《汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（論文）》

一、緒論（一）研究背景隨著世界科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車已成為每個(gè)家庭必不可少的交通工具。在一些工業(yè)化國(guó)家，家用汽車的普及率已達(dá)到70%以上。中國(guó)汽車市場(chǎng)在世界汽車市場(chǎng)中的份額不斷增加。根據(jù)全球網(wǎng)絡(luò)的報(bào)告，中國(guó)汽車工業(yè)的增長(zhǎng)速度已達(dá)到全球汽車工業(yè)的72%。無(wú)疑，中國(guó)正在發(fā)展，中國(guó)的汽車普及率正在逐步提高。基于電子控制的車輛控制技術(shù)是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。電子控制是現(xiàn)代產(chǎn)品中的一種技術(shù)產(chǎn)品。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能減排，以及改善的性能和安全性。近年來(lái)，在汽車控制系統(tǒng)中使用的電子產(chǎn)品的比例有所增加。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，機(jī)動(dòng)車輛的電子控制技術(shù)已達(dá)到機(jī)動(dòng)車輛產(chǎn)品創(chuàng)新的90%。隨著環(huán)境保護(hù)和安全要求的提高，新能源產(chǎn)品和技術(shù)逐漸被引入汽車系統(tǒng)。2010年，中國(guó)汽車電子市場(chǎng)的規(guī)模顯著增加。即使在2008年金融危機(jī)席卷全球時(shí)，中國(guó)電子市場(chǎng)仍然增長(zhǎng)了11.3%。這表明未來(lái)的中國(guó)汽車電子市場(chǎng)潛力巨大。從一般情況來(lái)看，汽車由許多先進(jìn)的控制系統(tǒng)組成，例如：汽車牽引系統(tǒng)，汽車穩(wěn)定系統(tǒng)，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車懸架系統(tǒng)。其中，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能是控制汽車的行駛方向。與摩托車和自行車不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指輔助系統(tǒng)，駕駛員可以在其中控制汽車以改變運(yùn)動(dòng)方向。對(duì)于我們通常每天看到的家用汽車，汽車轉(zhuǎn)向的過(guò)程是：駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤以向齒輪機(jī)構(gòu)施加力，并且齒輪比用于移動(dòng)連接前輪的水平軸。因此，汽車的前輪向方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。常規(guī)機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輔助由液壓泵和其他設(shè)備提供。在低速轉(zhuǎn)彎或停車時(shí)，特別是對(duì)于力量較小的駕駛員而言，轉(zhuǎn)向過(guò)低，嚴(yán)重地妨礙了駕駛，為此，引入了由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。（二）研究意義與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，用于汽車的轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)具有以下特性和優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)約能源。用于汽車的轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)直接由輔助馬達(dá)支持，輔助性能由電子控制單元控制，該原理顯然可以節(jié)省燃料。另外，汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)完全消除了液壓部件，解決了液壓系統(tǒng)漏油的問(wèn)題。（2）效率高。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)連續(xù)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，這會(huì)浪費(fèi)能量，而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在需要時(shí)且能量利用率高時(shí)才提供動(dòng)力。（3）路感強(qiáng)。手動(dòng)輸入扭矩和車速?zèng)Q定了汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)所支持的動(dòng)力。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)可以在不同的條件下（不同的地面，不同的速度）獲得最佳的駕駛體驗(yàn)，這可以確保車輛在高車速下安全穩(wěn)定，并且在低車速下汽車轉(zhuǎn)向省力。（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。用于機(jī)動(dòng)車的轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)包括一些部件和緊湊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于整體布置和安裝是簡(jiǎn)單的。（5）成本低，可控性強(qiáng)。批量生產(chǎn)后的總成本低于液壓助力轉(zhuǎn)向。此外，可通過(guò)軟件將用于汽車轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)編程為不同的車型，從而降低成本并縮短開發(fā)周期。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，是一種性能優(yōu)越，環(huán)保的新型零部件。對(duì)汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的深入研究可以提高中國(guó)汽車工業(yè)的核心技術(shù)水平，使中國(guó)能夠效仿外國(guó)汽車公司的汽車發(fā)展軌跡，并掌握電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的核心技術(shù)。因此，本文對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的研究，特別是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)進(jìn)行了深入的討論和研究。（三）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.國(guó)外研究現(xiàn)狀汽車穩(wěn)定性控制是在ABS和ASR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。最初的汽車穩(wěn)定性控制概念是在ABS和ASR的基礎(chǔ)上加以算法上的改進(jìn)，使之能部分解決汽車的穩(wěn)定性問(wèn)題，但此時(shí)的系統(tǒng)還不能稱之為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，只是在ABS和ASR基礎(chǔ)上的改進(jìn)。上世紀(jì)90年代初，各個(gè)生產(chǎn)廠商開始了關(guān)于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)相關(guān)的研究。BMW公司與BOSCH公司合作于1992年在ABS/ASR的基礎(chǔ)上開發(fā)出車輛的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC)REF_Ref6317\w\h[1]，它是通過(guò)橫擺角速度反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛行駛方向性和穩(wěn)定性的控制。該系統(tǒng)安裝在BMW850Ci轎車上，這種系統(tǒng)只是在原有的ABS/ASR的基礎(chǔ)上增加了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，通過(guò)兩內(nèi)外非驅(qū)動(dòng)輪的輪速差來(lái)間接估算的，在極限工況下這種估算是不準(zhǔn)確的。1994年和1996年BMW公司與BOSCH公司在DSC的基礎(chǔ)上分別開發(fā)出了第二代和第三代系統(tǒng)REF_Ref7839\w\h[2]。但考慮到系統(tǒng)的成本，最早出現(xiàn)的穩(wěn)定性控制所用的傳感器很少，汽車的橫擺角速度大多是通過(guò)內(nèi)外車輪的轉(zhuǎn)速差間接估計(jì)得到的，因此在一些汽車行駛的復(fù)雜工況下很難保證汽車的穩(wěn)定。1995年，BOSCH公司提出的VDC以及TOYOTA公司提出的VSC的概念REF_Ref8622\w\h[3]，都是通過(guò)直接測(cè)量汽車的行駛中的橫擺角速度、側(cè)向加速度的信號(hào)，因此擴(kuò)大了汽車穩(wěn)定性系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。在這一階段，基于這種組成結(jié)構(gòu)的汽車穩(wěn)定性控制算法開始大量出現(xiàn)，其中Bosch的VDC是其中比較典型的控制方法之一，它采用車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與車輛理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的誤差反饋來(lái)決策汽車的橫擺力矩，并通過(guò)差動(dòng)制動(dòng)或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車橫擺運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，這一控制方法也是現(xiàn)在汽車穩(wěn)定性控制中比較常用的控制方怯。