汽车电动助力转向控制系统控制器设计

··1第一章绪论电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。它是近代各种先进汽车上所必备的系统之一。1.1电动助力转向的发展从最初的机械式转向系统（ManualSteering，简称MS）发展为液压助力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（ElectroHydraulicPowerSteering，简称EHPS）和电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，简称EPS）。装配机械式转向系统的汽车，在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重，为了解决这个问题，美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性，因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年，日本Suzuki公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统；1990年，日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。··21.2电动助力转向的分类：机械液压助力机械液压助力是我们最常见的一种助力方式，它诞生于1902年，由英国人FrederickW.Lanchester发明，而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后，1951年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。由于技术成熟可靠，而且成本低廉，得以被广泛普及。机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向。电子液压助力由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力，所以人们在机械液压助力的基础上进行改进，开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动，而是由电动机来驱动，并且在之前的基础上加装了电控系统，使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关，还与车速相关。机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀，新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向ECU等。电动助力EPS就是英文ElectricPowerSteering的缩写，即电动助力转向系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能··3提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转矩电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。1.3电动助力转向系统特点液压助力转向系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，该系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成为转向系统主流，与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在：1、降低了燃油消耗液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流··4动，浪费了部分能量。相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了按需供能，是真正的按需供能型（on-demand）系统。汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在-40℃时也能工作，所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。不使用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%。2、增强了转向跟随性在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。3、改善了转向回正特性··5直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。4、提高了操纵稳定性通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶（100km/h）的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。1.4电动助力转向系统的发展趋势上个世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向，简称EPS(ElectricPowerSteering)。EPS是在EHPS(电控液压助力转向)的基础上发展起来的，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强，它取消EHPS的液压油泵、液压管路、液压油缸和密封圈等配件，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它··6利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置(包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器)，转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构)及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵转向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。从国内外的研究来看，EPS今后的研究主要集中在以下几方面：(1)EPS助力控制策略。助力控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小，辅助驾驶员实现汽车转向。控制策略是EPS研究的重点。(2)系统匹配技术。助力特性的匹配、电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以及EPS系统与其它子系统进行匹配，是使整车性能达到最优的关键。(3)可靠性。转向系统是驾乘人员的“生命线”之一，必须保证高度可靠性。EPS除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对EPS的可靠性提出了很高的要求。由于技术、制造和维修成本等原因，目前大部分汽车转向系统仍以液压助力的HPS(包括ECHPS、EHPS)为主。线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因，在近期很难在车辆上装配。EPS具有节能与环保等诸多优点，EPS取代HPS是今后一段时间内汽车转向系统发展的趋势。··7第二章硬件电路设计汽车电动助力转向系统（ElectricPowerSteering）结构的工作原理:当汽车的方向盘开始转动时，扭矩传感器开始检测其输入轴，并把扭矩信号传输给控制中心，此时的波形有毛刺，并不是能够用来调制的PWM波。而整形电路的作用便是把毛刺去掉，得到矩形波。然后无刷直流电机里面对应的三个霍尔传感器检测出电机转子的位置，以及在汽车变速箱上面安装的车速传感器传给的模拟量，经过ECU分析处理这些模拟量，按程序指令的方式对控制对象进行控制，通过改变输出PWM来控制三相桥中的MOS管的导通顺序控制电机，来实现对控制对象进行控制动力转向的目的。系统硬件模块连接图如图系统硬件模块框图所示，硬件系统主要由DSP最小系统及扩展电路、换相逻辑电路、功率驱动电路、逆变器电路、转子位置检测电路等部分组成。电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助DSP(TMS320F240)控制器逆变器电路换相逻辑电路功率驱动电路无刷直流电动机转子位置检测电路位置信号整形电路扭矩传感器车速传感器··8扭矩，是EPS的动力源，电机对EPS的性能有很大影响，是EPS的关键部件之一。作为EPS系统助力的提供者，根据系统要求，我们选择直流无刷电机。2.1直流无刷电机直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。无刷直流电动机BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。主电路是一个典型的电压型交—直—交电路，逆变器提供等幅等宽5-26kHz调制波的对称交变矩形波。永磁体n-s交替交换使位置传感器产生相位差120°的u、v、w方波，结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生t1—t4导通、t1—t6导通、t3—t6导通、t3—t2导通、t5—t2导通、t5—t4导通，也就是说将直流母线电压依次加在a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a-、c+b-上，这样转子每转过一对n-s极，t1—t6功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器u、v、w按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，··9使定子绕组产生的磁场轴再前进60电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。电动机在这里受到控制单元的指令控制输出适宜的扭矩，进而控制车轮的转向，它是本系统实现功能最重要的器件之一，所以需要可靠性比较强，而且对应的性价比比较好的器件，在这里我们采用的直