電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).

1、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者：李銘專業(yè)： 車輛工程09-2學(xué)校：山東科技大學(xué)學(xué) 號(hào)：200901040413設(shè)計(jì)日期：2012年6月22日指導(dǎo)教師：韓以倫目錄一、設(shè)計(jì)目的 4二、該方案的功能 5三、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 63.1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介 63.2液壓回路設(shè)計(jì)工作原理 6四、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的機(jī)構(gòu) 124.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的機(jī)構(gòu)簡介 124.2轉(zhuǎn)向器的材料 124.3轉(zhuǎn)向器的組成及工作原理 12五、傳感器 135.1轉(zhuǎn)矩傳感器 135.1.1電位計(jì)式轉(zhuǎn)矩傳感器 135.1.2金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器 14145.1.3非接觸式扭矩傳感器155.2車速傳感器5.2.1接觸式

2、車速傳感器 155.2.2非接觸式車速傳感器 16六、其他機(jī)構(gòu)的簡介 176.1電動(dòng)機(jī) 176.2電磁離合器 176.3減速機(jī)構(gòu) 186.3.1雙行星齒輪式減速機(jī)構(gòu) 186.3.2渦輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu) 206.4助力控制 206.5回正控制 216.6阻尼控制 21七、EPS控制系統(tǒng) 237.1電子控制單元簡介 237.2電子控制單元基本結(jié)構(gòu) 237.3 EPS控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 247.4 ECU的控制芯片80C552 247.5電源電路和信號(hào)處理電路 267.5.1電源電路 267.5.2扭矩信號(hào) 277.5.3車速信號(hào) 28八、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件流程 298.1控制策略 298.2故障診

3、斷 30九、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 329.1 EPS工作原理 329.2 EPS關(guān)鍵技術(shù) 339.3 EPS結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 339. 4電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略 33十、結(jié)論 35十、心得體會(huì) 36參考文獻(xiàn) 37一、設(shè)計(jì)目的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變和保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)，其作用是使汽車在 行駛過程中能按照駕駛員的操縱要求而適時(shí)地改變其行駛方向，并在受到路面?zhèn)鱽?的偶然沖擊及汽車意外地偏離行駛方向時(shí)，能與行駛行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車?yán)^ 續(xù)穩(wěn)定行駛。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求主要概括為轉(zhuǎn)向的靈敏性和操縱的輕便性。高的轉(zhuǎn)向靈敏 性，要求轉(zhuǎn)向器具有小

4、的傳動(dòng)比，以小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角迅速轉(zhuǎn)向；好的操縱輕便性， 則要求轉(zhuǎn)向器具有大的傳動(dòng)比，這樣才能以較小的轉(zhuǎn)向盤操縱力獲得較大的轉(zhuǎn)向力 矩。可見上述兩個(gè)要求是相互矛盾的，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一般規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn) 向輪達(dá)到最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角時(shí)，轉(zhuǎn)向盤總轉(zhuǎn)數(shù)不宜超過 5圈，而轉(zhuǎn)向盤操縱力最大不超 過 250N。為了滿足以上要求，除盡量減輕自重，選擇最佳軸向分配；提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng) 效率；減小主銷后傾角；選擇最佳的轉(zhuǎn)向器速比曲線等措施外，通常都采用助力轉(zhuǎn) 向方式。尤其對(duì)中、重型車，由于軸荷重，助力轉(zhuǎn)向幾乎是唯一的選擇。近年來， 隨著對(duì)小轎車舒適性要求的提高，助力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用比較普遍。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)滿足以下的要求：1）能

5、有效的減小操縱力，特別是停車轉(zhuǎn)向操縱力，行車轉(zhuǎn)向的操縱力不應(yīng)大 于 250N.2）轉(zhuǎn)向靈敏性好。助力轉(zhuǎn)向的靈敏度是指在轉(zhuǎn)向器操縱下，轉(zhuǎn)向助力器產(chǎn)生 助力作用的快慢程度。助力作用快，轉(zhuǎn)向就靈敏。3）具有直線行駛的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動(dòng)回正，駕駛員應(yīng)具有良 好的“路感”。4）要有隨動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角保持一定的 關(guān)系，并能使轉(zhuǎn)向車輪保持在任意偏轉(zhuǎn)角位置上。5）工作可靠。當(dāng)助力轉(zhuǎn)向失效或發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能保證通過人力進(jìn)行轉(zhuǎn)向操 縱。二、該方案的功能助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通過液壓泵產(chǎn)生的液 體壓力或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。助力轉(zhuǎn)向是一種

6、以駕駛員的操縱轉(zhuǎn)向盤（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角）為輸入信號(hào)，以轉(zhuǎn)向車輪的角位移為輸出信號(hào)的伺服機(jī)構(gòu)。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便，在設(shè)計(jì)汽車時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇靈 活性增大，能吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車制造中普遍使用。 電子控制技術(shù)在汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達(dá)到令人滿意的 程度。電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時(shí)可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中、高速 區(qū)域轉(zhuǎn)向時(shí)，又能保證提供最優(yōu)的動(dòng)力放大和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速 行駛的操縱穩(wěn)定性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS是利用電動(dòng)機(jī)作為助力源，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由 電子控制單元（ECU完成助力控制。它能節(jié)約燃料，提高主動(dòng)安全性

7、，且有利于 環(huán)保，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)。該系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、車 速傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸及手動(dòng)齒輪齒條 式轉(zhuǎn)向器等組成。EPS系統(tǒng)可以對(duì)轉(zhuǎn)向過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)（轉(zhuǎn)向、回正、中間位置）進(jìn)行精確控 制，從而提高汽車轉(zhuǎn)向助力性能。微機(jī)可以根據(jù)各種傳感器的信號(hào)、判斷轉(zhuǎn)向狀 態(tài)，選擇執(zhí)行不同控制模式，并根據(jù)這些要求制定 EPS的控制策略。主要包括助 力控制、回正控制、阻尼控制。三、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3. 1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，也就是動(dòng)力轉(zhuǎn)向，目前已成為絕大多數(shù)轎車的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配置， 顧名思義，助力轉(zhuǎn)向就是協(xié)助駕駛員做汽車方向調(diào)整，為駕駛員減輕打方向盤

