1、內 容 摘 要電動助力轉向( Electric Power Steering, 簡稱EPS) 作為一種新型轉向系統, 因其具有節能、環保等優點而受到世界各大汽車公司和企業的青睞, 它將逐步取代傳統的液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering, 簡稱HPS) 。本文以傳統的轉向柱助力式EPS 為研究對象, 建立EPS系統數學模型,給出了汽車電動助力系統的動力學方程。根據電動助力轉向系統的工作原理及控制器可靠設計的關鍵技術，設計了以P87C591 單片機為主控單元的EPS系統，系統采用閉環電流控制方案, 利用目標電流技術調節電機端電壓達到控制電機電流力矩的目的。EPS 控制

2、器采用模塊化設計，把信號處理電路和功率驅動電路進行分層設計,以增強系統的抗干擾能力和可靠性。在進行PWM 驅動頻率的選擇時，考慮開關時電流脈峰對開關管及電動機安全的影響。最后通過研究分析了EPS系統的經濟性、系統硬件電路板空間與發熱功耗及可靠性合理地選擇散熱片及其參數,提高了驅動效率和穩定運行能力。實驗表明, 該系統具有良好的電動助力特性, 滿足電動助力轉向要求,證明了這種系統在實際應用中的有效性。關鍵詞電動助力轉向; 單片機; H橋驅動; PWM斬波; 控制系統Hardware Design of the Electric Power Assisted Steering System0506

3、07337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professorAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles.Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world company and the enterprise favour

4、 , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step.The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of the tradition vergence post power-as

5、sistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , testifying this system on systematic p

6、ower-assistance.This paper presents an elect ricpower steering system controlled by P87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled. The working principle and key technologies for reliable design of EPS contro

7、ller were analyzed.The signal processing circuit and the power drive circuit were hierarchically designed to improve theanti jamming capability and reliability. The PWM frequency was selected considering the influence of switching currentpulse on the safety of the transistors and the motor should be

8、 taken into account . Besides paralleled for the economy , the heat dissipation and the reliability.It srelevant parameters were selected to improve the drive efficiency and the stableoperation capability. The results of the experiment show thesystem designed has good steering characteristics and me

9、ets the request of electric power steering.Key wordsElectric Power Steering; Microprocessor; The bridge drives H;PWM chopped wave; Control System目 錄第1章 概述························&#

10、183;·····················11.1 EPS系統簡介··························&#

11、183;··········· 11.2轉向系統的發展概況································21.3 EPS系統的特點··

12、;··································3第2章 EPS系統模型··············

13、;························ 72.1EPS系統的結構及原理·······················&

14、#183;······ 72.2 建立EPS動力學模型······························· 82.3 EPS的動力學方程·······

15、··························· 82.4 直流電動機·····················&

16、#183;·················11第3章 基于高性能P87C591單片機控制方案制定·············123.1 單片機控制方案············

17、83;······················12P87C591單片機芯片簡介·······················12單片機控制系統&#

18、183;·····························143.2 EPS工作流程圖··················

19、·················163.3 助力電流控制系統······························

20、3;· 17 控制策略··································· 173.3.2電機目標助力電流算法·········&#

21、183;············· 173.3.3助力電流閉環控制··························· 18第4章 EPS控制系統設計····

22、·······························214.1 EPS 控制器模塊化設計················

23、············ 214.2電機控制電路設計·································22H橋驅動芯片IR2110功能

24、簡介··················22H 橋功率驅動電路··························24電機保護電路··

25、83;···························· 254.3 PWM斬波···················

26、83;····················· 264.3.1 PWM控制原理··························

27、;······ 264.3.2PWM斬波電路································274.3.3驅動頻率的選擇·······

28、·······················28第5章 汽車轉向技術的發展趨勢························&

29、#183;·· 325.1 線性轉向系統·····································325.2 轉向技術發展趨勢·····

30、3;···························32結束語······················

31、;···························· 33致謝·····················

32、······························· 34參考文獻··················

33、;······························ 35汽車電動助力轉向系統（EPS）硬件設計第1章 概述1.1 EPS系統簡介電動助力轉向系統是于20世紀80年代中期提出來的。該技術發展最快、應用較成熟的當屬TRW轉向系統和Delphi Sagiaw （薩吉諾）轉向

