基于單片機(jī)的電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于單片機(jī)的電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),基于,單片機(jī),電動,轉(zhuǎn)向,助力,系統(tǒng),設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.2 選題的目的和意義 3 1.3 本課題研究的內(nèi)容和擬解決的主要問題 4 1.3.1 本課題的主要內(nèi)容 4 1.3.2 擬解決的主要問題 4 第2章 EPS系統(tǒng)的組成 5 2.1 EPS工作原理與結(jié)構(gòu)組成 5 2.2 傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 5 2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn) 6 2.4 EPS的類型 6 2.5 助力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 7 2.5.1 助力電機(jī) 7 2.5.2 轉(zhuǎn)矩傳感器 7 2.5.3 車速傳感器 8 2.5.4 電子控制單元 9 2.6 本章小結(jié) 11 第3章 EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 12 3.1 EPS系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu) 12 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 12 3.2.1 時鐘電路 12 3.2.2 復(fù)位 13 3.3 電源電路 14 3.4電動機(jī)的驅(qū)動 15 3.5 三態(tài)緩沖器 17 3.6 電動機(jī)的變頻調(diào)速控制 18 3.7 電動機(jī)H橋驅(qū)動方式 18 3.8 本章小結(jié) 19 第4章 EPS控制策略和軟件設(shè)計(jì) 20 4.1 EPS系統(tǒng)的控制要求 20 4.1.1 回正控制 20 4.1.2 阻尼控制 20 4.2 轉(zhuǎn)向助力特性曲線的選擇 21 4.2.1 助力特性的理論研究 21 4.2.2 助力特性曲線的選擇 21 4.3 EPS的軟件設(shè)計(jì) 22 4.3.1 開發(fā)環(huán)境 22 4.3.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 24 4.3.3 AD模塊 25 4.3.4 電機(jī)助力子程序 26 4.3.5 系統(tǒng)主程序 27 4.4 本章小結(jié) 27 第5章 軟件下載及系統(tǒng)的試驗(yàn) 28 5.1 STC單片機(jī)程序下載器的使用 28 5.2 系統(tǒng)的試驗(yàn) 30 5.3 系統(tǒng)的調(diào)試 30 5.4 本章小結(jié) 30 結(jié)論 32 參考文獻(xiàn) 33 致謝 34 附錄A 35 附錄B 43 附錄C 46 第1章 緒 論 1.1 轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照提供動力的形式大致可以分為了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Manual Steering，簡稱MS）、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS）、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electro Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS）、電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）。 傳統(tǒng)的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用液壓助力， 上個世紀(jì)80年代開始，人們開始研究電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向。1988年2月日本的鈴木公司開發(fā)出了電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在Cervo車上，隨后又配備在Alto車上，擺脫了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。本田汽車公司首次將EPS 裝備于大批量生產(chǎn)的EPS。此后EPS便雨后春筍般發(fā)展起來，并將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到大型轎車和客車方面上。EPS是在EHPS(電控液壓助力轉(zhuǎn)向)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠性強(qiáng)，它取消大量液壓配件，只依靠電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，解決了長期以來存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。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。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，EPS技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應(yīng)用范圍將越來越大。在國外，EPS已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并成為汽車零部件高新技術(shù)產(chǎn)品。由于技術(shù)保密，很難獲得控制參數(shù)，要想實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主創(chuàng)新，還需國人自己鉆研。 EPS經(jīng)過二十多年的發(fā)展，技術(shù)同趨完善，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轎車方向發(fā)展，如新上市的一汽大眾速騰等中型轎車已經(jīng)安裝EPS。本田甚至還在其Acyra NSX賽車上安裝了EPS。日本早期的EPS只在低速和停車轉(zhuǎn)向時助力，后來發(fā)展的EPS不僅能在低速和停車時助力，還能在高速行駛時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。正是由于這一系列的優(yōu)點(diǎn)，在世界汽車行業(yè)中，EPS的年增長量達(dá)130萬至150萬套，據(jù)美國天合(TRW)公司預(yù)測，到2010年，全球范圍內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向器的裝車率將超過30％，因此，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展前景是非常廣闊的。這也正是全球各大公司對其青睞的原因。 就相關(guān)EPS的研究資料所闡述的發(fā)展趨勢來看，控制信號除了依靠車速與扭矩信號，而且還需要轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度等多種信號進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。如今國內(nèi)外對EPS研究有幾個比較集中的方面，如：EPS助力控制策略、系統(tǒng)匹配技術(shù)及其可靠性的研究。 從國內(nèi)外的研究看今后的研究方向主要集中在EPS助力控制策略和系統(tǒng)匹配技術(shù)等方面。汽車轉(zhuǎn)向除了滿足輕便和靈敏兩個要求外，還要為駕駛者造成一定的路感，隨著車速的提高方向盤助力不宜過大，而且還需要滿足一定的助力特性。 我國在EPS的研究上與國外相比起步較晚，而且由于液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即HPS技術(shù)比較成熟，結(jié)構(gòu)緊湊，工作安全可靠，價格也比較便宜，所以液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即HPS占國內(nèi)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流地位。然而EPS的發(fā)展前景的廣闊的，如今國內(nèi)有多所高等院校和科研單位正在進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)研究，并取得的一定進(jìn)展。我國自主設(shè)計(jì)的EPS和國外的成熟產(chǎn)品相比，還有一定的差距，很多整車廠裝配的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)都依靠進(jìn)口。