汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计
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。
电动助力转向系统设计论述
提 供 辅 助 动 力 ，并 通 过 电 子 控 制 单 元 等 相 关 硬 件 电路 ，进 行 数 字 信 号 采 集 、脉 宽 调 制 输 出等 ，然 后 根 据 单 片机 相 关 指 令 对 电
动 机 进 行 实时 控 制 ，并 最 终 由机 械 传 动 装 置 实现 助 力 转 向 。 阐述 了电 动 助 力 转 向 系统 的 工 作 原 理 和 结 构 特 点 ，使 用 ＡＲＭ７
已 经 充 分 体 现 了 它 的 优 势 ，这 是 模 拟 系 统 无 法 达 到 的 。 目 在 检 测 到 汽 车 点 火 信 号 有 效 后 ，当转 向轴 转 动 时 ，扭 矩 传 感
前 ，以 ３２位 处 理 器 作 为 高 性 能 嵌 入 式 系 统 开 发 的 核 心 是 嵌 器 将 检 测 到 的 转 矩 和 转 角 信 号 输 出 至 电 子 控 制 单 元 ＥＣＵ，
稀 溶 液 补 充 。在 运 行 初 期 ，一 直 采 用 按 周 期 定 时 补 充 的 方 式 。 在 该 方 式 下 运 行 时 ，系 统 的 碱 液 浓 度 按 运 行 时 间 呈 下 降 趋 势 且 在 碱 液 浓 度 急 剧 下 降 时 ，判 断 为 汽 油 带 水 以 及 空
升 反 应 的 环 境 温 度 有 利 于 脱 硫 反 应 。 （３）催 化 剂 的 浓 度 要 每 日不 断 补 充 ，若 发 现 其 浓 度 急 剧 下 降 应 从 多 方 面 分 析 解 决 。 （４）空 气 的 注 入 量 过 高 会 对 烃 与 碱 液 接 触 产 生 影 响 还 可 能 对 罐 区造 成 爆 炸 危 险 ；过 低 会 影 响 碱 液 的 再 生 ，从 而 影 响 脱 硫 效 果 ，所 以 要 根 据 其 空 气 量 与 硫 醇 的 关 系 进 行 计 算 分 析 得 出 其 最 佳 操 作 范 围 。
电动助力转向系统
第1章绪论1.1电动助力转向系统概述随着科学技术的飞速发展，汽车各方面的性能都有了很大的发展，但同时人们对汽车的性能也有了更高的要求。
为了取得更好的汽车性能，充分利用机械和电子两方面的优势，提供机电一体化的解决方案，日益被业界人士推崇为有效的应对策略。
虽然汽车是机械技术的完美再现，但是由于机械技术在短期内不会再有很大的突破，而电子技术正越来越体现出其相对而言更优越的地方，所以研制机、电相结合的汽车相关部件正成为当前的主要趋势。
转向系统作为汽车的一个重要组成部分，也同样顺应这样的发展趋势。
就目前而言，应当说也已经找到了比较完美的解决方案。
汽车助力转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。
其作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的意图，适时地改变其行驶方向，能与行驶系统配合共同保持汽车持续稳定地行驶。
汽车方向盘助力系统经历了从机械助力到液压助力(hydraulic Power steering HPS)再到电子液压助力系统(electric hydraulic power steering EHPS)这三个阶段的演变。
经过多年的探索，电动助力转向（Electric Power Steering ，简称EPS）作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为动力转向系统研究与开发的的热点。
由于电动助力转向系统相对于液压动力转向系统有着诸多的优点，因此电动助力转向系统及其相关配套的部件的研究与开发正愈来愈备受各主要汽车生产企业的青睐。
电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。
该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。
另外，电动助力转向系统还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。
正是因为由于有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，部分取代了液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称HPS)。
基于RH850P1x的电动助力转向系统设计
图1 EPS系统框图
2 系统设计
EPS系统如图1所示，包含以下。
A、电源管理部分：提供EPS系统所需要的各种电压，并能实现自我诊断和保护，提供对MCU的外部看门狗监控、SPI通信等；
B、传感器部分：采集电机的位置和电流等信号，电池电压等；
C、通信部分：包括CAN、SENT、SPI等，获取方向盘扭矩、车速等信息；
D、MCU控制部分：根据扭矩信号和车辆的状态，控制EPS助力策略；的PWM输出信号；
D、ENCA编码器：ENCA
信号，获得电机的位置；
E、TPBA定时器模式缓冲器
器的激励信号。
关于电机位置/转速信号的获取
多种方式：如果使用旋变编码器来检测电机位置以使用TPBA产生旋变编码器的激励信号
样返回的Sin和Cos信号，
信息；如果使用增量式编码器时
图2 EPS电机控制框图
图3 EPS软件控制框图
ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD2019.2
严刚（1984-），男，嵌入式研发工程师，主要研究方向：智能家用电器基础技术研究及产品应用。
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2019.2。
【03】4-2-1电动助力转向系统的控制策略
