《汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《汽車電動液壓助力轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)研究（52頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 重慶交通大學(xué) 碩士學(xué)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(xué)位級別:碩士 專業(yè):車輛工程 指導(dǎo)教師:李偉;季學(xué)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(xué)科領(lǐng)域,面臨的難題也很多,并且由于國外技術(shù)壁壘 等因素,國內(nèi)在這方面的研究還比

2、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(jié)構(gòu)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(guān)硬件設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)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。 控制器系統(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(fù) 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(zhǔn)確、快速

3、的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,并且當(dāng)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(biāo)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(dá)到快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞::;控制器:助力特性曲面 ? . , ,.,.,, ..., . , . ? . ’ ,. ,. . ,, . ?. , ,.’. , .:;;;重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)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

4、品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體,均已在文中以明確 方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者篝名:習(xí)次 日期:孔形年每月夕日 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué) 校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論 文。同時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人學(xué)位論文收錄到《中國學(xué)位論 文全文數(shù)據(jù)庫》,并進行信息服務(wù)包括但不限于匯編

5、、復(fù)制、發(fā)行、信息網(wǎng) 絡(luò)傳播等‘,同時本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。 : 指導(dǎo)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(xué)位論文提交至中國學(xué)術(shù)期刊光盤版電子雜志社Ⅺ系 列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布,并按《中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》規(guī) 定享受相關(guān)權(quán)益。 指導(dǎo)教師簽名: 學(xué)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(shè)的

6、機構(gòu),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(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn),從而使汽 車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu),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(shù)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

7、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(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)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(chǔ)上加設(shè)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

8、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(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。 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(jié)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

9、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)上增設(shè)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(yīng)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(yīng)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

10、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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)?；钊上鄬﹂y芯軸向移動, 但二者不可相對轉(zhuǎn)動?；钊南露思伴y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(gòu)

11、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

12、;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(jié)構(gòu)..作原理 圈 液壓反力式助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)開口、閥芯上的徑向孔流回油

13、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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(guān)閉。液壓回路中裝有蓄能器,當(dāng)蓄能器中的壓力低于某一位時,卸 荷閥關(guān)閉,液壓泵向蓄能

14、器供油;當(dāng)蓄能器中的壓力達(dá)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(fù)荷做相應(yīng)的變化,降低了駕駛的可靠性和舒 適性。另外,它的密封和結(jié)構(gòu)都比中位開式復(fù)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

15、電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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‘ /?！核緯r右腔的液壓油經(jīng)回油管流儲油姥。 雪 商蓄 曼 。 虱 №Ⅱ種 隧

16、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(shù)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(shù)的使用使得的助力特性得到不斷的提高。文獻(xiàn)介紹了口軸負(fù)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(xiàn)

17、『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(xiàn)對緊急避讓工況系統(tǒng)的響應(yīng)進行了仿真; 系統(tǒng)響應(yīng)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(shè)計缺乏實際的指導(dǎo)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

18、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(lǐng)域,需要多學(xué)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(shù)比較落后。而且困外對技術(shù)非常保密。這 些因素導(dǎo)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(chǔ)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(wù)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

19、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(shè)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(lán)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

20、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(gòu)具有~定得負(fù)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(gòu)的負(fù)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(xué) 疊愛疊 當(dāng)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(dāng)直線行駛時,左右缸 油壓相同

21、,沒有助力:轉(zhuǎn)向盤向左轉(zhuǎn)時,相應(yīng)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(guān)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(yīng)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。

22、 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

23、用方法介紹 本文進川々光。 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(biāo)準(zhǔn)的竹點,是總線產(chǎn)品開發(fā)、總線設(shè)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(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于構(gòu)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(lǐng)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(shè)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

24、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(yīng)用程序,方便地開發(fā)出系統(tǒng) 應(yīng)用軟件產(chǎn)品。 .總線適配器的性能與技術(shù)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀; 支持烈向傳輸,發(fā)送、接收 支持?jǐn)?shù)據(jù)幀.遠(yuǎn)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

25、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 ∞ Ⅲ ■∞∞?∞∞“∞∞∞ 圳四“%Ⅱ 刪女■?∞∞∞。∞口四%¨∞∞∞∞?！? ¨??∞∞∞。 ¨洲?々∞∞∞∞∞ &躺十∞∞∞∞∞∞∞ 洲?∞∞∞∞∞∞ ¨四■???！?/p>

26、 ?洲■?”∞∞∞∞∞ 喇■十∞?∞∞∞∞ 八??∞ ?四■“∞∞∞∞ ¨四∞“ ?∞∞∞自∞“”∞∞∞ ?四∞∞∞∞∞ ?四??∞∞ 晰九∞●¨∞?∞ 四四∞口●∞ 刪?● 九四¨?¨∞∞ Ⅲ■??∞?∞ . 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(shè)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

