汽车eps系统控制器设计
汽车电动助力转向系统EPS硬件设计
汽车电动助力转向系统E P S硬件设计Modified by JEEP on December 26th, 2020.内容摘要电动助力转向( Electric Power Steering, 简称EPS) 作为一种新型转向系统, 因其具有节能、环保等优点而受到世界各大汽车公司和企业的青睐, 它将逐步取代传统的液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, 简称HPS) 。
本文以传统的转向柱助力式EPS 为研究对象, 建立EPS系统数学模型,给出了汽车电动助力系统的动力学方程。
根据电动助力转向系统的工作原理及控制器可靠设计的关键技术，设计了以P87C591 单片机为主控单元的EPS系统，系统采用闭环电流控制方案, 利用目标电流技术调节电机端电压达到控制电机电流力矩的目的。
EPS 控制器采用模块化设计，把信号处理电路和功率驱动电路进行分层设计,以增强系统的抗干扰能力和可靠性。
在进行PWM 驱动频率的选择时，考虑开关时电流脉峰对开关管及电动机安全的影响。
最后通过研究分析了EPS系统的经济性、系统硬件电路板空间与发热功耗及可靠性合理地选择散热片及其参数,提高了驱动效率和稳定运行能力。
实验表明, 该系统具有良好的电动助力特性, 满足电动助力转向要求,证明了这种系统在实际应用中的有效性。
关键词电动助力转向; 单片机; H桥驱动; PWM斩波; 控制系统Hardware Design of the Electric PowerAssisted Steering SystemInstructor：Helinlin Associate professorAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protection that the person has accepts the respectively big automobiles of world company and the enterprise favour , home and abroad developing trend is to use electric power-assistance to change to the hydraulic pressure power-assistance vergence substituting tradition step by step.The mathematic model the main body of a book is established systematically with dyadic EPS of the tradition vergence post power-assistance for the object of study,has given an automobile out electric systematic power-assistance dynamics equation , has combined classics control theory and the optimization algorithm, the parameter carries out validity in applying to reality having studied , testifying this system on systematic power-assistance.This paper presents an elect ricpower steering system controlled byP87C591 microp rocessor. The motor given torque is computed by expertcontrol system. The practical output torque is closed-loop controlled. The working principle and key technologies for reliable design of EPS controller were signal processing circuit and the power drive circuit were hierarchically designed to improve theanti jamming capability and reliability. The PWM frequency was selected considering the influence of switching currentpulse on the safety of the transistors and the motor should be taken into account . Besides paralleled for theeconomy , the heat dissipation and the srelevant parameters were selected to improve the drive efficiency and the stableoperation capability.The results of the experiment show thesystem designed has good steering characteristics and meets the request of electric power steering.Key wordsElectric