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（優秀畢業全套設計）EPS電機控制器的設計

該單片機是基于位內核及.制造工藝的高速高性能.微控制器，它使用了鎖相環技術或內部倍頻技術，使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較同類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內部惡劣的環境，其主頻高達，同時片上還集成了多個汽車用標準模塊。其主要性能如下.具有在線背景調試模式.個異步串行通信口.個同步串行通信口.通道輸人捕捉輸出比較定時器.通道位轉換模塊位轉換時間只需要，轉換結果有左對齊和右對齊模式，可作為普通口使用.個通道位脈寬調制模塊，可以設置成通道位信號，占空比可以從設置.具有片內電壓調整模塊.個低電壓喚醒定時器，定時器溢出時間從.之間設置.個獨立數字口其中個具有外部中斷及喚醒功能.個模塊，兼容.協議，具有標準和擴展數據幀模式，通信速率最快可達.片內擁有的，的，資源十分豐富.芯片正常工作溫度范圍在到之間，基本上適應汽車復雜環境。.電機控制器的基本控制方式電機控制器根據車速轉矩和電機電流來執行控制策略，提高轉向靈敏度。因而系統有三種控制方式助力控制回正控制和阻尼控制。在正常的轉向過程中，通常是助力控制。當駕駛員釋放方向盤后，作用在方向盤上的力減小，且小于助力控制的門限值，同時，系統判斷此時檢測轉矩大小的加速度和轉向盤轉動方向是否相異，如果兩者相異，系統就執行回正控制。系統中的電機減速機構以及轉向機構等都有很大的摩擦力與慣性力矩，這些都構成了汽車的回正阻力矩，當回正阻力矩過大，阻止車輪回正時，使用回正控制，利用電機提供輔助回正力矩。為了防止提供的輔助回正力矩過大，產生回正過頭現象或在回正過程中出現擺振現象，在車輪將要回到中間位置時要施加阻尼，此時選用阻尼控制模型。助力控制助力控制是指在轉向過程中為了減輕方向盤的操縱力,通過減速機構把電動機轉矩作用在轉向小齒輪上的種基本控制模式。利用電動機轉矩和電動機電流成正比的特性采用控制電動機電樞電流的方法實現助力控制。助力控制是系統控制的主要內容,是電動助力轉向控制內容中的“重頭戲”電動助力轉向的名字正是由此而來。駕駛員都希望車輛轉向時有助力轉向力“輕”些可減少駕駛員的體力消耗但又不能太“輕”,太“輕”則意味著太“靈”,路感較差。汽車轉向中的“輕”與“靈”成為對需要調和的矛盾體。在設計電動轉向時,方面必須保證駕駛員操縱的輕便性,另方面還要使駕駛員獲得良好的路感?；卣刂圃谌〈某跗?的任務就是在操縱方向盤轉向時提供助力,所以助力控制是研制初期的全部控制內容。純機械轉向系統和液壓助力轉向系統沒有回正控制,駕駛時將方向盤回正后,輪胎的自動回位主要靠轉向系統的設計參數主銷后傾角和主銷內傾角來保證?；卣刂频膶崿F與助力控制類似,即控制電動機產生個與方向盤轉角相反的適當的回正力矩?；卣氐拇笮】捎秒娏鞔笮肀硎?回正控制時,助力電動機的參考輸出電流。阻尼控制汽車高速行駛時，如果轉向過于靈敏，會影響汽車的行駛穩定性。為了提高直線行駛的穩定性，提出在死區范圍內進行阻尼控制，適當加重轉向盤的阻力，最終體現在高速駛時手感的“穩重”。