汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 汽車運(yùn)用工程 班 級 05****（1）班 學(xué)生姓名 ***** 指導(dǎo)教師 ***** 200* 年 *月 *日 目 錄 一、緒論 1.1 前言…………………………………………………………………………1 1.2 EPS的特點(diǎn)…………………………………………………………………2 1.3 EPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)

2、用狀況……………………………………………3 二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理………………………………………………4 2.2 EPS的關(guān)鍵部件……………………………………………………………5 2.2.1 扭矩傳感器…………………………………………………………………5 2.2.2 電動(dòng)機(jī)………………………………………………………………………6 2.2.3 電磁離合器…………………………………………………………………6 2.2.4 減速機(jī)構(gòu)……………………………………………………………………7 2.3 EPS的電流控制……………………

3、………………………………………7 2.4 助力控制……………………………………………………………………8 2.5 回正控制……………………………………………………………………9 2.6 阻尼控制……………………………………………………………………9 三、EPS系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3.1 微控制器的選擇………………………………………………………… 10 3.2 硬件電路總體框架……………………………………………………… 10 3.3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)……………………………………………………… 11 3.3.1 H橋上側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)…

4、…………………………… 12 3.3.2 H橋下側(cè)橋MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)……………………………… 13 3.4 蓄電池倍壓電源………………………………………………………… 14 3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺架試驗(yàn)………………………………………………… 15 3.6 結(jié)論與展望……………………………………………………………… 16 四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究 4.1 故障自診斷的基本原理……………………………………………………17 4.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷……………………………………………17 4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識………

5、………………………………………17 4.2.2 轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷……………………………………………………18 4.2.3 電機(jī)故障自診斷……………………………………………………………20 4.2.4 車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號故障自診斷………………………………………21 4.2.5 電磁離合器故障自診斷……………………………………………………22 4.2.6 控制單元電源線路故障自診斷……………………………………………22 4.2.7 控制單元故障自診斷………………………………………………………23 4.3 故障代碼顯示控制及安全防范措施………………………………………23 4

6、.4 實(shí)例分析……………………………………………………………………26 4.5 結(jié)束語………………………………………………………………………27 致 謝………………………………………………………………………27 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 緒 論 1.1前言 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國外，各大汽車公司對汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric

7、 power steering-EPS,或稱Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的歷史。隨著近年來電子控制技術(shù)的成熟和成本的降低，EPS越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速邁向了應(yīng)用領(lǐng)域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic powersteering,簡稱HPS）。實(shí)踐證明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時(shí)代的要求。 1.2 EPS的特點(diǎn) 1.EPS節(jié)能環(huán)保。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵始終處于工

8、作狀態(tài)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃 油消耗量增加了3％～5％，而EPS以蓄電池為能源，以電機(jī)為動(dòng)力元件，可獨(dú)立于 發(fā)動(dòng)機(jī)工作，EPS幾乎不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。EPS不存在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油 泄漏問題，EPS通過電子控制，對環(huán)境幾乎沒有污染。 2.EPS裝配方便。 EPS的主要部件可以集成在一起，易于布置，與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比減少了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，元件數(shù)目少，裝配方便，節(jié)約時(shí)間。 3. EPS效率高。 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)效率一般在60%～70%，而EPS的效率較高，可高達(dá)90％以上。 4. EPS路感好。 　傳統(tǒng)純液壓動(dòng)力

9、轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)，工作驅(qū)動(dòng)力大，但卻不能實(shí)現(xiàn)汽車在各種車速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。而EPS系統(tǒng)的滯后特性可以通過EPS控制器的軟件加以補(bǔ)償，使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉(zhuǎn)向助力。 5. EPS回正性好。 　　EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不僅操作簡便，還可以通過調(diào)整EPS控制器的軟件，得到最佳的回正性，從而改善汽車操縱的穩(wěn)定性和舒適性。 6、動(dòng)力性： EPS系統(tǒng)可隨車速的高低主動(dòng)分配轉(zhuǎn)向力，不直接消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，只在轉(zhuǎn)向時(shí)才起助力作用，保障發(fā)動(dòng)機(jī)充足動(dòng)力。(不像hps液壓系統(tǒng)，即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)處于工作狀態(tài)，降低了使用壽命) 1.3 EPS系統(tǒng)在國內(nèi)外的應(yīng)用狀

