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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ECU激勵信號系統(tǒng)的組成，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)軟件與硬件連接線路圖，并繪制了不同車速下扭矩與電機輸出電流之間的曲線關(guān)系圖。
在硬件方面，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡、電壓放大器和ECU進行了分析和選擇；在軟件方面，利用LABVIEW軟件模擬產(chǎn)生車速信號和扭矩信號。信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸送到ECU內(nèi)，ECU通過內(nèi)部的計算后輸出電流給電機，使電機執(zhí)行相應(yīng)的助力。
最后，本設(shè)計進行了電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的試驗，試驗結(jié)果表明，激勵信號設(shè)計是合理的，取得的結(jié)果符合汽車行駛時的工況。
關(guān)鍵詞：LABVIEW虛擬儀器；ECU激勵信號；數(shù)據(jù)采集卡；ECU；轉(zhuǎn)向助力
ABSTRACT
This design introduces the electric power steering system components of ECU stimulus, the system structure and working principle of the analysis and research, a system software and hardware connection circuit diagram, and draws a different speed and the motor output torque under the current diagram between the curves.
On the hardware side, the system of data acquisition card, voltage amplifier and ECU were analyzed and choice; on the software side, the use of LABVIEW software, analog signals generated speed and torque signal. Signals transmitted to the ECU data acquisition card inside, ECU calculated by the internal output current to the motor, the motor implementation of appropriate help.
Finally, the design of the electric power steering system ECU stimulus tests, test results show that the excitation signal design is reasonable, consistent with the results obtained when the vehicle driving conditions.
Keywords: LABVIEW virtual instrument； ECU excitation signal；Data acquisition card；ECU；Steering
朗讀
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II
目 錄
摘要.………………………………………………………………………………….………………....Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………………………....Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1研究電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的目的和意義 1
1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點 1
1.2.1電動助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)點 1
1.2.2電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的優(yōu)點 2
1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4本設(shè)計研究的內(nèi)容 4
第2章 電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng) ….6
2.1電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的組成 6
2.2電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6
2.3 電動助力的理論分析..................................................................................................7
2.3.1 引言 7
2.3.2 EPS典型助力曲線 7
2.4本章小結(jié) 9
第3章 硬件的設(shè)計 10
3.1電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 10
3.2數(shù)據(jù)采集卡 11
3.3信號放大器的設(shè)計 12
3.3.1 芯片的選擇 12
3.3.2 驅(qū)動電路的設(shè)計 13
3.4 本章小結(jié) 14
第4章 電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號的生成 15
4.1 LABVIEW的簡介 15
4.2 信號的生成 16
4.3本章小結(jié) 19
