汽車(chē)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)研究

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1、 重慶交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 汽車(chē)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)的研究 姓名:周波 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士 專(zhuān)業(yè):車(chē)輛工程 指導(dǎo)教師:李偉;季學(xué)武 20100401摘 要 汽車(chē)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái) 的一種新的機(jī)電一體化產(chǎn)品,具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向手感和節(jié)約能耗等優(yōu)勢(shì)。由于其優(yōu) 良的性能,在國(guó)外很早便進(jìn)行了研究,并且已經(jīng)普及裝車(chē)了。 國(guó)內(nèi)對(duì)于電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還處于初級(jí)階段,因?yàn)樵撓到y(tǒng)涉及機(jī) 械、電子、自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域,面臨的難題也很多,并且由于國(guó)外技術(shù)壁壘 等因素,國(guó)內(nèi)在這方面的研究還比

2、較落后。 首先,本文對(duì)某轎車(chē)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理進(jìn)行了分 析,在完善了該轎車(chē)系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)硬件設(shè)施后,通過(guò) 總線(xiàn)適配器獲得了系統(tǒng)的助力特性數(shù)據(jù),繪制了系統(tǒng)助力特性三維 曲面圖,并對(duì)其助力特性進(jìn)行了分析。 重點(diǎn)分析了系統(tǒng)助力電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和控制策略。根據(jù) 該電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和系統(tǒng)技術(shù)要求,研究了一套基于位 的控制器,該芯片具有豐富的硬件資源和出色的電機(jī)控制模塊。 控制器系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié),增加了電機(jī)的啟動(dòng)、抗負(fù) 載、抗干擾的性能。 最后,進(jìn)行了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空載試驗(yàn)。根據(jù)給定的車(chē)速信號(hào),助力 電機(jī)能夠準(zhǔn)確、快速

3、的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,并且當(dāng)電機(jī)受到干擾如用手施加阻力后, 電機(jī)能夠快速的回到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,本文所研發(fā)的控制器具有較好的可靠性;電機(jī)調(diào)速比較穩(wěn)定; 所采用的控制算法能夠達(dá)到快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞::;控制器:助力特性曲面 ? . , ,.,.,, ..., . , . ? . ’ ,. ,. . ,, . ?. , ,.’. , .:;;;重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所 取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的作

4、品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確 方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者篝名:習(xí)次 日期:孔形年每月夕日 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué) 校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論 文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人學(xué)位論文收錄到《中國(guó)學(xué)位論 文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》,并進(jìn)行信息服務(wù)包括但不限于匯編

5、、復(fù)制、發(fā)行、信息網(wǎng) 絡(luò)傳播等‘,同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。 : 指導(dǎo)教師簽名 位期 月 作易 溲胡 文 期:≯產(chǎn)年 一 戳厶 名甲 扎?嗲 本人同意將本學(xué)位論文提交至中國(guó)學(xué)術(shù)期刊光盤(pán)版電子雜志社Ⅺ系 列數(shù)據(jù)庫(kù)中全文發(fā)布,并按《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)出版章程》規(guī) 定享受相關(guān)權(quán)益。 指導(dǎo)教師簽名: 學(xué)位論文作者簽名:詞赴 日期:孤/口年仁月/歹日 日期:跏年?duì)幵孪Φ谝徽戮w論 第一章緒論 .汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述 汽車(chē)在行駛過(guò)程中,需要按駕駛員的意圖經(jīng)常改變其行駛方向,即所謂汽車(chē) 轉(zhuǎn)向。就輪式汽車(chē)而言,實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的方法是駕駛員通過(guò)一套專(zhuān)設(shè)的

6、機(jī)構(gòu),使 轉(zhuǎn)向橋一般是前橋上的車(chē)輪轉(zhuǎn)向輪相對(duì)于汽車(chē)縱軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)一定角度。在 汽車(chē)直線(xiàn)行駛時(shí),轉(zhuǎn)向輪也往往受到路面?zhèn)认蚋蓴_的作用,自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛 方向。此時(shí),駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn),從而使汽 車(chē)恢復(fù)原來(lái)的行駛方向。這一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車(chē)行駛方向的專(zhuān)設(shè)機(jī)構(gòu),稱(chēng)為 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此,汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車(chē)能按駕駛員的意圖而進(jìn)行 轉(zhuǎn)向行駛【。 隨著現(xiàn)代汽車(chē)電子技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)于汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能的要求 也日益提高。為了保證車(chē)輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí),都有理想的操縱穩(wěn)定性, 即使車(chē)輛在停車(chē)情況下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)也能夠輕松自如,而在高速行駛時(shí)又

7、不會(huì)感 到輕飄不穩(wěn)。因此,在汽車(chē)原有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以很好的 ’ 改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向操控性能【。 根據(jù)轉(zhuǎn)向能源的不同,汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 如圖.所示。 . 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源,其中所有傳遞力的部件都是機(jī) 械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是在原有機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形第一章緒論 成的。轉(zhuǎn)向加力裝置減輕了駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)的作用力。轉(zhuǎn)向能源來(lái)自駕駛員的 體力和發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī).其中發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)占主要部分,轉(zhuǎn)向助力通過(guò)轉(zhuǎn)向 加力裝詈提供。常

8、情況下,駕駛員能輕松地控制轉(zhuǎn)向。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失散 時(shí),就回到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀忐,一般來(lái)說(shuō)還能由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)汽車(chē)轉(zhuǎn)向任務(wù)。 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照傳能介質(zhì)的不同,可以分為四種形式: 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 液坻助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作。轉(zhuǎn)向時(shí),液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向 控制鼉分配流入轉(zhuǎn)向助力缸中的一個(gè)腔室,而另~腔審則有一部分油回流。這樣 兩腔之叫產(chǎn)生了壓力差.從而產(chǎn)生助力。并且傳統(tǒng)的渡堆助力轉(zhuǎn)向只具有單一的 助力特性,助力不能隨著車(chē)速的變化而變化,在低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定 性之間,只能采取折中的方法.其結(jié)糶是汽車(chē)在原地轉(zhuǎn)向時(shí)助力不足,高速時(shí)轉(zhuǎn) 向助力偏大。圖 為傳統(tǒng)液壓助力

9、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意閣。 圖 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意剛 / 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 為了克服液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向單一和能耗大的缺點(diǎn)。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器、電控單元嘰 和車(chē)速傳感器【。它用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作,由蓄電池提供能量, 根據(jù)車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速 越高,轉(zhuǎn)向油泵的流量越大,相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就越大。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,就 ¨以實(shí)現(xiàn)可變助力【。 與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用車(chē)速感應(yīng)的可變 轉(zhuǎn)矩力控制方式,提高了汽車(chē)的操控穩(wěn)定性:改由電機(jī)馳動(dòng)油泵,附加能

10、耗可以 降低%.%”。 與目前的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳力介第一章緒論 質(zhì)為液壓油,轉(zhuǎn)向手感要優(yōu)于。并且,可以在現(xiàn)有的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基 礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的改裝,因此,在未來(lái)的幾年中電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有很大的 發(fā)展空問(wèn)。圖 為電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 圖.為一種反力控制式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)及原理圖。閥芯的下部裝 有由彈簧、活塞和鋼球組成的反力機(jī)構(gòu)?；钊上鄬?duì)閥芯軸向移動(dòng), 但二者不可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊南露思伴y套的上端有型槽,鋼球置于第一章緒論 型槽中。這樣,活塞上的軸向力對(duì)閥芯和閥套的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)起阻礙作用。反 山機(jī)構(gòu)

