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1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 D D C C B B A A Title Number RevisionSize A2 Date: 2010-6-21 Sheet of File: I: .SchDoc Drawn By: USB GND AI0 AI4 GND GND GND GND GND AI1 AI2 AI3 AI5 AI6 AI7 AO0 AO1 GND P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 PFI0 +2.5V +5V 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30 31 31 32 32 USB 6008 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.7 P3.6 ALE P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P1.0 T2 1 P1.1 T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 MOSI 6 P1.6 MISO 7 P1.7 SCK 8 RESET 9 P3.0 RXD 10 P3.1 TXD 11 P3.2 INT0 12 P3.3 INT1 13 P3.4 T0 14 P3.5 T1 15 P3.6 /WR 16 P3.7 /RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 /PSEN 29 ALE 30 /EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U2 AT89S52 RET GND 1 2 Y1 XTAL 30pF C4 30pF C5 10uF C3 1K R18 Res2 S1 SW-PB 1 2 P1 Header 2H R3 R4 GND GND 1 2 3 4 P2 Header 4H BT1 +12V GND+12V IN 1 2 OUT 3 GND U1 MC7805CT 1 2 3 J1 9Vinput D2 1N4007 D1 1N4007 1K R6 0.1uF C2 100uF C1 GND D3 P0BT101 P0BT102 P0C101 P0C102 P0C201 P0C202 P0C301 P0C302 P0C401 P0C402 P0C501 P0C502 P0D101 P0D102 P0D201 P0D202 P0D301 P0D302 P0J101 P0J101A P0J101B P0J102 P0J102A P0J102B P0J103 P0J103A P0J103B P0P101 P0P102 P0P201 P0P202 P0P203 P0P204 P0R301 P0R302 P0R303 P0R401 P0R402 P0R601 P0R602 P0R1801 P0R1802 P0S101 P0S102 P0U101 P0U102 P0U103 P0U201 P0U202 P0U203 P0U204 P0U205 P0U206 P0U207 P0U208 P0U209 P0U2010 P0U2011 P0U2012 P0U2013 P0U2014 P0U2015 P0U2016 P0U2017 P0U2018 P0U2019 P0U2020 P0U2021 P0U2022 P0U2023 P0U2024 P0U2025 P0U2026 P0U2027 P0U2028 P0U2029 P0U2030 P0U2031 P0U2032 P0U2033 P0U2034 P0U2035 P0U2036 P0U2037 P0U2038 P0U2039 P0U2040 P0Y101 P0Y102 N0+205V N0+5V N0+12V N0AI0 N0AI1 N0AI2 N0AI3 N0AI4 N0AI5 N0AI6 N0AI7 N0ALE N0AO0 N0AO1 P0C102 P0C201 P0C401 P0C501 P0J102 P0J103 P0R601 P0R1801 P0U102 N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND N0GND P0C101 P0C202 P0C301 P0D301 P0C402 P0C502 P0J101 P0D302 P0R602 P0R303 N0P000 N0P000 N0P001 N0P001 N0P002 N0P002 N0P003 N0P003 N0P004 N0P004 N0P005 N0P005 N0P006 N0P006 N0P007 N0P007 N0P100 N0P100 N0P101 N0P101 N0P102 N0P102 N0P103 N0P103 N0P104 N0P105 N0P106 N0P107 N0P200 N0P201 N0P202 N0P203 N0P204 N0P205 N0P206 N0P207 N0P300 N0P301 N0P302 N0P303 N0P304 N0P305 N0P306 N0P307 N0PFI0 P0C302 P0R1802 N0RET P0C102 P0C201 P0C401 P0C501 P0J102 P0J103 P0R601 P0R1801 P0U102 P0C101 P0C202 P0C301 P0D301 P0C402 P0C502 P0J101 P0D302 P0R602 P0R303 P0C302 P0R1802
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計
電動助力轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)
仿真系統(tǒng)設(shè)計
系部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級： 車輛工程B06-1
學(xué)生姓名： 于偉鋒
指導(dǎo)教師： 張金柱
職 稱： 教 授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一○年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Hardware Simulation System Design Of Electric Power Steering
Candidate：Yu Weifeng
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B06-1
Supervisor： Prof. ZhangJinzhu
Heilongjiang Institute of Technology
2010-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
本設(shè)計介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理進行了分析和研究，建立了系統(tǒng)的動態(tài)模型，以及不同控制策略下的頻率響應(yīng)特性的比較。
在硬件方面，對系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器，減速機構(gòu)，電動機進行了分析和選擇，在軟件方面，利用LabVIEW軟件對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ECU進行了圖形化編程設(shè)計，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機。結(jié)合硬件電路的設(shè)計，要求汽車在各種工況下轉(zhuǎn)向助力平穩(wěn)、可靠、及時的要求，提出了基于PID控制算法的控制思路，包括各主要控制環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計和系統(tǒng)的軟件總體流程圖。
最后，本設(shè)計進行了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的臺架試驗，試驗結(jié)果表明，EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計和控制方法是合適的，取得的結(jié)果是符合汽車行駛時的工況的。
關(guān)鍵詞：EPS；數(shù)據(jù)采集；ECU；PID控制；LabVIEW
ABSTRACT
This design on the electric power steering system of classification, the system of structure and working mechanism for analysis and research and establish a system of dynamic model, and control strategies of different frequency response. the characteristics of
In hardware, the system of the sensor and the speed sensor to, decelerate, motor was analysed and choose in software, the use of electric power steering labview software on system is a graphical programming ECU be designed to replace the traditional monolithic integrated circuits. integrated circuits design of hardware for the car in a variety of conditions to help a steady, reliable, up-to-date and the PID algorithm based on the control of the control logic, including the major controlling the process of soft.
