电气自动化专业毕业设计-电子动力转向系统的研究与设计.docx

毕业设计（论文）电子动力转向系统的研究与设计ElectonicpowersteeingsystemResearchandDesign学生姓名：学历层次：本科指导教师：教师职称：教授完成时间：2008年6月29日摘要电动助力转向系统(EleCtriCPowerSteeringSystem,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(EleCtrOniCControlUnit)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AbstractElectricPowerSteeringSystem(EPS)isoneofthefocusesresearchinautomotiveengineering.ThispaperisbasedontheprinciplesofEPStostudytheoperation,designedanddevelopedtheElectronicControlUnit(ECU)andthesoftwarediagramoftheEeU,ThethesisConsidersthefunctionsoftheelectroniccontrolunitofEPS,studiedanddevelopedthehardwarethatadopted89c51asitsmicroprocessor.Thecontrolunitwasabletorealizereal-timedata/signalacquisitionandsystemcontrol.Thetargetcurrentofmotoroutputcouldbedeterminedbytheobtaineddata;andutilizingthePulse-WidthModulation(PWM)technology,powercouldbeprovidedtothesteeringsystembycontrollingtheoutputcurrentandrotationdirectionthroughH-bridgecircuit.Thesoftwareprogram,whichwasdividedintotherealizationofcontrolstrategyandtheacquisition&controlofdatasignal,wasdevelopedinmodularafterthedesignofexperimentalECUwascompleted.Andthemainprogram,A/Dacquisitionprogram,speedsignalacquisitionprogramandPWMcontrolprogramaredevelopedinthesecondpart.TheresultshowedthattheelectroniccontrolUnitdesignedwaswithstableperformance,appropriatestructureandexcellentmatchingcondition,andtheexcellentpowersteeringeffectcouldbeensuredbyEPS.KeyWordsiElectricPowerSteeringSystem(EPS)ElectronicControlUnitSingle-ChipMicroprocessorControlStrategy1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"(ondemand)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%。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40C很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题。6 .在未来10-15年推出的纯电动汽车或者燃料电池汽车等汽车上由于没有的传统意义上的内燃机，因此必须考虑安装EPS。7 .电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。使用可靠，维修方便.由此可见，EPS和HPS相比，是一项紧扣现代汽车时代发展主题的高新技术，必将逐步取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。1.2 电动助力转向系统国内外的研究现状国外从1979年就开始研究电动式电子控制动力转向系统，1988年日本铃木公司首先在其CER车上装备了电动式EPS。同年，美国通用公司也在某些型号的汽车上装备了电动式EPS。1993年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的爱克NSX跑车上；同年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车-菲亚特帮托也将美国德尔福公司生产的电控助力转向系统作为标准装备。随后，国外很多公司和机构介入了电动式EPS的研究和开发工作。美国的TRW公司，日本的三菱公司、KOYO公司，德国的ZF公司都相继研制出了电动式EPS。经过二十几年的发展，EPS技术已日趋完善，其应用范围正从最初的微型轿车向普通轿车和商用客车方向发展。EPS产品在2002年才有国内企业进行研制开发，目前已经知道的有10多家科研院校正在研制中，如清华大学、吉林大学、江苏大学、天津大学、合肥工业大学等，另外还有10多家转向企业和10多家配套企业也在研制中。从市场应用来看，国内已装有EPS产品的汽车主要为1.3L16L的轿车（主要是电动机的功率所致）。如重庆长安的奥拓、安徽的奇瑞、南京菲亚特、广州本田飞度、昌河北斗星等。但是，由于国产汽车各车型技术的实际情况以及使用条件的特殊性，国外的EPS与国产汽车的匹配以及实用性还存在问题，至今还没有与国产汽车相协调匹配的、且具有自主知识产权的EPS,仅仅在近几年才开展EPS的技术研究，可获得的技术资料较少，目前尚处于技术攻关阶段。1.3 EPS的发展趋势和急待解决的核心技术首先，EPS的应用范围将会进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界汽车行业中，电动转向系统每年正以9%70%的增长速度发展，年增长量达130万至150万套，估计至2005年，该产品的产量将由目前的150万套增长到800万套，2007年将达到1140万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动转向将会完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。尽管EPS已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题急待解决，比如提高现有应用的EPS系统性能的可靠性、降低生产成本等。其中，进一步改善电动机的性能是下一步努力的一个主要方向。电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向、路感等问题。概括地说，今后电动助力转向技术的发展方向主要为：改进控制系统的性能、提高系统可靠性和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统的性能，才能满足更高档车的使用要求。另外，EPS的控制信号将不再仅仅依靠车速、扭矩和方向盘转角，还包括转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向和路感。未来的EPS将向电子四轮转向的方向发展，并与通过总线技术电子悬架、发动机电子控制等一起统一协调控制汽车的运动。随着电子技术的发展，今后有可能取消转向系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统。这将是EPS的未来10年的发展方向。对于我国来说，由于在这方面和国外的差距很大，所以在今后相当长的一段时间内，仍须集中精力解决传感器、电机、和电子控制器方面的研究工作。1.4 本课题研究的目的与意义汽车电子动力转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，即汽车低速时需要“轻”的转向力，高速时需要“灵”的转向效果。同时，转向力与路感也相互制约。21本课题将通过合适的综合控制方法，设计合适的控制系统，以提高汽车转向系统的操纵稳定性和路感，并为以后的深入研究EPS的工作打下良好的基础。从中汽转向专业委员会第十一届学术年会传来的信息表明：电动转向是现代汽车转向系统发展的必然趋势。因此我们必须大力对电动转向技术进行研究。本文所进行的工作正是在这一时代背景下展开的。通过查阅国内外的文献，本文详细介绍了国内外的电动转向系统的发展现状、硬件系统、控制系统并通过仿真提出了一条可供进一步研究的控制策略。2电动助力转向系统方案确定及其工作原理系统总体方案的确定，是进行系统设计最重要、最关键的一步，直接影响到整个控制系统的性能、安全运行等因素的参数选定，使设计能够有序、正确的进行。为更好的拟定一份准确、可靠的总体方案，可以采用“多选一”的形式。第一方案：此方案以80c552作微处理器。如图2-1所示。80c552单片机是由PhiIiPS公司生产的一款功能非常强大的MCS-51系列兼容机。除了提供80C51的全部功能外，还提供了大量的硬件资源，引入了许多新的功能，是专为仪表控制、工业过程控制、汽车发动机与传动控制等实时应用场合而设计的高性能单片机。但是由于80C552没有片内程序存贮器，系统需对程序存储器进行外部扩展。图2-1电动助力转向系统的方案榷图