汽车电动助力转向系统的研究与设计

杨丙震，刘豪睿

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

汽车电动助力转向系统的研究与设计

杨丙震，刘豪睿*

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

随着电子技术的迅速发展，汽车转向系统已从简单的纯机械式转向系统转向助力转向系统在汽车上的采用，得到最佳的回正性特性，改善汽车操纵的稳定性。电动转向是现代汽车转向系统发展的必然趋势，目前国内的研究开发还处于起始阶段，因此我们必须大力对电动转向技术进行研究。基于此，文章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的电子控制单元的硬件电路和相应的控制软件框图。文章的创新点就是结合PWM控制程序，以实现在不同工况和不同模式下对直流电机的精确控制。

电动助力转向系统；软硬件设计；自动调整电路

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-38-03

前言

论文将通过合适的综合控制方法，设计合适的控制系统，以提高汽车转向系统的操纵稳定性和路感，并为以后的深入研究EPS的工作打下良好的基础。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。

1、电动助力转向系统概述

1.1 电动助力转向系统的工作原理

电动助力转向系统是利用电机作为助力源，根据转矩参数和车速信号，由电子控制装置来执行助力控制的，简单来讲就是一种直接依靠电机提供转矩的动力转向系统。该系统由传感器、控制器、和执行机构等构成，使用电力驱动执行机构实现在不同的驾驶条件下为驾驶人员提供适宜的辅助力[1]。

2、电动助力转向系统的设计

2.1 设计方案确定

本论文是由89c52作为微控制器，如图2所示。以扭矩传感器、车速传感器、发动机电流传感器的输出信号作为输入信号，并经放大电路、ADC0808转换器转换送到89c52单片机，再由89c52对输出电路进行分时控制，从而保证系统正常运行[5]。

图2 电动助力转向系统的方案框图Figure 2 Scheme Block Diagram of EPS

2.2 电动助力转向系统的器件选用

2.2.1 转矩传感器

转矩传感器用于测量方向盘的输出力矩的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU。本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器。

2.2.2 车速传感器

车速传感器由永久磁铁、铁芯及线圈组成。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，是系统控制重要依据之一[2]。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。

2.2.3 直流电动机

作为EPS系统助力的提供者，直流电动机应当有较好的机械特性和调速特性。本课题选用了直流有刷永磁电动机作为EPS系统的助力电机[3]，额定转速为1050r/min,其工作的额定电压为12V，额定转矩为1.48Nm额定电流为30A，额定输出功率为170W。

2.2.4 电磁离合器

电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间，它的作用主要是使电机与减速机构快速地结合和分离。当系统工作于助力模式时，离合器使电机与减速齿轮结合，传送电机的输出转矩。当系统车速高于设定值或电机电流高于设定值或系统出现故障时，离合器又断开电动机与减速齿轮的连接，使系统停止助力，改为人工操作，从而保证系统的安全性和可靠性。

2.2.5 减速机构

减速机构的作用是降低电动机的输出轴的转速，从而将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴[3]。在论文中，所选用的就是蜗轮蜗杆减速机构，它是与电动机及电磁离合器集成为一体的一个组成机构。

2.2.6 电子控制单元ECU

ECU的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。

2.3 电动助力转向系统的硬件设计

2.3.1 控制器微处理芯片的选择

本设计中选择89C52作为微处理器，用ADC0808器件实现从模拟信号到数字信号转换。采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK信号控制内部电路的工作，由START信号控制转换开始，并采用采用74LS373地址锁存器芯片来扩展89C52的外部总线的扩展[5]。

2.3.2 控制器输入通道的设计

控制器接收从转矩传感器送来的转矩信号有主、副两路，对于转矩信号的采集只需采用一种电路，采用采样滤波电路进行转矩信号采集，分为电动机电流信号的采集车速信号的采集和车速信号的采集。

2.3.3 控制器输出通道的设计

论文的EPS控制器的电机控制部分，采用了单极性PWM控制方式。在电路设计有功率场效应晶体管选择中，我们选用的是国际整流公司(IR)的IRFZ48NN型MOSFET管，功率开关器件的驱动电路采用了专用驱动器件IR2112。

2.3.4 系统供电电源电路设计

单片机控制系统需要5V的供电电压，车载电源12V电压，7805完成12V到5V的转换，此外，DC/DC变换器可以将正电压输入变为负电压输出。

3、电动助力转向系统的软件设计

3.1 EPS的PID控制

本论文选用了PID位置式算法[4]。EPS控制是根据转矩传感器和车速信号的输入来确定助力目标电流的大小，本文采用了PID控制，对整个EPS系统进行闭环控制[5]。

3.2 系统各功能模块的软件设计

3.2.1 A/D采集程序

A/D采集程序的编写主要是对ADC0808的相关寄存器的设置及数字滤波算法。ADC0808的相关寄存器主要是：转换控制寄存器（ADCCON)、转换预分频寄存器(ADCPSR )、转换数据寄存器(ADCDAT )。EPS控制器对A/D数据的采集，只是采用了不同的A/D通道，而ADC相关寄存器的配置基本不变，数字滤波算法也可共用，因此只需编写一个A/D采集程序就可，具体程序流程图如图3所示。

图3 A/D采集程序流程图Figure 3 Flow Chart of A/D Acquisition Program

3.2.2 车速信号采集程序

论文实验过程中，车速信号的采集主要是通过对定时器的操作来实现的。选用计数器1接受脉冲信号，计测量时间周期T内接受的脉冲个数；用定时器0来确定测量时间周期T[5]。其计算公式如下：

其中：

V — 汽车行驶的车速

N —被测齿盘的齿轮齿数

T —测量时间周期

n —测量的脉冲数

Rd—车轮的滚动半径

4、结论

本文对电动助力转向系统进行了总体功能设计，根据功能要求确定了电动助力转向系统中采用的主要部件。选择了用于实现以上各控制电路所使用的电子元器件，能够较好的适合其在不同车辆不同工况下稳定的安全的形式运用。

[1] 何永昌.汽车管柱式电动助力转向器浅析[J].时代汽车.2016(03).

[2] 邱琪.双齿轮式电动助力转向机国产化应用开发[J].内燃机与动力装置.2013(06).

[3] 向金权.汽车电动助力转向电动机设计及工艺特点探讨[J].微特电机.2015(02).

[4] 钮因昌.电动助力转向器的设计要求[J].汽车工程师.2013(05).

[5] 林思聪,李钰怀,吴坚.一种新型电动助力转向控制系统的研究与开 发[J].汽车零部件.2014(01).

Research on and Design of Automobile Electric Power Steering System

Yang Bingzhen, Liu Haorui*
( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023 )

A With the rapid development of electronic technology, automobile steering system has changed from pure mechanical steering system into electric power steering system (EPS) in order to improve the stability of automobile control. Electric power steering is an inevitable trend with the development of modern automobile steering system. At present, research and development of electric power steering technology at home is still at the outset which is why we should devote major efforts to research this technology. In line with this, this paper designs and develops hardware circuit of electronic control unit of EPS as well as corresponding control software block diagrams on the basis of researching the operating principle of electric power steering system. What is innovative in this paper is to accurately controlling direct-current dynamo in different working conditions and different modes by integrating with PWM control program.

electric power steering system; software and hardware design; automatically regulating circuit

U462.1

A

A1671-7988 (2017)01-38-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.015

杨丙震（1992.8—），男，就读于德州学院。

刘豪睿（1978-），男，讲师，就职于德州学院，专业：混合动力汽车能量管理，电动汽车结构设计。

山东省2015年重点研发计划提供基金支持，项目编号：2015GGX105008。