Finally, the design of the electric power steering system is a test, the experiment results show that the system of EPS hardware design and the control method is suitable, the result of the car is in line with the conditions.
Keywords ：EPS; Data collection; ECU; PID Control; LabVIEW
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的和意義 1
1.2助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展進程的幾個典型階段 1
1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.4在今后EPS系統(tǒng)可能主要向以下幾個方面發(fā)展 5
1.5本設(shè)計研究的內(nèi)容 6
第2章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及控制方法 7
2.1EPS的種類及其特點 7
2.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 7
2.3汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 9
2.4汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法 10
2.5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)模型的建立 11
2.6電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析 12
2.6.1三種助力特性曲線 13
2.6.2轉(zhuǎn)向助力特性曲線設(shè)計方法與步驟 13
2.7目標(biāo)電流的確定 15
2.8電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略 16
2.9本章小結(jié) 20
第3章 硬件的設(shè)計 21
3.1EPS系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 21
3.2傳感器的選擇 21
3.3數(shù)據(jù)采集機構(gòu) 22
3.4電動機的選擇 24
2.5本章小結(jié) 26
第4章 軟件的設(shè)計 27
4.1LabVIEW的簡介 27
4.2電動助力轉(zhuǎn)向的控制流程 30
4.3 LabVIEW的圖形化編程 31
4.4本章小結(jié) 36
第5章 硬件在環(huán)仿真實驗 37
5.1轉(zhuǎn)矩傳感器靜態(tài)特性實驗 38
5.2車速為零時輕便性實驗 39
5.3結(jié)論總結(jié) 40
5.4本章小結(jié) 40
結(jié)論 41
致謝 42
參考文獻 43
附錄A 外文文獻 44
附錄B 外文文獻的中文翻譯 52
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文
第1章 緒 論
1.1研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的和意義
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，其性能直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性，對于確保行車安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS可以獲得較強的路感、較輕的操縱力、較好的回正性、較高的抗干擾能力和較快的響應(yīng)性。這說明開發(fā)研究EPS系統(tǒng)十分必要。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的HPS相比，EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：僅在需要轉(zhuǎn)向助力的時候才啟動電機產(chǎn)生助力，能減少發(fā)動機燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動裝置的作用對助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路，調(diào)整和檢測更容易，裝配自動化程度更高，且可通過設(shè)置不同的程序，快速與不同車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在漏油問題，減小對環(huán)境的污染[1]。
汽車在行駛過程中，需要按照駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂的汽車轉(zhuǎn)向。對于最初的汽車而言，只是駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)向動作，轉(zhuǎn)向動作通過一套專門的機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪相對汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。而汽車轉(zhuǎn)向力的大小，對汽車的低速操縱輕便性有很大的影響。隨著科技水平的提高，轎車的普及，駕駛員對降低操縱力的呼聲也越來越高。
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷純機械式、液壓式、電控液壓式、電動助力式以及處于研制階段的線控式幾個階段。傳統(tǒng)的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用液壓助力，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率消耗大、易泄漏、轉(zhuǎn)向助力不易控制。因此汽車工程師一直在尋求一種更好的助力方式，以獲得較強的路感、較輕的操縱力、較好的回正性、較高的抗干擾能力和較快的響應(yīng)性。
1.2助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展進程的幾個典型階段
上個世紀(jì)50年代初，美國克萊斯勒汽車公司率先在轎車上應(yīng)用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，標(biāo)志著轎車應(yīng)用助力轉(zhuǎn)向助力技術(shù)的開始。隨著汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對汽車操縱穩(wěn)定性要求的進一步提高，先后出現(xiàn)了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]。
1.液壓助力轉(zhuǎn)向階段
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）在上個世紀(jì)30年代開始在重型卡車、客車上裝備，1951年菜開始應(yīng)用到轎車上，并獲得好評。隨后HPS在轎車上迅速普及，到目前為止超過80%的轎車上裝有HPS。
