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汽车电动助力转向系统(EPS)硬件设计

内容摘要

电动助力转向( Electric Power Steering, 简称EPS) 作为一种新型转向系统, 因其具有节能、环保等优点而受到世界各大汽车公司和企业的青睐, 它将逐步取代传统的液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 。

本文以传统的转向柱助力式EPS 为研究对象, 建立EPS系统数学模型,给出了汽车电动助力系统的动力学方程。根据电动助力转向系统的工作原理及控制器可靠设计的关键技术，设计了以P87C591 单片机为主控单元的EPS系统，系统采用闭环电流控制方案, 利用目标电流技术调节电机端电压达到控制电机电流力矩的目的。EPS 控制器采用模块化设计，把信号处理电路和功率驱动电路进行分层设计,以增强系统的抗干扰能力和可靠性。在进行PWM 驱动频率的选择时，考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。最后通过研究分析了EPS系统的经济性、系统硬件电路板空间与发热功耗及可靠性合理地选择散热片及其参数,提高了驱动效率和稳定运行能力。

实验表明, 该系统具有良好的电动助力特性, 满足电动助力转向要求,证明了这种系统在实际应用中的有效性。

关键词

电动助力转向; 单片机; H桥驱动; PWM斩波; 控制系统

Hardware Design of the Electric Power Assisted Steering System

050607337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professor

Abstract

Electric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world company and the enterprise favour , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step.

The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of the tradition vergence post

power-assistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , testifying this system on systematic power-assistance.

This paper presents an elect ricpower steering system controlled by

P87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled.

The working principle and key technologies for reliable design of EPS controller were analyzed.The signal processing circuit and the power drive circuit were hierarchically designed to improve theanti jamming capability and reliability. The PWM frequency was selected considering the influence of switching currentpulse on the safety of the transistors and the motor should be taken into account . Besides paralleled for the economy , the heat dissipation and the reliability.It srelevant parameters were selected to improve the drive efficiency and the stableoperation capability.

The results of the experiment show thesystem designed has good steering characteristics and meets the request of electric power steering.

Key words

Electric Power Steering; Microprocessor; The bridge drives H ;PWM chopped wave; Control System

第1章概述〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃1

1.1 EPS系统简介〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 1

1.2 转向系统的发展概况〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃2

1.3 EPS系统的特点〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃3 第2章 EPS系统模型〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 7

2.1 EPS系统的结构及原理〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 7

2.2 建立EPS动力学模型〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 8

2.3 EPS的动力学方程〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 8

2.4 直流电动机〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃11 第3章基于高性能P87C591单片机控制方案制定〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12

3.1 单片机控制方案〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12

3.1.1 P87C591单片机芯片简介〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12

3.1.2 单片机控制系统〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

3.2 EPS工作流程图〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16

3.3 助力电流控制系统〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 17

3.3.1 控制策略〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 17

3.3.2 电机目标助力电流算法〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 17

3.3.3 助力电流闭环控制〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 18 第4章 EPS控制系统设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 21

4.1 EPS 控制器模块化设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 21

4.2电机控制电路设计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃22 4.2.1 H桥驱动芯片IR2110功能简介〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃22 4.2.2 H 桥功率驱动电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃24

4.2.3 电机保护电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 25

4.3 PWM斩波〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 26

4.3.1 PWM控制原理〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 26

4.3.2PWM斩波电路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃27

4.3.3驱动频率的选择〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃28 第5章汽车转向技术的发展趋势〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 32

5.1 线性转向系统〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32

5.2 转向技术发展趋势〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32 结束语〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 33 致谢〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 34 参考文献〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃 35

汽车电动助力转向系统（EPS）硬件设计

第1章概述

1.1 EPS系统简介

电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw（萨吉诺）转向系统，而Delphi Sagiaw（萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来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工作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。

电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装臵、车速传感器、助力机械装臵、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位臵两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装臵实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。

1.2 转向系统的发展概况

作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全

性的关键总成, 如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶

人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转

向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本发展阶段。

1 纯机械式转向系统

机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够

大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间

很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于

转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这就大大限制了

其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向

操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。

2 液压助力转向系统

1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术

迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了

很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在

汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布臵更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布臵、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。

3 汽车电动助力转向系统(EPS)

EPS 在日本最先获得实际应用, 1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的Cervo 车上, 随后又配备在Alto 上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的Delphi公司,都研制出了各自的EPS。EPS 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展, 并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS 仅低速和停车时提供助力, 高速时EPS 将停止工作。新一代的EPS 则不仅在低速和停车时提供助力, 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展, EPS 技术日趋完善, 并且其成本大幅度降低, 为此其应用范围将越来越大。