8、強(qiáng)度 的裝置。助力轉(zhuǎn)向是一種以駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角）為輸入信號(hào)，以轉(zhuǎn)向 車輪的角位移為輸出信號(hào)，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向阻力相平衡的輔助力。電子控制技術(shù)在汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用，使汽車的駕駛性能達(dá)到令人滿意 的程度。電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速行駛時(shí)可使轉(zhuǎn)向輕便靈活；當(dāng)汽車在中、高 速區(qū)域轉(zhuǎn)向時(shí)，又能保證提供最優(yōu)的動(dòng)力放大和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速 行駛的操縱穩(wěn)定性。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型主要有1）傳統(tǒng)的液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)致命缺點(diǎn)是即若要保證 汽車在停車或低速調(diào)頭時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，那么當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)就會(huì)感到有“發(fā)飄” 的感覺，反之，若要保證汽車在高速行駛時(shí)操縱有適度手感，那么當(dāng)其

9、要停車或低 速調(diào)頭時(shí)就會(huì)感到轉(zhuǎn)向太重，兩者不能兼顧。2）電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：電子控制式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EHPS， 主要由電子控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向齒輪箱、油泵、分流閥等組成。電子控制式液壓助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)是通過控制電磁閥，使助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油壓隨車速的變化而改變，在大轉(zhuǎn)角 或低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向輕便；在中、高速時(shí)，能獲得具有一定手感的轉(zhuǎn)向力。3）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS是利用電動(dòng)機(jī)作為助力源， 根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由電子控制單元（ECU完成助力控制。該系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn) 矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸及手 動(dòng)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器等組成。3.2液壓回路

10、設(shè)計(jì)工作原理該回路主要是應(yīng)用在電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此次設(shè)計(jì)的是電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因 此在這里簡單介紹下液壓回路的設(shè)計(jì)：EHPS是在傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥、 車速傳感器和電子控制單元等裝置構(gòu)成的，電子控制單元根據(jù)檢測到的車速信號(hào)， 控制電磁閥的開度，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力放大倍率實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，從而滿足高、低速時(shí)的轉(zhuǎn) 向助力要求。電動(dòng)式EPS則是利用直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向 參數(shù)和車速信號(hào)，控制電機(jī)輸出扭矩。電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩經(jīng)由電磁離合器通過減速 機(jī)構(gòu)減速增扭后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用 力。EHPS從控制方式可以分為以下幾

11、種類型：序號(hào)名稱控制對(duì)象(1)流量控制式向助力系統(tǒng)供給的流量(2)動(dòng)力缸分流控制式動(dòng)力缸有效的工作壓力(3)油壓反饋控制式作用于油壓反饋機(jī)構(gòu)的壓力(4)閥特性控制式系統(tǒng)屮控制閥的壓力其中，第（1種和第（2）種類型是EHPS發(fā)展初期的控制方式，主要的控制 目標(biāo)都是將系統(tǒng)中的動(dòng)力泄荷掉一部分以實(shí)現(xiàn)高速時(shí)減小助力，但這樣做的弊病就 是浪費(fèi)了動(dòng)力，不利于車輛省油，而且，還有急轉(zhuǎn)彎反應(yīng)遲鈍的缺點(diǎn)，需要安裝特 別裝置才能解決，現(xiàn)在已很少采用。第（3）種油壓反饋控制式現(xiàn)在使用的比較普 遍，其根據(jù)車速傳感器，控制反力室油壓，改變壓力油的輸入、輸出的增益幅度以 控制操舵力。操舵力的變化量，按照控制的反饋壓力，在

12、油壓反饋機(jī)構(gòu)的容量范圍 內(nèi)可任意給出，急轉(zhuǎn)彎也沒問題，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分的加工精度要求較高， 價(jià)格也較高。第（4）種閥特性控制式是近幾年開發(fā)的類型，是根據(jù)車速控制電磁 閥，直接改變動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制閥的油壓增益（閥靈敏度）以控制油壓的新方法。這種 控制方式使來自油泵的供給流量沒有浪費(fèi)，結(jié)構(gòu)簡單，部件少、價(jià)格便宜，有較大 的選擇操舵力的自由度，可獲得自然的操舵感和最佳的操舵特性。又因其閥結(jié)構(gòu)簡 單，在傳統(tǒng)的液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上不須做太多的改動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)，所以成為EHP聆后發(fā)展的主流。車速感應(yīng)式電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1系統(tǒng)概要簡介該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)閥上做了局部改進(jìn)，并增加了比例電磁 閥、電子

13、控制單元、車速傳感器等實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)閥的可變油口分為低速油口和高速油 口兩種，高速油口的前后設(shè)有低速油口。在高速油口之后設(shè)有旁通回路，在旁通 回路中又設(shè)置了比例電磁閥，根據(jù)車速開啟電磁閥，改變電磁閥的靈敏度以控制 操縱力。系統(tǒng)備有故障安全保險(xiǎn)功能，當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，具有確保高速工 況的操作特性。典型的系統(tǒng)如圖所示。圖31 EHPS系統(tǒng)圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)2 前輪3、17動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵4 齒輪齒條機(jī)構(gòu)5、19油箱6 18比例電磁閥7、20電控單元（ECU 8 車速傳感器9 車燈開關(guān)10空擋開關(guān)11 離合器開關(guān)12保險(xiǎn)絲13 蓄電池14 動(dòng)力缸15外體16 內(nèi)體1主要部件的結(jié)構(gòu)及工作過程轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)閥一般在圓周上形成

14、6條或8條溝槽。圖3.3示出了用于可變特性的 具有12條溝槽的系統(tǒng)，各溝槽利用閥體，與泵、動(dòng)力缸、電磁閥及油箱連接。圖 3.2示出實(shí)際的轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)剖面圖。閥部的等效電橋電路如圖3.3所示。圖3.2轉(zhuǎn)閥及電磁閥剖面圖圖3.3閥部電橋電路 系統(tǒng)在動(dòng)力缸與回油口之間配置了兩個(gè)可變油口，在這兩個(gè)可變油口之間設(shè)有 電磁閥控制的油壓回路?？勺冇涂?1R 1L、2R 2L是能以較小的轉(zhuǎn)向扭矩關(guān) 閉的低速油口； 3R、3L是能以較大轉(zhuǎn)向扭矩關(guān)閉的高速油口，工作原理如圖 3.4。當(dāng)車輛處于低速行駛或停車時(shí)，電磁閥完全關(guān)閉，由于旁通回路截止，高靈敏 度低速油口 1R及2R以較小的轉(zhuǎn)向扭矩關(guān)閉，所以具有輕便的轉(zhuǎn)向特性