34、系統，而Delphi Sagiaw （薩吉諾）轉向系統又代表著轉向系統發展的前沿。電動助力轉向系統（EPS， Electric Power Steering）是未來轉向系統的發展方向。該系統由電動助力機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發動機上的皮帶輪，既節省能量，又保護了環境。另外，還具有調整簡單、裝配靈活以及在多種工作狀況下都能提供轉向助力的特點。正是有了這些優點，電動助力轉向系統作為一種新的轉向技術，將挑戰大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉向系統。電動助力轉向系統符合現代汽車

35、機電一體化的設計思想，該系統由轉向傳感裝置、車速傳感器、助力機械裝置、提供轉向助力電機及微電腦控制單元組成。該系統工作時，轉向傳感器檢測到轉向軸上轉動力矩和轉向盤位置兩個信號，與車速傳感器測得的車速信號一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過數據分析以決定轉向方向和所需的最佳助力值，然后發出相應的指令給控制器，從而驅動電機，通過助力裝置實現汽車的轉向。通過精確的控制算法，可任意改變電機的轉矩大小，使傳動機構獲得所需的任意助力值。1.2轉向系統的發展概況作為汽車的一個重要組成部分, 汽車轉向系統是決定汽車主動安全性的關鍵總成, 如何設計汽車的轉向特性, 使汽車具有良好的操縱性能, 始終是各汽

36、車生產廠家和科研機構的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業化、車流密集化的今天, 針對更多不同水平的駕駛人群, 汽車的操縱設計顯得尤為重要。汽車轉向系統經歷了純機械式轉向系統、液壓助力轉向系統、電動助力轉向系統3 個基本發展階段。1 純機械式轉向系統機械式的轉向系統, 由于采用純粹的機械解決方案, 為了產生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤, 這樣一來, 占用駕駛室的空間很大, 整個機構顯得比較笨拙, 駕駛員負擔較重, 特別是重型汽車由于轉向阻力較大,單純靠駕駛員的轉向力很難實現轉向, 這就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉, 目前在一部分轉向操縱力不大、對

37、操控性能要求不高的微型轎車、農用車上仍有使用。2 液壓助力轉向系統1953 年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉向系統, 此后該技術迅速發展, 使得動力轉向系統在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。80 年代后期, 又出現了變減速比的液壓動力轉向系統。在接下來的數年內, 動力轉向系統的技術革新差不多都是基于液壓轉向系統, 比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉向系統( Variable Displacement Power Steering Pump) 和電動液壓助力轉向( Electric Hydraulic PowerSteering, 簡稱EHPS) 系統。變流量泵助力轉向系統在汽車

38、處于比較高的行駛速度或者不需要轉向的情況下, 泵的流量會相應地減少, 從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉向系統采用電動機驅動轉向泵, 由于電機的轉速可調, 可以即時關閉, 所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉向系統使駕駛室變得寬敞, 布置更方便, 降低了轉向操縱力, 也使轉向系統更為靈敏。由于該類轉向系統技術成熟、能提供大的轉向操縱助力, 目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應用。但是液壓助力轉向系統在系統布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。3 汽車電動助力轉向系統(EPS)EPS 在日本最先獲得實際應用, 1988 年日本鈴木公司首次開發

39、出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統, 并裝在其生產的Cervo 車上, 隨后又配備在Alto 上。此后, 電動助力轉向技術得到迅速發展, 其應用范圍已經從微型轎車向大型轎車和客車方向發展。日本的大發汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司, 美國的Delphi公司,都研制出了各自的EPS。EPS 的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發展, 并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發的EPS 僅低速和停車時提供助力, 高速時EPS 將停止工作。新一代的EPS 則不僅在低速和停車時提供助力, 而且還能在高速時提高汽車的操縱穩定性。隨著電子技術的發展, EPS 技術日趨完善, 并且其成本