初期的汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)大多應(yīng)用在高檔的轎車或商用車上。2001年，AdvancTrac汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)成為第一個(gè)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型汽車上的系統(tǒng)?？刂撇呗院退惴ǖ拈_發(fā)是汽車穩(wěn)定性控制開發(fā)的核心工作。常用的控制方法有：采用車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與車輛理想運(yùn)行狀態(tài)的誤差反饋來(lái)決策車輛的控制橫擺力矩，并通過(guò)差動(dòng)制動(dòng)或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛橫擺運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)REF_Ref11643\w\h[4]?；谲嚿韨?cè)偏角和車身側(cè)偏角的變化率的相平面方法分析車輛在緊急轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性，并采用相應(yīng)的控制方法實(shí)行控制。如基于橫擺角速度偏差值的門限控制方法；采用橫擺角速度、側(cè)偏角、側(cè)向加速度作為反饋信號(hào)的PID控制方法REF_Ref12130\w\h[5]。2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，到目前為止，只有少許汽車（如奧迪A6、新式帕薩特）上安裝了汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，并且沒(méi)有自己的實(shí)際開發(fā)系統(tǒng)的能力，大多數(shù)學(xué)者只是基于理論研究。張成寶REF_Ref9511\w\h[6]從理論上對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制策略進(jìn)行了分析，分別采用單一變量和多變量為控制參數(shù)進(jìn)行了控制，并且分別以橫擺角速度、橫擺角加速度、左右輪速差為單控制變量，采用了傳統(tǒng)的PID控制算法，多變量控制釆用了以轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度的反饋控制方法和以橫擺角速度和整車側(cè)偏角為控制參數(shù)的最優(yōu)控制方法。田佳卿等人REF_Ref12793\w\h[7]在汽車二自由度分析模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以橫擺角速度為控制變量并基于單神經(jīng)元控制器的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過(guò)固定方向盤轉(zhuǎn)角仿真，自適應(yīng)控制有更好的控制性能，但是沒(méi)有考慮算法的穩(wěn)定性以及制動(dòng)力的具體分配問(wèn)題。徐巍等人REF_Ref13678\w\h[8]根據(jù)所設(shè)計(jì)的汽車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)，利用PID控制原理提出控制原理圖，建立汽車模型、Matlab框圖、汽車ADAMS三維模型，并進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)聯(lián)合仿真。鄒輝等人REF_Ref14471\w\h[9]分析汽車失穩(wěn)的原因，提出汽車穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵是控制輪胎縱、側(cè)向力的分布，而輪胎的縱、側(cè)向力又受到滑移率、側(cè)偏角和垂直載荷等因素影響。宋丹丹REF_Ref15425\w\h[10]通過(guò)建立汽車及轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型，提出基于模糊控制器的汽車防側(cè)滑控制方案。朱宏波REF_Ref15712\w\h[11]在ESC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)ESC系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了深入研究，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的算法和系統(tǒng)的可靠性。王建濤REF_Ref17430\w\h[12]對(duì)比前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究，提出了三種控制策略和兩種控制系統(tǒng)。并通過(guò)對(duì)比分析各個(gè)方案的可行性得出了一種滑模自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)的控制器。楊益提REF_Ref18442\w\h[13]出了基于載荷轉(zhuǎn)移比等高線的側(cè)翻預(yù)警，并依此提出一種磁流變閥控半主動(dòng)懸架汽車側(cè)翻控制方案。薛健REF_Ref19203\w\h[14]以橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為判斷依據(jù)，提出了通過(guò)差動(dòng)制動(dòng)技術(shù)改變車輛的轉(zhuǎn)向特性和力學(xué)性質(zhì)來(lái)調(diào)整汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種防側(cè)翻系統(tǒng)。3.研究述評(píng)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的控制原理類似于汽車牽引力控制系統(tǒng)。牽引力控制系統(tǒng)依靠電子傳感器探測(cè)到從動(dòng)輪速度低于驅(qū)動(dòng)輪時(shí)(這是打滑的特征)，就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間、減小氣門開度、減小油門、降擋或制動(dòng)車輪，從而使車輪不再打滑REF_Ref19899\w\h[15]。此類系統(tǒng)一般用于高端車型，技術(shù)比重較高。國(guó)外部分高端品牌應(yīng)用較多例如的\t"/baike/154/_blank"奔馳的ASR系統(tǒng)，\t"/baike/154/_blank"豐田的TRC系統(tǒng)，\t"/baike/154/_blank"寶馬的DTC系統(tǒng)，\t"/baike/154/_blank"凱迪拉克的TCS系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)品牌應(yīng)用則較為少見(jiàn)。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)目前主要的控制方式為制動(dòng)力矩控制。制動(dòng)力矩控制是對(duì)將要空轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力，把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余轉(zhuǎn)矩在制動(dòng)器上消耗掉，控制車輪的滑轉(zhuǎn)率在期望的范圍內(nèi)，其方法類似ABS。制動(dòng)控制方式比發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式響應(yīng)速度快，能有效地防止汽車起步時(shí)或者從高附著路面突然躍變到低附著路面時(shí)車輪的空轉(zhuǎn)。制動(dòng)控制方式還能對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行獨(dú)立控制，與差速器鎖止裝置具有同樣的功能。（四）研究?jī)?nèi)容本文主要是設(shè)計(jì)研究汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)主要分為以下6個(gè)部分：第一部分：論文的緒論部分，介紹課題的研究背景、研究意義以及研究現(xiàn)狀，為研究設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。第二部分：汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的知識(shí)介紹，包括有：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成、工作原理以及主要的控制部件。第三部分：對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。第四部分：對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括有：系統(tǒng)控制硬件圖、控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及傳感器接口電路設(shè)計(jì)。第五部分：對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括有：控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、工控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)。第六部分：設(shè)計(jì)的總結(jié)部分，總結(jié)整個(gè)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。二、汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)介紹（一）汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)組成汽車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。