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【用　途】&&&& 半桥式驱动芯片
【性能 参数】
& 采用8脚封装。驱动级工作电压600V，栅极驱动电压10-20V，前级最高工作电压25V。
& 引脚排列图：
【互换 兼容】
工作电压/V
【用　途】&&&& 半桥式驱动芯片
【性能 参数】
& 采用8脚封装。驱动级工作电压600V，栅极驱动电压10-20V，前级最高工作电压25V。
& 引脚排列图：
【互换 兼容】
工作电压/V
在路电阻/K&O
内部电阻/K&O
对地电压(V)
供电电压送入端
激励脉冲输入端
SD信号输入
公共接地端
反馈输入端
自举电压输入
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设计应用分类
　　日，深圳市鼎阳科技有限公司在深举办了“201汽车电动助力转向系统电控单元的研究类别：汽车电子阅读：2098--&摘要： 设计了一款采用 PIC16F877 单片机为电子控制单元核心的汽车电动助力转向系统,全文详细介绍了 该系统的工作原理和硬件组成,重点对各传感器信号的采集处理电路、电动机的驱动电路、离合器和继电器 的控制电路、电机电流的采样电路等进行了研究设
计。实验表明,该系统具有输出扭矩平稳、转向控制灵敏、 抗干扰性强、稳定性高等优点。 关键词：单片机；电子控制单元；电动机；传感器 1 引言 随着电子控制技术的发展及其在汽车领域的广泛应用, 电动助力转向系统（Electric Power S teering, 简称 EPS)越来越成为目前汽车电子技术研究的热点之一。与传统的转向系统相比，EPS 系统结构 简单，灵活性大，可以获得理想的操纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全 性、环保、节能、易于维修等方面也充分显示了其优越性[1]。目前, 电动助力转向已部分取代液压助力转 向并获得广泛应用，如日本的大发、三菱、本田汽车公司，美国的 Delphi 汽车系统公司，德国的 ZF 公司 等都相继研制出各自的 EPS 并装配使用。国内对 EPS 系统的研究起步较晚，仅有清华、华中科大、吉林 大学、合肥工大等高校开展了系统结构的方案设计、系统建模和动力学分析等研究，但处在理论探索、实 验研究阶段。国内部分汽车厂商如重庆长安、南昌昌河、东风、一汽等与高校联合研究，也都处在研制的 初级阶段，未达到实用程度[2]。 2 EPS 系统的硬件组成及工作原理 2.1 EPS 的硬件组成 EPS 是一种直接依靠电力提供辅助扭矩的动力转向系统，结构如图 2-1 所示，它由电子控制单元(EC U)控制电机提供助力，系统主要由电子控制单元、扭矩传感器、转角传感器、车速传感器(可与其他系统共 用)、直流电机、离合器、电磁继电器、减速机构和转向机构等组成。图 2-1 EPS 系统结构图2.2 EPS 的工作原理 当汽车点火开关闭合时，ECU 上电开始对 EPS 系统进行自检，自检通过后，闭 合继电器和离合器，EPS 系统便开始工作，当方向盘转动时，位于转向轴上的转角传感器和扭矩传感器把测得方向盘上的角位移和作用于其上的力矩传递给 ECU，ECU 根据这两个信号并结合车速等信息，控制电 机产生相应的助力，实现在全速范围内最佳控制：在低速行驶时，减轻转向力，保证汽车转向灵活、轻便， 在高速行驶时，适当增加阻尼控制，保证转向盘操作稳重、可靠。 3 基于 PIC 单片机的 ECU 系统设计图 3-1 ECU 系统结构原理图 3.1 ECU 工作原理 系统的控制核心为 PIC16F877 单片机，控制单元结构如图 3-1 所示。整个系统由 车载 12V 蓄电池供电，ECU 工作时，扭矩、转角、车速、温度等传感器把采集到的信号经过输入接口电路 处理后送至单片机的相应端口, 单片机根据系统助力特性和相应算法对这些数据分析处理,以确定助力电流 的大小和方向，并通过单片机的 PWM 口发出脉冲指令和相应的换向控制端口发出换向指令，通过驱动电 路和 H 桥电路控制直流电动机工作。在电动机的驱动电路上设有电流传感器，该传感器把检测到的电机实 际工作电流通过电流探测电路反馈到单片机，单片机再根据相应的控制算法对电机实现闭环控制。如 EPS 系统工作出现异常,单片机将驱动 EPS 灯亮进行报警提示，同时断开继电器、离合器，退出电动助力工作模 式， 转为人工手动助力模式[3]。 3.2 PIC16F877 单片机简介 该款机型是美国 Microchip 公司生产的 8 位 R ISC 结构的单片机，具有高速数据处理的特性(执行速度可达 120ns)，PIC16F877 内部自带看门狗定时器、 具有 256Bytes 的 EEPROM、8k 空间的 FLASH 存储器、8 路 10 位 AD 转换功能、2 个脉宽调制 CCP 模块、 在线烧录调试（ISP）功能，宽电压工作，可靠性高。PIC16F877 有 8 级深度的硬件堆栈，RAM 区的每个 B yte 位都可以寻址，有 4 条专用的位操作指令和 2 条移位指令。 3.3 直流电动机的选择 无刷直流电机在控 制特性、效率、转矩脉冲、制造成本等方面，具有明显的优势。本项目采用永磁式无刷直流电机做为驱动 源。 