车电动助力转向器电控单元(ECU)的研究毕业论文.doc 41页

'杭州电子科技大学本科毕业设计车电动助力转向器电控单元(ECU)的研究毕业论文目录摘要ⅠAbstractⅡ目录Ⅲ第一章绪论11.1电动助力转向系统11.1.1电动助力转向系统的原理及发展11.1.2电动助力转向系统控制单元31.2国内外研究现状41.3课题研究的目的和意义61.4本文研究内容6第二章助力特性和控制策略研究82.1助力特性分析82.1.1助力特性的概念82.1.2助力特性曲线分类92.2控制模式102.2.1助力控制112.2.2回正控制122.3控制策略研究132.3.1电机目标转矩的控制策略132.3.2助力电机的电流控制策略142.3.3控制算法142.4本章小结16第三章硬件控制系统设计173.1EPS控制系统的总体结构173.2ECU的控制芯片183.3电源电路和信号处理电路193.3.1电源电路19 杭州电子科技大学本科毕业设计3.3.2扭矩信号203.3.3车速信号213.4电机的控制电路和保护电路213.4.1电动机的PWM调压调速原理223.4.2功率开关部件的选择及其驱动电路243.4.3电动机的保护电路253.5故障诊断电路263.6系统硬件的抗干扰性设计273.7本章小结27第四章EPS控制软件设计284.1系统控制软件概述284.2转向盘转矩信号采集子程序294.3车速信号的采集子程序294.4目标电流的确定304.4.1助力曲线与目标电流304.4.2助力特性曲线的确定304.5PWM脉宽调制及电机控制314.6判断转向子程序314.7软件滤波设计314.8本章小结32结论及展望33致谢35参考文献36附录38 杭州电子科技大学本科毕业设计38 杭州电子科技大学本科毕业设计第一章绪论汽车转向系统作为汽车的重要组成部分，决定着汽车主动安全性的关键，汽车是否具有安全的操作性能，始终是消费者最关心的，也是汽车厂商在日趋激烈的市场竞争中站稳，始终是消费者最关心的，也是汽车厂商在日趋激烈的市场竞争中站稳脚跟的根本。汽车技术和电子技术的不断革新与进步使得汽车转向系统经历了从简单的纯机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压助力转向系统、到现在全电子控制式电动助力转向系统(EPS,ElectricPowerSteering)的发展历程。电动助力转向系统由电机提供助力，助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制,完全去掉了液压执行机构，较好的缓和了汽车转向系统一直存在的“轻”与“灵”的矛盾，解决了液压转向系统无法克服的缺点。电动助力转向技术是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发展趋势的高新技术，所以一出现就受到国际汽车工业界的高度重视，世界各大汽车公司纷纷投入大量人力、物力从事该系统的研究开发工作。电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，将电动助力转向系统同普通液压动力转向系统的性能进行比较,其优越性主要表现在以下几个方面：1.可获得优化的助力特性，低速轻便、高速稳定，路感好，提高了操纵稳定性；2.EPS助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；3.质量轻，结构紧凑，在安装位置选择方面也更容易；4.降低噪声、节省能源、减少废气排放；5.低温工作性能；6.开发成本低。1.1电动助力转向系统1.1.1电动助力转向系统的原理及发展38 杭州电子科技大学本科毕业设计图1.1电动助力转向系统框架图电动助力转向系统的构成如图1.1所示:它由机械转向器、电动机、电控单元(ECU)、电磁离合器、减速机构、转矩传感器和车速传感器等组成。在操纵汽车转向时，控制单元根据扭矩传感器采集的扭矩信号、车速传感器采集的车速信号和一定助力特性规律，控制电动机电流的幅值和方向，从而形成适当的转向助力，电动机输出的扭矩由减速机构放大，通过万向节、转向机构中传送装置把输出扭矩传送到齿条，从而向转向提供助力扭矩。汽车驾驶员通过转向系统来控制汽车的运动方向，转向系统设计的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶的舒适性[1]。汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。动力转向系统根据动力源不同又可分为机械式的液压动力转向系、电控式液压助力转向系统(EHPS)、电动式电子控制动力转向系统(EPS)和线控转向系统(SBW)。机械转向系统的转向力全部来自驾驶员的手力，机械转向系统结构简单，性能可靠，但转向盘操纵费力。另外，为解决机械转向系统“轻”和“灵”的问题，转向器还常设计成可变速比，在转向盘小转角度范围内，速比小，解决转向灵活性的问题；在转向盘大转角范围内，速比大，解决转向轻便性的问题[2]38 杭州电子科技大学本科毕业设计,液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向,系统总要处于工作状态,能耗较高,而且在大转向车速较低时,需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力,又由于液压泵的压力很大,也比较容易损害助力系统,且不易安装和维护。少数大型车也有采用气压动力转向的,但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大,容易产生泄漏,转向力不易有效控制等。EHPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同,EHPS又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。