它主要由三個(gè)模塊組成：信號(hào)采集單元，電子控制單元和動(dòng)力轉(zhuǎn)向。其中，信號(hào)檢測(cè)單元包括扭矩傳感器，車速傳感器，電流傳感器和其他傳感器。傳感器與整個(gè)系統(tǒng)的精度和速度有關(guān)，其中電子控制單元是我們通常所說(shuō)的汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。負(fù)責(zé)信號(hào)處理，決策支持工作模式以及確定輔助電機(jī)提供的輔助功率（與輔助目標(biāo)電流大小成線性關(guān)系，以便通常與輔助電流大小一起顯示）的核心技術(shù)選擇了合適的控制策略通過(guò)實(shí)際電流控制目標(biāo)電流。動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向齒輪，電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)。圖2.1汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（二）汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)工作原理如圖2.1所示，在轉(zhuǎn)向柱輔助的汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)中，扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸上。如果不需要轉(zhuǎn)向過(guò)程，則增壓電動(dòng)機(jī)不必運(yùn)行。當(dāng)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，通過(guò)手動(dòng)操縱方向盤來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸，從而使安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器工作并接收電子控制單元；扭矩傳感器轉(zhuǎn)換的電扭矩信號(hào)以及車速傳感器，電子控制單元收集的車速信號(hào)；根據(jù)這些和這些值確定輔助電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和輔助電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（用輔助電流的大小表示），然后將其傳遞到增壓電動(dòng)機(jī)，然后通過(guò)電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向軸直接驅(qū)動(dòng)到提供轉(zhuǎn)向所需的動(dòng)力，并連接至增壓電動(dòng)機(jī)并實(shí)現(xiàn)基本的動(dòng)力控制功能。在不同的速度下，汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的性能也不同。低速時(shí)所需的轉(zhuǎn)向力較大，為了確保車輛在低速時(shí)高速行駛時(shí)的舒適性，此時(shí)必須提供大量動(dòng)力，因此，為了防止這種情況發(fā)生，轉(zhuǎn)向力較低。車輛在高速行駛過(guò)程中會(huì)打滑和顫動(dòng)，以確保在高速條件下的安全性和穩(wěn)定性。（三）汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)主要部件此設(shè)計(jì)項(xiàng)目的車身底盤使用帶有配重的鐵塊。卸下所有車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱，汽車座椅和電氣設(shè)備后，請(qǐng)?jiān)谠剂慵习惭b平衡重。將整車的重量保持在1.8噸，以使整車和實(shí)際車輛的整備質(zhì)量和質(zhì)量分布相同。一方面，直接實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)顯示功能，另一方面，保留了車輛的轉(zhuǎn)角傳感器G85和扭矩傳感器G269，并且可以直接使用車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳感器。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了更多的動(dòng)力馬達(dá)選擇和控制ECU的額外設(shè)計(jì)，并開發(fā)了用于汽車轉(zhuǎn)向助力的控制系統(tǒng)，包括：具有轉(zhuǎn)向助力馬達(dá)而不是手動(dòng)轉(zhuǎn)向操作的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和PLC工作狀態(tài)模擬系統(tǒng)。圖2.2是為此項(xiàng)目開發(fā)的用于汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。圖2.2汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖1.控制單元ECU控制單元ECU的作用：當(dāng)車輛的轉(zhuǎn)向輔助控制單元執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，用手旋轉(zhuǎn)方向盤以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向軸，從而使安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器工作，電子控制單元的ECU接收扭矩傳感器扭矩傳感器檢測(cè)到的電動(dòng)扭矩信號(hào)和由車速傳感器，電子控制單元檢測(cè)到的車速信號(hào)相應(yīng)地確定了輔助電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和輔助電動(dòng)機(jī)的扭矩（以輔助電流的大小表示），并將這些值傳輸?shù)捷o助電動(dòng)機(jī)，然后通過(guò)電磁離合器連接輔助電動(dòng)機(jī)以及減速機(jī)構(gòu)，并直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸以提供轉(zhuǎn)向所需的輔助動(dòng)力，從而為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供額外的轉(zhuǎn)向扭矩。在設(shè)計(jì)用于汽車轉(zhuǎn)向的輔助控制系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)前大多數(shù)控制控制芯片都使用單芯片系統(tǒng)：有8位和16位類型，有些使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制單元。汽車上最常用的Freescale單片機(jī)是主控制單元。具體型號(hào)為16位MC9S12DP256單片機(jī)，適用于高端汽車的電子控制。2.轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器是汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，其性能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。其功能是通過(guò)電信號(hào)記錄駕駛員施加在方向盤上的扭矩的大小和方向，并將其發(fā)送給ECU?？刂茊卧狤CU從扭矩傳感器接收電扭矩信號(hào)，并從車速信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等接收信號(hào)，以根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略提供幫助。扭矩傳感器在汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)中至關(guān)重要。扭矩傳感器主要是接觸式和非接觸式傳感器。為此設(shè)計(jì)選擇的扭矩傳感器是具有電磁感應(yīng)的扭矩傳感器。圖2.3顯示了電磁感應(yīng)扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)。圖2.3電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)圖扭矩傳感器工作原理如圖2.4所示，磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)是一體的結(jié)構(gòu)。類似地，磁阻傳感器元件和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊的結(jié)構(gòu)是一體的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，轉(zhuǎn)向柱連接塊和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊向后移動(dòng)，即，磁轉(zhuǎn)子和磁阻檢測(cè)元件向后移動(dòng)，從而可以相應(yīng)地測(cè)量轉(zhuǎn)向扭矩的大小并將其傳輸?shù)娇刂茊卧?。圖2.4電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理圖3.車速傳感器如圖2.5所示，它是具有電磁感應(yīng)的車速傳感器的結(jié)構(gòu)。在空間上，車速傳感器永久安裝在變速箱周圍。原則上，系統(tǒng)的左右部分形成電磁感應(yīng)系統(tǒng)。感應(yīng)線圈中的磁通量發(fā)生變化，發(fā)生電磁感應(yīng)并產(chǎn)生感應(yīng)電壓。圖2.5電磁感應(yīng)式車速傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示，示波器測(cè)量的感應(yīng)電壓曲線類似于正弦曲線，可以通過(guò)設(shè)置電路將其轉(zhuǎn)換為方波曲線。用示波器測(cè)量方波信號(hào)的頻率，然后測(cè)量輪胎半徑并根據(jù)計(jì)算公式確定車速。