3.4 扭矩、转角传感器的选择 本文采用意大利 BI 公司的扭矩、位置复合传感器，该传感器除了提供 扭矩、 扭矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回正和阻尼逻辑的开发提供了便利。 3.5 电动机驱动控制电路的 设计 电动机驱动控制电路必须能够高精度、快速地调整电动机的转速和输出转矩，从而满足 EPS 系统实 时性和可靠性的要求。本项目中后向通道的核心控制采用脉宽调制（PWM）控制 H 桥电路。直流电机 PW M 控制方式有多种，根据电机工作的实际需要和系统的整体要求，本项目采用受限单极可逆 PWM 控制模式，主要优点在于可以避免开关管同臂导通，运行可靠性高、不需附加延时电路、开关频率相对较高，特 别适用于大功率、大转动惯量、可靠性要求较高的直流电机控制的场合。 3.5.1 电机驱动电路 电动机的驱动电路主要包括 FET 桥式电路、FET 基极驱动电路、电机驱动线路 上的电流传感器和继电器构成。 FET 桥式电路主要由四个大功率 MOSFET 功率管组成，要求功率管具有 良好的开关特性、能承受较大的驱动电流、且具有较长的使用寿命，根据电机的功率参数及功率管的极限 参数和电特性，我们采用四个相同的 N 沟道 IRFP250 功率管来构成 H 桥电路。 FET 基极驱动电路选用 M OSFET 专用栅极集成电路 IR2109 作为核心模块，该芯片是一种单通道、栅极驱动、高压高速功率器件， 采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，上管采用外部自举电容上电， 使驱动电源数目大大减少，控制了电路板的体积，降低了成本，提高了系统可靠性[4]。驱动电路如图 3-2 所示，两个 IR2109 的 IN 端为驱动 H 桥同臂上下两个功率管的信号脉冲输入端，分别通过具有高速性能的 6N137 光电耦合器接至 PIC16F877 单片机的两个 PWM 脉冲输出端口；两个 SD 端分别与单片机的一个 I/ O 口相连，控制电机停车操作；每个芯片的 HO 和 LO 端分别与同桥臂的功率管相连，控制电机转速；VB 端通过自举二极管 UF1005 与+12V 电源相连，为了阻断特殊电路中所承受的全部电压，此处选用具有超快 恢复特性的二极管 UF1005。图 3-2 电机驱动电路 3.5.2 电机电流采样电路 系统进行电流采样有两方面用途，一是为电动机提供保护；二是通过电流传感器反馈电枢电流的信 号，以便对电枢电流进行闭环控制。标准电阻是一种常用的电流传感器，由于其简单可靠、阻值稳定、精 度高、频响好、输出电压直接比例于所流过的电流，在 PWM 系统中应用相当广泛。标准电阻一般采用锰 铜或硅锰铜制成。在采样电路中，选用 AD626 把采样信号放大 10 的 n 倍送至单片机相应端口，具体电路 如图 3-3。图 3-3 电机电流采样电路 3.6 继电器控制电路 如下图 3-4 所示，CPU 控制信号经 CPU 端口 PSP0 输出后，开关管 Q1 导通并驱动功率三极管 Q12， 使继电器通电并闭合节点，继电器节点闭合后可给电机、离合器供电。CPU 输出的高低电平信号分别控制 继电器的合开操作。图 34 继电器控制电路设计 4 结论 本文在对 EPS 系统的原理和助力控制过程的分析基础上，对 EPS 控制系统的硬件电路进行 了研究设计，提出了采用受限单极性可逆 PWM 控制模式控制直流电机；探索了在汽车电动助力转向系统 中,低压、低速、大电流永磁式无刷直流电机的控制方法。采用精密电阻进行电机电流采样的方法，实现了 对直流电机输出扭矩的闭环控制。在完成了硬件电路设计和软件编程后，按照预定的助力特性曲线，对 EPS 系统进行了台架试验，试验结果表明：电子控制单元信号采集的实时性较高，对电机闭环控制的跟随性 较好，整个系统具有良好的电动助力特性，硬件部分的抗干扰能力和可靠性都很高。 创新点 1、采用 PIC16F877 单片机为电子控制单元核心。 2、采用受限单极可逆 PWM 控制模式控制直流电机。 参考文献 [1] Nakayama T，Suda F．The present and future of electric power steering[J]．Int J．of Vehiche Design, 3―254． [2]于建成.电动助力转向系统的研究与开发[D].大连理工大学：车辆工程，：2-5。 [3]艾宝莹.混合建模式电动助力转向系统主动控制[J].微计算机信息, 1-312。 [4]赵庆松.基于 ARM 的直流电机调速系统的设计与实现[J].微计算机信息，3-175。电动助力转向系统(EPS)电机驱动电路 电机驱动电路 电动助力转向系统 的设计上网时间： 中心论题： 中心论题：? ? ?简介 EPS 系统基本结构及工作原理 EPS 控制系统具体电机控制电路的设计 电机驱动电路台架试验表明电动机的助力转矩对方向盘转矩有良好的跟踪性能解决方案： 解决方案：? ? ?系列单片机作为高性能的微控制器 单片机作为高性 利用 MC9S12 系列单片机作为高性能的微控制器 采用脉宽调制（ 采用脉宽调制（PWM）控制 H 桥电路实施对直流电动机的控制 ） 电源倍压电路中采用 NE555 定时器满足电源需求一、EPS 系统基本结构及工作原理 电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动机直接提 供转向助力，具有调整简单、装置灵活以及无论在何种工况下都能提供转向助力的特点。