车辆工程毕业设计64基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现.docx
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车辆工程毕业设计64基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现
第1章绪论
1.1转向助力系统的国内外研究现状与发展趋势
助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为了纯机械式转向系统（ManualSteering，简称MS）、液压式转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS）、电控液压式转向系统（ElectroHydraulicPowerSteering，简称EHPS）、电动助力式转向系统（ElectricPowerSteering，简称EPS）。
传统的动力转向系统一般采用液压助力，上个世纪80年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向。
1988年2月日本的铃木公司开发出了电动助力式转向系统，并装在Cervo车上，随后又配备在Alto车上，摆脱了液压助力转向系统的束缚。
本田汽车公司首次将EPS装备于大批量生产的EPS。
此后EPS便雨后春笋般发展起来，并将应用范围扩展到大型轿车和客车方面上。
EPS是在EHPS（电控液压助力转向）的基础上发展起来的，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性强，它取消大量液压配件，只依靠电动机驱动转向机构，解决了长期以来存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。
新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。
随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，为此其应用范围将越来越大。
在国外，EPS已经进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品。
由于技术保密，很难获得控制参数，要想实现技术自主创新，还需国人自己钻研。
EPS经过二十多年的发展，技术同趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用轿车方向发展，如新上市的一汽大众速腾等中型轿车已经安装EPS。
本田甚至还在其AcyraNSX赛车上安装了EPS。
日本早期的EPS只在低速和停车转向时助力，后来发展的EPS不仅能在低速和停车时助力，还能在高速行驶时提高汽车的操纵稳定性。
正是由于这一系列的优点，在世界汽车行业中，EPS的年增长量达130万至150万套，据美国天合（TRW）公司预测，到2010年，全球范围内电动助力转向器的装车率将超过30％，因此，电动助力转向技术的发展前景是非常广阔的。
这也正是全球各大公司对其青睐的原因。
就相关EPS的研究资料所阐述的发展趋势来看，控制信号除了依靠车速与扭矩信号，而且还需要转向角、转向速度、横向加速度等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。
如今国内外对EPS研究有几个比较集中的方面，如：
EPS助力控制策略、系统匹配技术及其可靠性的研究。
从国内外的研究看今后的研究方向主要集中在EPS助力控制策略和系统匹配技术等方面。
汽车转向除了满足轻便和灵敏两个要求外，还要为驾驶者造成一定的路感，随着车速的提高方向盘助力不宜过大，而且还需要满足一定的助力特性。
我国在EPS的研究上与国外相比起步较晚，而且由于液压式转向系统即HPS技术比较成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格也比较便宜，所以液压式转向系统即HPS占国内车辆转向系统的主流地位。
然而EPS的发展前景的广阔的，如今国内有多所高等院校和科研单位正在进行该项技术的相关研究，并取得的一定进展。
我国自主设计的EPS和国外的成熟产品相比，还有一定的差距，很多整车厂装配的电动助力转向系统的核心技术都依靠进口。
但是我们正在奋起直追，逐步缩小自主开发的EPS与国外同类产品的技术差距。
电动助力转向技术在国内的发展势头良好。
2001年，昌河汽车厂开始将电动转向器装在北斗星高档微型箱式车，揭开了我国汽车转向器生产历史上新的第一章，2002年该车型已有6万台配装电动转向器，即电动转向车己占该车型的60％了。
哈飞汽车厂也开始在新车型上装电动转向器，吉利在其多款轿车上也安装了电动转向器。
另外奇瑞QQ轿车、扬子皮卡车厂和很多微型箱式车厂，都准备安装电动转向。
这充分说明装配EPS产品的市场和市场潜力是很大的。