HPS是在傳統(tǒng)機械式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上，通過增加控制閥、動力缸、油泵、儲油罐和進回油管路等液壓動力裝置來提供轉(zhuǎn)向助力。開始HPS的控制閥采用滑閥式，即控制閥以軸向移動來控制油路?；y式控制閥結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，但靈敏度不高。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)轉(zhuǎn)閥式HPS，即控制閥中的閥芯用旋轉(zhuǎn)運動來控制油路。與滑閥相比，轉(zhuǎn)閥的靈敏度高、密封件少、結(jié)構(gòu)比較先進。雖然由于轉(zhuǎn)閥利用扭桿彈簧來使閥門回位，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是對扭桿的材質(zhì)和熱處理工藝要求較高，但其性能相對有很大的改進，而且在齒輪齒條轉(zhuǎn)向器中布置比較容易。
HPS具有如下優(yōu)點：
(1)提高轉(zhuǎn)向輕便性，減小駕駛員駕駛疲勞強度；
(2)液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不平度對方向盤的沖擊；
(3)如果在汽車高速行駛時發(fā)生爆胎，將導(dǎo)致汽車方向盤難以把握，應(yīng)用HPS可以使駕駛員較容易的把握方向盤，提高行駛的安全性；
(4)液壓執(zhí)行機構(gòu)可以提供較大的助力，允許轉(zhuǎn)向車輪承受更大的負(fù)荷，不會引起轉(zhuǎn)向沉重的問題；
(5)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)緊湊，工作安全可靠，價格比較便宜。
同時HPS也有很多不足：
(1)選定參數(shù)、設(shè)計完成之后，助力特性就確定了，不能再進行調(diào)節(jié)與控制，因此很難協(xié)調(diào)汽車轉(zhuǎn)向輕便性和路感之間的矛盾‘
(2)無論汽車是否轉(zhuǎn)向，只要發(fā)動機工作，油泵就一直運轉(zhuǎn)，浪費燃料，使整車的燃油經(jīng)濟性變差；
(3)存在滲油問題，泄露的液壓油會對環(huán)境造成污染；
(4)對工作溫度有一定要求，低溫工作性能較差。
2.電控助力轉(zhuǎn)向階段
隨著汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對汽車操縱穩(wěn)定性要求的提高，為了克服液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足，人們將車速引入到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，得到了車速感應(yīng)型助力特性的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)被稱為電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理是采用車速傳感器將車速信號傳遞給控制器，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的手力可以根據(jù)車速和汽車行駛工況的變化而變化，由此可以做到在低速行駛和急轉(zhuǎn)彎時助力顯著增加，能以很小的手力操縱轉(zhuǎn)向；而高速和小角度轉(zhuǎn)彎時能以稍重的手力操縱轉(zhuǎn)向，獲得較強的路感以提高汽車的操縱性能，這樣使汽車的操縱性和穩(wěn)定性達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)。
電控液壓助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)點：
(1)該系統(tǒng)是在原有的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，原有的系統(tǒng)都可利用，不需要更改布置方案；
(2)低速急轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向效果不變，高速是可自動根據(jù)車速逐漸減小助力，增強路感，提高車輛的操縱穩(wěn)定性；
(3)采用電動機驅(qū)動油泵，節(jié)約能源；
(4)由失效保護系統(tǒng)，電子元件一旦失靈則還可以利用原液壓系統(tǒng)安全工作，保證了系統(tǒng)的可靠性。
電控液壓助力轉(zhuǎn)向的缺點：
即使如此，液壓裝置的存在使得該系統(tǒng)仍有難以克服的缺點，如存在壓力油滲漏；零件增加后管路設(shè)計復(fù)雜，不便于安裝維修及檢測；同時在原有系統(tǒng)當(dāng)增加了電子系統(tǒng)，增加了成本。
3.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）完全拋棄液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力執(zhí)行機構(gòu)，它是在原機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了扭矩傳感器，助力電機和電控單元等裝置所構(gòu)成的一套新的系統(tǒng)。它與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本不同之處在于它的驅(qū)動部件是一個電機。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，有以下幾個優(yōu)點：
(1)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械和液壓連接，效率低，而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械與電機連接，效率較高；
(2)方向盤的轉(zhuǎn)向特性、轉(zhuǎn)向手感和汽車的穩(wěn)定特性，可以通過軟件來進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，所以其功能顯然優(yōu)于傳統(tǒng)優(yōu)于助力系統(tǒng)
(3)在低速時，助力系統(tǒng)提供較大的助力，助力大小隨車速的增加而逐漸減小，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)在高速時往往會趨于產(chǎn)生過度的助力；
(4)能耗少，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在需要轉(zhuǎn)向時才啟動電機產(chǎn)生助力，使汽車油耗得到降低；
(5)裝配型號，一體式模塊系統(tǒng)，便于安裝廠裝配，減低裝配成本。EPS的零部件數(shù)目少，電動機，傳感器和電子控制單元進可以組合在一起，一次整體外形尺寸減小了；
(6)路感好，由于EPS內(nèi)部采用剛性連接，系統(tǒng)的滯后特性可通過軟件來控制，而且可以根據(jù)駕駛員的操作習(xí)慣進行調(diào)節(jié)；
(7)對環(huán)境污染小。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓回路中由液壓軟管和街頭，往往存在油液泄露問題，而且油液軟管是不可以回收的，對環(huán)境有一定的污染，而電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對環(huán)境幾乎沒有污染；
(8)可獨立于發(fā)動機工作。即使發(fā)動機熄火，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能照常工作，因此很適用于簡歷啊的電動汽車和混合動力車。
1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，各大汽車公司對汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[EPS]的研究有20多年歷史，隨著近年來電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域。