汽車高速行駛時，由于路面偶然因素的干擾引起的側向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須采用阻尼控制此外，轉向盤轉向后回到中間位置時，由于電動機的慣性存在，在不加其他控制情況下，助力系統的慣性比機械式轉向系統的慣性大，轉向回正時不容易收斂，此時，也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時，般情況下只需將電動機輸出為制動狀態，就可使電動機產生阻尼效果。第章硬件設計系統硬件電路是實現電動助力轉向的基礎，硬件電路設計的科學性和合理性，直接關系到系統的控制效果。本章主要研究硬件的設計，主要的有單片機電源轉換電路傳感器電機蓄電池和繼電器等。.硬件電路圖及系統框圖圖.硬件系統電路圖系統主要硬件電路包括單片機的選擇電源傳感器驅動器的選擇電機圖.控制系統框圖本系統主要工作流程為首先對系統進行自動檢測，確保系統各部分工作正常。然后單片機采集各傳感器信號，經過分析運算后，判斷是否提供助力，如果實施助力控制，啟動繼電器驅動電路，輸出信號控制助力電機的轉矩，進而輔助駕駛員轉向否則進行其他相應控制。當系統出現故障時，電磁離合器與電機脫離，助力電機停止工作，故障指示燈點亮。.傳感器電位計式扭矩傳感器扭矩傳感器主要用來測量方向盤上力矩的大小，扭力桿是它的主要的測力元件。扭力桿的信號測量方式有電位計式差動式和光電式三種。其中差動式和光點式的成本高，結構復雜，主要用于高速測量。本論文中采用的是導電塑料電位計式扭矩傳感器，其結構簡單，可靠性好，使用壽命在萬次以上，適合于方向盤扭矩的測量。電位計式的主要工作原理如圖.所示。傳感器的兩個輸入端分別是和分別是輸入端和。當轉向盤處于中間位置時，傳感器的兩個輸出端和上的電壓均為.當轉向盤向右旋轉時，其輸出端上的電壓大于.，輸出端上的電壓小于.當轉向盤向左旋轉時，恰好相反。因此，輸出電壓減去輸出電壓得到的差動電壓值就可以用來表示轉矩的大小和方向。差動輸出電壓有利于提高傳感器的靈敏度，消除靜態誤差。電子控制單元根據扭矩傳感器輸出差動電壓的大小和正負，就可以判斷轉向盤的轉矩大小和轉動方向。圖.電位計式扭矩傳感器原理圖車速傳感器大多數汽車上裝載的車速傳感器般是磁感應式車速傳感器，如圖.所示。該傳感器穩定性較好，經過簡單的信號調理就可以轉成方波信號，供單片機采集?？紤]到目前決大部分汽車都有電子儀表板，有現成的車速信號，可以直接使用。但是在實驗室中，較難采集到實際的車速信號，般用信號發生器模擬車速信號。圖.磁感應式車速傳感器.單片機的選擇圖.單片機如圖單片機最小系統硬件電路設計比較復雜，需要考慮電磁兼容晶振電路設計技巧，以及防干擾濾波電路設計技巧等。時鐘電路原理時鐘電路在單片機系統硬件設計中往往是個關鍵部分，由于晶振體的工作頻率很高，設計不當很有可能使其工作時產生的高頻信號對其他電路造成干擾，尤其是對轉矩輸入信號的干擾甚至導致晶振體不工作，導致整個單片機系統無法正常運行。單片機的時鐘輸入接口在和引腳上，通常接個晶振體。外部晶振體的連接分為串聯型并聯型和使用外部有源晶振器種方式。但是在實際應用電路設計中般采用并聯型方式。時鐘電路如圖.所示。圖.時鐘電路濾波電路原理濾波電路常用來濾去電壓中的紋波，保證系統供電的穩定性，它般由電抗元件組成,如負載電阻兩端并聯電容器，或者負載串聯電感器，以及由電容電感組成的各種復式濾波電路。單片機內部帶有電壓調整器，它主要負責為單片機的內部提供不同的電壓。