第5章 實驗分析 21
5.1 簡介 21
5.2 實驗儀器 21
5.3扭矩與電動機助力電流的理論關(guān)系……………………………………………….21
5.4 實驗過程 22
5.5實驗結(jié)果 24
5.6本章小結(jié) 24
結(jié)論 25
參考文獻 26
致謝 28
附錄A 外文文獻 29
附錄B 外文文獻的中文翻譯 32
第1章 緒 論
1.1研究電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的目的和意義
隨著社會生活水平提高和消費者需求多樣化,現(xiàn)代汽車的性能和配置不斷地提高,增加了汽車工程測試的復(fù)雜程度。汽車工程測試中,經(jīng)常需要測量多種信號并進行分析,如車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)傾角、俯仰角、橫向加速度、縱向加速度、車體變形、電壓、電流、溫度、CAN總線信號、油液壓力、真空度等。一方面,汽車工程測試不斷向著多物理量、高精度、大數(shù)據(jù)量、自動化的方向發(fā)展,另一方面,傳統(tǒng)儀器由于功能固化、數(shù)據(jù)處理及分析能力差、存儲數(shù)據(jù)量少等原因,越來越難以滿足現(xiàn)代化汽車測試的需要。為了方便ECU的開發(fā)與測試，除了真實的汽車環(huán)境外，往往還需要些模擬的汽車環(huán)境用于ECU實驗室階段的開發(fā)和測試。汽車電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的開發(fā)主要使用各種信號模擬系統(tǒng)產(chǎn)生各種真實的電動助力轉(zhuǎn)向信號（例如方向盤扭矩信號和車輪車速信號）來驅(qū)動ECU的正常工作。而現(xiàn)在ECU激勵信號系統(tǒng)還利用了VI公司的LABVIEW虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)上位機操作界面，通過USB與數(shù)據(jù)采集卡連接，上位機可以很好的實現(xiàn)系統(tǒng)各種信號的顯示和控制。
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)就是用LABVIEW軟件生成的信號模擬實際通過傳感器得到的信號（如車速信號，扭矩信號），并將生成的信號通過數(shù)據(jù)采集卡送給ECU，ECU通過內(nèi)部的運算后送給電動機一個適當?shù)碾娏?，從而控制電動機的助力大小。
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的作用主要是通過調(diào)節(jié)信號的大小來測量出電動機輸出端電流值，繪制出同一車速下，不同扭矩與電動機輸出電流之間的曲線圖，在與理論分析得到的扭矩—電動機輸出電流曲線圖進行對比，從而檢測電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是改變和保持汽車行駛方向的裝置，它直接影響了汽車的操控性和穩(wěn)定性，是汽車的重要性能之一。
1.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點
1.2.1電動助力轉(zhuǎn)向的優(yōu)點
1．提高了汽車的操縱性能
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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減小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，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向力特性來滿足不同對象使用的需要，提高了低速時的轉(zhuǎn)向輕便性。該系統(tǒng)由電動機直接提供轉(zhuǎn)向助力，特別是在停車時，可獲得最大的轉(zhuǎn)向動力。
2．提高了汽車的燃油經(jīng)濟性和減少對環(huán)境的污染
裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實驗表明，在不轉(zhuǎn)向情況下、裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低％，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了％。同時EPS沒有液壓回路，不存在滲油的問題，因而減少了對環(huán)境的污染。
3．增強了轉(zhuǎn)向跟隨性和可靠性
在EPS系統(tǒng)中，電動機與助力機構(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)動慣量，電機部分的阻尼也使得車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強。
4．質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊
該系統(tǒng)由電動機直接提供轉(zhuǎn)向助力，在停車時，也可以獲得最大的轉(zhuǎn)向助力。同時省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪等，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，裝配自動化程度更高，維修更簡單。同時由于液壓油在低溫時的粘度很大，存在低溫時必須有個加溫的過程，而EPS可以在-40℃以下很好地工作，基本上不存在受溫度影響的問題。
1.2.2電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的優(yōu)點
（1）模擬產(chǎn)生各種信號
主要是利用NI公司的LABVIEW軟件，通過對所需的信號編程，產(chǎn)生信號（正弦波，脈沖波，三角波等），然后將信號的波形通過DAQ輸送出去，通過調(diào)節(jié)控制旋鈕來改變輸出信號的大小，從而達到檢測系統(tǒng)的效果。
（2）信號輸出簡單