自1953年美國通用汽車公司在別克轎車上使用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [HPS]給汽車到來了巨大的變化，幾十年來的技術(shù)革新使液壓動力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展異常迅速，出現(xiàn)了電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[EHPS]。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車上裝備了EPSTM，隨后又應(yīng)用在Alto汽車上，1993年本田汽車公司在愛克NSX跑車上裝備EPS并取得了良好的市場效果；1999年奔馳和西門子公司開始投巨資開發(fā)EPS。上世紀(jì)九十年代初期，日本鈴木，本田，三菱，美國Delph汽車公司，德國ZF等公司相繼推出了自己的EPS,TRW公司繼推出EHPS厚也迅速推出了技術(shù)上比較成熟的帶傳動EPS和轉(zhuǎn)向柱助力式EPSTM，并裝配在Ford Fiesta和Mazda323F等車上，此后EPS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。
經(jīng)過20幾年的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善。其應(yīng)用 范圍已經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車 方向發(fā)展，如本田的Accord和菲亞特的Punto等中型 轎車已經(jīng)安裝EPS，本田甚至還在其Acura NSX賽車上 裝EPS_4J。EPS的助力型式也從低速范圍助力型向 全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一 步加強。日本早期的EPS僅僅在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(wěn)定性。如鈴木公司裝備在Wagon R+車上的 EPS是一個負(fù)載—路面一車速感應(yīng)型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)_2J。由 Delphi為Punto車開發(fā)的EPS屬全速范圍助力型，并且 首次設(shè)置了兩個開關(guān)，其中一個用于郊區(qū)，另一個用 于市區(qū)和停車。當(dāng)車速大于70km~h后，這兩種開關(guān)設(shè) 置的程序則是一樣的，以保證汽車在高速時有合適的 路感。這樣即使汽車行駛到高速公路時駕駛員忘記切 換開關(guān)也不會發(fā)生危險。市區(qū)型開關(guān)還與油門相關(guān)， 使得在踩油門加速和松油門減速時，轉(zhuǎn)向更平滑。
在國內(nèi)，1992年清華大學(xué)開始設(shè)計EPS的相關(guān)研究工作，隨后吉林大學(xué)、武漢理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、同濟大學(xué)、華南理工大學(xué)、江蘇大學(xué)‘合肥工業(yè)大學(xué)等院校和科研單位紛紛開展了EPS的研究，此外，電子行業(yè)中的不少科研部門和生產(chǎn)廠家也紛紛介入EPS研究領(lǐng)域。2000年，昌河北斗汽車率先裝配EPS，對國內(nèi)EPS的研究，器到了推波助瀾的作用。之后，廣本飛度、上海大眾途安’一汽-大眾凱迪、哈飛路寶、吉利等車型，也紛紛裝配了EPS。中國南方航空動力機械公司的DFL系列已經(jīng)進入小批量生產(chǎn)，吉利汽車集團開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS產(chǎn)品也已經(jīng)裝備在其吉利豪情等系列轎車上。一汽轎車也準(zhǔn)備安裝國產(chǎn)電動轉(zhuǎn)向器，正在尋求有實力的合作伙伴。重慶的長安鈴木、長安福特的代表也參加了電動轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)會議尋找合作伙伴，準(zhǔn)備在其生產(chǎn)的新車型中試裝電動轉(zhuǎn)向器。如廣州本田飛度轎車2003年銷售1.66萬輛，占全國1.3~1.6L的轎車銷售量30.5萬輛的5.4%市場份額。說明齒輪齒條式的電動助力轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品已逐漸打開了市場。2007轎車銷量在200多萬輛，1.3~1.6L的轎車銷量在50~60萬輛左右，說明裝配電動助力轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品的市場潛力還是很大的。目前21個汽車廠家的43給我品種均可安裝電動助力轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品。這些廠家分別是：重慶長安、奧拓、領(lǐng)養(yǎng)、吉利、美日豪情、奇瑞QQ、天津豐田、威馳、悅達(dá)起亞、千里馬、東南汽車、菱帥?？梢灶A(yù)測到2010年末我國適合安裝的轎車有140萬輛，微型和輕型卡車包括皮卡有40萬輛，電動轉(zhuǎn)向器的需求大約共為180萬套[3]。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它利用電動機產(chǎn)生的動力來幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，信號傳感裝置（包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器），轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)（電機、離合器、減速傳動機構(gòu)）及電子控制裝置。電動機僅在需要助力時工作，駕駛員在操縱方向盤時，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)向角的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，車速傳感器檢測到車速信號，控制單元根據(jù)電壓和車速的信號，給出指令控制電動機運轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)向助力。
1.4在今后EPS系統(tǒng)可能主要向以下幾個方面發(fā)展
(1)提高系統(tǒng)的可靠性，降低成本，未來的EPS將采用更加可靠的電子及機械元件，并采用冗余和備份系統(tǒng)滿足系統(tǒng)失效情況下的可靠性要求，同時還將實現(xiàn)故障的自動檢測、糾錯和排除功能。
(2)由單一功能向多功能轉(zhuǎn)變，綜合控制技術(shù)是未來EPS控制技術(shù)的研究方向?？梢圆捎弥鲃优ぞ乜刂萍夹g(shù)，增強轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車遇到障礙時的主動避讓；將轉(zhuǎn)向技術(shù)與剎車裝置結(jié)合，協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)向和剎車，保持車輛在低摩擦路面的穩(wěn)定性等等。
(3)提高模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化程度。提高EPS的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化有利于降低EPS的成本，減少系統(tǒng)的零部件種類，降低EPS制造、安裝的復(fù)雜性，實現(xiàn)相同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者不同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同模塊間的互換和應(yīng)用。
