汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(eps)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　1.1 前言…………………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 EPS的特點(diǎn)…………………………………………………………………2</p><

2、p>　　1.3 EPS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況……………………………………………3</p><p>　　二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理 </p><p>　　2.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理………………………………………………4</p><p>　　2.2 EPS的關(guān)鍵部件……………………………………………………………5</p>&

3、lt;p>　　2.2.1 扭矩傳感器…………………………………………………………………5</p><p>　　2.2.2 電動(dòng)機(jī)………………………………………………………………………6</p><p>　　2.2.3 電磁離合器…………………………………………………………………6</p><p>　　2.2.4 減速機(jī)構(gòu)……………………………………………………

4、………………7</p><p>　　2.3 EPS的電流控制……………………………………………………………7</p><p>　　2.4 助力控制……………………………………………………………………8</p><p>　　2.5 回正控制……………………………………………………………………9</p><p>　　2.6 阻尼控

5、制……………………………………………………………………9</p><p>　　三、EPS系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 微控制器的選擇………………………………………………………… 10</p><p>　　3.2 硬件電路總體框架……………………………………………………… 10</p><p>　　3.3 電機(jī)

6、控制電路設(shè)計(jì)……………………………………………………… 11</p><p>　　3.3.1 H橋上側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)……………………………… 12</p><p>　　3.3.2 H橋下側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)……………………………… 13</p><p>　　3.4 蓄電池倍壓電源………………………………………………………… 14&

7、lt;/p><p>　　3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)………………………………………………… 15</p><p>　　3.6 結(jié)論與展望……………………………………………………………… 16</p><p>　　四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究</p><p>　　4.1 故障自診斷的基本原理…………………………………………………

8、…17</p><p>　　4.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷……………………………………………17</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識(shí)………………………………………………17</p><p>　　4.2.2 轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷……………………………………………………18</p><p>　　4.2.3 電機(jī)故障自

9、診斷……………………………………………………………20</p><p>　　4.2.4 車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障自診斷………………………………………21</p><p>　　4.2.5 電磁離合器故障自診斷……………………………………………………22</p><p>　　4.2.6 控制單元電源線路故障自診斷……………………………………………22</p>

10、<p>　　4.2.7 控制單元故障自診斷………………………………………………………23</p><p>　　4.3 故障代碼顯示控制及安全防范措施………………………………………23</p><p>　　4.4 實(shí)例分析……………………………………………………………………26</p><p>　　4.5 結(jié)束語(yǔ)………………………………………

11、………………………………27</p><p>　　致 謝………………………………………………………………………27</p><p>　　汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　緒 論</b></p><p><b>　　1.1前言</b></p>

12、<p>　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國(guó)際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國(guó)外，各大汽車公司對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric power steering-EPS,或稱Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20

13、多年的歷史。隨著近年來(lái)電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來(lái)越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic powersteering,簡(jiǎn)稱HPS）。實(shí)踐證明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時(shí)代的要求。</p><p>　　1.2

14、 EPS的特點(diǎn)</p><p>　　1.EPS節(jié)能環(huán)保。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃</p><p>　　油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油</p><p>

15、　　泄漏問(wèn)題，EPS通過(guò)電子控制，對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染。</p><p>　　2.EPS裝配方便。</p><p>　　EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒(méi)有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲(chǔ)油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。</p><p>　　3. EPS效率高。</p><p&g

16、t;　　液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%～70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90％以上。</p><p>　　4. EPS路感好。</p><p>　　傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過(guò)EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。</p><p

17、>　　5. EPS回正性好?！　PS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅操作簡(jiǎn)便，還可以通過(guò)調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。</p><p><b>　　6、動(dòng)力性：</b></p><p>　　EPS系統(tǒng)可隨車速的高低主動(dòng)分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時(shí)才起助力作用，保障發(fā)動(dòng)機(jī)充足動(dòng)力。(不像hps液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)

18、向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命)</p><p>　　1.3 EPS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況</p><p>　　國(guó)外EPS的發(fā)展之路： 因?yàn)槲⑿娃I車上狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間給液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝帶來(lái)了很大的</p><p>　　麻煩，而EPS元件比較少，重量輕，裝配方便，比較適合在微型轎車上安裝。因此</p><p>　