15、（圖3.4 ）。圖3.4低速或停車時(shí)車輛高速行駛時(shí)，電磁閥完全開啟，液壓油經(jīng)過旁通回路，流回油箱，靈敏度 低的高速油口 3R控制通向動(dòng)力缸的油壓，所以具有重工況的轉(zhuǎn)向特性（圖3.5 ）。從低速到高速的過渡區(qū)間，由于電磁閥的作用，根據(jù)車速控制其可變 油口的開度，可按順序改變轉(zhuǎn)向特性（見圖3.6 ）。圖3.5高速時(shí)圖3.6系統(tǒng)的操作特性電磁閥 圖3.2示出了電磁閥的一種結(jié)構(gòu)。該閥設(shè)有控制流量的旁通油路，是 可變節(jié)流閥。在低速時(shí)電磁線圈通過最大的電流，可變油口關(guān)閉，隨著車速的 提高，順次減小通電電流，可變油口開啟，在高速時(shí)開啟面積達(dá)到最大值。該 閥在左右轉(zhuǎn)向時(shí)，液壓油的流動(dòng)方向可以逆轉(zhuǎn)，所以在上下流

16、動(dòng)方向中，可變 油口必須具有相同的特性。為確保高壓時(shí)流體力作用于閥，必須提供穩(wěn)定的油 壓控制。電子控制單元（ECU ECU接受來自車速傳感器的信號(hào)，換算后向電磁閥的電磁線圈中輸出相應(yīng)的電流，同時(shí)，ECU®監(jiān)測自身及附件的工作情況，一旦出現(xiàn)異常會(huì)立刻作出反應(yīng)。圖3.7示出了控制力特性圖。.?3,0申 0 H O C圖3.7車速一電流特性電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展前景理論上來講，液壓式EPS是在優(yōu)化車速所對(duì)應(yīng)的操縱性和穩(wěn)定性處于均衡狀態(tài) 下，控制助力大小而獲得最佳手感的系統(tǒng)，同常規(guī)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比， 它有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）閥特性可變，手感好。電子控制單元接受速度傳感器傳遞來的脈沖信

17、號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)換規(guī)則輸出相對(duì)應(yīng)的電磁閥控制信號(hào)，控制電磁閥口的開 度，進(jìn)而得到此時(shí)刻的最佳助力。實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)路面狀況、車輛性能及個(gè)人 習(xí)慣設(shè)置不同的閥特性曲線系數(shù)，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)適應(yīng)范圍更加廣泛；（2）結(jié)構(gòu)簡單、部件少、成本低，在原有轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上不需太大的改動(dòng)；（3）能夠把油泵提供的流量盡可能的變成作用在動(dòng)力缸中的壓力，耗能少， 效率高；（4）系統(tǒng)具有失效自動(dòng)保護(hù)裝置。因?yàn)殡娮涌刂葡到y(tǒng)只是附加在原來的轉(zhuǎn)向 機(jī)上，所以當(dāng)電子控制系統(tǒng)失效而使電子信號(hào)消失時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到普通液壓 動(dòng)力轉(zhuǎn)向狀態(tài)。四、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)4.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的機(jī)構(gòu)簡介齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，工作可

18、靠，傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)， 因此在轎車和微型，輕型貨車上得到廣泛的應(yīng)用。4.2轉(zhuǎn)向器的材料轉(zhuǎn)向器的殼體材料一般為：有鑄鐵，鋁合金等齒輪齒條：鋼轉(zhuǎn)向器搖臂軸材料：20CrM nTi汽車轉(zhuǎn)向器支撐套采用具有極好耐磨性的材料 CSB-M3制成，其在確保低磨損率 的情況下能長CSB-M豺料可以在-40+100C下長期運(yùn)行；此材料出色的自潤滑性能可確保 在無油脂潤滑的情況下也能正常工作。持久保持支撐套必須的回彈性能；確保齒條在整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中始終保持較為平 緩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。4.3轉(zhuǎn)向器的組成及工作原理圖4-1所示為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作示意圖。轉(zhuǎn)向器殼體11支撐在車身上。作為傳動(dòng)副主動(dòng)件的轉(zhuǎn)向齒輪 4垂直地安裝在

19、殼體中，在其上端的安全萬向節(jié) 3相連。與傳動(dòng)齒輪嚙合的轉(zhuǎn)向齒條 9水平布置，轉(zhuǎn)向減震器5一端連接在轉(zhuǎn) 向器殼體上，另一端連接在齒條上，用以減小轉(zhuǎn)向輪的擺振。有效長度可調(diào)的轉(zhuǎn)向拉桿10 一端鉸接在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，另一端支撐在齒條上。2-1齒花吿圣式輕間耳工柞示審戛嚴(yán)何応我卜齋全耳E* 1-55整:-汩更供：”-緒簡世事1L-W轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，通過轉(zhuǎn)向 軸.安全萬向節(jié)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪使齒條軸向移動(dòng)，帶動(dòng)拉桿移動(dòng)，使車輪 偏移，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作示意圖五、傳感器5.1轉(zhuǎn)矩傳感器5.1.1電位計(jì)式轉(zhuǎn)矩傳感器扭桿式轉(zhuǎn)矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭

20、桿彈簧主 要作用是檢測司機(jī)作用在方向盤上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移， 由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng)，同時(shí)滑塊 通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上，可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入 軸相對(duì)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂 直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對(duì)于輸出軸方向出 現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角 度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位 計(jì)

21、轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)矩傳感器用于檢測作用于轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)的大小與方向。目前采用較多的轉(zhuǎn) 矩傳感器是扭桿式電位計(jì)傳感器。它是在轉(zhuǎn)向軸位置加一扭桿，通過扭桿檢測輸入 軸和輸出軸的相對(duì)扭轉(zhuǎn)位移得到的轉(zhuǎn)矩。圖所示為轉(zhuǎn)矩傳感器的基本原理。在轉(zhuǎn)矩傳感器中，用磁性材料制成的定子和轉(zhuǎn)子可以形成閉合的磁路，線圈A B、C、D分別繞在極靴上，接成一個(gè)橋式回路。轉(zhuǎn)向軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，所 以只要測定轉(zhuǎn)向軸的扭轉(zhuǎn)角，就可間接的知道轉(zhuǎn)向角的大小。在線圈的U、T兩端施加連續(xù)的脈沖電壓信號(hào) Ui，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，定子 與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)角也為零。這時(shí)轉(zhuǎn)子的縱向?qū)ΨQ面處于圖示定子