10、況 國外EPS的發(fā)展之路： 因?yàn)槲⑿娃I車上狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間給液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝帶來了很大的 麻煩，而EPS元件比較少，重量輕，裝配方便，比較適合在微型轎車上安裝。因此 在國外，EPS系統(tǒng)首先是在微型轎車上發(fā)展起來的。 上世紀(jì)80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車上安裝了EPS系統(tǒng)， 隨后還應(yīng)用在其Alto車上。此后，EPS在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮， 歐、美等國的汽車公司也相繼對EPS進(jìn)行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了10年時(shí) 間，但是歐美國家的開發(fā)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。日本起初選擇 了技術(shù)相對成熟的有刷電機(jī)。 有刷電機(jī)比較

11、成熟，在汽車上的應(yīng)用較廣，比如雨刷、車窗等部分，稍做改進(jìn)就 適應(yīng)了EPS的要求，因此研發(fā)周期較短，上世紀(jì)80年代末期就開始產(chǎn)業(yè)化，主要 裝配在微型車上。而歐美則選擇了難度較大的無刷電機(jī)，但是電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜， 延長了研發(fā)周期。直到90年代中期歐美才開始批量生產(chǎn)。從長遠(yuǎn)發(fā)展看，有刷電機(jī) 存在一定弊端，比如電刷產(chǎn)生的噪聲較難克服，磨損較嚴(yán)重，存在電磁干擾等問題。 因此，日本現(xiàn)在國內(nèi)配裝的EPS也逐漸轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)類了。 國內(nèi)EPS的發(fā)展現(xiàn)狀： 我國汽車電子行業(yè)的總體發(fā)展相對滯后，但是，隨著汽車對環(huán)保、節(jié)能和安全性要求的進(jìn)一步提高，代表著現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向的EPS電動(dòng)

12、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已被我國列為高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一，國內(nèi)各大院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)紛紛開始對EPS這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究，使得EPS得到了迅速的發(fā)展。據(jù)悉，自主品牌研發(fā)的EPS系統(tǒng)離產(chǎn)業(yè)化就差整車廠批量裝車認(rèn)可這一臺階了，相信很快就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 二、 EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2.1 EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理 電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車上的結(jié)構(gòu)部件盡管不盡一樣，但是基本原理是一致的。它一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU,電動(dòng)機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)示意如圖1所示。 其基本工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為電信號送至電子控

13、制單元ECU，ECU再根據(jù)扭矩信號、車速信號、軸重信號等進(jìn)行計(jì)算，得出助力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和助力電流的大小，完成轉(zhuǎn)向助力控制，EPS系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。 圖2 EPS系統(tǒng)控制框圖 2.2 EPS的關(guān)鍵部件 2.2.1 扭矩傳感器 扭矩傳感器用來檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向，它是EPS的控制信、號之一。精確、可靠、低成本的扭矩傳感器是決定EPS能否占領(lǐng)市場的關(guān)鍵因素。扭矩傳感器主要有接觸式和非接觸式兩種。常用的接觸式（主要是電位計(jì)式）傳感器有擺臂式、雙排行星齒輪式和扭桿式三種類型，而非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器主要有光電式和磁電式(如圖3所示)兩種。前者的成本

14、低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂移、使用壽命較低，需要對制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。后者的體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)、剛度相對較高，易實(shí)現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量，但是成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù)EPS的性能要求綜合考慮。 圖3 磁電式扭矩傳感器 2.2.2 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)根據(jù)ECU的指令輸出適宜的轉(zhuǎn)矩，一般采用無刷永磁電動(dòng)機(jī)，無刷永磁電機(jī)具有無激磁損耗、效率較高、體積較小等特點(diǎn)。電機(jī)是EPS的關(guān)鍵部件之一，對EPS的性能有很大的影響。由于控制系統(tǒng)需要根據(jù)不同的工況產(chǎn)生不同的助力轉(zhuǎn)矩，具有良好的動(dòng)態(tài)特性并容易控制，這些都要求助力電機(jī)

