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汽车电动助力转向系统控制电路研究
本科生毕业论文（设计）
题目：
汽车电动助力转向系统
控制电路研究
专业代码：
交通运输（081201）
作者姓名：
学号：
2004203946
单位：
汽车与交通工程学院
指导教师：
原创性声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：
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指导教师签名：
日期
摘要
电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，其核心部件电控单元能根据车速和方向盘操控力矩的不同决定是否助力以及助力的大小。
电动助力转向技术已日趋成熟，且有取代液压动力转向的趋势，它是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发展趋势的高新技术。
本文主要阐述了汽车电动助力转向控制系统的发展现状及结构原理，并通过对其控制电路的研究设计详细介绍了控制过程的实现方法。
关键词：
电动助力；控制电路；PID控制；脉宽调制
Abstract
Theelectricallyoperatedbooststeeringsystemisonekindofnewmotorturningsystem,hasboosteffectandvehiclespeedinductionabilitywhichanyformerbooststeeringsystemdoesnothave,theelectricallycontrolledunitwhichisitscorepartcandecidewhethertoboostaswellastheboostsizeaccordingtothevehiclespeedandthedifferentmomentsofsteeringwheelcontrolforce.Thetechnologyofelectricallyoperatedboostalreadychangestomaturedaybyday,anditisonehighandnewtechnologywhichthreadsuptheautomobiledevelopmentsubjectnowandwillconformtothefuturetrendoftheautomobiledevelopment.
Thisarticlemainlyelaboratesthedevelopmentsituationpresentandthestructureprincipleofautomobileelectricallyoperatedbooststeeringcontrolsystem,andintroducesindetailtothemethodofthecontrolledprocessrealizesthroughitscontrolcircuit'sresearchdesign．
Keywords:
Electricallyoperatedboost;Controlcircuit;PIDcontrol;Pulse-durationmodulation
汽车电动助力转向系统控制电路研究
前言
电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，其核心部件电控单元能根据车速和方向盘操控力矩的不同决定是否助力以及助力的大小。
电动助力转向技术已日趋成熟，它是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发展趋势的高新技术[1]。
电动助力转向系统最先应用在日本的微型轿车上。
此后，世界各大汽车公司相继推出了自己的电动助力转向系统并取得了巨大进展。
随着高级轿车对转向系统提出性能方面的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电动助力转向系统。
凌志、皇冠等高档轿车使用的转向系统在低速或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能实现灵活转向；高速行驶时，自动控制操作力逐渐增大，提高了操纵的稳定性。
在我国，电动助力转向系统已经起步并在迅速发展。
清华大学、合肥工业大学、吉林大学已经进行了EPS系统结构方案设计、系统建模和动力分析研究。
合肥工业大学汽车系现已完成了转向系运动学、动力学分析计算；中国南方航空动力机械公司开发出了比较完善的EPS系统[2]。
1．电动助力转向系统概述
1．1电动助力转向系统的产生
电动助力转向系统英文全称是ElectronicPowerSteering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。
电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。
该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统，而DelphiSagiaw（萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。