EPS 最为突出的 是该系统可在不更换系统硬件的情况下，通过改变控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性， 使汽车能在不同车速下获得不同的助力特性，以满足不同工况下驾驶员对路感的要求。电动助力转向系统（EPS）主要包括传感器、控制器和执行器三大部件。传感器将采集到的信号经过相应 处理后输人到控制器，控制器运行内部控制算法，向执行器发出指令，控制执行器的动作，系统结构如图 1 所示。其工作原理为：在操纵方向盘时，转矩传感器根据输人转向力矩的大小，产生出相应的电压信号， 由此电动式动力系统就可以检测出操纵力的大小，同时，根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速， 再控制电动机的电流，形成适当的转向助力。二、EPS 控制系统硬件电路设计 微控制器的选择 MOTOROLA 公司的 MC9S12 系列单片机是基于 16 位 HCS12 CPU 及 0.5?m 制造工艺的高速、高性能 5.0V FLASH 微控制器，是根据当前汽车的要求设计出来的一个系列。它使用了锁相环技术或内部倍频技 术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多， 因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。设计方案采用 MC9S12DP256 单片机， 其主频高达 25 MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括 2 个异步串行通信口 SCI，3 个同步串行通信 口 SPI，8 通道输人捕捉/输出比较定时器、2 个 10 位 8 通道 A/D 转换模块、1 个 8 通道脉宽调制模块、49 个独立数字 I/0 口（其中 20 个具有外部中断及唤醒功能）、兼容 CAN2.OA/B 协议的 5 个 CAN 模块以及 一个内部 IC 总线模块；片内拥有 256 KB 的 Flash EEPROM，12KB 的 RAM 及 4KB 的 EEPROM，资源 十分丰富。 硬件电路总体框架 电动助力转向系统的硬件电路主要包括以下模块：MC9S12DP256 微控制器、电源电路、信号处理电路、 直流电机功率驱动模块、故障诊断模块与显示模块、车速传感器、扭矩传感器、发动机点火信号、电流及 电流传感器等接人处理电路，另外还有电磁离合器等，EPS 系统的硬件逻辑框架如图 2 所示。电机控制电路设计 电机控制电路设计 直流电动机是 EPS 系统的执行元件，电机的控制电路在系统设计中有着特殊的地位。在本系统中采用脉宽 调制（PWM）控制 H 桥电路实施对直流电动机的控制，由 4 个功率 MOSFET 组成，如图 3 所示。采用 PWM 伺服控制方式，MOSFET 功率管的驱动电路简单，工作频率高，可工作在上百千赫的开关状态下。 系统采用 4 个 International Reetifier 公司生产的 IRF3205 型 MOSFET 功率管组成 H 桥路的 4 个臂。 IRF3205 具有 8 m 导通电阻、功耗小、耐压达 55V、最大直流电流 110A、满足 EPS 系统对 MOSFET 功率管低压（正常工作不超过 15V）大电流（额定电流 30 A）的要求。1．H 桥上侧桥臂 MOSFET 功率管驱动电路设计 上侧桥臂的 MOSFET 功率管驱动电路如图 4 所示，其中 Qa/Qb 为上侧桥臂的功率 MOSFET a 管或 b 管， vdble 为倍压电源电路提供的电源电压。当 MOSFET 的控制信号 a（b）为高电平时，Q1 和 Q2 导通，电 源通过 Q2，D1 以及 R5 与 C1 的并联电路向 Qa 充电，直至 Qa 完全导通，Q3 截止。当 Qa 导通时，忽 略 Qa 的漏极和源极之间的电压降，则 Qa 的源极电压等于蓄电池电源电压。此时，Qa 的栅―源极电压降 VGS=（ Vdble-VCE-VF-Vbat），其中 VCE 为 2N2907 的集一射极饱和导通电压，其典型值为 0.4V，VF 为 D1 的正向导通压降，其典型值为 0.34V，Vbat 为蓄电池电压。为保证器件可靠导通，降低器件的直流 导通损耗， VGS 不低于 l0V。 因此需设计高效的倍压电源电路， 以保证 Vdble 的值足够大， 满足功率 MOSFET 的驱动要求。如果蓄电池电压为 12V 时，Vdble≥12V＋0.34V＋0.4V＋10V=22.74V。 当 MOSFET 的控制信号 a（b）管为低电平时，Q1 和 Q2 均截止，Q3 导通，Qa 的栅―源极电压通过 R5 与 C1 的并联电路及 Q3 迅速释放，直至 Qa 关断。Qa 关断时，连接其栅-源之间的电阻 R6 使其栅-源电压 为零。IRF3205 的导通门限电压为 2～4V，OV 的栅―源极电压能够使其关断。 2．下侧桥臂的功率 MOSFET 管驱动电路下侧桥臂的功率 MOSFET 驱动电路如图 5 所示，其中 Qc/Qd 为下侧桥臂的功率 MOSFET 的 c 管或 d 管。 当 MOSFET 的控制信号 c（d）为高电平时，Q1 导通，Q2 截止，Q1 的栅极电压通过 R3 与 C1 组成的并 联电路、D１及 Q1 迅速释放，Qc/Qd 关断。 