15、具有線性的機(jī)械特性和調(diào)速特性。此外還要求電機(jī)低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。 2.2.3 電磁離合器 電磁離合器是保證電動(dòng)助力只在預(yù)定的范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速、電流超過限定的最大值或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，離合器便自動(dòng)切斷電動(dòng)機(jī)的電源，恢復(fù)手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。此外，在不助力的情況下，離合器還能消除電動(dòng)機(jī)的慣性對轉(zhuǎn)向的影響。為了減少與不加轉(zhuǎn)向助力時(shí)駕駛車輛感覺的差別，離合器不僅具有滯后輸出特性，同時(shí)還具有半離合器狀態(tài)區(qū)域。 2.2.4 減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)用來增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行星齒輪減速機(jī)構(gòu)(圖4)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)(圖

16、5)。由于減速機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)工作性能的影響較大，因此在降低噪聲，提高效率和左右轉(zhuǎn)向操作的對稱性方面對其提出了較高的要求。 圖4 雙級行星減速機(jī)構(gòu) 圖5 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 2.3 EPS的電流控制 EPS的上層控制器用來確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流。根據(jù)EPAS的特點(diǎn)，上層控制策略分為助力控制、阻尼控制和回正控制。 EPS的電流控制方式控制過程為：控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出Th和車速傳感器的輸出V由助力特性確定電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流Imo，然后電流控制器控制電動(dòng)機(jī)的電流Im,使電動(dòng)機(jī)輸出目標(biāo)助力矩。因此EPS的控制要解決

17、兩個(gè)問題：（1）確定助力特性；（2）跟蹤該助力特性。整個(gè)控制器可分為上、下兩層，上層控制器用來根據(jù)基本助力特性及其補(bǔ)償調(diào)節(jié)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策，下層控制器通過控制電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓，跟蹤目標(biāo)電流。 圖6 EPS的電流控制 2.4 助力控制 助力控制是在轉(zhuǎn)向過程（轉(zhuǎn)向角增大）中為減輕轉(zhuǎn)向盤的操縱力，通過減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系（轉(zhuǎn)向軸、齒輪、齒條）上的一種基本控制模式。 步驟如下： (1)輸入由車速傳感器測得的車速信號； (2)輸人由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器測得的轉(zhuǎn)向盤力矩大小和方向； (3)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤力矩，由助力特性得到電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流；

18、(4)通過電動(dòng)機(jī)電流控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出力矩。在這一基本控制過程中，助力特性曲線確定系統(tǒng)的控制目標(biāo)，決定著EPS系統(tǒng)的性能。EPS的助力特性曲線屬于車速感應(yīng)型，在同一轉(zhuǎn)向盤力矩輸人下，電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流隨車速的增加而降低，能較好地兼顧輕便性與路感的要求。 2.5 回正控制 當(dāng)汽車以一定速度行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的存在，使得轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正的作用。隨著車速的提高，回正轉(zhuǎn)矩增大，而輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)卻減小，二者綜合作用使得回正性能提高。駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤將在回正力矩的作用下回正。在轉(zhuǎn)向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮：（1）回

19、正力矩過大，引起轉(zhuǎn)向盤位置超調(diào)；（2）回正力矩過小，轉(zhuǎn)向盤不能回到中間位置。對前一種情況，可以利用電動(dòng)機(jī)的阻尼來防止出現(xiàn)超調(diào)。后一種情況需要對助力進(jìn)行補(bǔ)償，以增加回正能力。 根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)的方向可以判斷轉(zhuǎn)向盤是否處于回正狀態(tài)?；卣刂频膬?nèi)容有：低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中，EPS系統(tǒng)H橋?qū)嵭袛嗦房刂?，保持機(jī)械系統(tǒng)原有的回正特性；高速行駛轉(zhuǎn)向回正時(shí)，為防止回正超調(diào)，采用阻尼控制。 2.6 阻尼控制 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向過于靈敏、“輕便”，駕駛員就會有通常說的 “飄”的感覺，這給駕駛帶來很大的危險(xiǎn)。為提高高速行駛時(shí)駕駛