(4)數(shù)字信號處理器（DSP）和CAN總線技術(shù)的應(yīng)用。DSP應(yīng)用于電機的控制，在取得更快的運算速度的同時，也有較好的控制效果；汽車CAN總線，使得該系統(tǒng)作為未來汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置而溶于整個汽車的控制網(wǎng)絡(luò)中，最大程度實現(xiàn)資源共享，有利于降低成本。
(5)向線控轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展。線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)去掉了方向盤與車輪之間直接的機械運動連接，通過控制算法可以實現(xiàn)智能化車輛轉(zhuǎn)向。
1.5本設(shè)計研究的內(nèi)容
本課題研究的EPS系統(tǒng)的ECU主要用于轎車。
本文在設(shè)計EPS系統(tǒng)詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，對EPS系統(tǒng)進行了動態(tài)建模，并且根據(jù)動態(tài)模型理論，對EPS系統(tǒng)進行了相關(guān)的分析等等。
具體內(nèi)容如下：
(1)通過對EPS系統(tǒng)的分析，建立了動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進行動態(tài)特征分析；
(2)對系統(tǒng)的控制策略和控制方法驚醒探討研究。在完成模型分析的基礎(chǔ)上，利用LabView編制相應(yīng)的控制程序，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機；
(3)完成EPS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真；
(4)利用編制好的LabView控制程序?qū)σ延械腅CU（單片機）進行檢測。
第2章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及控制方法
2.1EPS的種類及其特點
根據(jù)電動機安裝位置的不同，EPS系統(tǒng)可以分為：轉(zhuǎn)向柱助力式、齒輪助力式和齒輪齒條助力式
與傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS由如下特點：
(1)電動助力轉(zhuǎn)向能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小路面不平引起對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減輕汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進而提高汽車的中東安全性，并且可通過設(shè)置不同的治安想力特性來滿足不同使用對象的需要。
(2)只有在助力時才使用電機，所以能源損耗小，可節(jié)約3%—5%
(3)由于取消了傳統(tǒng)液壓動力系統(tǒng)的部件，所以在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和安裝上便利許多
(4)由于電機直接由蓄電池供電所以不受其他車上用電器和發(fā)動機運行與否的影響。
(5)低成本和低環(huán)境污染。
2.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
EPS主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、電動機、離合器、減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸及手動齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器等組成。
(1)轉(zhuǎn)矩傳感器
轉(zhuǎn)矩傳感器用于檢測作用于轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號的大小與方向。目前采用較多的轉(zhuǎn)矩傳感器是扭桿式電位計傳感器。它是在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過扭桿檢測輸入軸和輸出軸的相對扭轉(zhuǎn)位移得到轉(zhuǎn)矩。另外，也有采用非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的，其原理是：當(dāng)輸入軸與輸出軸之間發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)位移時，檢測環(huán)之間的空氣間隙發(fā)生變化，從而引起檢測線圈電磁感應(yīng)系數(shù)變化。非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的優(yōu)點是體積小、精度高，缺點是成本較高。如圖2.1所示。
(2)車速傳感器
車速傳感器常采用電磁感應(yīng)式傳感器，安裝在變速器上。該傳感器根據(jù)車速的變化，把主副兩個系統(tǒng)的脈沖信號傳送給ECU。由于是兩個系統(tǒng)，因此信號的可靠性提高了。
圖2.1非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器
(3)電動機
EPS的動力源是電動機，通常采用無刷永磁式直流電動機，其功能是根據(jù)ECU的指令產(chǎn)生相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。電動機是影響EPS性能的主要因素之一，不僅要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、控制性能好。在電動機設(shè)計時，應(yīng)著重考慮如何提高路感、降低噪聲和振動，如在電動機轉(zhuǎn)子周緣開設(shè)不對稱或螺旋狀的環(huán)槽、靠特殊形狀的定子產(chǎn)生不均勻磁場等來提高電動機的性能。
轉(zhuǎn)向助力用的電動機需要正反轉(zhuǎn)控制。一種比較簡單適用的轉(zhuǎn)向助力電動機正反轉(zhuǎn)控制電路如圖2.4所示。
(4)離合器
離合器采用干式電磁離合器，其功能是保證EPS在預(yù)先設(shè)定的車速范圍內(nèi)閉合。當(dāng)車速超出設(shè)定車速范圍時，離合器斷開，電動機不再提供助力，轉(zhuǎn)入手動轉(zhuǎn)向狀態(tài)。另外，當(dāng)電動機發(fā)生故障時，離合器將自動斷開。為了提高性能，離合器設(shè)計成具有磁滯特性，并可實現(xiàn)無級離合。
(5)減速機構(gòu)
減速機構(gòu)用來增大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，主要由兩種形式：渦輪蝸桿減速機構(gòu)和雙行星齒輪減速機構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后者主要用于齒輪助力式和長條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如圖2.2所示。
(6)電子控制單元
EPS的電子控制單元通常是一個8位單片機系統(tǒng)，本設(shè)計中用的是LabView系統(tǒng)代替。
圖2.2減速機構(gòu)
2.3汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