1.3 EPS系统的特点

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。

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。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。

⑤提供可变的转向助力。电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的感觉，而且更易于车场操作。在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。

⑥采用"绿色能源"，适应现代汽车的要求。电动助力转向系统应用"最干净"的电力作为能源，完全取缔了液压装臵，不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了"绿色化"的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。

⑦系统结构简单，占用空间小，布臵方便，性能优越。由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新设计、试验、加

工等,不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极高。

⑧生产线装配性好。电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。

电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。

第2章 EPS系统模型

2.1 EPS系统的结构及原理

电动助力转向系统的结构如图2-1所示。系统主要由车速传感器、转向盘转矩传感器、电动机电流传感器、控制器、功率驱动电路、故障指示灯、离合器和直流电动机等组成。中央控制器ECU是EPS 系统的核心部件,它是汽车定速巡航系统的一部分，是速度控制系统的中枢，根据每种车型最平稳加速设计确定。ECU根据指令车速、实际车速及其它输入信号，经CPU数据处理之后输出信号驱动伺服控制器控制发动机节气门开度。

控制器根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩,向电动机和离合器发出控制信号,通过功率驱动电路控制直流电动机的转动,电动机的输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,

产生相应的转向助力。通过精确的控制算法,可任意改变电动机的转矩大小,使传动机构获得所需的任意助力值。同时,控制器对系统进行实时故障诊断,一旦发生故障,将中断对电动机的电压供给,并点亮转向系统故

障警示灯,同时将故障类型以代码的形式存储。

图2-1 电动助力转向系统结构简图

1.车速信号

2.转矩信号

3.电动机反馈电流信号

4.离合器驱动信号

5.电动机驱动信号

6.ECU

7.转矩传感器

8.减速机构

9.离合器 10.直流电动机

2.2 建立EPS动力学模型

转向柱助力式EPS 的动力学模型如下图2-2所示,

图2-2 EPS 动力学模型示意图

设转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转动惯量分别为h J 、c J 、s J 、m J ; 转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的阻尼分别为h B 、

c B 、s B 、m B ; 转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转角分别为h

θ、c θ、s θ、m θ; 转向盘力矩、前轮及转向机构阻力矩、电动机作用到转向

柱的助力力矩分别为h T 、f T 、a T 。

2.3 EPS 的动力学方程

EPS 中转向盘和转向柱之间通过扭矩传感器连接, 根据传感器的工作原理有:

()h h T K θθ=- （2-1）

式中, T 、h K 表示扭矩传感器的扭矩和刚度。考虑到EPS 中的速度匹配

特性, 即电动机的转速经减速机构后应与转向柱速度快慢一致以及前轮转向机构和转向柱工作的协调性, 有:

m a G θθ=? （2-2）

s s G θθ=? （2-3）

式中a G 、s G 分别表示电动机和转向柱转角、

前轮和转向柱转角的传动比。汽车在小转角的情况下, 轮胎特性处于线性变化范围, 前轮受到的阻力矩与前轮转角成正比, 即

s f f T K θ=? （2-4）

根据以上条件结合相关的力学定律可建立系统的数学模型如下:

()22h h h h h h h d d J B K T dt dt θθθθ++-= （2-5）

()22c c

h a f d d J B K T T dt dt θθθθ+=-+- （2-6） 222211f h s s f

s s s K d d J B T G dt

G dt G θθ

θ++= （2-7） 2222h m a m a m a a d d J G B G T G T dt dt θθ+=- （2-8）

图2-3 电动机电枢电路示意图

汽车在转向过程中, 控制单元根据扭矩传感器检测到驾驶员作用到转向盘的力矩信号和车速信号来决定电动机的助力扭矩的大小和方向, 在电动机和驾驶员的共同作用下来实施转向。其电动机采用直流电机, 电枢电路如图2-3所示,忽略其电感, 则电动机端电压U 与电枢电阻R 和电流I 的电压平衡方程式为:

m e d U R I K dt θ=+ （2-9）

电动机输出扭矩和电动机的电流存在以下关系:

m a T K I = (2-10)

