汽车电动助力转向控制系统控制器设计.docx

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汽车电动助力转向控制系统控制器设计

第一章绪论

电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，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（ManualSteering，简称MS）发展为液压助力转向系统（HydraulicPowerSteering，简称HPS），然后又出现了电控液压助力转向系统（ElectroHydraulicPowerSteering，简称EHPS）和电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，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Suzuki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FrederickW.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ElectricPowerSteering的缩写，即电动助力转向系统。

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，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（ElectricPowerSteering）。

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（ElectricPowerSteering）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。

DSP

（TMS320F240）

控制器

逆变器电路

换相逻辑电路

功率驱动电路

无刷直流电动机

转子位置检测电路

位置信号整形电路

扭矩传感器

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BrushlessDirectCurrentMotor,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t1—t4导通、t1—t6导通、t3—t6导通、t3—t2导通、t5—t2导通、t5—t4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，t1—t6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

额定电流

30A

旋转方向

正反转

允许最大电流

35A

2.2DSP芯片结构与性能的介绍

DSP（DigitalSignalProcessor）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）系统。

其主要特性如下：

●采用TMS320C2XXCPU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FlashEEPROM：

●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XTAL1/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32kbytes，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32kwords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，用于产生等待信号的ready引脚无需连接到存储器，直接经电阻接到高电平。

●系统复位引脚。

电源复位使用/PORFSFT引脚，将其接在阻容电路中，引脚上产生由低到高变化时系统复位。

/RS在作为输入时作用和/PORFSFT是相同的，因此将其直接拉高。

图中VCCP编程电压接为高，用于调试和烧写flash，因此看门狗复位功能可以禁止。

在调试完成后，VCCP接地，以防止干扰对程序及看门狗的意外操作。

TMS320F240最小系统及其扩展电路

●与JTAG（JointTestActionGroup）接口相关的引脚。

程序的下载是通过JTAG接口完成的。

这个接口经过转换电路（仿真器）与PC机的并行口相连。

除了电源，地之外，DSP的JTAG接口还有7个引脚。

其中，EMVO，EMV1需要拉高，其他引脚TDI，TDO，TMS，TCK，/TRST直接与仿真器相连。

●DSP工作方式选择引脚（MP和/MC）。

该引脚是决定DSP是工作在微处理器模式还是微计算机模式。

若为低电平，选择内部程序存储器；若为高电平，选择外部程序存储器。

●与A/D转换模块相关的引脚。

（1）ADC0-ADC15为16个模拟输入通道。

其中，ADC0-ADC7属于第一个A/D转换器；ADC8-ADC15属于第二个A/D转换器。

ADC0，ADC1，ADC8，ADC9与I/O复用。

（2）VREFHI和VREFLO为模拟基准电压引脚（3）VCCA和VSSA，模拟电源引脚。

VCCA和VSSA，分别接到5V直流电源和模拟地上。

●与外部中断有关的引脚，TMS320F240的事件管理器提供了外部中断PDPINT来实现对系统的保护。

过流保护首先通过电流检测电路检测电流，转化为DSP需要的5V电压ADCIN2,然后通过比较器LM393设定允许最大电流值，当母线电流超过设定值时，输出低电平的故障信号APROTFCT，接DSP的PDPINT引脚。

2.4扭矩传感器

它是用来测量驾驶员作用在方向盘上面的力矩大小和方向。

在这里采用的是电位式传感器，它输出两个彼此独立的主副信号，控制单元用副信号来检查主信号是否正确。

利用扭杆连接的输入、输出轴间的相对位移，使点位表产生位移。

如图所示：

2.5霍尔传感器

霍尔位置传感器是一种检测物体位置的磁场传感器。

用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔位置传感器以霍尔效应原理为其工作基础。

 采用霍尔元件、霍尔开关电路、霍尔线性电路以及各种补偿和保护电路和磁路组件组合成霍尔位置传感器。

包括：

霍尔位置基准传感器、霍尔零位传感器、霍尔行程传感器、霍尔齿轮传感器、霍尔接近开关等等。

霍尔位置传感器必须满足以下两个条件：

位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。

位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。

位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。

对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍尔元件的数量是3，安装位置应当间隔120电角度，其输出信号是Ha、Hb、Hc。