圖2.6感應(yīng)電壓曲線本次設(shè)計(jì)拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)等，僅留下汽車的懸架和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，汽車的車輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)中使用直流電動(dòng)機(jī)（12V；80W；怠速：3800rpm），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器和帶有相同車齒數(shù)的信號(hào)板來(lái)模擬車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。原理圖如圖2.7所示：圖2.7速度信號(hào)模擬裝置4.減速機(jī)構(gòu)和離合器汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)直接連接至助力馬達(dá)，從而減慢并增加扭矩。當(dāng)前，減速機(jī)構(gòu)具有兩種主要形式：行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪減速機(jī)構(gòu)。蝸輪減速機(jī)構(gòu)通常用于動(dòng)力轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)，行星齒輪減速機(jī)構(gòu)通常用于動(dòng)力輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和齒條輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向柱車輛，轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。該構(gòu)造使用蝸輪減速機(jī)構(gòu)。電磁離合器通過(guò)減速機(jī)構(gòu)連接到增壓電動(dòng)機(jī)。減速機(jī)構(gòu)增加扭矩后，將直接驅(qū)動(dòng)增壓電機(jī)以產(chǎn)生轉(zhuǎn)向所需的動(dòng)力。當(dāng)電磁離合器關(guān)閉時(shí)，后兩個(gè)關(guān)閉，而當(dāng)電磁離合器打開時(shí)，后兩個(gè)打開，從而提供安全保護(hù)。如果車速過(guò)高并且車輛的轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，則該系統(tǒng)會(huì)斷開電磁離合器的連接，并且伺服電動(dòng)機(jī)會(huì)停止工作。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從電動(dòng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向純手動(dòng)轉(zhuǎn)向，以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作并且車輛繼續(xù)安全行駛。圖2.8蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖5.助力電機(jī)該設(shè)計(jì)支持電動(dòng)機(jī)的附加選擇設(shè)計(jì)，以提供電氣支持。汽車的轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)由增壓發(fā)動(dòng)機(jī)支持，不同的增壓電動(dòng)機(jī)具有不同的增壓效果。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能直接影響機(jī)動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的性能。輔助馬達(dá)也是用于機(jī)動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向支撐的控制系統(tǒng)的重要組件之一。用于機(jī)動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)對(duì)增壓電動(dòng)機(jī)提出了許多要求。具體而言，要求是：（1）常規(guī)的車載電源是12V直流電源，選擇放大器電機(jī)的標(biāo)稱工作電壓最好是12V，同時(shí)，放大器電機(jī)的標(biāo)稱電流和標(biāo)稱功率也應(yīng)該大并且提供大扭矩。（2）安全性高，易于控制，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍大，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能平穩(wěn)運(yùn)行，扭矩波動(dòng)小，噪音低。（3）選型時(shí)，助力電動(dòng)機(jī)的尺寸要盡可能小，這進(jìn)一步減輕了重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也適合于結(jié)構(gòu)和安裝。（4）升壓電機(jī)受阻時(shí)可產(chǎn)生升壓效果。如果某些重型車輛出現(xiàn)故障，則車輛的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)可以提供相反的助力方向。圖2.9助力電機(jī)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的助力電動(dòng)機(jī)和電子控制單元的ECU有兩種連接方法：一種是獨(dú)立的，兩種是分開的，另一種是集成的。圖2.9顯示了增壓電機(jī)的通用結(jié)構(gòu)。表2.1不同種類助力電機(jī)特點(diǎn)比較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)永磁有刷電動(dòng)機(jī)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三相定子鋁或銅籠轉(zhuǎn)子無(wú)永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)繞組機(jī)械換向器三相定子永磁轉(zhuǎn)子電子換向四相定子鋼鐵轉(zhuǎn)子無(wú)轉(zhuǎn)子繞組無(wú)永磁體負(fù)荷效率90-92%85-97%85-97%78-86%系統(tǒng)復(fù)雜程度驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜控制器簡(jiǎn)單控制器簡(jiǎn)單高低復(fù)雜使用技術(shù)成熟成熟發(fā)展中發(fā)展中可靠性一般較好優(yōu)較好力矩波動(dòng)小設(shè)計(jì)電機(jī)考慮通過(guò)電磁設(shè)計(jì)考慮由電磁設(shè)計(jì)和電子控制考慮功率密度中中高中上表2.1在結(jié)構(gòu)特性，效率，系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，技術(shù)成熟度，可靠性，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等方面對(duì)不同類型的增壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了全面比較。由于對(duì)控制電路的復(fù)雜性，電動(dòng)機(jī)技術(shù)，永磁有刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的成熟度和可靠性進(jìn)行了廣泛的分析，永磁電動(dòng)機(jī)具有更大的優(yōu)勢(shì)，可以用作選型的參考。根據(jù)該信息進(jìn)一步示出，用于汽車的轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)的增壓電動(dòng)機(jī)大多使用無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)或無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)通常更適合于需要較少最大支撐的中小型車輛。一方面，永磁直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有低復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的控制和低廉的價(jià)格。另一方面，該技術(shù)更加成熟可靠。無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)更適合需要更多支撐的重型車輛。首先，有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)具有高功率密度并可以提供更高的扭矩。另一方面，將它們與其他發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行比較，低復(fù)雜度和易于控制。根據(jù)上面的需求分析，此設(shè)計(jì)中使用的增壓電動(dòng)機(jī)是有刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)性能參數(shù)在表2.2中列出。表2.2助力電機(jī)參數(shù)參數(shù)類別參數(shù)值輸出功率230W額定電壓12V額定電流30A額定轉(zhuǎn)速1500r/min額定轉(zhuǎn)速0.98N*m三、汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案（一）控制器的基本結(jié)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制器如圖3.1所示。控制器主要由以下部分組成：MC9S12DP256主控制微控制器，扭矩信號(hào)檢測(cè)電路，點(diǎn)火使能信號(hào)，車速信號(hào)檢測(cè)電路，增壓器電流檢測(cè)電路和增壓器驅(qū)動(dòng)電路。扭矩傳感器將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理后，可以直接從單片機(jī)的A/D端口檢測(cè)到該電壓信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)起著至關(guān)重要的作用，因此汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)可以從車速開始，這一信號(hào)很重要，用于決策。