19、　在國(guó)外，EPS系統(tǒng)首先是在微型轎車上發(fā)展起來(lái)的。 上世紀(jì)80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車上安裝了EPS系統(tǒng)，</p><p>　　隨后還應(yīng)用在其Alto車上。此后，EPS在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮，</p><p>　　歐、美等國(guó)的汽車公司也相繼對(duì)EPS進(jìn)行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了10年時(shí)</p><p>　　間，但是歐美國(guó)家的開

20、發(fā)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇</p><p>　　了技術(shù)相對(duì)成熟的有刷電機(jī)。 有刷電機(jī)比較成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍做改進(jìn)就</p><p>　　適應(yīng)了EPS的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀(jì)80年代末期就開始產(chǎn)業(yè)化，主要</p><p>　　裝配在微型車上。而歐美則選擇了難度較大的無(wú)刷電機(jī)，但是電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜

21、，</p><p>　　延長(zhǎng)了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開始批量生產(chǎn)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，有刷電機(jī)</p><p>　　存在一定弊端，比如電刷產(chǎn)生的噪聲較難克服，磨損較嚴(yán)重，存在電磁干擾等問(wèn)題。</p><p>　　因此，日本現(xiàn)在國(guó)內(nèi)配裝的EPS也逐漸轉(zhuǎn)向無(wú)刷電機(jī)類了。 </p><p>　　國(guó)內(nèi)EPS的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國(guó)汽車電子行業(yè)的總體

22、發(fā)展相對(duì)滯后，但是，隨著汽車對(duì)環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國(guó)列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一，國(guó)內(nèi)各大院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)紛紛開始對(duì)EPS這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，使得EPS得到了迅速的發(fā)展。據(jù)悉，自主品牌研發(fā)的EPS系統(tǒng)離產(chǎn)業(yè)化就差整車廠批量裝車認(rèn)可這一臺(tái)階了，相信很快就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。</p><p>　　二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理</p&

23、gt;<p>　　2.1 EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU,電動(dòng)機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)示意如圖1所示。</p><p>　　其基本工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至電子控制單元ECU，ECU

24、再根據(jù)扭矩信號(hào)、車速信號(hào)、軸重信號(hào)等進(jìn)行計(jì)算，得出助力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制，EPS系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 EPS系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　2.2 EPS的關(guān)鍵部件</p><p>　　2.2.1 扭矩傳感器</p><p>　　扭矩傳感器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤

25、轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS的控制信、號(hào)之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計(jì)式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式(如圖3所示)兩種。前者的成本低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量。后者的體積小，精度高，抗干擾

26、能力強(qiáng)、剛度相對(duì)較高，易實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。</p><p>　　圖3 磁電式扭矩傳感器</p><p><b>　　2.2.2 電動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷永磁電機(jī)具有無(wú)激磁損耗、效率較高、體

27、積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一，對(duì)EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動(dòng)態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機(jī)具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。</p><p>　　2.2.3 電磁離合器</p><p>　　電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)

28、起作用。當(dāng)車速、電流超過(guò)限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)的電源，恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動(dòng)機(jī)的慣性對(duì)轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。</p><p>　　2.2.4 減速機(jī)構(gòu)</p><p>　　減速機(jī)構(gòu)用來(lái)增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式

29、：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)(圖4)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(圖5)。由于減速機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對(duì)稱性方面對(duì)其提出了較高的要求。 </p><p>　　圖4 雙級(jí)行星減速機(jī)構(gòu) 圖5 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)</p><p>　　2.3 EPS的電流控制</p><p>　　EPS的上層控制器用來(lái)

30、確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。</p><p>　　EPS的電流控制方式控制過(guò)程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo，然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im,使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來(lái)根據(jù)

31、基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流。</p><p>　　圖6 EPS的電流控制</p><p><b>　　2.4 助力控制</b></p><p>　　助力控制是在轉(zhuǎn)向過(guò)程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條