它于20世纪50年代第一个把液压助力转向系统推向市场，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统[3]。
现在,Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命——电动助力转向系统。
电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，具有广阔的应用前景。
另外，随着各项相关科学技术的进一步发展，EPS系统一定能够不断完善进而走向成熟
1．2电动助力转向系统的结构及原理
伴随着汽车技术的日新月异的发展，汽车转向系统的发展经历了从简单到复杂的过程，从纯机械转向系统到机械液压动力转向系统，又到电控液压动力转向系统，上世纪80年代，又出现了更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转向系统（ElectricPowerSteeringSystem简称EPS）。
目前，EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展，它已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。
电动助力转向系统的机械部分有多种型式，其中较常见的是齿轮齿条式转向机构，助力装置则由电动机代替传统助力转向系统中的液压缸，电动机从汽车蓄电池中获得源。
根据电动机驱动部位的不同，EPS分为：
转向柱助力式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式三种。
转向柱助力式，即从助力电动机输出轴上输出的助力矩经减速及离合机构传递到转向柱上。
但无论是哪一种形式的电动助力转向系统，其构成和工作原理是大致相同的。
主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、电子控制单元（ECU），离合器和减速机构等组成。
电动助力转向系统的工作原理是利用电动机提供转向助力，一旦有转向动作发生，扭矩传感器可以根据转向轴的扭转变形量迅速测出转向阻力矩的大小，并将该扭矩信号传递给ECU，同时ECU也会接收到来自车速传感器的车速信号，根据这两个信号，ECU中的控制程序会按预先设计好的助力特性确定电动机电流的大小，进而确定电动机的输出力矩，实现转向助力[4]。
1．3电动助力转向系统的发展现状及前景
1．3．1电动助力转向系统的发展现状
EPS是在EHPS的基础上发展起来的，它取消了EHPS的液压油泵、液压油路、液压油缸和密封圈等配件，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压油路泄露和效率低下的问题，是转向系统的一次革命。
目前，EPS技术日趋成熟，国外新生产的轿车一半以上都装备EPS，不少国产轿车也装备EPS。
国外研发生产EPS的企业主要有美国的德尔福（DELPHI）、天合（TRW），日本的光洋（KOYO）、精工（NSK）、昭和（SHOWA），德国的采埃孚（ZF），英国的卢卡斯（LUCAS）等，他们都已具备大规模批量生产的能力。
由于技术保密等原因，国内对EPS的研究开发起步较晚，目前还处于起步阶段。
国内研究EPS的主要是几所高校（如清华大学、合肥工业大学、北京理工大学、华南理工大学、武汉理工大学等），且大都局限于理论和计算机防真[5]。
国内生产EPS的企业有中国南方航空动力机械公司技术中心、广州跨越汽车配件公司等。
国产汽车所装备的EPS，绝大部分依赖进口。
1．3．2电动助力转向系统的发展前景
未来几年内，关于EPS的研究主要集中在以下几个方面：
①在国内，研发能大批量生产、性能稳定可靠的EPS，特别是双小齿轮式和齿条式EPS。
②引入差动轮系机构或其他机构，增加一个自由度，由先进电动机精确控制，实现转向系可变传动比控制，将是追求良好操纵性能汽车的一个研究方向。
③与电动四轮转向（4WS）技术相结合，使汽车转向时基本保持质心侧偏量为零，提高汽车低速行使时的灵活性和高速行使时的操纵稳定性。
④与制动防抱死系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、电子制动分配系统（EBD）和电子稳定程序ESP等主动安全系统相结合，控制汽车的操纵稳定性。
⑤线控转向SBW是EPS的发展趋势。
随着电子计算机技术、电子技术和通讯技术的不断发展，安全性和可靠性的不断提高，SBW将在智能驾驶、智能交通系统中发挥重要作用。
2．电动助力转向系统控制单元概述
控制单元是实现转向系统转向控制功能、保证系统具有良好性能及可靠工作的重要部件。
其主要任务是处理系统各部分发送来的输入信号、控制电动机和继电器等实现转向系统功能。
单片机控制单元结构如图1所示，其核心组成主要包括：
8位P87C591型微控制器、信号处理电路、驱动逻辑电路、H桥驱动电路、电动机保护电路和故障报警电路等。
P87C591单片机具有内置的6通道A/D转换器和PWM功能发生器能使控制系统结构简化。
把检测到的方向盘转角作为系统输入信号通过传输装置传送到P87C591单片机的ADC0脚，实际车辆转向柱转角作为系统的输出信号送到单片机的ADC1脚，单片机对输入、输出角位移信号进行计算，并通过单片机的PWM0、P0．3口控制输出到电动机的电压大小及方向。