电动式EPS有许多优点，它比液压式动力转向系统更轻便、紧凑、可靠易于维护保养，同时也取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装置，如此诸如漏油的这种对清洁性造成影响的问题便消失了；能满足汽车不同车速时的不同要求，如低速时的轻便性和高速时保持一定的路感以使驾驶员在不同状况下操纵时获得最佳的感受；在无需提供助力时不驱动电机，这样就减少了不必要的能源消耗，提高了经济性；对控制计算机编程，可提供不同程度的动力转向，能兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性好；它能与汽车上其他电气设备相连接，有助于四轮转向的实现，并能促进悬架系统的发展。
无助力转向系统的回正作用具有很大的缺陷,往往会降低汽车行驶稳定性，而EPS恰恰改善了回正特性。
通过软件编程可对对不同车况进行调整，这是传统助力系统无法做到的。
尽管EPS比传统转向系统拥有种种优势，但是电动助力转向系统仍然存在着一些需要解决和改进的问题：
继续改善电机的性能是EPS的发展关键；合理助力特性的确定；合适的控制策略；故障诊断的可靠性，EPS通过采用电机和计算机控制系统，部分操作独立于驾驶员的控制，因此EPS也会比传统转向助力系统有更多的故障模式。
汽车转向技术已经进入了电动助力时代，随着传感器、控制方式助力电动机等关键技术的不断进步，EPS系统将愈加完善。
在未来EPS将替代现有的转向系统，近几年EPS产量正以每年上百万套的速度增加，最终将完全占领轿车市场，并向大型车发展。
1.2选题的目的和意义
目的：
汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，当汽车在低速时需要轻便的转向助力，而在高速时有需要灵巧的转向效果已获得较好的操作手感。
本课题应用综合控制方法，来提高汽车转向系统的性能。
电动助力转向系统是当前汽车技术发展的前沿技术之一，有利于汽车在不同的车况下获得不同的助力效果，提高转向时的操纵稳定性和路感。
英国卢卡斯公司认为，EPS在轿车上正在成为标准配置，而不是选件，自1996年至2006年，欧洲市场上的各级别轿车安装EPS的比例已经由35%增加到70%。
按此增长速度继续发展，数年间EPS就将完全占领轿车市场。
国内电动助力转向系统还处于初级阶段，所以有必要加强力量对其进行研究和开发。
使我国的汽车在环保节能舒适等等方面赶上国际先进水平。
目前开发拥有自主知识产权的ECU有明显的经济和社会效益，它可为相关企业提供新的经济增长点，增强我国技术产品的市场竞争力。
通过对电动助力转向系统的研究，为开发出适于轿车和微型汽车的电动助力转向系统提供技术储备。
另外就是在继承前几届研究生研究成果的基础上，进一步完善控制器的硬件与软件，提高系统运行的稳定性及可靠性，把控制器往产业化方向推进。
意义：
随着时代的发展和科技的进步，人们对交通工具的环保，节能低耗，对生活的舒适性的要求也越来越高。
如今国外汽车的电动助力转向系统正在渐渐取代传统液压助力转向器的地位。
EPS是未来的发展方向，我国也要紧跟世界的脚步，不能落在后面。
在国内，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。
国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还中国境内申请了一些EPS专利。
因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入WTO后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术产品。
同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义。
转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。
而一个拥有性能可靠的控制系统则能使EPS实现以上效果，EPS具有节能、环保等优点，是未来转向系统的主流发展，是研究的重点项目。
1.3本课题研究的内容和拟解决的主要问题
1.3.1本课题的主要内容
（1）设计一个小型电动转向助力系统，分析电动助力转向系统电子控制单元的功能。
在充分考虑电动助力转向系统控制的可靠性、实时性的基础上，以单片机为核心的控制单元。
（2）设计电子控制单元的硬件，采用P控制策略完成对直流电动机的控制、并对各种传感器信号进行采集和处理，通过单片机产生控制脉冲波来控制H桥驱动直流电动机正反转，满足EPS控制要求。
（3）采用模块化设计的方法编写相应控制软件。
控制软件中主要包含系统主程序、信号采集子程序，策略控制子程序等。
1.3.2拟解决的主要问题
（1）系统硬件电路的搭建，硬件电路需要单片机最小系统主要包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等电路的设计。
（2）传感器信号处理电路的设计，如转矩信号通过A/D转换输入处理器进行处理，再通过电机驱动电路控制电机转动方向。
