车辆工程毕业设计40电动助力转向ECU激励信号系统设计.docx
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车辆工程毕业设计40电动助力转向ECU激励信号系统设计
摘要
本设计介绍了电动助力转向ECU激励信号系统的组成，对系统的结构与工作原理进行了分析和研究，建立了系统软件与硬件连接线路图，并绘制了不同车速下扭矩与电机输出电流之间的曲线关系图。
在硬件方面，对系统中的数据采集卡、电压放大器和ECU进行了分析和选择；在软件方面，利用LABVIEW软件模拟产生车速信号和扭矩信号。
信号通过数据采集卡输送到ECU内，ECU通过内部的计算后输出电流给电机，使电机执行相应的助力。
最后，本设计进行了电动助力转向ECU激励信号系统的试验，试验结果表明，激励信号设计是合理的，取得的结果符合汽车行驶时的工况。
关键词：
LABVIEW虚拟仪器；ECU激励信号；数据采集卡；ECU；转向助力
ABSTRACT
ThisdesignintroducestheelectricpowersteeringsystemcomponentsofECUstimulus,thesystemstructureandworkingprincipleoftheanalysisandresearch,asystemsoftwareandhardwareconnectioncircuitdiagram,anddrawsadifferentspeedandthemotoroutputtorqueunderthecurrentdiagrambetweenthecurves.
Onthehardwareside,thesystemofdataacquisitioncard,voltageamplifierandECUwereanalyzedandchoice;onthesoftwareside,theuseofLABVIEWsoftware,analogsignalsgeneratedspeedandtorquesignal.SignalstransmittedtotheECUdataacquisitioncardinside,ECUcalculatedbytheinternaloutputcurrenttothemotor,themotorimplementationofappropriatehelp.
Finally,thedesignoftheelectricpowersteeringsystemECUstimulustests,testresultsshowthattheexcitationsignaldesignisreasonable,consistentwiththeresultsobtainedwhenthevehicledrivingconditions.
Keywords:
LABVIEWvirtualinstrument；ECUexcitationsignal；Dataacquisitioncard；ECU；Steering
朗读
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摘要.………………………………………………………………………………….………………....Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………………………....Ⅱ
第1章绪论1
1.1研究电动助力转向ECU激励信号系统的目的和意义1
1.2电动助力转向系统的优点1
1.2.1电动助力转向的优点1
1.2.2电动助力转向ECU激励信号系统的优点2
1.3电动助力转向系统的国内外发展现状3
1.4本设计研究的内容4
第2章电动助力转向ECU激励信号系统….6
2.1电动助力转向ECU激励信号系统的组成6
2.2电动助力转向ECU激励信号系统的结构6
2.3电动助力的理论分析..................................................................................................7
2.3.1引言7
2.3.2EPS典型助力曲线7
2.4本章小结9
第3章硬件的设计10
3.1电动助力转向ECU激励信号系统的总体结构10
3.2数据采集卡11
3.3信号放大器的设计12
3.3.1芯片的选择12
3.3.2驱动电路的设计13
3.4本章小结14
第4章电动助力转向ECU激励信号的生成15
4.1LABVIEW的简介15
4.2信号的生成16
4.3本章小结19
第5章实验分析21
5.1简介21
5.2实验仪器21
5.3扭矩与电动机助力电流的理论关系……………………………………………….21
5.4实验过程22
5.5实验结果24
5.6本章小结24
结论25
参考文献26
致谢28
附录A外文文献29
附录B外文文献的中文翻译32
第1章绪论
1.1研究电动助力转向ECU激励信号系统的目的和意义
随着社会生活水平提高和消费者需求多样化,现代汽车的性能和配置不断地提高,增加了汽车工程测试的复杂程度。
汽车工程测试中,经常需要测量多种信号并进行分析,如车速、转向盘转角、横摆角速度、侧倾角、俯仰角、横向加速度、纵向加速度、车体变形、电压、电流、温度、CAN总线信号、油液压力、真空度等。
一方面,汽车工程测试不断向着多物理量、高精度、大数据量、自动化的方向发展,另一方面,传统仪器由于功能固化、数据处理及分析能力差、存储数据量少等原因,越来越难以满足现代化汽车测试的需要。
为了方便ECU的开发与测试，除了真实的汽车环境外，往往还需要些模拟的汽车环境用于ECU实验室阶段的开发和测试。
汽车电动助力转向ECU激励信号系统的开发主要使用各种信号模拟系统产生各种真实的电动助力转向信号（例如方向盘扭矩信号和车轮车速信号）来驱动ECU的正常工作。
而现在ECU激励信号系统还利用了VI公司的LABVIEW虚拟仪器技术，开发上位机操作界面，通过USB与数据采集卡连接，上位机可以很好的实现系统各种信号的显示和控制。