32、）上的一種基本控制模式。</p><p><b>　　步驟如下：</b></p><p>　　(1)輸入由車速傳感器測(cè)得的車速信號(hào)；</p><p>　　(2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向；</p><p>　　(3)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流；</p><

33、p>　　(4)通過(guò)電動(dòng)機(jī)電流控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩。在這一基本控制過(guò)程中，助力特性曲線確定系統(tǒng)的控制目標(biāo)，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。</p><p><b>　　2.5 回正控制</b></p><p>　　當(dāng)汽車以一定速度行駛時(shí)，由于

34、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(dòng)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。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正過(guò)程中，有兩種情況需要考慮：（1）回正力矩過(guò)大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過(guò)小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對(duì)前一種情況，可以利用電動(dòng)機(jī)的阻尼來(lái)防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對(duì)助力進(jìn)行

35、補(bǔ)償，以增加回正能力。</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過(guò)程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂疲３謾C(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時(shí)，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。</p><p><b>　　2.6 阻尼控制</b></p><p>　　阻尼控制是針對(duì)汽車高

36、速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏、“輕便”，駕駛員就會(huì)有通常說(shuō)的  “飄”的感覺，這給駕駛帶來(lái)很大的危險(xiǎn)。為提高高速行駛時(shí)駕駛的穩(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(shí)手感的‘穩(wěn)重”。汽車高速行駛時(shí)，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(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位

37、置時(shí)，由于電動(dòng)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(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí)，只需將電動(dòng)機(jī)輸出為制動(dòng)狀態(tài)，就可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。</p><p>　　三、EPS系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1微控制器的選擇</p><p>　　MOTOROLA公司的MC9S12系列單片機(jī)

38、是基于16位HCS12 CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0V FLASH微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來(lái)的一個(gè)系列[l]。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25 MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)

39、模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。</p><p>

40、;　　3.2硬件電路總體框架</p><p>　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號(hào)處理電路、直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖8所示。</p><p>　　3.3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)</p>

41、<p>　　直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)的控制電路在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制，由4個(gè)功率MOSFET組成[2]，如圖9所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個(gè)International Reetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4

42、個(gè)臂。IRF3205具有8 mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對(duì)MOSFET功率管低壓（正常工作不超過(guò)15V）大電流（額定電流30 A）的要求。</p><p>　　3.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFE

43、T a管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）為高電平時(shí)，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過(guò)Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí)，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí)，Qa的柵—源極電壓降VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.

44、4V[3]，VF為D1的正向?qū)▔航?，其典型值?.34V[4]，Vbat為蓄電池電壓。為保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V[5]。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。</p><p>　　當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2

45、均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵—源極電壓通過(guò)R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí)，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。</p><p>　　3.3.2下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MO

46、SFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過(guò)R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。</p><p>　　當(dāng)MOSFET的控制信號(hào)c（d）低電平時(shí)， Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過(guò)Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對(duì)Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源

47、電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷?。所以，Qc的柵—源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF），當(dāng)蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(dòng)（10V）所需的電壓。</p><p>　　3.4蓄電池倍壓工作電源</p><p>　　由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有

48、12V。因此需要設(shè)計(jì)蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動(dòng)電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。</p><p>　　電源倍壓電路如圖12所示，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變，C3正極

49、電壓為24V或接近24V，并通過(guò)D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負(fù)載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時(shí)，輸出電壓低于24V，當(dāng)供電電源為12V時(shí)，倍壓電源電壓約為22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以滿足需要。</p><p>　　3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺(tái)架試驗(yàn)</p><p>　

50、　根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，車速信號(hào)用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)代替網(wǎng)。圖13為中等車速轉(zhuǎn)向助力時(shí)，測(cè)量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動(dòng)機(jī)電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢(shì)和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)相吻合，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對(duì)方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操

51、作時(shí)，無(wú)助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　向加速度及前軸重力等多種信號(hào)在未來(lái)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。</p><p><b>　　3.6結(jié)論與展望</b></p><p>　　MC9S12系列16位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，對(duì)于一般的簡(jiǎn)單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可。開發(fā)

52、的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn)，性能良好，可基本滿足電動(dòng)助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需要。文中只介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個(gè)基本的信號(hào)進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號(hào)在未來(lái)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。</p><p>　　四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究</p>&l