主要濾波引腳有和。電源電路單片機的外部供電電壓為，分別為單片機的內部電壓調整器，端驅動器轉換器提供電源。為了充分提高供電電路的電磁兼容性，去除高頻噪聲，在各供電電路中串接個電感元件。電源引腳有和引腳。其中，的電源電路如圖.所示，其他引腳電路類似。圖.電源電路復位電路單片機需要在上電之后給其個復位信號才能正常工作，在開發和調試單片機系統時需要對它進行手動復位，而且當單片機系統供電電壓過低時，程序的運行會出現非正常的情況，要求在低壓時也要對單片機進行復位，所以必須要設計個復位電路。單片機的引腳為低電平有效，其復位電路如圖.所示。圖.復位電路.電源轉換電路由于該系統中，單片機和傳感器需要電壓為的直流電源，以及通信傳輸的穩定性對電源要求較高，所以考慮了工業界常用的電源轉換芯片。其輸出電流可達，輸入電壓范圍較寬，具有優良的線性調節與負載調節，只需極少的外部元件，就可以做成優良的電源轉換電路，所輸出的電流完全可以滿足對整個系統的供電。電源轉換電路如圖.所示。圖.電源轉換電路圖.傳感器信號車速扭矩處理電路車速信號處理電路通常車速信號都是從車輪轉速經過計算都得出的，而且輪速信號般幅值為的正弦模擬信號，所以般首先對車速信號經過濾波放大和整形后方能被單片機獲得。車速信號處理電路如圖.所示。輪速信號經過放大后幅值為，經過比較器輸出方波信號，供單片機采集。圖.車速信號處理電路方向盤扭矩信號我們用扭矩傳感器測量方向盤上扭矩信號的大小，扭矩傳感器輸出信號為電壓信號，為了保證其信號的可靠性，必須對信號進行濾波，濾波之后送單片機進行轉換。扭矩信號濾波電路，對輸入信號進行濾波，主要消除扭矩中的高頻信號。實現對信號電平的處理，最后輸出兩路信號送給單片機兩個轉換口。.電機驅動器的選擇圖.電機驅動器實物直流電機調速系統在現代化工業生產中已經得到廣泛應用。直流電動機具有良好的起制動性能和調速性能，易于在大范圍內平滑調速，且調速后的效率很高，因此，采用硬件邏輯電路實現的控制系統已在實踐中廣泛應用。但是，這種方法的硬件電路比較復雜，般也無計算機接口而本文介紹的電機驅動是采用電機專用驅動芯片實現直流電機調速的，該驅動系統可以大大簡化硬件電路在本系統中采用脈寬調制控制橋電路實施對直流電動機的控制，由個功率組成，如圖所示。采用伺服控制方式，功率管的驅動電路簡單，工作頻率高，可工作在上百千赫的開關狀態下。系統采用個公司生產的型功率管組成橋路的個臂。僅有導通電阻，而且功耗小，耐壓達，最大直流電流可達，滿足系統對功率管低壓正常工作不超過大電流額定電流的要求。圖中所示，個管的基極驅動電壓分為兩組，其中和為組，當接收信號導通時，常開而和截止這時，電機兩端得到電壓而旋轉，而且占空比越大，轉速越高由于直流電機是個感性負載，當關斷時，電機中的電流不能立即降到零，所以必須給這個電流提供條釋放通路，否則將產生高壓破壞器件處理這種情況的通常方法是在管旁邊并聯個高速開關二極而本系統采型管，該管內部已經并聯二極管，所以外部并聯的高速開關二極管可以省略。圖.橋電路在本系統中選用高端智能直流電機控制芯片，驅動器芯片是微電子公司推出的種用于直流電機的控制器件，可用于驅動溝道管。該芯片具有控制簡單，外圍電路相對較少，控制靈敏的優點，被廣泛采用。采用雙列貼片式封裝的引腳分布，各引腳的功能如下芯片是溝道功率管驅動器，適合于直流電機控制。該器件內集成有可驅動溝道高邊功率管的電荷泵和內部發生器，可進行速度和方向控制而