Power Steering; Microprocessor; The bridge drives H ;PWM chopped wave; Control System目录第1章概述 (1)EPS系统简介 (1)转向系统的发展概况 (2)EPS系统的特点 (3)第2章 EPS系统模型 (7)EPS系统的结构及原理 (7)建立EPS动力学模型 (8)EPS的动力学方程 (8)直流电动机 (11)第3章基于高性能P87C591单片机控制方案制定 (12)单片机控制方案 (12)3.1.1 P87C591单片机芯片简介 (12)3.1.2 单片机控制系统 (14)EPS工作流程图 (16)助力电流控制系统 (17)3.3.1 控制策略 (17)3.3.2 电机目标助力电流算法 (17)3.3.3 助力电流闭环控制 (18)第4章 EPS控制系统设计 (21)EPS 控制器模块化设计 (21)电机控制电路设计 (22)4.2.1 H桥驱动芯片IR2110功能简介 (22)4.2.2 H 桥功率驱动电路 (24)4.2.3 电机保护电路 (25)PWM斩波 (26)4.3.1 PWM控制原理 (26)4.3.2PWM斩波电路 (27)4.3.3驱动频率的选择 (28)第5章汽车转向技术的发展趋势 (32)线性转向系统 (32)转向技术发展趋势 (32)结束语 (33)致谢 (34)参考文献 (35)汽车电动助力转向系统（EPS）硬件设计第1章概述EPS系统简介电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。
汽车电子与控制技术-5底盘电控系统(eps)
在实际EPS系统上应用设计的控制算法，并进行实验验证。通过实验数据的分析和处理，可以进一步 评估控制算法的实际效果和性能表现。同时，实验结果也可以为算法的改进和优化提供有价值的参考 信息。
05 EPS系统性能评价与优化 方向
性能评价指标体系建立
操控稳定性
EPS系统应能够提供稳定的操控 性能，包括转向灵敏度、回正 性能和路感传递等。
排除故障实践案例分享
01
02
03
案例一
一辆汽车出现转向沉重故 障，经过检查发现EPS电 机损坏，更换电机后故障 排除。
案例二
一辆汽车出现转向异响故 障，经过检查发现转向机 构磨损严重，更换转向机 构后故障排除。
案例三
一辆汽车出现转向失灵故 障，经过检查发现EPS控 制模块内部故障，更换控 制模块后故障排除。
07 总结与展望
本次项目成果回顾
实现了底盘电控系统的基本功能
01
在本次项目中，我们成功实现了底盘电控系统（EPS）的基本功
能，包括转向助力控制、稳定性控制、节能控制等。
优化了系统性能
02
通过对EPS系统的优化，提高了系统的响应速度、控制精度和稳
定性，进一步提升了车辆的操控性和安全性。
完成了实验验证
转向异响故障
可能原因有转向机构磨 损、电机轴承磨损、控 制模块内部故障等，导 致转向时产生异常噪音。
转向失灵故障
EPS系统完全失效，方 向盘变得非常沉重且无 法转动，可能原因包括 电机损坏、控制模块故 障、电源故障等。
故障诊断流程和方法介绍
故障诊断流程
首先进行初步检查，包括检查EPS系统电源、保险丝、连接器等是否正常；然后进行系 统自诊断，利用专用诊断仪读取故障代码和数据流；最后根据故障代码和数据流进行故
EPS控制器设计匹配及使用
EPS 控制器设计及使用要点
四、匹配：ECU匹配条件
• 能实时在线监测相关参数 • 能实时在线调整所需参数 • 双向调整，无需驻车
天津德科汽车部件有限公司 Tianjin Dico Auto Parts Co.LTD.
电脑
实时读取EPS系统参数 实时记录EPS系统参数 实时修改EPS系统参数 实时回传EPS系统参数
输入信号
ECU
发动机转速
转速模块处理电路
车速
车速模块处理电路
MCU
扭矩传感器
扭矩传感嚣电路
角度传感器
角度传感器电路
诊断口 CAN总线
诊断口模块电路 CAN总线模块电路
点火信号
点火信号模块电路
主电源
电源模块电路
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输出信号
振动试验
信号脉冲串绕试验
+8Kv、 -8Kv静电试验
汽车电火花模拟试验
EPS 控制器设计及使用要点
电磁兼容试验
四、匹配：EC Dico Auto Parts Co.LTD.
1. 了解整车相关参数，如前桥最大载荷、最大齿条力等 2. 提供性能完善的电动助力转向管柱总成 3. 了解发动机转速信号的特征 4. 了解车速信号的特征 5. 了解传感器相关参数 6. 了解电机的相关参数
测试
主控制器速度－决定控制系统的实时性
了解
硬件电路的集成度－决定系统的可靠度
了解、观察
高速阻尼控制的选择－决定系统高速行驶稳定性
测试
EPS 控制器设计及使用要点
二、设计：控制原理
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EPS电机控制器的设计
第1章绪论节能、环保、舒适、廉价是广大汽车消费者对汽车的基本要求，也是是现代汽车技术追求的主要目标，集中体现了现代汽车工业的发展方向。
汽车转向系统的性能在节能、环保及舒适方面具有非常重要的作用。
传统的助力转向系统己不能满足其发展的要求。
随着汽车技术的发展与电子技术的不断进步，电动助力转向系统已经成为汽车助力转向系统发展的一种趋势。
1.1本设计研究的意义随着汽车制造技术以及电子技术的不断发展，人们对汽车环保、节能、舒适、安全的要求越来越高，国外汽车的电动助力转向器正逐步取代传统液压助力转向器。
电动助力转向技术代表了目前汽车转向技术的发展方向，将来会在动力转向领域占据越来越重要的地位。