但是我們正在奮起直追，逐步縮小自主開發(fā)的EPS與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)差距。電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展勢頭良好。2001年，昌河汽車廠開始將電動轉(zhuǎn)向器裝在北斗星高檔微型箱式車，揭開了我國汽車轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)歷史上新的第一章，2002年該車型已有6萬臺配裝電動轉(zhuǎn)向器，即電動轉(zhuǎn)向車己占該車型的60％了。哈飛汽車廠也開始在新車型上裝電動轉(zhuǎn)向器，吉利在其多款轎車上也安裝了電動轉(zhuǎn)向器。另外奇瑞QQ轎車、揚(yáng)子皮卡車廠和很多微型箱式車廠，都準(zhǔn)備安裝電動轉(zhuǎn)向。這充分說明裝配EPS產(chǎn)品的市場和市場潛力是很大的。 電動式EPS有許多優(yōu)點(diǎn)，它比液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更輕便、緊湊、可靠易于維護(hù)保養(yǎng)，同時也取消了油泵、控制閥、油罐、皮帶、皮帶輪、液壓軟管及密封件等液壓裝置，如此諸如漏油的這種對清潔性造成影響的問題便消失了；能滿足汽車不同車速時的不同要求，如低速時的輕便性和高速時保持一定的路感以使駕駛員在不同狀況下操縱時獲得最佳的感受；在無需提供助力時不驅(qū)動電機(jī)，這樣就減少了不必要的能源消耗，提高了經(jīng)濟(jì)性；對控制計(jì)算機(jī)編程，可提供不同程度的動力轉(zhuǎn)向，能兼顧低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性，回正性好；它能與汽車上其他電氣設(shè)備相連接，有助于四輪轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)，并能促進(jìn)懸架系統(tǒng)的發(fā)展。 無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正作用具有很大的缺陷, 往往會降低汽車行駛穩(wěn)定性，而EPS恰恰改善了回正特性。通過軟件編程可對對不同車況進(jìn)行調(diào)整，這是傳統(tǒng)助力系統(tǒng)無法做到的。 盡管EPS比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擁有種種優(yōu)勢，但是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然存在著一些需要解決和改進(jìn)的問題：繼續(xù)改善電機(jī)的性能是EPS的發(fā)展關(guān)鍵；合理助力特性的確定；合適的控制策略；故障診斷的可靠性，EPS通過采用電機(jī)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，部分操作獨(dú)立于駕駛員的控制，因此EPS也會比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)有更多的故障模式。 汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了電動助力時代，隨著傳感器、控制方式助力電動機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步，EPS系統(tǒng)將愈加完善。在未來EPS將替代現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，近幾年EPS產(chǎn)量正以每年上百萬套的速度增加，最終將完全占領(lǐng)轎車市場，并向大型車發(fā)展。 1.2 選題的目的和意義 目的：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著“輕”與“靈”的矛盾，當(dāng)汽車在低速時需要輕便的轉(zhuǎn)向助力，而在高速時有需要靈巧的轉(zhuǎn)向效果已獲得較好的操作手感。本課題應(yīng)用綜合控制方法，來提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)之一，有利于汽車在不同的車況下獲得不同的助力效果，提高轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性和路感。英國盧卡斯公司認(rèn)為，EPS在轎車上正在成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是選件，自1996年至2006年，歐洲市場上的各級別轎車安裝EPS的比例已經(jīng)由35%增加到70%。按此增長速度繼續(xù)發(fā)展，數(shù)年間EPS就將完全占領(lǐng)轎車市場。 國內(nèi)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于初級階段，所以有必要加強(qiáng)力量對其進(jìn)行研究和開發(fā)。使我國的汽車在環(huán)保節(jié)能舒適等等方面趕上國際先進(jìn)水平。目前開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的ECU有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，它可為相關(guān)企業(yè)提供新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，增強(qiáng)我國技術(shù)產(chǎn)品的市場競爭力。通過對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，為開發(fā)出適于轎車和微型汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供技術(shù)儲備。另外就是在繼承前幾屆研究生研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善控制器的硬件與軟件，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性，把控制器往產(chǎn)業(yè)化方向推進(jìn)。 意義：隨著時代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對交通工具的環(huán)保，節(jié)能低耗，對生活的舒適性的要求也越來越高。如今國外汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正在漸漸取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向器的地位。EPS是未來的發(fā)展方向，我國也要緊跟世界的腳步，不能落在后面。 在國內(nèi)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于初級階段，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)廠家還很少，市場上的產(chǎn)品主要被國外的公司所壟斷。國外的許多廠家除了申請必要的國際專利外，還中國境內(nèi)申請了一些EPS專利。因此目前開發(fā)和研制用于轎車和輕型汽車的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，它可為汽車零部件企業(yè)的發(fā)展提供新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，也為我國汽車行業(yè)在加入WTO后參與國際汽車市場競爭提供一種有競爭力的機(jī)電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。同時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于汽車的環(huán)保、節(jié)能、安全等方面也具有積極的現(xiàn)實(shí)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(hù)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。而一個擁有性能可靠的控制系統(tǒng)則能使EPS實(shí)現(xiàn)以上效果，EPS具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流發(fā)展，是研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。 1.3 本課題研究的內(nèi)容和擬解決的主要問題 1.3.1 本課題的主要內(nèi)容 （1）設(shè)計(jì)一個小型電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)，分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元的功能。在充分考慮電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的可靠性、實(shí)時性的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為核心的控制單元。 （2）設(shè)計(jì)電子控制單元的硬件，采用P控制策略完成對直流電動機(jī)的控制、并對各種傳感器信號進(jìn)行采集和處理，通過單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖波來控制H橋驅(qū)動直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，滿足EPS控制要求。 （3）采用模塊化設(shè)計(jì)的方法編寫相應(yīng)控制軟件?？刂栖浖兄饕到y(tǒng)主程序、信號采集子程序，策略控制子程序等。 1.3.2 擬解決的主要問題 （1）系統(tǒng)硬件電路的搭建，硬件電路需要單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括時鐘電路、濾波電路、電源電路、復(fù)位電路等電路的設(shè)計(jì)。 （2）傳感器信號處理電路的設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)矩信號通過A/D轉(zhuǎn)換輸入處理器進(jìn)行處理，再通過電機(jī)驅(qū)動電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。 （3）將軟件和硬件進(jìn)行連接并進(jìn)行測試，檢查出現(xiàn)故障部分并思考出現(xiàn)故障的原因，再就相關(guān)知識努力將故障排除。 第2章 EPS系統(tǒng)的組成 2.1 EPS工作原理與結(jié)構(gòu)組成 EPS的工作原理：當(dāng)駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器檢測到的信號與車速信號經(jīng)過濾波處理后送入ECU，ECU對這些信號進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出PWM信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，從而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制，電機(jī)經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)將助力轉(zhuǎn)矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力的目的。當(dāng)車速超過一定值時，EPS系統(tǒng)退出助力工作模式。EPS可在不同車速的情況下提供不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時的輕便性和高速行駛時的穩(wěn)定可靠。EPS的主要組成有扭矩傳感器、車速傳感器、助力電機(jī)和電控單元。 2.2 傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）是在1928年就在汽車上首次應(yīng)用的，到1940年左右HPS就已經(jīng)實(shí)用化了，并在多種大型車輛上裝備。在1951年在轎車上也得到了應(yīng)用，獲得了當(dāng)時的好評，隨后HPS在轎車上便迅速普及，到今天裝備HPS的車輛已經(jīng)超過了80%。 HPS是在傳統(tǒng)機(jī)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(jìn)回油管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，即控制閥以軸向一定來控制油路。滑閥式控制閥結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，但是滑閥靈敏度不夠高。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了轉(zhuǎn)閥式HPS，即控制閥中的閥芯以旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)。雖然由于轉(zhuǎn)閥利用扭桿彈簧來使閥回位，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，但是其性能相對于滑閥有很大改進(jìn)，而且在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中布置轉(zhuǎn)閥比較容易。因此，目前在絕大部分轎車及部分貨車上均采用的是轉(zhuǎn)閥式HPS。 HPS系統(tǒng)擁有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：可以提高轉(zhuǎn)向時的輕便性，從而使駕駛員的疲勞程度得到緩解；HPS擁有的阻尼作用可以減小由于道路顛簸造成的沖擊；迄今為止液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用經(jīng)歷了許多時間，技術(shù)較為成熟，工作安全可靠，同時價格也比較便宜。但是同時也存在著一些不足：在設(shè)計(jì)完成以后，助力特性就不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，因此在協(xié)調(diào)汽車轉(zhuǎn)向輕便性與路感之間的矛盾；在發(fā)動機(jī)工作時，無論汽車是否進(jìn)行轉(zhuǎn)向油泵都一直運(yùn)轉(zhuǎn)，從而對燃料造成了極大的浪費(fèi)，降低了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性；油路中存在漏油的問題，會對環(huán)境造成污染；在低溫時工作性能較差。 2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點(diǎn) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了一系列傳感器，如車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電機(jī)和電控單元即ECU等部件，電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向柱上，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力。 與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合了許多現(xiàn)代的高新技術(shù)，諸如現(xiàn)代電子技術(shù)及機(jī)電一體化技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)： （1）EPS能在不同的車速下對轉(zhuǎn)向助力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),在不同工況下提供最佳的助力，減小因路面原因引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擾動，減輕低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力。在車速較低時提供較大的轉(zhuǎn)向助力，使駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時更加輕松；在車速較高時降低助力大小，為駕駛員提供一定的路感。 （2）EPS取消了液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵、液壓軟管、液壓油、皮帶及密封件等部件，結(jié)構(gòu)相對簡單，零件數(shù)量相對較少，擁有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于選擇安裝位置和噪聲較小等多方面的優(yōu)點(diǎn)。 （3）助力電機(jī)可以由蓄電池直接供電，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以在發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行工作，同時也提高了汽車的安全性能。 （4）EPS與傳統(tǒng)助力系統(tǒng)相比改變助力特性較為容易，只需改變ECU中助力程序即可。 （5）EPS結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，在車身上不知較為方便，助力性能比傳統(tǒng)助力系統(tǒng)優(yōu)越，又具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，又為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性。 2.4 EPS的類型 一般來說按照電動機(jī)驅(qū)動位置的不同，可以將EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為三類：轉(zhuǎn)向柱助力式（Column Type）、小齒輪助力式（Pinion Type）和齒條助力式（Rack Type）。 （1）轉(zhuǎn)向柱助力式轉(zhuǎn)向器 助力單元、控制器以及傳感器等部件都安裝在轉(zhuǎn)向柱處。結(jié)構(gòu)比較緊湊，方便在車體上安裝，可安裝在固定式、傾斜式等不同形式的轉(zhuǎn)向柱上。 （2）小齒輪助力式轉(zhuǎn)向器 助力單元安裝在轉(zhuǎn)向齒輪的小齒輪軸的上端。助力單元在駕駛室外，一方面提高助力另一方面也可以使駕駛室內(nèi)可感覺到的噪聲減小。 （3）齒條助力式轉(zhuǎn)向器 助力單元安裝在轉(zhuǎn)向齒輪的齒條處。助力單元可靈活安裝在齒條各處，從而使整車的布置更加方便。 2.5 助力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 2.5.1 助力電機(jī) 電動機(jī)對EPS的關(guān)鍵部件之一，電動機(jī)的功能是根據(jù)電子控制單元的指令輸出適宜的輔助力矩，是EPS的動力源。 根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，EPS的助力電機(jī)必須有較好的性能，要求也較高：盡可能寬的調(diào)速范圍，運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動??；快速響應(yīng)性能好，較小的轉(zhuǎn)動慣量；良好的低速平穩(wěn)性；體積小、質(zhì)量輕、噪聲低；過載能力強(qiáng)，可靠性高；電機(jī)驅(qū)動其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式可分為：直流、交流；永磁、勵磁；有刷、無刷等多種類型。 一般采用無刷或有刷永磁式直流電動機(jī)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞。 直流發(fā)電機(jī)工作原理:直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼? 感應(yīng)電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向。） 本設(shè)計(jì)采用的是RF-300C-11440,微電機(jī)馬達(dá)，這是一種有刷直流電機(jī)，額定電壓9V。如圖2.1所示是微型電機(jī)實(shí)物圖。 圖2.1 微型電機(jī)實(shí)物圖 2.5.2 轉(zhuǎn)矩傳感器 EPS傳感器的作用是探測駕駛員轉(zhuǎn)向時方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號傳送給控制器ECU，ECU根據(jù)這個信號連同車速信號產(chǎn)生相應(yīng)的助力，協(xié)助駕駛員轉(zhuǎn)向。扭矩信號作為系統(tǒng)控制策略的重要依據(jù)之一，它直接影響到控制效果的好壞，所以很多廠家都非常重視轉(zhuǎn)矩傳感器的研究與開發(fā)。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式兩類。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)矩傳感主要分別有以下幾種形式： （1）電位計(jì)式，BI公司和NSK公司都有該類型的產(chǎn)品，前者集成了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角測量，后者采用滑套機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)角差變換為電位計(jì)擺臂擺動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩測量。該類型的傳感器都屬于接觸式，其缺點(diǎn)就是存在磨損，降低了其性能。 （2）光電式，LUCAS公司有該類型的產(chǎn)品，清華大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究、并做出了樣件，前者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對加工工藝要求較高，后者對前者進(jìn)行了改進(jìn)，但是存在溫度漂移和繞線的問題。 （3）電感式，KOYO公司和NSK公司都有該類型的產(chǎn)品，該類型傳感器具有較高的精度，很好地實(shí)現(xiàn)了非接觸測量，非常適合EPS系統(tǒng)。 非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器的線性功能和滯后性能好，但價格較高。接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器一般結(jié)構(gòu)簡單，價格合適，目前的應(yīng)用也較為廣泛。 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤向一個方向旋轉(zhuǎn)時，其輸出端上的電壓保持一定值，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤向相反方向旋轉(zhuǎn)時，輸出端電壓就會發(fā)生變化。輸出端的電壓值就可以用來表示轉(zhuǎn)矩的大小，本設(shè)計(jì)采用的是WTH（118）10K-2W的電位器輸出的電信號來模擬轉(zhuǎn)矩傳感器的信號。如圖2.2是10K-2W的電位器實(shí)物圖。 圖2.2 電位器實(shí)物圖 2.5.3 車速傳感器 車速信號也是系統(tǒng)控制重要依據(jù)之一，一方面它與轉(zhuǎn)矩信號結(jié)合用以確定系統(tǒng)控制的目標(biāo)電流，一方面用于保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，即當(dāng)車速超出系統(tǒng)設(shè)定的助力范圍時，系統(tǒng)將停止助力，改為手動操作。車速信號由車速傳感器測得，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。本設(shè)計(jì)采用的是與扭矩傳感器一樣的WTH（118）10K-2W的電位器輸出的電信號來模擬車速傳感器的信號。 2.5.4 電子控制單元 電子控制單元ECU作為關(guān)鍵部件，主要有微處理器、與傳感器輸入信號相匹配的接口電路、微處理器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和脈寬調(diào)制器(PWM)，直流電動機(jī)的驅(qū)動電路等部分組成。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)過程中，電子控制單元的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一部分，其中處理器的選用也是非常關(guān)鍵的，性能優(yōu)良的處理器一定程度上為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取得良好的助力效果奠定了基礎(chǔ)。選用處理器的著眼點(diǎn)是處理器的性能能夠很好地與控制系統(tǒng)的特性與要求相吻合。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要控制對象是電動機(jī)。對電動機(jī)的控制可以分為簡單控制和復(fù)雜控制兩種。簡單控制是指對電動機(jī)進(jìn)行起動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜控制是指對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進(jìn)行控制，而且有時往往需要非常精確的控制。隨著控制要求的提高，對自動化的要求越來越高，使電動機(jī)的復(fù)雜控制逐漸成為主流。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)電樞電壓的控制，因此也屬于電動機(jī)復(fù)雜控制的范疇。 轉(zhuǎn)向時，控制單元根據(jù)檢測到傳感器的信號以及電動機(jī)的電流信號，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，向驅(qū)動單元發(fā)出控制信號，通過電動機(jī)驅(qū)動電路調(diào)節(jié)占空比，使電動機(jī)按方向盤轉(zhuǎn)動的方向和車速信號提供所需的助力轉(zhuǎn)矩。 電控單元是電子控制系統(tǒng)中最重要的原件之一，其性能在一定程序上決定著電子系統(tǒng)的性能，選擇油路的控制器對取得良好的控制效果非常重要。STC89C52RC是的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，另外STC單片機(jī)成本較低，性能較好，原有程序可以直接使用，硬件無需改動。STC89C51系列單片機(jī)選型如表2.1。 HD版本和90C版本內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。其主要性能如下： （1）增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時鐘/機(jī)器周期和12時鐘/機(jī)器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。 （2）工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V-2.0（3V單片機(jī)）。 （3）工作頻率范圍：0~40MHz相當(dāng)于普通8051的0~80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。 （4）用戶應(yīng)用程序空間：4K/8K/12K/16K/32K/64K字節(jié)。 （5）片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)RAM。 （6）通過I/O口（35/39個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）；P0口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 表2.1 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)選型一覽 型號 STC89C52RC STC89LE53RC STC89C54RD+ 工作電壓（V） 5.5~3.3 3.6~2.0 5.5~3.3 最高時鐘頻率Hz 5V 0~80M — 0~80M 3V — 0~80M — Flash程序存儲器（字節(jié)） 8K 13K 16K SRAM字節(jié) 512 512 1280 定時器 3 3 3 UART串口 1個 1個 1個 DPTR 2 2 2 EEP ROM（字節(jié)） 4K 4K 45K 看門狗 有 有 有 A/D — — — 中斷源 8 8 8 中優(yōu)先級 4 4 4 I/O 35/39 35/39 35/39 支持掉電喚醒外部中斷 4個 4個 4個 內(nèi)置復(fù)位 有 有 有 （7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 （8）有EEPRROM功能。 （9）看門狗。 （10）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（HD版本和90C版本才有），外部晶體20M以下時，可省外部復(fù)位電路。 （11）共3個16位定時器/計(jì)數(shù)器，其中定時器0還可以當(dāng)成2個8位定時器使用。 （12）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 （13）通過異步串行口（UART），還可用定時器軟件實(shí)現(xiàn)多個UART （14）工作溫度范圍：-40~85℃（工業(yè)級）/0~75℃（商業(yè)級） （15）封裝：LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44.如選擇STC89系列，優(yōu)先選擇LQFP-44封裝。 本設(shè)計(jì)采用的STC89C52RC單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，STC89C52RC單片機(jī)中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器（SRAM）、定時/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊、STC89C52RC單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。如圖2.3是內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 圖2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 2.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型，并對傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行比較。并對傳感器、電機(jī)和單片機(jī)的選型做了介紹，為下一章的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第3章 EPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 EPS系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能是采集來自轉(zhuǎn)矩傳感器、車勝元傳感器的信號經(jīng)過控制器（ECU）運(yùn)算后，控制直流電機(jī)為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力，從而達(dá)到改善駕駛舒適性的目的。因此控制器ECU是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一，是控制策略實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，控制器的硬件性能直接影響EPS的控制效果。本課題的控制電路主要包括以下幾部分電路：（1）信號處理電路，（2）電源電路，（3）電機(jī)驅(qū)動電路（4）單片機(jī)周邊最小電路。下圖是EPS控制系統(tǒng)框圖。 STC89C52RC 車速信號 轉(zhuǎn)矩信號 信號處理電路 時鐘電路 電機(jī)驅(qū)動電路 電源模塊 信號處理電路 復(fù)位電路 助力電機(jī) 3.1 EPS控制系統(tǒng)框圖 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 3.2.1 時鐘電路 時鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)硬件中的一個關(guān)鍵部分，由于晶振體的工作頻率十分高，設(shè)計(jì)不當(dāng)很有可能使其工作時會產(chǎn)生對其他電路造成干擾的高頻信號，尤其是對AD轉(zhuǎn)矩輸入信號的干擾；STC89C52單片機(jī)的時鐘輸入接口在18（XTAL2）和19（XTAL1）引腳上，當(dāng)時鐘晶振頻率為12M~25MHz時，時鐘電路中電容一般小于47pF。本設(shè)計(jì)采用33pF。 3V:3.8-2.0V(可外部24MHz,雙倍48MHz)，2.3-1.9V時不要進(jìn)行IAP擦除/編程。 外部晶振體的鏈接分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源晶振器3種方式。但是實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中一般采用并聯(lián)型方式。時鐘電路如圖3.2所示： 圖3.2 時鐘電路 3.2.2 復(fù)位 STC89C52系列單片機(jī)有4中復(fù)位方式：外部RST引腳復(fù)位，軟件復(fù)位，掉電復(fù)位/上電復(fù)位。 （1）外部RST引腳復(fù)位 外部RST引腳復(fù)位就是外部想RST引腳施加一定寬度的復(fù)位脈沖，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。將RST復(fù)位管腳拉高并維持至少24個時鐘加us后，單片機(jī)會進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，將RST復(fù)位管腳拉回低電平后，單片機(jī)結(jié)束復(fù)位狀態(tài)并從用戶程序區(qū)0000H處開始正常工作。 （2）軟件復(fù)位 用戶應(yīng)用程序在運(yùn)行過程當(dāng)中，有時會有特殊需求，需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)軟復(fù)位（熱啟動之一），傳統(tǒng)的8051單片機(jī)由于硬件上未支持此功能，用戶必須用軟件模擬實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)起來較為麻煩?，F(xiàn)STC新推出的增強(qiáng)型8051根據(jù)用戶要求增加了ISP_CONTR特殊功能寄存器，實(shí)現(xiàn)了此功能。用戶只需簡單的控制ISP_CONTR特殊功能寄存器的其中兩位SWBS/SWRST就可以系統(tǒng)復(fù)位了。 （3）上電復(fù)位/掉電復(fù)位 當(dāng)電源電壓VCC地獄上電復(fù)位/掉電復(fù)位電路的檢查門檻電壓時，所有的邏輯電路都會復(fù)位。當(dāng)VCC重新恢復(fù)正常電壓時，HD版本的單片機(jī)延遲2048個時鐘（90C版本單片機(jī)延遲32768個時鐘）后，上電復(fù)位/掉電復(fù)位結(jié)束。進(jìn)入掉電模式時，上電復(fù)位/掉電復(fù)位功能關(guān)閉。 （4）看門狗（WDT）復(fù)位 適用型號：STC89C51RC，STC89C52RC，STC89C53RC，STC89LE51RC，STC89LE53RC，STC89C54RD+，STC89C58RD+，ST89C516RD+，STC89LE54RD+，STC89LE516RD+。 