27、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(dá)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

28、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(guān)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(shè)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)

29、 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(shù)平均值運算,并將其結(jié)果作為本次澳量的結(jié)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(jié)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(jié)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

30、轉(zhuǎn)速為、、 、、/對應(yīng)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(yīng)系 統(tǒng)與車速關(guān)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、Ⅳ . 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 /

31、。隨著車速的提高,助力電機轉(zhuǎn)速逐漸下降,當(dāng)車速達(dá)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(dāng) 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(yīng)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(dǎo)致轉(zhuǎn)向手感和安全性降低,即路感差。這時在轉(zhuǎn)向

32、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(yīng)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(dá)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(dá)到。/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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

33、時達(dá)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(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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

34、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(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dá)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(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dá)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

35、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(dá)到/, /。車速為/時的 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dá)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(dá)到/, /。 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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)

36、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(dá) 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(dá)到/,并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dá)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

37、高,助力電機轉(zhuǎn)速也迅速升高,在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速達(dá)到。/, 并維持這一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)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(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速為/,并保持這 一轉(zhuǎn)速時,助力電機轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值,為/左右。 在車速為/./時,曲線斜率先

38、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(dāng)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(guān)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(dāng)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

39、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(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速大于。/時,助力基本上達(dá)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(fù)變化的情況下仍 能感到手感平順。 .保舵維持時間

40、 在實際駕駛過程中,當(dāng)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(dāng)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(guān),也與無刷直流電機本身的旋轉(zhuǎn)慣性有關(guān)。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(yīng)出助力電機轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的滯后效應(yīng),具有比較重要

41、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(yīng)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(jié) 本章詳細(xì)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

42、盤轉(zhuǎn)速、 助力電機轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)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(yīng)用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中, 早期的系統(tǒng)

43、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(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)而言,可認(rèn)為是一臺由電子開關(guān)線路、永磁

44、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(yīng)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(jié)構(gòu)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

45、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(guān)共同構(gòu)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(jié)構(gòu) 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

46、,其中、、號線圈,、、號線圈,、、號線圈,、 、號線圈分別構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。 / 。 叼口 心. 婦: 二彳 過 , , /、 奪 圖.電機定子結(jié)構(gòu) . . .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

47、,當(dāng)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(yīng)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(guān)系就稱為磁耦合【。 圖.為該直流無刷電機的驅(qū)動原理圖。當(dāng)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(dāng)前導(dǎo)通相, 并通過輸出斬波信號控制某一功率管。當(dāng)某一相繞組導(dǎo)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

48、能否根據(jù)輸入信號準(zhǔn)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(yīng)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(dá)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(dǎo)通?；魻栁恢眯盘柵c換相時刻的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 四?Ⅳ∞ 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(dǎo)通順序 霍爾位置狀態(tài) , , , ,

49、 ..調(diào)速控制原理 理想的無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下【】【】【】: ’ 式. 言萬Ⅳ,曰肛國 式.
專萬Ⅳ召慪炒 式中: Ⅳ。~通電導(dǎo)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(yīng)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

50、,同時給出位置信息。 由于電動機每次只導(dǎo)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(guān)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(fù)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(jié)構(gòu)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

51、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(dāng)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(yīng)/轉(zhuǎn)換后的最大 位數(shù)字量,對應(yīng)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(shè)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(yīng)該是周期

52、 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

53、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(fù)載擾動 由于負(fù)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(fù)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

54、良好的跟隨性能【。 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)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(fù)載電流擾動都作用在被負(fù) 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(fù) 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(yuǎn),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,

55、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(shè)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(dāng)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(yīng)。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(dá)到 /并且經(jīng)過測算此時電機的反電動勢已經(jīng)達(dá)到,這說明采用四相半控 方式進行調(diào)速時,當(dāng)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(dá)到/才能提供合 適的助力。因此,

56、采用四相半控的控制策略不能達(dá)到預(yù)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(jié) 本章詳細(xì)的分析了外轉(zhuǎn)子四相無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)計尤為重要。控制器的性能直接決 定了整個系統(tǒng)的工作性能?？刂破鞑粌H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(shè)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

57、,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(shè)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

58、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(shè)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(shè)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

59、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(wù)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(jié)構(gòu)配置的限制,部分電 路還需要外部搭建,這將嚴(yán)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(yīng)用而設(shè)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(shè)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(shè)計的一種廉價替代品。每秒萬條指令 的處理速度,

60、使 控制器可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù),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(shè)模塊 具有兩個專為電機控制而設(shè)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(shè)備接口模塊; ●●●●◆●●● 高達(dá)個可單獨編程或復(fù)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

61、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(wù)為單位,在一個任務(wù)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(shè)置,轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在個結(jié)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(jié)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(yīng)的捕捉輸入引腳。當(dāng)捕捉輸入引腳上檢測到一個設(shè)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