电动助力转向ECU激励信号系统就是用LABVIEW软件生成的信号模拟实际通过传感器得到的信号（如车速信号，扭矩信号），并将生成的信号通过数据采集卡送给ECU，ECU通过内部的运算后送给电动机一个适当的电流，从而控制电动机的助力大小。
电动助力转向ECU激励信号系统的作用主要是通过调节信号的大小来测量出电动机输出端电流值，绘制出同一车速下，不同扭矩与电动机输出电流之间的曲线图，在与理论分析得到的扭矩—电动机输出电流曲线图进行对比，从而检测电动助力转向系统。
汽车电动助力转向系统是改变和保持汽车行驶方向的装置，它直接影响了汽车的操控性和稳定性，是汽车的重要性能之一。
1.2电动助力转向系统的优点
1.2.1电动助力转向的优点
1．提高了汽车的操纵性能
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，减小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力特性来满足不同对象使用的需要，提高了低速时的转向轻便性。
该系统由电动机直接提供转向助力，特别是在停车时，可获得最大的转向动力。
2．提高了汽车的燃油经济性和减少对环境的污染
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
％，在使用转向情况下，燃油消耗降低了
％。
同时EPS没有液压回路，不存在渗油的问题，因而减少了对环境的污染。
3．增强了转向跟随性和可靠性
在EPS系统中，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。
4．质量更轻、结构更紧凑
该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可以获得最大的转向助力。
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。
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-40℃以下很好地工作，基本上不存在受温度影响的问题。
1.2.2电动助力转向ECU激励信号系统的优点
（1）模拟产生各种信号
主要是利用NI公司的LABVIEW软件，通过对所需的信号编程，产生信号（正弦波，脉冲波，三角波等），然后将信号的波形通过DAQ输送出去，通过调节控制旋钮来改变输出信号的大小，从而达到检测系统的效果。
（2）信号输出简单
NI公司LABVIEW虚拟仪器技术的信号产生与输出是一起的，他主要是通过数据采集卡（DAQ）的USB端口与电脑连接，然后另一端作为输入端与所需要的仪器连接到一起，进而将信号输入。
尤其注意的是，如果输出信号的电压与接收仪器的允许电压不相符合，那将连接一个电压调节器，将输入电压调节到一起所允许的范围内。
（3）实现对电动助力转向系统的检测
电动助力转向ECU激励信号系统主要的影响信号有2种：
车速信号和扭矩信号。
连接的线路如下：
产生的信号→数据采集卡→电压调节器→ECU→电机。
ECU是用已经编好的程序，他将对输送过来的信号进行计算，然后输送一个电流给电动机，电动机接收信号后会按照命令进行运转。
我们可以调节信号旋钮来观察电机的运行状况，从而检测ECU。
1.3电动助力转向系统的国内外发展现状
在国外，各大汽车公司对汽车助力转向系统的研究有20多年历史，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。
自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车到来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统。
1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备了EPS，随后又应用在Alto汽车上，1993年本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS并取得了良好的市场效果；1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。
上世纪九十年代初期，日本铃木，本田，三菱，美国Delph汽车公司，德国ZF等公司相继推出了自己的EPS,并装配在FordFiesta和Mazda323F等车上，此后EPS技术得到了飞速的发展。
经过20几年的发展，EPS技术日趋完善。
其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Accord和菲亚特的Punto等中型轿车已经安装EPS，本田甚至还在其AcuraNSX赛车上装EPS。
EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。
日本早期的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。
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。
由Delphi为Punto车开发的EPS属全速范围助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。
当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。
这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。
市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。
在国内，1992年清华大学开始设计EPS的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学、同济大学、华南理工大学、江苏大学、合肥工业大学等院校和科研单位纷纷开展了EPS的研究，此外，电子行业中的不少科研部门和生产厂家也纷纷介入EPS研究领域。
2000年，昌河北斗汽车率先装配EPS，对国内EPS的研究，器到了推波助澜的作用。