NI公司LABVIEW虛擬儀器技術(shù)的信號產(chǎn)生與輸出是一起的，他主要是通過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)的USB端口與電腦連接，然后另一端作為輸入端與所需要的儀器連接到一起，進而將信號輸入。尤其注意的是，如果輸出信號的電壓與接收儀器的允許電壓不相符合，那將連接一個電壓調(diào)節(jié)器，將輸入電壓調(diào)節(jié)到一起所允許的范圍內(nèi)。
（3）實現(xiàn)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的檢測
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)主要的影響信號有2種：車速信號和扭矩信號。連接的線路如下：產(chǎn)生的信號→數(shù)據(jù)采集卡→電壓調(diào)節(jié)器→ECU→電機。ECU是用已經(jīng)編好的程序，他將對輸送過來的信號進行計算，然后輸送一個電流給電動機，電動機接收信號后會按照命令進行運轉(zhuǎn)。我們可以調(diào)節(jié)信號旋鈕來觀察電機的運行狀況，從而檢測ECU。
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)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)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)。1988年2月日本鈴木公司首先在其Cervo車上裝備了EPS，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,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。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。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)向標準會議尋找合作伙伴，準備在其生產(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，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。
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 本設(shè)計研究的內(nèi)容
（1）電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)主要是將由LABVIEW軟件生成的信號通過數(shù)據(jù)采集卡送給ECU，然后ECU通過內(nèi)部運算后輸出適當?shù)碾娏骺刂齐妱訖C。其線路圖為：產(chǎn)生的信號→數(shù)據(jù)采集卡→電壓調(diào)節(jié)器→ECU→電機。
（2）軟件部分——信號的生成
由于控制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的信號太多，例如噪音，溫度，車輪轉(zhuǎn)速，車速，扭矩等。對于初學(xué)者來說，將所有的信號全部產(chǎn)生并輸送給控制模塊這個過程有點復(fù)雜，難度相對較大，所以我就選擇2個主要的信號（車速信號和扭矩信號）作為控制信號來說明如何用NI信號控制與檢測電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
（3）硬件部分——電壓放大器的制作
用LABVIEW軟件產(chǎn)生的信號，其信號電壓與儀器的接收信號的電壓必須相符合，然而經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡USB608輸出的信號電壓為5V，吉利控制模塊接受的電壓為12V，所以應(yīng)該設(shè)計一個電壓放大器，將數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號電壓放大后再輸送給吉利控制模塊，使其能夠接收。
（4）實驗檢測
實驗檢測部分主要是將電路連接好之后，控制車速值分別為某一定值（如2km/h,15km/h和45km/h）,調(diào)節(jié)扭矩值由Nm逐漸變化，繪制出實際的扭矩—電動機輸出電流曲線圖，在與理論分析得到的扭矩—電動機輸出電流曲線圖對比，如果曲線一致，則電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完好；如果不一致，則需檢查系統(tǒng)。
第2章 電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)
2.1電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的組成
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)主要分為2部分，硬件設(shè)計與軟件的編程。硬件設(shè)施主要包括USB-6008型號的數(shù)據(jù)采集卡、采用LM324芯片設(shè)計的反向電壓放大器和吉利數(shù)控模塊；軟件部分主要是通過對LABVIEW軟件的編程，生成2種控制信號，即車速信號和扭矩信號。然后將軟件與硬件連接起來，通過控制信號的大小來檢測電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞。
2.1電路連接圖
2.2電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、電壓放大器、數(shù)控模塊和電機組成。
（1）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡的作用是將LABVIEW產(chǎn)生的信號通過自身的輸入、輸出通道傳遞給數(shù)控模塊。
（2）電壓放大器：電壓放大器的任務(wù)就是將由數(shù)據(jù)采集卡出來的5V的車速信號放大到12V。
（3）ECU：ECU主要是接收所有的信號，然后通過內(nèi)部的程序計算出輸出的電流傳給電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。
（4）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)的輸出矩轉(zhuǎn)。
2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論分析