22、AC BD的對(duì)稱平面上，每個(gè)級(jí)靴上的磁通是相同的，因而電橋是平衡的，在V、W兩端的電位差Uo=0.如果轉(zhuǎn)向軸上存在轉(zhuǎn)矩時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)角不為零，此時(shí)轉(zhuǎn)子與定子 間產(chǎn)生如圖所示的角位移 9 .極靴A、D間的磁阻增加，B、C間的磁阻減少，各個(gè) 極靴的磁通產(chǎn)生差別，電橋失去平衡，在 V、W之間出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差與轉(zhuǎn) 向軸的扭轉(zhuǎn)角9和輸入電壓Ui成比例。若比例系數(shù)為k，則有：Uo=k Ui 9由V、W兩端的電位差Uo就可以知道轉(zhuǎn)向軸的扭轉(zhuǎn)角，從而便可以知道轉(zhuǎn)向軸 的轉(zhuǎn)矩。圖5.1轉(zhuǎn)矩傳感器基本原理5.1.2金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量

23、電橋，當(dāng) 彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡?信號(hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換：在金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是：(1彈性軸的工作區(qū)域不應(yīng)該大于彈性區(qū)域的1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑。(2采用LM型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片，較好的敏感性，很小的非線形度(3采用高精度的穩(wěn)壓電源。5.1.3非接觸式扭矩傳感器圖5.2非接觸式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.2所示的為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。輸入軸和輸出軸由扭桿連 接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作

24、用發(fā)生 扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽 的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的 變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。信號(hào)的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號(hào) 部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長、可 靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，現(xiàn)在 已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中，是 EPS傳感器的主流產(chǎn)品 5.2車速傳感器速度傳感器是一種將非電量（如速度、壓力）的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓脑?根據(jù)轉(zhuǎn)換的非電量不同可分為壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，是進(jìn)行測 量、控

25、制儀器及設(shè)備的零件、附件。單位時(shí)間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對(duì)應(yīng)的就 有線速度傳感器和角速度傳感器，我們都統(tǒng)稱為速度傳感器。在機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度測量較多，而且直線運(yùn)動(dòng)速度也經(jīng)常通 過旋轉(zhuǎn)速度間接測量。目前廣泛使用的速度傳感器是直流測速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn) 速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。測速機(jī)要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速間保持線性關(guān)系，并要求輸出電壓 陡度大，時(shí)間及溫度穩(wěn)定性好。測速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測 速機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)式和永磁式兩種，電樞結(jié)構(gòu)有帶槽的、空心的、盤式印 刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)和特征旋轉(zhuǎn)式速度傳感器按安裝

26、形式分為接觸式和非接觸式兩類。521接觸式車速傳感器旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸 時(shí)，摩擦力帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器，發(fā)送出一連串 的脈沖。每個(gè)脈沖代表著一定的距離值，從而就能測出線速度。接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動(dòng)物 體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對(duì)每個(gè)傳感器 又是固定的。影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償 電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。因此傳感器 使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪表面采用摩擦力系數(shù)大的

27、材料，盡可能減小 滑差。5.2.2非接觸式車速傳感器旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體無直接接觸，非接觸式測量原理很多，以下僅簡 單介紹兩點(diǎn)，以供參考。1.光電流速傳感器葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動(dòng)時(shí)帶動(dòng)葉論旋轉(zhuǎn)，頁輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周光纖傳輸 反光一次，產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)?？捎蓹z測到的脈沖數(shù)，計(jì)算出流速。2.光電風(fēng)速傳感器風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被徒輪輪番遮斷形成 一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號(hào)，經(jīng)計(jì)算可檢測出風(fēng)速。非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對(duì)比較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：(1.傳感器的輸出信號(hào)

28、為脈沖信號(hào)，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對(duì)測 量電路無特殊要求。(2.結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系 數(shù)易于獲得，故目前速度傳感器應(yīng)用極為普遍。六、其他機(jī)構(gòu)的簡介6.1電動(dòng)機(jī)EPS的動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，通常采用無刷永磁式直流電動(dòng)機(jī)，其功能是根據(jù)ECU的指令產(chǎn)生相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)是影響 EPS性能的主要因素之一，不僅要求 低速大轉(zhuǎn)矩，波動(dòng)小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，尺寸小，質(zhì)量輕，而且要求可靠性高，控制性 能好。在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮如何提高路感，降低噪聲和振動(dòng)，如在電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子周緣開設(shè)不對(duì)稱或螺旋狀的環(huán)槽、靠特殊形狀的定子產(chǎn)生不均勻磁場等來提高 電動(dòng)機(jī)的性

29、能。轉(zhuǎn)向助力用的電動(dòng)機(jī)需要正反轉(zhuǎn)控制。一種比較簡單適用的轉(zhuǎn)向助 力電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路如圖 6.1所示，圖中al、a2為觸發(fā)信號(hào)端， 從微機(jī)系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器得到的直流信號(hào)輸入到al、a2端，用以觸發(fā) 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)al端得到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管 VT3導(dǎo)通，VT2得到 基極電流而導(dǎo)通，電流經(jīng) VT2的集電極和發(fā)射極、電動(dòng)機(jī) M VT3的集 電極和發(fā)射極搭鐵，電動(dòng)機(jī)有電流通過而正轉(zhuǎn)。當(dāng)a2端得到輸入信號(hào)時(shí)，晶體管VT4導(dǎo)通，VT1得到基極電流而導(dǎo)通，電流經(jīng)過 VT1的發(fā)射 極和集電極、電動(dòng)機(jī) M VT4的集電極和發(fā)射搭鐵，電動(dòng)機(jī)有反向電流 通過而反轉(zhuǎn)?？刂朴|發(fā)信號(hào)端的電流大小，就可以控制電動(dòng)機(jī)