在对电动机的控制中可以根据扭矩传感器检测到的扭矩信号控制电动机的电压, 即

t h U W T = (2-11) 式中, t W 为控制器。

根据式(2-1)可以看出, 当转向柱转角θ一定时,转向盘转角h θ越小,

则驾驶员作用到转向盘的扭矩越小, 转向越轻便, 达到了减轻驾驶员操纵力的作用, 因此可以建立以h θ为输入, θ为输出的EPS 系统助力特性

传递函数, 系统控制框图如图2-4所示, 系统的传递函数如下:

()

()()()()22h a a h t h a e a h a a h t s K R G K K W s s JS BS K R K K G S K R G K K W s θθ+=+++++ （2-12）

式中, 221c m a s s J J J G J G =++,221s m a s s B B B G B G =++ , 2f s K

K G =,

()t W s 为控制器函数的拉氏变换。

图2-4 EPS 控制框图

2.4 直流电动机

直流电动机是EPS系统的执行单元,在该系统中起着重要的作用。

图2-5直流电动机原理图

如上图所示，给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A流入，经过线圈abcd，从电刷 B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位臵，电刷 A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷 A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。

选择无刷永磁直流电机即可满足设计要求。

第3章基于高性能P87C591单片机控制方案制定

3.1 单片机控制方案

3.1.1 P87C591单片机芯片简介

PHILIPS公司生产的P87C591单片机有44个引脚，是一个单片8位高性能微控制器，它具有片内CAN控制器，是从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000 CAN 控制器强大的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1：1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了80C51的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功能。P87C591组合了P87C554(微控制器)和SJA1000(独立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增强特性：

1.增强的CAN接收中断

2.扩展的验收滤波器

3.验收滤波器可"在运行中改变"

通常，电动助力转向系统是一个8位单片机系统。因此，电动助力转向系统采用此种型号单片机作为控制系统, 能够很好的达到控制要求。P87C591功能框图如下所示：

图3-1 P87C591功能框图

特性

1. 16K字节内部OTP程序存储器512字节片内数据RAM

2. 3个16位定时/计数器T0、T1、和T2(捕获&比较)1个片内看门狗定时器T3

3. 带6路模拟输入的10位ADC可选择快速8位ADC

4. 增强性能的6CLK加速指令周期500ns 12MHz

5. 2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)

6. 具有32个可编程I/O口(准双向推挽高阻和开漏)

7. 带硬件2I C总线接口

8. 全双工增强型UART带有可编程波特率发生器

9. 双DPTR

10. 可禁止ALE实现降低EMI

11. 低电平复位信号

12. 增强型PeliCAN内核

13. 增强的温度范围-40—+85摄氏度

14. 提供PLCC44、QFP44封装

3.1.2 单片机控制系统

单片机采样的模拟量包括蓄电池电压、方向盘的主、副扭矩传感器信号、电机电流、电机端电压等参数。车速和发动机转速等非电量信号经过频率输人电路处理后, 其输出脉冲信号分别送到定时器0和定时器1的两个外部计数端口T0和T1, 通过定时器T2读取采样到的脉冲可以分别得到车速和发动机转速;单片机的PWM0口用来产生20K的方波频率信号, PWM1口作为助力电流指令的D/A输出,PWM0、 PWM1与电机反馈电流一起作为PWM电路的输人信号, 形成FET-H桥基极驱动的PWM斩波。

除此之外，系统还有保证转向可靠性的转向锁定电路、电机端电压获取电路、电机故障检测电路、温度检测电路、EPS故障灯驱动电路、电源变换电路。FET-H桥驱动、离合器驱动、继电器驱动电路等。

EPS硬件控制电路框图如下图3-2所示。

图3-2 EPS硬件控制方框图

当汽车点火开关闭合时, 微控制器即进行自检,自检通过后, 闭合继电器和离合器, EPS系统便开始工作。其基本助力过程为驾驶员操纵方向盘转向,扭矩传感器检测到方向盘的力矩和转动方向, 车速传感器检测到车速信号, 这些信号分别经过扭矩传感器输人电路和频率输人电路处理后送至P87C591相应端口, 单片机根据方向盘的转动力矩、转动方向和车速等数据, 并依据系统助力特性,确定电流的大小和方向, 通过PWM1口发出电流指令和不停地对温度、扭矩、电机、离合器进行检测, 如发现异常, 单片机将通过EPS驱动电路驱动EPS灯亮进行报警提示, 同时断开继电器、离合器退出电动助力工作模式, 转为人工手动助力模式。

汽车电动助力转向系统EPS硬件设计

汽车电动助力转向系统 E P S硬件设计 Modified by JEEP on December 26th, 2020.