在国内，电动助力转向系统还处于初级阶段，拥有自主知识产权的生产厂家还很少，市场上的产品主要被国外的公司所垄断。
国外的许多厂家除了申请必要的国际专利外，还在中国境内申请了一些EPS专利。
因此目前开发和研制用于轿车和轻型汽车的具有自主知识产权的电动助力转向系统具有明显的经济和社会效益，它可为汽车零部件企业的发展提供新的经济增长点，也为我国汽车行业在加入WTO后参与国际汽车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术产品。
同时，电动助力转向系统对于汽车的环保、节能、安全等方面也具有积极的现实意义。
1.2本设计研究的目的电动转向器是一种新型的汽车转向系统，该系统能根据车辆的运动状况和驾驶员的要求实行多目标控制，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性和回正速度、较强的抗干扰能力和较快地响应转向输入，而且这些控制是在基本上不改变硬件的条件下通过软件即可实现。
从汽车诞生之日起，机械式转向系统就已经开始使用。
几十年来，机械式转向系统一直在使用着，但由于人们对转向轻便性和舒适性要求越来越高，机械式转向系统已经不能满足人们的需求，迫切需要一种能够帮助驾驶员辅助转向的一种装置，此时液压式助力转向系统诞生了。
1953年通用汽车公司第一个使用了液压助力转向系统，转向轻便性效果显著。
车辆工程毕业设计51汽车电动助力转向(EPS)系统的设计
目录一、绪论1.1 前言 (1)1.2 EPS的特点 (2)1.3 EPS系统在国内外的应用状况 (3)二、 EPS的基本构造和工作原理2.1 EPS系统结构及其工作原理 (4)2.2 EPS的关键部件 (5)2.2.1 扭矩传感器 (5)2.2.2 电动机 (6)2.2.3 电磁离合器 (6)2.2.4 减速机构 (7)2.3 EPS的电流控制 (7)2.4 助力控制 (8)2.5 回正控制 (9)2.6 阻尼控制 (9)三、EPS系统电机驱动电路的设计3.1 微控制器的选择 (10)3.2 硬件电路总体框架 (10)3.3 电机控制电路设计 (11)3.3.1 H桥上侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (12)3.3.2 H桥下侧桥MOSFET功率管驱动电路设计 (13)3.4蓄电池倍压电源 (14)3.5电机驱动电路台架试验 (15)3.6 结论与展望 (16)四、电动助力转向系统故障自诊断的研究4.1 故障自诊断的基本原理 (17)4.2 电动助力转向系统故障自诊断 (17)4.2.1 系统各组成部件的故障辨识 (17)4.2.2 转矩传感器故障自诊断 (18)4.2.3 电机故障自诊断 (20)4.2.4 车速和发动机转速信号故障自诊断 (21)4.2.5 电磁离合器故障自诊断 (22)4.2.6 控制单元电源线路故障自诊断 (22)4.2.7 控制单元故障自诊断 (23)4.3 故障代码显示控制及安全防范措施 (23)4.4 实例分析 (26)4.5 结束语 (27)致谢 (27)汽车电动助力转向(EPS)系统的设计绪论1.1前言转向系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、稳定性和行驶安全性。
汽车助力转向依次经历了机械式转向系统、液压式转向系统、电控液压式转向系统等阶段，国际上已有一些大的汽车公司在探讨开发的下一代线控电动转向系统。
在国外，各大汽车公司对汽车电动助力转向系统（Electric power steering-EPS,或称Elec-tric Assisted Steering-EAS）的研究有20多年的历史。
EPS转向电机控制系统的设计
PB ZO/P B ZO/P M NM/PM NM /PM NM/PS
注：格中分别对应Kp和Kd
NB/PS
N B/ PB
正大}。根据模糊控制器的设计规则[9- 11]，可以制定模
Fuzzy- PD控制器将目标电流In和反馈电流Im的偏 差e（e=|In- Im）| 和偏差变化率e（c ec=de/dt）输入模糊控 制器中，模糊控制器通过模糊算法得到比例系数kp和 微分系数kd，输入到PD调节器中，在PD调节器中通过 下式计算，即：
NS PM/ZO PM/NS P M/NM PS /NM ZO/NS NS/NS NS/ZO
ZO PM/ZO PM/NS P S/NS ZO/NS NS/NS NM/NS NM/ZO
P S PS/ZO PS/ZO ZO/ZO NS/ZO NS /ZO NM/ZO NM/ZO PM P S/PB ZO/NS NS/PS NM/PS NM/PS NM/PS NB/PB
通过对传统的电机驱动电路的分析，本文采用了 智 能 功 率 开 关 BTS555 和 BTS149 组 成 H 桥 电 路 。 BTS555智能功率开关的内部功能框图如图2所示。
图3 采用智能功率开关的H桥电路 Fig.3 H-bridge circuit with Smart Power Switches
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.48 No.552 Dec. 2011
［5- 6］
硬件结构比较复杂 。同时目前EPS助力控制系统中
广泛采用常规的PID控制器。它具有原理简单、使用方
便、稳定性和鲁棒性较好的特点。但常规P I D控制器
通状态，施加低电平处于截止状态，因此在低端控制 管利用PWM信号来控制电机的电流大小。当控制信 号加到M1上，PWM信号施加到 M3上时电动机正转； 当控制信号加到M2，PWM信号施加到M4上时电动机 反转。
汽车电动助力转向系统(EPS)硬件设计
