汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

楊丙震，劉豪睿

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

楊丙震，劉豪睿*

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的采用，得到最佳的回正性特性，改善汽車操縱的穩(wěn)定性。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)，目前國(guó)內(nèi)的研究開發(fā)還處于起始階段，因此我們必須大力對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行研究。基于此，文章在研究了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了EPS的電子控制單元的硬件電路和相應(yīng)的控制軟件框圖。文章的創(chuàng)新點(diǎn)就是結(jié)合PWM控制程序，以實(shí)現(xiàn)在不同工況和不同模式下對(duì)直流電機(jī)的精確控制。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；軟硬件設(shè)計(jì)；自動(dòng)調(diào)整電路

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-38-03

前言

論文將通過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)。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)良好的轉(zhuǎn)向助力效果。

1、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1 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)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)，由電子控制裝置來執(zhí)行助力控制的，簡(jiǎn)單來講就是一種直接依靠電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、控制器、和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，使用電力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在不同的駕駛條件下為駕駛?cè)藛T提供適宜的輔助力[1]。

2、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案確定

本論文是由89c52作為微控制器，如圖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、ADC0808轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到89c52單片機(jī)，再由89c52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[5]。

圖2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖Figure 2 Scheme Block Diagram of EPS

2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的器件選用

2.2.1 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。本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器。

2.2.2 車速傳感器

車速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。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，是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一[2]。在本文的研究中，采用脈沖發(fā)生器來模擬實(shí)際的車速信號(hào)，用于對(duì)控制策略的研究。

2.2.3 直流電動(dòng)機(jī)

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。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)[3]，額定轉(zhuǎn)速為1050r/min,其工作的額定電壓為12V，額定轉(zhuǎn)矩為1.48Nm額定電流為30A，額定輸出功率為170W。

2.2.4 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_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。

2.2.5 減速機(jī)構(gòu)

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[3]。在論文中，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)。

2.2.6 電子控制單元ECU

ECU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。

2.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 控制器微處理芯片的選擇

本設(shè)計(jì)中選擇89C52作為微處理器，用ADC0808器件實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換。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)控制轉(zhuǎn)換開始，并采用采用74LS373地址鎖存器芯片來擴(kuò)展89C52的外部總線的擴(kuò)展[5]。

2.3.2 控制器輸入通道的設(shè)計(jì)

控制器接收從轉(zhuǎn)矩傳感器送來的轉(zhuǎn)矩信號(hào)有主、副兩路，對(duì)于轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集只需采用一種電路，采用采樣濾波電路進(jìn)行轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集，分為電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的采集車速信號(hào)的采集和車速信號(hào)的采集。

2.3.3 控制器輸出通道的設(shè)計(jì)

論文的EPS控制器的電機(jī)控制部分，采用了單極性PWM控制方式。在電路設(shè)計(jì)有功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管選擇中，我們選用的是國(guó)際整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路采用了專用驅(qū)動(dòng)器件IR2112。

2.3.4 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)需要5V的供電電壓，車載電源12V電壓，7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)換，此外，DC/DC變換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出。

3、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 EPS的PID控制

本論文選用了PID位置式算法[4]。EPS控制是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器和車速信號(hào)的輸入來確定助力目標(biāo)電流的大小，本文采用了PID控制，對(duì)整個(gè)EPS系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制[5]。

3.2 系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 A/D采集程序

A/D采集程序的編寫主要是對(duì)ADC0808的相關(guān)寄存器的設(shè)置及數(shù)字濾波算法。ADC0808的相關(guān)寄存器主要是：轉(zhuǎn)換控制寄存器（ADCCON)、轉(zhuǎn)換預(yù)分頻寄存器(ADCPSR )、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT )。EPS控制器對(duì)A/D數(shù)據(jù)的采集，只是采用了不同的A/D通道，而ADC相關(guān)寄存器的配置基本不變，數(shù)字濾波算法也可共用，因此只需編寫一個(gè)A/D采集程序就可，具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 A/D采集程序流程圖Figure 3 Flow Chart of A/D Acquisition Program

3.2.2 車速信號(hào)采集程序

論文實(shí)驗(yàn)過程中，車速信號(hào)的采集主要是通過對(duì)定時(shí)器的操作來實(shí)現(xiàn)的。選用計(jì)數(shù)器1接受脈沖信號(hào)，計(jì)測(cè)量時(shí)間周期T內(nèi)接受的脈沖個(gè)數(shù)；用定時(shí)器0來確定測(cè)量時(shí)間周期T[5]。其計(jì)算公式如下：

其中：

V — 汽車行駛的車速

N —被測(cè)齒盤的齒輪齒數(shù)

T —測(cè)量時(shí)間周期

n —測(cè)量的脈沖數(shù)

Rd—車輪的滾動(dòng)半徑

4、結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了總體功能設(shè)計(jì)，根據(jù)功能要求確定了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的主要部件。選擇了用于實(shí)現(xiàn)以上各控制電路所使用的電子元器件，能夠較好的適合其在不同車輛不同工況下穩(wěn)定的安全的形式運(yùn)用。

[1] 何永昌.汽車管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器淺析[J].時(shí)代汽車.2016(03).

[2] 邱琪.雙齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置.2013(06).

[3] 向金權(quán).汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工藝特點(diǎn)探討[J].微特電機(jī).2015(02).

[4] 鈕因昌.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求[J].汽車工程師.2013(05).

[5] 林思聰,李鈺懷,吳堅(jiān).一種新型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研究與開 發(fā)[J].汽車零部件.2014(01).

Research on and Design of Automobile Electric Power Steering System

Yang Bingzhen, Liu Haorui*
( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

A With the rapid development of electronic technology, automobile steering system has changed from pure mechanical steering system into electric power steering system (EPS) in order to improve the stability of automobile control. Electric power steering is an inevitable trend with the development of modern automobile steering system. At present, research and development of electric power steering technology at home is still at the outset which is why we should devote major efforts to research this technology. In line with this, this paper designs and develops hardware circuit of electronic control unit of EPS as well as corresponding control software block diagrams on the basis of researching the operating principle of electric power steering system. What is innovative in this paper is to accurately controlling direct-current dynamo in different working conditions and different modes by integrating with PWM control program.

electric power steering system; software and hardware design; automatically regulating circuit

U462.1

A

A1671-7988 (2017)01-38-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.015

楊丙震（1992.8—），男，就讀于德州學(xué)院。

劉豪睿（1978-），男，講師，就職于德州學(xué)院，專業(yè)：混合動(dòng)力汽車能量管理，電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

山東省2015年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃提供基金支持，項(xiàng)目編號(hào)：2015GGX105008。