内容摘要电动助力转向( Electric Power Steering, 简称EPS) 作为一种新型转向系统, 因其具有节能、环保等优点而受到世界各大汽车公司和企业的青睐, 它将逐步取代传统的液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 。本文以传统的转向柱助力式EPS 为研究对象, 建立EPS系统数学模型,给出了汽车电动助力系统的动力学方程。根据电动助力转向系统的工作原理及控制器可靠设计的关键技术，设计了以P87C591 单片机为主控单元的EPS系统，系统采用闭环电流控制方案, 利用目标电流技术调节电机端电压达到控制电机电流力矩的目的。EPS 控制器采用模块化设计，把信号处理电路和功率驱动电路进行分层设计,以增强系统的抗干扰能力和可靠性。在进行PWM 驱动频率的选择时，考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。最后通过研究分析了EPS系统的经济性、系统硬件电路板空间与发热功耗及可靠性合理地选择散热片及其参数,提高了驱动效率和稳定运行能力。实验表明, 该系统具有良好的电动助力特性, 满足电动助力转向要求,证明了这种系统在实际应用中的有效性。关键词电动助力转向; 单片机; H桥驱动; PWM斩波; 控制系统 Hardware Design of the Electric Power Assisted Steering System Instructor：Helinlin Associate professor

汽车电动助力转向机构的设计

汽车电动助力转向机构的设计引言在汽车的发展历程中，转向系统经历了四个发展阶段：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）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[1]。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。

第1章概述 1.1电动助力转向的优点与传统的转向系统相比，电动助力转向系统最大的特点就是极高的可控制性，即通过适当的控制逻辑，调整电机的助力特性，以达到改善操纵稳定性和驾驶舒适性的目的。作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统[2]。相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：（1）只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。与液压助力转向系统对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗2.5%；在转向时，可以降低5.5%。（2）转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性，回正性能好。传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转向盘太轻，产生转向“发飘”的现象，驾驶员缺少显著的“路感”，降低了高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。

汽车电动助力转向系统(EPS)硬件设计

Hardware Design of the Electric Power Assisted Steering System 050607337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professor Abstract Electric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world company and the enterprise favour , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step. The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of the tradition vergence post power-assistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , testifying this system on systematic power-assistance. This paper presents an elect ricpower steering system controlled by P87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled.

车辆工程毕业设计51汽车电动助力转向(EPS)系统的设计

目录一、绪论 1.1 前言 (1) 1.2 EPS的特点 (2) 1.3 EPS系统在国内外的应用状况 (3) 二、 EPS的基本构造和工作原理 2.1 EPS系统结构及其工作原理 (4) 2.2 EPS的关键部件 (5) 2.2.1 扭矩传感器 (5) 2.2.2 电动机 (6) 2.2.3 电磁离合器 (6) 2.2.4 减速机构 (7) 2.3 EPS的电流控制 (7) 2.4 助力控制 (8) 2.5 回正控制 (9) 2.6 阻尼控制 (9) 三、EPS系统电机驱动电路的设计 3.1 微控制器的选择 (10) 3.2 硬件电路总体框架 (10) 3.3 电机控制电路设计 (11) 3.3.1 H桥上侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (12) 3.3.2 H桥下侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (13) 3.4蓄电池倍压电源 (14) 3.5电机驱动电路台架试验 (15) 3.6 结论与展望 (16) 四、电动助力转向系统故障自诊断的研究 4.1 故障自诊断的基本原理 (17) 4.2 电动助力转向系统故障自诊断 (17) 4.2.1 系统各组成部件的故障辨识 (17) 4.2.2 转矩传感器故障自诊断 (18) 4.2.3 电机故障自诊断 (20) 4.2.4 车速和发动机转速信号故障自诊断 (21) 4.2.5 电磁离合器故障自诊断 (22) 4.2.6 控制单元电源线路故障自诊断 (22) 4.2.7 控制单元故障自诊断 (23) 4.3 故障代码显示控制及安全防范措施 (23) 4.4 实例分析 (26) 4.5 结束语 (27) 致谢 (27)

