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电动助力转向系统的研究与设计
洛阳理工学院毕业设计（论文）
电动助力转向系统的研究与设计
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89c52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
ElectronicpowersteeringsystemResearchandDesign
ABSTRACT
ElectricPowerSteeringSystem（EPS）isoneofthefocusesresearchinautomotiveengineering.ThispaperisbasedontheprinciplesofEPStostudytheoperation,designedanddevelopedtheElectronicControlUnit（ECU）andthesoftwarediagramoftheECU.
ThethesisConsidersthefunctionsoftheelectroniccontrolunitofEPS,studiedanddevelopedthehardwarethatadopted89c51asitsmicroprocessor.Thecontrolunitwasabletorealizereal-timedata/signalacquisitionandsystemcontrol.Thetargetcurrentofmotoroutputcouldbedeterminedbytheobtaineddata;andutilizingthePulse-WidthModulation（PWM）technology,powercouldbeprovidedtothesteeringsystembycontrollingtheoutputcurrentandrotationdirectionthroughH-bridgecircuit.
Thesoftwareprogram,whichwasdividedintotherealizationofcontrolstrategyandtheacquisition&controlofdata/signal,wasdevelopedinmodularafterthedesignofexperimentalECUwascompleted.Andthemainprogram,A/Dacquisitionprogram,speedsignalacquisitionprogramandPWMcontrolprogramaredevelopedinthesecondpart.
Theresultshowedthattheelectroniccontrolunitdesignedwaswithstableperformance,appropriatestructureandexcellentmatchingcondition,andtheexcellentpowersteeringeffectcouldbeensuredbyEPS.
Keywords:
ElectricPowerSteeringSystem（EPS）ElectronicControlUnitSingle-ChipMicroprocessorControlStrategy
目 录
前 言
转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。
汽车助力转向依次经历了机械式的转向系统、液压转向系统、电控液压式转向系统等阶段，国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。
在国外，各大汽车公司对汽车电动助力转向系统（ElectricPowerSteeringSystem—EPS，或称ElectricAssistedSteering—EAS）的研究有二十多年的历史。
随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域，部分取代了传统液压动力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）。
实践证明电动助力转向系统（EPS）具有节能、成本低和便于控制，易于装车，提高操纵稳定性和轻便性以及符合机电一体化的要求等优点，正迎合了时代的要求。
电动助力转向系统应用前景广阔，研制电动助力转向系统的关键，在于电子控制技术，包括确立适宜的助力特性，还有采集主要参数的传感技术。
此外，电动助力转向系统与汽车的安全性、操纵稳定性之间的关系，电动助力转向系统的可靠性等将成为重要的研究课题。
随着经济高速发展，轿车的普及率将会越来越高，轿车的驾驶转向的轻便性将成为购车者考虑因素之一。
因此该系统的研制与开发对满足社会需求、跟上世界汽车技术发展进程，具有十分重要的意义。
第1章绪论
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40℃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。
经过三十年来的发展，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1.3L-1.6L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。
1.3EPS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%-10%的增长速度发展，年增长量达130万至150万套，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。
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。