11、位于反力腔中,而在進(jìn)油環(huán)槽和反力腔的通道卜安裝有電磁閥。 該系統(tǒng)的工作過(guò)程為:轉(zhuǎn)向電控單元圖中未繪出根據(jù)采集到的車(chē)速信號(hào),對(duì)電 磁閥電流進(jìn)行控制,以改變反作用腔中的油壓,從而使閥芯附加的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力產(chǎn)生 變化,獲得所需要的路感。汽車(chē)行駛速度低時(shí),流經(jīng)電磁閣線(xiàn)圈的電流大,反力 腔與進(jìn)油腔問(wèn)的通道被堵塞,反力腔中無(wú)法建立油壓,這與普通液壓助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)相同,轉(zhuǎn)向操舵力較小。隨著車(chē)速的增加,流過(guò)電融閥線(xiàn)圈的電流減小,反作 用腔與進(jìn)油腔之間的節(jié)流面積增大.油液的壓力損失減小.反作用腔中壓力升高, 轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯的阻力增大,轉(zhuǎn)向操舵力增加。 套《 ‘漆“。一 : 油■■卜 箜辮 卜轉(zhuǎn)向齒輪

12、;一閥套:一活塞;一彈簧;一擋片;閥芯;一油泵; 一屯磁剃:一儲(chǔ)油罐;一安全閥;卜鋼球:一轉(zhuǎn)向助力缸;一進(jìn)油環(huán)槽;鏟反力腔 控制閥結(jié)構(gòu)..作原理 圈 液壓反力式助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及原理 母 . 系統(tǒng)的基本工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀 系統(tǒng)的分類(lèi)【 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)閥的不同分為葉位開(kāi)式和中位閉式。中位開(kāi)式 所示。轉(zhuǎn)向閻中位有預(yù)開(kāi)量,不轉(zhuǎn)向時(shí),閥芯的槽 轉(zhuǎn)向閥及其工作原理如圖 脊與閥套的槽正對(duì).而前者比后者略窄,此時(shí),轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左、右腔室相通, 且與油泵的出油、回油口相通;左、右腔油壓相等,不產(chǎn)生助力。來(lái)自轉(zhuǎn)向液壓 泵的液壓油經(jīng)過(guò)槽和槽脊之倒的間隙預(yù)開(kāi)口、閥芯上的徑向孔流回油

13、箱,因此 也被稱(chēng)為常流式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向時(shí)以左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?右轉(zhuǎn)向時(shí)分析方法相同,第一章緒論 扭樸在外力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,而閥芯和閥套分別與扭桿的兩端固連,因此閥 芯相對(duì)閥套轉(zhuǎn)動(dòng),閥芯的槽脊與閥套上槽的兩側(cè)間隙不對(duì)稱(chēng),使油泵泵出的油液 大部分進(jìn)入動(dòng)力缸右腔、小部分進(jìn)入左腔,兩側(cè)的壓差推動(dòng)活塞與齒條軸固連 右移,從而產(chǎn)生助力作用。中位開(kāi)式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、液壓泵壽 命長(zhǎng)和轉(zhuǎn)向手感好四。 剴 中何開(kāi)式系統(tǒng) 中位閉式轉(zhuǎn)向閥如圖 所示。當(dāng)方向盤(pán)處于不轉(zhuǎn)向的中間位置時(shí),轉(zhuǎn)向閥 的進(jìn)出油口關(guān)閉。液壓回路中裝有蓄能器,當(dāng)蓄能器中的壓力低于某一位時(shí),卸 荷閥關(guān)閉,液壓泵向蓄能

14、器供油;當(dāng)蓄能器中的壓力達(dá)到另一較高值時(shí),卸荷閥 扣開(kāi),液壓泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中總保持一定的工作壓力,所以也 被稱(chēng)為常壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。 中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于,在非轉(zhuǎn)向工況下,系統(tǒng)幾乎不消耗電動(dòng) 機(jī)的能量,在液壓泵不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,系統(tǒng)保持一定的轉(zhuǎn)向能力。 但是中位閉式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量和壓力由蓄能器提供,在各種工況下輸 出不易調(diào)整,轉(zhuǎn)向助力不能隨轉(zhuǎn)向負(fù)荷做相應(yīng)的變化,降低了駕駛的可靠性和舒 適性。另外,它的密封和結(jié)構(gòu)都比中位開(kāi)式復(fù)雜,所以目前車(chē)輛中常用的仍是傳 統(tǒng)的中位開(kāi)式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)【“。第一蘋(píng)緒論 鬟?。 。?二磐二 ¨?弋‖?嚕 圖】某轎車(chē)

15、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 . 小 以某轎車(chē)使用的系統(tǒng)為例。其基本的工作原理是:系統(tǒng)通過(guò)總線(xiàn) 輸入發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)和車(chē)速信號(hào).當(dāng)控制器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始 工作,這時(shí)助力電機(jī)保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車(chē)直線(xiàn)行駛不需要助力時(shí),扭桿處于旋 轉(zhuǎn)分流閥的中間位置,嘏壓油幾乎無(wú)壓力的通過(guò)旋轉(zhuǎn)分流湖由回油管流回儲(chǔ)油罐; 當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向需要助力時(shí),控制器根據(jù)由總線(xiàn)輸入的車(chē)速信號(hào)。和方向盤(pán)旋轉(zhuǎn) 角速度信號(hào)來(lái)決定助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速,驅(qū)動(dòng)齒輪泵輸出相應(yīng)壓力的高壓油,高壓油筇奄緒論 經(jīng)旋轉(zhuǎn)分流閻進(jìn)八助力‘ /?！核緯r(shí)右腔的液壓油經(jīng)回油管流儲(chǔ)油姥。 雪 商蓄 曼 。 虱 №Ⅱ種 隧

16、乜動(dòng)渡壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意幽. 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 從年只本公司研制出第一臺(tái)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)至今, 系統(tǒng)在很多方面都有了很大的進(jìn)步。其中最大的變化就是由無(wú)刷直流電機(jī)代替有 刷直流電機(jī).齒輪泵代替葉片泵【”。并且,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,也由 最初的位單片機(jī)向功能、運(yùn)算能力更加強(qiáng)大的位過(guò)渡。由于這些新技 術(shù)的使用使得的助力特性得到不斷的提高。文獻(xiàn)介紹了口軸負(fù)荷小于 車(chē)輛的中位開(kāi)式電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。系統(tǒng)用車(chē)輛的速度信號(hào)對(duì)電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,采用開(kāi)環(huán)方式;在控制器中嵌入固定算法,可靠性較好。在市 區(qū)公路上行駛,系統(tǒng)能耗為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵系統(tǒng)的%。在提高節(jié)能效果方面, 文獻(xiàn)

