重慶交通大學碩士學位論文汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)的研究姓名:周波申請學位級別:碩士專業(yè):車輛工程指導教師:李偉;季學武20100401摘 要汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新的機電一體化產(chǎn)品,具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)向手感和節(jié)約能耗等優(yōu)勢。由于其優(yōu)良的性能,在國外很早便進行了研究,并且已經(jīng)普及裝車了。國內(nèi)對于電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還處于初級階段,因為該系統(tǒng)涉及機械、電子、自動控制等多學科領域,面臨的難題也很多,并且由于國外技術壁壘等因素,國內(nèi)在這方面的研究還比較落后。首先,本文對某轎車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結構組成和工作原理進行了分析,在完善了該轎車系統(tǒng)性能測試實驗臺的相關硬件設施后,通過總線適配器獲得了系統(tǒng)的助力特性數(shù)據(jù),繪制了系統(tǒng)助力特性三維曲面圖,并對其助力特性進行了分析。重點分析了系統(tǒng)助力電動機的結構特點、工作原理和控制策略。根據(jù)該電動機的特點和系統(tǒng)技術要求,研究了一套基于位的控制器,該芯片具有豐富的硬件資源和出色的電機控制模塊?？刂破飨到y(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié),增加了電機的啟動、抗負載、抗干擾的性能。最后,進行了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空載試驗。根據(jù)給定的車速信號,助力電機能夠準確、快速的達到目標轉(zhuǎn)速,并且當電機受到干擾如用手施加阻力后,電機能夠快速的回到目標轉(zhuǎn)速。實驗驗證表明,本文所研發(fā)的控制器具有較好的可靠性;電機調(diào)速比較穩(wěn)定;所采用的控制算法能夠達到快速性、準確性和穩(wěn)定性。關鍵詞:;控制器:助力特性曲面 ? . , ,.,., ., . , . ?.,. ,. ., .?. , ,., .:;重慶交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者篝名:習次 日期:孔形年每月夕日重慶交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權重慶交通大學可以將本學位論文的全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本人學位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫,并進行信息服務包括但不限于匯編、復制、發(fā)行、信息網(wǎng)絡傳播等,同時本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權利。:指導教師簽名位期 月作易溲胡文 期:產(chǎn)年一 戳厶 名甲扎?嗲本人同意將本學位論文提交至中國學術期刊光盤版電子雜志社系列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布,并按中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程規(guī)定享受相關權益。指導教師簽名:學位論文作者簽名:詞赴日期:孤/口年仁月/歹日日期:跏年爭月夕第一章緒論第一章緒論.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述汽車在行駛過程中,需要按駕駛員的意圖經(jīng)常改變其行駛方向,即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言,實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是駕駛員通過一套專設的機構,使轉(zhuǎn)向橋一般是前橋上的車輪轉(zhuǎn)向輪相對于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在汽車直線行駛時,轉(zhuǎn)向輪也往往受到路面?zhèn)认蚋蓴_的作用,自動偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時,駕駛員也可以利用這套機構使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn),從而使汽車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構,稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按駕駛員的意圖而進行轉(zhuǎn)向行駛【。隨著現(xiàn)代汽車電子技術的快速發(fā)展,人們對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能的要求也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動方向盤時,都有理想的操縱穩(wěn)定性,即使車輛在停車情況下轉(zhuǎn)動方向盤時也能夠輕松自如,而在高速行駛時又不會感到輕飄不穩(wěn)。因此,在汽車原有的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以很好的改善汽車的轉(zhuǎn)向操控性能【。根據(jù)轉(zhuǎn)向能源的不同,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),如圖.所示。. 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源,其中所有傳遞力的部件都是機械的。機械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機構、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構三部分組成。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是在原有機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上加設一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形第一章緒論成的。轉(zhuǎn)向加力裝置減輕了駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的作用力。轉(zhuǎn)向能源來自駕駛員的體力和發(fā)動機或電動機.其中發(fā)動機或電動機占主要部分,轉(zhuǎn)向助力通過轉(zhuǎn)向加力裝詈提供。常情況下,駕駛員能輕松地控制轉(zhuǎn)向。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失散時,就回到機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀忐,一般來說還能由駕駛員獨立承擔汽車轉(zhuǎn)向任務。