电子动力转向系统的研究与设计

摘要

电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，是汽车工程领域的热门课题之一。本文在研究了电动助力转向系统工作原理的基础上，设计开发了EPS的电子控制单元ECU (Electronic Control Unit)的硬件电路和相应的控制软件框图。

本文详细分析了电动助力转向系统电子控制单元的功能，研究开发了以89c51单片机为微处理器的电子控制单元。控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能，根据采集的数据信号，确定电动机输出的目标电流，利用PWM脉宽调制技术，通过H桥式电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现助力转向功能。

在研制了实验用ECU装置后，开发了相应的控制软件。控制软件分为控制策略的实现和数据信号采集与分析两部分。整个软件系统采用了模块化的设计思想。在数据信号采集与控制部分，设计了系统主程序、A/D采集程序、车速信号采集程序和PWM控制程序。

本文所设计的EPS电子控制单元性能稳定，结构合理，与整车匹配性能好，可保证EPS实现良好的转向助力效果。

关键词

电动助力转向电子控制单元单片机控制策略

Abstract

Electric Power Steering System (EPS) is one of the focuses research in automotive engineering.This paper is based on the principles of EPS to study the operation, designed and developed the Electronic Control Unit (ECU) and the soft ware diagram of the ECU.

The thesis Considers the functions of the electronic control unit of EPS, studied and developed the hardware that adopted 89c51as its microprocessor. The control unit was able to realize real-time data/signal acquisition and system control. The target current of motor output could be determined by the obtained data; and utilizing the Pulse-Width Modulation (PWM) technology, power could be provided to the steering system by controlling the output current and rotation direction through H-bridge circuit.

The software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition&control of data/signal, was developed in modular after thedesign of experimental ECU was completed. And the main program, A/D acquisition program, speed signal acquisition program and PWM control program are developed in the second part.

The result showed that the electronic control unitdesigned was with stable performance, appropriate structure and excellent matchingcondition, and the excellent power steering effect could be ensured by EPS.

Key words: Electric Power Steering System (EPS) Electronic Control Unit Single-Chip Microprocessor Control Strategy

目录

1 引言 (1)

1.1汽车电动助力转向系统的特点 (1)

1.2电动助力转向系统国内外的研究现状 (2)

1.3EPS的发展趋势和急待解决的核心技术 (2)

1.4本课题研究的目的与意义 (3)

2 电动助力转向系统方案确定及其工作原理 (4)

2.1电动助力转向系统的工作原理 (5)

2.2电动助力转向系统的数学模型 (7)

2.3电动助力转向系统的主要部分 (11)

3 电动助力转向系统的硬件设计 (16)

3.1电子动力转向系统控制器的总体结构 (16)

3.2控制器微处理芯片的选择 (17)

3.3控制器输入通道的设计 (20)

3.4控制器输出通道的设计 (23)

3.5系统供电电源电路设计 (28)

3.6系统硬件抗干扰措施 (28)

4 电子动力转向系统的软件设计 (30)

4.1EPS.的控制策略 (30)

4.2电子动力转向系统各功能模块的软件设计 (32)

5 总结 (38)

参考文献 (39)

致谢 (40)

附录 (41)

1 引言

1.1 汽车电动助力转向系统的特点

由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来在各国汽车上开始普遍应用。现今液压助力转向器(HPS)是以内燃机作为动力的汽车助力转向器的主流。但是传统的HPS需要持续的能量消耗，降低了汽车的燃油经济性。同时其复杂的液压系统具有助力特性不可调整、污染环境、维修不便等缺点。20世纪80年代开始研究的汽车上电能为动力的电动助力转向系统(EPS)。和HPS相比，它具有更为突出的优点:

1.EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同对象使用的需要。

2.提高了汽车的燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电动转向系的EPS需要转向操作时才需要电机提供的能量，是真正的―按需供能型‖(on demand)系统。装有电动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、装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低2.5%;在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5% 。]1[

3.增强了转向跟随性。在EPS中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。和HPS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。

4.该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。同时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、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件比HPS大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简单。

5.EPS没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须有个加温的过程，而EPS可以在零下40℃很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。