在工業(yè)控制/汽車電子/航空航天等需要高可靠性的系統(tǒng)中，為了防止“系統(tǒng)在異常情況下，受到干擾，MCU/CPU程序跑飛，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間異常工作”，通常是引進(jìn)看門狗，如果MCU/CPU不在規(guī)定的時間內(nèi)按要求訪問看門狗，就認(rèn)為MCU/CPU處于異常狀態(tài)，看門狗就會強(qiáng)迫MCU/CPU復(fù)位，使系統(tǒng)重新從頭開始按規(guī)律執(zhí)行用戶程序。 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)內(nèi)部也引進(jìn)了此看門狗功能，使單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)變得更加方便/簡潔。 本設(shè)計(jì)采用的是外部RST引腳復(fù)位這種復(fù)位方式，在RST引腳上連接了一個復(fù)位按鍵，因?yàn)檫@種復(fù)位方式比較簡單，而且可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故而采用這種復(fù)位方式。 3.3 電源電路 車用電器設(shè)備都由車載電瓶供電，一般為12V直流電源，車身為零電位。EPS系統(tǒng)中電動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動芯片采用的是12V直流電源，單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器及反向器等集成芯片采用5V電源，故EPS系統(tǒng)的電源應(yīng)包括12V，5V。通常我們用7805進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。 78系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓為輸出電壓的3-4V以上。本設(shè)計(jì)采用的是L7805CV，它有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。L7805CV實(shí)物圖如圖3.3所示： 圖3.3 L7805CV實(shí)物圖 3.4 電動機(jī)的驅(qū)動 常用的電機(jī)驅(qū)動芯片有L297/298，MC333886，ML4428等。本設(shè)計(jì)采用L298。L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)涵二個H橋的高壓大電流雙橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。L298芯片的引腳圖如圖3.4所示，L298的實(shí)物圖如圖3.5所示：L298的邏輯控制如表3.3所示： 圖3.4 L298芯片引腳圖 L298的運(yùn)行參數(shù)如表3.1所示，L298的引腳功能如表3.2所示： 表3.1 L298的運(yùn)行參數(shù)： 參數(shù) 符號 測試環(huán)境 最小值 典型值 最大值 單位 驅(qū)動電源電壓 Vs — 2.5 — 46 V 邏輯電源電壓 Vss — 4.5 5 7 V 輸入低電平電壓 ViL — -0.3 — 1.5 V 輸入高電平電壓 ViH — 2.3 — Vss V 使能端低電平電壓 Ven=L — -0.3 — 1.5 V 使能端高電平電壓 Ven=H — 2.3 — Vss V 全橋式驅(qū)動器總成的電壓降（每一路） VcE (sat) IL=1A IL=2A 1.8 — 3.2 4.9 V V 檢測電壓1,15腳 Vsen — -1 — 2 V 表3.2 L298的引腳功能 引腳 符號 功能 1 15 SENSING A SENSING B 此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號 2 3 OUT 1 OUT 2 此兩腳是全橋式驅(qū)動器A的輸出端，用來連接負(fù)載 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動電源輸入端 5 7 IN 1 IN 2 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器A的開關(guān) 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端，輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工作 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸入端口 10 12 IN 3 IN4 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān) 13 14 OUT 3 OUT 4 此兩腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載 圖3.5 L298實(shí)物圖 表3.3 L298的邏輯控制 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時針 0 1 1 逆時針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 3.5 三態(tài)緩沖器 緩沖器是數(shù)字元件的其中一種，它對輸入值不執(zhí)行任何運(yùn)算，其輸出值和輸入值一樣，但它在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中有著重要作用。 緩沖器分為兩種，常用緩沖器（常說緩沖器）和三態(tài)緩沖器。常規(guī)緩沖器總是將值直接輸出，用在推進(jìn)電流到高一級的電路系統(tǒng)。三態(tài)緩沖器除了常規(guī)緩沖器的功能外，還有一個選項(xiàng)卡通輸入端，用E表示。當(dāng)E=0和E=1時有不同的輸出值。 緩沖器又可以分為輸入緩沖器和輸出緩沖器兩種。前者的作用是將外設(shè)送來的數(shù)據(jù)暫時存放，以便處理器將它取走；后者的作用是用來暫時存放處理器送往外設(shè)的數(shù)據(jù)。有了數(shù)控緩沖器，就可以使高速工作的CPU與慢速工作的外設(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。由于緩沖器接在數(shù)據(jù)總線上，故必須具有三態(tài)輸出功能。 當(dāng)E=1時，選通，其輸入直接送到輸出； 若E=0，緩沖器被阻止，無論輸入什么值，輸出的總是高阻態(tài)，用Z表示。高阻態(tài)能使電流降到足夠低。 本設(shè)計(jì)采用的是74HC541型三態(tài)緩沖器，如圖3.6是74HC541的管腳圖： 圖3.6 74HC541的管腳 本設(shè)計(jì)采用的方案是三態(tài)緩沖器74HC541的A6、A7分別接單片機(jī)的P1.1、P1.0引腳，然后再將三態(tài)緩沖器的Y6、Y7分別接電機(jī)驅(qū)動芯片L298的IN2和IN1引腳。74HC541的真值表3.4所示： 3.4 74HC51真值表 INPUTS OUTPUTS OE1 OE2 An 541 L L H H X H X Z X H X Z L L L L 注：H=高電平。 L=低電平。 X=不管是高電平還是低電平。 Z=高阻抗。 3.6 電動機(jī)的變頻調(diào)速控制 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。其特點(diǎn)： 效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；調(diào)速范圍大，精度高。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。本設(shè)計(jì)采用的是利用單片機(jī)發(fā)生變頻信號對電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 3.7 電動機(jī)H橋驅(qū)動方式 L298是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種專用的電機(jī)驅(qū)動器，內(nèi)含二個H橋的高壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。L298的內(nèi)部原理如圖3.7所示，L298的驅(qū)動連接圖如圖3.8所示： 圖3.7 L298內(nèi)部原理圖 圖3.8 驅(qū)動連接圖 3.8 本章小結(jié) 本章主要對EPS系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。以STC89C52RC單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，信號處理模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，其中電機(jī)采用變頻控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并用H橋控制轉(zhuǎn)向方向。 第4章 EPS控制策略和軟件設(shè)計(jì) 4.1 EPS系統(tǒng)的控制要求 采用EPS的目的是在車速發(fā)生變化時提供合適的轉(zhuǎn)向助力，并保持一定的轉(zhuǎn)向路感，緩解駕駛員的疲勞。