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照傳能介質(zhì)的不同,可以分為四種形式:液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液坻助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵工作。轉(zhuǎn)向時,液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向控制鼉分配流入轉(zhuǎn)向助力缸中的一個腔室,而另腔審則有一部分油回流。這樣兩腔之叫產(chǎn)生了壓力差.從而產(chǎn)生助力。并且傳統(tǒng)的渡堆助力轉(zhuǎn)向只具有單一的助力特性,助力不能隨著車速的變化而變化,在低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性之間,只能采取折中的方法.其結糶是汽車在原地轉(zhuǎn)向時助力不足,高速時轉(zhuǎn)向助力偏大。圖 為傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構示意閣。圖 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意剛 /電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為了克服液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向單一和能耗大的缺點。電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎上增設了電動機、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速傳感器、電控單元嘰和車速傳感器【。它用電機代替發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵工作,由蓄電池提供能量,根據(jù)車速信號、發(fā)動機信號和方向盤轉(zhuǎn)速信號實時控制電機轉(zhuǎn)速,電機轉(zhuǎn)速越高,轉(zhuǎn)向油泵的流量越大,相應產(chǎn)生的助力也就越大。通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,就¨以實現(xiàn)可變助力【。與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用車速感應的可變轉(zhuǎn)矩力控制方式,提高了汽車的操控穩(wěn)定性:改由電機馳動油泵,附加能耗可以降低%.%”。與目前的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳力介第一章緒論質(zhì)為液壓油,轉(zhuǎn)向手感要優(yōu)于。并且,可以在現(xiàn)有的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上進行簡單的改裝,因此,在未來的幾年中電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空問。圖 為電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構示意圖。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖.為一種反力控制式液壓助力轉(zhuǎn)向器的結構及原理圖。閥芯的下部裝有由彈簧、活塞和鋼球組成的反力機構?；钊上鄬﹂y芯軸向移動,但二者不可相對轉(zhuǎn)動。活塞的下端及閥套的上端有型槽,鋼球置于第一章緒論型槽中。這樣,活塞上的軸向力對閥芯和閥套的相對轉(zhuǎn)動起阻礙作用。反山機構位于反力腔中,而在進油環(huán)槽和反力腔的通道卜安裝有電磁閥。該系統(tǒng)的工作過程為:轉(zhuǎn)向電控單元圖中未繪出根據(jù)采集到的車速信號,對電磁閥電流進行控制,以改變反作用腔中的油壓,從而使閥芯附加的轉(zhuǎn)動阻力產(chǎn)生變化,獲得所需要的路感。汽車行駛速度低時,流經(jīng)電磁閣線圈的電流大,反力腔與進油腔問的通道被堵塞,反力腔中無法建立油壓,這與普通液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同,轉(zhuǎn)向操舵力較小。隨著車速的增加,流過電融閥線圈的電流減小,反作用腔與進油腔之間的節(jié)流面積增大.油液的壓力損失減小.反作用腔中壓力升高,轉(zhuǎn)動閥芯的阻力增大,轉(zhuǎn)向操舵力增加。套 漆“。一:油卜箜辮卜轉(zhuǎn)向齒輪;一閥套:一活塞;一彈簧;一擋片;閥芯;一油泵;一屯磁剃:一儲油罐;一安全閥;卜鋼球:一轉(zhuǎn)向助力缸;一進油環(huán)槽;鏟反力腔控制閥結構.作原理圈 液壓反力式助力轉(zhuǎn)向器結構及原理 母 .系統(tǒng)的基本工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀 系統(tǒng)的分類【電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)閥的不同分為葉位開式和中位閉式。中位開式所示。轉(zhuǎn)向閻中位有預開量,不轉(zhuǎn)向時,閥芯的槽轉(zhuǎn)向閥及其工作原理如圖脊與閥套的槽正對.而前者比后者略窄,此時,轉(zhuǎn)向動力缸的左、右腔室相通,且與油泵的出油、回油口相通;左、右腔油壓相等,不產(chǎn)生助力。來自轉(zhuǎn)向液壓泵的液壓油經(jīng)過槽和槽脊之倒的間隙預開口、閥芯上的徑向孔流回油箱,因此也被稱為常流式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向時以左轉(zhuǎn)向為例.右轉(zhuǎn)向時分析方法相同,第一章緒論扭樸在外力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,而閥芯和閥套分別與扭桿的兩端固連,因此閥芯相對閥套轉(zhuǎn)動,閥芯的槽脊與閥套上槽的兩側間隙不對稱,使油泵泵出的油液大部分進入動力缸右腔、小部分進入左腔,兩側的壓差推動活塞與齒條軸固連右移,從而產(chǎn)生助力作用。中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的優(yōu)點是結構簡單、液壓泵壽命長和轉(zhuǎn)向手感好四。剴 中何開式系統(tǒng) 中位閉式轉(zhuǎn)向閥如圖 所示。當方向盤處于不轉(zhuǎn)向的中間位置時,轉(zhuǎn)向閥的進出油口關閉。液壓回路中裝有蓄能器,當蓄能器中的壓力低于某一位時,卸荷閥關閉,液壓泵向蓄能器供油;當蓄能器中的壓力達到另一較高值時,卸荷閥扣開,液壓泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中總保持一定的工作壓力,所以也被稱為常壓式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。中位閉式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于,在非轉(zhuǎn)向工況下,系統(tǒng)幾乎不消耗電動機的能量,在液壓泵不運轉(zhuǎn)的情況下,系統(tǒng)保持一定的轉(zhuǎn)向能力。但是中位閉式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量和壓力由蓄能器提供,在各種工況下輸出不易調(diào)整,轉(zhuǎn)向助力不能隨轉(zhuǎn)向負荷做相應的變化,降低了駕駛的可靠性和舒適性。