为了控制电动机的运行状况对电动机进行保护，引入了电源电压、电动机电流、电动机电压监测控制，电动机电流、电源电压及电动机两端电压分别由ADC2、ADC3和ADC4脚输入单片机。
当发动机没有工作时，转向系统转向将使用蓄电池中的储备电能，这是不允许的，为此我们采用光电隔离传感器对发动机输出转速进行检测，光电隔离传感器产生的脉冲信号送入T1口进行计数。
单片机对这些信号进行判断，发生故障时切断H桥电源电压，并输出故障指示[6][8]。
图1电动转向系统控制框图
3．控制电路设计研究
3．1信号处理电路
3．1．1角位移信号的处理电路
从角位移传感器测得的角位移信号，可以直接送到单片机的ADC0、ADC1口。
但是由于外界环境的电磁干扰、以及多种成分的噪声信号，虽然可以采用数字滤波器，但是如果存在高于
/2（
为采样频率）的频率信号，根据采样定理，采样频谱中高于
/2的频率分量采样后会出现在低于
/2用的信号频段上，这样就无法用数字滤波的方法将它们与信号分离。
为了消除这种频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前先用一个截频
/2的低通滤波器把高于
/2的频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含小于
/2的频率分量，即满足采样定理。
为此，本文采用两级二阶Butterworth低通滤波器，如图2，图3所示。
对输入单片机的信号进行滤波处理，以抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加。
图2输入信号低通滤波电路
图3输出信号低通滤波电路
3．1．2发动机信号的处理电路
当发动机没有工作时，电动助力转向系统转向将使用蓄电池中的储备电能，这是不允许的，为此我们必须对发动机输出转速进行测量并做出判断。
只有当发动机转速高于某一设定值时，电动助力转向系统才可以工作。
我们采用光电隔离器来测量发动机转速。
隔离板的平面图如图4所示，其原理图如图5所示。
当隔离板的凸缘位于光电隔离器的中间缝隙时，输出端SP2就得到一个高电平信号，反之则得到一个低电平，这种就产生了一路方波信号。
隔离板的芯轴直接与发动机输出轴相接，这样发动机每转一周，在SP2端就得到四个方波信号，发动机转得快，相同时间段内方波数就越多。
方波信号通过整形电路整形后，送入单片机的T1口进行计数，整形电路原理图如图6所示。
整形电路中采用了集成电压比较器LM311。
单片机的16位定时/计数器T1工作于计数模式，T2工作于定时模式。
图4隔离板外形图图5发动机测速电路
图6方波信号整形电路
3．2驱动电动机电路
驱动电动机电路由以下几部分组成：
转向控制驱动电路、脉宽调制驱动电路、逻辑电路、H桥电路、H桥电源开关电路。
3．2．1转向控制驱动电路
单片机的输出电压为0~5V，在P0．3端口与电源之间接一个上拉电阻R19，如图7所示。
当需要方向盘右转时，P0．3输出高电平，三极管T1导通，DIR输出为0V低电平，送到逻辑电路；当需要方向盘左转时，P0．3输出低电平，三极管T1截止，DIR输出为12V高电平，送到逻辑电路。
图7转向控制驱动电路
3．2．2脉宽调制驱动电路
为了获得可调的直流电压，可利用电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。
脉宽调速的工作原理见图8，图中虚线框内的开关S表示脉宽调制器，调速系统的外加电源Us为固定直流电压。
当开关S闭合时，直流电流经过S给电动机M供电；开关S打开时，直流电源供给M的电源被切断，电动机M经二极管VD续流，电枢两端电压接近为零。
如果开关S按照某固定频率开闭，而改变每周期内的接通时间ton时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速目的[7]。
脉冲波形见图9。
图8脉宽调速原理图图9脉冲波形
电动机两端的平均电压为：
上式中，T——脉冲周期；
——接通时间；
—PWM电压的占空比（
）
可见，在电源
与PWM波周期T固定的条件下，
可随
的改变而平滑调整，从而实现电动机的平滑调节。
P87C591包含了脉宽调制输出（PWM）通道，可输出重复频率为16KHz（fCLK=12MHz）的脉冲信号，这种脉冲信号通过图10的脉宽调制驱动电路控制电动机电路的通断，因此它就相当于上面讲的开关S。
图10脉宽调制驱动电路
正如在前文中提到的，P87C591单片机规定当PWM0的值大于计数器的值，对应的PWM0脚输出置低电平。
如果小于等于计数器的值，输出为高电平。
所以当PWM0=0时，PWM0脚输出占空比为1；当PWM0=255时，PWM0脚输出占空比为0。
为了使PWM0与占空比
成正比，以符合我们的习惯，我们设计了如图10的脉宽调制驱动电路。
当PWM0脚输出高电平时，三极管T2导通，LOCK输出为0V低电平，送到逻辑电路；PWM0脚输出低电平时，三极管T2截止，LOCK输出为12V高电平，送到逻辑电路。
通过该脉宽调制驱动电路，使得PWM0与占空比
及电动机两端电压成比例，其对应关系见下表。
表1PWM0、占空比
、电动机两端电压对应关系
PWM0
占空比
电动机两端电压
0
0
0V
32
0.125
1.5V
64
0.251
3V
96
0.376
4.5V
128
0.502
6V
160
0.627
7.5V
192
0.753
9V
224
0.878
10.5V
255
1
12V
3．2．3逻辑电路