40、大幅度降低, 為此其應用范圍將越來越大。1.3 EPS系統的特點電動助力轉向系統將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽車轉向系統，能顯著改善汽車動態性能和靜態性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環境的污染等。因此，該系統一經提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發和研究，未來的轉向系統中電動助力轉向將成為轉向系統主流，與其它轉向系統相比，該系統突出的優勢體現在：降低了燃油消耗。液壓動力轉向系統需要發動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費了部分能量。相反電動助力轉向系統（EPS）僅在需要轉向操作時才需要電機提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發動機。而且,能量的

41、消耗與轉向盤的轉向及當前的車速有關。當轉向盤不轉向時，電機不工作，需要轉向時，電機在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應大小及方向的轉矩以產生助動轉向力矩，而且，該系統在汽車原地轉向時輸出最大轉向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統真正實現了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系統。增強了轉向跟隨性。在電動助力轉向系統中，電動助力機與助力機構直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉向。該系統利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉和轉向前輪擺振大大減水。因此轉向系統的抗擾動能力大大增強和液壓助力轉向系統相比，旋轉力矩產生于電機

42、，沒有液壓助力系統的轉向遲滯效應，增強了轉向車輪對轉向盤的跟隨性能。 改善了轉向回正特性。當駕駛員使轉向盤轉動一角度后松開時，該系統能夠自動調整使車輪回到正中。該系統還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內調整設計參數以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉矩特性，這種轉矩特性使得該系統能顯著地提高轉向能力，提供了與車輛動態性能相機匹配的轉向回正特性。而在傳統的液壓控制系統中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結構，實現起來有一定困難。提高了操縱穩定性。通過對汽車在高速行駛時過度轉向的方法測試汽車的穩定特性。采用該

43、方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個過度的轉角迫使它側傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩定性，駕駛員有更舒適的感覺。提供可變的轉向助力。電動助力轉向系統的轉向力來自于電機。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個車速的可變轉向力。可變轉向力的大小取決于轉向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。在電動助力轉向系統中，可變轉向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費用很小。采用"綠色能源"，適應現代汽車的要求。電動助力轉向系統應用"最干凈&q

44、uot;的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉向系統中液態油的泄漏問題，可以說該系統順應了"綠色化"的時代趨勢。該系統由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉向系統油管使用的聚合物不能回收，易對環境造成污染。系統結構簡單，占用空間小，布置方便，性能優越。由于該系統具有良好的模塊化設計，所以不需要對不同的系統重新設計、試驗、加工等,不但節省了費用，也為設計不同的系統提供了極大的靈活性，而且更易于生產線裝配。由于沒有油泵、油管和發動機上的皮帶輪，使得工程師們設計該系統時有更大的余地，而且該系統的控制模塊可以和齒輪齒條設計在一起或單獨設計，發動

45、機部件的空間利用率極高。生產線裝配性好。電動助力轉向系統沒有液壓系統所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數目大大減少，減少了裝配的工作量，節省了裝配時間，提高了裝配效率。電動助力轉向系統自20世紀80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉向系統的發展方向，必將取代現有的機械轉向系統、液壓助力轉向系統和電控制液壓助力轉向系統。第2章 EPS系統模型2.1 EPS系統的結構及原理電動助力轉向系統的結構如圖2-1所示。系統主要由車速傳感器、轉向盤轉矩傳感器、電動機電流傳感器、控制器、功率驅動電路、故障指示燈、離合器和直流電動機等組成。中央控制器ECU是EPS 系統的核心部件,它是汽車定速巡

46、航系統的一部分，是速度控制系統的中樞，根據每種車型最平穩加速設計確定。ECU根據指令車速、實際車速及其它輸入信號，經CPU數據處理之后輸出信號驅動伺服控制器控制發動機節氣門開度。控制器根據各傳感器輸出的信號決定電動機的轉動方向和最佳助力轉矩,向電動機和離合器發出控制信號,通過功率驅動電路控制直流電動機的轉動,電動機的輸出經過減速機構減速增扭后,驅動齒輪齒條機構,產生相應的轉向助力。通過精確的控制算法,可任意改變電動機的轉矩大小,使傳動機構獲得所需的任意助力值。同時,控制器對系統進行實時故障診斷,一旦發生故障,將中斷對電動機的電壓供給,并點亮轉向系統故障警示燈,同時將故障類型以代碼的形式存儲。圖