第2章电动助力转向系统方案确定及工作原理
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Philips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80C552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。
PWM
A/D
A/D
80c552
80c552
车速信号
发动机转速信号
扭矩信号
74LS373
AT28C64
驱动电路
光电隔离
离合器
直流电机
图2-1电动助力转向系统的方案框图
第二方案：
此方案是由89c52作为微控制器，如图2-2所示。
以扭矩传感器、车速传感器、发动机电流传感器的输出信号作为输入信号，并经放大电路、ADC0808转换器转换送到89c52单片机，再由89c52对输出电路进行分时控制，从而保证系统正常运行。
与80c552相比，89c52不需对程序存储器进行外部扩展。
89C52
扭矩传感器
车速传感器
发动机电流
系统电源
点火开关
输
入
处
理
电
路
输
出
监
控
电
路
直流电机
显示电路
离合器
图2-2电动助力转向系统的方案框图
与方案一相比，此方案的特点是以实际使用性能为出发点，比较方案一来说更节省系统内存空间，在使用中有较强的随机应变能力。
根据上述种种分析得出，方案二为本设计中的最佳方案。
故本设计中选方案二为设计方案。
2.1电动助力转向系统的工作原理
2.1.1电动助力转向系统的组成和工作原理
电动助力转向系统是利用电机作为助力源，根据转矩参数和车速信号，由电子控制装置来执行助力控制的。
典型的电动助力转向系统的组成如图2-3示:
图2-3电动助力转向系统的组成
从图上可以看出，所谓的EPS系统就是在原机械转向系统的基础上，增加了车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、直流电动机及其传动机构，直接利用直流电动机驱动转向轴提供助力转矩。
转矩转角传感器测量转矩与方向盘转角大小并和车速信号一起送入电子控制器。
控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的方向。
若需要助力，则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应控制信号给驱动电路。
后者提供相应的电压或者电流给电动机。
电动机输出的转矩通过传动机构驱动转向轴转动从而实现助力作用。
当汽车点火后，方向盘转动时，装在转向盘输入轴上的转矩传感器不断的测出转向轴上转向力矩，该信号与车速信号同时输入给控制器ECU。
控制器根据输入的这些信号，依据相应的控制策略，确定助力的大小和方向，即确定电动机的电流大小和方向，调整转向助力的大小。
电动机的输出转矩经电磁离合器通过减速机构进行减速转矩后，施加给转向杆输出轴，并经过齿轮齿条等转向机构的作用，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。
2.1.2电动助力转向系统的分类
电动助力转向系统按照其转向助力机构结构和位置的不同，可分为转向轴助力式、转向轴小齿轮助力式和齿条助力式三种形式。
1:
转向柱助力式（Column-assistType）
此时电动机、减速器直接与转向柱相连。
它可安装在转向柱上的任意合适位置，一般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向。
工作环境好，电机的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形式。
由于各部件相对独立，因此维修方便。
设计时也有很大的灵活性。
但是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。
如果电动机的安装位置和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机噪声的抑制。
2:
小齿轮助力式（Pinion-assistType）
这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器直接与转向小齿轮相连。
它具有转向柱助力式EPS的全部优点，并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的结构。
因此本设计采用此种助力方式。
3:
齿条助力式（Rack-assistType）
电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电枢的转动变为平动从而实现助力。
作为最初应用的EPS，这种助力形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较大的助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。
缺点是结构复杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电动机的输出力矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条部件，因此维修不方便。
2.1.3电动助力转向系统的技术要求
对转向系统的要求，主要可以概括为转向的灵敏性和操纵的稳定性。
高的转向灵敏性，要求转向器具有较小的传动比，以小的转向盘转角获得迅速转向。
好的操纵轻便性，则要求转向器具有较大的传动比，这样才能以较小的转向盘操纵力获得大的转向力矩。
可见，上述的两个要求是矛盾的。
而电动式助力转向器由于采用电子控制系统，实时的调节和控制电机提供助力，因而能较好的解决这一矛盾。
一般来说，电动式助力转向器应当满足动力转向系统的如下要求：
（1）能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。