逻辑电路主要作用是将转向控制信号DIR、脉宽调制信号LOCK进行逻辑组合，由LOCK信号控制电动机的电流电压，DIR信号控制电动机的正反转，形成控制H桥电路的控制信号，逻辑电路还具有防止H桥电路短路的作用。
逻辑电路由3个或非门（4001）和2个两输入与门（4081）组成（见图11）。
当转向控制驱动电路的输出DIR为高电平时，即或非门U1C的两个输入脚8、9都为高电平时，则U1C的输出脚10为低电平，由于或非门U1A的输入脚2与DIR相同，该输入脚为高电平，因此无论其输入脚1为高电平还是低电平，它的输出脚3都为低电平，或非门U1B的输入脚6（或非门U1A的输出脚3）为低电平，同时或非门U1B的输入脚5（或非门U1C的输出脚10）也为低电平，则或非门U1B的输出为高电平，也就是与门U2A的输入脚2为高电平，而与门U2B的输入脚9（或非门U1A的输出脚3）为低电平；反之，当DIR为低电平时，与门U2A的输入脚2为低电平，与门U7B的输入脚9为高电平[6]。
综上所述，采用图11所示的电路保证了两个与门不可能同时输出高电平，也就不可能短路。
此外，由图11可以看出，两输入与门U2A、U2B的另一个输入信号为脉宽调制信号LOCK。
逻辑电路的输出信号Q3J和Q4J是H桥电路的场效应管的开关信号。
表2为逻辑电路输入信号（DIR、LOCK）与输出信号（Q3J、Q4J）的工作情况表。
图11逻辑电路
表2逻辑电路工作情况表
DIR信号
LOCK信号
Q3J输出
Q4J输出
1（左转）
0
0
0
1（左转）
1
1
0
0（右转）
0
0
0
0（右转）
1
0
1
3．2．4H桥电路
我们采用汽车上最常用的+12V电压为系统的电源。
单片机P87C591的PWM0口输出的脉宽调制波形是单极性的，即在一个PWM周期内电动机电枢只承受单极性的电压，为了能实现电动机的正反转，我们采用H形桥电路，它由4个场效应管组成：
2个N沟道增强型VMOS管IRFI3205（Ｑ3,Ｑ4），2个P沟道增强型VMOS管IRFI4905（Ｑ1,Ｑ2）（见图12），图中M1、M2为电动机的两个接线口，VMOS管相当于开关，当电动机被突然切断时，VMOS管中的二极管起到续流二极管的作用，每个场效应管的两端都并联了一个稳压二极管，稳压二极管可限制场效应管的源极-栅极电压，防止场效应管因电压过大而损坏。
当Q3J为高电平、Q4J为低电平时，Ｑ2与Ｑ3导通，Ｑ1与Ｑ4截止，电流方向为：
+12V--Q2--M2--M1--Q3--VSS，方向盘左转；反之，当Q3J为低电平、Q4J为高电平时，Ｑ2与Ｑ3截止，Ｑ1与Ｑ4导通，电流方向为：
+12V--Q1--M1--M2--Q4--VSS，方向盘右转。
在换向时，要求先关断导通的一组场效应管，再接通断开的另一组场效应管，也就是“错位”。
这主要是由于场效应管的关断也需要一定的时间（通常是10ns~20ns）。
否则，一旦在换向瞬间出现4个场效应管同时导通的情况，系统就会出现崩溃。
我们采用正反转控制电路与门电路联合控制场效应管的导通与截止来解决这一“错位”问题。
K1为H桥电源开关，发生故障时可以切断电源保护电动机。
IOUT为电动机电流检测输出端，它通过电动机电流检测电路送到单片机的ADC2口，当电流过大时，单片机切断电源保护电动机。
图12
3．2．5电动机保护及故障报警电路
为了对电动机进行有效保护，我们需要检测电源电压、电动机电流等。
并对这些信号处理、综合、做出判断，例如：
当发动机没有转速信号时，电动助力转向系统H桥电源开关K1断开，系统不能工作；当电动机电流过大时、当电源电压过小时、等等均属于不正常工作状态，需要发出警报，必要时要切断H桥电源电压，以保护电动机。
图13为H桥电源开关电路，当发生故障时，P0．4输出高电平，三极管T5导通、T4关断，从而开关K1断开，通过断开K1来切断H桥电源电压。
图14为故障灯驱动电路，当P0．5为高电平时T3导通，故障灯亮，同时FOUT输出低电平驱动蜂鸣器发出报警信号[9]。
对电动机电流的检测我们采用了如图15的电路，IOUT点电压UIOUT经集成运算放大器ICI6放大为
，经滤波后送到单片机ADC2口进行采样。
图13H桥电源开关电路图14故障灯驱动电路
图15电动机电流检测电路
结论
在过去的几年中，EPS作为液压系统的升级替代产品已经开始应用到汽车制造领域的少数几个方面。
与之前的预测相反，EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车（例如大众帕萨特）也适合安装电动助力转向系统。
因此，EPS系统具有非常广阔的应用前景，在某种意义上说，哪家汽车企业拥有更先进更完善的EPS系统，那么它就掌握了未来汽车发展的主动权。
本文简要介绍了汽车电动助力转向系统（EPS）的组成、发展现状及发展趋势，并通过对其控制电路的设计研究初步探讨了EPS的工作原理。
在完成本文的过程中，我通过查阅现有的丰富资料，对国内外有关EPS系统的研究成果有了一个大致的初步的了解。
我国的现代汽车工业起步较晚，在很多技术领域都落后于西方发达国家，尤其是在电动助力转向等前沿技术方面更是如此。
因此可以这样说，我国对电动助力转向技术的研究还处于刚刚起步的阶段。
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致谢
本篇论文是在马言召老师与武健老师的悉心指导下完成的。
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