30、通過電 流的大小。圖6.1電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路6.2電磁離合器離合器采用干式電磁離合器，其功能是保證EPS在預(yù)先設(shè)定的車速范圍內(nèi)閉合。當(dāng)車速超出設(shè)定的范圍時(shí)，離合器斷開，電動(dòng)機(jī)不在提 供助力，轉(zhuǎn)入手動(dòng)轉(zhuǎn)向狀態(tài)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，離合器將 自動(dòng)斷開。為了提高性能，離合器設(shè)計(jì)成具有磁滯特性，并可實(shí)現(xiàn)無 級(jí)離合。干式單片電磁離合器的工作原理如圖所示。工作電壓為 DC12V額定轉(zhuǎn)速時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩為15N*m線圈電阻（20C）為19.5 Q。當(dāng)電流通過滑環(huán)進(jìn)入離合器線圈時(shí)，主動(dòng)輪產(chǎn)生電磁吸力， 帶花鍵的壓板被吸引與主動(dòng)輪壓緊，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過電動(dòng)機(jī)軸、主 動(dòng)輪、壓板、花鍵、從動(dòng)軸傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由

31、于轉(zhuǎn)向助力的工作范圍限定在某一轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，所以離合器一般 設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速范圍，例如當(dāng)車速的超過 30Km/h時(shí)，離合器分離，電動(dòng) 機(jī)和離合器的慣性影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作，離合器也應(yīng)及時(shí)分離，以切 斷輔助動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)等發(fā)生故障時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)分離，這 時(shí)仍可以恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。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)還具有半離合狀態(tài)區(qū) 域。1.滑環(huán)2.線圈3.壓板4.花鍵5.從動(dòng)軸6.主動(dòng)輪7.滾子軸承8.電動(dòng)機(jī) 圖6.2電磁離合器工作原理6.3減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)用來增大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，主要有兩種形式：蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和雙行 星齒輪減速機(jī)構(gòu)。前者主要用于轉(zhuǎn)

32、向柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后者主要用于齒輪助力式 和齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用 樹脂材料制成，有的采用特殊齒形。6.3.1雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)按照太陽輪和齒圈之間的行星齒輪組數(shù)的不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單行星 齒輪式和雙行星齒輪式兩種。雙行星齒輪機(jī)構(gòu)在太陽輪和齒圈之間有兩組互相嚙 合的行星齒輪，其外面一組行星齒輪和齒圈嚙合，里面一組行星齒輪和太陽輪嚙 合。它與單行星齒輪機(jī)構(gòu)在其它條件相同的情況下相比，齒圈可以得到反向傳動(dòng)。下圖是雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)的工作簡圖:(A)為了保證尺寸在尺寸方面的要求在齒輪5與內(nèi)齒圈7之間增加了一個(gè)中轉(zhuǎn)齒輪6,這樣不僅保證了傳動(dòng)的高

33、效性，又保證了齒輪齒輪保證下的強(qiáng)度的要求。如下圖：i Mta Ai e 工wfa li'審j* if也 電 > «¥- ,fif - = 鼻 -l*(B)現(xiàn)以(B)圖所示的雙行星齒輪為例簡單介紹其傳動(dòng)過程：設(shè)輸入軸A的轉(zhuǎn)速為n1則可知計(jì)算如下：(1定軸部分傳動(dòng)比計(jì)算：i13=n3/n仁-Z3/Z仁i47=n4/n7=-Z5Z7/Z4Z6(2 差動(dòng)部分傳動(dòng)比計(jì)算：i13H= (n1-nH) /(n3-nH= -z3/z1由圖可知n1= n4，n3=n7=nB帶入上式可知(3 由于 nB=n3=n7=n1/i47=-Z4Z6n1/Z5Z7則由差動(dòng)部分和定軸部分計(jì)算

34、可知：nH=(Z1Z5Z7-Z3Z4Z6 n1/(Z5Z7(Z1-Z3在太陽輪、齒圈和行星架三個(gè)基本元件中，可任選兩個(gè)分別作為主動(dòng)件和從動(dòng) 件，而使另一個(gè)元件固定不動(dòng)(使該元件轉(zhuǎn)速為零)或使其運(yùn)動(dòng)受一定約束(使該 元件的轉(zhuǎn)速為某一定值)，則整個(gè)輪系即以一定的傳動(dòng)比傳遞動(dòng)力。不同的連接和 固定方案可得到不同的傳動(dòng)比，三個(gè)基本元件的不同組合可有6種不同的組合方案，加上直接擋傳動(dòng)和空擋，共有 8種組合，相應(yīng)能獲得5種不同的傳動(dòng)比。而且 雙行星齒輪即有行星齒輪多轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，又包含了自己獨(dú)有的特點(diǎn)，內(nèi)外兩組行星 齒輪增加了轉(zhuǎn)矩的傳輸，具有傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，故在減速器上應(yīng)用較多。6.3.2渦輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)

35、普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算為了抑制噪聲和提高耐久性，減速機(jī)構(gòu)中的齒輪有的采用特殊齒形，有的采用樹脂 材料制成。在中間平面上，普通圓柱蝸桿傳動(dòng)就相當(dāng)于齒條與齒輪的嚙合傳動(dòng)，故 在設(shè)計(jì)蝸桿傳動(dòng)是，均取中間平面上的參數(shù)（如模數(shù)、壓力角等）和尺寸（齒頂 圓、分度圓等）為基準(zhǔn)，并沿用齒輪傳動(dòng)的計(jì)算關(guān)系。普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及選擇：普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)有模數(shù) m壓力角a、蝸桿頭數(shù)z1、蝸桿齒數(shù)z2及 蝸桿的直徑di等。進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要正確地選擇參數(shù)。設(shè)計(jì)要求：普通圓柱蝸桿閉式傳動(dòng)（EP S系統(tǒng)中電機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向軸），蝸桿轉(zhuǎn)速n1=1210r/min，扭矩T仁1760N.