EPS电动助力转向毕业设计论文解析

汽车电动助力转向系统机械本体的设计 1 绪论 1.1 汽车转向系统作用及简要介绍作为汽车的一个重要组成部分, 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成, 如何设计汽车的转向特性, 使汽车具有良好的操纵性能, 始终是各汽车生产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天, 针对更多不同水平的驾驶人群, 汽车的操纵设计显得尤为重要。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3 个基本发展阶段。机械式的转向系统, 由于采用纯粹的机械解决方案, 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘, 这样一来, 占用驾驶室的空间很大, 整个机构显得比较笨拙, 驾驶员负担较重, 特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向, 这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉, 目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。 1953 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统, 此后该技术迅速发展, 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80 年代后期, 又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内, 动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统, 比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( Variable Displacement Power Steering Pump) 和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering, 简称EHPS) 系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下, 泵的流量会相应地减少, 从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵, 由于电机的转速可调, 可以即时关闭, 所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞, 布置更方便, 降低了转向操纵力, 也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力, 目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。电动助力系统EPS 在日本最先获得实际应用, 1988 年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统, 并装在其生产的Cervo 车上, 随后又配备在Alto 上。此后, 电动助力转向技术得到迅速发展, 其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司, 美国的Delphi公司, 英

电子动力转向系统的研究与设计

摘要电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)，是汽车工程领域的热门课题之一。本文在研究了电动助力转向系统工作原理的基础上，设计开发了EPS的电子控制单元ECU (Electronic Control Unit)的硬件电路和相应的控制软件框图。本文详细分析了电动助力转向系统电子控制单元的功能，研究开发了以89c51单片机为微处理器的电子控制单元。控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能，根据采集的数据信号，确定电动机输出的目标电流，利用PWM脉宽调制技术，通过H桥式电路控制电动机的输出电流和转动方向，实现助力转向功能。在研制了实验用ECU装置后，开发了相应的控制软件。控制软件分为控制策略的实现和数据信号采集与分析两部分。整个软件系统采用了模块化的设计思想。在数据信号采集与控制部分，设计了系统主程序、A/D采集程序、车速信号采集程序和PWM控制程序。本文所设计的EPS电子控制单元性能稳定，结构合理，与整车匹配性能好，可保证EPS实现良好的转向助力效果。关键词电动助力转向电子控制单元单片机控制策略

Abstract Electric Power Steering System (EPS) is one of the focuses research in automotive engineering.This paper is based on the principles of EPS to study the operation, designed and developed the Electronic Control Unit (ECU) and the soft ware diagram of the ECU. The thesis Considers the functions of the electronic control unit of EPS, studied and developed the hardware that adopted 89c51as its microprocessor. The control unit was able to realize real-time data/signal acquisition and system control. The target current of motor output could be determined by the obtained data; and utilizing the Pulse-Width Modulation (PWM) technology, power could be provided to the steering system by controlling the output current and rotation direction through H-bridge circuit. The software program, which was divided into the realization of control strategy and the acquisition&control of data/signal, was developed in modular after thedesign of experimental ECU was completed. And the main program, A/D acquisition program, speed signal acquisition program and PWM control program are developed in the second part. The result showed that the electronic control unitdesigned was with stable performance, appropriate structure and excellent matchingcondition, and the excellent power steering effect could be ensured by EPS. Key words: Electric Power Steering System (EPS) Electronic Control Unit Single-Chip Microprocessor Control Strategy

汽车电动助力转向控制系统控制器设计说明

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）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

汽车电动助力转向系统EPS原理详解

汽车电动助力转向系统EPS原理详解(1) 2009-01-21 21:02:59 作者：刘仙涛来源：慧聪汽车维修保养网关键字：EPS扭矩传感器设计 1、综述电动助力转向系统EPS(electricpowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS 系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。 EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。图1 EPS结构图如图1所示，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。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。

2、电位计式扭矩传感器电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。 2.1EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。 2.２扭杆式扭矩传感器的设计扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图2所示。图2 圆柱截面扭杆结构图扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径 d0=(1.15~1.25)d,长度L=（0.5~0.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时，半径R=（3~5）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。当其受到扭矩Ｔ的时候，其扭转的切应力τ和变形角υ分别为：