17、『傈用車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)速作控制參數(shù)。在非轉(zhuǎn)向工況,電動(dòng)機(jī)以比轉(zhuǎn)向工 況更低的備用工況轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)向工況,系統(tǒng)根據(jù)車(chē)速及方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制電 動(dòng)機(jī)從備用工況迅速轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)向工況。文獻(xiàn)對(duì)緊急避讓工況系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行了仿真; 系統(tǒng)響應(yīng)迅速,助力平穩(wěn).可以滿(mǎn)足助力要求。由于在非轉(zhuǎn)向工況,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 維持在很低的水平,消耗能量很少,系統(tǒng)的能源利用率有較大提高。但研究沒(méi)有 對(duì)備用工況電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇做分析,對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺乏實(shí)際的指導(dǎo)意義。 圈外雖然已經(jīng)有產(chǎn)品推出,但由于時(shí)間較短,還不具有很大市場(chǎng)捌模,而且 汽車(chē)產(chǎn)品都有較長(zhǎng)的試驗(yàn)期和壽命測(cè)驗(yàn),所以如今的大多數(shù)的汽車(chē)還是采用傳統(tǒng) 者更高級(jí)的系統(tǒng)所

18、代替【。第一章緒論 國(guó)內(nèi)對(duì)于系統(tǒng)的研究還處于探索階段.因?yàn)樵撓到y(tǒng)涉及電子、機(jī)械、自 動(dòng)化等諸多領(lǐng)域,需要多學(xué)科的交叉.面臨的難題也比較多,另外國(guó)內(nèi)在無(wú)刷電 機(jī)和轉(zhuǎn)向傳感器方面的配套技術(shù)比較落后。而且困外對(duì)技術(shù)非常保密。這 些因素導(dǎo)致了我國(guó)在系統(tǒng)方面的研究十分落后。 .本文的研究?jī)?nèi)容 本文首先研究某轎車(chē)系統(tǒng)的工作原理,及其系統(tǒng)助力電機(jī)控制原理。并 在此基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了一套系統(tǒng)控制器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究該的助力性能, 最后進(jìn)行臺(tái)架空載實(shí)驗(yàn)。本文的主要研究任務(wù)有: 深入研究系統(tǒng)工作原理; 進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)性能測(cè)試,測(cè)繪出系統(tǒng)助力性能特征曲線(xiàn), 并分析其助力特性; 重點(diǎn)研究系統(tǒng)永磁無(wú)刷直

19、流電機(jī)工作原理、控制方法和控制策略。 系統(tǒng)控制器硬件的研究開(kāi)發(fā),包括芯片的選型、原理圖的設(shè)計(jì)、 板的繪制、電路板的調(diào)試; 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上完成對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試,驗(yàn)證該控制器的正確性與可行 性。第璋系統(tǒng)的特性測(cè)試發(fā)控制肇略分析 第二章 系統(tǒng)特性測(cè)試及控制策略分析 . 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 圖 系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的全景視圖珊 ..實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng) 本試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架、模擬轉(zhuǎn)向阻力的彈簧、電動(dòng)泵、轉(zhuǎn)向 盤(pán)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器以及轉(zhuǎn)閥和助力油缸等。 圖.中深藍(lán)色部分為試驗(yàn)臺(tái)架,本試驗(yàn)臺(tái)架是直接與地面連接的,因此可以 將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)固定在地面上保持整體

20、不動(dòng),保證了試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性。汽車(chē)在轉(zhuǎn)向 的時(shí)候主要克服的是車(chē)輪與地面問(wèn)的摩擦力,以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械摩擦等,為了模 擬車(chē)輪與地面間的摩擦力,使得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有~定得負(fù)載,本試驗(yàn)臺(tái)在試驗(yàn)臺(tái)架 的兩邊固定了兩個(gè)彈簧.以此來(lái)模擬汽車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載。 該系統(tǒng)將儲(chǔ)油罐、控制器、電機(jī)、齒輪泵集合在一起組成電動(dòng)泵,節(jié)省了空間, 并且便于安裝。電動(dòng)泉如圖.所示。第一章系統(tǒng)的特性洲斌乏控制策略分忻 ¨‘警萄 。:氬 ’舀澎 ’美。學(xué) 疊愛(ài)疊 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)右轉(zhuǎn)時(shí)如圖 ,油泵泵出的高壓油進(jìn)入左缸,推動(dòng)活塞向右 移動(dòng),右缸的低壓油則回流入泵,從而產(chǎn)生向右的助力。當(dāng)直線(xiàn)行駛時(shí),左右缸 油壓相同

21、,沒(méi)有助力:轉(zhuǎn)向盤(pán)向左轉(zhuǎn)時(shí),相應(yīng)產(chǎn)生向左的助力。 .實(shí)驗(yàn)臺(tái)電器系統(tǒng) 本試驗(yàn)臺(tái)的電器系統(tǒng)主要山無(wú)刷直流電機(jī)、微控制器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器、電 機(jī)轉(zhuǎn)述傳感器,總線(xiàn)適配器,:位機(jī),示波器,數(shù)字采集儀以及雷電池、開(kāi) 關(guān)等部分組成。第一章系統(tǒng)的特性洲試嵌托制麓略升忻 力向黜轉(zhuǎn)進(jìn)他感器 抄◇ 幽.方向盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)于及定, 。郫叫 封 礁旋轉(zhuǎn)編碼器’ 實(shí)驗(yàn)臺(tái)信號(hào)傳輸順序 上位機(jī)通過(guò)總線(xiàn)適配器向系統(tǒng)控制器芨送所需信號(hào),包括車(chē)速信 號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)和助力電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)通信板轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 電壓物理量,通過(guò)示波器記錄一次數(shù)據(jù),雖后將采集到得數(shù)據(jù)保存到上位機(jī) 進(jìn)行處理。

22、 助力電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)主要由磁旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)獲取。在電機(jī)外轉(zhuǎn)子底部安裝一 個(gè)紐扣形磁鐵,就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取,如圖.所示。 的工作原理是通過(guò)芯片內(nèi)部的線(xiàn)性霍爾陣列檢測(cè)出磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度分 布,從中分離卅角度信息?？４判D(zhuǎn)編碼器具有增量角度輸出和絕對(duì)角度輸出功 能。增量角度輸出信號(hào)分為、兩路,磁鐵柑對(duì)旋轉(zhuǎn)一周,、通道 系判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向,通過(guò)倍頻可以狀得位的分辨率。將絕對(duì)角度定義 為磁鐵的磁極與霍爾陣列『自的角度,磁鐵每旋轉(zhuǎn)~周,將輸出個(gè)絕對(duì) 角度信號(hào),通過(guò)通訊可將其讀出。在絕對(duì)角度為或時(shí),通道將 ”“。第。章系統(tǒng)的特測(cè)試及控制策略分析 .. 總線(xiàn)適配器及其使