36、mm傳動(dòng)比i=31.5.雙側(cè)工作工作載荷較穩(wěn)定，沖 擊不大。要求壽命為5年（按每年365天，每天8小時(shí)），則使用壽命Lh=5*365*8=14600h選擇渦輪蝸桿傳動(dòng)類型根據(jù)GB10085-88的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI ）。傳動(dòng)比i介于580之間， 根據(jù)推薦，確定蝸桿頭數(shù)z1=1.蝸桿與渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸1蝸桿直徑系數(shù)q=d1/m=4.8齒頂圓直徑da仁d1+2ham=17.0mm齒根圓直徑 df1=d1-2m（ha+c=12.0mm分度圓導(dǎo)程角丫 =蝸桿軸向齒厚sa= n m/2=3.1416mm2渦輪渦輪齒數(shù)z2=33;變位系數(shù)x2=+0.6;驗(yàn)算傳動(dòng)比i=z2/z仁33，這時(shí)的

37、傳動(dòng)比誤差為（33-31.5 ） /31.5=4.76%<5%，是允 許的。渦輪分度圓直徑渦輪喉圓直徑渦輪齒根圓直徑6.4助力控制助力控制是在轉(zhuǎn)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操作力，通過減速機(jī)構(gòu)把 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。助力控制的驅(qū)動(dòng)方式為（參照電動(dòng)機(jī)的控制電路）使晶體管VT1導(dǎo)通，VT2和VT3截止，VT4斬波。該控制利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電 動(dòng)機(jī)電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和由車速傳感器檢測 的車速信號(hào)輸入到控制器單片機(jī)中，根據(jù)預(yù)制的不同車速下“轉(zhuǎn)矩一電動(dòng)機(jī)助力目 標(biāo)電流表”，確定電動(dòng)機(jī)助力的目標(biāo)電流，通過對(duì)反饋

38、電流與電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流相比 較，利用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出PWM&號(hào)到驅(qū)動(dòng)回路，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生合適的助 力。6.5回正控制回正控制是為了改善轉(zhuǎn)向特性的一種控制模式。汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí)，由 于轉(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，因回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向力附著系數(shù)卻減小，二者綜合 作用使得回正性能提高。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)。回正控制主要用于低速行駛，此時(shí)電動(dòng)機(jī)控制電路實(shí)行斷路，即四個(gè)晶體 管均處于截止?fàn)顟B(tài)，保持機(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性。對(duì)于高速行駛，為防止轉(zhuǎn)向回 正超調(diào)，采用阻尼控制模式。6.6

39、阻尼控制阻尼控制是汽車行駛運(yùn)行時(shí)為提高高速直線行駛穩(wěn)定性的一種控制模式。汽車高速 行駛時(shí)如果轉(zhuǎn)向過于靈敏，會(huì)影響汽車的行駛穩(wěn)定性。為了提高直線行駛的穩(wěn)定 性，在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制。電動(dòng)機(jī)理想模型的基本方程為：式中：u (t )、ia (t)分別為電動(dòng)機(jī)的端電壓和電樞電流；w (t)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Ra La分別為電動(dòng)機(jī)等效內(nèi)阻和電感；電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。EPS系統(tǒng)中所用電動(dòng)機(jī)的電樞電感很小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可忽略不計(jì)。若將 電動(dòng)機(jī)兩端短路，則有：因此，用一定占空比的PW信號(hào)在電動(dòng)機(jī)控制電路內(nèi)部使電動(dòng)機(jī)短路，電動(dòng)機(jī) 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)形成阻礙電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的阻尼轉(zhuǎn)矩，改變占空比，即改變了 阻尼轉(zhuǎn)矩的大小

40、。七、EPS控制系統(tǒng)7.1電子控制單元簡介電控單元、汽車電控單元或集成電路控制單元、多路控制裝置等等。汽車制造 公司不同叫法也不同。它是由集成電路組成的用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理發(fā)送等一 系列功能的控制裝置。目前在汽車上廣泛應(yīng)用，并且集成度越來越高電機(jī)控制系統(tǒng)中的核心執(zhí)行部件為電機(jī)，而向電機(jī)提供及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)就顯得尤為重要。EPS的電子控制單元(ECU通常是一個(gè)8bit單片機(jī)系統(tǒng)， 有一個(gè)8位單片機(jī)，另加一個(gè)256B的RAM 4KB的ROM及一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器組成。其 工作過程：當(dāng)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)輸入單片機(jī)后，單片機(jī)根據(jù)這些信號(hào)計(jì)算出最優(yōu) 化助力轉(zhuǎn)矩，然后輸出此值給 D/A轉(zhuǎn)換器，

41、輸出電流指令信號(hào)給電動(dòng)機(jī)控制電路， 由控制電路決定電動(dòng)機(jī)作用的大小和方向。此外，ECU也采用數(shù)字信號(hào)處理器(EPS作為控制單元的?？刂葡到y(tǒng)與控制算法也是 EPS的關(guān)鍵之一，控制系統(tǒng)應(yīng) 具有強(qiáng)抗干擾能力，控制算法應(yīng)快速準(zhǔn)確，以滿足定時(shí)控制要求。ECU還具有安全保護(hù)和故障診斷功能。ECU通過采集電動(dòng)機(jī)電壓、轉(zhuǎn)速等信號(hào)判斷其系統(tǒng)工作狀況 是否正常，一旦系統(tǒng)工作異常，ECU各進(jìn)行故障診斷分析，單片機(jī)將記錄故障類 型，點(diǎn)亮儀器表上的故障燈，同時(shí) ECU上的故障碼顯示燈亮，離合器斷開，助力被 取消，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)。硬件電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的平臺(tái)，其各種功能的實(shí)現(xiàn)都要利用這個(gè)平臺(tái)來執(zhí) 行，該系統(tǒng)硬件電路

42、由幾個(gè)相互獨(dú)立的模塊化電路組成，整個(gè)ECU電路由信號(hào)采集及處理、強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)控制、故障診斷等基本電路模塊構(gòu)成，通過對(duì)單片機(jī)的選型、 EPS的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)電路模塊的分析，闡述了 EPS系統(tǒng)硬件電路的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程、信號(hào)處理電路、助力電機(jī)和干式電磁離合器功率驅(qū)動(dòng)控制電路，并分析了各模 塊電路的工作原理。7.2電子控制單元基本結(jié)構(gòu)電控單元主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要包括系統(tǒng)電路、電源電路、輸入采集接口電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路等。1. 系統(tǒng)電路：系統(tǒng)電路以所選定的單片機(jī)為核心，主要有存儲(chǔ)區(qū)擴(kuò)展電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、通信電路等。2. 輸入接口電路：輸入接口主要將從傳感器中采集到的轉(zhuǎn)速、油門踏板位