53、t;p>　　4.1故障自診斷的基本原理</p><p>　　故障自診斷系統(tǒng)的作用是監(jiān)測(cè)、診斷電子控制系統(tǒng)各傳感器、執(zhí)行器以及電子控制器（ECU）的工作是否正常。當(dāng)ECU中某一電路超出規(guī)定范圍的信號(hào)時(shí)，自診斷系統(tǒng)就判定該電路及相關(guān)的傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障，并控制故障指示燈閃爍，目前常用的故障代碼指示有二種：一是以閃爍次數(shù)和時(shí)間長(zhǎng)短表示不同故障，如三菱、現(xiàn)代、克萊斯勒、寶馬等；二是不同顏色的幾盞燈（一般為紅、綠

54、燈）閃爍表示不同故障，如本田、日產(chǎn)等。同時(shí)將故障信息以故障代碼的形式存儲(chǔ)到ECU內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，然后ECU控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的安全防范措施。故障信息一旦被存儲(chǔ)，即使故障已經(jīng)排除且故障指示燈熄滅，仍將儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。 消除故障碼的方法有二：一是將保險(xiǎn)絲盒中的保險(xiǎn)絲拔下10S以上；二是將蓄電池搭鐵線拆下10S以上。</p><p>　　4.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷</p><p>　　4.2

55、.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識(shí)</p><p>　　根據(jù)EPS系統(tǒng)控制線路（如圖14），</p><p>　　圖14 EPS系統(tǒng)控制線路圖</p><p>　　本文對(duì)EPS系統(tǒng)各組成部件進(jìn)行如下故障診斷。</p><p>　　4.2.2轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷</p><p>　　我們開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用的是擺臂式

56、的轉(zhuǎn)矩傳感器。其工作原理相當(dāng)于一個(gè)電位計(jì)，如圖15所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對(duì)應(yīng)IN+端電壓值）、副扭矩（對(duì)應(yīng)IN-端電壓值）輸出，其主、副扭矩輸出特性如圖16所示，即當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器正常工作時(shí)，電位計(jì)的兩個(gè)輸出即主扭和副扭信號(hào)，理論上，正常工作范圍在1V～4V，并且當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的主扭和副扭的輸出電壓均為2.5V。一旦其本身及信號(hào)采集電路（如圖17）出現(xiàn)異常，輸入CPU（我們選用P87C591芯片為核心的8位微

57、控制器，其本身自帶有A/D轉(zhuǎn)換器）的主、副扭矩信號(hào)將大于4V或小于1V或兩信號(hào)之差超過(guò)3V。但實(shí)際車輛行駛中，雖然硬件和軟件設(shè)計(jì)中考慮了各種抗干擾措施，各種偶爾的噪聲或振動(dòng)還是或多或少的會(huì)引起轉(zhuǎn)矩信號(hào)的暫時(shí)偏差，而這種偏離是暫時(shí)的且系統(tǒng)能自動(dòng)修復(fù)，故將轉(zhuǎn)矩信號(hào)的異常界限值設(shè)為0.9V -4.1V，并且只有當(dāng)信號(hào)值超出其范圍持續(xù)一定時(shí)間（如30ms），才判定轉(zhuǎn)矩傳感器有故障，這樣可以減少因其它外界原因而引起對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器故障的誤判。<

58、/p><p>　　此外，轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)檢測(cè)是建立在+5V的穩(wěn)壓電源基礎(chǔ)上的，因此穩(wěn)壓電源電路的正常與否將直接影響到主、副扭矩信號(hào)。因此在檢測(cè)轉(zhuǎn)矩傳感器主、副扭矩信號(hào)異常之前，首先判斷轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。考慮到三端穩(wěn)壓集成塊MC78T05在環(huán)境溫度影響下其輸出電壓會(huì)有±0.1V的偏差，因此我們規(guī)定其正常輸出電壓為5±0.2V。如果CPU檢測(cè)到電源電壓異常，此時(shí)就跳過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)