23、用方法介紹 本文進(jìn)川々光。 總線(xiàn)適配器 ,奠外觀(guān)加 罔.所不. .總線(xiàn)適配器是帶有 接 和路接 勺總線(xiàn)適配器.可進(jìn)行雙向傳送。 ?總線(xiàn)適配器司以艘作 為個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的竹點(diǎn),是總線(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、總線(xiàn)設(shè)備測(cè)試、數(shù)據(jù)分 析的強(qiáng)大工具。采用法接【適配器,可以通過(guò)接連接個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)澳試實(shí)驗(yàn)室、業(yè)控制、智能樓宇、汽牟電子等領(lǐng)域 中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)掘通訊。同時(shí),.接適配器具有體 積小、方便安裝等特點(diǎn),也是便攜,℃系統(tǒng)用戶(hù)的最悻選擇。 幽.占目光電總線(xiàn)適配器外形接口適配器設(shè)備中,總線(xiàn)電路采用獨(dú)立的?電源模塊, 進(jìn)行光電隔離,使該接口適配器具有很強(qiáng)的抗干擾能力,大大提高

24、了系統(tǒng)在惡劣 環(huán)境中使用的可靠性。.接口適配器產(chǎn)品可以利用廠(chǎng)家提供的 工具軟件,直接進(jìn)行總線(xiàn)的配置,笈送和接收。用戶(hù)也可以參考廠(chǎng)家提供 的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、例程編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序,方便地開(kāi)發(fā)出系統(tǒng) 應(yīng)用軟件產(chǎn)品。 .總線(xiàn)適配器的性能與技術(shù)指標(biāo)是: 與總線(xiàn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換: 具有兩個(gè)通道獨(dú)立接口;具備個(gè)通道接 接口支持 ,兼容 ; 支持 和.協(xié)議,支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀; 支持烈向傳輸,發(fā)送、接收 支持?jǐn)?shù)據(jù)幀.遠(yuǎn)程幀格式: 控制器波特率在一之間可選,可以軟件配置: 總線(xiàn)接口采用光電隔離、.電源隔離; 堆大流量為每秒鐘幀總線(xiàn)數(shù)據(jù); 內(nèi)部接收緩沖區(qū)容量為每通道;第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控

25、制策略分析 總線(xiàn)直接供電,無(wú)需外部電源; 隔離模塊絕緣電壓:; 工作溫度:一~℃; 浚適配器帶有數(shù)據(jù)發(fā)送,接受軟件,如圖.所示。用戶(hù)可以自行編寫(xiě) 發(fā)送數(shù)據(jù)表格,如表所示。 ■盤(pán)墨田衄墨墨■?■?■■■?■■??圓 ¨一。?豆 一一? :謄’: “?, 一 『蕙,:一:妒蛋端讎?再。。。矗面 ’ ””“‘?‘。 一”‘ 一一 圖 /軟件界面 .‰∞‰☆ 表發(fā)送數(shù)據(jù)表格式 齜 ∞ Ⅲ ■∞∞?∞∞“∞∞∞ 圳四“%Ⅱ 刪女■?∞∞∞?！蘅谒?¨∞∞∞∞?！? ¨??∞∞∞。 ¨洲?々∞∞∞∞∞ &躺十∞∞∞∞∞∞∞ 洲?∞∞∞∞∞∞ ¨四■???！?/p>

26、 ?洲■?”∞∞∞∞∞ 喇■十∞?∞∞∞∞ 八??∞ ?四■“∞∞∞∞ ¨四∞“ ?∞∞∞自∞“”∞∞∞ ?四∞∞∞∞∞ ?四??∞∞ 晰九∞●¨∞?∞ 四四∞口●∞ 刪?● 九四¨?¨∞∞ Ⅲ■??∞?∞ . 系統(tǒng)靜態(tài)性能測(cè)試 . 系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試目的 為了研究某轎車(chē)系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)思路,同時(shí)為系統(tǒng)控制策 略的表格制定提供參考,進(jìn)行某轎車(chē)系統(tǒng)靜態(tài)助力特性的試驗(yàn)。在已經(jīng)進(jìn) 行了的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,由人力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)提供方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào),將由數(shù)據(jù)采集儀采 七二震用人力轉(zhuǎn)動(dòng)萬(wàn)向龠,阿口.方向甜的限制,組難獲得較時(shí)『的、 穩(wěn)定的方向::轉(zhuǎn)速,瘦助山?乜機(jī)轉(zhuǎn)述潑自足啦的

27、響塒方向鼎轉(zhuǎn)速的變化, 町測(cè)符的赦批電并小刪想,蛐助力乜機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到【論要求的撤高轉(zhuǎn)謎等。 為了彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)刪試的小足.本文』行了某轎車(chē)系統(tǒng)靜忐助山特?的試驗(yàn)。 .實(shí)驗(yàn)方法 分別通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送辨給定恒定車(chē)速/,隔/,在各 恒定車(chē)速條件下由直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器,提供。/轉(zhuǎn)速信 號(hào),并且最后轉(zhuǎn)速維持在。/,示波器同步己錄此時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速與助力電機(jī)轉(zhuǎn) 速數(shù)據(jù)。分別測(cè)得/,/,/,/,/,/,/. ./共組試驗(yàn)數(shù)掘。 圖 所示為車(chē)速為/時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速與助力電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)圖。無(wú)刷 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速由。/加速到。/,最后一直維持這一轉(zhuǎn)速。助力電機(jī)山怠速跟 隨方向盤(pán)電機(jī)加速到電機(jī)最高

28、轉(zhuǎn)速然后進(jìn)過(guò)一段時(shí)問(wèn)回到怠速狀態(tài)。 ∞表.為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速.助力電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系部分原始數(shù)據(jù),由示波器采集得到數(shù) 據(jù)為格式。示波器采集一次數(shù)據(jù)。 表 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)述助力電機(jī)轉(zhuǎn)述芙系部分原始數(shù)據(jù) .? , 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 . 系統(tǒng)靜態(tài)性能測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與處理 在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,山’現(xiàn)場(chǎng)設(shè)薔較多,不可避免地會(huì)產(chǎn)生于擾,為了減少這 種隨機(jī)干擾的影響,必須采用數(shù)字濾波剝采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。其中移動(dòng) 平均濾波法便是種很有效的方法。 移動(dòng)平均濾波的基本原理是:基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律,將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)看成~個(gè)長(zhǎng) 度固守為的隊(duì)列,在新的一次測(cè)量后,上述隊(duì)列的首數(shù)據(jù)去掉,其余個(gè)數(shù)

29、 據(jù)依次前移,并將新的采樣數(shù)據(jù)插入,作為新隊(duì)列的尾;然后對(duì)這個(gè)隊(duì)列進(jìn)行算 術(shù)平均值運(yùn)算,并將其結(jié)果作為本次澳量的結(jié)果。移動(dòng)平均濾波器是一個(gè)低通濾 波器,是對(duì)模擬濾波的補(bǔ)充,用于實(shí)時(shí)檢測(cè),只要采樣頻率足夠高,就能得到較 為理想的測(cè)量結(jié)果。由于本試驗(yàn)采樣頻率很高,因此采用移動(dòng)平均濾波 可以得到很好的結(jié)果。在中可以很方便地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平均濾被,只需對(duì)若干 數(shù)據(jù)取平均值,然后用公式自動(dòng)填充平均值所在的列即可。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn) 對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速取、對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速取濾波效果最好。 從圖.中還可以看出,在同一時(shí)刻采集到的數(shù)值并非唯一值,而是“一對(duì) 多”。針對(duì)這種現(xiàn)象,采用平均值法減少誤差。分別取轉(zhuǎn)向盤(pán)

