汽车电动助力转向控制系统控制器设计培训讲学.doc
《汽车电动助力转向控制系统控制器设计培训讲学.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车电动助力转向控制系统控制器设计培训讲学.doc(37页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、汽车电动助力转向控制系统控制器设计精品文档 第一章 绪 论 电动助力转向系统(Electric Power Steering,缩写EPS)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。它是近代各种先进汽车上所必备的系统之一。1.1电动助力转向的发展从最初的机械式转向系统(Manual Steering,简称MS)发展为液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering,简称HPS),然后又出现了电控液压助力转向系统(Electro Hydraulic Power Steering,简称EHPS)
2、和电动助力转向系统(Electric Power Steering,简称EPS)。装配机械式转向系统的汽车,在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重,为了解决这个问题,美国GM公司在20世纪50年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。但是,液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此在1983年日本Koyo公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力,但是结构复杂、造价较高,而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点,是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1988年,日本Suzuk
3、i公司首先在小型轿车Cervo上配备了Koyo公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统;1990年,日本Honda公司也在运动型轿车NSX上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统,从此揭开了电动助力转向在汽车上应用的历史。1.2 电动助力转向的分类:机械液压助力机械液压助力是我们最常见的一种助力方式,它诞生于1902年,由英国人Frederick W. Lanchester发明,而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后,1951年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。由于技术成熟可靠,而且成本低廉,得以被广泛普及。机械液压助力系统的主要组成部分有液压泵、油管、压力流
4、体控制阀、V型传动皮带、储油罐等等。这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力,对转向系统施加辅助作用力,从而使轮胎转向。电子液压助力由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力,所以人们在机械液压助力的基础上进行改进,开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。 这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动,而是由电动机来驱动,并且在之前的基础上加装了电控系统,使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关,还与车速相关。机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀,新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向ECU等。电动助力EPS就是英文Electric Power Steering的缩写,即电动助力转向
5、系统。电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力,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、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点,电动助力转向系统作为一种新的转向技术,将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。驾驶员在操纵方向盘进行转向时,转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转矩电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小
6、和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。1.3 电动助力转向系统特点液压助力转向系统已发展了半个多世纪,其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展,对汽车节能性和环保性要求不断提高,该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显,不能完全满足时代发展的要求。 电动助力转向系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统,能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此,该系统一经提出,就受到许多大汽车公司的重视,并进行开发和研究,未来的转向系统中电动助力转