轉(zhuǎn)向系對車輛的影響決定著汽車駕駛的輕便性、穩(wěn)定性和駕駛的安全性。在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該以提高汽車的操作穩(wěn)定性為主旨。 當(dāng)然在滿足了操縱穩(wěn)定性這個指標(biāo)同時還需要滿足操縱時具有一定的靈敏性，為滿足這一要求，轉(zhuǎn)向器需要具有較小的傳動比，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角較小的話轉(zhuǎn)向會更迅速。但是如果要滿足操縱輕便性則需要轉(zhuǎn)向器具有較大的傳動比，從而使較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力能獲得較大的轉(zhuǎn)向力矩。如此看來上述的兩個要求是矛盾的。但是，由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的是電子控制系統(tǒng)，可以實(shí)時調(diào)節(jié)電機(jī)的助力，因此能很好地解決這一問題。一般來說EPS的主要控制目標(biāo)有如下幾點(diǎn)： （1）提供合適的助力。根據(jù)轉(zhuǎn)向助力特性在不同的車速和方向盤轉(zhuǎn)矩的情況下提供合乎運(yùn)行工況的助力力矩。 （2）有較靈敏的響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具備較高的響應(yīng)速度，并與輸入信號相匹配，轉(zhuǎn)向應(yīng)較靈敏。 （3）能保持良好的路感。在隨著車速的提高，EPS的助力應(yīng)較小或提供合適的阻尼力，使得車輛在行駛過程中提供給駕駛員一定的路感。 4.1.1 回正控制 回正就是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過一定角度后，撤去操縱力，車輪回到中間位置的過程。通過回正控制可以改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能，控制方向盤快速準(zhǔn)確的回到中位。當(dāng)駕駛員放開轉(zhuǎn)向盤，車輪將在回正力矩的作用下回正。但回正力矩必須要克服系統(tǒng)本身的阻力矩和路面的摩擦力矩，當(dāng)回正力矩大于總的回正阻力矩時，車輪能夠自動回正；當(dāng)回正力矩小于回正阻力矩時，車輪不能夠準(zhǔn)確的回到直線行駛的位置，從而影響汽車行駛的安全性。因此，為了能使汽車穩(wěn)定并準(zhǔn)確的回正，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力控制的基礎(chǔ)上必須進(jìn)行有效的回正控制。此策略可以改善汽車的轉(zhuǎn)向回正特性，主要應(yīng)用于汽車低速行駛情形。 4.1.2 阻尼控制 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。為了提高直線行駛的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時手感的穩(wěn)重。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時，由于電動機(jī)的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，一般情況下只需將電動機(jī)輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。 4.2 轉(zhuǎn)向助力特性曲線的選擇 4.2.1 助力特性的理論研究 EPS的助力規(guī)律屬于車速感應(yīng)型，主要有低速型和全速型兩種。低速型是指EPS只在低速時才提供助力，當(dāng)車速超過某一預(yù)定值時，EPS停止工作。低速型在EPS的初期階段用得比較多，其優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，對控制系統(tǒng)的硬件要求相對比較低。缺點(diǎn)是不能改善汽車的高速操縱穩(wěn)定性，而且當(dāng)車速在切換點(diǎn)附近時，轉(zhuǎn)向盤力矩會發(fā)生突變。全速型是指EPS在任何車速下都提供助力。全速型的優(yōu)點(diǎn)是改善汽車的告訴操縱穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是算法相對復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的硬件要求相對較高。 4.2.2 助力特性曲線的選擇 EPS的助力特性不干隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，而且隨著車速的的變化而變化，因此可以較好的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系。在實(shí)際的EPS系統(tǒng)中，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩與車速兩方面的信號確定助力大小。EPS的助力特性具有多種曲線形式，典型的助力特性曲線有三種：直線型助力特性、折線型助力特性和曲線型助力特性。如圖4.1所示： 圖4.1 直線型、折線型和曲線型助力曲線 本設(shè)計(jì)所采用的直線型助力特性。三類助力特性均可分為三種助力區(qū)：無助力區(qū)(0 ≤ T ≤ Td0 )，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩小于Td0時，不提供助力；助力變化區(qū)( Td0 < T ≤ Tdmax )，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩介于Td0與Tdmax之間時，助力電機(jī)依據(jù)助力特性曲線提供實(shí)時助力；最大助力區(qū)( T > Tdmax )，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩大于Tdmax時，在一定車速下, 助力扭矩達(dá)到最大值并保持。 4.3 EPS的軟件設(shè)計(jì) 對于EPS控制系統(tǒng)來說，軟件與硬件是相輔相成的。如果想要達(dá)到理想的控制效果，需要設(shè)計(jì)出完善的控制軟件。EPS的控制軟件主要可分為三個部分：扭矩傳感器信號的采集，車速傳感器信號的采集，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制。 系統(tǒng)軟件應(yīng)能夠根據(jù)采集當(dāng)前的狀態(tài)比如轉(zhuǎn)矩和車速等信號確定應(yīng)提供給電動機(jī)的目標(biāo)電流，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對助力大小進(jìn)行控制。 4.3.1 開發(fā)環(huán)境 編程語言可以用匯編語言或C語言，本設(shè)計(jì)采用的是C語言。這兩種語言都有其優(yōu)缺點(diǎn)。匯編語言主要優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行效率較高，運(yùn)行速度較快，與硬件的結(jié)合較好，但是對于編程人員的要求較高，編程的難度較大，開發(fā)周期較長，硬件更換后程序的可移植性較差；相比而言C語言的表達(dá)能力較強(qiáng)，易于編程，可讀性較好，C語言是編譯型語言，具有高級語言的特點(diǎn)，也具備匯編語言簡潔、可控制硬件的功能，同時C語言不依賴系統(tǒng)硬件，因此其可移植性較好，可以很容易移植到不同類型的單片機(jī)上，寄存器的分配由編譯器完成，編程者可將精力集中到軟件整體設(shè)計(jì)，而匯編語言編程者必須記住這些分配，用C語言編程開發(fā)周期也比匯編語言大大縮短。 （1） C語言 C語言是一種成功的系統(tǒng)描述語言，用C語言開發(fā)的UNIX操作系統(tǒng)就是一個成功的范例;同時C語言又是一種通用的程序設(shè)計(jì)語言，在國際上廣泛流行。世界上很多著名的計(jì)算公司都成功的開發(fā)了不同版本的C語言，很多優(yōu)秀的應(yīng)用程序也都使用C語言開發(fā)的，它是一種很有發(fā)展前途的高級程序設(shè)計(jì)語言。 　　C是中級語言。它把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實(shí)用性結(jié)合起來。C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作， 而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。 　　C是結(jié)構(gòu)式語言。結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點(diǎn)是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。C 語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 　　C語言功能齊全。