另外,它的密封和結構都比中位開式復雜,所以目前車輛中常用的仍是傳統(tǒng)的中位開式轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)【“。第一蘋緒論鬟?。?二磐二¨?弋?嚕圖】某轎車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結構示意圖. 小 以某轎車使用的系統(tǒng)為例。其基本的工作原理是:系統(tǒng)通過總線輸入發(fā)動機點火信號和車速信號.當控制器檢測到發(fā)動機點火信號時,系統(tǒng)開始工作,這時助力電機保持怠速運轉(zhuǎn)。當汽車直線行駛不需要助力時,扭桿處于旋轉(zhuǎn)分流閥的中間位置,嘏壓油幾乎無壓力的通過旋轉(zhuǎn)分流湖由回油管流回儲油罐;當汽車轉(zhuǎn)向需要助力時,控制器根據(jù)由總線輸入的車速信號。和方向盤旋轉(zhuǎn)角速度信號來決定助力電機的轉(zhuǎn)速,驅(qū)動齒輪泵輸出相應壓力的高壓油,高壓油筇奄緒論經(jīng)旋轉(zhuǎn)分流閻進八助力/。司時右腔的液壓油經(jīng)回油管流儲油姥。雪商蓄曼。虱種隧 乜動渡壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意幽.系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從年只本公司研制出第一臺電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)至今,系統(tǒng)在很多方面都有了很大的進步。其中最大的變化就是由無刷直流電機代替有刷直流電機.齒輪泵代替葉片泵【”。并且,隨著電子技術的飛速發(fā)展,也由最初的位單片機向功能、運算能力更加強大的位過渡。由于這些新技術的使用使得的助力特性得到不斷的提高。文獻介紹了口軸負荷小于車輛的中位開式電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。系統(tǒng)用車輛的速度信號對電動機轉(zhuǎn)速進行控制,采用開環(huán)方式;在控制器中嵌入固定算法,可靠性較好。在市區(qū)公路上行駛,系統(tǒng)能耗為發(fā)動機驅(qū)動油泵系統(tǒng)的%。在提高節(jié)能效果方面,文獻傈用車速和方向盤轉(zhuǎn)速作控制參數(shù)。在非轉(zhuǎn)向工況,電動機以比轉(zhuǎn)向工況更低的備用工況轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)向工況,系統(tǒng)根據(jù)車速及方向盤轉(zhuǎn)速信號控制電動機從備用工況迅速轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)向工況。文獻對緊急避讓工況系統(tǒng)的響應進行了仿真;系統(tǒng)響應迅速,助力平穩(wěn).可以滿足助力要求。由于在非轉(zhuǎn)向工況,電動機轉(zhuǎn)速維持在很低的水平,消耗能量很少,系統(tǒng)的能源利用率有較大提高。但研究沒有對備用工況電動機轉(zhuǎn)速的選擇做分析,對系統(tǒng)的設計缺乏實際的指導意義。圈外雖然已經(jīng)有產(chǎn)品推出,但由于時間較短,還不具有很大市場捌模,而且汽車產(chǎn)品都有較長的試驗期和壽命測驗,所以如今的大多數(shù)的汽車還是采用傳統(tǒng)者更高級的系統(tǒng)所代替【。第一章緒論國內(nèi)對于系統(tǒng)的研究還處于探索階段.因為該系統(tǒng)涉及電子、機械、自動化等諸多領域,需要多學科的交叉.面臨的難題也比較多,另外國內(nèi)在無刷電機和轉(zhuǎn)向傳感器方面的配套技術比較落后。而且困外對技術非常保密。這些因素導致了我國在系統(tǒng)方面的研究十分落后。.本文的研究內(nèi)容本文首先研究某轎車系統(tǒng)的工作原理,及其系統(tǒng)助力電機控制原理。并在此基礎上研究開發(fā)了一套系統(tǒng)控制器,通過實驗研究該的助力性能,最后進行臺架空載實驗。本文的主要研究任務有:深入研究系統(tǒng)工作原理;進行系統(tǒng)靜態(tài)性能測試,測繪出系統(tǒng)助力性能特征曲線,并分析其助力特性;重點研究系統(tǒng)永磁無刷直流電機工作原理、控制方法和控制策略。系統(tǒng)控制器硬件的研究開發(fā),包括芯片的選型、原理圖的設計、板的繪制、電路板的調(diào)試;在實驗臺架上完成對系統(tǒng)的測試,驗證該控制器的正確性與可行性。第璋系統(tǒng)的特性測試發(fā)控制肇略分析第二章 系統(tǒng)特性測試及控制策略分析.系統(tǒng)測試實驗臺簡介圖 系統(tǒng)性能測試試驗臺的全景視圖珊.實驗臺機械系統(tǒng)本試驗臺的機械系統(tǒng)主要包括試驗臺架、模擬轉(zhuǎn)向阻力的彈簧、電動泵、轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器以及轉(zhuǎn)閥和助力油缸等。圖.中深藍色部分為試驗臺架,本試驗臺架是直接與地面連接的,因此可以將整個試驗臺固定在地面上保持整體不動,保證了試驗臺的穩(wěn)定性。汽車在轉(zhuǎn)向的時候主要克服的是車輪與地面問的摩擦力,以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械摩擦等,為了模擬車輪與地面間的摩擦力,使得轉(zhuǎn)向機構具有定得負載,本試驗臺在試驗臺架的兩邊固定了兩個彈簧.以此來模擬汽車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向機構的負載。該系統(tǒng)將儲油罐、控制器、電機、齒輪泵集合在一起組成電動泵,節(jié)省了空間,并且便于安裝。電動泉如圖.所示。第一章系統(tǒng)的特性洲斌乏控制策略分忻¨警萄。:氬舀澎 美。學疊愛疊當轉(zhuǎn)向盤右轉(zhuǎn)時如圖 ,油泵泵出的高壓油進入左缸,推動活塞向右移動,右缸的低壓油則回流入泵,從而產(chǎn)生向右的助力。當直線行駛時,左右缸油壓相同,沒有助力:轉(zhuǎn)向盤向左轉(zhuǎn)時,相應產(chǎn)生向左的助力。.實驗臺電器系統(tǒng)本試驗臺的電器系統(tǒng)主要山無刷直流電機、微控制器、方向盤轉(zhuǎn)速傳感器、電機轉(zhuǎn)述傳感器,總線適配器,:位機,示波器,數(shù)字采集儀以及雷電池、開關等部分組成。第一章系統(tǒng)的特性洲試嵌托制麓略升忻力向黜轉(zhuǎn)進他感器抄幽.方向盤轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)于及定,。郫叫封 礁旋轉(zhuǎn)編碼器實驗臺信號傳輸順序上位機通過總線適配器向系統(tǒng)控制器芨送所需信號,包括車速信號和發(fā)動機信號,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號和助力電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過通信板轉(zhuǎn)換為相應的電壓物理量,通過示波器記錄一次數(shù)據(jù),雖后將采集到得數(shù)據(jù)保存到上位機進行處理。助力電機轉(zhuǎn)速傳感器電機轉(zhuǎn)速信號主要由磁旋轉(zhuǎn)編碼器來獲取。在電機外轉(zhuǎn)子底部安裝一個紐扣形磁鐵,就可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的獲取,如圖.所示。的工作原理是通過芯片內(nèi)部的線性霍爾陣列檢測出磁鐵的磁場強度分布,從中分離卅角度信息?？