43、置、冷卻 水溫度等各種發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)進(jìn)行放大、整形、電壓轉(zhuǎn)換、濾波處理等，保證實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地為CPU提供發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)，以便 CPL進(jìn)行監(jiān)控。3. 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路主要是將 CPU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和操作人員的要求計(jì)算得 到的控制信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油量控制機(jī)構(gòu)和定時(shí)控制機(jī)構(gòu)的控制。圖7.1電子控制單元工作原理圖7.3 EPS控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)圖下圖所示。該系統(tǒng)的核心是一個(gè)有4KB ROM和256B RAM的 8 bit 80C552.轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)經(jīng)過輸入接口送入微機(jī)，隨著車速的升高，80C552控制相應(yīng)地降低助力電動(dòng)機(jī)電流，以減小助力轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)也被

44、送入 80C552當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速時(shí)，由于電力不足，助力電動(dòng)機(jī)和離合器不工作。點(diǎn)火 開關(guān)的通斷（ON/OFF信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口送入80C552當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)通斷時(shí)，電 動(dòng)機(jī)和離合器不能進(jìn)入工作。80C552控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換接口送入電動(dòng)機(jī)和離合 器的驅(qū)動(dòng)放大電路中，控制電路的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向和離合器的離合。電動(dòng)機(jī)的電流經(jīng)放大 回路、電流表A、A/D轉(zhuǎn)換接口反饋給80C552將電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流與80C552指 令應(yīng)給的電流相比較，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流，使兩者接近一致。隨著汽車車速和 轉(zhuǎn)矩的變化，助力電動(dòng)機(jī)的電流也應(yīng)變化。圖7.2 EPS總體電路框圖80C552片內(nèi)擴(kuò)展了兩路PWM輸出口，很大程度上簡化了

45、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)， 它的定時(shí)器T2有4個(gè)完全相同的捕捉中斷，可以用于捕捉加在中斷輸入腳的外部 脈沖信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)脈沖上升或下降沿引起的捕捉中斷捕捉到T2中的內(nèi)容，可以方便的計(jì)算出被測脈沖的周期；80C552內(nèi)置的10-bitADC使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無需外 擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器件，有利于控制電路板的體積小型化；80C552的工作頻率可達(dá)到30MHZ能夠滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求；80C552除了具有全雙工的UART串行 借口外，還有I2C串行接口，能夠方便地與系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行總線級(jí)集成和通 訊，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與汽車上其它控制單元的通訊聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)一體化1。7.4 ECU

46、的控制芯片80C552主控芯片的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接影響到助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的性能。滿足助力轉(zhuǎn)向性能要求的主控制器有可編程邏輯器件(PLC,高性能單片機(jī)、工控機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP等，這四種控制器各有優(yōu)缺點(diǎn)。此次設(shè)計(jì)采用的控制芯片是 Philips公司的8位微控制器80C552選擇這個(gè) 芯片是基于對(duì)所研究、開發(fā)的應(yīng)用對(duì)象的控制特性要求。a. 80C552的主要性能(1片內(nèi)無ROM;(22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)附加的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，并配有4個(gè)捕捉寄存器和比較寄存器;(31個(gè)8路10位片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器;(42路8位分辨率的脈沖寬度調(diào)制解調(diào)器輸出PWM;(55個(gè) 8位

47、并行I/O 口，1個(gè)與A/D合用的輸入口 ;(61個(gè)全雙工異步串行口 UART; (7I2C串行總線口 ;(8內(nèi)部監(jiān)視定時(shí)器WDT; (s 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，15個(gè)中斷源;(10有56個(gè)特殊功能寄存器SFRb. 80C552內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述80C552內(nèi)部結(jié)構(gòu)。弓I腳功能如下:VDD VSS: +5V電源、數(shù)字地;EA:存儲(chǔ)器訪問選擇輸入端；PSEN:外部ROM勺讀選通信號(hào)；ALE:地址鎖存允許信號(hào)：STADC片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)輸 入（上升沿啟動(dòng);PWM0脈寬調(diào)制器PWMS道0輸出;PWM1脈寬調(diào)制器 PWMg道1輸出;EW:監(jiān)視定時(shí)器 WDT勺時(shí)鐘使能端;RST:復(fù)位輸入端， 當(dāng)監(jiān)視定時(shí)

48、器 WDT+數(shù)溢出時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)；XTALI, XTAL2:振蕩器 輸入端;AVDD, AVSS模擬電源、模擬地；AVREF十、AVREF-: A/D轉(zhuǎn)換 器基準(zhǔn)電壓正、負(fù)輸入端。PO.O-PO.7:8位雙向I/O 口 ;P1.0-P1.7: 8位準(zhǔn)雙向I/O 口 ;P2.O-P2.7: 8 位準(zhǔn)雙向I/O 口 ;P3.O-P3.7:8 位準(zhǔn)雙 向 I/O 口;P4.O-P4.7: 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口;P5.0-P5.7: 8 位輸入口 /ADCO-ADC模擬入口 14。單片機(jī)引腳資源配置8OC 55 2具有6個(gè)8位I/O 口 PO-P5每個(gè)口由1個(gè)寄存器、1個(gè)輸入緩沖器和輸出緩沖器組

49、成。除了 P1 口新增加了功能，P0-P3與8051完全一樣。P4 口的功 能與P1-P3相同，P5 口只能作為輸入口。下表為其使用分配情況PiXiTiD l Ait 卩Z iTtD IrJJ四島 1rn卄M理卄靜即債耳"債丐F3T4棺血乂岳弓井罔鼻拳It毎”酊金MlF比-Jt.C 電：卜打?qū)?#39;鬥1*AJRI*ia a AI K«lE 卜亍”P*"J一電Jlfll電島他DK IB惴峠出"it盤氏吒鼻單片機(jī)I/0引腳資源配置表汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)、隨動(dòng)性系統(tǒng)，從控制的角度講，系統(tǒng)對(duì) 時(shí)性有一定的要求，即要求控制系統(tǒng)的輸出能夠?qū)ο到y(tǒng)的輸