20、的穩(wěn)定性，提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制，適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤的阻力，最終體現(xiàn)在高速行駛時(shí)手感的‘穩(wěn)重”。汽車高速行駛時(shí)，由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時(shí)要大，為了抑制這種橫擺振動(dòng)，必須采用阻尼控制；此外，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向后回到中間位置時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時(shí)不容易收斂，此時(shí)，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí)，只需將電動(dòng)機(jī)輸出為制動(dòng)狀態(tài)，就可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。 三、EPS系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3.1微控制器的選擇 　　MOTOROLA公司的

21、MC9S12系列單片機(jī)是基于16位HCS12CPU及0.5μm制造工藝的高速、高性能5.0VFLASH微控制器，是根據(jù)當(dāng)前汽車的要求設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系列[l]。它使用了鎖相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)，使內(nèi)部總線速度大大高于時(shí)鐘產(chǎn)生器的頻率，在同樣速度下所使用的時(shí)鐘頻率較同類單片機(jī)低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合于汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境。設(shè)計(jì)方案采用MC9S12DP256單片機(jī)，其主頻高達(dá)25MHz，同時(shí)片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括2個(gè)異步串行通信口SCI，3個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸人捕捉/輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/0口（

22、其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.OA/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及一個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256KB的FlashEEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，資源十分豐富。 3.2硬件電路總體框架 　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件電路主要包括以下模塊：MC9S12DP256微控制器、電源電路、信號處理電路、直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊與顯示模塊、車速傳感器、扭矩傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號、電流及電流傳感器等接人處理電路，另外還有電磁離合器等，EPS系統(tǒng)的硬件邏輯框架如圖8所示。 3.3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行元件，電機(jī)的控制電路在

23、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著特殊的地位。在本系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制（PWM）控制H橋電路實(shí)施對直流電動(dòng)機(jī)的控制，由4個(gè)功率MOSFET組成[2]，如圖9所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關(guān)狀態(tài)下。系統(tǒng)采用4個(gè)InternationalReetifier公司生產(chǎn)的IRF3205型MOSFET功率管組成H橋路的4個(gè)臂。IRF3205具有8mΩ導(dǎo)通電阻、功耗小、耐壓達(dá)55V、最大直流電流110A、滿足EPS系統(tǒng)對MOSFET功率管低壓（正常工作不超過15V）大電流（額定電流30A）的要求。 3.3.1 H橋上側(cè)橋臂MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

24、　　上側(cè)橋臂的MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示，其中Qa/Qb為上側(cè)橋臂的功率MOSFETa管或b管，vdble為倍壓電源電路提供的電源電壓。當(dāng)MOSFET的控制信號a（b）為高電平時(shí)，Q1和Q2導(dǎo)通，電源通過Q2，D1以及R5與C1的并聯(lián)電路向Qa充電，直至Qa完全導(dǎo)通，Q3截止。當(dāng)Qa導(dǎo)通時(shí)，忽略Qa的漏極和源極之間的電壓降，則Qa的源極電壓等于蓄電池電源電壓。此時(shí)，Qa的柵—源極電壓降VGS=（Vdble-VCE-VF-Vbat），其中VCE為2N2907的集一射極飽和導(dǎo)通電壓，其典型值為0.4V[3]，VF為D1的正向?qū)▔航担涞湫椭禐?.34V[4]，Vbat為蓄電池電壓。為

25、保證器件可靠導(dǎo)通，降低器件的直流導(dǎo)通損耗，VGS不低于l0V[5]。因此需設(shè)計(jì)高效的倍壓電源電路，以保證Vdble的值足夠大，滿足功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求。如果蓄電池電壓為12V時(shí)，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。 當(dāng)MOSFET的控制信號a（b）管為低電平時(shí)，Q1和Q2均截止，Q3導(dǎo)通，Qa的柵—源極電壓通過R5與C1的并聯(lián)電路及Q3迅速釋放，直至Qa關(guān)斷。Qa關(guān)斷時(shí)，連接其柵-源之間的電阻R6使其柵-源電壓為零。IRF3205的導(dǎo)通門限電壓為2～4V，OV的柵—源極電壓能夠使其關(guān)斷。 　3.3.2下側(cè)橋臂的功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路