2.3.1 引言
配備電動助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)盡量不悖于駕駛員原有的駕駛習(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下幾點：
（1）在轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩很小的區(qū)域內(nèi)希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持較好的路感和節(jié)約能源。
（2）在低速行駛低速轉(zhuǎn)向過程中，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動強度，助力效果應(yīng)當明顯。
（3）原地轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩相當大，此時應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果，且助力矩增幅應(yīng)較大。
（4）隨著車速的增升高，轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩很小時不助力的區(qū)域應(yīng)增大。
（5）原地轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時應(yīng)保持恒定，以免助力電動機因負荷過大而出現(xiàn)故障。
（6）形式轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時也應(yīng)保持恒定，以便駕駛員駕駛時可以明顯感到路面反力的增加，知道安全駕駛。
（7)高速行駛時停止助力，以便駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全。
（8）助力矩不能大于同工礦下無助力時的轉(zhuǎn)向驅(qū)動，即助力矩應(yīng)小于轉(zhuǎn)向阻力局，否則將出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。
（9）各區(qū)段過度要平滑，以避免操舵力出現(xiàn)跳躍感。
2.3.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)典型的助力曲線
EPS的助力特性具有多種曲線形式，圖2.2為三種典型的EPS助力特性曲線。這里將圖中助力曲線分為三個區(qū)，0≤≤區(qū)為無助力區(qū)，≤≤區(qū)為助力變化
圖2.2 EPS典型助力曲線
（1）直線型助力特性
圖2.2.a為直線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤扭矩成線性關(guān)系。該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示
（2.1）
式中，I為電機的目標電流；Imax為電機工作的最大電流；為方向盤的輸入扭矩；為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減??；為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時的方向盤輸入扭矩，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時的方向盤輸入扭矩。
（2）折線型助力特性
圖2.2.b所示為典型的折線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤扭矩成分段型關(guān)系，該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示。
（2.2）
式中，，分別為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減小；為助力特性曲線梯度由變?yōu)闀r的方向盤輸入扭矩。
（3）曲線型助力特性
圖2.2.c為典型曲線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤輸入扭矩成非線性關(guān)系，該助力特性曲線用以下函數(shù)表示。
（2.3）
比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性曲線有利于實現(xiàn)連續(xù)、均勻助力，但控制復(fù)雜、調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間，從設(shè)計、調(diào)整和實用的角度看，采用直線型助力特性可以基本滿足實際需要。
2.3本章小結(jié)
本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)，通過理論分析，確定了在一定車速下的電動機的助力大小。
第3章 硬件的設(shè)計
3.1電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)大體上是由LABVIEW產(chǎn)生的信號、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)控模塊和驅(qū)動部分組成，總體的框圖如圖3.1所示。
圖3.1 總體布置框圖
3.2數(shù)據(jù)采集卡
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 k/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-DAQ驅(qū)動軟件和NI LABVIEW Signal Express交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。