在這種結(jié)構(gòu)中，使用具有相同車齒數(shù)的12VDC電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制器和信號(hào)板來(lái)模擬車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)內(nèi)置在微控制器中的A/D進(jìn)行檢測(cè)?；魻栯娏鱾鞲衅鲗㈦娏髦缔D(zhuǎn)換為電壓值信號(hào)，然后通過(guò)內(nèi)置于單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行記錄。該系統(tǒng)的工作過(guò)程是：將扭矩傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)和模擬采集的車速信號(hào)發(fā)送至控制器，并轉(zhuǎn)換控制器的設(shè)計(jì)支撐特性，以獲得輔助電機(jī)的目標(biāo)電流值，最后根據(jù)相應(yīng)的控制策略確定PWM。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)，驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作并提供額外的轉(zhuǎn)向扭矩。圖3.1汽車轉(zhuǎn)向輔助控制器基本結(jié)構(gòu)圖（二）控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)在該設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種用于汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)方向盤力學(xué)測(cè)量和控制系統(tǒng)來(lái)控制方向盤的速度和角度，該系統(tǒng)可代替手并實(shí)時(shí)返回方向盤的扭矩。由于汽車卸下了發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱和其他驅(qū)動(dòng)器，因此僅保留了汽車的底盤。而且轉(zhuǎn)向單元，車輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，PLC觸摸屏上的多合一機(jī)器可模擬不同的工作條件和車速。這兩個(gè)構(gòu)成了汽車轉(zhuǎn)向助力器的控制系統(tǒng)。圖3.1顯示了用于汽車轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)的原理。機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分。第一部分是車輛機(jī)構(gòu)的一部分，包括車輛底盤的懸架，車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)傳感器，車輛的轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制器。第二部分是轉(zhuǎn)向輔助手動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊的控制系統(tǒng)，第三部分是用于模擬工作狀態(tài)的控制柜部分，包括集成在主機(jī)PLC觸摸屏中的機(jī)器以及用于控制工作狀態(tài)模擬的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)如圖3.2所示，其中左側(cè)是包含汽車底盤的車輛部件和使用本文所述控制器的轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)，右側(cè)是包含PLC觸摸屏的控制柜部件，用于計(jì)算機(jī)和主機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？刂齐娐肺挥跈C(jī)柜中，這兩個(gè)部分通過(guò)線束連接。圖3.2汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)原理圖由于方向盤的動(dòng)力難以控制和調(diào)節(jié)以提供手的動(dòng)力并測(cè)試支撐性能，因此在本文中開發(fā)了一種轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)來(lái)代替手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。方向盤的速度由方向盤力學(xué)測(cè)量和控制系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)取代了人的手。角度和實(shí)時(shí)返回方向盤扭矩。在本文中，開發(fā)了一種PLC觸摸屏多合一機(jī)器，可以模擬不同的工作條件和車速，這兩個(gè)構(gòu)成了汽車的轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)。圖2.11顯示了用于汽車轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)的原理。汽車轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分。第一部分是車身機(jī)構(gòu)的一部分，包括車輛的懸架，車輛的預(yù)留轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)傳感器，轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制。第二部分是轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)手動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊，第三部分是用于模擬工作狀態(tài)的控制柜部分，包括集成在主機(jī)PLC觸摸屏中的機(jī)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于控制工作狀態(tài)的模擬。本文中設(shè)計(jì)的用于汽車轉(zhuǎn)向的輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的左側(cè)部分是本文檔中描述的車輛部分，包括車輛底盤和本文中描述的用于汽車轉(zhuǎn)向的附加控制系統(tǒng)，右側(cè)部分是控制柜的一部分，包括PLC觸摸屏中的那些部分，集成機(jī)和主機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制電路位于機(jī)柜中，這兩個(gè)部分通過(guò)線束連接。首先是轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而不是手動(dòng)轉(zhuǎn)向。基于汽車方向盤，在汽車方向盤的后部安裝了同步嚙合機(jī)構(gòu)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)機(jī)構(gòu)，以啟動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)，而不是手動(dòng)輔助，正負(fù)180度轉(zhuǎn)向限制控制。在該系統(tǒng)中，大齒輪安裝在方向盤的轉(zhuǎn)向柱上，并用合適的一字螺絲固定，并且兩者相互連接。其中，安裝在轉(zhuǎn)向柱上的大齒輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪由轉(zhuǎn)向柱的直徑和傳動(dòng)比決定。增壓電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小齒輪，以驅(qū)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)。大齒輪安裝在方向盤柱上，并通過(guò)螺絲槽集成到方向盤中，因此大齒輪傳動(dòng)裝置同時(shí)驅(qū)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)的選擇和調(diào)試以及減速器的選擇。選擇動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)而不是便宜的步進(jìn)電機(jī)的原因是：（1）穩(wěn)定性好：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)可以在低速下平穩(wěn)運(yùn)行，并具有較小的抖動(dòng)和較高的穩(wěn)定性。（2）良好的舒適性：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)熱量和噪音大大降低。（3）控制：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)控制位置，速度和扭矩，從而克服了步進(jìn)電機(jī)的問(wèn)題。（4）良好的動(dòng)態(tài)性能：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)對(duì)加速和減速反應(yīng)迅速。（5）速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)的額定速度通常為2000-3000rpm，高速性能良好。（6）高精度：動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)可以將來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路的脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為精確的機(jī)械動(dòng)作。關(guān)于類型選擇，轉(zhuǎn)向助力馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)控制器使用松下A5-II伺服，MBDKT2510驅(qū)動(dòng)器型號(hào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向模型MHMD042PIU。