30、轉(zhuǎn)速為、、 、、/對(duì)應(yīng)的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速值,將若干個(gè)助力電機(jī)轉(zhuǎn)速值取平均值作 速二維曲線(xiàn)圖。 醇 訂。 叫甜山 . 系統(tǒng)控制策略分析 為了研究助力性能,本文進(jìn)行了系統(tǒng)助力性能測(cè)試。 在方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為零的情況下,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化形成的曲線(xiàn)代表了 系統(tǒng)中無(wú)刷直流電機(jī)在無(wú)載荷狀態(tài)下的性能特性,是最能直接反應(yīng)系 統(tǒng)與車(chē)速關(guān)系的特性曲線(xiàn)。辛載助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)如圖 所示。 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 .三 薔 強(qiáng) 賽 刪 車(chē)速/ 圖.空載助力電機(jī)隨車(chē)速變化曲線(xiàn)、Ⅳ . 由空載助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)可以看出,助力電機(jī)在零車(chē)速下轉(zhuǎn)速為 /

31、。隨著車(chē)速的提高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降,當(dāng)車(chē)速達(dá)到/時(shí), 助力電機(jī)轉(zhuǎn)速降到/。在整個(gè)車(chē)速范圍內(nèi)./,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速 基本上維持在/上下。這一特性符合系統(tǒng)在汽車(chē)低速時(shí)的特性:當(dāng) 車(chē)速較低時(shí),車(chē)輪與地面的摩擦主要是靜摩擦力,此時(shí)的摩擦力比較大,轉(zhuǎn)向盤(pán) 比較沉,這時(shí)系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,油泵提供較大的助力油流量, 進(jìn)而在轉(zhuǎn)向時(shí)能夠迅速提供較大的轉(zhuǎn)向助力,并且提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是 在汽車(chē)高速時(shí),這一特性并沒(méi)有滿(mǎn)足系統(tǒng)的特性:在車(chē)速較高時(shí),車(chē)輪與 地面間的摩擦力主要由靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力,此時(shí)摩擦力較小,轉(zhuǎn)向盤(pán)較輕, 甚至覺(jué)得發(fā)飄,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向手感和安全性降低,即路感差。這時(shí)在轉(zhuǎn)向

32、過(guò)程中為了 使駕駛員能夠感覺(jué)到方向盤(pán)較沉,從而改善轉(zhuǎn)向手感和安全性,系統(tǒng)只需在 轉(zhuǎn)向時(shí)提供較小助力即可,對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求不高,因此,此時(shí)無(wú)刷直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速保持一較低轉(zhuǎn)速即可,油泵的流量也隨之下降,提高了經(jīng)濟(jì)性。 圖.為車(chē)速在./時(shí)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn); 圖.為車(chē)速在/./時(shí)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)。 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到。/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速

33、時(shí)達(dá)到最低,為/。 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,此時(shí)轉(zhuǎn)速為 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)保持平 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 穩(wěn)增長(zhǎng)。 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 /左右。 與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降

34、低,而是保持在 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 /左右。 與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 /左右。 與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降低,而是

35、保持在 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。車(chē)速為/時(shí)的 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/時(shí)具有一個(gè)下凹的趨勢(shì)。. /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 /左右。 與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 車(chē)速為/時(shí)的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)

36、速為/時(shí) 具有一個(gè)下凹的趨勢(shì)。在車(chē)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá) 到最低,為/。與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降低,而是 保持在 /左右。隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn) /。 向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到/,并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 車(chē)速為/時(shí)的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/時(shí) 具有一個(gè)下凹的趨勢(shì)。 /車(chē)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn) 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 在車(chē)速/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速在方向盤(pán)零轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最低,為/。 /左右。 與汽車(chē)低速時(shí)相比,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速并沒(méi)有明顯降低,而是保持在 隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的升

37、高,助力電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速達(dá)到。/, 并維持這一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高,為 /。車(chē)速為/時(shí)的 助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/時(shí)具有一個(gè)下凹的趨勢(shì)。 圖. ./曲線(xiàn)圖 ./ 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 /./曲線(xiàn)圖 圖. . // . 系統(tǒng)助力特性 下特性: 在各車(chē)速下,隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)速由/連續(xù)增長(zhǎng)到/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn) 速保持連續(xù)增長(zhǎng)。在方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速為最低值,并且在各車(chē) 速下保持這一最低轉(zhuǎn)速,為/左右。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/,并保持這 一轉(zhuǎn)速時(shí),助力電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值,為/左右。 在車(chē)速為/./時(shí),曲線(xiàn)斜率先

38、大后小,方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為/這一 點(diǎn)時(shí)為分界點(diǎn),曲線(xiàn)在這一點(diǎn)處呈上凸趨勢(shì)。車(chē)速為/時(shí),曲線(xiàn)斜率在整 個(gè)范圍內(nèi)基本保持不變。當(dāng)車(chē)速為/./時(shí),曲線(xiàn)斜率先小后大。在 分界點(diǎn)處呈現(xiàn)下凹趨勢(shì)。這種曲線(xiàn)變化特點(diǎn)的出現(xiàn)于系統(tǒng)的控制策略是有 很大關(guān)系的。在車(chē)速較低時(shí),曲線(xiàn)呈上凸趨勢(shì),隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速提高,電機(jī)轉(zhuǎn)速 提高的斜率先大后小,這就使得駕駛員在以較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)就可以獲得較 大的轉(zhuǎn)向助力,具有較好的轉(zhuǎn)向手感。當(dāng)車(chē)速較高時(shí),曲線(xiàn)呈下凹趨勢(shì),電機(jī)轉(zhuǎn)第一章系統(tǒng)的特性測(cè)試鹽控制鐿略分析 速上升的斜:先小后人,這就使得駕駛員在以較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)獲得勻轉(zhuǎn)向 且句力鞍小,轉(zhuǎn)阿盤(pán)手感較:,獲較好的轉(zhuǎn)向

39、于感咀發(fā)轉(zhuǎn)向安全., . 系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線(xiàn)圖 將以上各固定車(chē)速下助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨方向盤(pán)向盤(pán)轉(zhuǎn)速變化的維曲線(xiàn)圖綜合 起來(lái),繪制出系統(tǒng)靜態(tài)性能特性三維曲面圖,如圖.所示。此圖為分析、 制訂系統(tǒng)助力特性控制策略提供了參考依據(jù)。 幽 系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線(xiàn)鳘 醇山系統(tǒng)特性圖可以看出,某車(chē)系統(tǒng)的助力隨車(chē)速升高而降低,并 且隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速增加而升高。但當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速大于。/時(shí),助力基本上達(dá)到最 高值而不再變化。 從整體來(lái)看,該曲面圖較為平滑,除了處理數(shù)據(jù)時(shí)誤差的影響,基本投有急劇 變化的區(qū)域,這就使得駕駛員在車(chē)速持續(xù)變化或轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速反復(fù)變化的情況下仍 能感到手感平順。 .保舵維持時(shí)間

