汽车电动助力转向控制系统设计与开发

摘要

由于电动助力转向系统具有环保节能、助力特性可调、安全性高等优点，许多汽车企业和研究单位已经将其做为重点研发项目之一，其中，电子控制器硬件开发和控制软件是其核心技术之一。
　　 本文首先分析了各种助力转向系统的特点，重点研究了电动助力转向系统的结构和动力学模型，提出了基于PID的控制策略，并利用Matlab/Simulink工具建立了电动助力转向系统中的转向轴动力学、齿条动力学和助力电机数学模型，并建立了助力特性曲线，进行了无助力、有助力以及PID控制助力的仿真计算，经过对比分析，证明该PID控制机理能够较准确控制助力大小，效果良好。
　　 本文重点设计并开发了电动助力转向系统的控制器硬件及控制软件。硬件设计方面主要包括：选取了飞思卡尔MC9S12系列单片机作为EPS系统CPU，设计了单片机最小系统电路(包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等)；采用LM2576芯片设计了稳压电源电路；方向盘转矩传感器信号和车速信号调理电路、助力电机驱动电路以及通信电路等。助力电机驱动电路由电机专用驱动芯片TD340驱动；通信电路主要由串口通信和CAN总线通信组成，实现与PC机和整车通信；控制软件方面主要编写了单片机的A/D转换程序、PWM模块和脉冲捕捉模块程序以及相关寄存器配置方法。
　　 利用LabVIEW软件设计了EPS的上位机监控程序，实现了控制器与计算机之间的通信，可以方便地对相关实验数据进行数据显示、图形绘制、数据保存和动态比较，完成数据采集的全自动过程。
　　 为了验证控制器硬件和软件的可靠性，在试验台架上进行了实验研究，主要包括无助力与有助力对比、转矩对电流影响、车速对电流影响、方向盘回正控制等试验，结果表明，控制器硬件部分性能良好、工作稳定可靠；软件控制效果较好，助力特性符合设计要求。转向系统稳定性较好，同时方向盘上无明显抖动，手感良好，为下一步的装车试验做好了准备。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1转向系统概述

1.2电动助力转向系统国内外发展研究现状

1.3电动助力转向系统的特点

1.4课题研究的意义

1.5本文研究的主要内容

第二章EPS系统建模与仿真研究

2.1 EPS系统工作原理及结构组成

2.1.1助力电机

2.1.2电磁离合器

2.1.3电位计式扭矩传感器

2.1.4车速传感器

2.1.5电子控制单元

2.2电动助力转向系统建模

2.3助力特性曲线的建立

2.4仿真研究

2.4.1无助力转向系统模型

2.4.2有助力转向系统的仿真模型

2.4.3仿真结果分析

2.5本章小结

第三章EPS系统硬件设计

3.1 EPS系统硬件电路结构及系统框图

3.2单片机最小系统电路

3.2.1时钟电路

3.2.2滤波电路

3.2.3电源电路

3.2.4复位电路

3.2.5 BDM接口电路

3.3电源转换电路

3.4传感器信号(车速、扭矩)处理电路

3.4.1车速信号处理电路

3.4.2方向盘扭矩信号处理电路

3.5电机驱动电路

3.6电机电流采集电路

3.7硬件抗干扰设计

3.8本章小结

第四章EPS系统软件设计

4.1 EPS系统控制目标

4.2 EPS系统基本控制方式

4.2.1助力控制

4.2.2回正控制

4.2.3阻尼控制

4.3 EPS系统控制策略

4.3.1数字PID控制算法

4.3.2数字PID控制技术在EPS中的实现

4.4 EPS软件设计

4.4.1 A/D数据采集程序设计

4.4.2电动机PWM控制

4.4.3车速信号采集

4.4.4 EPS软件的总体流程图

4.5本章小结

第五章实验台架采集系统设计

5.1下位机系统设计

5.1.1串口通信硬件设计

5.1.2串口通信软件设计

5.1.3 CAN总线通信硬件设计

5.2上位机软件系统设计

5.2.1软件设计流程

5.2.2 EPS系统监控界面设计

5.3本章小结

第六章台架试验与结果分析

6.1试验设备介绍

6.2台架实验内容

6.3台架实验结果与分析

6.3.1无助力特性实验

6.3.2助力特性实验

6.3.3回正性能实验

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录 控制器原理图及部分控制程序

致谢

攻读学位期间发表的学术论文