26、 　　下側(cè)橋臂的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示，其中Qc/Qd為下側(cè)橋臂的功率MOSFET的c管或d管。當(dāng)MOSFET的控制信號c（d）為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2截止，Q1的柵極電壓通過R3與C1組成的并聯(lián)電路、D１及Q1迅速釋放，Qc/Qd關(guān)斷。 　　當(dāng)MOSFET的控制信號c（d）低電平時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)通，電源通過Q2以及R3與C，組成的并聯(lián)電路對Qc的柵極充電，直至Qc完全導(dǎo)通。當(dāng)Qc導(dǎo)通時(shí)，其柵—源極電壓等于電源電壓減去Q2的集—射極飽和導(dǎo)通電壓，而電源電壓又等于蓄電池電壓減去1N5819二極管的正向?qū)妷骸Ｋ?，Qc的柵—源極電壓VGS=（Vbat-VCE-VF）

27、，當(dāng)蓄電池電壓為12V，取各參數(shù)為典型值得Qc的柵-源極電壓為11.26V，滿足IRF3205的柵極驅(qū)動(dòng)（10V）所需的電壓。 3.4蓄電池倍壓工作電源 　　由于上側(cè)橋臂的MOSFET功率管的柵-源電壓必需大于22.74V，而蓄電池電壓只有12V。因此需要設(shè)計(jì)蓄電池倍壓電源，產(chǎn)生二倍于蓄電池電壓的電源電壓，提供給H橋a、b功率管的驅(qū)動(dòng)電路，保證高側(cè)MOSFET功率管能夠完全導(dǎo)通。 　　電源倍壓電路如圖12所示，NE555定時(shí)器工作于多諧振蕩器模式，于引腳3產(chǎn)生幅值等于NE555的供電電壓，頻率為1/0.7（R2+2R1）C1的矩形波。C3、C4，Dl和D2構(gòu)成電荷泵電路。當(dāng)NE555引腳

28、3輸出高電平時(shí)，由于電容電壓不能突變，C3正極電壓為24V或接近24V，并通過D2向C4充電，使C4電壓為24V或接近24V。由于受電路的工作效率、二極管D1和D2上的正向電壓降以及負(fù)載能力的限制，使得系統(tǒng)輸出電壓低于供電電壓的2倍，即供電電壓為12V時(shí)，輸出電壓低于24V，當(dāng)供電電源為12V時(shí)，倍壓電源電壓約為22.9V，大于Vdb1（22.74V），可以滿足需要。 3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路臺架試驗(yàn) 　　根據(jù)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對穩(wěn)定性和跟蹤性的需要，采用最優(yōu)H二控制器編制電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序，并在汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺上進(jìn)行臺架模擬試驗(yàn)，車速信號用模擬車速傳感器發(fā)出的脈沖信號代替網(wǎng)。圖13為中等

29、車速轉(zhuǎn)向助力時(shí)，測量的方向盤轉(zhuǎn)矩（T）和助力電動(dòng)機(jī)電流（I）變化曲線。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)向過程中，助力電動(dòng)機(jī)電流隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的變化而變化，電動(dòng)機(jī)電流的變化趨勢和方向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢相吻合，表明電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤性能。轉(zhuǎn)向操作時(shí)，無助力滯后感，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能和操縱穩(wěn)定性。 向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。 3.6結(jié)論與展望 MC9S12系列16位單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，對于一般的簡單應(yīng)用，只需一片單片機(jī)加少量圍電路即可。開發(fā)的直流電機(jī)電路經(jīng)初步試驗(yàn)，性能良好，可基本滿足電動(dòng)助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

30、的需要。文中只介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基本框架，為獲取良好的控制效果，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不僅僅局限于依據(jù)車速和扭矩這2個(gè)基本的信號進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制，轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度及前軸重力等多種信號在未來的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中可能都是要考慮的因素。 四、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究 4.1故障自診斷的基本原理 故障自診斷系統(tǒng)的作用是監(jiān)測、診斷電子控制系統(tǒng)各傳感器、執(zhí)行器以及電子控制器（ECU）的工作是否正常。當(dāng)ECU中某一電路超出規(guī)定范圍的信號時(shí)，自診斷系統(tǒng)就判定該電路及相關(guān)的傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障，并控制故障指示燈閃爍