47、2-1電動助力轉向系統結構簡圖1.車速信號 2.轉矩信號 3.電動機反饋電流信號 4.離合器驅動信號 5.電動機驅動信號 6.ECU 7.轉矩傳感器 8.減速機構 9.離合器 10.直流電動機2.2建立EPS動力學模型轉向柱助力式EPS 的動力學模型如下圖2-2所示,圖2-2EPS動力學模型示意圖設轉向盤、轉向柱、前輪及轉向機構、電動機的轉動慣量分別為、; 轉向盤、轉向柱、前輪及轉向機構、電動機的阻尼分別為、; 轉向盤、轉向柱、前輪及轉向機構、電動機的轉角分別為、; 轉向盤力矩、前輪及轉向機構阻力矩、電動機作用到轉向柱的助力力矩分別為、。2.3 EPS的動力學方程EPS 中轉向盤和轉向柱之間通

48、過扭矩傳感器連接, 根據傳感器的工作原理有:（2-1）式中, 、表示扭矩傳感器的扭矩和剛度。考慮到EPS 中的速度匹配特性, 即電動機的轉速經減速機構后應與轉向柱速度快慢一致以及前輪轉向機構和轉向柱工作的協調性, 有:（2-2）（2-3）式中、分別表示電動機和轉向柱轉角、前輪和轉向柱轉角的傳動比。汽車在小轉角的情況下, 輪胎特性處于線性變化范圍, 前輪受到的阻力矩與前輪轉角成正比, 即（2-4）根據以上條件結合相關的力學定律可建立系統的數學模型如下:（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）圖2-3電動機電樞電路示意圖汽車在轉向過程中, 控制單元根據扭矩傳感器檢測到駕駛員作用到轉向盤的力矩信號和

49、車速信號來決定電動機的助力扭矩的大小和方向, 在電動機和駕駛員的共同作用下來實施轉向。其電動機采用直流電機, 電樞電路如圖2-3所示,忽略其電感, 則電動機端電壓U 與電樞電阻R 和電流I 的電壓平衡方程式為:（2-9）電動機輸出扭矩和電動機的電流存在以下關系:(2-10)在對電動機的控制中可以根據扭矩傳感器檢測到的扭矩信號控制電動機的電壓, 即 (2-11) 式中, 為控制器。根據式(2-1)可以看出, 當轉向柱轉角一定時,轉向盤轉角越小, 則駕駛員作用到轉向盤的扭矩越小, 轉向越輕便, 達到了減輕駕駛員操縱力的作用, 因此可以建立以為輸入,為輸出的EPS 系統助力特性傳遞函數, 系統控制框

50、圖如圖2-4所示, 系統的傳遞函數如下: （2-12）式中, , , ,為控制器函數的拉氏變換。圖2-4EPS控制框圖2.4 直流電動機直流電動機是EPS系統的執行單元,在該系統中起著重要的作用。圖2-5 直流電動機原理圖如上圖所示，給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A流入，經過線圈abcd，從電刷 B流出，根據電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動。如果轉子轉到如上圖（b）所示的位置，電刷 A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷 A流入，在線圈中的流動方向是dcba

51、，從電刷 B流出。此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產生的轉矩的方向卻是不變的。實用中的直流電動機轉子上的繞組也不是由一個線圈構成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉矩的波動。選擇無刷永磁直流電機即可滿足設計要求。第3章 基于高性能P87C591單片機控制方案制定3.1 單片機控制方案3.1.1P87C591單片機芯片簡介PHILIPS公司生產的P87C591單片機有44個引腳，是一個單片8位高性能微控制器，它具有

52、片內CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生而來。它采用了強大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半導體SJA1000 CAN控制器強大的PeliCAN功能。全靜態內核提供了擴展的節電方式。振蕩器可停止和恢復而不會丟失數據。改進的1：1內部時鐘預分頻器在12MHz外部時鐘速率時實現500ns指令周期。微控制器以先進的CMOS工藝制造，并設計用于汽車和通用的工業應用。除了80C51的標準特性之外，器件還為這些應用提供許多專用的硬件功能。P87C591組合了P87C554(微控制器)和SJA1000(獨立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增強特性：1. 增強的CAN接收中斷2. 擴