如2.3圖所示，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是：不轉(zhuǎn)向時，助力電動機不工作；而當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，與轉(zhuǎn)向軸相連的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷地測出作用于轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩，并由此產(chǎn)生一個電壓信號；同時，有車速傳感器測出的汽車車速，也產(chǎn)生一個電壓信號。這兩路信號均被傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?，?jīng)過其運算處理后，由ECU向電動機和離合器發(fā)出控制指令，即向其輸出一個合適的電流，在離合器接合的同時使電動機傳動產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩與電動機連在一起的離合器、減速機構(gòu)減速增距后，施加在輸出軸上，輸出軸的下端與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器總成中的小齒輪相連，于是由電動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩最后通過齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是加到汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使之得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力[4]。
圖2.3 EPS系統(tǒng)的工作原理
2.4汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法
EPS系統(tǒng)可以對轉(zhuǎn)向過程中的每個環(huán)節(jié)進行精確控制，從而提高汽車轉(zhuǎn)向助力性能。微機可以根據(jù)各種傳感器的信號，判斷轉(zhuǎn)向狀態(tài)，選擇執(zhí)行不同控制模式，并根據(jù)這些要求制定EPS的控制方法[5]。
(1)助力控制
助力控制是在轉(zhuǎn)向過程中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機構(gòu)把電動機轉(zhuǎn)矩作用到機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的一種基本控制模式。助力控制的驅(qū)動方式為：使晶體管VT1導(dǎo)通，VY2、VT3截止，VY4斬波。該控制利用電動機轉(zhuǎn)矩和電動機電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩信號和由車速傳感器檢測的車速信號輸入控制器ECU中，根據(jù)預(yù)制的不同車速下“轉(zhuǎn)矩—點頂級助力目標(biāo)電流表”,確定電動機助力的目標(biāo)電流，通過對反饋電流與電動機目標(biāo)電流相比較，利用PID調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，輸出PWM信號到驅(qū)動電路，以驅(qū)動電動機產(chǎn)生合適的助力。
M
VT3
VT4
VT1
VT2
R1
R2
a1
a2
+
圖2.4電動機的驅(qū)動電路
(2)回正控制
回正控制是為改善轉(zhuǎn)向回正特性的一種控制模式。汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)。回正控制主要用于低速行駛，此時電動機控制電路實行斷路，即四個晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，保持機械系統(tǒng)原有的回正特性。對于高速行駛，為防止轉(zhuǎn)向回正超調(diào)，采用阻尼控制方式。
(3)阻尼控制
阻尼控制是汽車運行時為提高告訴直線行駛穩(wěn)定性的一種控制模式。汽車高速行駛時，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏，會影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為提高直線行駛的穩(wěn)定性，在死區(qū)范圍內(nèi)進行阻尼控制。
電動機理想模型的基本方程為
(2.1)
式中——分別為電動機的端電壓和電樞電流；
——電動機轉(zhuǎn)速；
——分別為電動機等效內(nèi)阻和電感；
——電動勢常數(shù)
EPS系統(tǒng)中所用電動機的電樞電感很小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可忽略不計。若將電動機兩端短路，則有
(2.2)
因此，用一定占空比的PWM信號在電動機空控制電路內(nèi)使電動機短路，電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢形成阻礙電動機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩，改變占空比，即改變了阻尼轉(zhuǎn)矩的大小。
本設(shè)計主要設(shè)計的是助力控制，即單獨實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。
2.5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)模型的建立
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型[6]。依據(jù)牛頓運動定理，該系統(tǒng)的運動方程為
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中 ——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩
——齒條的位移量、質(zhì)量和阻尼系數(shù)
——轉(zhuǎn)向軸的旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動慣量、剛性系數(shù)及阻尼系數(shù)
——齒輪半徑
——電動機的旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動慣量、剛性系數(shù)及阻尼系數(shù)
——電動機至齒輪軸的減速比
——輪胎轉(zhuǎn)向阻力及回正轉(zhuǎn)矩等作用于齒條上的轉(zhuǎn)向阻力
式（2.3） (2.4) (2.5)分別為轉(zhuǎn)向軸，齒條軸和電動機的動態(tài)方程。
式（2.5）中的為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，其值決定于電動機給定電流的大小。在本系統(tǒng)的計算中，值由轉(zhuǎn)矩傳感器給出，可表示為
(2.6)
式中——轉(zhuǎn)向助力增益
值定義了轉(zhuǎn)向路感，即汽車在不同的行駛速度時，在相同的轉(zhuǎn)向角情況下，由于電動機提供的助力值大小不同，使轉(zhuǎn)向盤力的大小發(fā)生變化，駕駛員不但感到轉(zhuǎn)向輕便，同時又能充分感受到路面的信息。因此，合理選擇可得到不同的轉(zhuǎn)向路感。
2.6電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析
眾所周知在汽車低速停車時，駕駛員轉(zhuǎn)向所需的受力大，此時所需的助力應(yīng)很大。EPS的輸入扭矩與助力扭矩之間的理想特性曲線有以下特點[7]：
(1)輸入扭矩很小的區(qū)域，方向盤輸入力矩小于某一特定值通常設(shè)定為1NM時，希望阻力部分的輸出越小越好，助力部分基本不起作用，保持較好的路感；
(2)常用的快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)間，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動強度，助力部分發(fā)揮作用，助力效果要明顯；