31、，目前常用的故障代碼指示有二種：一是以閃爍次數(shù)和時(shí)間長短表示不同故障，如三菱、現(xiàn)代、克萊斯勒、寶馬等；二是不同顏色的幾盞燈（一般為紅、綠燈）閃爍表示不同故障，如本田、日產(chǎn)等。同時(shí)將故障信息以故障代碼的形式存儲到ECU內(nèi)部的存儲器中，然后ECU控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的安全防范措施。故障信息一旦被存儲，即使故障已經(jīng)排除且故障指示燈熄滅，仍將儲存在存儲器中。 消除故障碼的方法有二：一是將保險(xiǎn)絲盒中的保險(xiǎn)絲拔下10S以上；二是將蓄電池搭鐵線拆下10S以上。 4.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷 4.2.1 系統(tǒng)各組成部件的故障辨識 根據(jù)EPS系統(tǒng)控制線路（如圖14）， 圖14 EPS系統(tǒng)控制線路圖

32、 本文對EPS系統(tǒng)各組成部件進(jìn)行如下故障診斷。 4.2.2轉(zhuǎn)矩傳感器故障自診斷 我們開發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用的是擺臂式的轉(zhuǎn)矩傳感器。其工作原理相當(dāng)于一個(gè)電位計(jì)，如圖15所示，它具有雙回路輸出，即主扭矩（對應(yīng)IN+端電壓值）、副扭矩（對應(yīng)IN-端電壓值）輸出，其主、副扭矩輸出特性如圖16所示，即當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器正常工作時(shí)，電位計(jì)的兩個(gè)輸出即主扭和副扭信號，理論上，正常工作范圍在1V～4V，并且當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器的主扭和副扭的輸出電壓均為2.5V。一旦其本身及信號采集電路（如圖17）出現(xiàn)異常，輸入CPU（我們選用P87C591芯片為核心的8位微控制器，其本身自帶有A/D轉(zhuǎn)換器）

33、的主、副扭矩信號將大于4V或小于1V或兩信號之差超過3V。但實(shí)際車輛行駛中，雖然硬件和軟件設(shè)計(jì)中考慮了各種抗干擾措施，各種偶爾的噪聲或振動(dòng)還是或多或少的會引起轉(zhuǎn)矩信號的暫時(shí)偏差，而這種偏離是暫時(shí)的且系統(tǒng)能自動(dòng)修復(fù)，故將轉(zhuǎn)矩信號的異常界限值設(shè)為0.9V -4.1V，并且只有當(dāng)信號值超出其范圍持續(xù)一定時(shí)間（如30ms），才判定轉(zhuǎn)矩傳感器有故障，這樣可以減少因其它外界原因而引起對轉(zhuǎn)矩傳感器故障的誤判。 此外，轉(zhuǎn)矩傳感器的信號檢測是建立在+5V的穩(wěn)壓電源基礎(chǔ)上的，因此穩(wěn)壓電源電路的正常與否將直接影響到主、副扭矩信號。因此在檢測轉(zhuǎn)矩傳感器主、副扭矩信號異常之前，首先判斷轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓是

34、否在規(guī)定范圍內(nèi)?？紤]到三端穩(wěn)壓集成塊MC78T05在環(huán)境溫度影響下其輸出電壓會有0.1V的偏差，因此我們規(guī)定其正常輸出電壓為50.2V。如果CPU檢測到電源電壓異常，此時(shí)就跳過對轉(zhuǎn)矩傳感器信號的檢測，這樣可以避免對轉(zhuǎn)矩傳感器本身故障的誤判。 通過信號值比較可以診斷如下傳感器故障： 主扭矩線路斷開或短路 主線路與輔線路輸出電壓差異過大 轉(zhuǎn)矩傳感器電源電壓過高或過低 輔扭矩線路斷開或短路 圖17 主、副扭矩信號采集 4.2.3電機(jī)故障自診斷 轉(zhuǎn)向助力大小是通過控制電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)，因此檢測電機(jī)兩端的實(shí)際控制電流就顯得非常重要。電機(jī)電流采集電路（如圖18），通過測量串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)回路中