NI USB-6008具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，其應(yīng)用范圍包括簡單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測量和學(xué)術(shù)機構(gòu)的實驗室試驗。 該產(chǎn)品價位適于學(xué)生購買，但其強大的功能足以用于更為復(fù)雜的測量應(yīng)用。 NI USB-6008帶有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)記錄軟件，能在數(shù)分鐘內(nèi)開始基本的測量應(yīng)用；也可使用LABVIEW或C及自帶的NI-DAQ Base測量服務(wù)軟件，為用戶自定義的測量系統(tǒng)編程。NI開發(fā)了含有LABVIEW學(xué)生版副本的USB-6008學(xué)生套件，為仿真、測試和自動化的理論性課程補充了實踐性實驗。上述套件僅供學(xué)生使用，是功能優(yōu)、價格低、實踐性強的學(xué)習(xí)工具。
圖3.2 USB-6008數(shù)據(jù)采集卡
圖3.3 USB-6008數(shù)據(jù)采集卡引腳圖
選擇理由：NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，能夠滿足電動助力轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)仿真實驗的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而且也具備功能優(yōu)、價格低、實踐性強的特點。
3.3 信號放大器的設(shè)計
3.3.1 芯片的選擇
LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，他們有一些顯著優(yōu)點.該四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下，靜態(tài)電流為MC1471的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引腳，其中“+”“-”為兩個信號的輸入端，“”“”為正負電源端?！啊睘檩敵龆?。兩個信號輸入端中，為反向輸入端，表示運放輸出端的信號與該輸入端的位反向；為同向輸入端，表示運放輸出端的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳圖如下：
圖3.4 LM324引腳圖
LM324的特點：1.短路保護輸出 2.真差動輸入級 3.可單電源工作：3-32V 低偏置電流：最大100nA 4.具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?5.輸入端有靜電保護功能 6.行業(yè)標準的引腳排列
3.3.2 驅(qū)動電路的設(shè)計
同相輸入比例運算放大器
如果輸入信號從同相輸入端引入的運算，便是同相運算。
圖3.5同相比例運算放大器電路圖
如圖：3.5是同相比例運算電路，根據(jù)理想運算放大器工作在線性區(qū)的分析依據(jù)：
(3.1)
（3.2）
由圖3.5可列出
（3.3）
（3.4） 由此得出
（3.5）
閉環(huán)電壓放大倍數(shù)則為
（3.6）
可見與間的比例關(guān)系也可以認為與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)，其精度和穩(wěn) 定性都很高。式中為正值，這表示與同相，并且總是大于或等于1，這點和反比例運算不同。
當或者時，則
（3.7）
這就是電壓跟隨器。
本設(shè)計的電壓放大倍數(shù)為
所以
3.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的硬件連接，對其硬件進行講解，主要包括對USB-6008數(shù)據(jù)采集卡各引腳功能的介紹、反相放大器在LM324芯片上的連接電路圖等。
第4章 電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號的生成
4.1 LABVIEW的簡介
20多年前，美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出“軟件即是儀器”的虛擬儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。
所謂虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機性能以摩爾定律（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠遠拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術(shù)更新速率。虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當?shù)陌l(fā)展。PC機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計算機上推出了LABVIEW2.0以前的版本。對虛擬儀器和LABVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權(quán)威。目前LABVIEW的最新版本為LABVIEW2009，LABVIEW 2009為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LABVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LABVIEW Real-Time工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計的軟件層次，是進行并行編程的首選。
LABVIEW程序又稱為虛擬儀器，它的表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器；但LABVIEW程序很容易改變設(shè)置和功能。因此，LABVIEW特別適用于實驗室、多品種小批量的生產(chǎn)線等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備的參數(shù)和功能的場合，及對信號進行分析研究、傳輸?shù)葓龊稀?