50、入做出合理的控制處 理，由于每個(gè)人的控制力度和感覺的不同，所以對(duì)精確性要求不是多高，汽車電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外在反映是駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)與感覺，經(jīng)驗(yàn)與感覺的模糊性決定了 事實(shí)上控制系對(duì)控制精度的要求不是非常高，只要控制系統(tǒng)的控制效果比較平 順，沒有助力驟加或力驟減的外在表現(xiàn)，一般可以被用戶接收。所選擇的80C552滿足設(shè)計(jì)要求，可以從下面幾個(gè)方面分析 2:80C552的內(nèi)核是In tel公司的80C51, 80C552具備80C51的所有功能，在開發(fā) 21 世紀(jì)8位單片機(jī)的爭奪戰(zhàn)中，80C51處于極有利地位，現(xiàn)已成為全世界單片機(jī)電路 設(shè)計(jì)中最廣泛的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于研究開發(fā)人員來說，可以參考的資料多

51、，容 易學(xué)習(xí)，當(dāng)然選擇80C552是因?yàn)樗鼜?qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用功能。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要對(duì)采集近來的車速和扭矩信號(hào)進(jìn)行快速處理，80C552的主機(jī)頻率可以達(dá)到33MHz運(yùn)算速度滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，目前多采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM )控制，80C552脈沖寬度調(diào)制器 PWM共分 PWM0 和PWM兩路，分別用于PWM和PWM引腳上產(chǎn)生頻率相同和寬度(占空比)可調(diào) 的輸出脈沖，很大程度上簡化了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的扭矩信號(hào)和電機(jī)反饋電流信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，80C552含有一個(gè)

52、8路10位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬量由P5 口輸入，A/D 轉(zhuǎn)換完成后得到的10位數(shù)字量中的高8位存放在ADC高 8位寄存器ADCH和低2 位在ADC控制寄存器ADCOI中。因此適用80C552位核心的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其硬 件電路更為簡單。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采集的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)均為脈沖信號(hào)，利用80C552的T2捕捉寄存器CT3-CT0捕捉T2中時(shí)間的功能可以很方便地測量一個(gè)周期性變 化事件的時(shí)間間隔?，F(xiàn)代的高檔汽車基本都配置了防抱死制動(dòng)裝置 (ABS定速巡航自動(dòng)控制系統(tǒng) (CCS電控自動(dòng)變速器(ECAT等電器控制單元，這些模塊通過總線與汽車控制系統(tǒng) 的總控制模塊相關(guān)聯(lián)、通信。8

53、0C552除了具有全雙工的UART串行接口外，還有I 2C串行接口，能夠方便地與系統(tǒng)的其他模塊進(jìn)行總線級(jí)集成和通訊。7.5電源電路和信號(hào)處理電路7.5.1電源電路圖7.3系統(tǒng)電源電路80C552需要5V的供電電源，芯片7805完成12V到5V的轉(zhuǎn)變，其中12V是汽 車電源，LMC766產(chǎn)生的-5V滿足電路中運(yùn)算放大器的需要，另外單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換 需要的+5V精密基準(zhǔn)電壓由LM336產(chǎn)生。7.5.2扭矩信號(hào)在測控系統(tǒng)中，傳感器的輸出信號(hào)一般是一些微弱的電壓或電流信號(hào)，另外一 些干擾因素的存在，在輸入到控制電路前必須要經(jīng)過一些處理電路，如上圖所示： ICL7650是Intersil 公司利用動(dòng)態(tài)

54、校零技術(shù)和CMOS：藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度 運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移 低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。7.5.3車速信號(hào)圖7.5車速信號(hào)處理電路車速信號(hào)是12V的單極性脈沖信號(hào)，此信號(hào)是從車速里程表里面引出的。因?yàn)?單片機(jī)所能處理的信號(hào)高電壓在 5V左右，所以車速信號(hào)的通道設(shè)計(jì)主要是完成信 號(hào)的電平匹配設(shè)計(jì)，也即將12V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為5V的數(shù)字信號(hào)。對(duì)12V電壓到5V的 電壓的解決方案可以采用分壓原理，也可以采用光電耦合器等，本文采用后者的方 法，車速信號(hào)經(jīng)光電耦合器，傳送到 T2捕捉0輸入線，對(duì)車速頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì) 數(shù)，通過軟件處理可以得到車速信號(hào)

55、的頻率大小，從而知道車速。八、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟件流程8.1控制流程圖8.1控制軟件流程圖8.2故障診斷故障診斷的工作原理：EPS系統(tǒng)工作時(shí)，自診斷系統(tǒng)把檢測到的非正常輸入輸出信號(hào)為故障信號(hào)，自診斷 系統(tǒng)故障主要有以下幾種：1. 當(dāng)某一電路出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的信號(hào)時(shí)，故障診斷系統(tǒng)就判定該電路信號(hào)出 現(xiàn)故障。如扭矩傳感器正常時(shí)其輸出電壓信號(hào)在 0.1V4.8V|范圍內(nèi)變化。若，ECU 即判定為故障信號(hào)，存入存儲(chǔ)器。2. EPS工作中，當(dāng)EC|J在一段時(shí)間里收不到某一傳感器的輸入信號(hào)或輸入信號(hào) 在一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，ECU亦判定為故障信號(hào)。3. EPS正常工作中，如果偶然出現(xiàn)一次不正常信號(hào)，EC

56、U診斷系統(tǒng)不會(huì)判斷為故障,只有當(dāng)不正常信號(hào)持續(xù)一定時(shí)間或多次出現(xiàn)時(shí)，EcU才將其判定為故障。設(shè)計(jì)故障診斷碼如下:故障碼檢查診斷項(xiàng)目0正常11轉(zhuǎn)向力矩傳感器（主）12轉(zhuǎn)向力矩傳感器（副）13轉(zhuǎn)向力矩傳感器（主、副側(cè)壓差 過大）21車速傳感器（主）22車速傳感器（主、副壓差過大）23車速傳感器（主）電壓急減故障檢查診斷項(xiàng)目碼41 直流電動(dòng)機(jī)42 直流電動(dòng)機(jī)電流43 直流電動(dòng)機(jī)過電流44 直流電動(dòng)機(jī)鎖止51電磁離合器54 ESP控制裝置轉(zhuǎn)向力矩傳感器E/F回路不31交流發(fā)電機(jī)L端子ESP控制裝置（微機(jī)）不良工作流程圖:是一種直接依靠電機(jī)HPS( Hydraulic九、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering ，縮寫E