53、展的驗收濾波器3. 驗收濾波器可"在運行中改變"通常，電動助力轉向系統是一個8位單片機系統。因此，電動助力轉向系統采用此種型號單片機作為控制系統, 能夠很好的達到控制要求。P87C591功能框圖如下所示：圖3-1 P87C591功能框圖特性1. 16K字節內部OTP程序存儲器512字節片內數據RAM2. 3個16位定時/計數器T0、T1、和T2(捕獲&比較)1個片內看門狗定時器T33. 帶6路模擬輸入的10位ADC可選擇快速8位ADC4. 增強性能的6CLK加速指令周期500ns12MHz5. 2個8位分辨率的脈寬調制輸出(PWM)6. 具有32個可編程I/O口(準

54、雙向推挽高阻和開漏)7. 帶硬件總線接口8. 全雙工增強型UART帶有可編程波特率發生器9. 雙DPTR10. 可禁止ALE實現降低EMI11. 低電平復位信號12. 增強型PeliCAN內核13. 增強的溫度范圍-40+85攝氏度14. 提供PLCC44、QFP44封裝3.1.2單片機控制系統單片機采樣的模擬量包括蓄電池電壓、方向盤的主、副扭矩傳感器信號、電機電流、電機端電壓等參數。車速和發動機轉速等非電量信號經過頻率輸人電路處理后, 其輸出脈沖信號分別送到定時器0和定時器1的兩個外部計數端口T0和T1, 通過定時器T2讀取采樣到的脈沖可以分別得到車速和發動機轉速;單片機的PWM0口用來產生

55、20K的方波頻率信號, PWM1口作為助力電流指令的D/A輸出,PWM0、 PWM1與電機反饋電流一起作為PWM電路的輸人信號, 形成FET-H橋基極驅動的PWM斬波。除此之外，系統還有保證轉向可靠性的轉向鎖定電路、電機端電壓獲取電路、電機故障檢測電路、溫度檢測電路、EPS故障燈驅動電路、電源變換電路。FET-H橋驅動、離合器驅動、繼電器驅動電路等。EPS硬件控制電路框圖如下圖3-2所示。圖3-2 EPS硬件控制方框圖當汽車點火開關閉合時, 微控制器即進行自檢,自檢通過后, 閉合繼電器和離合器, EPS系統便開始工作。其基本助力過程為駕駛員操縱方向盤轉向,扭矩傳感器檢測到方向盤的力矩和轉動方向

56、, 車速傳感器檢測到車速信號, 這些信號分別經過扭矩傳感器輸人電路和頻率輸人電路處理后送至P87C591相應端口, 單片機根據方向盤的轉動力矩、轉動方向和車速等數據, 并依據系統助力特性,確定電流的大小和方向, 通過PWM1口發出電流指令和不停地對溫度、扭矩、電機、離合器進行檢測, 如發現異常, 單片機將通過EPS驅動電路驅動EPS燈亮進行報警提示, 同時斷開繼電器、離合器退出電動助力工作模式, 轉為人工手動助力模式。3.2 EPS工作流程圖扭矩電壓=2.5V車速45Km/h無故障NNY開始采集扭矩信號采集車速信號閉合離合器采集發動機轉速信號采集發電機電壓信號處理輸入輸出信號誤差計算PWM的占

57、空比電動機正反轉輸出控制PID控制故障類型輸出顯示結束NYY圖3-3 EPS工作流程圖3.3 助力電流控制系統控制策略EPS控制系統助力輸出電流（力矩）T。由電機目標助力電流控制算法和電機轉矩控制兩部分組成。前者根據駕駛員對方向盤施加的扭矩和車速確定電機助力的目標電流；后者根據電機目標電流和電機反饋電流對電機實際輸出電流進行閉環控制。圖3-4所示為助力電流控制策略原理框圖。方向盤扭矩車速助力電流控制算法電機輸出電流控制電動機圖3-4助力電流控制策略圖 電機目標助力電流算法控制系統根據駕駛員施加在方向盤上的力矩和當時的車速, 按照預制助力特性確定電機目標助力轉矩的大小和方向,由于直流電動機轉矩與