總之，由于LABVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，深受用戶青睞。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LABVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。使用虛擬儀器產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要重新構(gòu)筑新的儀器系統(tǒng)。例如，用戶可以將原有的帶有RS232接口的儀器、 VXI總線儀器以及GPIB儀器通過計算機，聯(lián)接在一起，組成各種各樣新的儀器系統(tǒng)，由計算機進行統(tǒng)一管理和操作。
4.2信號的生成
本設(shè)計最主要的就是利用LABVIEW編程產(chǎn)生的信號代替通過傳感器產(chǎn)生的信號,然后將產(chǎn)生的信號通過數(shù)據(jù)采集卡送給ECU，ECU經(jīng)過判斷對助力電機進行控制，給駕駛員提供合適的助力。
一個LABVIEW是由前面板和程序框圖組成的。前面板是用戶接口，用于向程序中輸入各種控制參數(shù)，并以數(shù)字或圖形等各種形式輸出測試結(jié)果?？梢园阉胂鬄閭鹘y(tǒng)一起的面板，面板上自然會有表頭、按鈕、撥盤等各種元件。程序框圖是程序的源代碼,可以把它想象為傳統(tǒng)儀器里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。
信號模擬輸出的過程：
(1) USB-6008數(shù)據(jù)采集卡通過USB與計算機連接，驅(qū)動完成之后，打開LABVIEW軟件，創(chuàng)建DAQ助手。如圖4.1
4.1 NI-DAQ圖
(2) 選擇生成信號→模擬輸出→電壓后，單擊完成，在彈出的面板上選擇信號的輸出通道和。如圖4.2
4.2DAQ通道設(shè)置圖
(3) 調(diào)節(jié)信號的生成模式為連續(xù)采樣，測試信號類型為正弦波，然后單擊確定。
(4) 通過仿真信號生成車速信號，用正弦波表示。如圖4.3
4.3 車速仿真信號圖
(5) 通過仿真信號生成扭矩信號，用方波表示。如圖4.4
4.4 扭矩仿真信號圖
(6)設(shè)定車速信號與扭矩信號的幅值為1、相位為0。車速信號的頻率設(shè)定為50，扭矩信號的頻率設(shè)定為10。如圖4.5
4.5 車速信號與扭矩信號圖
(7)在程序面板上創(chuàng)建2個選擇信號，分別選擇車速信號與扭矩信號的輸出通道AO0和AO1。如圖4.6
4.6選擇信號圖
(8)將2個選擇信號合并后與DAQ助手的數(shù)據(jù)端連接，加入While循環(huán)后，程序設(shè)計完成。如圖4.7
4.7信號輸出程序框圖
程序設(shè)計完成之后，車速信號從數(shù)據(jù)采集卡的端輸出，扭矩信號從數(shù)據(jù)采集卡的端輸出，我們可以通過調(diào)節(jié)前面板的車速值與扭矩值來改變送入ECU內(nèi)部的信號電壓的大小，從而控制電動機的助力大小。
4.3 本章小結(jié)
本章對本設(shè)計所應(yīng)用的軟件LABVIEW進行了簡單的介紹,包括它的歷史，與優(yōu)勢以及使用方法，利用設(shè)計中的圖形說明本設(shè)計的設(shè)計過程，通過調(diào)節(jié)車速值和扭矩值來控制輸出波形，使ECU接收到不同的波形，ECU通過內(nèi)部計算后送給電動機一個合理的助力電流，通過理論電流與實際電流的對比，達到檢測系統(tǒng)的目的。
第5章 試驗分析
5.1 簡介
本設(shè)計在理論分析的基礎(chǔ)上，為驗證電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實際效果同時也為控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)的方便，進行了硬件在環(huán)仿真實驗。分別對ECU進行了在不同車速條件下方向盤轉(zhuǎn)矩和電機助力之間的關(guān)系實驗，例如通過LABVIEW軟件控制車速信號的值分別為2km/h、15km/h和45km/h，然后在任一車速下調(diào)節(jié)扭矩值，由N·m,用萬用表來測出電動機輸出端得電流大小。如果電流的變化與理想的轉(zhuǎn)矩-電動機助力目標電流圖相符合，則證明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完好。
5.2 實驗儀器
筆記本一臺 ,USB-6008數(shù)據(jù)采集卡 ,電壓放大器, ECU ,吉利轎車 ,萬用表 ,電路連接線若干。
5.3轉(zhuǎn)矩—電動機助力電流的理論關(guān)系
助力控制是汽車在低速行駛過程中進行轉(zhuǎn)向時，為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，使其轉(zhuǎn)向操縱輕便，靈敏，可通過減速機構(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。該模式是利用電動機轉(zhuǎn)矩和電動機電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳動器檢測的轉(zhuǎn)矩信號和車速傳感器檢測的車速信號輸入控制器中，根據(jù)預(yù)算的不同車速下“轉(zhuǎn)矩—電動機助力電流圖”（圖5.1），確定出電動機助力的目標電流。
圖5.1 轉(zhuǎn)矩-電動機助力電流圖
當轉(zhuǎn)向盤力矩的值小于1N·m時，電動機電流為0，即電機無助力扭矩輸出，這樣就有效的消除了由于系統(tǒng)太過敏感而導(dǎo)致來自于車輪或系統(tǒng)干擾輸入而對車輛的操作穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向路感造成不利影響。當轉(zhuǎn)向盤力矩的值大于1N·m、車速低于80km/h時，電機電流隨著轉(zhuǎn)向盤扭矩的增加而增加，即輸出助力扭矩隨著轉(zhuǎn)向盤扭矩的增加而增加；當車速超過80km/h時，此時不需要進行助力控制，助力電機停止工作，并與電磁離合器處于脫離狀態(tài)。當轉(zhuǎn)向盤輸入力矩大于某一設(shè)定值（如車速在km/h時設(shè)定值為8N·m、車速在km/h時設(shè)定值為9N·m）,流過電機電流達到最大值，即助力扭矩達到飽和狀態(tài)。車速越低、助力越大；車速越高、助力越小。當車速大于一定值時，取消助力，將電動機反接制動，使汽車高速行駛時方向感沉穩(wěn)，行駛安全。
5.4 實驗過程
（1）打開計算機，運行編輯的程序，檢驗產(chǎn)生的信號是否正常運行。