其所有工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态,并控制电磁阀,使转向动力放大倍率实现连续可调,从而满足高、低速时的转向助力要求,但即使是最新的EHPS也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量消耗、磨损与噪音的固有缺憾[3]。电动助力转向系统(EPS,ElectricPowerSteering)是未来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。1.1.2电动助力转向系统控制单元电动助力转向系统(EPS)主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号，由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。从运行原理上讲,EPS实际上就是一个电机伺服控制系统,其关键在于：1.控制器如何根据车况及驾驶者的动作向电机发出一个适当的运行指令；2.电机(包括它的电力电子功率变换器)如何实时、准确地跟踪该运行指令。这涉及到控制器的算法、电机与功率变换器的设计以及各种传感器的设计与选型等。随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展，EPS电机控制单元研究热点在以下几个方面：1.电动机的控制芯片大规模使用单片机和高性能的DSP，形成数字与模拟的混合控38 杭州电子科技大学本科毕业设计制系统,且数字控制系统将在今后得到更大范围的应用；2.电动机的驱动部分所用的功率器件，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，随着电力电子技术和微电子技术的结合发展，智能功率模块(IPM)逐渐成为新的发展方向；3.永磁材料技术与微电子技术的发展应用，使新型电机的性能更加完善，针对具体应用场合，研究电机原理性能,可以使控制更为精确和方便；4.电动机中速度、电流控制必须由硬件系统配合软件系统才能得到良好的控制效果,研究先进的控制算法成为设计电动机控制系统的一个方向；5.实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系,以实现整车电子控制系统一体化。1.2国内外研究现状电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和DelphiSagiaw(萨吉诺)转向系统，而DelphiSagiaw(萨吉诺)转向系统又代表着转向系统发展的前沿。在电动助力转向系统的电机控制系统中，日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如日本铃木公司装备在WagonR车上的EPS是一个负载-路面-车速感应型助力转向系统[4],由Delphi公司为Funte车开发的EPS为全范围助力型，并且设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感，这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门有关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑[5]。英飞凌的EPS方案采用的TLE6280GP是三相桥式驱动器，简化了动力转向电机的控制,微控制器的定时器结构降低了开发成本并使得电路板设计更简洁。Freescale的EPS方案,采用56F8300系列数字信号控制器，在汽车环境温度下性能可达60MIPS，控制处理过程并为EPS系统提供智能外围支持。日本捷太格特和丰田汽车IFS方案在低速行驶及泊车时，只需少许转动方向盘，便可获轮胎较大主销倾角。而在高速行驶时则会抑制方向盘转动操作的轮胎主销倾角，从而提高稳定性[6]。在系统控制方法的研究中，J.S.Chen分析系统分别采用比例控制方法和比例加微分控制方法性能优劣，提出了比例加微分控制能提高系统的传递特性[7]38 杭州电子科技大学本科毕业设计；Dephil公司的在研究报告中提出，在系统控制器中引入横摆角速度反馈，以增加系统的控制稳定性[8]；McCann分析了电动助力转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响，通过采用核摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定性[9]；Burton对电动助力转向系统中驱动电路的MATLAB模型进行了仿真[10]；英国乌未罕普顿大学的MrXOuyang等人认为EPS系统具有许多非线性因素，用传统的线性分析方法用于分析EPS将使系统性能恶化，因为传统的方法不能补偿系统的非线性，为此将神经网络技术引入以补偿非线性，提出了电动助力转向系统神经网络模型参考自适应控制[11]。随着电动助力转向系统在国外市场的广泛应用，一种更加智能的转向控制系统---线控转向系统的研究和开发也提上了日程，目前国外著名的汽车公司和研发中心竞相研究具有智能化的新一代转向系统,如日本三菱公司、Koyo公司,德国Bosch公司、ZF公司、BMW公司,美国Delphi公司、TRW公司,韩国Hyundai公司等都相继在研制各自的SBW系统。电动机是电动助力转向系统的关键执行部件之一，选择合适的电机是十分重要的，在选择电机类型及性能上，主要根据电动助力转向系统的特点和功能要求，目前国外大多采用无刷直流电动机，无刷直流电机具有低噪声，低电磁干扰；长寿命，高可靠性；高性能，运行平稳；智能化，机电一体化，易于控制等优点，因此对电动机的研究也是一个热点。同国外相比，我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白，自2004年昌河“北斗星”车装备EPS之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮,株州易力达机电有限公司生产的电动助力转向系统适用排量在1.8L以下的汽车和前轴重900kg以下的电动车、混合动力车等。