汽車電動助力轉向系統的研究與設計

楊丙震，劉豪睿

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

汽車電動助力轉向系統的研究與設計

楊丙震，劉豪睿*

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253023）

隨著電子技術的迅速發展，汽車轉向系統已從簡單的純機械式轉向系統轉向助力轉向系統在汽車上的采用，得到最佳的回正性特性，改善汽車操縱的穩定性。電動轉向是現代汽車轉向系統發展的必然趨勢，目前國內的研究開發還處于起始階段，因此我們必須大力對電動轉向技術進行研究。基于此，文章在研究了電動助力轉向系統工作原理的基礎上，設計開發了EPS的電子控制單元的硬件電路和相應的控制軟件框圖。文章的創新點就是結合PWM控制程序，以實現在不同工況和不同模式下對直流電機的精確控制。

電動助力轉向系統；軟硬件設計；自動調整電路

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-38-03

前言

論文將通過合適的綜合控制方法，設計合適的控制系統，以提高汽車轉向系統的操縱穩定性和路感，并為以后的深入研究EPS的工作打下良好的基礎。本文所設計的EPS電子控制單元性能穩定，結構合理，與整車匹配性能好，可保證EPS實現良好的轉向助力效果。

1、電動助力轉向系統概述

1.1 電動助力轉向系統的工作原理

電動助力轉向系統是利用電機作為助力源，根據轉矩參數和車速信號，由電子控制裝置來執行助力控制的，簡單來講就是一種直接依靠電機提供轉矩的動力轉向系統。該系統由傳感器、控制器、和執行機構等構成，使用電力驅動執行機構實現在不同的駕駛條件下為駕駛人員提供適宜的輔助力[1]。

2、電動助力轉向系統的設計

2.1 設計方案確定

本論文是由89c52作為微控制器，如圖2所示。以扭矩傳感器、車速傳感器、發動機電流傳感器的輸出信號作為輸入信號，并經放大電路、ADC0808轉換器轉換送到89c52單片機，再由89c52對輸出電路進行分時控制，從而保證系統正常運行[5]。

圖2 電動助力轉向系統的方案框圖Figure 2 Scheme Block Diagram of EPS

2.2 電動助力轉向系統的器件選用

2.2.1 轉矩傳感器

轉矩傳感器用于測量方向盤的輸出力矩的大小和方向，然后將其轉換為相應的電壓信號傳送給控制器ECU。本課題選用的即為非接觸電位式轉矩傳感器。

2.2.2 車速傳感器

車速傳感器由永久磁鐵、鐵芯及線圈組成。車速信號由車速傳感器測得，車速傳感器也有多種類型，主要是利用電磁原理和光學原理制成，是系統控制重要依據之一[2]。在本文的研究中，采用脈沖發生器來模擬實際的車速信號，用于對控制策略的研究。

2.2.3 直流電動機

作為EPS系統助力的提供者，直流電動機應當有較好的機械特性和調速特性。本課題選用了直流有刷永磁電動機作為EPS系統的助力電機[3]，額定轉速為1050r/min,其工作的額定電壓為12V，額定轉矩為1.48Nm額定電流為30A，額定輸出功率為170W。

2.2.4 電磁離合器

電磁離合器安裝在電動機和減速齒輪之間，它的作用主要是使電機與減速機構快速地結合和分離。當系統工作于助力模式時，離合器使電機與減速齒輪結合，傳送電機的輸出轉矩。當系統車速高于設定值或電機電流高于設定值或系統出現故障時，離合器又斷開電動機與減速齒輪的連接，使系統停止助力，改為人工操作，從而保證系統的安全性和可靠性。

2.2.5 減速機構

減速機構的作用是降低電動機的輸出軸的轉速，從而將電動機輸出軸的輸出轉矩放大后作用于轉向輸出軸[3]。在論文中，所選用的就是蝸輪蝸桿減速機構，它是與電動機及電磁離合器集成為一體的一個組成機構。

2.2.6 電子控制單元ECU

ECU的功能是根據扭矩傳感器信號和車速傳感器信號，進行邏輯分析與計算后，發出指令，控制電動機和離合器的動作。

2.3 電動助力轉向系統的硬件設計

2.3.1 控制器微處理芯片的選擇

本設計中選擇89C52作為微處理器，用ADC0808器件實現從模擬信號到數字信號轉換。采用逐次逼近式的A/D轉換電路，由CLK信號控制內部電路的工作，由START信號控制轉換開始，并采用采用74LS373地址鎖存器芯片來擴展89C52的外部總線的擴展[5]。