（2）將USB-6008數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接，然后啟動MER軟件，此時數(shù)據(jù)采集卡的紅燈亮則表示數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)與電腦連接，然后將產(chǎn)生的車速信號和扭矩信號分別通過數(shù)據(jù)采集卡的A0端和A1端輸出。
（3）由于ECU接收的車速信號電壓為12V，轉(zhuǎn)矩信號電壓為5V，而通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的電壓為5V，所以需要將車速信號的電壓放大后輸出給ECU。將數(shù)據(jù)采集卡的A0端連接已經(jīng)設(shè)計好的電壓放大器的輸入端,其輸出端作為信號的輸入端。
（4）觀察吉利汽車ECU的引腳圖，找到車速信號引腳和扭矩信號引腳分別為A5、B4,用電路連線從引腳處引出2跟線作為信號的接收端，然后將USB-6008的A1通道與扭矩信號連線連接，電壓放大器的輸出端與車速信號連線連接。
圖5.2 數(shù)控模塊的引腳圖
（5）通過LABVIEW軟件對車速信號值進行控制，車速信號的值分別為2km/h,15km/h，45km/h。在車速信號值為2km/h時，調(diào)節(jié)扭矩信號值，通過萬用表測出電機電流的變化，繪制扭矩與電機電流的關(guān)系曲線，如圖5.2,車速在2km/h,在輸入扭矩小于1N·m時，電動機不助力；大于1N·m后，輸入扭矩越大，電動機輸出扭矩越大，電流也越大；到輸入扭矩為8N·m以后，電動機輸出扭矩恒定不變，電流也恒定不變。
圖5.3車速值為2km/h時，扭矩與輸出電流之間的關(guān)系
如圖5.4，車速在15km/h,在輸入扭矩小于1N·m時，電動機不助力；大于1N·m后，輸入扭矩越大，電動機輸出扭矩越大，電流也越大；到輸入扭矩為9N·m以后，電動機輸出扭矩恒定不變，電流也恒定不變。
圖5.4車速值為15km/h時，扭矩與輸出電流之間的關(guān)系
車速在45km/h,在輸入扭矩小于1N·m時，電動機不助力；大于1N·m后，輸入扭矩越大，電動機輸出扭矩越大，電流也越大；到輸入扭矩為9N·m以后，電動機輸出扭矩恒定不變，電流也恒定不變。
圖5.5車速值為45km/h時，扭矩與輸出電流之間的關(guān)系
實驗數(shù)據(jù)表明：同一車速下，隨著方向盤扭矩的增大，電機的轉(zhuǎn)向助力越來越?。煌慌ぞ叵?，隨著車速的增加，電機的轉(zhuǎn)向助力也越來越小。
5.5實驗結(jié)果
1．在零車速下，助力轉(zhuǎn)向時的方向盤轉(zhuǎn)矩明顯小于不助力轉(zhuǎn)向時，說明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠使駕駛更加輕便、靈活。
2. 繪制出相同車速下，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力值隨方向盤轉(zhuǎn)矩的增大基本呈線性減小；
3．在不同的車速下，車速快時的電動助力小于車速慢時的電動助力。
4. 車速很快時，電動機一般不提供助力，保證汽車行駛時的方向穩(wěn)定性。
5.6本章小結(jié)
本章主要介紹電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)性能。通過各種實驗繪制出實際的扭矩-電動機電流曲線圖，與理論的扭矩-電動機電流曲線對比后判斷ECU系統(tǒng)的好與壞。
結(jié) 論
本文對電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)進行設(shè)計，其中包括軟件編程，硬件設(shè)計和電路的連接等幾個環(huán)節(jié)，最終達到通過調(diào)節(jié)信號的值來檢驗電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的。通過分析，得到以下主要結(jié)論：
（1）電動助力轉(zhuǎn)向ECU激勵信號系統(tǒng)的發(fā)展前景很好：汽車工程測試中,經(jīng)常需要測量多種信號并進行分析,如車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)傾角、俯仰角、橫向加速度、縱向加速度、車體變形、電壓、電流、溫度、CAN總線信號、油液壓力、真空度等，加大了現(xiàn)代化汽車測試的難度。為了方便ECU的開發(fā)與測試，除了真實的汽車環(huán)境外，往往還需要些模擬的汽車環(huán)境用于ECU實驗室階段的開發(fā)和測試，這就注定ECU激勵信號系統(tǒng)的發(fā)展會將越來越好。
（2）通過運用LABVIEW產(chǎn)生信號檢驗了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好與壞，檢驗了助力特性滿足穩(wěn)定性的要求，理論上驗證了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。
通過對ECU激勵信號設(shè)計的研究，本文得到了一些有益的結(jié)論，但由于時間和條件的限制，認為還有進一步的工作要做。設(shè)計中對LABVIEW的運用還不是很熟練，還需要大量的時間和努力去完成每一個信號對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變化的影響，在以后的學(xué)習(xí)中要不斷加強這方面的研究。
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致 謝
本畢業(yè)設(shè)計是在張金柱老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下完成的，從課題選擇到具體的寫作過程，無不凝聚著張老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計期間，張老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，沒有這樣的幫助和關(guān)懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。在此向張老師老師表示深深的感謝和崇高的敬意。