（3）将软件和硬件进行连接并进行测试，检查出现故障部分并思考出现故障的原因，再就相关知识努力将故障排除。
第2章EPS系统的组成
2.1EPS工作原理与结构组成
EPS的工作原理：
当驾驶员操纵方向盘转向时，转向柱上的扭矩传感器检测到的信号与车速信号经过滤波处理后送入ECU，ECU对这些信号进行运算处理后输出PWM信号给电机驱动模块，从而实现对电动机的控制，电机经传动机构将助力转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的目的。
当车速超过一定值时，EPS系统退出助力工作模式。
EPS可在不同车速的情况下提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时的轻便性和高速行驶时的稳定可靠。
EPS的主要组成有扭矩传感器、车速传感器、助力电机和电控单元。
2.2传统液压动力转向系统
液压动力转向系统（HPS）是在1928年就在汽车上首次应用的，到1940年左右HPS就已经实用化了，并在多种大型车辆上装备。
在1951年在轿车上也得到了应用，获得了当时的好评，随后HPS在轿车上便迅速普及，到今天装备HPS的车辆已经超过了80%。
HPS是在传统机械式转向器的基础上通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管等液压动力装置来提供转向助力。
开始HPS的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向一定来控制油路。
滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。
20世纪50年代出现了转阀式HPS，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。
与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。
虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。
因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式HPS。
HPS系统拥有许多优点，比如：
可以提高转向时的轻便性，从而使驾驶员的疲劳程度得到缓解；HPS拥有的阻尼作用可以减小由于道路颠簸造成的冲击；迄今为止液压助力转向系统已经应用经历了许多时间，技术较为成熟，工作安全可靠，同时价格也比较便宜。
但是同时也存在着一些不足：
在设计完成以后，助力特性就不能再进行调节与控制，因此在协调汽车转向轻便性与路感之间的矛盾；在发动机工作时，无论汽车是否进行转向油泵都一直运转，从而对燃料造成了极大的浪费，降低了整车的燃油经济性；油路中存在漏油的问题，会对环境造成污染；在低温时工作性能较差。
2.3电动助力转向系统特点
电动助力转向系统相比于传统的机械式转向系统增加了一系列传感器，如车速传感器、转矩传感器、助力电机和电控单元即ECU等部件，电动机通过减速机构将转矩作用在转向柱上，从而实现对转向系统提供助力。
与传统的转向助力系统相比，电动助力转向系统综合了许多现代的高新技术，诸如现代电子技术及机电一体化技术，具有许多优点：
（1）EPS能在不同的车速下对转向助力的大小进行调节,在不同工况下提供最佳的助力，减小因路面原因引起的对转向系统扰动，减轻低速行驶时的转向操纵力。
在车速较低时提供较大的转向助力，使驾驶员在转动方向盘时更加轻松；在车速较高时降低助力大小，为驾驶员提供一定的路感。
（2）EPS取消了液压式转向系统的油泵、液压软管、液压油、皮带及密封件等部件，结构相对简单，零件数量相对较少，拥有质量轻、结构紧凑、便于选择安装位置和噪声较小等多方面的优点。
（3）助力电机可以由蓄电池直接供电，电动助力转向系统可以在发动机不运转时进行工作，同时也提高了汽车的安全性能。
（4）EPS与传统助力系统相比改变助力特性较为容易，只需改变ECU中助力程序即可。
（5）EPS结构简单，占用空间小，在车身上不知较为方便，助力性能比传统助力系统优越，又具有良好的模块化设计，又为设计不同的系统提供了极大的灵活性。
2.4EPS的类型
一般来说按照电动机驱动位置的不同，可以将EPS转向系统分为三类：
转向柱助力式（ColumnType）、小齿轮助力式（PinionType）和齿条助力式（RackType）。
（1）转向柱助力式转向器助力单元、控制器以及传感器等部件都安装在转向柱处。
结构比较紧凑，方便在车体上安装，可安装在固定式、倾斜式等不同形式的转向柱上。
（2）小齿轮助力式转向器助力单元安装在转向齿轮的小齿轮轴的上端。
助力单元在驾驶室外，一方面提高助力另一方面也可以使驾驶室内可感觉到的噪声减小。
（3）齿条助力式转向器助力单元安装在转向齿轮的齿条处。
助力单元可灵活安装在齿条各处，从而使整车的布置更加方便。
2.5助力系统的关键部件
2.5.1助力电机
电动机对EPS的关键部件之一，电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩，是EPS的动力源。