電機(jī)的額定電壓為200-240V，最大額定電流為15A，最大速度為3000rpm，額定功率為400W，具有較高的慣性。最后，PLC觸摸屏的多功能一體機(jī)可模擬不同的運(yùn)行條件和車速設(shè)計(jì)。模擬的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須由PLC控制。此外，方向盤前進(jìn)和后退停止的仿真需要PLC控制，主要是軟件設(shè)計(jì)工作。四、汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（一）控制系統(tǒng)硬件圖在該控制設(shè)計(jì)中，選擇了MC9S12DP256單片機(jī)作為主控制?？刂破鹘邮沼膳ぞ貍鞲衅鬓D(zhuǎn)換的電扭矩信號(hào)和由車速傳感器收集的車速信號(hào)。集成控制策略確定電機(jī)的目標(biāo)電流大小。發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以提供轉(zhuǎn)向輔助。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示?？刂朴布娐钒▎纹瑱C(jī)系統(tǒng)，輸入脈沖檢測(cè)電路，模擬輸入電路，I/O輸入電路，PWM驅(qū)動(dòng)電路，CAN接口電路等。此外，還有電源電路和通信電路。該設(shè)計(jì)使用12V直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬車速，并且通過(guò)內(nèi)置于工作狀態(tài)模擬系統(tǒng)中的PLC觸摸屏機(jī)來(lái)控制車速，從而可以通過(guò)A/D直接捕獲車速信號(hào)?；魻杺鞲衅鞲袦y(cè)到電動(dòng)機(jī)電流，升壓電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流通過(guò)A/D采集模塊輸出。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號(hào)預(yù)測(cè)車輛的工作狀態(tài)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的控制算法調(diào)整給定的控制量，然后將控制信號(hào)發(fā)送到助力器電動(dòng)機(jī)，以控制助力電機(jī)的助力大小和方向。圖4.1汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)硬件圖（二）控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主控制單元是整體控制的核心，選擇核心控制芯片時(shí)需要考慮許多方面。根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的特性，本文的主控制單元使用MC9S12DP256微控制器。1.MC9S12DP256單片機(jī)簡(jiǎn)介通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，汽車中最常用的Freescale單片機(jī)被選作主控制單元。具體型號(hào)為16位MC9S12DP256單片機(jī)，適用于高端車輛的電子控制。其特點(diǎn)如下：（1）16位MC9S12單片機(jī)16位雙核單片機(jī)，性能優(yōu)越，具體參數(shù)如表4.1所示。表4.1MC9S12單片機(jī)參數(shù)參數(shù)類別參數(shù)值RAM（KB）12FLash（KB）256EEPROM（KB）4（2）A/D轉(zhuǎn)換模塊一個(gè)16通道10位A/D轉(zhuǎn)換就足夠了。A/D轉(zhuǎn)換的完成觸發(fā)一個(gè)中斷，轉(zhuǎn)換結(jié)果左右對(duì)齊，轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)調(diào)用低功耗模式。（3）PWM模塊PWM模塊具有八個(gè)PWM通道，每個(gè)通道都有一個(gè)可編程的周期和一個(gè)可編程的占空比，因此八個(gè)通道中的每個(gè)通道都可以控制頻率和占空比，八個(gè)通道具有自己的計(jì)數(shù)器和寬范圍的頻率可以選擇編程時(shí)鐘選擇邏輯已經(jīng)過(guò)調(diào)整，可以立即停止。（4）增強(qiáng)型輸入捕捉時(shí)間模塊計(jì)數(shù)器為16位，可產(chǎn)生七個(gè)頻率，它具有八個(gè)可編程的擴(kuò)展輸入采集和輸出比較通道。（5）五個(gè)CAN模塊每個(gè)CAN有兩個(gè)接收緩沖區(qū)和三個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)。每個(gè)CAN都有四個(gè)獨(dú)立的中斷通道。（6）串行接口它具有兩個(gè)異步串行全雙工通信接口模塊SCI，一個(gè)總線接口I2C和三個(gè)同步串行外圍設(shè)備接口SPI。（7）112腳LQFP封裝該芯片采用5V電源，總線速度為25MHz，A/D轉(zhuǎn)換采用5V，可用于BDM調(diào)試。控制硬件電路的主控制單元根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的特性，并結(jié)合上述芯片參數(shù)和特性，選擇微控制器MC9S12DP256。2.MC9S12DP256主控電路設(shè)計(jì)控制ECU的單片機(jī)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)主要包括電源電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和BDM接口電路，串行通信電路和CAN通信電路的設(shè)計(jì)。MC9S12DP256微控制器系統(tǒng)的主電路單元如圖4.2所示。每個(gè)電路的功能如下所示。圖4.2MC9S12DP256主電路單元圖（1）電源電路MC9S12DP256內(nèi)部使用2.5V電壓，該電壓由集成穩(wěn)壓器模塊提供，外部使用+5V電源。內(nèi)部低電壓可以加快CPU的運(yùn)行速度并降低功耗。I/O端口中使用的較高電壓可以更好地承受外部干擾。綜上所述，復(fù)雜工作環(huán)境的控制系統(tǒng)可以使用MC9S12DP256微控制器。由于車輛的車載電源為12V，因此有必要通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將+12V轉(zhuǎn)換為+5V用于單片機(jī)。電路如圖4.3所示。圖4.3電源電路（2）時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是單片機(jī)工作系統(tǒng)中最重要的組成部分。常規(guī)MC9S12單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)如下：首先將外部16MHz晶體振蕩器連接到單片機(jī)的兩個(gè)外部晶體振蕩器輸入接口EXTAL和XTAL，然后通過(guò)內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)振蕩器和微控制器的鎖相環(huán)增加晶體頻率。從16MHz到24MHz的值，最終達(dá)到時(shí)鐘電路所需的頻率。時(shí)鐘電路如圖4.4和圖4.5所示。圖4.4晶振電路圖圖4.5鎖相環(huán)濾波電路（3）串口通信電路RS-232電平轉(zhuǎn)換后，它通過(guò)單片機(jī)中的SCI模塊與計(jì)算機(jī)通信。單片機(jī)可以使用串行驅(qū)動(dòng)電路中的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)通信協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行異步串行通信，如圖4.6所示。圖4.6串口通信電路（4）CAN總線通信電路單片機(jī)本身具有CAN，因此可以使用CAN總線驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN控制器和物理總線接口電路。CAN總線的控制電路使用飛利浦的82C250芯片作為總線驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4.7）。圖4.7CAN總線通信電路（5）BDM接口電路BDM接口電路包含兩個(gè)子接口電路。一個(gè)是BDMIN接口，通過(guò)該接口將程序?qū)懭胛⒖刂破鳎硪粋€(gè)是BDMOUT接口，如果應(yīng)用程序是BDM調(diào)試器程序，則用作BDM調(diào)試器輸出。如圖4.8所示，它是一個(gè)BDM接口電路。圖4.8BDM接口電路（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)助力電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路用于控制和驅(qū)動(dòng)增壓電動(dòng)機(jī)，以更好地提供增壓性能。增壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由直流電動(dòng)機(jī)控制器，由四個(gè)MOSFET管組成的H橋電路和安全繼電器組成。由扭矩傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)和通過(guò)仿真檢測(cè)到的車速信號(hào)被發(fā)送到控制器，并且通過(guò)控制器中設(shè)計(jì)的升壓特性轉(zhuǎn)換升壓電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流值。最后，根據(jù)相應(yīng)的控制策略獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的PWM控制空氣比使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果目標(biāo)電流異常，能及時(shí)切斷電源。1.BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片測(cè)量和控制H橋電路由四個(gè)MOSFET組成。