４判D(zhuǎn)編碼器具有增量角度輸出和絕對角度輸出功能。增量角度輸出信號分為、兩路,磁鐵柑對旋轉(zhuǎn)一周,、通道系判斷轉(zhuǎn)動方向,通過倍頻可以狀得位的分辨率。將絕對角度定義為磁鐵的磁極與霍爾陣列自的角度,磁鐵每旋轉(zhuǎn)周,將輸出個絕對角度信號,通過通訊可將其讀出。在絕對角度為或時,通道將”“。第。章系統(tǒng)的特測試及控制策略分析.總線適配器及其使用方法介紹本文進川光。 總線適配器 ,奠外觀加罔.所不. .總線適配器是帶有 接 和路接勺總線適配器.可進行雙向傳送。 ?總線適配器司以艘作為個標準的竹點,是總線產(chǎn)品開發(fā)、總線設備測試、數(shù)據(jù)分析的強大工具。采用法接【適配器,可以通過接連接個標準網(wǎng)絡,應用于構建現(xiàn)場總線澳試實驗室、業(yè)控制、智能樓宇、汽牟電子等領域中,進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)掘通訊。同時,.接適配器具有體積小、方便安裝等特點,也是便攜,系統(tǒng)用戶的最悻選擇。幽.占目光電總線適配器外形接口適配器設備中,總線電路采用獨立的?電源模塊,進行光電隔離,使該接口適配器具有很強的抗干擾能力,大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。.接口適配器產(chǎn)品可以利用廠家提供的工具軟件,直接進行總線的配置,笈送和接收。用戶也可以參考廠家提供的動態(tài)連接庫、例程編寫自己的應用程序,方便地開發(fā)出系統(tǒng)應用軟件產(chǎn)品。.總線適配器的性能與技術指標是:與總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換:具有兩個通道獨立接口;具備個通道接接口支持 ,兼容 ;支持 和.協(xié)議,支持標準幀和擴展幀;支持烈向傳輸,發(fā)送、接收支持數(shù)據(jù)幀.遠程幀格式:控制器波特率在一之間可選,可以軟件配置:總線接口采用光電隔離、.電源隔離;堆大流量為每秒鐘幀總線數(shù)據(jù);內(nèi)部接收緩沖區(qū)容量為每通道;第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析 總線直接供電,無需外部電源;隔離模塊絕緣電壓:;工作溫度:一;浚適配器帶有數(shù)據(jù)發(fā)送,接受軟件,如圖.所示。用戶可以自行編寫發(fā)送數(shù)據(jù)表格,如表所示。盤墨田衄墨墨?圓¨一。?豆一一?:謄: “?,一蕙,:一:妒蛋端讎?再。矗面 ”“?。一”一一圖 /軟件界面.表發(fā)送數(shù)據(jù)表格式齜 ?“圳四“%刪女?。口四%¨。¨?。¨洲?&躺十洲?¨四?。?洲?”喇十?八?四“¨四“ ?自“”?四?四?晰九¨?四四口刪? 九四¨?¨?.系統(tǒng)靜態(tài)性能測試.系統(tǒng)靜態(tài)測試目的為了研究某轎車系統(tǒng)控制策略的設計思路,同時為系統(tǒng)控制策略的表格制定提供參考,進行某轎車系統(tǒng)靜態(tài)助力特性的試驗。在已經(jīng)進行了的動態(tài)試驗中,由人力轉(zhuǎn)動方向盤提供方向盤轉(zhuǎn)速信號,將由數(shù)據(jù)采集儀采七二震用人力轉(zhuǎn)動萬向龠,阿口.方向甜的限制,組難獲得較時的、穩(wěn)定的方向:轉(zhuǎn)速,瘦助山?乜機轉(zhuǎn)述潑自足啦的響塒方向鼎轉(zhuǎn)速的變化,町測符的赦批電并小刪想,蛐助力乜機轉(zhuǎn)速沒有達到【論要求的撤高轉(zhuǎn)謎等。為了彌補動態(tài)刪試的小足.本文行了某轎車系統(tǒng)靜忐助山特?的試驗。.實驗方法分別通過總線發(fā)送辨給定恒定車速/,隔/,在各恒定車速條件下由直流無刷電機帶動方向盤轉(zhuǎn)速傳感器,提供。/轉(zhuǎn)速信號,并且最后轉(zhuǎn)速維持在。/,示波器同步己錄此時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速與助力電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。分別測得/,/,/,/,/,/,/./共組試驗數(shù)掘。圖 所示為車速為/時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速與助力電機轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)圖。無刷直流電機轉(zhuǎn)速由。/加速到。/,最后一直維持這一轉(zhuǎn)速。助力電機山怠速跟隨方向盤電機加速到電機最高轉(zhuǎn)速然后進過一段時問回到怠速狀態(tài)。表.為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速.助力電機轉(zhuǎn)速關系部分原始數(shù)據(jù),由示波器采集得到數(shù)據(jù)為格式。示波器采集一次數(shù)據(jù)。表 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)述助力電機轉(zhuǎn)述芙系部分原始數(shù)據(jù).? , 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析.系統(tǒng)靜態(tài)性能測試數(shù)據(jù)的采集與處理在數(shù)據(jù)采集過程中,山現(xiàn)場設薔較多,不可避免地會產(chǎn)生于擾,為了減少這種隨機干擾的影響,必須采用數(shù)字濾波剝采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理。其中移動平均濾波法便是種很有效的方法。移動平均濾波的基本原理是:基于統(tǒng)計規(guī)律,將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)看成個長度固守為的隊列,在新的一次測量后,上述隊列的首數(shù)據(jù)去掉,其余個數(shù)據(jù)依次前移,并將新的采樣數(shù)據(jù)插入,作為新隊列的尾;然后對這個隊列進行算術平均值運算,并將其結果作為本次澳量的結果。移動平均濾波器是一個低通濾波器,是對模擬濾波的補充,用于實時檢測,只要采樣頻率足夠高,就能得到較為理想的測量結果。由于本試驗采樣頻率很高,因此采用移動平均濾波可以得到很好的結果。在中可以很方便地實現(xiàn)移動平均濾被,只需對若干數(shù)據(jù)取平均值,然后用公式自動填充平均值所在的列即可。經(jīng)過對比分析,發(fā)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速取、對電機轉(zhuǎn)速取濾波效果最好。從圖.中還可以看出,在同一時刻采集到的數(shù)值并非唯一值,而是“一對多”。針對這種現(xiàn)象,采用平均值法減少誤差。分別取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為、/對應的助力電機轉(zhuǎn)速值,將若干個助力電機轉(zhuǎn)速值取平均值作速二維曲線圖。醇 訂。 叫甜山.系統(tǒng)控制策略分析為了研究助力性能,本文進行了系統(tǒng)助力性能測試。在方向盤轉(zhuǎn)速為零的情況下,助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化形成的曲線代表了系統(tǒng)中無刷直流電機在無載荷狀態(tài)下的性能特性,是最能直接反應系統(tǒng)與車速關系的特性曲線。辛載助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線如圖 所示。