58、電樞電流成正比, 故可用通過電樞的電流來代替電動機轉矩進行運算分析,其助力算法為: （3-1）其中,為計算機給定的目標助力電流(轉矩) ,為扭矩傳感器檢測到的方向盤力矩信號,為車速信號,為助力比,即電機輸出轉矩和方向盤輸出力矩的比值,它是車速信號的函數。圖3-5 電機電流助力特性從上圖可以看出, EPS 系統的助力特性是一個非線性函數。本系統制定的助力特性曲線示意圖，橫坐標為方向盤扭矩傳感器電壓信號, 反映了方向盤扭矩的大小和方向, 縱坐標為電機目標助力電流。當駕駛員施加在方向盤上力矩在死區(-1-+1)范圍內, 即方向盤位于中間位置附近時, 電機助力電流為0，基本不起助力作用, 以防止轉向過

59、度靈敏;當方向盤力矩越過死區, 電機根據方向盤偏離方向線性的施加助力轉矩，助力部分發揮助力作用效果比較明顯。車速越高, 助力電流與方向盤力矩之間的增益越小, 以保證該系統在低車速時發揮較大的助力轉向作用, 在高車速時明顯減小助力轉向效果, 從而使駕駛員在轉向時獲得較好的路感。為使方向盤操作平滑及左右轉向時手感一致, 助力特性曲線保證了左右輸人力矩與輸出電流（力矩）的對稱性。 助力電流閉環控制系統采用無刷永磁直流電機, 端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動勢常數、轉速、電流I和時間t的動態關系如下：（3-2）當電機電流穩定時, 可以簡化為：（3-3）由于電機轉矩與電流I成正比, 由式（3-3）可

60、知, 電機轉矩控制有電流控制和電壓控制兩種。電壓控制為開環控制, 控制精度不高, 故系統采用電流閉環控制方式, 使得電機目標電流和實際工作電流之間的誤差能夠減少為零或足夠的小, 而電流控制又可以通過調節電樞電壓實現, 利用PWM控制技術把加在FET-H橋上的14V直流電壓變成電壓脈沖列, 并通過控制電壓脈沖寬度來調整電機端電壓值的大小, 從而調節電機輸出電流轉矩的大小。其原理如圖3-6所示。圖中ZR為正轉信號, FR為反轉信號 ,SSD為轉向鎖定信號, PWM為斬波脈沖信號。圖3-6電流閉環控制原理圖由于EPS直流電動機需要正反轉控制, 其控制電路采用如上圖所示的FET-H橋式電路, 其極驅動

61、電路采用分立元件搭建而成。功率管FET(a)與FET(d)受基極驅動電路控制同時導通與關斷, 電流經14V電源、FET(a)電機、FET(d)、地構成正轉回路。反之, 電流經14V電源、經FET(b)、電機、FET(c)、地構成反轉回路。計算機發出的20K頻率信號PWM0經過三角波電路形成20K的三角波輸人至比較器的反相端計算機發出的目標助力電流指令PWM1與反饋電流進行模擬PID調節后作為比較器的同相端輸人, 比較器對兩個輸人進行比較后就形成FET-H橋基極驅動的PWM斬波信號。PWM1值(即目標助力電流)越大,經過比較器比較后得到PWM斬波信號的占空比也就越大, 從而電機電流(力矩)就大,

62、 反之電機電流(力矩)就小。P87C591單片機PWM0口發出20K頻率方波信號, 經過三角波電路處理后形成20K的三角波信號輸入至比較器的反相端; 把P87C591單片機PWM1口配置成一個DAC,發出由助力特性得出的目標助力電流指令,D/A 轉換為電壓模擬量后與反饋電壓模擬量進行模擬PID調節,調節的結果輸入至比較器的同相端, 比較器對兩個輸入進行比較后就形成了相應大小占空比的PWM斬波脈沖信號。本系統PWM1發出給定助力電流指令信號范圍為05V,對應PWM斬波脈沖信號占空比為0100%,即加在電機電壓U 范圍為014V,電機實際輸出電流控制范圍為025A,對應的反饋電壓信號范圍為05V。

