汽车电动助力转向系统的研究与开发

论文摘要

我国汽车行业正处于快速发展阶段,汽车正成为对中国宏观经济最有影响力的产业之一。安全、环保和节能等领域将是汽车未来发展的方向。汽车液压转向助力(HPS)系统体积大、能耗高和智能性差。与相比HPS,电动助力转向(EPS)系统有体积小、效率高、装配简单和智能性好等特点,是汽车电子系统的一个主要发展方向。本文分析了EPS系统的特点,研究开发了EPS系统的两个关键电子元件:非接触式扭矩传感器的信号处理、调零电路和电子控制单元(ECU)。非接触式扭矩传感器的主要功能是将扭矩转角信号转换为ECU可接收的电压信号。本文分析了非接触式扭矩传感器的机械特点,首先设计了其信号处理电路;其次,考虑到信号处理电路在配合机械结构时需要调整,开发了以PIC16F676微处理器为核心的自动调整电路及其配套软件,实现了信号处理电路的自调整。ECU是EPS系统的核心,用来完成实时信号采集、电机控制和系统控制功能。本文设计的基于PIC16F877A为微处理器的ECU功能如下:对输入信号(转矩、车速及其他信号)进行硬件处理(滤波、光耦隔离),输入到微处理器,而后微处理器通过计算和分析,确定助力策略,采用模糊参数自整定PID控制算法、通过由PWM驱动的H桥电路对永磁直流助力电机进行控制。本文首先按照功能模块完成ECU的硬件部分,而后基于该电路结构,依照软件模块化思想开发了的控制软件的主程序、信号采集处理模块、电机控制模块和故障诊断模块。最后,本文首先用自主设计装置对非接触扭矩传感器电路部分进行测试,而将ECU和扭矩传感器信号处理电路加入EPS系统,通过专用EPS测试台进行台架实验。实验表明,二者配合良好,相应快速,工作稳定,可良好实现助力。

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第1章绪论

1.1 引言

1.2 汽车电动助力转向系统概述

1.2.1 汽车电动助力转向系统工作原理

1.2.2 汽车电动助力转向系统的分类

1.3 汽车电动助力转向系统的国内外发展现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文研究背景与研究意义

1.5 本文研究内容

第2章系统结构特性和控制系统设计

2.1 EPS系统主要部分的数学模型

2.1.1 转向机构的数学模型

2.1.2 助力电机的数学模型

2.2 电动助力转向系统的主要元件简介

2.2.1 扭矩传感器

2.2.2 助力电机

2.2.3 电子控制单元（ECU）

2.3 控制系统设计

2.3.1 控制系统总体设计

2.3.2 PID控制

2.3.3 模糊自整定PID控制

2.4 电动助力转向系统的助力策略

2.4.1 常规助力模式

2.4.2 阻尼控制模式

2.4.3 回正控制模式

2.5 助力电机的控制方法

2.5.1 分压法

2.5.2 PWM法

2.6 小结

第3章非接触式扭矩传感器信号处理和自动调整电路设计

3.1 机械结构介绍

3.2 信号处理电路总体设计

3.3 信号处理电路设计

3.3.1 电源电路设计

3.3.2 振荡电路设计

3.3.3 测量电桥设计

3.3.4 放大电路设计

3.3.5 带数字电位器的测量电桥设计

3.4 自动调整电路设计

3.5 自动调整电路软件设计

3.5.1 软件总体设计

3.5.2 A/D采集程序

3.6 小结

第4章电子控制单元（ECU）硬件设计

4.1 电子控制单元总体设计

4.2 芯片选择

4.3 输入电路设计

4.3.1 扭矩传感器信号输入电路

4.3.2 车速传感器信号和发动机转速传感器信号输入电路

4.3.3 电机电流测量电路

4.4 功率电路设计

4.4.1 电机控制电路设计

4.4.2 离合器控制电路设计

4.5 电源电路设计

4.5.1 5V电源设计

4.5.2 2.5V电源设计

4.6 小结

第5章电子控制单元（ECU）软件设计

5.1 软件总体设计

5.2 信号采集模块设计

5.2.1 A/D转换

5.2.2 软件滤波

5.3 电机控制模块设计

5.3.1 PIC16F877A的PWM模块

5.3.2 离散 PID控制

5.3.3 增量 PID控制

5.3.4 模糊自整定增量 PID控制的实现

5.4 故障诊断模块设计

5.5 小结

第6章电动助力转向系统的实验研究

6.1 非接触式扭矩传感器信号处理电路测试结果

6.1.1 实验装置

6.1.2 实验结果

6.2 EPS系统助力测试结果

6.2.1 实验装置

6.2.2 实验结果

6.3 小结

第7章总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

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