當(dāng)同時(shí)打開Q1和Q4，關(guān)閉Q2和Q3時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，如圖4.9所示。如果Q2和Q3同時(shí)打開，則Q1和Q4將關(guān)閉，電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖4.10所示。圖4.9H橋電路電機(jī)正轉(zhuǎn)圖4.10H橋電路電機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)于H橋驅(qū)動(dòng)電路，在選擇MOSFET型號(hào)時(shí)，應(yīng)充分考慮MOSFET的反向電壓值，電機(jī)的額定電流，額定電壓等。在本文中，選擇BTS7960作為驅(qū)動(dòng)電路的主芯片。2.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4.11所示，這是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路圖。74LS244芯片的功能是將大電流與MC9S12DP256隔離。在電動(dòng)機(jī)輸入端使用5V電源時(shí)，電路的輸出為0。如果占空比較小，則輸出電壓較高，否則輸出電壓較低。圖4.11驅(qū)動(dòng)電路圖（四）傳感器接口電路設(shè)計(jì)1.轉(zhuǎn)矩傳感器接口電路設(shè)計(jì)扭矩傳感器的輸出電壓為0-5V，因此可以將輸出直接連接到A/D模塊以對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。圖4.12顯示了扭矩傳感器的接口電路。在信號(hào)輸入連接器上增加了一個(gè)盒式電路和一個(gè)電阻電容電路，以防止模擬輸入中產(chǎn)生的反向電壓過(guò)高或過(guò)低。圖4.12轉(zhuǎn)矩傳感器接口電路2.車速傳感器接口電路設(shè)計(jì)通過(guò)這種設(shè)計(jì)，保留了車速傳感器，并使用具有相同車齒數(shù)的12V直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制器和信號(hào)板來(lái)模擬車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。車速由工作狀態(tài)模擬系統(tǒng)中的PLC觸摸屏多合一機(jī)器控制，因此可以通過(guò)A/D直接記錄車速信號(hào)。車速傳感器的接口電路如圖4.13所示。圖4.13車速傳感器接口電路五、汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（一）控制器軟件設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的軟件部分的主要任務(wù)包括：系統(tǒng)初始化，收集電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的信號(hào)：扭矩信號(hào)，車速信號(hào)和輔助電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流，以及隨后對(duì)收集到的值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。還需要對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。1.主程序設(shè)計(jì)作為釋放信號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火標(biāo)志著汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的啟動(dòng)。在信號(hào)采集之前執(zhí)行系統(tǒng)初始化，主要包括：時(shí)鐘初始化，I/O端口初始化，計(jì)時(shí)器初始化，AID初始化，PWM初始化，中斷初始化，控制參數(shù)初始化，SCI初始化，CAN初始化等。初始化過(guò)程的功能是這樣做初始化單片機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，然后方便主循環(huán)程序的運(yùn)行。如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)初始化流程圖初始化完成后，將記錄電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的信號(hào)：扭矩信號(hào)，車速信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)電流。在收集了汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)所需的信號(hào)之后，對(duì)信號(hào)值進(jìn)行濾波。系統(tǒng)使用每個(gè)信號(hào)來(lái)確定其是否正常運(yùn)行。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，因此不會(huì)輸出任何動(dòng)力，查詢錯(cuò)誤代碼并進(jìn)行調(diào)試。如果未報(bào)告錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)向助力器的控制系統(tǒng)將通過(guò)CAN總線與車輛的其他單元進(jìn)行通信?？刂破鞲鶕?jù)接收到的信號(hào)值和控制算法指定輔助扭矩，最后通過(guò)脈寬調(diào)制PWM控制輔助電機(jī)的輔助支撐。如圖5.2所示為系統(tǒng)主程序流程圖。圖5.2主程序流程圖2.A/D采集子程序該設(shè)計(jì)使用12V直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬車速，并且可以直接從A/D捕獲車速信號(hào)。因此，在本文中，A/D檢測(cè)包括扭矩傳感器信號(hào)，霍爾電流傳感器信號(hào)和車速傳感器信號(hào)的檢測(cè)。如圖5.3所示，這是A/D采集的流程圖。采集前，首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要是：掃描時(shí)間設(shè)置，時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換設(shè)置，掃描通道編號(hào)對(duì)齊方式，連續(xù)轉(zhuǎn)換方式設(shè)置和對(duì)齊結(jié)果對(duì)齊方式。確定是否已達(dá)到定期中斷時(shí)間。如果沒(méi)有，請(qǐng)繼續(xù)等待主程序。達(dá)到定時(shí)后，進(jìn)入中斷，開始A/D轉(zhuǎn)換，輸出值，最后返回結(jié)果。圖5.3A/D采集流程圖3.數(shù)字濾波子程序正確的信號(hào)處理可使系統(tǒng)測(cè)量最準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)輸出，消除各種干擾影響。信號(hào)在傳輸過(guò)程中通常包含其他信號(hào)量，包括干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。如果未處理該信號(hào)，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)甚至故障。硬件電路設(shè)計(jì)的前一部分使用了硬件濾波電路：電源電路設(shè)計(jì)使用共模電感和濾波電路來(lái)大大衰減干擾信號(hào)，并且去耦電容器被添加到電源的輸入和輸出。但是，這些濾波器電路是模擬電路，不能用于處理復(fù)雜的隨機(jī)和低頻干擾。借助軟件，數(shù)字濾波可以滿足要求。數(shù)字濾波方法主要有以下幾種：算術(shù)平均法，移動(dòng)平均法，抗脈沖干擾平均法和數(shù)字低通濾波法。在用于機(jī)動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向助力器的控制系統(tǒng)中，增壓電動(dòng)機(jī)開始工作的時(shí)刻非常大并產(chǎn)生脈沖信號(hào)。此外，與其他控制站相比，車輛的外部溫度變化很大，環(huán)境惡劣，電磁干擾和其他電子噪聲脈沖干擾也很強(qiáng)。因此，在本設(shè)計(jì)中選擇了抗脈沖干擾的平均方法，數(shù)字濾波流程圖如圖5.4所示。如圖所示，平均值法的工作原理是先將A/D轉(zhuǎn)換收集的信號(hào)值存儲(chǔ)在數(shù)組中，然后對(duì)數(shù)組進(jìn)行排序。完成后，去除數(shù)組中的最大值和最小值。對(duì)于其他數(shù)據(jù)，使用平均值作為有效值。圖5.4數(shù)字濾波流程圖（二）工控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.觸摸屏設(shè)計(jì)綜合考慮綜合性能，價(jià)格等因素，本次設(shè)計(jì)的觸摸屏型號(hào)為：MCGS觸摸屏，其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）良好的實(shí)時(shí)性能：觸摸屏核心具有強(qiáng)大的功能，電阻屏和良好的實(shí)時(shí)性能。（2）豐富的資源：隨時(shí)更新用于不同工業(yè)場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)程序。（3）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：系統(tǒng)具有足夠的存儲(chǔ)空間和壓縮存儲(chǔ)空間。（4）對(duì)外開放：該驅(qū)動(dòng)程序不僅具有現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)程序，而且還支持驅(qū)動(dòng)程序自定義。（5）高兼容性：更新的軟件向后兼容，新軟件可用于舊產(chǎn)品。（6）穩(wěn)定性好：簡(jiǎn)單方便，適用于各種復(fù)雜環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定。因此，觸摸屏設(shè)計(jì)軟件采用與觸摸屏配合的配置軟件：MCGS7.7。打開軟件以創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，選擇觸摸屏大小和背景色，然后轉(zhuǎn)到Workbench設(shè)計(jì)頁(yè)面。