63、當電機實際輸出電流與給定電流相等時,反饋信號與給定指令信號相等,PWM占空比維持不變, 否則有如下的調節過程:當實際輸出電流小于給定電流時:減小減小增大PWM增大U增大增大當實際輸出電流大于給定電流時:增大增大減小PWM減小U減小減小第四章 EPS控制系統設計4.1 EPS 控制器模塊化設計由于EPS系統助力電動機的工作電流非常大,最大可達30A ,在控制器的開發中,為增強硬件系統的抗干擾能力、提高系統的可靠性,將硬件系統進行了分層設計。將信號處理電路設計成一塊電路板,而將功率較大、發熱量大的助力電動機驅動模塊及電磁離合器驅動電路設計成配帶散熱片的驅動電路板,兩電路板之間的電動機控制信號、電磁

64、離合器控制信號通過光耦隔離和排線聯接。控制器的模塊化結構如圖4-1所示。控制器是EPS系統的核心部件，主要由微處理器、傳感器信號調理接口電路、脈寬調制器、看門狗電路、電動機功率驅動模塊等組成。電動機功率驅動模塊為由功率MOS管組成的H橋驅動電路,為了提高電動機控制效果,減小電動機振蕩,H橋驅動電路采用雙極性驅動方式。控制器根據輸入的轉向工況,可通過控制H橋電路產生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉向盤的操縱性能。轉矩傳感器車速傳感器電流傳感器發電機轉速輸入信號處理電路微處理器驅動及保護電路直流電動機離合器EPS指示燈ECU供電模 塊故障診斷模塊圖4-1 EPS控制器模塊化結構圖4.2 電

65、機控制電路設計 H橋驅動芯片IR2110功能簡介美國IR公司生產的IR2110驅動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選。1.驅動芯片IR2110功能簡介在功率變換裝置中，根據主電路的結構，起功率開關器件一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式。2.IR2110引腳功能及特點簡介內部功能如下圖4-2所示:圖4-2 IR2110內部結構功能圖LO（引腳1）:低端輸出 COM（引腳2）:公共端 Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 Nc（引腳4）: 空端 Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳6):高端浮置電源電壓 HO（引腳7）:高端輸出 Nc（引腳8）: 空端

66、 VDD（引腳9）:邏輯電源電壓 HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入 SD（引腳11）:關斷 LIN（引腳12）:邏輯低端輸入 Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V Nc（引腳14）:空端3.IR2110的特點：（1）具有獨立的低端和高端輸入通道。（2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V。（3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為1020V。（4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）515V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V的便移量。（5）工作頻率高，可達500KHz。（6）開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns。（7）圖騰柱

67、輸出峰值電流2A。4.IR2110的工作原理IR2110內部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設計，可以大大減少驅動電源的數目，即一組電源即可實現對上下端的控制。電動機功率驅動模塊為由功率MOS 管組成的H橋驅動電路,為了提高電動機控制效果,減小電動機振蕩,H橋驅動電路采用雙極性驅動方式。控制器根據輸入的轉向工況,可通過控制H橋電路產生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉向盤的操縱性能。H 橋功率驅動電路直流電動機是EPS系統的執行單元,對電機的控制在該系統中有著特殊的地位。在所設計的EPS 系

68、統中采用了雙極性的H 橋功率驅動電路實施對直流電動機的控制。EPS系統雙極性H橋功率驅動電路圖,如圖4-3所示。圖4-3 EPS系統雙極性H橋功率驅動電路圖UsTU/V12TttU/V12Q1(Q4)門極激勵電壓Q2(Q3)門極激勵電壓圖4-4 H橋雙極性驅動控制信號波形系統中利用2片IR2110構成功率MOSFET(Q1Q4)的基極驅動電路。IR2110的腳1和7腳的電平跟隨腳10和腳12的電平(高低電平狀態的跟隨,不是電壓值相同意義上的跟隨,兩者的高電平分別是12V和5V) 。當來自87C591脈沖調制輸出口PWM0的脈沖信號經7407后加在U1的10腳和U2的12 腳,同時這一脈沖信號經