电动汽车在不同车速下转向时，EPS的控制部件能够通过对助力电机 电流的控制，提供合适的转向助力，这样既减轻了驾驶员的操纵负
担，又能保持一定的路感，同时还可以兼顾车辆低速时的操纵轻便 性和高速时的操纵稳定性，也即是在转向轻便性和路感之间找到1个 合适的平衡点。EPS系统的控制策略和控制算法是EPS系统控制性能 的关键，根据汽车不同转向行驶的状态，助力转回正控制。在车辆原地转向和低速
行驶时，以助力控制为主；车辆中低速行驶时以助力和回正控制为 主；
在车辆高速行驶时，以阻尼控制为主，防止车辆转向过快导致侧滑 和翻车现象的发生。按不同的控制方式，中央处理单元ECU作为EPS 系统的核心部件，将所有的控制策略和算法以软件与数据的形式存 储在微处理器的存储器中。
新能源汽车电气技术(第2版)课件：新能源汽车电动助力转向系统
四、EPS系统的优缺点
1.EPS系统具有以下优点： 与其他转向系统相比，该系统突出的优点表现在： 1）更加节省能源和环保。因为EPS没有液压器件，所以可算得上是标准 的“按需供能型”系统，即在转向的情况下系统才工作，而汽车停止时或者 直线运行时完全不消耗任何能量，这样一来耗能就会相对较少。因此与液压 动力系统进行比较，可以节约能源80%到90%。而在不转向时，EPS燃油消耗 会降低2.5%；在使用转向系统时，则会减少5.5%。另外又因为在-40℃的低 温的状况下，EPS也可以较好地工作，而传统的液压系统只有液压油预热后 才可以工作，由于EPS没有起动时的预热过程，所以节省了许多能量。EPS也 不存在液态油的泄漏问题，从而也不会对环境造成严重的污染，符合了环保 的设计理念。 2）助力效果相对更好。EPS可根据汽车运行的不同工况，通过优化设计 助力特性曲线，获得准确的助力，助力效果十分理想。同时还可以通过控制 阻尼系数减小因为路面的干扰对转向系统产生的影响，保障车辆低速行驶时 的轻便性，提高汽车高速行驶时的稳定性，进而提高汽车的转向性能。
六、电动助力转向系统（EPS）工作原理
转向器选择齿轮齿条式，转向盘转矩通过扭矩传感器来测得。当没有转向动作时，助力 电机不工作；当驾驶员有转向操作时，扭矩传感器发出一个电压信号，电子控制单元（ECU） 根据电压信号值推算得到转向盘转矩的大小及方向，同时，车速传感器将检测到的当前车速 传递到电子控制单元（ECU），电子控制单元（ECU）先根据车速选择与之对应的助力特性曲 线，再根据转向盘转矩进行运算处理，得到目标助力转矩的大小以及方向，再经过一系列计 算确定助力电机的旋转方向和驱动电流的大小，助力电机根据得到的驱动电流提供相应的助 力转矩，减速增扭后作用到转向轴上，为转向系统提供与工况相适应的助力。
汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计
汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计摘要：电动助力转向系统是对传统机械转向系统的创新，操控性能好，操作轻便，转配迅速，消耗动能少，燃油经济。
分析比较了几种常见的电动助力系统结构的优缺点，给出了相应的电机选择原则，并进一步做出了相应的电机控制方案。
关键词：电机；助力；转向系统；功率Abstract: electric power steering system is on the traditional mechanical steering system innovation, control good performance, convenient operation, ZhuanPei rapidly, less kinetic energy consumption, fuel economy. Analysis and comparison of several common electric power system and the advantages and disadvantages of the structure, the corresponding motor selection principle, and further make the corresponding motor control scheme.Keywords: motor; Power; Steering system; power1．引言电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）是在传统的机械式转向系统的基础上，利用直流电机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号控制电机转矩的大小和转动方向。
与传统的液压转向系统相比，电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性；同时具有轻型小巧，转配迅速，易于调整，噪声及废油、废气污染小等优点。
汽车设计转向系设计说明书
课程______________ 汽车设计题目电动助力转向系设计说明书姓名 ___________________________________ 学号_______________________________班级____________________________指导教师 _______________________________ 日期2016年6月15日一、轿车转向系设计方案得选择.................................. -1 -1、轿车参数得确定............................................ -1 -2、对转向系得要求 (2)3、转向系结构设计............................................ -2 -1)转向操纵机构............................................ -2 -2)转向传动机构............................................ -3 -3)机械转向器.............................................. -3 -二、转向系统得主要性能参数.................................... -4 -1、转向系得效率 (4)11转向系得正效率........................................... -4 -2)............................................................................................. _转向系得逆效率-5 -2、转向系传动比得确定........................................ -5 -11转向系统传动比得组成..................................... -5 -2)_转向系统得力传动比与角传动比得关系....................... -5 -31传动系传动比得计算....................................... -6 -3、转向系传动副得啮合间隙 (7)11转向器得啮合特征......................................... -7 -2)_转向盘得自由行程 ........................................ - 8-4、齿轮齿条式转向器得设计与计算 (8)11转向轮侧偏角得计算....................................... -8 -2)_转向器参数得选取 ........................................ -9 -31选择齿轮齿条材料........................................ -10 -41轴承得选择.............................................. -10 -5、转向盘得转动得总圏数 (10)三、电动助力转向系统设计..................................... -10 -勺、转矩传感器................................................ -10 -2、减速机构.................................................... -10 -3、电饌离合器.................................................. -11 -4、电动机...................................................... -11 -iT车速传感器................................................. -11 -6、电子控制单元................................................ -11 -四、转向梯形机构得设计....................................... - 12 -1、转向梯形理论特性............................................ -12 -2、转向梯形得布置.............................................. -13 -3、转向梯形机构尺寸得初步确定.................................. -13 -4、梯形校核 (14)一. 轿车转向系设计方案得选择1.轿车参数得确定本次轿车转向系设计得整车相关参数如下:表1整车相关参数2.对转向系得要求1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转；2）操纵轻便，作用于转向盘上得转向力小于200N;3）转向系得角传动比在15^20之间，正效率在60%以上，逆效率在50%以上；4）转向灵敏；5）转向器与转向传动机构中应有间隙调整机构；6）转向系应有能使鸳驶员免遭或减轻伤害得防伤装置3.转向系结构设计1）转向操纵机构转向操纵机构包括转向盘，转向轴，转向管柱。
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汽车电动助力转向系统电机选择及控制系统设计
摘要：电动助力转向系统是对传统机械转向系统的创新，操控性能好，操作轻便，转配迅速，消耗动能少，燃油经济。
分析比较了几种常见的电动助力系统结构的优缺点，给出了相应的电机选择原则，并进一步做出了相应的电机控制方案。
关键词：电机；助力；转向系统；功率
Abstract: electric power steering system is on the traditional mechanical steering system innovation, control good performance, convenient operation, ZhuanPei rapidly, less kinetic energy consumption, fuel economy. Analysis and comparison of several common electric power system and the advantages and disadvantages of the structure, the corresponding motor selection principle, and further make the corresponding motor control scheme.