当 MOSFET 的控制信号 c（d）低电平时， Q1 截止，Q2 导通，电源通过 Q2 以及 R3 与 C，组成的并联 电路对 Qc 的栅极充电，直至 Qc 完全导通。当 Qc 导通时，其栅―源极电压等于电源电压减去 Q2 的集― 射极饱和导通电压，而电源电压又等于蓄电池电压减去 1N5819 二极管的正向导通电压。所以，Qc 的栅― 源极电压 VGS= （Vbat-VCE-VF） 当蓄电池电压为 12V， ， 取各参数为典型值得 Qc 的栅-源极电压为 11.26V， 满足 IRF3205 的栅极驱动（10V）所需的电压。蓄电池倍压工作电源 由于上侧桥臂的 MOSFET 功率管的栅-源电压必需大于 22.74V，而蓄电池电压只有 12V。因此需要设计蓄 电池倍压电源， 产生二倍于蓄电池电压的电源电压， 提供给 H 桥 a、 功率管的驱动电路， b 保证高侧 MOSFET 功率管能够完全导通。电源倍压电路如图 6 所示，NE555 定时器工作于多谐振荡器模式，于引脚 3 产生幅值等于 NE555 的供电 电压，频率为 1/0.7（R2+2R1）C1 的矩形波。C3、C4，Dl 和 D2 构成电荷泵电路。当 NE555 引脚 3 输 出高电平时，由于电容电压不能突变，C3 正极电压为 24V 或接近 24V，并通过 D2 向 C4 充电，使 C4 电 压为 24V 或接近 24V。由于受电路的工作效率、二极管 D1 和 D2 上的正向电压降以及负载能力的限制， 使得系统输出电压低于供电电压的 2 倍，即供电电压为 12V 时，输出电压低于 24V，当供电电源为 12V 时，倍压电源电压约为 22.9V，大于 Vdb1（22.74V），可以满足需要。 三、电机驱动电路台架试验 根据电动转向控制系统对稳定性和跟踪性的需要，采用最优 H 二控制器编制电动转向系统控制程序，并在 汽车电动转向试验台上进行台架模拟试验，车速信号用模拟车速传感器发出的脉冲信号代替网。图 7 为中 等车速转向助力时，测量的方向盘转矩（T）和助力电动机电流（I）变化曲线。从图 7 中可以看出，在转 向过程中，助力电动机电流随着方向盘转矩的变化而变化，电动机电流的变化趋势和方向盘转矩的变化趋 势相吻合，表明电动机的助力转矩对方向盘转矩有良好的跟踪性能。转向操作时，无助力滞后感，转向平 稳，表明转向系统具有良好的跟踪性能和操纵稳定性。四、结论与展望 MC9S12 系列 16 位单片机片内资源丰富，对于一般的简单应用，只需一片单片机加少量围电路即可。开 发的直流电机电路经初步试验，性能良好，可基本满足电动助力系统转向系统的需要。文中只介绍电动助 力转向系统硬件电路设计的基本框架，为获取良好的控制效果，电动助力转向系统将不仅仅局限于依据车 速和扭矩这 2 个基本的信号进行电动助力转向系统的研制，转向角、转向速度、横向加速度及前轴重力等 多种信号在未来的电动助力转向系统中可能都是要考虑的因素。1 引言 ADAMS 机械系统自动化动力学分析软件，是由美国机械动力公司开发的最优秀的机械 系统动态仿真软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中名列前茅。 它为用户提供了强大的建模、仿真环境，具有十分强大的运动学和动力学分析功能，其应用 覆盖汽车、工程机械、铁道、船舶、航空航天等行业[1]。ADAMS 可以像建立物理样机一样 建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件，用约束将它们连接，而后通过装配成为 系统，再利用外力或运动将他们驱动，形成仿真模型在机械及车辆系统设计研究过程中，除 了对样机进行建模、仿真分析和数据处理外，还要对样机的各种特性进行深入分析。转向系 统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。运用 ADAMS 软 件强大的动力学仿真优势， 导入转向系统 PRO/ENGINEER 三维模型， 在模型上施加力/力矩 和运动激励， 最后执行不同工况的运动仿真模拟， 所得的结果近似转向系统工作的实际情况。 动力学仿真软件 ADAMS 和 Pro/E 对复杂机械系统进行动力学仿真， 解决了 ADAMS 在建模 方面不利的缺点，是一种较实用的仿真方案。 2 EPS 系统工作原理EPS 系统是继液压助力转向（Hydraulic Power Steering，简称 HPS）系统后产生的一种新 型动力转向系统。HPS 系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子 技术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的 污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求[2]。EPS 系统将最新的电力 电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统， 能显著改善汽车动态性能和静态性 能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，EPS 系统一经提出， 就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中 EPS 将成为转向系 统主流。