40、 在實(shí)際駕駛過(guò)程中,當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況需要緊急轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員通常會(huì)向某一方 向猛打方向疵,此后并維持方向盤(pán)不動(dòng),此時(shí)即為保舵過(guò)程。此時(shí),以最快轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán),助力電機(jī)迅速上升到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)方向盤(pán)打到一定角度后停,即 方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為零.助力電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到空載雖低轉(zhuǎn)速。助力電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖罡咿D(zhuǎn)速 降落到宅載最低轉(zhuǎn)速所用的時(shí)間,即為保舵維持時(shí)間。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與 系統(tǒng)助力電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制策略有關(guān),也與無(wú)刷直流電機(jī)本身的旋轉(zhuǎn)慣性有關(guān)。在 第二章系統(tǒng)的特性測(cè)試及控制策略分析 實(shí)際的緊急轉(zhuǎn)向過(guò)程中,系統(tǒng)助力電機(jī)在各種車(chē)速下的保舵時(shí)間可以較好的 反應(yīng)出助力電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速的滯后效應(yīng),具有比較重要

41、的實(shí)際意義。 保舵特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法是:選取~次保舵過(guò)程之中電機(jī)轉(zhuǎn)速的峰值,記 錄下該峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)’日點(diǎn)或采樣點(diǎn),而后尋找該時(shí)間點(diǎn)之后的電機(jī)轉(zhuǎn)速首次 回落至空載轉(zhuǎn)速的時(shí)間點(diǎn)或采樣點(diǎn),計(jì)算兩時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。所有試 驗(yàn)數(shù)據(jù)如表.所示。 . 車(chē)速/ . . . . . . . . 保舵時(shí)間 從表.可以看出保舵維持時(shí)問(wèn)隨著車(chē)速的升高變化不大,基本維持在左 右。 .本章小結(jié) 本章詳細(xì)地介紹了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分,通過(guò) 總線(xiàn)適配器向系統(tǒng)控制器發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)和車(chē)速信號(hào),得到該系統(tǒng)的原始 數(shù)據(jù)。通過(guò)提取、分析和換算將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)中車(chē)速、方向

42、盤(pán)轉(zhuǎn)速、 助力電機(jī)轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系,并做出三維助力特性曲面圖。 通過(guò)對(duì)該助力特性曲面圖的分析我們可以看出,在車(chē)速較低時(shí),助力特性曲 面隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大呈上凸趨勢(shì),曲線(xiàn)斜率先大后小;而在車(chē)速較高時(shí),助力 特性曲面隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大呈下凹趨勢(shì),曲線(xiàn)斜率先小后大。這就使得駕駛員 在汽車(chē)低速時(shí)感覺(jué)轉(zhuǎn)向輕便,而在高速時(shí)轉(zhuǎn)向手感較沉重,提高了駕駛員的駕駛 舒適性及安全性。第三章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 第三章系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制策略的研究 直流電動(dòng)機(jī)具有非常優(yōu)秀的線(xiàn)性機(jī)械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、 簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn),長(zhǎng)期以來(lái)一直廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中, 早期的系統(tǒng)

43、便是采用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。同時(shí)由于機(jī)械 電刷和換向器的強(qiáng)迫性接觸,造成它結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差、變化的接觸電阻、火 花、噪聲等一系列問(wèn)題,影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和 機(jī)械換向器,因此使這種電動(dòng)機(jī)不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),而且又具有交流 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此,采用無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng) 液壓泵產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力成為系統(tǒng)新的發(fā)展方向之一【勿。 本文研究的,采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 .永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 無(wú)刷直流電機(jī),就其基本結(jié)構(gòu)而言,可認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路、永磁

44、電動(dòng) 機(jī)及位置傳感器三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。一般常見(jiàn)的永磁式直流電動(dòng)機(jī)的定 子由永久磁鋼組成,其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。其電樞繞組通電后 產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng),由于電刷的換相作用,使這兩磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程 中始終保持相互垂直,從而產(chǎn)生最大有效轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電機(jī)不停運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電 機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換相,要把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上,把永久磁 鋼放在轉(zhuǎn)子上,這與傳統(tǒng)直流永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但簡(jiǎn)單的直流電源給定 子各項(xiàng)繞組供電,只能夠產(chǎn)生固定的磁場(chǎng),難于與運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永 磁磁場(chǎng)相互配合,以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以無(wú)刷直流電機(jī)除 了

45、由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)本體以外,還要由位置傳感器、控制電路以及功率 控制開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成換相裝置,使得無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生 的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)在空間始終保持。電角度,保證產(chǎn) 生最大有效力矩【。第二章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 . 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 該電機(jī)的供電電壓為直流。該電機(jī)轉(zhuǎn)子外置,是~種外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流 電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)定子槽數(shù)為個(gè)即個(gè)線(xiàn)圈,轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌塊永磁體,即 對(duì)極。根據(jù)電角度公式.: 電騰警 式. 可以計(jì)算出該無(wú)刷直流電機(jī)的電角度為。。 根據(jù)電角度的大小,可繪制出電機(jī)的星形矢量圖,如圖.所示, 圖中數(shù) 字代表線(xiàn)圈序號(hào)

46、,其中、、號(hào)線(xiàn)圈,、、號(hào)線(xiàn)圈,、、號(hào)線(xiàn)圈,、 、號(hào)線(xiàn)圈分別構(gòu)成一相繞組。由于電機(jī)含四相序四狀態(tài),故每相的電角度 為。。另外,該電機(jī)含兩個(gè)霍爾位置傳感器,經(jīng)過(guò)計(jì)算可得兩個(gè)霍爾位置傳感 器的空間機(jī)械角度約為.。。圖.為定子四相繞組結(jié)構(gòu)示意圖。 / 。 叼口 心. 婦: 二彳 過(guò) , , /、 奪 圖.電機(jī)定子結(jié)構(gòu) . . .電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及續(xù)流原理 觀(guān)察電機(jī)的四相繞組發(fā)現(xiàn),該電機(jī)兩相共用同~繞組,即、兩相為同一 繞組,、兩相為同一繞組,、、、四相分別獨(dú)立通電工作。因?yàn)? 相、相為獨(dú)立繞組線(xiàn)圈,并且共用同一繞組槽,所以電機(jī)的續(xù)流是通過(guò)磁耦合 進(jìn)行的。即

47、,當(dāng)繞組線(xiàn)圈的電流發(fā)生變化時(shí),在與它相鄰的繞組線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),它們?cè)陔姷姆矫姹舜霜?dú)立,之間的影響是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的,這種 關(guān)系就稱(chēng)為磁耦合【。 圖.為該直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)輸入至 后,根據(jù)該換相控制字決定、、、四相中的某~相為當(dāng)前導(dǎo)通相, 并通過(guò)輸出斬波信號(hào)控制某一功率管。當(dāng)某一相繞組導(dǎo)通后,電流經(jīng) 電源正端流過(guò)繞組,最后流過(guò)檢測(cè)電阻至功率地。檢測(cè)電阻電流輸入端經(jīng)放大濾第一章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 波后引入到的/轉(zhuǎn)換引哪,為電機(jī)的流閉蚪闊述提;依: 雨 圈 區(qū)流無(wú)刷電機(jī)的騷動(dòng)原理凹 出髂 . 系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)控制策略分析 機(jī)