7、向将成为转向系统主流,与其它转向系统相比,该系统突出的优势体现在:1、降低了燃油消耗液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵,使液压油不停地流动,浪费了部分能量。相反电动助力转向系统(EPS)仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量,该能量可以来自蓄电池,也可来自发动机。而且,能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不转向时,电机不工作,需要转向时,电机在控制模块的作用下开始工作,输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩,而且,该系统在汽车原地转向时输出最大转向力矩,随着汽车速度的改变,输出的力矩也跟随改变。该系统真正实现了按需供能,是真正的按需供能型(on-demand)系统。汽车在
8、较冷的冬季起动时,传统的液压系统反应缓慢,直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管,对冷天气不敏感,系统即使在-40时也能工作,所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热,节省了能量。不使用液压泵,避免了发动机的寄生能量损失,提高了燃油经济性,装有电动助力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,装有电动助力转向系统的国辆燃油消耗降低2.5%,在使用转向情况下,燃油消耗降低了5.5%。2、增强了转向跟随性在电动助力转向系统中,电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用
9、,使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水。因此转向系统的抗扰动能力大大增强和液压助力转向系统相比,旋转力矩产生于电机,没有液压助力系统的转向迟滞效应,增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。3、改善了转向回正特性直到今天,动力转向系统性能的发展已经到了极限,电动助力转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时,该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速,可得到一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程,容易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性,这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力,提供了与车
10、辆动态性能相机匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统中,要改善这种特性必须改造底盘的机械结构,实现起来有一定困难。4、提高了操纵稳定性通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法,给正在高速行驶(100km/h)的汽车一个过度的转角迫使它侧倾,在短时间的自回正过程中,由于采用了微电脑控制,使得汽车具有更高的稳定性,驾驶员有更舒适的感觉。1.4 电动助力转向系统的发展趋势上个世纪80年代开始,人们开始研究电子控制式电动助力转向,简称EPS(Electric Power Steering)。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
11、减少、可靠性增强,它取消EHPS的液压油泵、液压管路、液压油缸和密封圈等配件,纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构,解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题。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,驾驶员在操纵转向盘时,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
12、运转,从而产生所需要的转向助力。从国内外的研究来看,EPS今后的研究主要集中在以下几方面: (1)EPS助力控制策略。助力控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小,辅助驾驶员实现汽车转向。控制策略是EPS研究的重点。(2)系统匹配技术。助力特性的匹配、电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以及EPS系统与其它子系统进行匹配,是使整车性能达到最优的关键。(3)可靠性。转向系统是驾乘人员的“生命线”之一,必须保证高度可靠性。EPS除了应有良好的硬件保证外,还需要良好的软件做支撑,因此对 EPS的可靠性提出了很高的要求。由于技术、制造和维修成本等原因,目前大部分汽车转向系统仍以液
13、压助力的HPS(包括 ECHPS、EHPS)为主。线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因,在近期很难在车辆上装配。EPS具有节能与环保等诸多优点,EPS取代HPS是今后一段时间内汽车转向系统发展的趋势。 第二章 硬件电路设计 汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering)结构的工作原理:当汽车的方向盘开始转动时,扭矩传感器开始检测其输入轴,并把扭矩信号传输给控制中心,此时的波形有毛刺,并不是能够用来调制的PWM波。而整形电路的作用便是把毛刺去掉,得到矩形波。然后无刷直流电机里面对应的三个霍尔传感器检测出电机转子的位置,以及在汽车变速箱上面安装的车速传感器传给的模拟
14、量,经过ECU分析处理这些模拟量,按程序指令的方式对控制对象进行控制,通过改变输出PWM来控制三相桥中的MOS管的导通顺序控制电机,来实现对控制对象进行控制动力转向的目的。扭矩传感器无刷直流电动机DSP(TMS320F240)控制器转子位置检测电路位置信号整形电路逆变器电路功率驱动电路换相逻辑电路车速传感器系统硬件模块连接图如图系统硬件模块框图所示,硬件系统主要由DSP 最小系统及扩展电路、换相逻辑电路、功率驱动电路、逆变器电路、转子位置检测电路等部分组成。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扭矩,是EPS的动力源,电机对EPS的性能有很大影响,是EPS的关键部件之一。作为EPS