第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析.三薔強賽刪車速/圖.空載助力電機隨車速變化曲線、. 由空載助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線可以看出,助力電機在零車速下轉(zhuǎn)速為/。隨著車速的提高,助力電機轉(zhuǎn)速逐漸下降,當車速達到/時,助力電機轉(zhuǎn)速降到/。在整個車速范圍內(nèi)./,助力電機轉(zhuǎn)速基本上維持在/上下。這一特性符合系統(tǒng)在汽車低速時的特性:當車速較低時,車輪與地面的摩擦主要是靜摩擦力,此時的摩擦力比較大,轉(zhuǎn)向盤比較沉,這時系統(tǒng)無刷直流電機的轉(zhuǎn)速較高,油泵提供較大的助力油流量,進而在轉(zhuǎn)向時能夠迅速提供較大的轉(zhuǎn)向助力,并且提高了系統(tǒng)的響應速度。但是在汽車高速時,這一特性并沒有滿足系統(tǒng)的特性:在車速較高時,車輪與地面間的摩擦力主要由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?此時摩擦力較小,轉(zhuǎn)向盤較輕,甚至覺得發(fā)飄,導致轉(zhuǎn)向手感和安全性降低,即路感差。這時在轉(zhuǎn)向過程中為了使駕駛員能夠感覺到方向盤較沉,從而改善轉(zhuǎn)向手感和安全性,系統(tǒng)只需在轉(zhuǎn)向時提供較小助力即可,對系統(tǒng)響應速度要求不高,因此,此時無刷直流電機轉(zhuǎn)速保持一較低轉(zhuǎn)速即可,油泵的流量也隨之下降,提高了經(jīng)濟性。圖.為車速在./時轉(zhuǎn)速變化曲線;圖.為車速在/./時轉(zhuǎn)速變化曲線。/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到。/,/。并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,此時轉(zhuǎn)速為/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。轉(zhuǎn)速變化曲線保持平并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為穩(wěn)增長。/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。/左右。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。/左右。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。/左右。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。車速為/時的并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為/時具有一個下凹的趨勢。./車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。/左右。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到/,/。并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線車速為/時的助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為/時具有一個下凹的趨勢。在車速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在 /左右。隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)/。向盤轉(zhuǎn)速達到/,并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為車速為/時的助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為/時具有一個下凹的趨勢。/車速時電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化曲線第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析在車速/時,助力電機轉(zhuǎn)速在方向盤零轉(zhuǎn)速時達到最低,為/。/左右。與汽車低速時相比,助力電機轉(zhuǎn)速并沒有明顯降低,而是保持在隨著方向盤轉(zhuǎn)速的升高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達到。/,并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最高,為 /。車速為/時的助力電機轉(zhuǎn)速隨車速變化曲線在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為/時具有一個下凹的趨勢。圖. ./曲線圖./ 第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析/./曲線圖圖. / .系統(tǒng)助力特性下特性:在各車速下,隨著方向盤轉(zhuǎn)速由/連續(xù)增長到/時,助力電機轉(zhuǎn)速保持連續(xù)增長。在方向盤轉(zhuǎn)速為/時,助力電機轉(zhuǎn)速為最低值,并且在各車速下保持這一最低轉(zhuǎn)速,為/左右。當方向盤轉(zhuǎn)速為/,并保持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達到最大值,為/左右。在車速為/./時,曲線斜率先大后小,方向盤轉(zhuǎn)速為/這一點時為分界點,曲線在這一點處呈上凸趨勢。車速為/時,曲線斜率在整個范圍內(nèi)基本保持不變。當車速為/./時,曲線斜率先小后大。在分界點處呈現(xiàn)下凹趨勢。這種曲線變化特點的出現(xiàn)于系統(tǒng)的控制策略是有很大關系的。在車速較低時,曲線呈上凸趨勢,隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速提高,電機轉(zhuǎn)速提高的斜率先大后小,這就使得駕駛員在以較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時就可以獲得較大的轉(zhuǎn)向助力,具有較好的轉(zhuǎn)向手感。當車速較高時,曲線呈下凹趨勢,電機轉(zhuǎn)第一章系統(tǒng)的特性測試鹽控制鐿略分析速上升的斜:先小后人,這就使得駕駛員在以較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時獲得勻轉(zhuǎn)向且句力鞍小,轉(zhuǎn)阿盤手感較:,獲較好的轉(zhuǎn)向于感咀發(fā)轉(zhuǎn)向安全.,.系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線圖將以上各固定車速下助力電機轉(zhuǎn)速隨方向盤向盤轉(zhuǎn)速變化的維曲線圖綜合起來,繪制出系統(tǒng)靜態(tài)性能特性三維曲面圖,如圖.所示。此圖為分析、制訂系統(tǒng)助力特性控制策略提供了參考依據(jù)。幽 系統(tǒng)靜態(tài)性能特性曲線鳘醇山系統(tǒng)特性圖可以看出,某車系統(tǒng)的助力隨車速升高而降低,并且隨方向盤轉(zhuǎn)速增加而升高。