48、能否根據(jù)輸入信號(hào)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地變化顯得尤為重要。對(duì)于該助力電機(jī)的控制主 要包括換相控制和凋速控制,本系統(tǒng)的液壓泵只有在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能產(chǎn)生油壓, 因此只需要使助力電機(jī)在逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)工作。 換相控制原理 根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到該電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形正弦被以及對(duì)應(yīng)的霍爾位冠信號(hào)波 形方波.如圖.所示,記錄每一項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到正峰值時(shí)刻的霍爾 位置信號(hào),根據(jù)這些霍爾位置狀態(tài)輸出信號(hào)使、、、各相依次 導(dǎo)通?；魻栁恢眯盘?hào)與換相時(shí)刻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示。 四?Ⅳ∞ 蚓 反電動(dòng)勢(shì)與霍爾位置信號(hào) 盯 第三章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 . 各相導(dǎo)通順序 霍爾位置狀態(tài) , , , ,

49、 ..調(diào)速控制原理 理想的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下【】【】【】: ’ 式. 言萬(wàn)Ⅳ,曰肛國(guó) 式.
專(zhuān)萬(wàn)Ⅳ召慪炒 式中: Ⅳ。~通電導(dǎo)體數(shù); 口~永磁體產(chǎn)生的磁通密度; ~轉(zhuǎn)子鐵芯的長(zhǎng)度; ,~轉(zhuǎn)子半徑; 國(guó)~轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度; 。~定子電流; 由以上兩個(gè)公式可見(jiàn),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比,電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流 成正比,因此永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷電動(dòng)機(jī)一樣具有良好的控制性能。 實(shí)現(xiàn)的四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和 驅(qū)動(dòng)電路。兩個(gè)位置間隔.。的霍爾傳感器經(jīng)限幅、整形電路后分別與 的兩個(gè)捕獲引腳和相連,通過(guò)產(chǎn)生捕獲中斷來(lái)給 出換相時(shí)刻

50、,同時(shí)給出位置信息。 由于電動(dòng)機(jī)每次只導(dǎo)通一相,因此每次只需控制一個(gè)電流,本文中電機(jī)用兩 個(gè)電阻作為廉價(jià)的電流傳感器,將其安裝在驅(qū)動(dòng)電路下端,就可以方便地進(jìn)行 電流反饋控制。電流反饋輸出經(jīng)濾波放火電路連接到的 輸入端和,在每一個(gè)周期都對(duì)電流進(jìn)行采樣對(duì)速度 占空比進(jìn)行控制。 通過(guò)?引腳經(jīng)一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)電路連接到 四個(gè)開(kāi)關(guān)功率管,實(shí)現(xiàn)定頻輸出和換相控制。 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗負(fù)載能力,本控制器使用雙閉環(huán)全數(shù)字 調(diào)節(jié),即外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié),其結(jié)構(gòu)如圖.所示。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)能 夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,控制動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流或轉(zhuǎn)矩,起到電流跟隨,過(guò)流自 動(dòng)保護(hù)和及時(shí)抑

51、制電壓擾動(dòng)等作用。外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用是對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾動(dòng)調(diào)節(jié) 并使之在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)比外環(huán)調(diào)節(jié)頻率快,這樣快速調(diào)節(jié)電機(jī)電流或 轉(zhuǎn)矩,利于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能【】【。 ..數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) ..電流的檢測(cè)和計(jì)算 電流的檢測(cè)是用分壓電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電阻值的選擇可以考慮當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí) 能輸出最大電壓,同時(shí)起到過(guò)流檢測(cè)的作用。例如,.對(duì)應(yīng)/轉(zhuǎn)換后的最大 位數(shù)字量,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換后的最小位數(shù)字量。 每~個(gè)周期對(duì)電流采樣~次。如果周期設(shè)為,則電流的采樣 頻率為。 但是在每一個(gè)周期中對(duì)電流采樣時(shí)要注意采樣時(shí)刻,在周期“開(kāi) 的瞬時(shí),電流上升并不穩(wěn)定,也不易采樣。所以電流采樣時(shí)刻應(yīng)該是周期

52、 的“開(kāi)’’中部,如圖所示,它可以通過(guò)定時(shí)器采用連續(xù)增計(jì)數(shù)方式周期匹配 事件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后用轉(zhuǎn)換的數(shù)值進(jìn)行電流調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)速第三章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 值。 ..速度的檢測(cè)和計(jì)算 位置信號(hào)還要用于產(chǎn)生速度控制量。電機(jī)轉(zhuǎn)子有塊磁鐵,每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳 感器輸出個(gè)周期信號(hào),通過(guò)捕獲端口捕捉兩次信號(hào)上升沿的時(shí)刻計(jì)算出 一個(gè)霍爾信號(hào)的周期,通過(guò)下式就可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。 霍爾信號(hào)兩次上升沿的時(shí)間間隔△可以通過(guò)捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器的 寄存器的值來(lái)獲得。定時(shí)器采用連續(xù)增計(jì)數(shù)方式,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低,所用 垃時(shí)乜越長(zhǎng),寄存器中的值也就越大,式中為計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期,‘、乞?yàn)? 兩次上升沿時(shí)刻寄存器

53、中的值。 兩次上升沿的時(shí)間差為: 氣一咖丁 式. 每轉(zhuǎn)所用時(shí)間為: “一乞×× 式. 電機(jī)轉(zhuǎn)速為: ’/申 式. 通過(guò)這樣計(jì)算得到的速度值作為速度反饋量參與速度調(diào)節(jié)計(jì)算。 ..雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能 動(dòng)態(tài)跟隨性能 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在啟動(dòng)和升速過(guò)程中,能夠在電流受電機(jī)過(guò)載能力約束的條 件下,表現(xiàn)出快速的動(dòng)態(tài)跟隨性能。這一性能歸功于電流環(huán)對(duì)電流的可控性。 動(dòng)態(tài)抗擾性能 抗負(fù)載擾動(dòng) 由于負(fù)載的擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后,只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生抗擾作用。因 此,在突然加減負(fù)載時(shí),必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降升。為了減少動(dòng)態(tài)速降升, 轉(zhuǎn)速環(huán)要具有較好的抗干擾性能。而電流環(huán)要具有

54、良好的跟隨性能【。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)在影響系統(tǒng)的位置不同,系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)效 果也不一樣。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載電流擾動(dòng)都作用在被負(fù) 反饋環(huán)包圍的前向通道上,就靜態(tài)特性而言,系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾動(dòng)效果是一樣的。 但是從動(dòng)態(tài)性能上看,由于擾動(dòng)作用的位置不同,還存在及時(shí)調(diào)節(jié)上的差別。負(fù) 第三章系統(tǒng)電機(jī)控制策略的研究 載擾動(dòng)作用在被調(diào)量的自玎面,它的變化經(jīng)過(guò)積分后就可以被轉(zhuǎn)速壞檢測(cè)出來(lái),從 而在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)則離被調(diào)量更遠(yuǎn),它的波動(dòng) 先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流,再經(jīng)過(guò)機(jī)電慣性的滯后爿‘能反映到 轉(zhuǎn)速上來(lái),