根据电动助力转向的特点，EPS的助力电机必须有较好的性能，要求也较高：
尽可能宽的调速范围，运行平稳，力矩波动小；快速响应性能好，较小的转动惯量；良好的低速平稳性；体积小、质量轻、噪声低；过载能力强，可靠性高；电机驱动其结构和运行方式可分为：
直流、交流；永磁、励磁；有刷、无刷等多种类型。
一般采用无刷或有刷永磁式直流电动机。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。
直流发电机工作原理:
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。
）
本设计采用的是RF-300C-11440,微电机马达，这是一种有刷直流电机，额定电压9V。
如图2.1所示是微型电机实物图。
图2.1微型电机实物图
2.5.2转矩传感器
EPS传感器的作用是探测驾驶员转向时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU，ECU根据这个信号连同车速信号产生相应的助力，协助驾驶员转向。
扭矩信号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两类。
目前，国内外现有的EPS系统采用的转矩传感主要分别有以下几种形式：
（1）电位计式，BI公司和NSK公司都有该类型的产品，前者集成了转矩、转角测量，后者采用滑套机构将转角差变换为电位计摆臂摆动，实现转矩测量。
该类型的传感器都属于接触式，其缺点就是存在磨损，降低了其性能。
（2）光电式，LUCAS公司有该类型的产品，清华大学也进行了这方面的研究、并做出了样件，前者结构比较复杂，对加工工艺要求较高，后者对前者进行了改进，但是存在温度漂移和绕线的问题。
（3）电感式，KOYO公司和NSK公司都有该类型的产品，该类型传感器具有较高的精度，很好地实现了非接触测量，非常适合EPS系统。
非接触式转矩传感器的线性功能和滞后性能好，但价格较高。
接触式转矩传感器一般结构简单，价格合适，目前的应用也较为广泛。
当转向盘向一个方向旋转时，其输出端上的电压保持一定值，当转向盘向相反方向旋转时，输出端电压就会发生变化。
输出端的电压值就可以用来表示转矩的大小，本设计采用的是WTH（118）10K-2W的电位器输出的电信号来模拟转矩传感器的信号。
如图2.2是10K-2W的电位器实物图。
图2.2电位器实物图
2.5.3车速传感器
车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。
车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。
本设计采用的是与扭矩传感器一样的WTH（118）10K-2W的电位器输出的电信号来模拟车速传感器的信号。
2.5.4电子控制单元
电子控制单元ECU作为关键部件，主要有微处理器、与传感器输入信号相匹配的接口电路、微处理器内置的模数转换器（A/D）和脉宽调制器（PWM），直流电动机的驱动电路等部分组成。
电动助力转向系统的开发过程中，电子控制单元的设计是关键的一部分，其中处理器的选用也是非常关键的，性能优良的处理器一定程度上为电动助力转向系统取得良好的助力效果奠定了基础。
选用处理器的着眼点是处理器的性能能够很好地与控制系统的特性与要求相吻合。
电动助力转向系统的主要控制对象是电动机。
对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两种。
简单控制是指对电动机进行起动、制动、正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。
复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。
随着控制要求的提高，对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。
电动助力转向系统主要是实现电枢电压的控制，因此也属于电动机复杂控制的范畴。
转向时，控制单元根据检测到传感器的信号以及电动机的电流信号，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制信号，通过电动机驱动电路调节占空比，使电动机按方向盘转动的方向和车速信号提供所需的助力转矩。
电控单元是电子控制系统中最重要的原件之一，其性能在一定程序上决定着电子系统的性能，选择油路的控制器对取得良好的控制效果非常重要。
STC89C52RC是的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，另外STC单片机成本较低，性能较好，原有程序可以直接使用，硬件无需改动。
STC89C51系列单片机选型如表2.1。
HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。
其主要性能如下：