而行车转向的操纵力不应大于245N。
（2）转向灵敏度好。
转向灵敏度就是转向助力器产生助力作用的快慢程度。
（3）具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应能自动回正;驾驶员应有良好的“路感”。
（4）要有随动作用。
转向车轮的偏转角和驾驶员转动的转角保持一定关系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位上。
（5）工作可靠。
当动力转向失败或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。
2.2电动助力转向系统的数学模型
为了研究EPS系统的动态特性及EPS系统对汽车操纵性的影响，EPS数学模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。
EPS的机械部分主要可分为转向盘和转向轴、电动机、减速结构和齿轮齿条四个主要部分，根据系统的使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，对EPS部件进行简化，在简化的基础上，根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型，然后再根据各部件之间的相互约束关系，联立各模型，得到如图2-4所示的模型。
图2-4EPS动态模型
2.2.1转向盘和转向柱输入轴子模型
对转向盘和输入轴受力分析，这里考虑了转向盘的转动惯量，并且把输入轴的粘性阻尼考虑在内，可以得到如下运动方程:
J
+B
=T
-T
（2-1）
式中Js—转向盘、输入轴的转动惯量，Kg·m
;
Bs—输入轴的粘性阻尼系数，N·m/（rad/s）;
—输入轴的旋转角，rad;
T
—作用在转向盘上的转向转矩，N·m;
Tsen—扭杆的反作用转矩，N·m。
由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形，扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比，即有
Tsen=Ks（
s-
e）（2-2）
式中KS—扭杆的刚性系数，N·m/rad;
s—输出轴的旋转角，rad。
2.2.2电动机模型
系统采用永磁式直流电动机，如图2-5所示，电动机的端电压U与电感L、电枢电阻R、反电动势常数Kb、转速
m、电流I和时间t之间的关系如下:
U=L
十RI十K
m（2-3）
图2-5永磁式直流电动机模型
电动机产生的电磁转矩为:
Tm=KaI（2-4）
式中Ka—电动机的转矩系数:
N·m·A
。
对电动机机械部分受力分析，可以得到:
Jm·
m+Bm·
m=Tm-Ta （2-5）
式中Jm,—电动机和离合器的转动惯量，Kg·m
;
Bm—电动机粘性阻尼系数，N·m/（rad/s）;
m—电动机的转角，rad;
Tm—电动机电磁转矩，N·m;
Ta—电动机输出转矩，N·m。
在实际的控制系统中，电动机助力转矩Ta可以如下式所示
Ta=Km（
m–G
e）（2-6）
式中Km—电动机和减速机构的输出轴刚性系数，N·m/rad。
2.2.3输出轴子模型
对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析，得到下面的运动学方程:
Je·
e+Be·
e=Tsen+G·Ta–Tw（2-7）
式中Je—输出轴的转动惯量，Kg·m
;
Be—输出轴的阻尼系数，N·m/（rad/s）;
G—蜗轮-蜗杆减速机构的减速比;
Tw—作用在输出轴上的反作用转矩，N·m。
2.2.4齿轮齿条子模型
对齿条和小齿轮进行动力学建模，可以得到
MrXr+BrXr=
-FTR（2-8）
式中Mr—齿条及小齿轮的等效质量，Kg;
Br—齿条的阻尼系数，N/（m/s）;
Xr—齿条的位移，m;
Rp—小齿轮半径，m;
FTR—轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力，N。
转向阻力FTR主要受转向时车轮与地面的摩擦、回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等有关。
对于常规助力控制过程该模型的简化对控制策略的影响不大，这里给出简化的计算公式：
FTR=KrXr+F
（2-9）
式中Kr—等效弹簧的弹性系数，N/m;
F
—路面的随机信号，N。
其中
e=
。
联立上面所建的动力学方程，可以得到:
Js
s+Bs
s+Ks
s=T
（2-10）
Jm
m+Bm
m+Km
m=Tm+GKm
（2-11）
Mr
r+Br
r+KrXr=
+
-F
（2-12）
Mr=mr+
——减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量，Kg；
Br=br+
——减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数，N/（m/s）。
Kt=kt+
——小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数，N/m；
2.3电动助力转向系统的主要部分
电动助力转向系统虽然有着三种不同的类型，但其主要部件几乎相同。
除了本身的机械传动部件外，主要的部件还包括转矩传感器、车速传感器、直流电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制器ECU（ElectronicControlUnit）。
2.3.1转矩传感器
转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU，作为系统控制策略的重要依据之一，它直接影响到控制效果的好坏，所以很多厂家都非常重视转矩传感器的研究与开发。
转矩传感器有接触式和非接触式
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