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汽车智能助力转向系统控制系统设计

摘    要

电动助力转向系统（Electric Power Steering System,简称EPS），是继液压助力转向系统后出现的一种新型动力转向系统，具有液压助力转向系统无法比拟的优势，它不仅能节约能量，提高安全性，且环保性更好，使一项紧扣现代汽车发展主体的高新技术，是汽车转向系统发展的必然趋势。
本课题充分利用了汽车工程、自动控制理论、机电一体化和嵌入式系统等多学科知识，从总体方案与软、硬件控制方法两方面对电动助力转向系统进行了一定的细致研究。论文首先对系统需求进行分析，制定EPS系统总体方案，接着进行系统软、硬件设计。硬件系统是以单片机为核心的继承控制电路，主要功能包括：传感器信号的实时采集，助力扭矩的PWM控制，H桥电路驱动直流电动机以及离合器控制等；软件系统的编制遵循模块化设计思想，采用C51计算机语言开发，主要功能模块包括：数据处理、数字滤波、电动机PID闭环控制、目标电流计算等。

关键词：汽车，EPS，控制系统，PID

ABSTRACT

Electric Power Steering System (EPS) is a new type steering system, which can save energy, improve vehicle safely, and benefit environment protection. It’s a new-high-tech that follows modem vehicle development topic closely. EPS is much superior to hydraulic power steering system. It will be the inevitable developing direction for auto mobile power steering.
This paper fully shows the characteristic that combination of automobile engineering, electromechanic engineering and embedded system. From the general planning and the control methods of software and hardware were developed. The hardware was an integration control circuit, the fuction of which including: signals collection, low band fliter, PWM signal output, H-Bridge circuit, clutch control and etc. And then, The software system includes the data processing, digital filter, PID algorithm routine, target current computation and etc. For improving the EPS performance, the non-linear control curve was realized in the software system.

Key words：Vehicle, EPS, Control System, PID

目   录

中文摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1绪论 1
  1.1 论文课题背景及研究意义 1
  1.2 关于现代控制技术 1
    1.2.1现代控制技术概述 1
1.2.2 现代控制技术中的基本概念 1
  1.3 关于汽车电动助力转向系统（EPS） 2
     1.3.1 EPS与传统转向系统对比分析 3
     1.3.2 电动助力转向系统的特点 4
     1.3.3 电动转向系统国内外发展现状 5
  1.4 课题关键技术和主要研究内容 5
 2电动助力转向系统基本原理及控制策略 7
    2.1  电动助力转向系统的分类及基本组成 7
    2.2  电动助力转向系统的工作原理 10
    2.3  EPS转向助力特性研究与分析 10
     2.3.1 转向阻力与“路感” 10
     2.3.2 转向系统助力特性概念 10
      2.3.3 EPS转向助力特性研究 11
   2.4 EPS控制策略研究 13
   2.5 EPS中直流电动机的控制原理 15
 2.5.1直流电动机等效电路分析 15
 2.5.2 PWM调压调速原理 15
 2.6 EPS控制算法研究 16
 2.6.1控制算法的选择 16
 2.6.2 PID控制算法 17
 3 电动助力转向系统控制系统方案设计 19
 3.1 EPS的需求分析 19
 3.2 EPS硬件系统方案设计 19
       3.2.1 机械执行部件 19
      3.2.2 信号采集部分 21
      3.2.3 集成控制电路 21
 3.3 EPS软件系统方案设计 21
 4控制系统硬件系统具体设计 23
 4.1 系统机械执行部件与传感器 23
 4.2集成控制电路的总体结构 24
 4.3输入模块设计 25
 4.4处理器模块 28
   4.4.1 单片机的选择 29
     4.4.2 复位电路 29
     4.4.3 晶振电路 29
 4.5执行控制模块 30
 5软件系统设计 30
 5.1软件模块化设计 32
 5.2软件系统流程分析 32
 5.3单片机软件系统初始化 32
   5.3.1 单片机系统特性配置 32
     5.3.2 功能模块初始化设置 35
 5.4 信号采集 36
     5.4.1系统A/D转换流程分析 36
     5.4.2 A/D转换的结果标定 37
 5.5 PID控制算法的软件实现 38
 5.6 电动机控制的软件实现 39
     5.6.1 PWM输出模块 40
     5.6.2 电动机的转向控制 40
6 结论 41
致谢 42
参考文献 43