在設(shè)計(jì)工作臺(tái)設(shè)計(jì)頁(yè)面時(shí)，它主要是在設(shè)備窗口和用戶窗口中設(shè)計(jì)的。其中，用戶窗口通過(guò)不同控制元素，文字和動(dòng)畫的合理組合形成用戶操作端的操作窗口側(cè)。設(shè)計(jì)用戶窗口后，調(diào)用設(shè)備窗口，調(diào)整所使用的PLC模型，并為每個(gè)按鈕，滑塊，輸入字段和其他控制元素分配讀寫通道，以方便對(duì)PLC程序進(jìn)行編程控制。圖5.5用戶端主窗口圖5.6用戶操作窗口用戶最終設(shè)計(jì)的操作主窗口如圖5.5所示，操作的輔助窗口如圖5.6所示。2.PLC程序設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，PLC使用三菱FX2N系列PLC。特定型號(hào)為FX2N-32MR，帶有4通道模擬DA輸出擴(kuò)展模塊FX2N-4DA（見(jiàn)圖5.7）。圖5.7所用PLC及其附件在該項(xiàng)目中，基于汽車方向盤的保持，用于汽車轉(zhuǎn)向輔助的控制系統(tǒng)在車輛方向盤的后方配備有同步齒輪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輔助電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)。對(duì)轉(zhuǎn)向極限進(jìn)行正負(fù)90度控制，并模擬不同的速度和工況。結(jié)合工作內(nèi)容和要求，可獲得PLC輸入輸出端子和擴(kuò)展端子：（1）所需的輸入連接為：接近開關(guān)1（動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)的正向和反向開關(guān)信號(hào)1）接近開關(guān)2（轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的正向和反向開關(guān)信號(hào)2）（2）所需的輸出端子是：直流電動(dòng)機(jī)速度控制卡1的啟動(dòng)和停止（輪速電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止控制）直流電動(dòng)機(jī)速度控制卡2的啟動(dòng)和停止（電動(dòng)機(jī)速度電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制）轉(zhuǎn)向助力驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)和停止（轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制）（3）所需的四個(gè)DA輸出擴(kuò)展控制端子是：直流電動(dòng)機(jī)的速度控制卡1的速度控制，0-10V（車輪速度模擬）直流電動(dòng)機(jī)速度控制卡2速度控制，0-10V（電動(dòng)機(jī)速度模擬）轉(zhuǎn)向輔助驅(qū)動(dòng)器的模擬輸出控制，0-10V（轉(zhuǎn)向輔助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的模擬控制模式）GXWorks2在項(xiàng)目中用于PLC編程。打開軟件，第一步創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，首先確定PLC型號(hào)，編程語(yǔ)言類型是梯形圖。完成項(xiàng)目后，根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將PLC程序?qū)懭胩菪螆D。設(shè)計(jì)的程序如圖5.8所示。圖5.8PLC控制梯形圖將PLC連接到下載線，設(shè)置COM端口，然后單擊通信測(cè)試以確保PC和PLC已通信。然后執(zhí)行PLC寫入過(guò)程，并將編譯后的程序?qū)懭隤LC。（三）系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)該項(xiàng)目中使用的數(shù)據(jù)采集卡是阿爾泰科技USB5936數(shù)據(jù)采集卡。表5.1列出了所選采集卡的主要參數(shù)。表5.1采集卡主要參數(shù)參數(shù)類別參數(shù)值A(chǔ)D精度（位）12采樣頻率（ks/s）250AD緩存FIFO（K）16增益方式過(guò)程控制增益基于LabVIEW軟件，對(duì)主機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行編程和設(shè)計(jì)，該軟件主要用于實(shí)時(shí)采集車速，扭矩和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)電流，并生成汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的輔助特性，其余高級(jí)功能由汽車執(zhí)行、指導(dǎo)助手控制系統(tǒng)原理的動(dòng)畫演示。1.LabVIEW概述虛擬儀器始于1970年左右，是儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的共同產(chǎn)物，是儀器發(fā)展的當(dāng)前趨勢(shì)?！疤摂M儀器”一詞最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）提出的。虛擬儀器的工作原理是通過(guò)編程將計(jì)算機(jī)與功能硬件結(jié)合在一起，以便用戶可以像操作單元的物理儀器一樣在圖形界面上控制計(jì)算機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和內(nèi)存顯示。虛擬儀器與常規(guī)儀器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大。虛擬儀器可以使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件可以執(zhí)行的功能，包括：數(shù)據(jù)采集和控制，數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。某些編程（即軟件設(shè)計(jì)）在硬件的支持下可以完全實(shí)現(xiàn)常規(guī)儀器可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。（2）圖形語(yǔ)言編程，簡(jiǎn)單易學(xué)。以圖形方式對(duì)虛擬儀器進(jìn)行編程時(shí)，可以在設(shè)計(jì)程序時(shí)調(diào)用先前編寫的驅(qū)動(dòng)程序，從而節(jié)省了時(shí)間和精力。（3）具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和易于維護(hù)。與物理儀器相比，虛擬儀器價(jià)格合理，并且由于缺乏傳統(tǒng)儀器的復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)和電路，使得維護(hù)和管理更加容易。LabVIEW（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程）軟件是NI于1986年推出的功能強(qiáng)大的圖形設(shè)計(jì)編程軟件，已廣泛用作數(shù)據(jù)采集和儀器控制的標(biāo)準(zhǔn)軟件。2.上位機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)LabVIEW中主機(jī)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)：前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。前面板的設(shè)計(jì)用于設(shè)計(jì)最終主機(jī)收集的接口。該設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)部分：配置掃描參數(shù)，汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的顯示界面設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)原理的動(dòng)畫演示設(shè)計(jì)。其中，配置采樣參數(shù)包括采樣頻率設(shè)置，A/D模式設(shè)置，范圍選擇設(shè)置，接地模式設(shè)置，增益控制字設(shè)置，狀態(tài)模式設(shè)置，第一通道和最后一個(gè)通道設(shè)置等。汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的顯示界面是通過(guò)組合顯示空間，圖形控件和其他控件來(lái)形成顯示界面，并與程序框圖相一致的。另一個(gè)高級(jí)轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)原理的動(dòng)畫演示設(shè)計(jì)，是通過(guò)視頻文件的相對(duì)路徑在頁(yè)面上播放汽車轉(zhuǎn)向輔助控制系統(tǒng)的預(yù)制SWF視頻文件。在此LabVIEW框圖編程過(guò)程中，模塊化結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)處理彼此獨(dú)立編程，并在主程序中使用。首先是驅(qū)動(dòng)程序包，包括初始化A/D緩存（請(qǐng)參見(jiàn)圖5.9），初始化A/D設(shè)備（請(qǐng)參見(jiàn)圖5.10），創(chuàng)建USB設(shè)備（請(qǐng)參見(jiàn)圖5.11）以及讀取驅(qū)動(dòng)程序包。A/D數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖）5.12；配置采樣參數(shù)，如圖5.13所示；啟用A/D設(shè)備，如圖5.14所示；共享USB設(shè)備，如圖5.15所示。（1）初始化A/D緩存圖5.9初始化A/D緩存初始化A/D設(shè)備圖5.10初始化A/D設(shè)備（2）創(chuàng)建USB設(shè)備圖5.11創(chuàng)建USB設(shè)備（3）讀取A/D數(shù)據(jù)圖