机中的应用软件，该软件使用非常方便。
启动软件之后的界面如图5.1所示：
图5.1程序下载器界面
首先，要选择要下载程序的单片机的型号；
然后，点击的程序在步骤2中的“OpenFile/打开文件”按钮打开程序所在文件夹找到hex后缀的程序文件，如图5.2所示：
图5.2hex后缀的程序文件
将程序打开之后软件右上部分的程序文件出现变化即表明程序已经被软件打开，如图5.3所示；
图5.3程序文件窗口
在此之后还要选择步骤3中的串行接口（SelectCOMPort），串行接口要先把下载线连接好后在“计算机管理”菜单中查询即可，步骤4默认即可；
最后，我们就可以把代码显示区域中的代码通过下载到STC89C52单片机中，点击步骤5中的“Download/下载”按钮即可，不过由于设备的连接问题，可能需要多次下载才能成功将程序载入单片机中。
5.2系统的试验
系统的实物图如图5.4所示：
图5.4系统的实物图
在试验中，遇到过系统无法模拟方向盘不转动时即车辆直线行驶时的不提供助力的情况，据此问题应对控制程序做出相应修改，即方向盘在一定转角范围内电机不提供转向助力。
本设计的电机调速采用的是变频调速方式，经过测试，变频调速方式可以有效调节电机转速。
图5.5为转矩与车速信号同时控制时电机高速旋转的状态（由于采用高速数码相机拍摄，因此拍摄效果中电机旋转状态不明显）：
图5.5电机高速旋转时状态
图5.6为转矩信号模拟方向盘未转动时即汽车直线行驶时的状态，此时车速信号不起作用，系统不提供助力，电机不旋转：
图5.6电机不旋转时系统状态
5.3系统的调试
将程序载入到STC89C52单片机中，由于缺少该类型的设计经验，所以系统的程序经过了多次修改，下载了许多次，每次将软件载入单片机后，都需要对系统进行试验。
如果不能满足要求就要找到原因并进行解决，比如在制作电路板时出现的焊接失误，比如程序本身编写的问题导致的电机不能按要求运转。
5.4本章小结
通过对系统硬件的制作、程序的设计、程序的下载以及反复调试，系统最后终于达到任务的要求。
本章主要介绍了程序的下载软件和程序下载过程，简单介绍了调试时所遇到的困难。
结论
电动助力转向系统是未来汽车发展趋势的高新技术，本文在对EPS的原理和助力控制的基本过程进行了研究，通过硬件和软件的设计，主要工作如下：
（1）通过对EPS的有关文献资料进行研究，对电动助力转向系统的关键部件进行研究和分析，选择合适的传感器信号模拟部件，电动机及其它部件。
（2）以STC89C52为核心设计了电控单元，其中主要有电机驱动电路，信号采集电路，单片机最小电路，利用变频调制的方法对直流电机的电流大小进行控制，利用H桥实现对电机正反转的控制。
（3）利用Keil软件编写了控制程序，软件的主要功能是对转矩和车速的信号进行采集和数字滤波，然后将经过处理的信号输入单片机，采用P控制策略完成对直流电动机的控制。
（4）将程序下载到单片机中，将电路板通电试验，经过测试表明，控制器能有效对电机进行旋转方向和转速的调节。
本次设计制作的电路板对转矩信号和车速信号用电位计进行了信号的模拟，并用TCL549模数转换芯片对信号采集并送入单片机，电机在单片机和L298电机控制芯片的调控下进行相应的旋转，从而实现在不同的情况下进行对助力的调节。
总结以上的工作，有以下几点展望：
（1）电控单元的进一步设计和开发。
如电路中抗干扰及保护措施的完善。
故障诊断功能的完善等。
（2）EPS控制策略的研究。
如何采用更加先进的控制策略，增强对EPS系统控制的效果，以及对EPS数学模型的建立和助力特性曲线的建立。
（3）对助力系统的控制不够准确，需要大量的试验，从而使EPS系统更加完善。
虽然做出了一定的成果，但由于个人能力和时间限制，系统仅仅是在电动助力方面的一个验证性实验，离最后的实用化、产品化还有一定的距离，未来进一步的研究方向主要是在程序上设计的更加贴近实用性，以达到更加合理的助力目标。
参考文献
[1]王晓明,电动机的单片机控制[M],北京航空航天大学出版社,2002.5:
125-136
[2]赵良红,张渭泷.汽车底盘电控技术[M].机械工业出
升级会员 