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
（2）工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0（3V单片机）。
（3）工作频率范围：
0~40MHz相当于普通8051的0~80MHz，实际工作频率可达48MHz。
（4）用户应用程序空间：
4K/8K/12K/16K/32K/64K字节。
（5）片上集成1280字节或512字节RAM。
（6）通过I/O口（35/39个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
表2.1STC89C51RC/RD+系列单片机选型一览
型号
STC89C52RC
STC89LE53RC
STC89C54RD+
工作电压（V）
5.5~3.3
3.6~2.0
5.5~3.3
最高时钟频率Hz
5V
0~80M
—
0~80M
3V
—
0~80M
—
Flash程序存储器（字节）
8K
13K
16K
SRAM字节
512
512
1280
定时器
3
3
3
UART串口
1个
1个
1个
DPTR
2
2
2
EEPROM（字节）
4K
4K
45K
看门狗
有
有
有
A/D
—
—
—
中断源
8
8
8
中优先级
4
4
4
I/O
35/39
35/39
35/39
支持掉电唤醒外部中断
4个
4个
4个
内置复位
有
有
有
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
（8）有EEPRROM功能。
（9）看门狗。
（10）内部集成MAX810专用复位电路（HD版本和90C版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路。
（11）共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。
（12）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
（13）通过异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
（14）工作温度范围：
-40~85℃（工业级）/0~75℃（商业级）
（15）封装：
LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44.如选择STC89系列，优先选择LQFP-44封装。
本设计采用的STC89C52RC单片机的内部结构框图如下图所示，STC89C52RC单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块、STC89C52RC单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。
如图2.3是内部结构框图。
图2.3内部结构框图
2.6本章小结
本章主要介绍了电动助力转向系统的类型，并对传统液压助力转向系统和电动助力转向系统进行比较。
并对传感器、电机和单片机的选型做了介绍，为下一章的系统硬件设计打下基础。
第3章EPS系统的硬件设计
3.1EPS系统硬件电路结构
电动助力转向系统要实现的主要功能是采集来自转矩传感器、车胜元传感器的信号经过控制器（ECU）运算后，控制直流电机为驾驶员提供转向助力，从而达到改善驾驶舒适性的目的。
因此控制器ECU是电动助力转向系统研究的主要内容之一，是控制策略实现的硬件基础，控制器的硬件性能直接影响EPS的控制效果。
本课题的控制电路主要包括以下几部分电路：
（1）信号处理电路，
（2）电源电路，（3）电机驱动电路（4）单片机周边最小电路。
下图是EPS控制系统框图。
3.1EPS控制系统框图
3.2单片机最小系统电路
3.2.1时钟电路
时钟电路是单片机系统硬件中的一个关键部分，由于晶振体的工作频率十分高，设计不当很有可能使其工作时会产生对其他电路造成干扰的高频信号，尤其是对AD转矩输入信号的干扰；STC89C52单片机的时钟输入接口在18（XTAL2）和19（XTAL1）引脚上，当时钟晶振频率为12M~25MHz时，时钟电路中电容一般小于47pF。
本设计采用33pF。
3V:
3.8-2.0V（可外部24MHz,双倍48MHz），2.3-1.9V时不要进行IAP擦除/编程。
外部晶振体的链接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器3种方式。
但是实际应用电路设计中一般采用并联型方式。
时钟电路如图3.2所示：
图3.2时钟电路
3.2.2复位
STC89C52系列单片机有4中复位方式：
外部RST引脚复位，软件复位，掉电复位/上电复位。
（1）外部RST引脚复位
外部RST引脚复位就是外部想RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单
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