EPS 系统纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量 大大减少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题，是转 向系统的一次革命[3]。EPS 系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，由机械式转向装置、 驱动电机、 减速器、 扭矩、 扭矩传感器及控制单元等组成， EPS 系统结构与原理如图 1 所示。 EPS 系统根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相 应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的反馈伺服系统。 其基本的工作原理如下： 该系统工作时， 转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置 两个信号， 与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元， 该控制单元通过 数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值， 然后发出相应的指令给控制器， 从而驱动电 机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使 传动机构获得所需的任意助力值。图 1 EPS 系统工作原理图 3 汽车 EPS 系统减速机构设计减速比是减速机构最重要的参数，它对 EPS 系统以及整车的性能都有很大的影响。选择 这个参数要同时考虑电动机的性能指标以及转向系统的特殊工况。转向系统的工作特点是： 转向盘速度范围很大,可以从保舵到每秒数圈[4]。作为助力转向系统,应该在这个转向速度范 围内都能够提供助力,其最低要求就是至少不能阻碍转向动作。图 2 EPS 系统减速传动机构图 如图 2 所示的减速传动机构中，设齿轮 3、5 齿数为 z3、z5，齿轮 3 的转速为 n3，齿轮 5 的转速为 n5，行星架 H 的转速为 nH，由轮系的传动比有整理得由此可知，该方案中行星架 H 的转速即前轮等效到转向轴转速，其值为手动转向速度和 电动机转速的合成，该方案具有两个自由度，当手动转向速度 n3 确定，而电动机转速改变 时，合成得到的转臂输出转速 nH 也随之改变，因此可通过独立地调整电动机的转速来获得 不同的转臂 H 输出转速 nH，故此方案下转向灵敏性可调[5]。 4 动力学仿真分析方法研究 1) 建立 EPS 系统三维实体模型 零部件或者系统的建模过程中需要注意其单位和密度的设定，由于其要与 ADAMS 相结 合，可以选择“ ”，Pro/E 提供的工具可以计算各零部件的质量和转动惯量[6]。由于在多数情况下，Pro/E 中图形和 ADAMS 环境单位不统一，装配体的单位也需要设定。ADAMS/View 为用户提供了非常丰富的基本几何体建模工具，但是应用它建立汽车 EPS 系统的三维模型 相对于 Pro/E 等专用建模软件来说还是极不方便。 EPS 系统中， 对于减速机构中所用的轮系， 则按照轮系配齿方法和轮系强度设计确定建模所需参数。所有参数确定完毕，利用 Pro/Engineer 建立模型如图 3 所示。图 3 汽车 EPS 系统三维实体模型 2) Mech/Pro 环境定义刚体、简单约束和参考坐标 Mech/Pro 是 MDI 公司为 ADAMS 开发的 Pro/E 专用程序接口， 可以进行比较简单的仿真 分析。由于转换到 ADAMS 环境后，图形的许多几何特征会丢失，所以应将某些约束在 Mech/Pro 环境下借助完整的几何特征添加，对于需要在 ADAMS 中添加约束的，也要考虑 能否在 Mech/Pro 环境下添加参考坐标。 3) 转换到 ADAMS 环境添加必要的约束和受力情况 利用 Mech/Pro 菜单下的 Interface→ADAMS/View 完成向 ADAMS 环境的转换， 其类型可 设为 render 或 SLA 格式。并应用其建模工具，施加特殊力、子过程等较复杂的模型特性。 4) 检验和修正仿真模型 在 ADAMS 环境下进行仿真，并将获得的仿真结果与样机的结果向比对，若不一致则修 改相应的参数定义。5 结束语 本文深入研究了 EPS 系统工作原理，建立了 EPS 系统三维模型，该模型采用了轮系构成 减速机构，然后探讨了将 Pro/E 图形转换到 ADAMS 环境中进行仿真分析的方法，应用该方 法能够避免直接在 ADAMS 软件中建立模型的诸多缺陷，更好地发挥了 ADAMS 软件在动 力学分析方面的优势，为 EPS 系统的设计及优化提供了良好的依据。 [参考文献 参考文献] 参考文献 [1] 郑凯，胡仁喜，陈鹿民编著. ADAMS 2005 机械设计高级应用实例. 北京：机械工业出版 社，2006 [2] Yuji Kozaki, Goro Hirose, Shozo Sekiya and Yasuhiko Miyaura. Electric Power Steering(EPS)[R]. Motion & Control,1999(6)：9～16 [3] 李书龙. 汽车电动助力转向系统的研究与开发：[硕士学位论文]. 