但當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速大于。/時,助力基本上達到最高值而不再變化。從整體來看,該曲面圖較為平滑,除了處理數(shù)據(jù)時誤差的影響,基本投有急劇變化的區(qū)域,這就使得駕駛員在車速持續(xù)變化或轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速反復變化的情況下仍能感到手感平順。.保舵維持時間在實際駕駛過程中,當出現(xiàn)緊急狀況需要緊急轉(zhuǎn)向時,駕駛員通常會向某一方向猛打方向疵,此后并維持方向盤不動,此時即為保舵過程。此時,以最快轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動方向盤,助力電機迅速上升到最高轉(zhuǎn)速。當方向盤打到一定角度后停,即方向盤轉(zhuǎn)速為零.助力電機轉(zhuǎn)速降低到空載雖低轉(zhuǎn)速。助力電機轉(zhuǎn)速從最高轉(zhuǎn)速降落到宅載最低轉(zhuǎn)速所用的時間,即為保舵維持時間。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與系統(tǒng)助力電機轉(zhuǎn)速的控制策略有關,也與無刷直流電機本身的旋轉(zhuǎn)慣性有關。在第二章系統(tǒng)的特性測試及控制策略分析實際的緊急轉(zhuǎn)向過程中,系統(tǒng)助力電機在各種車速下的保舵時間可以較好的反應出助力電機轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的滯后效應,具有比較重要的實際意義。保舵特性實驗數(shù)據(jù)的處理方法是:選取次保舵過程之中電機轉(zhuǎn)速的峰值,記錄下該峰值對應的時日點或采樣點,而后尋找該時間點之后的電機轉(zhuǎn)速首次回落至空載轉(zhuǎn)速的時間點或采樣點,計算兩時間點之間的時間間隔。所有試驗數(shù)據(jù)如表.所示。. 車速/. . . . . . . .保舵時間從表.可以看出保舵維持時問隨著車速的升高變化不大,基本維持在左右。.本章小結本章詳細地介紹了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分,通過總線適配器向系統(tǒng)控制器發(fā)送發(fā)動機信號和車速信號,得到該系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)。通過提取、分析和換算將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)中車速、方向盤轉(zhuǎn)速、助力電機轉(zhuǎn)速三者之間的關系,并做出三維助力特性曲面圖。通過對該助力特性曲面圖的分析我們可以看出,在車速較低時,助力特性曲面隨方向盤轉(zhuǎn)速的增大呈上凸趨勢,曲線斜率先大后小;而在車速較高時,助力特性曲面隨方向盤轉(zhuǎn)速的增大呈下凹趨勢,曲線斜率先小后大。這就使得駕駛員在汽車低速時感覺轉(zhuǎn)向輕便,而在高速時轉(zhuǎn)向手感較沉重,提高了駕駛員的駕駛舒適性及安全性。第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究第三章系統(tǒng)電動機控制策略的研究直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩、簡單的控制電路等優(yōu)點,長期以來一直廣泛地應用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中,早期的系統(tǒng)便是采用直流電動機帶動液壓泵產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。同時由于機械電刷和換向器的強迫性接觸,造成它結構復雜,可靠性差、變化的接觸電阻、火花、噪聲等一系列問題,影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能。隨著電子技術的飛速發(fā)展,無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器,因此使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點,而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。因此,采用無刷直流電機帶動液壓泵產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力成為系統(tǒng)新的發(fā)展方向之一【勿。本文研究的,采用永磁無刷直流電動機。.永磁無刷直流電機的工作原理無刷直流電機,就其基本結構而言,可認為是一臺由電子開關線路、永磁電動機及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)。一般常見的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成,其主要作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應磁場,由于電刷的換相作用,使這兩磁場的方向在直流電動機運行過程中始終保持相互垂直,從而產(chǎn)生最大有效轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電機不停運轉(zhuǎn)。無刷直流電機為了實現(xiàn)無電刷換相,要把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上,把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上,這與傳統(tǒng)直流永磁電機的結構剛好相反。但簡單的直流電源給定子各項繞組供電,只能夠產(chǎn)生固定的磁場,難于與運動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互配合,以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以無刷直流電機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動機本體以外,還要由位置傳感器、控制電路以及功率控制開關共同構成換相裝置,使得無刷直流電動機在運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場在空間始終保持。電角度,保證產(chǎn)生最大有效力矩【。第二章系統(tǒng)電機控制策略的研究.永磁無刷直流電機的結構該電機的供電電壓為直流。該電機轉(zhuǎn)子外置,是種外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機。該電動機定子槽數(shù)為個即個線圈,轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌塊永磁體,即對極。根據(jù)電角度公式.:電騰警式.可以計算出該無刷直流電機的電角度為。根據(jù)電角度的大小,可繪制出電機的星形矢量圖,如圖.所示, 圖中數(shù)字代表線圈序號,其中、號線圈,、號線圈,、號線圈,、號線圈分別構成一相繞組。由于電機含四相序四狀態(tài),故每相的電角度為。另外,該電機含兩個霍爾位置傳感器,經(jīng)過計算可得兩個霍爾位置傳感器的空間機械角度約為.。圖.為定子四相繞組結構示意圖。/ 。叼口心.婦:二彳過,/、奪圖.電機定子結構 .