試論汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究

于昊

摘要：節(jié)能、舒適、廉價(jià)是汽車消費(fèi)者對汽車的基本要求，也是是現(xiàn)代汽車技術(shù)追求的主要目標(biāo)，集中體現(xiàn)了現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展方向。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能在節(jié)能、環(huán)保及舒適方面具有非常重要的作用。傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)己不能滿足其發(fā)展的要求。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展與電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);電子控制器;汽車工程

汽車液壓轉(zhuǎn)向助力（HydraulicPowerSteering）系統(tǒng)存在噪音較大、舒適性不太理想、能量消耗高等缺點(diǎn)。電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）系統(tǒng)由電動助力電機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，與液壓助力結(jié)構(gòu)不一樣，無需液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、液壓油、軟管、皮帶輪以及傳送帶。具有體積小、易調(diào)整、裝配靈活、節(jié)省能量，保護(hù)環(huán)境、高效能、智能化等優(yōu)點(diǎn)。電動助力轉(zhuǎn)向大有取代已經(jīng)有50年發(fā)展歷史的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之勢。

一、EPS系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)組成

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電流傳感器、控制單元（ECU）、離合器、助力電動機(jī)及減速機(jī)構(gòu)等組成。汽車在運(yùn)行過程中，扭矩傳感器、車速傳感器及電機(jī)電流傳感器會產(chǎn)生各自的電信號，這些信號經(jīng)過濾波、信號電平調(diào)整后傳給ECU，ECU經(jīng)過分析處理后輸出PWM信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)對助力電機(jī)扭矩控制。EPS系統(tǒng)的主要組成部件主要有：助力電機(jī)、電磁離合器、電位計(jì)式扭矩傳感器、車速傳感器和電子控制單元。

（一）電磁離合器

電磁離合器主要由電磁線圈，主動輪，從動輪和壓板等部件構(gòu)成。工作原理：當(dāng)電磁線圈中有電流通過時，電磁線圈產(chǎn)生的吸力吸引壓板與主動輪接合。這樣，電動機(jī)的動力就經(jīng)過主動輪、壓板、花鍵輸出到從動軸上。當(dāng)線圈中沒有電流流過時，電磁線圈就不會產(chǎn)生電磁吸力，壓板和主動輪之間就沒有接觸壓力，因此電動機(jī)的動力傳遞路線就被切斷，助力停止。

（二）電位計(jì)式扭矩傳感器

扭矩傳感器主要用來測量方向盤上力矩的大小，扭力桿是它的主要的測力元件。扭力桿的信號測量方式有電位計(jì)式、差動式和光電式三種。其中差動式和光點(diǎn)式的成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用于高速測量。導(dǎo)電塑料電位計(jì)式扭矩傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，使用壽命在3000萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。

（三）車速傳感器

大多數(shù)汽車上裝載的車速傳感器一般是磁感應(yīng)式車速傳感器，該傳感器穩(wěn)定性較好，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理就可以轉(zhuǎn)成方波信號，供單片機(jī)采集。考慮到目前決大部分汽車都有電子儀表板，有現(xiàn)成的車速信號，可阻直接使用。但是在實(shí)驗(yàn)室中，較難采集到實(shí)際的車速信號，一般用信號發(fā)生器模擬車速信號。

二、EPS系統(tǒng)控制策略

計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計(jì)算機(jī)PID控制中，使用的是數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。數(shù)字PID控制技術(shù)在EPS中的實(shí)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)扭矩傳感器輸出的扭矩信號和車速信號計(jì)算出電機(jī)的助力大小。數(shù)字PID控制器的控制目標(biāo)是減小轉(zhuǎn)向過程中駕駛員對方向盤的操作力。由于扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸上，這里我們就以轉(zhuǎn)向軸上的扭桿為研究對象，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時，扭桿首先感知出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的扭矩。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成正比，我們可以根據(jù)電流的大小對電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)助力。

三、EPS軟件設(shè)計(jì)

把控制策略在硬件上實(shí)現(xiàn)，必須要把所想實(shí)現(xiàn)的算法輸送給微處理器，使得微處理器能夠獨(dú)自工作。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在整個控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中占據(jù)著非常重要的地位?？梢哉f，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接決定系統(tǒng)的成敗。本節(jié)主要涉及方向盤扭矩傳感器信號的A/D轉(zhuǎn)換、電動機(jī)PWM控制和車速信號計(jì)數(shù)等在單片機(jī)MC9S12XSl28中的寄存器配置步驟和方法。

（一）A/D數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)是一種計(jì)算機(jī)的一種，只對數(shù)字信號分析和運(yùn)算。然而，在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩信號、助力電機(jī)電流及蓄電池電壓信號都是模擬量，需要把模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)MC9S12XSl28有8路A/D轉(zhuǎn)換通道，有8位、10位和12位3種A/D轉(zhuǎn)換精度，可通過相關(guān)寄存器設(shè)置實(shí)現(xiàn)，其中每進(jìn)行一次10位轉(zhuǎn)換僅需要7微秒。ATD模塊有停止模式、等待模式和省電模式。

（二）電動機(jī)PWM控制

大多數(shù)直流電動機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制P-WM來控制電動機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖4-4是利用開關(guān)管對直流電動機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖4.4（a）中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓%。^秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機(jī)電樞電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。

（三）車速信號采集

車速傳感器輸出的車速信號需要經(jīng)過濾波、整形電路后成為方波信號，因此可以直接利用定時器和輸入捕捉功能來完成車速的采集和計(jì)算。車速是在一定時間內(nèi)的累加脈沖個數(shù)，經(jīng)計(jì)數(shù)得到。即利用定時器，當(dāng)達(dá)到指定時間長度f的時候產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取輸入捕捉寄存器中的脈沖個數(shù)，再將脈沖個數(shù)除以時間長度r，即為單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。

四、結(jié)束語

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）作為一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品，它涉及到汽車動力學(xué)、輪胎力學(xué)、電動機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等諸多領(lǐng)域，因此對它的研究不可能一蹴而就。盡管已有一些EPS系統(tǒng)已投入使用，但是其應(yīng)用范圍和功能有一定的局限性。本文介紹了電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，對研發(fā)EPS控制系統(tǒng)提供技術(shù)參考。由于作者的研究時間和研究水平的限制，會有許多考慮不到的地方。這項(xiàng)研究需要更多的人來參與和完善，希望以后的研究者可以結(jié)合實(shí)際多做些這方面的工作。

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（作者單位：沈陽金杯恒隆汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司）