69、由7406獲得的電平相反的信號加在U1的12腳和U2的10腳,經IR2110后, 就實現了在Q1、Q4門極加上和Q2、Q3門極相反電平的目的,也即如圖4-4所示的控制信號。假定PWM0口的輸出波形如圖4-4所示,電壓脈沖信號的周期為T,則脈寬調制信號的占空比為下式決定的值,= ,設脈沖高電平為Us,則加在電樞線圈上的平均電壓Ua=(2- 1)Us。這樣通過調整PWM0輸出脈沖的占空比,就可以實現對直流電動機的電樞電壓的控制,從而對電機的轉速進行調節。當在值域(0 ,0.5) 與(0.5 ,1) 電動機的轉動方向相反。4.2.3 電機保護電路電動助力轉向系統中的電動機受工作環境的影響,需要頻繁的

70、起制動,這將在電機電樞繞阻上產生比較大的電流沖擊,倘使不能夠很好的加以保護,則電動機很容易被破壞掉。電動助力轉向系統相對以往的助力轉向系統更加注重安全性,安全性考慮的周全與否直接決定著系統是否能夠真正投入使用。為此,電動助力轉向系統分別從軟件和硬件兩個方面進行了考慮、處理。這樣只要軟、硬件不是同時遭到損壞,系統就能夠對電動機可能的故障進行恰當的處理。電動機保護電路的設計思路,如圖4-5 所示。電流傳感器的采樣輸出在05V上變化,2.5V是實際的電流零值情形,而電機保護電路所關心的只是電流的大小,不關心其方向性,故如圖4-5所示進行了減法處理、絕對值求取和與設定值比較等處理過程,最終將信號傳遞給

71、保護輸入端。保護輸入端GDN電樞繞組引線電流傳感器差動電路絕對值電路比較器圖4-5電機保護電路4.3 PWM斬波4.3.1PWM控制原理理論基礎：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖4-6 a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，圖a為矩形脈沖，圖b為三角形脈沖，圖c為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一個環節上時，其輸出響應基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當窄脈沖變為圖d的單位脈沖函數時，環節的響應即

72、為該環節的脈沖過度函數。圖4-6形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規律變化的。根據沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。圖4-7PWM控制的基

73、本原理示意圖 PWM斬波電路PWM斬波電路采用集成脈寬調制器SG3525實現斬波電流信號的生成。SG3525是一種性能優良、功能齊全、通用性強的單片機成脈寬調制控制器。由于它簡單可靠、使用方便靈活、大大減輕了脈寬調制器的設計及調試工作。SG3525工作時的斬波頻率值和死區大小由接于5、6、7引腳上的、和共同決定，即：圖4-8 PWM斬波電路芯片通電后，4引腳將輸出頻率為的載波，經過內部的誤差放大器、比較器及PWM鎖存電路，SG3525的11端和14端將輸出2路互補的單極性PWM信號PWM0和PWM1。4.3.3PWM驅動電路頻率的選擇電動助力轉向系統要根據轉向盤轉矩及車速情況來不斷調節直流電動

74、機的電樞電流和正反向轉動,以提供適當的助力,因此必須用功率驅動電路,目前廣泛應用開關型功率驅動電路,其中最常用的是PWM 驅動電路,通過改變占空比的方法來改變電動機的端電壓。脈寬調制的頻率對EPS 系統具有重要的影響。PWM 頻率的選取主要考慮其與機械系統固有頻率的關系、對電樞電流紋波的影響及噪聲對人的影響;同時要考慮開關時電流脈峰對開關管及電動機安全的影響。機械系統的固有頻率一般低于100 Hz ,應該使PWM 周期遠遠小于機械系統的固有時間常數,可選擇PWM 頻率為220KHz ,這在大多數情況下不會影響機械系統的正常工作。由于電動機的轉子繞組中存在電感,當電動機時間常數遠遠大于PWM 周期時,電動機電樞電流平滑且電流連續,相當于低通濾波器的作用,濾除了輸入電壓在開關管開通與關斷過程中引起的紋波;但當相對于