1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统,此后该技术迅速发展,使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期,又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内,动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统,比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( VariableDisplacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向( Electric Hydraulic PowerSteering,简称EHPS)系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下,泵的流量会相应地减少,从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵,由于电机的转速可调,可以即时关闭,所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞,布置更方便,降低了转向操纵力,也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力,目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。
1纯机械式转向系统
机械式的转向系统,由于采用纯粹的机械解决方案,为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘,这样一来,占用驾驶室的空间很大,整个机构显得比较笨拙,驾驶员负担较重,特别是重型汽车由于转向阻力较大,单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向,这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉,目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。
汽车电动助力转向系统（EPS）硬件设计
050607337 张强 指导教师：何琳琳 副教授
第1章 概述
1.1EPS系统简介
汽车EPS系统控制器设计
汽车EPS系统控制器设计作者：张丽陶郑勇峰来源：《商情》2016年第19期摘要：首先在详细分析汽车稳定性控制原理的基础上，针对汽车转向时容易引起的过度转向或不足转向问题进行了研究。
以车辆运行状态的主要参数——质心侧偏角和横摆角速度作为主要控制变量，设计了控制策略，给出了能适应不同车速、不同路面与不同方向盘转角的有效的PID控制器。
关键词：ESP 控制策略 PID控制1引言近几十年，全球汽车工业得到了大规模的发展，汽车保有量也大幅度上升，道路交通压力日益加大，交通事故频繁发生，使得交通安全问题已经成为一个社会性的问题，这引起了人们对汽车安全性的高度重视，尤其是对主动安全性的重视。
汽车安全性主要根据在交通事故发生前后作用时间的不同，分为被动安全和主动安全。
其中，汽车主动安全是以预防为核心的安全系统，它通过事先预防，有效的保护驾驶员和道路环境中行人的安全。
这已成为本世纪汽车安全性研究的重点。
经研究发现，汽车操纵稳定性是影响汽车高速安全行驶的一项重要性能，以提高汽车主动安全性为目的的稳定性控制系统的研究已经成为汽车动力学研究的重点。
汽车动力学稳定性控制是对汽车动力学的各个方面进行控制的一种主动安全技术，应当包含汽车的纵向动力学、横向动力学以及垂向动力学的控制；是继防抱制动系统和牵引力控制系统之后，又一通过调节车轮纵向制动力大小及匹配来改善汽车稳定性和操纵性能的新型主动安全系统；也是一种使汽车在各种路面和各种工况下都能获得良好的操纵稳定性和方向性的新型主动安全控制技术。
随着高速公路的发展和汽车技术的进步，汽车的车速在不断提高。
现代轿车的设计最高时速一般都大于200km/h，汽车在高速公路上的行驶速度通常也都在100km/h以上。
另外，驾驶员的非职业化发展趋势，也要求汽车具有更好的可操控性和更高的安全性。
因此，汽车的安全性，特别是主动安全性日益受到人们的重视，也成为各大汽车公司技术开发的重点和热点。
2ESP的结构组成与工作原理ESP的组成包括：传统制动系统（真空助力器、管路和制动器）、传感器（4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器）、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元（ECU）和辅助系统（发动机管理系统）。
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汽车EPS系统控制器设计
汽车EPS系统控制器设计
选定MC9512DG128单片机为处理器的电子控制单元，对ECU选型及引脚资源分配、选择了电机驱动方式，设计开发了驱动电路、升压电路及电源电路、电机转速反馈电路和信号获取电路设计以及部分自检电路。
EPS 控制汽车
1引言转向系统是保证车辆行驶的主要车辆子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。
良好的操纵稳定性和驾驶感觉是转向系统追求的目标。
回正力矩在一定程度上保证了汽车操纵稳定性，但增加了驾驶员的转向阻力，尤其是大型车辆的低速转向时，驾驶员的工作强度较高，不利于驾驶舒适性。