EPS驱动电路设计

EPS驱动电路设计 1 EPS系统基本结构及工作原理电动助力转向系统（EPS，Electr ic Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动机直接提供转向助力，具有调整简单、装置灵活以及无论在何种工况下都能提供转向助力的特点。EPS最为突出的是该系统可在不更换系统硬件的情况下，通过改变控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，使汽车能在不同车速下获得不同的助力特性，以满足不同工况下驾驶员对路感的要求。电动助力转向系统（EPS）主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作，系统结构如图1所示。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号，由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。 2 EPS控制系统硬件电路设计 2.1 微控制器的选择 5.0V FLASH微控制器，是根据当前汽车的要求设计出来的一个系列。它使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。设计方案采用MC9S12DP256单片机，其主频高达25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI，3个同步串行通信口SPI，8通道输人捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/0口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.OA/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块；片内拥有256 KB的Flash EEPROM，12KB的RAM及4KB的EEPROM，资源十分丰富。 2.2 硬件电路总体框架电动助力转向系统的硬件电路主要包括以下模块：MC9S12DP256微控制器、电源电路、信号处理电路、直流电机功率驱动模块、故障诊断模块与显示模块、车速传感器、扭矩传感器、发动机点火信号、电流及电流传感器等接人处理电路，另外还有电磁离合器等，EPS系统的硬件逻辑框架如图2所示。 2.3 电机控制电路设计直流电动机是EPS系统的执行元件，电机的控制电路在系统设计中有着特殊的地位。在本系统中采用脉宽调制（PWM）控制H桥电路实施对直流电动机的控制，由4个功率MOSFET组成，如图3所示。采用PWM伺服控制方式，MOSFET功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。系统采用4个International Reetifier 公司生产的IRF3205型MOSFET功率管组成H桥路的4个臂。IRF3205具有8 mΩ导通电阻、功耗小、耐压达55V、最大直流电流110A、满足EPS系统对MOSFET功率管低压（正常工作不超过15V）大电流（额定电流30 A）的要求。

汽车电动助力转向系统EPS原理详解

汽车电动助力转向系统EPS原理详解 1、综述电动助力转向系统EPS(electricPowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统 HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。 EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。图1 EPS结构图如图1所示，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。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。 2、电位计式扭矩传感器

电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。 2.1EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。 2.２扭杆式扭矩传感器的设计扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图2所示。图2 圆柱截面扭杆结构图图2 圆柱截面扭杆结构图扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径 d0=(1.15~1.25)d,长度L=（0.5~0.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时，半径R= （3~5）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。当其受到扭矩Ｔ的时候，其扭转的切应力τ和变形角φ分别为：其扭转刚度为：其中d-扭杆直径，有效长度，Ip惯性矩，Zi抗扭截面系数

电动助力转向系统设计解析

电动助力转向系的设计 1 引言电动助力转向系统（EPS,Electric Power Steering）是未来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工况下都能提供转向助力的特点。正是这些优点，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。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统，而Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿。她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向市场的，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。现在,Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命--电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。 EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。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。（2）增强了转向跟随性。（3）改善了转向回正特性。（4）提高了操纵稳定性。（5）提供可变的转向助力。（6）采用"绿色能源"，适应现代汽车的要求。（7）系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。（8）生产线装配性好。

汽车电动助力转向系统的设计

汽车电动助力转向系统的设计第1章绪论 1、1 汽车转向系统简介汽车转向系就是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构,在汽车转向行驶时,保证各转向轮之间有协调的转角关系。它由转向操纵机构、转向器与转向传动机构组成。转向系统作为汽车的一个重要组成部分,其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性、与行驶安全性。目前汽车转向技术主要有七大类:手动转向技术(MS)、液压助力转向技术(HPS)、电控液压助力转向技术(ECHPS)、电动助力转向技术(EPS)、四轮转向技术(4WS)、主动前轮转向技术(AFS)与线控转向技术(SBW)。转向系统市场上以HPS、ECHPS、EPS应用为主。电动助力转向具有节约燃料、有利于环境、可变力转向、易实现产品模块化等优点,就是一项紧扣当今汽车发展主题的新技术,她就是目前国内转向技术的研究热点。 1、1、1 转向系的设计要求 (1) 汽车转弯行驶时,全部车轮应绕瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损,并降低汽车的行驶稳定性。 (2) 汽车转型行驶后,在驾驶员松开转向盘的条件下,转向轮能自动返回到直线行驶位置,并稳定行驶。 (3) 汽车在任何行驶状态下,转向轮都不得产生共振,转向盘没有摆动。 (4) 转向传动机构与悬架导向装置共同工作时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。 (5) 保证汽车有较高的机动性,具有迅速与小转弯行驶能力。 (6) 操纵轻便。 (7) 转向轮碰撞到障碍物以后,传给转向盘的反冲力要尽可能小。 (8) 转向器与转向传动机构的球头处,有消除因磨损而产生间隙的调整机构。 (9) 在车祸中,当转向轴与转向盘由于车架或车身变形而共同后移时,转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 (10) 进行运动校核,保证转向轮与转向盘转动方向一致。

汽车电动助力转向系统(EPS)硬件设计

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