Keywords: motor; Power; Steering system; power
1．引言
电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）是在传统的机械式转向系统的基础上，利用直流电机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号控制电机转矩的大小和转动方向。
与传统的液压转向系统相比，电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，使汽车具有更好的燃油经济性；同时具有轻型小巧，转配迅速，易于调整，噪声及废油、废气污染小等优点。
本文参考已有的研究成果，在分析比较几种常见电动助力系统结构的优缺点基础上，给出了助力系统的电机选择原则，并设计了一种基于单片机的电机控制方案，这对于开展电动助力转向系统的研究具有一定的参考价值。
2 电机选择
2.1 电动机布置位置选择
根据电动机布置位置不同，EPS 可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式3 种。
这3 种方案各有特点，具体车型采用何种型式依据前轴的空间大
小、前轴的轴荷、电动机的特性等来确定。
转向轴助力式EPS 的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。
该方案的助力输入将经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩相对小; 电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低; 但是安装位置离驾驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动易直接传到转向盘上。
齿轮助力式EPS 的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。
该方案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩也相对小;电动机安装位置在地板下方，工作环境差，对密封要求较高;其力矩波动也易传到转向盘上。
由于离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小。
齿条助力式EPS 的电动机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。
该方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大; 电动机工作环境差，对密封要求高;安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小，且其力矩波动不易传到转向盘上。
2.2 电动机的力矩匹配
汽车在原地转向时转向阻力矩最大，该值主要取决于前轴荷的大小。
对于转向轴助力式EPS ，为了满足动力转向的力随动要求，Tmmax需满足下述条件：
（1）
式中，Tmmax为满足转向轻便性要求的电动机最大输出力矩; Tmax为最大转向阻力矩; gp 为转向系角传动比; gm 为电动机减速机构传动比。
gp越大转向越轻便，但灵敏度越差。
以往没有动力转向时，gp 的选择常常在转向轻便性与灵敏度之间进行折中，安装动力转向后，可以更多地兼顾灵敏度要求。
gm 的选择应充分考虑与电动机的匹配，gm 越大要求Tmmax越小，这样可减小电动机尺寸，降低电动机的制造成本，并且易于在车上布置。
但是gm 越大，要求电动机转速越高，电动机的力矩波动也易传到转向盘上，同时减速机构尺寸也越大。
2.3 电动机的转速匹配
要获得最大的工作效率，电动机应尽量工作在最大转速一半的状态，即
(2)
式中，为电动机的额定转速；为电动机的最大转速。
对于转向轴助力式电动助力转向系统，为满足一定转速范围内的转向轻便性要求，电动机的转速应满足
（3）
式中，为设定的转向盘最大转速。
电动机减速机构的减速比对电动机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能;减速比还影响减速机构的尺寸、布置空间和传动效率等。
2.4 电动机的功率匹配及验算
选择电动机额定功率一般分为计算电动机的负载功率、预选电动机、电动机的过热验算和过载验算三步。
由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。
匹配选择时，应综合考虑各种不同的负载情况，选择略大的电动机功率。
2.4.1 电动机负载功率的计算
电动机的负载功率要根据具体的电动助力转向机构的负载功率及效率来进行计算，是选择电动机额定功率的依据。
电动机的负载功率可采用下式来估算：
（4）
式中，λ为考虑电动机、减速器等的功率系数，一般λ的取值范围为1.2～ 2.5。
由式（4）可得
（5）
考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率应满足
(6)
式（6）条件下，可同时满足电动机短时工作制运行工况的条件为
(7)
式中，tg 为电动机的短时工作时间; T 为电动机的发热时间常数;α为电动
机额定运行时不变损耗与可变损耗的比值。
2.4.2过热验算
对电动机的功率进行估算后，首先进行过热验算。
由于电动机的工作负载是时刻变化的，过热验算可采用平均损耗法和等效电流法、等效转矩法、等效功率法等。
等效转矩法是在电动机的工作过程中，其转矩与电流成正比(励磁磁通Φ近似不变) 的情况下，电动机的等效转矩为。