電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)Electonic power steeing system Research and Design： ： 本 科 ： 電氣與信息學(xué)院 ： 自動(dòng)化 ： ： 教授 ： 2008年6月29日 學(xué)生姓名學(xué)歷層次所在系部所學(xué)專業(yè)指導(dǎo)教師教師職稱完成時(shí)間 摘 要 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System，簡(jiǎn)稱EPS)，是汽車工程領(lǐng)域的熱門課題之一。本文在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了EPS的電子控制單元ECU (Electronic Control Unit)的硬件電路和相應(yīng)的控制軟件框圖。 本文詳細(xì)分

2、析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元的功能，研究開(kāi)發(fā)了以89c51單片機(jī)為微處理器的電子控制單元?？刂茊卧哂袑?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制功能，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，確定電動(dòng)機(jī)輸出的目標(biāo)電流，利用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)H橋式電路控制電動(dòng)機(jī)的輸出電流和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向功能。 在研制了實(shí)驗(yàn)用ECU裝置后，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的控制軟件。控制軟件分為控制策略的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)信號(hào)采集與分析兩部分。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。在數(shù)據(jù)信號(hào)采集與控制部分，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序、A/D采集程序、車速信號(hào)采集程序和PWM控制程序。 本文所設(shè)計(jì)的EPS電子控制單元性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，與整車匹配性能好，可保證EPS實(shí)現(xiàn)良好的

3、轉(zhuǎn)向助力效果。關(guān)鍵詞電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 電子控制單元 單片機(jī) 控制策略Abstract Electric Power Steering System (EPS) is one of the focuses research in automotive engineering.This paper is based on the principles of EPS to study the operation, designed and developed the Electronic Control Unit (ECU) and the soft ware of the ECU. The thesi

4、s Considers the functions of the electronic control unit of EPS, studied and developed the hardware that adopted 89c51 as its microprocessor. The control unit was able to realize real-time data/signal acquisition and system control. The target current of motor output could be determined by the obtai

5、ned data; and utilizing the Pulse-Width Modulation (PWM) technology, power could be provided to the steering system by controlling the output current and rotation direction through H-bridge circuit. The software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition&

6、amp;control of data/signal, was developed in modular after thedesign of experimental ECU was completed. And the main program, A/D acquisition program, speed signal acquisition program and PWM control program are developed in the second part.The result showed that the electronic control unitdesigned

7、was with stable performance, appropriate structure and excellent matchingcondition, and the excellent power steering effect could be ensured by EPS. Key words: Electric Power Steering System (EPS) Electronic Control Unit Single-Chip Microprocessor Control Strategy1 引言1.1 汽車電動(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

8、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)汽車上開(kāi)始普遍應(yīng)用?，F(xiàn)今液壓助力轉(zhuǎn)向器(HPS)是以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的汽車助力轉(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年代開(kāi)始研究的汽車上電能為動(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)，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減少汽車低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的主動(dòng)安全性。并且可

9、通過(guò)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來(lái)滿足不同對(duì)象使用的需要。 2.提高了汽車的燃油經(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)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對(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% 。 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輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減

10、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)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。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

11、溫度影響的問(wèn)題。 6.在未來(lái)10-15年推出的純電動(dòng)汽車或者燃料電池汽車等汽車上由于沒(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)緊扣現(xiàn)代汽車時(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)的汽車上裝備了電動(dòng)式EPS。1993年，本田汽車公司首次將電動(dòng)

12、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跑車上;同年，在歐洲市場(chǎng)銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車-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EPS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向普通轎車和商用客車方向發(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

13、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)品的汽車主要為1.3L-1.6L的轎車(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、廣州本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國(guó)產(chǎn)汽車各車型技術(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。1.3 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)件裝備在汽車上，并將在動(dòng)力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)

14、地位。目前，在全世界汽車行業(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)轎車市場(chǎng)，并向微型車、輕型車和中型車擴(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)

15、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，才能滿足更高檔車的使用要求。另外，EPS的控制信號(hào)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(hào)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。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

16、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 汽車電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，即汽車低速時(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)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)，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)

17、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，是專為儀表控制、工業(yè)過(guò)程控制、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)控制等實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)

18、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)需對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 PWMA/DA/D80c55280c552車速信號(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)圖2-1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖第二方案：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。89C51扭矩傳感器車速傳感器

19、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 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)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 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: 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)

20、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、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)矩與方向盤轉(zhuǎn)角大小并和車速信號(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)汽車點(diǎn)火后，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤輸入軸上的轉(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

21、小和方向，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)與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類電動(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。1: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。由于各部件相對(duì)獨(dú)立，因此維修

22、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，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，不受安裝位置的限制，可以提供較大的助力

23、力矩，電機(jī)的力矩波動(dòng)不易傳遞到方向盤上。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。 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。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)當(dāng)滿足

24、動(dòng)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。而行車轉(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)具有直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤應(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)向車輪保持在任一偏轉(zhuǎn)角位上。(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)。EPS的機(jī)械部

25、分主要可分為轉(zhuǎn)向盤和轉(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。XXU電機(jī)TsenImTaTwRp轉(zhuǎn)矩傳感 器ECU減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)Th 圖2-4 EPS動(dòng)態(tài)模型 轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱輸入軸子模型 對(duì)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(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:J+B=T-T (2-1)式中Js轉(zhuǎn)向盤、輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m; Bs輸入軸的粘性

26、阻尼系數(shù)，N·m /( rad / s) ; 輸入軸的旋轉(zhuǎn)角，rad ; T作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，N·m; Tsen扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩，N·m 。 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)，N·m/rad ; s輸出軸的旋轉(zhuǎn)角，rad 。 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)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） 圖2-5 永磁式直流電