電機的驅(qū)動電路及續(xù)流原理觀察電機的四相繞組發(fā)現(xiàn),該電機兩相共用同繞組,即、兩相為同一繞組,、兩相為同一繞組,、四相分別獨立通電工作。因為,相、相為獨立繞組線圈,并且共用同一繞組槽,所以電機的續(xù)流是通過磁耦合進行的。即,當繞組線圈的電流發(fā)生變化時,在與它相鄰的繞組線圈就會產(chǎn)生感應電動勢,它們在電的方面彼此獨立,之間的影響是通過磁場進行的,這種關系就稱為磁耦合【。圖.為該直流無刷電機的驅(qū)動原理圖。當電機轉(zhuǎn)子位置傳感器信號輸入至后,根據(jù)該換相控制字決定、四相中的某相為當前導通相,并通過輸出斬波信號控制某一功率管。當某一相繞組導通后,電流經(jīng)電源正端流過繞組,最后流過檢測電阻至功率地。檢測電阻電流輸入端經(jīng)放大濾第一章系統(tǒng)電機控制策略的研究波后引入到的/轉(zhuǎn)換引哪,為電機的流閉蚪闊述提;依:雨圈 區(qū)流無刷電機的騷動原理凹出髂 .系統(tǒng)無刷直流電機控制策略分析機能否根據(jù)輸入信號準確、實時地變化顯得尤為重要。對于該助力電機的控制主要包括換相控制和凋速控制,本系統(tǒng)的液壓泵只有在逆時針轉(zhuǎn)動時才能產(chǎn)生油壓,因此只需要使助力電機在逆時針方向轉(zhuǎn)動工作。換相控制原理根據(jù)實驗觀測到該電機的反電動勢波形正弦被以及對應的霍爾位冠信號波形方波.如圖.所示,記錄每一項繞組的反電動勢達到正峰值時刻的霍爾位置信號,根據(jù)這些霍爾位置狀態(tài)輸出信號使、各相依次導通。霍爾位置信號與換相時刻的對應關系如表 所示。四? 蚓 反電動勢與霍爾位置信號盯第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究.各相導通順序 霍爾位置狀態(tài), , , ,.調(diào)速控制原理理想的無刷直流電動機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下【】【】【】:式.言萬,曰肛國式.專萬召慪炒式中:。通電導體數(shù);口永磁體產(chǎn)生的磁通密度;轉(zhuǎn)子鐵芯的長度;,轉(zhuǎn)子半徑;國轉(zhuǎn)子的機械角速度;。定子電流;由以上兩個公式可見,感應電動勢和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比,電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比,因此永磁無刷直流電動機與有刷電動機一樣具有良好的控制性能。實現(xiàn)的四相無刷直流電動機調(diào)速的控制和驅(qū)動電路。兩個位置間隔.。的霍爾傳感器經(jīng)限幅、整形電路后分別與的兩個捕獲引腳和相連,通過產(chǎn)生捕獲中斷來給出換相時刻,同時給出位置信息。由于電動機每次只導通一相,因此每次只需控制一個電流,本文中電機用兩個電阻作為廉價的電流傳感器,將其安裝在驅(qū)動電路下端,就可以方便地進行電流反饋控制。電流反饋輸出經(jīng)濾波放火電路連接到的輸入端和,在每一個周期都對電流進行采樣對速度占空比進行控制。通過?引腳經(jīng)一個反向驅(qū)動電路連接到四個開關功率管,實現(xiàn)定頻輸出和換相控制。為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗負載能力,本控制器使用雙閉環(huán)全數(shù)字調(diào)節(jié),即外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié),其結構如圖.所示。內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能,控制動態(tài)過程中的電流或轉(zhuǎn)矩,起到電流跟隨,過流自動保護和及時抑制電壓擾動等作用。外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾動調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)比外環(huán)調(diào)節(jié)頻率快,這樣快速調(diào)節(jié)電機電流或轉(zhuǎn)矩,利于提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能【】【。.數(shù)字控制的實現(xiàn).電流的檢測和計算電流的檢測是用分壓電阻來實現(xiàn)的。電阻值的選擇可以考慮當過流發(fā)生時能輸出最大電壓,同時起到過流檢測的作用。例如,.對應/轉(zhuǎn)換后的最大位數(shù)字量,對應轉(zhuǎn)換后的最小位數(shù)字量。每個周期對電流采樣次。如果周期設為,則電流的采樣頻率為。但是在每一個周期中對電流采樣時要注意采樣時刻,在周期“開的瞬時,電流上升并不穩(wěn)定,也不易采樣。所以電流采樣時刻應該是周期的“開中部,如圖所示,它可以通過定時器采用連續(xù)增計數(shù)方式周期匹配事件啟動轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。然后用轉(zhuǎn)換的數(shù)值進行電流調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)速第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究值。.速度的檢測和計算位置信號還要用于產(chǎn)生速度控制量。電機轉(zhuǎn)子有塊磁鐵,每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器輸出個周期信號,通過捕獲端口捕捉兩次信號上升沿的時刻計算出一個霍爾信號的周期,通過下式就可以計算出電機轉(zhuǎn)速。霍爾信號兩次上升沿的時間間隔可以通過捕捉中斷發(fā)生時讀定時器的寄存器的值來獲得。定時器采用連續(xù)增計數(shù)方式,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低,所用垃時乜越長,寄存器中的值也就越大,式中為計數(shù)時鐘周期,、乞為兩次上升沿時刻寄存器中的值。兩次上升沿的時間差為:氣一咖丁式.每轉(zhuǎn)所用時間為:“一乞××式.電機轉(zhuǎn)速為:/申式.通過這樣計算得到的速度值作為速度反饋量參與速度調(diào)節(jié)計算。.雙閉環(huán)系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能動態(tài)跟隨性能雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在啟動和升速過程中,能夠在電流受電機過載能力約束的條件下,表現(xiàn)出快速的動態(tài)跟隨性能。這一性能歸功于電流環(huán)對電流的可控性。動態(tài)抗擾性能抗負載擾動由于負載的擾動作用在電流環(huán)之后,只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此,在突然加減負載時,必然會引起動態(tài)速降升。為了減少動態(tài)速降升,轉(zhuǎn)速環(huán)要具有較好的抗干擾性能。而電流環(huán)要具有良好的跟隨性能【?？闺娋W(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在影響系統(tǒng)的位置不同,系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾動效果也不一樣。