智能车辆转向控制系统的研究

I
Abstract
The steering system has experienced many types such as mechanical steering hydraulic Power steering and electric Power steering which is Provides Power directly by electric motor .The power is controlled by ECU .which has many advantages such environmental protection, the low power as the adjusted power the good road feels, the consumes and the convenience maintaining and so on .It has the advantage which the traditional hydraulic power steering is impossible .So it is both a topic hotly talked in current vehicle technology and one of the top techniques. The subject of the development of regenerative braking controller hardware to Freescale the MC9S12DG128 as the control center, including data acquisition module, communication modules, control module. communication modules, including serial port and CAN interface; communication circuit; control module including DC motor circuit and exception handles circuit; Data acquisition module includes wheel speed sensor signal acquisition circuit, torque speed sensor signal acquisition circuit, DC motor signal circuit. And the hardware is verified through the testing. Lower computer program embedded C language, including system initialization module, data acquisition modules, communications modules, control modules. PC program written by VB6.0, include system initialization interface, data acquisition interface. Calibration interface will need to calibrate the parameters of transmission to the next bit machine can also view the lower machine operating parameters, data acquisition interface with the data, the curve of real-time rendering, and data storage. The controller software which divided into lower computer-controller and PC-PC machine two parts, connect o communications and data transmission through the USB-CAN card. The experiment proves that the testing system is feasible and effective Programmed and debugged the corresponding control Procedures. But during the research there are some problems were found needed to be improved and consummated further. Power steering， Design of hardware， Assist characteristic， Control Strategy， Key words： Data acquisition
图 5-9 数据采集界面 ………………………………………………………………48 图 5-10 监测系统采集的一组数据……………………………………………………48
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附表清单
表 2-1 CS050LX 系列霍尔电流传感器及基本技术参数……………………………17
表 2-2 IR2110 的主要参数表 ………………………………………………………20 表 4-1 IRFZ44 电气特性表 …………………………………………………………35 表 4-2 电机运行状态与 MOSFET 关系 ………………………………………………36
VII
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景 转向系统是汽车的关键总成之一，其性能好坏将直接关系到车辆的主动安全 性、操纵稳定性的优劣。对于转向系统，不仅要求其转向轻便、工作可靠、节能环 保，还要其符合驾驶员转向习惯，有良好的路感。 如何设计和优化汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车 厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在驾驶人员非职业化、车流密集化、车辆 高速化的今天，针对不同的驾驶人，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 电动助力转向（EPS）是随着液压助力转向系统后出现的又一种新型助力转向 系统，它直接依靠电动机提供辅助力矩，不需要复杂的控制机械，在应用中只要控 制助力电机两端电枢电压的极性和大小，就能实现转向系统控制的要求。另外，该 系统利用了微处理器控制，为转向特性的设置提供了较高的自由度，而且还降低了 成本、提高了控制质量。 尽管国内很多科研单位设计的电动助力转向样机已达到了其最初的设计目的， 但仍然存在一些问题需要解决。目前国外各大汽车公司都在研制电动助力转向，已 为批量生产电动助力转向完成了技术储备。在未来十年，电动助力转向将可能完全 车位主流转向系统。因此电动助力转向具有非常广阔的应用前景，在我国非常有必 要加大投入该方面的研究工作。 