之后，广本飞度、上海大众途安、一汽-大众凯迪、哈飞路宝、吉利等车型，也纷纷装配了EPS。
中国南方航空动力机械公司的DFL系列已经进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备在其吉利豪情等系列轿车上。
一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。
重庆的长安铃木、长安福特的代表也参加了电动转向标准会议寻找合作伙伴，准备在其生产的新车型中试装电动转向器，如广州本田飞度轿车2003年销售1.66万辆，占全国1.3-1.6L的轿车销售量30.5万辆的5.4%市场份额。
说明齿轮齿条式的电动助力转向器产品已逐渐打开了市场。
2007轿车销量在200多万辆，
的轿车销量在50-60万辆左右，说明装配电动助力转向器产品的市场潜力还是很大的。
目前21个汽车厂家的43给我品种均可安装电动助力转向器产品。
这些厂家分别是：
重庆长安、奥拓、领养、吉利、美日豪情、奇瑞QQ、天津丰田、威驰、悦达起亚、千里马、东南汽车、菱帅。
可以预测到2010年末我国适合安装的轿车有140万辆，微型和轻型卡车包括皮卡有40万辆，电动转向器的需求大约共为180万套。
电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。
它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置（包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器），转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。
电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。
1.4本设计研究的内容
（1）电动助力转向ECU激励信号系统的组成、结构
电动助力转向ECU激励信号系统主要是将由LABVIEW软件生成的信号通过数据采集卡送给ECU，然后ECU通过内部运算后输出适当的电流控制电动机。
其线路图为：
产生的信号→数据采集卡→电压调节器→ECU→电机。
（2）软件部分——信号的生成
由于控制电动助力转向系统的信号太多，例如噪音，温度，车轮转速，车速，扭矩等。
对于初学者来说，将所有的信号全部产生并输送给控制模块这个过程有点复杂，难度相对较大，所以我就选择2个主要的信号（车速信号和扭矩信号）作为控制信号来说明如何用NI信号控制与检测电动助力转向系统。
（3）硬件部分——电压放大器的制作
用LABVIEW软件产生的信号，其信号电压与仪器的接收信号的电压必须相符合，然而经由数据采集卡USB608输出的信号电压为5V，吉利控制模块接受的电压为12V，所以应该设计一个电压放大器，将数据采集卡的输入信号电压放大后再输送给吉利控制模块，使其能够接收。
（4）实验检测
实验检测部分主要是将电路连接好之后，控制车速值分别为某一定值（如2km/h,15km/h和45km/h）,调节扭矩值由
N
m逐渐变化，绘制出实际的扭矩—电动机输出电流曲线图，在与理论分析得到的扭矩—电动机输出电流曲线图对比，如果曲线一致，则电动助力转向系统完好；如果不一致，则需检查系统。
第2章电动助力转向ECU激励信号系统
2.1电动助力转向ECU激励信号系统的组成
电动助力转向ECU激励信号系统主要分为2部分，硬件设计与软件的编程。
硬件设施主要包括USB-6008型号的数据采集卡、采用LM324芯片设计的反向电压放大器和吉利数控模块；软件部分主要是通过对LABVIEW软件的编程，生成2种控制信号，即车速信号和扭矩信号。
然后将软件与硬件连接起来，通过控制信号的大小来检测电动助力转向系统的好坏。
2.1电路连接图
2.2电动助力转向ECU激励信号系统的结构
电动助力转向ECU激励信号系统主要由数据采集卡、电压放大器、数控模块和电机组成。
（1）数据采集卡：
数据采集卡的作用是将LABVIEW产生的信号通过自身的输入、输出通道传递给数控模块。
（2）电压放大器：
电压放大器的任务就是将由数据采集卡出来的5V的车速信号放大到12V。
（3）ECU：
ECU主要是接收所有的信号，然后通过内部的程序计算出输出的电流传给电机，实现转向助力。
（4）电动机：
EPS的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出矩转。
2.3电动助力转向系统的理论分析
2.3.1引言
配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽量不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。
转向驱动力矩与助力矩之间的理想关系应具备以下几点：
（1）在转向驱动力矩很小的区域内希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持较好的路感和节约能源。
（2）在低速行驶低速转向过程中，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力效果应当明显。
（3）原地转向时的转向阻力矩相当大，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果，且助力矩增幅应较大。
（4）随着车速的增升高，转向驱动力矩很小时不助力的区域应增大。
（5）原地转向时，助力矩增加到一定值时应保持恒定，以免助力电动机因负荷过大而出现故障。
（6）形式转向时，助力矩增加到一定值时也应保持恒定，以便驾驶员驾驶时可以明显感到路面反力的增加，知道安全驾驶。
（7）高速行驶时停止助力，以便驾驶员获得良好的路感，保证行车安全。
（8）助力矩不能大于同工矿下无助力时的转向驱动，即助力矩应小于转向阻力局，否则将出现“打手”现象。
（9）各区段过度要平滑，以避免操舵力出现跳跃感。
2.3.2电动助力转向系统典型的助力曲线
EPS的助力特性具有多种曲线形式，图2.2为三种典型的EPS助力特性曲线。
这里将图中助力曲线分为三个区，0≤