在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這四年中給予了我?guī)椭椭笇?dǎo)的所有老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。不積跬步何以至千里，各位任課老師認真負責(zé)，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)設(shè)計。
同時，我還要感謝同組的各位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝。
最后，在畢業(yè)設(shè)計過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向有關(guān)的作者表示謝意。
附錄A 外文文獻
Electric Power Steering system
1. History
In automobile development course, Steering system experienced four stages of development: from the initial mechanical Steering system (for your DNS setting Steering, abbreviation ) development for Hydraulic Steering system (Hydraulic Power Steering, abbreviation HPS), then again appeared electronically controlled Hydraulic Steering system (Electro Hydraulic Power Steering, abbreviation EHPS) and Electric Power Steering system (Steering, room Power as EPS). Assemble mechanical steering system of car parking and low-speed driving, when the driver's steering control burden too heavy, in order to solve this problem, the American GM in the 1950s took the lead in the car hydraulic steering system. But, hydraulic steering system can't juggle vehicles to speed portability and high speed, so the steering stability Koyo in Japan in 1983, with the company introduced the application of speed sensing function of hydraulic steering system. This new type of steering system can provide speed increased with the decreasing steering, but complicated structure, cost is higher, and cannot overcome hydraulic system itself has many shortcomings, is a cross between a hydraulic steering and electric power steering the transition between the products. In 1988, Japan Suzuki company first in small cars equipped with Cervo Koyo company development on the steering column, power type electric power steering system; In 1990, Japan Honda NSX in sports car company adopted self-developed rack power type electric power steering system, henceforth unveils the electric power steering in cars applications history
2. Working principle
Electric power steering system are as follows: first, the working principle, torque sensor measured on steering wheel drivers on the manipulation of the moment, the wheel speed sensors detect the vehicle driving speed, then present the two signals to ECU; According to the built-in control strategy: ECU, calculates the ideal target booster torque, into current instructions to motor; Then, the power generated by the torque motor slowdown institutions amplification on steering system in mechanical manipulation of the moment, and the driver together to overcome resistance torque, realize to the vehicle steering.
3. Working process
Electric power steering system as traditional hydraulic system alternative products has entered into the auto manufacturing. And had predicted instead, EPS not only applicable to small cars, and some for 12V