(3)原地轉(zhuǎn)向時，即當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力矩相當(dāng)大時，應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果，輸出力矩增幅增大；
(4)隨著車速的提高，助力的增益越來越小。
2.6.1三種助力特性曲線
較常規(guī)的助力特性曲線由以下三種：直線型助力特性曲線、折線型助力特性曲線、曲線型助力特性曲線。比較三種特性曲線，直線型助力形式參數(shù)調(diào)整容易，控制系統(tǒng)算法簡單，非常適合于工程應(yīng)用[8]。本設(shè)計采用直線型助力特性曲線。
該助力特性曲線可用以下函數(shù)表示：
（2.7）
直線型助力實現(xiàn)相對簡單，當(dāng)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的作用力處于死區(qū)范圍內(nèi)時，即小于時，系統(tǒng)不助力；當(dāng)處于助力變化區(qū)時，系統(tǒng)實現(xiàn)線性助力，但在死區(qū)便捷轉(zhuǎn)向時，助力由無到有或由有到無，這給行車中的駕駛員帶來手感上的沖擊，從而帶來潛在的危險，但在轉(zhuǎn)接處修正可以獲得較好的控制效果。
2.6.2轉(zhuǎn)向助力特性曲線設(shè)計方法與步驟
助力特性曲線設(shè)計方法[9]：首先確定各車速下的理想受力曲線，從而確定各車速下應(yīng)該助力的大小，并進行轉(zhuǎn)換得到助力大小與受力之間的關(guān)系曲線。
(1)Th0、Thmax的確定
根據(jù)駕駛員對轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求，本文根據(jù)汽車機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩小于某一值時，一般不進行助力否則轉(zhuǎn)向過于靈敏。另一方面受駕駛員極限體力的限制，一般不能過大，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定轉(zhuǎn)向盤的最大切向力不能大于50N，本課題采用的范圍定操舵力分別為10N、40N。則駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上的操舵力矩為： 根據(jù)計算與經(jīng)驗一般選取為Th0=1，Thmax=7。
(2)轉(zhuǎn)向阻力矩、最大助力距的確定
當(dāng)車速為零時，摩擦力達(dá)到最大值，求出汽車的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，推薦的半徑公式有：
(2.8)
需要轉(zhuǎn)向盤上提供的力矩為：
(2.9)
在本課題中的參數(shù)：轉(zhuǎn)向盤半徑180mm；轉(zhuǎn)向搖臂0.28m；逐項節(jié)臂0.13m；輪胎氣壓0.2Mp；摩擦系數(shù)0.7；轉(zhuǎn)向器正效率90%；前軸負(fù)荷5292N；轉(zhuǎn)向器角傳動比20；
(2.10)
(2.11)
當(dāng)操舵力為40N時，最大的助力力矩
(2.12)
(3)零車速時的助力特性曲線增益系數(shù)的確定
零車速時所需要最大助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： 一定車速時的助力轉(zhuǎn)矩
(2.13)
(4)線性特性曲線中的車速感應(yīng)系數(shù)
在確定車速感應(yīng)系數(shù)前，首先需要獲得用戶對路感的要求，但是這種要求很難得到。因為沒有通用的語言來描述什么是必要的路感，并且實際中汽車很難提供一個理想的實驗環(huán)境來研究路感問題。現(xiàn)今對如何進行論干實驗的研究還不成熟，國外有關(guān)研究結(jié)果之處駕駛員偏向于轉(zhuǎn)向盤輸入力矩歲車速提高而增加，并給出理想的方向盤輸入力矩與車速關(guān)系。
K是不同車速下助力增益值，即助力特性曲線的斜率，它的取值與汽車的車速有關(guān)。對于不同的車型，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)不同，而在不同車速下所需提供的助力值也不同，當(dāng)車速高時助力要小，此系數(shù)隨著車速增大而成指數(shù)減小。一般是在助力車速范圍內(nèi)選幾個特征車速，根據(jù)駕駛員對路感的要求，初步確定各特征車速的車速系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，我們把車速大致確定幾個范圍：（0~10）、（10~20）、（20~30）、（30~40）、（40~50）、（50~60）、（60~70）、（70~80）。通過仿真計算出各車速下的最大方向盤所需力矩。
表2.1 各車速下方向盤最大所需力矩
車速
0
10
20
30
40
50
60
70
TZ
24.03
19.38
16.52
15.58
13.16
11.51
10.69
10.19
運用求K的同樣的方法，求出各車速下的車速感應(yīng)系數(shù)，如下表2.2
表2.2 各車速下車速感應(yīng)系數(shù)表
車速v
0
10
20
30
40
50
60
70
車速感應(yīng)系數(shù)K
2．84
2.06
1.58
1.43
1.03
0.75
0.62
0.53
(5)線性助力特性曲線
本課題是針對小排量轎車的電動助力轉(zhuǎn)向器，因此以車速80為限將車輛的轉(zhuǎn)速區(qū)分為助力轉(zhuǎn)速區(qū)和無助力轉(zhuǎn)速區(qū)。助力轉(zhuǎn)速區(qū)又分為8個速度區(qū)。助力速度分區(qū)，主要簡化控制。由于在車輛駕駛過程中，車輛的實際速度不會總是連續(xù)變化的，一般是從一個速度變化到另一速度后相對穩(wěn)定運行，這里速度分區(qū)就具有實際可行性。無助力區(qū)、助力區(qū)和恒助力區(qū)的分界點。
本課題選擇的是直線型助力特性曲線，把已經(jīng)求得的K帶入方程，可得到直線型助力曲線族：
(2.14)
增益系數(shù)K帶入上式中，可以獲得橫坐標(biāo)為T，一縱坐標(biāo)為t的分段助力曲線族。
2.7目標(biāo)電流的確定
在電控單元內(nèi)存有車速和轉(zhuǎn)矩的點擊助力數(shù)據(jù)庫。轉(zhuǎn)矩信號和車速信號輸入控制單元，與相應(yīng)的信號進行比較，以獲得電機的助力扭矩。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用永磁直流電機，電機的輸出轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，調(diào)節(jié)電樞電壓可以實現(xiàn)電機的電流控制。因此，電控單元可以把目標(biāo)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成目標(biāo)電流，通過調(diào)節(jié)電壓信號控制電機驅(qū)動電路使電機輸出相應(yīng)的助力扭矩。
電動機的目標(biāo)電流時根據(jù)助力特性曲線確定的，EPS的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸入下，電動機的目標(biāo)電流需隨車速的增加而降低，電流越大則助力越大。
(1)車速為零時的目標(biāo)電流曲線
當(dāng)車速為零時，零車速時所需要最大助力轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：當(dāng)操舵力達(dá)到最大為40N時，最大的助力力矩
（2.15）
根據(jù)直流電動機的特性，在理想情況下輸出力矩與電流成線性關(guān)系，本課題所采用的直流電機K參數(shù)為0.05，此時的電流為
（2.16）
在不同車速下，當(dāng)輸入方向盤的力矩為T的電流可以通過求零車速時的電流方法獲得。
(2)各車速下的對應(yīng)的電流曲線斜率