江苏：东南大学 [4] 彭文生，李志明，黄华梁主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2002 [5] 杨芬，周春国等. 电动助力转向传动机构的建模与仿真分析. 机械科学与技术，2008.27 （6）：788～792 [6] 朱金波编著. 中文版 Pro/Engineer Wildfire 3.0 工业产品设计完全掌握. 北京：兵器工业 出版社，2007汽车电动助力转向系统 EPS 原理详解时间： 12:50:06 来源：中国汽车电子网 作者：1、综述 电动助力转向系统 EPS(electricpowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转 向系统,与传统的液压助力转向系统 HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS 系统具有很多优 点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提 供最佳助力， 减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰 动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自 动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存 在漏油问题,减小对环境的污染。 EPS 系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。图 1 EPS 结构图 如图 1 所示，EPS 主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制 单元(ECU)等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方 向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到 一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动 装置的作用而助力。因此扭矩传感器是 EPS 系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类 有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器 等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。 2、电位计式扭矩传感器 电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式 测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。 2.1EPS 中扭杆式扭矩传感器的结构、原理 扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要 作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是 一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑 块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上， 可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入 轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭 力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化 为电位计的杠杆旋转角度， 滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化， 电阻的 变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。 2.２扭杆式扭矩传感器的设计 扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆 的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径 D）与 转向输出轴连接，基本结构如图 2 所示。图 2 圆柱截面扭杆结构图 扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径d0=(1.15~1.25)d,长度 L=（0.5~0.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时， 半径 R=（3~5）d，扭杆的有效长度为 l，d 为扭杆有效长度的直径。 扭杆的扭转刚度 k 是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。 