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電網(wǎng)電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負反饋環(huán)包圍的前向通道上,就靜態(tài)特性而言,系統(tǒng)對它們的抗擾動效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看,由于擾動作用的位置不同,還存在及時調(diào)節(jié)上的差別。負 第三章系統(tǒng)電機控制策略的研究載擾動作用在被調(diào)量的自玎面,它的變化經(jīng)過積分后就可以被轉(zhuǎn)速壞檢測出來,從而在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點則離被調(diào)量更遠,它的波動先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流,再經(jīng)過機電慣性的滯后爿能反映到轉(zhuǎn)速上來,等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,由于增設了電流內(nèi)環(huán),這個問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi),當電壓波動時,可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié),不必等到影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應。因此,在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。在實際調(diào)速中發(fā)現(xiàn),采用四相半控電路進行控制時,電機的最高轉(zhuǎn)速只能達到/并且經(jīng)過測算此時電機的反電動勢已經(jīng)達到,這說明采用四相半控方式進行調(diào)速時,當轉(zhuǎn)速超過/時,電機工作在發(fā)電狀態(tài)。而根據(jù)測得助力特性曲線可以看出,在原地轉(zhuǎn)向時電機的轉(zhuǎn)速要達到/才能提供合適的助力。因此,采用四相半控的控制策略不能達到預期的電機轉(zhuǎn)速,必須采用新的電機控制策略進行電機調(diào)速。.本章小結本章詳細的分析了外轉(zhuǎn)子四相無刷直流電動機的結構特點和控制策略。通過實驗測得電機反電動勢與霍爾位置信號關系,得到電機換相順序。研究了該電機的數(shù)字控制方法。最后,對于實際調(diào)速控制中發(fā)現(xiàn)的問題做出了分析。第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā)第四章系統(tǒng)控制器硬件開發(fā)作為系統(tǒng)的核心部分,控制器的設計尤為重要?？刂破鞯男阅苤苯記Q定了整個系統(tǒng)的工作性能。控制器不僅要實現(xiàn)系統(tǒng)的助力性能控制,還必須有良好的穩(wěn)定性,抗干擾能力。因此,在設計控制器時要考慮諸多因素。本章從分析整個系統(tǒng)的工作原理入手,闡述了無刷直流電動機系統(tǒng)控制器的硬件開發(fā),包括各個功能模塊的芯片選型、原理圖設計。最后,對于版的繪制進行一些簡要的分析。.系統(tǒng)控制器硬件電路框圖整個控制器系統(tǒng)的工作原理為:電子控制單元根據(jù)車速信號、發(fā)動機點火信號和方向盤轉(zhuǎn)速信號和助力特性圖查找出合適的助力電機轉(zhuǎn)速值,并輸出波形,經(jīng)過驅(qū)動模塊對電機進行控制。通過霍爾位置信號和電流反饋信號對電機進行雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制器的硬件電路主要包括汽車發(fā)動機點火信號、車速信號、電源變換和監(jiān)控、微處理器、方向盤轉(zhuǎn)速信號、信號處理、總線模塊、助力電機驅(qū)動電路及電流反饋、運算放大放電路等模塊,如圖.所示。電源監(jiān)控模塊?叫蓄電池電源模驅(qū)發(fā)動機點火信號.馗接.萄型卜一制筆黧篥嘲單.元. 薹怦 路 堡璽篁翼笪墨一”三露一電流反饋信號運算放大電路圖. 系統(tǒng)控制器示意圖. 為了增強控制器硬件系統(tǒng)的抗干擾能力,提高可靠性,本文開發(fā)的控制器將微處理器邏輯控制模塊、通訊模塊、信號處理模塊、運放模塊設計為控制電路板,而將功率較大、發(fā)熱量大的驅(qū)動模塊設計為驅(qū)動電路板,兩板之間的控制信號通第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā)過引線連接。.系統(tǒng)控制器微處理器從發(fā)展的角度來看,未來的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅僅需要車速信號和方向盤轉(zhuǎn)速信號,還包括轉(zhuǎn)向角、橫向加速度等信號,要求控制系統(tǒng)有更高的處理速度、尋址能力、更好的電磁兼容性能、支持多任務系統(tǒng)【。而傳統(tǒng)使用的位單片機雖然可以實現(xiàn)控制功能,但受其運算處理能力和結構配置的限制,部分電路還需要外部搭建,這將嚴重影響系統(tǒng)的整體性能,不能滿足發(fā)展的要求。通過分析比較,本文選用公司的作為控制器微處理器芯片。該芯片為位定點,主要用于數(shù)字電機控制、電機控制、智能儀器儀表、工業(yè)自動化、機電一體化等【。.系列簡介【】是為滿足控制應用而設計的。通過把一個高性能的內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設集成為一個芯片的方案, 成為傳統(tǒng)的微控制單元和昂貴的多片設計的一種廉價替代品。每秒萬條指令的處理速度,使 控制器可以提供遠遠超過傳統(tǒng)的位微控制器和微處理器的性能。.內(nèi)核內(nèi)核采用高性能靜態(tài)技術,使得供電電壓將為.,減小了控制器的功耗;的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到,從而提高了控制器的實時控制能力;基于 的內(nèi)核,保證了系列和系列代碼兼容。.外設模塊具有兩個專為電機控制而設計的事件管理器模塊和;可擴展的外部存儲器,總共具有位的空間;看門狗定時器模塊;位轉(zhuǎn)換模塊;控制器局域網(wǎng)模塊,即模塊;串行通信接口模塊;位串行外部設備接口模塊;高達個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳;第四章系統(tǒng)控制硬件開發(fā) .電機控制模塊介紹內(nèi)部的電機控制模塊主要有個,分別是轉(zhuǎn)換模塊、捕獲模塊和輸出模塊。轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部集成了一個帶有通道的位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其個通道分成兩組,分別由兩個排序控制器和控制,工作是以任務為單位,在一個任務中要轉(zhuǎn)換的通道可以通過和選擇,轉(zhuǎn)換通道的順序可以通過排序控制器來設置,轉(zhuǎn)換結果保存在個結果寄存器中,可以自由讀取。的啟動觸發(fā)源可以由軟件、以及外部引腳來產(chǎn)生,用戶在需要時可以很方便的觸發(fā)啟動。另外該還帶有效驗功能,保證轉(zhuǎn)換結果的正確性和精度。捕獲模塊捕獲單元可以記錄輸入的霍爾位置信號跳變時刻,以便對電機進行正確換相。每個事件管理器模塊有個捕獲單元,事件管理器的捕獲單元為、,事件管理器的捕獲單元為、。每個捕捉單元都有一個相對應的捕捉輸入引腳。當捕捉輸入引腳上檢測到一個設定的跳變時,則跳變時刻通用定時器計數(shù)器的值被捕捉并儲存在