≤
区为无助力区，
≤
≤
区为助力变化
图2.2EPS典型助力曲线
（1）直线型助力特性
图2.2.a为直线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成线性关系。
该助力特性曲线可以用下列函数表示
（2.1）
式中，I为电机的目标电流；Imax为电机工作的最大电流；
为方向盘的输入扭矩；
为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；
为转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩，
为转向系统提供最大助力时的方向盘输入扭矩。
（2）折线型助力特性
图2.2.b所示为典型的折线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成分段型关系，该助力特性曲线可以用下列函数表示。
（2.2）
式中，
，
分别为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；
为助力特性曲线梯度由
变为
时的方向盘输入扭矩。
（3）曲线型助力特性
图2.2.c为典型曲线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘输入扭矩成非线性关系，该助力特性曲线用以下函数表示。
（2.3）
比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性曲线有利于实现连续、均匀助力，但控制复杂、调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间，从设计、调整和实用的角度看，采用直线型助力特性可以基本满足实际需要。
2.3本章小结
本章主要介绍了电动助力转向ECU激励信号系统的组成、结构，通过理论分析，确定了在一定车速下的电动机的助力大小。
第3章硬件的设计
3.1电动助力转向ECU激励信号系统的总体结构
电动助力转向ECU激励信号系统大体上是由LABVIEW产生的信号、数据采集卡、数控模块和驱动部分组成，总体的框图如图3.1所示。
图3.1总体布置框图
3.2数据采集卡
数据采集机构采用LABVIEW配套的数据采集卡，数据的采集和反馈都经过数据采集卡，数据的通讯通过数据采集卡与计算机相连，直接与软件建立联系。
试验信号采集系统采用USB-6008USB总线便携式多功能数据采集产品。
用于USB的12位,10k/s多功能数据采集卡8路12位模拟输入通道,12条DIO线,2路模拟输出,1个计数器若需更高性能,可参考NIUSB-6210和NIUSB-6211方便而易于携带的总线供电型设计获取用于OEM的仅含板卡的套件可用于Windows、MacOSX、Linux和PocketPC的驱动软件NI-DAQ驱动软件和NILABVIEWSignalExpress交互式数据记录软件。
NIUSB-6008具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验。
该产品价位适于学生购买，但其强大的功能足以用于更为复杂的测量应用。
NIUSB-6008带有现成的数据记录软件，能在数分钟内开始基本的测量应用；也可使用LABVIEW或C及自带的NI-DAQBase测量服务软件，为用户自定义的测量系统编程。
NI开发了含有LABVIEW学生版副本的USB-6008学生套件，为仿真、测试和自动化的理论性课程补充了实践性实验。
上述套件仅供学生使用，是功能优、价格低、实践性强的学习工具。
图3.2USB-6008数据采集卡
图3.3USB-6008数据采集卡引脚图
选择理由：
NIUSB-6008数据采集卡具有基本的数据采集功能，能够满足电动助力转向硬件在环仿真实验的数据采集任务，而且也具备功能优、价格低、实践性强的特点。
3.3信号放大器的设计
3.3.1芯片的选择
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，他们有一些显著优点.该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流为MC1471的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引脚，其中“+”“-”为两个信号的输入端，“
”“
”为正负电源端。
“
”为输出端。
两个信号输入端中，
为反向输入端，表示运放输出端
的信号与该输入端的位反向；
为同向输入端，表示运放输出端
的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚图如下：
图3.4LM324引脚图
LM324的特点：
1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：
3-32V低偏置电流：
最大100nA4.具有内部补偿的功能5.输入端有静电保护功能6.行业标准的引脚排列
3.3.2驱动电路的设计
同相输入比例运算放大器
如果输入信号从同相输入端引入的运算，便是同相运算。
图3.5同相比例运算放大器电路图
如图：
3.5是同相比例运算电路，根据理想运算放大器工作在线性区的分析依据：
（3.1）
（3.2）
由图3.5可列出
（3.3）
（3.4）由此得出
（3.5）
闭环电压放大倍数则为
（3.6）
可见
与
间的比例关系也可以认为与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。
式中
为正值，这表示
与
同相，并且
总是大于或等于1，这点和反比例运算不同。
当
或者
时，则
（3.7）
这就是电压跟随器。
本设计的电压放大倍数为
所以
3.4本章小结
本章主要介绍了电动助力转向ECU激励信号系统的硬件连接，对其硬件进行讲解，主要包括对USB-6008数据采集卡各引脚功能的介绍、反相放大器在LM324芯片上的连接电路图等。
第4
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