2.6车速传感器

车速信号也是系统控制重要依据之一，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。

车速信号由车速传感器测得，车速传感器也有多种类型，主要是利用电磁原理和光学原理制成。

常见的车速传感器工作原理如图所示，车速传感器由永久磁铁、铁芯及线圈组成。

由于传感器的顶端设置在附有齿的转子附近，当附有齿的转子旋转时，从传感器的永久磁铁出来的磁通量发生变化，在线圈上就会产生交流电流。

图为车速传感器的工作原理。

1.轮毅2.转子3.永久磁铁4.输出信号电压5.高速时6.低速时

车速传感器的输出信号一般是经里程表处理后，变成方波信号送给控制系统。

在本文的研究中，采用脉冲发生器来模拟实际的车速信号，用于对控制策略的研究。

2.7换相逻辑电路的设计

无刷直流电机的定子电枢绕组换相和正反转控制是通过用反映电机转子位置的霍尔信号改变MOSFET功率管的开通和关断的顺序来实现的。

TMS320F240有3个16位的通用定时器。

用通用定时器产生控制电机电压调制的PWM波，同时用硬件电路实现电子换相。

其电路如图所示：

用GAL16V8实现电子换相电路图

该电路图要用到一GAL16V8这一芯片来实现。

GAL16V8的建议工作电平为5V，也可以工作在3.3V以下。

具有64×32逻辑与门阵列和8个可编程输出逻辑单元。

也可以对各个输入端口的逻辑信号及其非信号按逻辑与连接实现译码功能。

其最大传输延时为3.5ns。

将根据DSP捕获的霍尔信号（Ha1，Hb1，Hc1），DSP输出的六个状态信号PHASE1～PHASE6，DSP输出的PWM调制信号PWM1和电流保护电路输出的保护信号APROTECT行逻辑组合变换后得到控制6个功率管的触发信号（PWM11——PWM16）。

在前面我们曾经对电机的工作原理做过描述，转子在定子电枢绕组合成磁场和永磁磁场的相互作用下沿顺时针方向连续转动，三个霍尔传感器交替输出三个宽为180度电角度，相位互差为120度电角度的方波信号，该信号经DSP逻辑变换后与PWM调制信号和电流保护信号经过逻辑组合变换得到使逆变器功率管按V1V2，V2V3，V3V4，V4V5，V5V6，V6V1…….的顺序导通的触发信号。

2.8位置检测电路设计

控制无刷直流电动机时，DSP控制器主要是根据转子当前的转动位置，发出相应的控制字，通过改变PWM脉冲信号的占空比来实现对电机的控制。

无刷直流电动机的转子位置是由位置传感器检测出来的。

在本设计方案中，采用了三个磁敏式位置传感器（霍尔元件）。

常见的磁敏式位置传感器是由霍尔元件或霍尔集成电路构成的，世界上第一台无刷直流电动机就使用了霍尔元件式位置传感器。

霍尔元件式位置传感器由于结构简单、性能可靠且成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。

对于本系统反电动势为梯形波，两相导通Y型三相六状态无刷直流电机，我们将三个霍尔组件以彼此间隔120o空间电角度安装在电机定子上，由于电机永磁体的极弧宽度为180o电角度，这样当电机旋转时，三个霍尔组件便交替输出三个宽为180o电角度、相位互差120o电角度的方波信号。

而此时得到的位置信号是有毛刺和谐波干扰的脉冲信号，我们要经过整形电路才能得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲信号。

位置信号整形电路

整形电路如图所示。

霍尔元件产生的电动势很低，我们要加上拉电阻以提高其输出电压。

LM324比较器具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中，本系统整形电路首先经LM324比较器进行简单整形，再经施密特触发器得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲信号。

整形电路所用施密特触发器输入与输出为反相关系，又称作施密特触发器与非门，其特点如下：

⑴施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。

⑵电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压（正向阈值电压和负向阈值电压）

⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。

整形电路输出脉冲信号

我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。

施密特触发