当其受到扭矩Ｔ的时候，其扭转的切应力 τ 和变形角 φ 分别为：其扭转刚度为： 其中 d-扭杆直径，有效长度，Ip 惯性矩，Zi 抗扭截面系数图3 如图 3 为某扭矩传感器扭杆的试验曲线，曲线的斜率即为扭转刚度 k。 扭杆式扭矩传感器在早期的 EPS 中应用比较多，但由于是接触式的，工作时产生的 摩擦使其易磨损，影响其精度，将会被逐步淘汰。 ３、金属电阻应变片的扭矩传感器 传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性 轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化， 应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从 而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换：传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件，在 45 度和 135 度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的主应力和剪应力相等， 其计算公式为：式中 τ―主应力，此时与 σ 相等 Ｗp-轴截面极矩 测量电桥可以采用半导体电阻应变片， 并将它们接成差动全桥,其输出电压正比于扭 转轴所受的扭矩。应变片的电阻 R1=R2=R3=R4＝R0,可以得到下面的式子：Ｅ－轴材料的弹性模量 u－电桥的供电电压 S－电阻应变片的灵敏度系数 放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只单运放电 路组合而成，放大倍数为 K，放大后的电压Ｖ为：为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。 在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是： (1)弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的 1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减 低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。 (2)采用 LM 型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度 (3)采用高精度的稳压电源。 ４、非接触式扭矩传感器图4 如图 4 所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来， 输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上 的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。 花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。信 号的高频部分由检测电路滤波， 仅有扭矩信号部分被放大。 非接触扭矩传感器由于采用的是 非接触的工作方式，因而寿命长、可靠性高，不易受到磨损、有更小的延时、受轴的偏转和 轴向偏移的影响更小，现在已经广泛用于轿车和轻型车中，是 EPS 传感器的主流产品。 5、其它扭矩传感器 如图 5 所示为相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图，这种 传感器具有高精度，高重复性的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对 着齿面再各装一个电磁传感器， 从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。 取 出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟 信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。图5 6、EPS 扭矩传感器的发展趋势 随着 EPS 系统的不断完善和发展，对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了 跟高的要求。EPS 扭矩传感器正呈现以下的发展趋势： （1）、测试系统向微型化!数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展; （２）、从单功能向多功能发展,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、 状态组合、信息存储和记忆; （3）、向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计 和优化来实现小型化，IC 部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的 IC 部件 上，减少外部部件的数量。 （4）、由静态测试向动态在线检测方向发展。
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