35、的精密電阻R62兩端的電壓，經(jīng)過信號放大和適當(dāng)?shù)碾娙轂V波，然后通過ADC2端口反饋給CPU，此時(shí)程序設(shè)計(jì)將此電壓與理論計(jì)算電壓進(jìn)行比較，如果兩者懸殊過大；或者連續(xù)幾分鐘之內(nèi)的平均電流消耗超過預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，就判斷電機(jī)及其線路有故障，以防止電機(jī)過載而燒壞或工作不穩(wěn)定。其中我們選用的精密電阻值約7mΩ，這樣和電動(dòng)機(jī)電樞電阻168mΩ相比要小的多，因此基本不影響系統(tǒng)工作。 通過上述信號比較可以診斷如下電機(jī)故障： 電機(jī)的控制電流過高，使電機(jī)出現(xiàn)過載而燒壞 CPU計(jì)算的電機(jī)控制電流與實(shí)際檢測的控制電流相差太大 控制單元有控制電流傳遞給電機(jī)，但電機(jī)仍不能起動(dòng) 圖18 電機(jī)電流采集 4.2.

36、4車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號故障自診斷 車速信號和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號都是數(shù)字信號，因此不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，只需經(jīng)過一定的整形電路，就可以直接送給CPU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器端口，然后通過計(jì)數(shù)器對波形的一定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)即可采集車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如車速整形電路（如圖19），車速信號通過一定的濾波和比較器比較，然后直接送給CPU的計(jì)數(shù)器T0。通過上述信號的采集，然后與相應(yīng)工況的規(guī)定值比較，即可以診斷如下故障： 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后立即升到4000r/min或更高時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒有車速信號輸入CPU 發(fā)動(dòng)機(jī)在2500 r/min或更高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行車中持續(xù)60秒沒有車速信號輸入CPU 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)起動(dòng)

37、后，無發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號輸入CPU 圖19 車速整形電路 4.2.5電磁離合器故障自診斷 電磁離合器連接了助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向柱，它的分離與接合穩(wěn)定與否將直接影響轉(zhuǎn)向特性，因此系統(tǒng)工作時(shí)，其狀態(tài)信號要及時(shí)反饋給CPU。電磁離合器狀態(tài)信號采集電路如圖20所示：當(dāng)離合器處于接合狀態(tài)時(shí)， P0.0端口輸出高電平；反之，輸出高電平。因此離合器線路斷開或短路可以通過P0.0端口反應(yīng)。 圖20 電磁離合器狀態(tài)信號采集 4.2.6控制單元電源線路故障自診斷 如圖14所示：當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，蓄電池電壓將通過ADC4端口送給CPU，因此當(dāng)ADC4 端檢測的電壓信號低于10V，程序設(shè)計(jì)就可以控制故障燈顯

38、示蓄電池電壓太低。 4.2.7控制單元故障自診斷 控制單元主要由電子元件和軟件組成，其本身不易出現(xiàn)故障。我們主要通過在硬件方 面進(jìn)行合理的布線和相應(yīng)的濾波、抗干擾等措施來減少故障的發(fā)生；軟件上通過使用看門狗技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)和設(shè)置軟件陷阱等 處理程序運(yùn)行時(shí)的“跑飛”和 “死循環(huán)”等問題。 4.3故障代碼顯示控制及安全防范措施 當(dāng)系統(tǒng)檢測到各組成部件出現(xiàn)上述異常之一，且持續(xù)時(shí)間超過相應(yīng)的規(guī)定值，程序設(shè)計(jì)就通過對P0.5端口間斷的置0或1，故障顯示控制電路（如圖21）就控制發(fā)光二極管（故障燈）閃爍，其中閃爍的次數(shù)和延續(xù)的時(shí)間（各種故障代碼）通過計(jì)數(shù)指針和延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)。如主扭矩信號出現(xiàn)異常

39、，指示燈將顯示故障代碼號DTC11，如圖22所示，亮1.5S，暗2S；再亮0.5S，暗3S，往復(fù)進(jìn)行，直至故障排除，稱“一長一短”。 故障顯示的同時(shí)，程序設(shè)計(jì)也對P0.4和P0.1端口分別置1和0，經(jīng)過電磁離合器控制電路（如圖23）和繼電器控制電路（如圖24）使得電磁離合器和繼電器同時(shí)被切斷，以確保電機(jī)助力完全被切斷，從而確保行車安全。 圖25轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程 34 4.4實(shí)例分析 轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷流程如圖25所示：首先初始化時(shí)間延時(shí)計(jì)數(shù)指針、異常狀態(tài)標(biāo)志和各規(guī)定界限值（如表1），然后使主、副扭信號電壓及其差分別與各自的界限值進(jìn)行比較，如果