59、的檢測(cè)，這樣可以避免對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器本身故障的誤判。</p><p>　　通過(guò)信號(hào)值比較可以診斷如下傳感器故障：</p><p>　　·主扭矩線路斷開或短路</p><p>　　·主線路與輔線路輸出電壓差異過(guò)大</p><p>　　·轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓過(guò)高或過(guò)低</p><p>　　·

60、;輔扭矩線路斷開或短路</p><p>　　圖17 主、副扭矩信號(hào)采集</p><p>　　4.2.3電機(jī)故障自診斷</p><p>　　轉(zhuǎn)向助力大小是通過(guò)控制電機(jī)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此檢測(cè)電機(jī)兩端的實(shí)際控制電流就顯得非常重要。電機(jī)電流采集電路（如圖18），通過(guò)測(cè)量串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)回路中的精密電阻R62兩端的電壓，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和適當(dāng)?shù)碾娙轂V波，然后通過(guò)ADC2端口反饋給CPU，

61、此時(shí)程序設(shè)計(jì)將此電壓與理論計(jì)算電壓進(jìn)行比較，如果兩者懸殊過(guò)大；或者連續(xù)幾分鐘之內(nèi)的平均電流消耗超過(guò)預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，就判斷電機(jī)及其線路有故障，以防止電機(jī)過(guò)載而燒壞或工作不穩(wěn)定。其中我們選用的精密電阻值約7mΩ，這樣和電動(dòng)機(jī)電樞電阻168mΩ相比要小的多，因此基本不影響系統(tǒng)工作。</p><p>　　通過(guò)上述信號(hào)比較可以診斷如下電機(jī)故障：</p><p>　　·電機(jī)的控制電流過(guò)高，使

62、電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載而燒壞</p><p>　　·CPU計(jì)算的電機(jī)控制電流與實(shí)際檢測(cè)的控制電流相差太大</p><p>　　·控制單元有控制電流傳遞給電機(jī)，但電機(jī)仍不能起動(dòng)</p><p>　　圖18 電機(jī)電流采集</p><p>　　4.2.4車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障自診斷</p><p>　　車速信號(hào)和

63、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，因此不需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，只需經(jīng)過(guò)一定的整形電路，就可以直接送給CPU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器端口，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)波形的一定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)即可采集車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如車速整形電路（如圖19），車速信號(hào)通過(guò)一定的濾波和比較器比較，然后直接送給CPU的計(jì)數(shù)器T0。通過(guò)上述信號(hào)的采集，然后與相應(yīng)工況的規(guī)定值比較，即可以診斷如下故障： </p><p>　　· 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后立即升到4000r

64、/min或更高時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒(méi)有車速信號(hào)輸入CPU</p><p>　　· 發(fā)動(dòng)機(jī)在2500 r/min或更高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒(méi)有車速信號(hào)輸入CPU</p><p>　　· 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)起動(dòng)后，無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)輸入CPU</p><p>　　圖19 車速整形電路</p><p>　　4.2.5電磁離合器故

65、障自診斷</p><p>　　電磁離合器連接了助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向柱，它的分離與接合穩(wěn)定與否將直接影響轉(zhuǎn)向特性，因此系統(tǒng)工作時(shí)，其狀態(tài)信號(hào)要及時(shí)反饋給CPU。電磁離合器狀態(tài)信號(hào)采集電路如圖20所示：當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)， P0.0端口輸出高電平；反之，輸出高電平。因此離合器線路斷開或短路可以通過(guò)P0.0端口反應(yīng)。</p><p>　　圖20 電磁離合器狀態(tài)信號(hào)采集</p><

66、;p>　　4.2.6控制單元電源線路故障自診斷</p><p>　　如圖14所示：當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，蓄電池電壓將通過(guò)ADC4端口送給CPU，因此當(dāng)ADC4 端檢測(cè)的電壓信號(hào)低于10V，程序設(shè)計(jì)就可以控制故障燈顯示蓄電池電壓太低。</p><p>　　4.2.7控制單元故障自診斷</p><p>　　控制單元主要由電子元件和軟件組成，其本身不易出現(xiàn)故障。我們主要