目前,国内对电动助力转向系统展开了全面的研究，已经取得了一些成果，一些研究人员设计了一种采用P87C591单片机控制的电动助力转向系统,利用专家控制系统计算电机给定转矩,采用转矩闭环对实际输出转矩进行控制,实验表明,该系统具有良好的电动助力特性,满足电动助力转向要求。专家控制系统是一个应用专家系统技术的控制系统,也是一个典型的和广泛应用的基于知识的控制系统。通过对电动助力转向系统模型的建立，得到了电动助力转向系统的相关传递函数，在分析影响系统响应速度的因素的基础，提出了对电动助力转向系统改进设计的办法；一些资料从电动助力转向系统的助力特性、控制策略等方面进行了探讨和研究，提出过采用神经网络、鲁棒控制等理论来提高助力转向系统性能等思路。在介绍电动助力转向系统的基础上，对最新的线控转向技术做了简单的介绍。38 杭州电子科技大学本科毕业设计电动助力转向系统电机驱动电路的性能直接影响整个系统的工作性能,分析了传统电动助力转向系统电机驱动电路H桥的优缺点,提出了基于智能功率开关的H桥驱动电路的一种优化方案。对智能功率开关的功能特性和采用智能功率开关组成的H桥电路的控制方法与工作原理进行了系统研究。从目前来看，国外的电动助力转向系统，技术比较成熟可靠，并绝对占有和控制着国际市场，其中不少公司都推出了自己的新一代的转向系统，转向系统正朝着更加稳定安全、可靠的方向发展。国内最近几年虽然有几家厂家在生产电动助力转向系统，但从目前的市场应用情况来看，可靠性和安全性还没达到理想要求。1.3课题研究的目的和意义EPS系统是典型的机电一体化系统，其涉及的技术领域相当广泛，主要包括机械技术、计算机技术、电力电子技术、汽车理论、传感器技术、控制理论、电机学等，在一些资料中，都是对整个电动助力转向系统做了详细的分析，包括电动助力转向系统的发展以及分类，相对于其它转向系统的优点，在研究内容上主要分析了电动助力转向系统的系统组成、工作原理、助力特性和控制策略研究、动力学仿真等。随着电动助力转向系统在汽车上的普遍应用，针对电动机控制系统的开发和研究是十分重要的，电动机控制系统是实现转向系统具体功能的核心，控制系统设计的优劣是衡量电动助力转向系统性能的主要指标，所研究的目标是通过对电动助力系统理论和试验研究，形成一套可行的电机控制系统设计方案，掌握电动助力系统的核心技术，另外，也是从事国内电动助力转向系统实际开发工作的尝试，对提升国内电动助力转向系统的研究应用水平也大有裨益，课题的开展有一定的难度，同时也是很有意义的工作。1.4本文研究内容本文的主要研究内容：1.在研究国内外电动助力转向的资料基础上，分析了其原理。2.对电动机控制系统进行模块化设计，如ECU模块、车速信号采集模块、扭矩信号采集模块、电源模块、电机控制和保护模块等，对各模块的功能原理进行深入的研究学习；3.针对电动助力转向系统控制处理的特点，对目标电流和助力力矩的确定进行了研究，深入分析助力控制、回正控制策略，提出了控制算法；38 杭州电子科技大学本科毕业设计4.依据电子控制单元和控制策略，设计了电动助力转向系统的关键代码，系统在理论上具有可行性。38 杭州电子科技大学本科毕业设计第二章助力特性和控制策略研究本文研究的电机控制系统主要应用在电动助力转向系统，在对电动助力转向系统有了一个大概的认知之后，在本章中，主要是研究系统的助力特性和策略。2.1助力特性分析2.1.1助力特性的概念助力特性是指助力随汽车运动状况(车速和转向盘手力)变化而变化的规律。对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩(及车速)的变化曲线来表示助力特性。对电动助力转向，助力与直流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性，在满足转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个助力特性区域内不变，则驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。助力特性对动力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等，有重要影响。在传统液压动力转向中主要由阀的结构决定，调整非常困难，而且设计完成后助力特性就确定了，不能随车速变化。而EPS系统不同，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调整。由于事先确定的助力特性曲线往往难以兼顾所有的转向工况，而且要想得到最优化的助力特性曲线是很困难的，因此实际系统使用的助力曲线需要通过试验调试才能最终确定。针对EPS系统的特点，对助力特性曲线提出以下要求。1.助力曲线有转向助力死区，当转向盘输入力矩小于助力阈值(通常设为1Nm右)时，EPS系统不起作用，即助力力矩为零，且开始助力的阈值与车速有关，以保证具有足够的路感；2.车速不同，助力比不同，助力特性曲线不同，车速越高，助力越小，提高高速时的稳定性，车速越低，助力越大，提高低速的转向轻便性；38 杭州电子科技大学本科毕业设计3.当方向盘扭矩达到某值时，助力扭矩将保持不变，形成转向饱和区，保证不至于因电机电流过大而烧毁电机和控制器中的功率器件；4.在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力效果；5.符合汽车转向系统对转向操纵要求的国家标准。2.1.2助力特性曲线分类电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式，图2-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见，特性曲线都有三个区域:当0