27、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):N·m·A。 對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械部分受力分析，可以得到: Jm·m + Bm·m=Tm-Ta (2-)式中Jm,電動(dòng)機(jī)和離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m; Bm電動(dòng)機(jī)粘性阻尼系數(shù)，N·m/(rad/s); m電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，rad; Tm電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m; Ta電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m 。 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） (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)，N

28、83;m/rad 。 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: Je·e +Be·e=Tsen + G·Ta Tw (2-7)式中Je輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m; Be輸出軸的阻尼系數(shù)，N·m /(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，N·m 。 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) 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); Xr齒條的位移，m;

29、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)。對(duì)于常規(guī)助力控制過(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： 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: Jss + Bss+ Kss=Ts + Ks （2-10）Jm m +Bm m +Km m = Tm+ G Km （2-11）Mr r+Br r

30、+Kr Xr=+-F （2-12）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）。Kt=kt+小齒輪、齒條和輪胎的等效彈簧的彈性系數(shù)，N/m；2.3 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 Control Unit)。 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用于測(cè)量方向盤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)

31、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，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)。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性功能和滯后性能好，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)的球洞里。滑塊相對(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

32、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，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?，并傳送到控制器ECU.送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號(hào)分為主、副兩路。當(dāng)方向盤處于中間位置時(shí)，主、副兩路輸出的信號(hào)都為2.5 V;當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)矩信號(hào)大于2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號(hào)小于2.5 V;當(dāng)方向盤左轉(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)即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。圖2-6 電位

33、式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性 車速傳感器 車速信號(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)車速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時(shí)，系統(tǒng)將停止助力，改為手動(dòng)操作。車速信號(hào)由車速傳感器測(cè)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。常見(jiàn)的車速傳感器工作原理如圖2-7所示，車速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。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(lái)的磁通量發(fā)生變化，在線圈上就會(huì)產(chǎn)生交流電流。圖2-7為車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

34、速時(shí) 6.低速時(shí) 圖2-7 車速傳感器的工作原理車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)際的車速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。 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)滿足如下要求： 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E

35、PS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. 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_(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，主要由電磁線圈、 主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、壓板 1 滑環(huán) 2 電磁

36、線圈 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)裝有電磁線圈，通過(guò)滑環(huán)引入電流。當(dāng)離合器通電時(shí)，電磁線圈產(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。 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)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

37、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，但已能滿足微型車的應(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，有的采用樹脂材料制成。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(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 電子控制單元ECUECU的功能是根據(jù)扭矩傳感器信號(hào)和車速傳感器信號(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)

38、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所用的。ECU來(lái)說(shuō)明其控制結(jié)構(gòu)(如圖2-10示)和工作原理。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，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)

39、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。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(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。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

40、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 路故障顯示電路當(dāng)控制器接收到汽車點(diǎn)火信號(hào)時(shí)，接通蓄電池電源，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。汽車在行駛過(guò)程中，ECU采集轉(zhuǎn)矩傳感器和車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)定值或車速高于設(shè)定值時(shí)，為了保護(hù)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

41、，再恢復(fù)助力功能。3.2 控制器微處理芯片的選擇 控制器微處理器常用芯片及選型作為汽車電子技術(shù)研究的熱門課題之一，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。3.2.2 89C51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： (1)電源及時(shí)鐘引腳：V、V；XTAL1、XTAL2 (2)控制引腳： 、ALE、RESET（即RST

42、） (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。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。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S

43、TART信號(hào)控制轉(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。 圖3-3 ADC0809與單片機(jī)89C51的連接圖 89C51外部總線擴(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。圖3-4為74LS373引腳圖。 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OE為有效低電平，使能端G為有效高電平時(shí)，

44、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端再次有效為止。 由于89C51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不能滿足設(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，用來(lái)存放用戶數(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。圖3-5 6264的各個(gè)功能引腳Vcc：電

45、源電壓，+5V。GND：接地。A0-A12:地址線。D0-D7:數(shù)據(jù)線。OE：片輸出允許，連接單片機(jī)的讀信號(hào)線。WE:寫允許引腳，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.。 圖3-6 單片機(jī)89C51和片外RAM的電路連接圖中P2口和6264的高8位地址線以及片選信號(hào)CE連接；P0口經(jīng)過(guò)地址鎖存器輸出的地址線和6264的高8地址總線相連，同時(shí)P0口又與EPROM的數(shù)據(jù)線相連。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) 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)稱的，故在

46、設(shè)計(jì)時(shí)只需采用一種電路。輸入的轉(zhuǎn)矩信號(hào)幅值為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。 圖3-7 轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集電路 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)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行

47、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的接線方式如圖3-8所示。圖3-8 PAS

48、-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?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖请娏餍盘?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。 圖3-9 電動(dòng)機(jī)電流采集電路 車速信號(hào)的采集車速信號(hào)是從車速里程表引出的，輸出為單極性的脈沖信號(hào)，電壓在9.5 V以上。在課題研究中作者采用脈沖發(fā)生器來(lái)模擬車速信號(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

49、左右，所以車速信號(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。輸入的車速信號(hào)經(jīng)光耦轉(zhuǎn)變?yōu)?V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)的車速。 圖3-10 車速信號(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)電路采用了常用的H全橋PWM電路，方向控制由門電路組成，離合器的開(kāi)斷用繼電器來(lái)控制。下面將分別說(shuō)明。 電動(dòng)機(jī)的PWM控制 在控制器的

50、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。.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性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，但是功率器件在線性區(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。 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)，電動(dòng)機(jī)