67、通過(guò)在硬件方</p><p>　　面進(jìn)行合理的布線和相應(yīng)的濾波、抗干擾等措施來(lái)減少故障的發(fā)生；軟件上通過(guò)使用看門狗技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)和設(shè)置軟件陷阱等</p><p>　　處理程序運(yùn)行時(shí)的“跑飛”和 “死循環(huán)”等問(wèn)題。</p><p>　　4.3故障代碼顯示控制及安全防范措施</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到各組成部件出現(xiàn)上述異常之一，且持續(xù)時(shí)間超

68、過(guò)相應(yīng)的規(guī)定值，程序設(shè)計(jì)就通過(guò)對(duì)P0.5端口間斷的置0或1，故障顯示控制電路（如圖21）就控制發(fā)光二極管（故障燈）閃爍，其中閃爍的次數(shù)和延續(xù)的時(shí)間（各種故障代碼）通過(guò)計(jì)數(shù)指針和延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)。如主扭矩信號(hào)出現(xiàn)異常，指示燈將顯示故障代碼號(hào)DTC11，如圖22所示，亮1.5S，暗2S；再亮0.5S，暗3S，往復(fù)進(jìn)行，直至故障排除，稱“一長(zhǎng)一短”。 故障顯示的同時(shí)，程序設(shè)計(jì)也對(duì)P0.4和P0.1端口分別置1和0，經(jīng)過(guò)電磁離合器控制電路（如圖2

69、3）和繼電器控制電路（如圖24）使得電磁離合器和繼電器同時(shí)被切斷，以確保電機(jī)助力完全被切斷，從而確保行車安全。</p><p>　　圖25轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程</p><p><b>　　4.4實(shí)例分析</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程如圖25所示：首先初始化時(shí)間延時(shí)計(jì)數(shù)指針、異常狀態(tài)標(biāo)志和各規(guī)定界限值（如表1），然后使主、

70、副扭信號(hào)電壓及其差分別與各自的界限值進(jìn)行比較，如果超過(guò)界限值并持續(xù)時(shí)間超過(guò)30ms，那么將異常狀態(tài)標(biāo)志置1，記錄異常情況并控制故障燈顯示相應(yīng)的故障代碼，同時(shí)分別對(duì)P0.4和P0.1置1和0，以切斷電磁離合器和繼電器，從而切斷電機(jī)助力。</p><p><b>　　表1 參數(shù)初始化</b></p><p><b>　　4.5結(jié)束語(yǔ)</b></

71、p><p>　　從上述的理論和實(shí)例分析看出：本文提出的EPS系統(tǒng)各信號(hào)間和信號(hào)與規(guī)定界限值間進(jìn)行比較的故障診斷方法具有明顯的簡(jiǎn)單、可行、容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和調(diào)試等特點(diǎn)。而且在試驗(yàn)臺(tái)上我們通過(guò)人為設(shè)置各種故障（如短路、斷路和接觸不良等），然后觀察故障燈顯示情況，也顯示了該比較自診斷方法具有明顯的可行性。此外，雖然這種比較故障診斷方法是基于轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)（Column Drive）的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）上研究的，

72、但是其故障辨識(shí)的基本原理具有廣泛的通用性，因此該故障自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想同樣也適用于小齒輪驅(qū)動(dòng)（Pinion Drive）、齒條驅(qū)動(dòng)（Rack drive）的EPS和其它的電控系統(tǒng)</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在邱小龍老師細(xì)心指導(dǎo)下完成的，對(duì)邱老師在學(xué)業(yè)上給予的指導(dǎo)培養(yǎng)和關(guān)懷致以崇高的敬意和由衷的感謝。我在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了

73、很多的錯(cuò)誤，也給老師帶來(lái)了很多的麻煩，但老師一直很細(xì)心的幫我指正出來(lái)，感謝邱老師的細(xì)心指導(dǎo)以及這段時(shí)間來(lái)對(duì)我的教育。</p><p>　　在此，我還要感謝一直關(guān)注著我學(xué)習(xí)以及一直教育我的每一位任課老師，使我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 </p><p>　　同時(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，很多的同學(xué)都給了我很大的支持幫助。在此我對(duì)他們一并表示感謝！</p><p>　　由于本人能力