具有各種各樣的數(shù)據(jù)類型，并引入了指針概念，可使程序效率更高。而且計(jì)算功能、邏輯判斷功能也比較強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)決策目的的游戲。 C語言適用范圍大。適合于多種操作系統(tǒng)，如Windows、DOS、UNIX等等；也適用于多種機(jī)型。 C語言對編寫需要硬件進(jìn)行操作的場合，明顯優(yōu)于其它解釋型高級語言，有一些大型應(yīng)用軟件也是用C語言編寫的。 C語言具有較好的可移植性，并具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫。它是數(shù)值計(jì)算的高級語言。 C語言的優(yōu)點(diǎn)：C語言一共只有32個關(guān)鍵字,9種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實(shí)用性結(jié)合起來。 C 語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元。 （2）Keil編譯器 Keil是德國Keil公司開發(fā)的單片機(jī)編譯器，是目前最好的51單片機(jī)開發(fā)工具之一。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 8051是增長最快的微處理器構(gòu)架之一。從不同的芯片廠家提供了400多種芯片。新擴(kuò)展的8051芯片，如PHILIPS 8051MX有幾M字節(jié)的代碼和數(shù)據(jù)空間，可被用到大的應(yīng)用中。 為了支持這些不同的8051芯片，KEIL提供了幾種開發(fā)工具。一個新的輸出分揀格式（OMF2）允許支持最多16MB代碼和數(shù)據(jù)空間。CX51編譯器適用于新的PHILIPS 8051MX結(jié)構(gòu)。 Keil C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境。C51已被完全集成到μVision3的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。 Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)：可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程，該集成系統(tǒng)可以編譯C源程序，也可以編譯匯編語言源程序。 C51編譯器把MCS-51單片機(jī)的常用的特殊功能寄存器和特殊位進(jìn)行了定義，放在一個“reg51.h”或“reg52.h”的頭文件中。用一條預(yù)處理命令： #include #include 然后就可使用特殊功能寄存器名和特殊位名稱。 頭文件的位置： C:\Keil\C51\INC 4.3.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì) 車輛行駛過程中所處的環(huán)境比較惡劣，常存在干擾源。對周期性的工頻或高頻信號，可以在電路中加入硬件RC低通濾波器來加以抑制；但對于各種隨機(jī)出現(xiàn)的干擾績號，硬件濾波的效果往往不夠理想。在現(xiàn)在的工業(yè)控制中，除采用硬件濾波電路外，常常還采用數(shù)字濾波技術(shù)，以提高有用信號在采樣值中所占的比例，減少乃至消除各種干擾及噪音，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。所謂的數(shù)字濾波，就是通過一定的軟件計(jì)算來減少干擾在有用信號中的比重，達(dá)到減弱或消除干擾的目的。它與模擬濾波相比有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件投入，因而成本低，可靠性 高，穩(wěn)定性好，不存在各電氣回路之間的阻抗匹配問題。 （2）可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波。 （3）在設(shè)計(jì)和調(diào)試數(shù)字濾波器的過程中，可以根據(jù)不同的干擾情況，隨時修改濾波程序和濾波方法，具有很強(qiáng)的靈活性。數(shù)字濾波的方法較多，常用的有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波、滑動平均值濾波、復(fù)合數(shù)字濾波等。在考慮濾波效果前提下，從濾波時間來看，為了使系統(tǒng)具有更好的實(shí)時性，則應(yīng)盡量采用執(zhí)行時間比較短的濾波方法。濾波程序框圖如圖4.2所示： 開始 初始化 對傳感器的數(shù)據(jù)采集 將數(shù)據(jù)的排序 去掉一個最大值和一個最小值 結(jié)束 剩余數(shù)取平均值 圖4.2 濾波程序框圖 4.3.3 AD模塊 傳感器的扭矩信號是不能直接在程序中直接使用的，因此需要對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用的是TCL549模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17μs， TLC549允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40 000次/s。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，REF-接地，REF+－REF-≥1V，可用于較小信號的采樣。TLC549的內(nèi)部框圖如圖4.3所示，電路圖如圖4.4所示： 圖4.3 TLC549的內(nèi)部框圖 圖4.4 TCL549電路圖 549的極限參數(shù)如下： 電源電壓：6.5V； 輸入電壓范圍：0.3V～VCC＋0.3V； 輸出電壓范圍：0.3V～VCC＋0.3V； 峰值輸入電流(任一輸入端)：±10mA； 總峰值輸入電流(所有輸入端)：±30mA； 工作溫度：TLC548C、TLC549C：0℃～70℃ TLC548I、TLC549I：－40℃～85℃ TLC548M、TLC549M：－55℃～125℃ 控制轉(zhuǎn)矩信號的TCL549芯片的AIN引腳接輸入信號，CS、DO、CLK引腳分別是片選信號端、輸出端和輸入端，依次接單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2引腳；控制車速信號的TCL549芯片的CS、DO、CLK引腳分別接單片機(jī)的P2.7、P2.6、P2.5引腳。 4.3.4 電機(jī)助力子程序 由于在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中由于其本身的特性決定了助力電機(jī)需要經(jīng)常性起動，并且要根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號的變化提供合適的助力，在某些情況下需要急速反轉(zhuǎn)時，可能會對電機(jī)造成損害。本課題在設(shè)計(jì)助力控制子程序時通過輸入信號的變化來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)助力大小的目標(biāo)。電機(jī)助力子程序框圖如圖4.5所示： 開始 初始化 數(shù)據(jù)采集 單片機(jī)處理傳感器信號 電機(jī)轉(zhuǎn)速改變 電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn) 電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn) 結(jié)束 圖4.5 電機(jī)助力子程序框圖 4.3.5 系統(tǒng)主程序 前面已經(jīng)主要介紹了數(shù)字濾波程序、A/D數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)助力子程序，將數(shù)據(jù)采集子程序和電機(jī)助力子程序組和在一起，根據(jù)L298的邏輯功能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向起到作用的單片機(jī)引腳進(jìn)行相應(yīng)的控制，并通過傳感器信號的變化實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)頻控制。 4.4 本章小結(jié) 本章主要對EPS的軟件部分進(jìn)行了介紹，軟件部分主要包括三大模塊，助力控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及其主模塊，并且還對助力特性曲線、Keil開發(fā)軟件和C語言進(jìn)行了部分介紹。 第5章 軟件下載及系統(tǒng)的試驗(yàn) 經(jīng)過前幾章對整個系統(tǒng)的研究和學(xué)習(xí)，制作了硬件電路并且編寫了控制程序，首先需要把這段程序下載到單片機(jī)中，觀察是否能實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速控制的轉(zhuǎn)功能。 5.1 STC單片機(jī)程序下載器的使用 STC單片機(jī)程序下載器是專門用于將程序下載到單片機(jī)中的應(yīng)用軟件，該軟件使用非常方便。啟動軟件之后的界面如圖5.1所示： 圖5.