車速為零時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力其實力矩為1，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩為7時，根據(jù)直線型助力特性曲線，助力電流應(yīng)該隨著駕駛員的操舵力矩成線性增加，車速為零時，直線斜率為
（2.17）
表2.3 車速與助力電流關(guān)系
車速v
0
10
20
30
40
50
60
70
電流曲線斜率
3.44
2.55
1.92
1.73
1.24
0.91
0.75
0.64
(3)各車速下的電流曲線
根據(jù)助力特性，將車速分為八個區(qū)間。根據(jù)電機電流與電機輸出轉(zhuǎn)矩公式，我們可以得到助力可以獲得橫坐標(biāo)為T，以縱坐標(biāo)為I的電流曲線族。
2.8電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略
本設(shè)計將采用的控制為PID控制
當(dāng)今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。
這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。
PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。
PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。
因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)
其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù)
它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。
首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。
其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。
第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，下面兩個改進的例子。
在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)。
PID控制的現(xiàn)實意義
目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。
1）開環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。
2）閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3）階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。
4）PID控制的原理和特點
在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
5）PID控制器的參數(shù)整定
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
Labview軟件系統(tǒng)有自帶的PID模塊，可以很好的解決。
2.9本章小結(jié)
本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，包括轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構(gòu)、ECU的介紹，建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型，確定了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略與控制方法，以及對PID控制技術(shù)的介紹。
第3章 硬件的設(shè)計
3.1EPS系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
EPS系統(tǒng)大體上是由傳感器部分、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動部分組成[10]，總體的框圖如圖3-1所示。
微
機
轉(zhuǎn)距傳感器的信號
車速傳感器的信號
數(shù)據(jù)采集卡
驅(qū)動電路
M
轉(zhuǎn)矩傳
感器
車速傳
感器
反饋電流
圖3.1 EPS總體布置框圖
3.2傳感器的選擇
本設(shè)計為簡單的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中車速傳感器用電位計模擬器輸出信號。扭距傳感器采用電位計式扭矩傳感器。
電位計式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對比較高，應(yīng)用較多。
扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角—位移變換器是一對螺旋機構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動，同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動。因此，當(dāng)輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動時，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤的時候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)化為電位計的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號。轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器用于檢測作用于轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號的大小與方向。目前采用較多的轉(zhuǎn)矩傳感器是扭桿式電位計傳感器。它是在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過扭桿檢測輸入軸和輸出軸的相對扭轉(zhuǎn)位移得到轉(zhuǎn)矩。
3.3數(shù)據(jù)采集機構(gòu)
數(shù)據(jù)采集機構(gòu)采用Labview配套的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)的采集和反饋都經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)的通訊通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連，直接與軟件建立聯(lián)系。
試驗信號采集系統(tǒng)采用USB-6008USB總線便攜式多功能數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。用于USB的12位, 10 kS/s多功能數(shù)據(jù)采集卡8路12位模擬輸入通道, 12條DIO線, 2路模擬輸出, 1個計數(shù)器若需更高性能, 可參考NI USB-6210和NI USB-6211方便而易于攜帶的總線供電型設(shè)計獲取用于OEM的僅含板卡的套件可用于Windows、Mac OS X、Linux和Pocket PC的驅(qū)動軟件NI-DAQmx驅(qū)動軟件和NI LabVIEW Signal Express交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。
圖3.2 USB數(shù)據(jù)采集卡
詳細(xì)參數(shù)：
通用
DAQ產(chǎn)品系列 系列
總線類型
OS支持
測量信號類型 電壓
模擬輸入