40、超過界限值并持續(xù)時(shí)間超過30ms，那么將異常狀態(tài)標(biāo)志置1，記錄異常情況并控制故障燈顯示相應(yīng)的故障代碼，同時(shí)分別對P0.4和P0.1置1和0，以切斷電磁離合器和繼電器，從而切斷電機(jī)助力。 表1 參數(shù)初始化 4.5結(jié)束語 從上述的理論和實(shí)例分析看出：本文提出的EPS系統(tǒng)各信號間和信號與規(guī)定界限值間進(jìn)行比較的故障診斷方法具有明顯的簡單、可行、容易與主控制程序協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和調(diào)試等特點(diǎn)。而且在試驗(yàn)臺上我們通過人為設(shè)置各種故障（如短路、斷路和接觸不良等），然后觀察故障燈顯示情況，也顯示了該比較自診斷方法具有明顯的可行性。此外，雖然這種比較故障診斷方法是基于轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)（Column Drive）的電動(dòng)

41、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）上研究的，但是其故障辨識的基本原理具有廣泛的通用性，因此該故障自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想同樣也適用于小齒輪驅(qū)動(dòng)（Pinion Drive）、齒條驅(qū)動(dòng)（Rack drive）的EPS和其它的電控系統(tǒng) 致 謝 本文是在邱小龍老師細(xì)心指導(dǎo)下完成的，對邱老師在學(xué)業(yè)上給予的指導(dǎo)培養(yǎng)和關(guān)懷致以崇高的敬意和由衷的感謝。我在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了很多的錯(cuò)誤，也給老師帶來了很多的麻煩，但老師一直很細(xì)心的幫我指正出來，感謝邱老師的細(xì)心指導(dǎo)以及這段時(shí)間來對我的教育。 在此，我還要感謝一直關(guān)注著我學(xué)習(xí)以及一直教育我的每一位任課老師，使我能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 同時(shí)，在畢業(yè)設(shè)

42、計(jì)期間，很多的同學(xué)都給了我很大的支持幫助。在此我對他們一并表示感謝！ 由于本人能力有限，文中還有很多不妥之處，希望大家能給予批評和指正。謝謝大家！ 汽車系畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 班級： 05*****（1）班 姓名： **** 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

43、 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求 汽車零件制造工藝的設(shè)計(jì)是汽車專業(yè)學(xué)生把理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高工作能力的重要一環(huán)，要求根據(jù)產(chǎn)品圖解編制合理的工藝過程，工藝設(shè)計(jì)合理，能滿足產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)要求，說明書敘述準(zhǔn)確，文字流暢，具有一定的運(yùn)用價(jià)值。

44、 二、 進(jìn)度計(jì)劃： 序號 畢業(yè)設(shè)計(jì)階段性工作及成果 時(shí)間安排 1 2 3 完成開題報(bào)告 到網(wǎng)上或圖書館查閱相關(guān)資料 完成制圖及說明書的書寫 1—2周 3—5周 6—8周 三、 主要參考資料： 1《.汽車計(jì)算機(jī)控制》

45、 北京:電子工業(yè)出版社 司利增主編 2.《汽車計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)》 北京:人民交通出版社 劉日正主編 3.《汽車電子學(xué)》 北京:清華大學(xué)出版社 王紹光主編 4.《汽車構(gòu)造》 人民交通出版社 陳家瑞主編

46、 日期：自 200*年 * 月 * 日至 200* 年 * 月 * 日 指導(dǎo)教師： 汽車系主任： 附注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁

47、 ****汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)評定 系： 汽車工程系 專業(yè)： 汽車運(yùn)用工程 班級： 05****（1） 姓名： **** 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容：

48、 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。實(shí)踐證明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機(jī)電一體化的要求等優(yōu)點(diǎn)，正迎合了時(shí)代的要求。 1、EPS的基本構(gòu)造和工作原理 2、EPS系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 3、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障自診斷的研究

49、 指導(dǎo)老師評語：

50、 成績評定： 簽名： 答辯委員會評語：

51、 答辯委員會主任： 成績評定： 年 月 日