55、等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,由于 增設(shè)了電流內(nèi)環(huán),這個(gè)問(wèn)題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi), 當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí),可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié),不必等到影響到轉(zhuǎn)速后才在 系統(tǒng)中有所反應(yīng)。因此,在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降 會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。 在實(shí)際調(diào)速中發(fā)現(xiàn),采用四相半控電路進(jìn)行控制時(shí),電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到 /并且經(jīng)過(guò)測(cè)算此時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)達(dá)到,這說(shuō)明采用四相半控 方式進(jìn)行調(diào)速時(shí),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)/時(shí),電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。而根據(jù)測(cè)得 助力特性曲線(xiàn)可以看出,在原地轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要達(dá)到/才能提供合 適的助力。因此,

56、采用四相半控的控制策略不能達(dá)到預(yù)期的電機(jī)轉(zhuǎn)速,必須采用 新的電機(jī)控制策略進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。 .本章小結(jié) 本章詳細(xì)的分析了外轉(zhuǎn)子四相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制策略。通過(guò)實(shí) 驗(yàn)測(cè)得電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與霍爾位置信號(hào)關(guān)系,得到電機(jī)換相順序。研究了該電機(jī)的 數(shù)字控制方法。最后,對(duì)于實(shí)際調(diào)速控制中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題做出了分析。第四章系統(tǒng)控制硬件開(kāi)發(fā) 第四章系統(tǒng)控制器硬件開(kāi)發(fā) 作為系統(tǒng)的核心部分,控制器的設(shè)計(jì)尤為重要?？刂破鞯男阅苤苯記Q 定了整個(gè)系統(tǒng)的工作性能?？刂破鞑粌H要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的助力性能控制,還必 須有良好的穩(wěn)定性,抗干擾能力。因此,在設(shè)計(jì)控制器時(shí)要考慮諸多因素。 本章從分析整個(gè)系統(tǒng)的工作原理入手

57、,闡述了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制器的 硬件開(kāi)發(fā),包括各個(gè)功能模塊的芯片選型、原理圖設(shè)計(jì)。最后,對(duì)于版的繪 制進(jìn)行一些簡(jiǎn)要的分析。 . 系統(tǒng)控制器硬件電路框圖 整個(gè)控制器系統(tǒng)的工作原理為:電子控制單元根據(jù)車(chē)速信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn) 火信號(hào)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)和助力特性圖查找出合適的助力電機(jī)轉(zhuǎn)速值,并輸出 波形,經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)霍爾位置信號(hào)和電流反饋信號(hào) 對(duì)電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)控制器的硬件電路主要包括汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、車(chē)速信號(hào)、電 源變換和監(jiān)控、微處理器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào)、信號(hào)處理、總線(xiàn)模塊、助力電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及電流反饋、運(yùn)算放大放電路等模塊,如圖.所示。 電源監(jiān)控

58、模塊?叫蓄電池電源模 驅(qū) 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào).馗接. 萄型卜一制 筆黧篥嘲單.元. 薹怦 路 堡璽篁翼笪墨一”三露一 電流反饋信號(hào) 運(yùn)算放大電路 圖. 系統(tǒng)控制器示意圖 . 為了增強(qiáng)控制器硬件系統(tǒng)的抗干擾能力,提高可靠性,本文開(kāi)發(fā)的控制器將 微處理器邏輯控制模塊、通訊模塊、信號(hào)處理模塊、運(yùn)放模塊設(shè)計(jì)為控制電路板, 而將功率較大、發(fā)熱量大的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)電路板,兩板之間的控制信號(hào)通第四章系統(tǒng)控制硬件開(kāi)發(fā) 過(guò)引線(xiàn)連接。 . 系統(tǒng)控制器微處理器 從發(fā)展的角度來(lái)看,未來(lái)的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅僅需要車(chē)速信號(hào)和方 向盤(pán)轉(zhuǎn)速信號(hào),還包括轉(zhuǎn)向角、橫向加速度等信號(hào),要求

59、控制系統(tǒng)有更高的處理 速度、尋址能力、更好的電磁兼容性能、支持多任務(wù)系統(tǒng)【。而傳統(tǒng)使用的位 單片機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)控制功能,但受其運(yùn)算處理能力和結(jié)構(gòu)配置的限制,部分電 路還需要外部搭建,這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能,不能滿(mǎn)足發(fā)展的要求。 通過(guò)分析比較,本文選用公司的作為控制器微處理器芯片。 該芯片為位定點(diǎn),主要用于數(shù)字電機(jī)控制、電機(jī)控制、智能儀器儀表、 工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)電一體化等【。 .. 系列簡(jiǎn)介【】 是為滿(mǎn)足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過(guò)把一個(gè)高性能的 內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案, 成為傳統(tǒng)的微控 制單元和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)替代品。每秒萬(wàn)條指令 的處理速度,

60、使 控制器可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的位 微控制器和微處理器的性能。 .. 內(nèi)核 內(nèi)核采用高性能靜態(tài)技術(shù),使得供電電壓將為.,減小了控制器 的功耗;的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到,從而提高了控制器的實(shí) 時(shí)控制能力;基于 的內(nèi)核,保證了系列 和系列代碼兼容。 .. 外設(shè)模塊 具有兩個(gè)專(zhuān)為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的事件管理器模塊和; 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器,總共具有位的空間; 看門(mén)狗定時(shí)器模塊; 位轉(zhuǎn)換模塊; 控制器局域網(wǎng)模塊,即模塊; 串行通信接口模塊; 位串行外部設(shè)備接口模塊; ●●●●◆●●● 高達(dá)個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入\輸出引腳;第四章系統(tǒng)控制硬件開(kāi)發(fā) .. 電機(jī)

61、控制模塊介紹 內(nèi)部的電機(jī)控制模塊主要有個(gè),分別是轉(zhuǎn)換模塊、 捕獲模塊和輸出模塊。 轉(zhuǎn)換模塊 內(nèi)部集成了一個(gè)帶有通道的位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其 個(gè)通道分成兩組,分別由兩個(gè)排序控制器和控制,工作是以任 務(wù)為單位,在一個(gè)任務(wù)中要轉(zhuǎn)換的通道可以通過(guò)和選擇,轉(zhuǎn)換通道 的順序可以通過(guò)排序控制器來(lái)設(shè)置,轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在個(gè)結(jié)果寄存 器中,可以自由讀取。的啟動(dòng)觸發(fā)源可以由軟 件、、以及外部引腳來(lái)產(chǎn)生,用戶(hù)在需要時(shí)可以很方便的觸 發(fā)啟動(dòng)。另外該還帶有效驗(yàn)功能,保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確性和精度。 捕獲模塊 捕獲單元可以記錄輸入的霍爾位置信號(hào)跳變時(shí)刻,以便對(duì)電機(jī)進(jìn)行正確換相。 每個(gè)事件管理器模塊有個(gè)捕獲單元,事件管理器的捕獲單元為、 、,事件管理器的捕獲單元為、、。每個(gè)捕捉 單元都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的捕捉輸入引腳。當(dāng)捕捉輸入引腳上檢測(cè)到一個(gè)設(shè)定 的跳變時(shí),則跳變時(shí)刻通用定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值被捕捉并儲(chǔ)存在