15、系统助力的提供者,根据系统要求,我们选择直流无刷电机。2.1 直流无刷电机直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。是将交流电源整流后变成直流,再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。主电路是一个典型的电压型交直交电路,逆变器提供等幅等宽5-26kHz调制波的对
16、称交变矩形波。永磁体n-s交替交换使位置传感器产生相位差120的u、v、w方波,结合正/反转信号产生有效的6状态编码信号:101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生t1t4导通、t1t6导通、t3t6导通、t3t2导通、t5t2导通、t5t4导通,也就是说将直流母线电压依次加在a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a-、c+b-上,这样转子每转过一对n-s极,t1t6功率管即按固定组合成6种状态的依次导通。每种状态下,仅有两相绕组通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60电角度空间位置,转子在新位置上,使位
17、置传感器u、v、w按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合,使定子绕组产生的磁场轴再前进60电角度,如此循环,无刷直流电动机将产生连续转矩,拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的,而不是由逆变器强制换向的,所以也称作自控式同步电动机。电动机在这里受到控制单元的指令控制输出适宜的扭矩,进而控制车轮的转向,它是本系统实现功能最重要的器件之一,所以需要可靠性比较强,而且对应的性价比比较好的器件,在这里我们采用的直流无刷直流电机的参数如下表所示:型式直流无刷电动机额定时间S22分钟标称输出150W额定转速1200r/min/DC12V/30A额定转矩1.2N/30A额
18、定电流30A旋转方向正反转允许最大电流35A2.2 DSP芯片结构与性能的介绍DSP(Digital Signal Processor)实际上也是一种单片机,它同样是将中央处理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上。DSP最早是针对数字处理,特别是语音、图象信号的各种处理而开发的。由于这类信号处理的算法复杂,要求DSP必须具有强大快速的运算能力。因此,DSP有别与普通的单片机,它采用了多组总线技术实现并行运行机制,从而极大的提高了运行速度,也提供了非常灵活的指令系统。近些年来,各种集成化单片DSP的性能不断得以改进,相应的软件和开发工具日臻完善,价格迅速下降,使得DSP在控制领域的应用备受关
19、注。在本论文里面我们主要用的是TMS320LF240这一芯片,就这一芯片做以下的介绍:TMS320LF240是TI公司在TMS320C2XX的基础上推出的一种专用定点DSP芯片,该器件利用了TI的可重用DSP核心技术,显示出TI的特殊能力通过在单一芯片上集成一个DSP内核和各种外设器件,从而制造出面向各种工程应用的DSP方案。作为第一个数字电机控制器的专用DSP,TMS320C240和TMS320F240确立了单片数字电机控制器的标准,可支持电机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据的交流和系统控制监控等功能。可广泛应用于厂房自动化系统、工业化电机驱动和功率转换、供热、通风和空调(HAVC)
20、系统。其主要特性如下:采用TMS320C2XX CPU内核:有32位中央逻辑运算单元(CALU);内含32位累加器(ACC);16位16位并行乘法器;8个16位辅助寄存器;具有50ns(20MIPS)指令周期;含544字节16位在片数据/程序双向RAM;带有16k字节Flash EEPROM:双向10位串行数模转换器的采样速率可达166kHz;具有28个独立可编程、复用I/O脚;有串行外设接口(SPI)和SCI接口;自带强大的事件管理器;(1) 12 路比较/PWM 通道,其中9 路为独立(2) 3 个16 位通用定时器,共有6 种模式。(3) 3 个具有死区功能的全比较单元。(4) 4 个捕
21、获单元。其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力。带有实时中断的看门狗电路;支持硬件JTAG硬件仿真。TMS320F240 采用哈佛结构 ,流水线操作 ,大大提高了指令执行速度。优化的 CPU结构 ,更加快了指令执行速度。TMS320F240 的指令系统是与其它数字信号处理器一脉相承的 ,它提供了丰富的“乘累加”指令 ;这使电机控制中的数字滤波 ,如 IIR、FIR 等 ,实现方便快速.2.3 最小系统及外围扩展电路本系统中,DSP最下系统扩展电路设计如图所示。主要引脚的接法如下: 与时钟源模块相关的引脚。我们使用DSP的内部振荡器,此时引脚/OSCBYP接高电平。而使用内部振荡器,引脚XTA
22、L1/CLKIN和XTAL2分别接外部晶振的一端。时钟源模块采用锁相环(PLL)技术,对外部时钟频率进行备频。得到非常稳定的内部时钟。与存储器扩展相关的引脚。存储器扩展主要是TMS320F240内部存储容量有限,同时也考虑到调试过程中可以方便将程序下载到片外高速SRAM中,不用频繁的写片内EPPROM。存储器扩展采用的是高速静态RAM芯片CY7C199,它的存储容量为32k bytes,地址总线为15位,数据总线为8位。在本系统中,使用了两片CY7C199,组成32k words的高速存储器。CY7C199的数据存取周期是lOns,而TMS320F240的CPU周期是50ns,因此,用于产生等
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 电动 助力 转向 控制系统 控制器 设计 培训 讲学
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【丰****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【丰****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。