智能车辆致力于提高汽车的降低事故发生率、安全性、舒适性，是目前各国重点 发展的智能交通系统中一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点。智能 车辆要实现自动驾驶，需要解决其横向控制和纵向控制两个方面的技术问题，其中横 向控制是指垂直于行车速度方向上的控制，即转向控制。智能车辆的转向系统是其核 心组成部分，而转向控制技术是其关键技术，因此，开发能够自动判断并完成一定大 小和方向转向角的转向控制器对智能车辆研究具有重要的意义。 所研发的转向控制器 能够自动识别汽车运行环境和汽车的运行状态，主动地采取转向动作，以实现规避、 转弯等操作并保持汽车的运动稳定性，从而大幅度地减少事故发生和提高行车效率。 1.1.2 研究意义 随着汽车电子技术以及制造技术的不断发展，人们对汽车安全、节能、环保的 要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器已逐步取代传统液压助力转向器。电动 助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越 来越重要的地位。因此，电动助力转向器在汽车上应用的市场前景是非常广阔的。
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附图清单
图 1‐1 汽车转向系统发展阶段…………………………………………………………4 图 1 ‐ 2 研究方案示意图……………………………………………………………6 图 2-1 智能车辆转向控制系统工作原理示意图…………………………………9 图 2-2 图 2-4 图 2-5 图 2-6 三种结构的 EPS……………………………………………………………… 10 控制系统硬件框图……………………………………………………………11 MC9S12DG128 单片机引脚排列图……………………………………………12 MC9S12DG128 单片机系统电路设计…………………………………………15 图 2-3 控制系统方案设计示意图…………………………………………………10
ห้องสมุดไป่ตู้V
图 4-6 最大助力状态输出…………………………………………………………40 图 5-1 图 5-2 图 5-3 图 5-4 图 5-5 图 5-6 图 5-7 图 5-8 PCA82C250 功能框图…………………………………………………………42 CAN 模块原理图………………………………………………………………42 CAN 总线初始化子程序………………………………………………………43 CAN 总线发送数据流程图……………………………………………………44 CAN 总线接收数据流程图……………………………………………………45 上位机程序流程图 …………………………………………………………45 USB-CAN 转接卡………………………………………………………………46 初始化界面 …………………………………………………………………47
安徽农业大学 硕士学位论文 智能车辆转向控制系统的研究 姓名：张百山 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：冯能莲 2011-06
摘要
汽车转向控制系统从简单的早期的纯机械转向系统发展现到液压助力转向系 统，直到现在更为节能、操纵性能更好的电子控制式助力转向系统。电动助力转向 系统采用直流电机直接提供助力，电子控制单元控制助力转矩的大小，采用了动力 转向的新技术和新结构，是汽车动力转向发展的必然趋势，是当前汽车技术发展的 研究热点和前沿技术之一。 本课题设计开发了以采用了 Freescale 的 MC9S12DG128 作为主芯片的电子控制 单元硬件电路。其中通信模块包括串口和 CAN 接口通信电路；控制模块包括+12V 直 流电机驱动电路、故障诊断电路、电磁离合器电路；数据采集模块包括车速信号采 集电路、转矩转速传感器信号采集电路、电动机反馈电流采集电路。并且通过试验 验证了硬件电路的可行性。 下位机程序采用嵌入式 C 语言编写，采用了模块化的设计思想，包括系统初始 化模块、数据采集模块、控制模块、通信模块。输入信号经 ECU 采集后，通过设定 的控制策略， 输出 PWM 波控制直流电机输出相应转矩， 实现对智能车辆的转向控制。 上位机程序采用 VB6.0 编写，包括系统初始化界面和数据采集界面。参数标定界面 可以将需要标定的参数传输给下位机，同时可以查看下位机的运行参数，上位机软 件操作方便，运行可靠，界面友好，通用性强，具有曲线的实时绘制功能，把试验 过程中所采集到的数据以曲线的形式显示和保存。 由控制器-下位机和 PC-上位机两 大部分组成的控制器的软件通过 USB-CAN 卡连接实现通信和数据传输。 本课题所研制的测试系统实验证明是可行和有效的，为今后深入研究电动助力 转向系统的性能奠定了基础，但是课题的研究中还存在一些问题需要进一步的改进 和完善。 关键词：助力转向，硬件设计，助力特性，控制策略，数据采集
图 4-2 直流电机试验………………………………………………………………37 图 4-3 电机两端电压波形图………………………………………………………38 图 4-4 无助力状态输出……………………………………………………………38 图 4-5 正常助力状态输出…………………………………………………………39
图 2-15 电磁离合器驱动控制电路………………………………………………22 图 3-1 CodeWarrior 的仿真界面……………………………………………………25 图 3-2 图 3-3 图 3-4 图 3-5 图 3-6 图 3-7 图 3-8 图 3-9 图 4-1 系统初始化流程图……………………………………………………………26 主程序流程图…………………………………………………………………27 移动平均滤波法框图…………………………………………………………28 数据采集流程图………………………………………………………………28 车速信号采集流程图…………………………………………………………29 PID 控制系统原理框图………………………………………………………31 PID 控制算法流程图…………………………………………………………32 PWM 控制程序流程图………………………………………………………33 H 桥 PWM 驱动电路……………………………………………………………36
图 2-7 转矩传感器接口电路………………………………………………………16 图 2-8 转矩信号采集………………………………………………………………16 图 2-9 车速传感器接口电路…………………………………………………………17 图 2-10 CS050LX 系列霍尔电流传感器……………………………………………18 图 2-11 电机反馈电流电路………………………………………………………18 图 2-12 反馈电流信号采集………………………………………………………19 图 2-13 图 2-14 IR2110 引脚图………………………………………………………………20 H 桥电机驱动电路……………………………………………………………22