2.3.2 控制器輸入通道的設計

控制器接收從轉矩傳感器送來的轉矩信號有主、副兩路，對于轉矩信號的采集只需采用一種電路，采用采樣濾波電路進行轉矩信號采集，分為電動機電流信號的采集車速信號的采集和車速信號的采集。

2.3.3 控制器輸出通道的設計

論文的EPS控制器的電機控制部分，采用了單極性PWM控制方式。在電路設計有功率場效應晶體管選擇中，我們選用的是國際整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，功率開關器件的驅動電路采用了專用驅動器件IR2112。

2.3.4 系統供電電源電路設計

單片機控制系統需要5V的供電電壓，車載電源12V電壓，7805完成12V到5V的轉換，此外，DC/DC變換器可以將正電壓輸入變為負電壓輸出。

3、電動助力轉向系統的軟件設計

3.1 EPS的PID控制

本論文選用了PID位置式算法[4]。EPS控制是根據轉矩傳感器和車速信號的輸入來確定助力目標電流的大小，本文采用了PID控制，對整個EPS系統進行閉環控制[5]。

3.2 系統各功能模塊的軟件設計

3.2.1 A/D采集程序

A/D采集程序的編寫主要是對ADC0808的相關寄存器的設置及數字濾波算法。ADC0808的相關寄存器主要是：轉換控制寄存器（ADCCON)、轉換預分頻寄存器(ADCPSR )、轉換數據寄存器(ADCDAT )。EPS控制器對A/D數據的采集，只是采用了不同的A/D通道，而ADC相關寄存器的配置基本不變，數字濾波算法也可共用，因此只需編寫一個A/D采集程序就可，具體程序流程圖如圖3所示。

圖3 A/D采集程序流程圖Figure 3 Flow Chart of A/D Acquisition Program

3.2.2 車速信號采集程序

論文實驗過程中，車速信號的采集主要是通過對定時器的操作來實現的。選用計數器1接受脈沖信號，計測量時間周期T內接受的脈沖個數；用定時器0來確定測量時間周期T[5]。其計算公式如下：

其中：

V — 汽車行駛的車速

N —被測齒盤的齒輪齒數

T —測量時間周期

n —測量的脈沖數

Rd—車輪的滾動半徑

4、結論

本文對電動助力轉向系統進行了總體功能設計，根據功能要求確定了電動助力轉向系統中采用的主要部件。選擇了用于實現以上各控制電路所使用的電子元器件，能夠較好的適合其在不同車輛不同工況下穩定的安全的形式運用。

[1] 何永昌.汽車管柱式電動助力轉向器淺析[J].時代汽車.2016(03).

[2] 邱琪.雙齒輪式電動助力轉向機國產化應用開發[J].內燃機與動力裝置.2013(06).

[3] 向金權.汽車電動助力轉向電動機設計及工藝特點探討[J].微特電機.2015(02).

[4] 鈕因昌.電動助力轉向器的設計要求[J].汽車工程師.2013(05).

[5] 林思聰,李鈺懷,吳堅.一種新型電動助力轉向控制系統的研究與開 發[J].汽車零部件.2014(01).

Research on and Design of Automobile Electric Power Steering System

Yang Bingzhen, Liu Haorui*
( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

A With the rapid development of electronic technology, automobile steering system has changed from pure mechanical steering system into electric power steering system (EPS) in order to improve the stability of automobile control. Electric power steering is an inevitable trend with the development of modern automobile steering system. At present, research and development of electric power steering technology at home is still at the outset which is why we should devote major efforts to research this technology. In line with this, this paper designs and develops hardware circuit of electronic control unit of EPS as well as corresponding control software block diagrams on the basis of researching the operating principle of electric power steering system. What is innovative in this paper is to accurately controlling direct-current dynamo in different working conditions and different modes by integrating with PWM control program.

electric power steering system; software and hardware design; automatically regulating circuit

U462.1

A

A1671-7988 (2017)01-38-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.015

楊丙震（1992.8—），男，就讀于德州學院。

劉豪睿（1978-），男，講師，就職于德州學院，專業：混合動力汽車能量管理，電動汽車結構設計。

山東省2015年重點研發計劃提供基金支持，項目編號：2015GGX105008。