为了改善这个矛盾，起初通过增大转向系中的减速比，但这样会使转向变得十分迟钝，满足不了转向灵敏度的要求，为了解决转向系“轻”与“灵”的矛盾，采用了动力转向系。
上个世纪50年代开始出现了助力转向系统，在此后的二、三十年中，转向系统经历了机械式、液压式、电控液压式等几个阶段。
由于传统的动力转向系统有结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制等缺点，汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以期获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性、较高的抗千扰能力和较快的响应性。
到了上世纪80年代，人们开始研究电动助力转向（Electric Power steering，简称EPS）系统。
在EPS 系统研究伊始，因为成本高，难以投入商业生产，在实验室阶段停留了许多年。
但是随着控制元件成本大幅度降低，以及人们对于环保问题关注程度的不断上升，使EPS系统这个集环保、节能、安全、舒适为一体的高科技产品的实际应用成为可能。
2电动助力转向的结构方案EPS系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元（ECU）、车速传感器和转矩传感器、助力电动机、减速机构、转向器和转向柱总成等。
总成的布置和助力电机的装配如所示图1所示。
电动助力转向系统是在机械系统中加装助力电机完成的，
机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
3系统整体方案设计电动助力转向系统要实现的主要功能是采集来自转矩传感器和车速传感器的号，经控制器运算、判断后，控制伺服电动机为驾驶人员的转向提供辅助力。
另外，考虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急方案。
综合考虑电动助力转向系统的功能要求和一些特殊要求，电动助力转向系统的件设计主要包括以下一些主要模块。
分别是：电动助力转向系统控制器选型与引脚定义、控制单元接口电路、电动机驱动及其保护电路、传感器信号处理电路、电源系统电路的设计等。
EPS系统整体工作流程如图2所示。
统硬件控制框图如上图2所示，系统供电为车载蓄电池直流电源，控制核心为ECU。
当汽车点火开关闭合时，ECU 上电后对EPS系统进行自检，自检通过后，EPS系统便开始工作。
驾驶员操纵方向盘转向，转矩传感器检测到方向盘的转矩和转动方向，车速传感器检测到车速信号，这些信号经过输入接口电路处理后送至ECU相应端口，单片机根据方向盘转矩、转动方向和车速等数据，并依据系统助力特性，确定助力电流的大小和方向，产生相应的PWM信号并通过驱动电路驱动直流电动机进行转向。
4系统PID算法的确定由于电机自身的电感很小，故将电感忽略，因此电机端电压Um，电枢电流Im ，反电动势Kb系数，转速之间关系可表示为：Um=R*Im+Kb*Nm （1）；对于直流永磁电机，电机转矩与电枢电流成正比，令Ka为常数，则式（1）变为：Um=Ka*Tm+Kb*Nm （2）。
由公式（2）可以看出，由于使用的是直流电机，电机本身对转矩Tm 和转速N的调节能力很强，即电机能够适应外界干扰，自身调整转速和输出转矩去适应外界的阻力矩的能力很强，故反馈控制算法不需要对输出转矩进行严格控制，控制的重点应当是使电机运转稳定，转速的增加或减小平稳，使电机不会出现因负载阻力矩突然增加或减少而造成的电机激转或停机。
电动机转速的稳定性控制可以将电机转速作为反馈信号构成反馈通道，进行闭环控制.与电流反馈方式相比，这种控制方式的侧重点不同。
这种反馈控制不用到电流传感器，反馈信号噪声小，不用复杂的消除杂波和噪声处理电路，控制精度高，抗干扰能力强。
5系统的软件设计“CODEWARIOR FOR S12”是面向以HC12或
S12CPU的单片机嵌入式应用开发软件包。
包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。
图4.1所示为Codewarrior 编辑界面。
本课题应用Codewarrior编写、编译、调试程序，最后通过Debug命令将生成机器码烧入MC9S12DG128B中。
在硬件搭建好以后，软件的设计直接关系到商用车EPS系统性能，因此在软件开发中，应当统筹全局，方法得当，考虑周到，设计的系统运行中稳定可靠，并且要有一定的实时性。
EPS系统最好采用模块设计方法使每个工作模块的功能清楚，结构清晰，便于检测和调试，各个模块之间通过全局变量和相互调用使软件形成一个完整系统，完成其预定的功能。
商用车EPS应完成的任务如下：低速转向轻便，高速转向稳定，轻车助力小，重车助力大；输入转向力矩很小的区域，基本不起助力作用，以防止转向过度灵敏；回正要到位，超调量要小，回正振荡幅度要小；助力大小和方向要可靠和准确，如发生故障，要停止助力；不能有顿挫感，各区段过渡要平滑，以免操纵力出现跳跃。
6结论本文在分析EPS工作原理的基础上，对系统的总体开发方案及控制方法进行了深入地研究。
分析汽车ESP系统工作原理，确定了控制系统参数，设计开发了以MC9S12DG128B单片机为核心的电子控制单元硬件电路。
采用了软件模块化的设计思想，确定PD参数，用PD控制算法保证电机转动平稳可靠。
参考文献：
[1]余志生.汽车理论
[M].机械工业出版社，2000.
[2]林渭勋.现代电力电子电路
[M].浙江大学出版社，2002.
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