汽车电动助力转向系统EPS硬件设计

EPS工作原理一、概述EPS（Electric Power Steering）是指电动助力转向系统，它是一种通过电动机辅助转向的技术。

EPS系统通过感知驾驶员的转向意图，控制电动机输出适当的转向力矩，从而实现转向的轻便和灵便。

本文将详细介绍EPS工作原理以及其组成部份。

二、EPS系统的组成部份1. 转向传感器：转向传感器用于感知驾驶员的转向意图，并将信号传输给控制单元。

常见的转向传感器有转角传感器和转矩传感器。

2. 控制单元：控制单元接收转向传感器的信号，并根据算法进行处理，从而确定电动机输出的转向力矩。

控制单元通常由微处理器和相关电路组成。

3. 电动机：电动机是EPS系统的核心部件，它负责产生转向力矩。

根据不同的设计，电动机可以采用直流机电或者交流机电。

4. 转向助力装置：转向助力装置通过转向助力泵或者电动助力泵提供液压助力。

它可以根据驾驶员的需求调整助力的大小，从而提供更好的驾驶体验。

5. 传动装置：传动装置将电动机的转动转化为转向轴的转动，使转向力矩传递到转向机构上。

三、EPS工作原理EPS工作原理可以分为三个阶段：感知阶段、控制阶段和执行阶段。

1. 感知阶段：在感知阶段，转向传感器感知驾驶员的转向意图。

转角传感器可以感知驾驶员转动方向盘的角度，而转矩传感器可以感知驾驶员施加在方向盘上的转矩。

2. 控制阶段：控制单元接收转向传感器的信号，并根据算法进行处理。

控制单元根据驾驶员的转向意图和车辆的运行状态，计算出合适的转向力矩。

算法通常基于车辆动力学模型和驾驶员行为模型，以提供准确的转向力矩输出。

3. 执行阶段：执行阶段是指电动机输出转向力矩的阶段。

控制单元将计算得到的转向力矩信号传输给电动机，电动机根据信号输出适当的转向力矩。

转向助力装置根据电动机输出的力矩，提供相应的助力，使转向更加轻便和灵便。

四、EPS系统的优势EPS系统相比传统的液压助力转向系统具有以下优势：1. 节能环保：EPS系统不需要额外的液压泵和传动装置，减少了能量损耗和液压油的使用，从而降低了能源消耗和环境污染。

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。

电动助力转向系统1、功能原理汽车电动助力转向（EPS）系统是在机械式转向系统的基础上加装电动机驱动单元构成的。

其主要的是提供助力、改善汽车转向性能、协助驾驶员完成转向操作。

2、组成具体组成原理详细EPS系统由扭矩传感器、车速传感器、电自控制单元（ECU）、助力电动机及减速机构等。

○1扭矩传感器，又称转向传感器，其作用是测定方向盘与转向器之间的相对扭矩，并转化为电信号传递给ECU。

○电动机，其功能是根据ECU的相关指令，输出适宜的转向助力矩，是EPS系统的动力源。

○减速机构，接收电动机的转矩，经减速增矩后传递给转向轴、小齿轮或齿条。

○ECU，是EPS系统的控制中心，根据扭矩传感器和车速传感器的信号进行逻辑分析与计算并发出指令，控制电动机和离合器。

3、基本工作过程汽车转向时，扭矩传感器和车速传感器将检测到的扭矩、方向信号及车速信号传递给ECU，ECU根据扭矩传感器的信号和车速传感器的信号确定电动机扭矩的大小和方向，电动机再通过离合器、减速机构等把此扭矩传递给扭杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的效果，使汽车转向更轻便。

车速越低转向助力越大，车速越高转向助力越小。

当车速大于一定值时，取消助力，将直流电动机反接制动，目的是在汽车高速行驶时增加操作方向盘的手感，保证行驶安全。

4、EPS系统的控制方式○助力控制：助力控制是EPS的基本控制模式，包括汽车原地转向助力控制和动态转向助力控制两个方面。

○回正控制：回正控制的目的是使方向盘能够更快、更准地回到中位，避免方向盘产生不必要的抖动。

○阻尼控制：阻尼控制是为了提高汽车高速行驶时的转向稳定性的一种控制模式。

5、EPS的优点○降低了燃油消耗液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。

相反电动助力转向系统（EPS）仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可来自发动机。

○增强了转向跟随性在电动助力转向系统中，电动助力机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向。

EPS控制器设计匹配及使用EPS（Electric Power Steering，电动助力转向）是现代汽车中常见的转向系统之一，使用电动机代替液压提供转向助力。

EPS控制器设计的目标是提供准确、稳定和安全的转向助力，并满足各种驾驶条件下的需求。

EPS控制器的设计首先需要考虑的是系统的传感器和执行器，它们用于感知车辆的转向状态和提供相应的助力输出。

常见的传感器包括转向角传感器、转向助力传感器、转向速度传感器等，而执行器则是电动助力转向电机。

这些传感器和执行器需要与EPS控制器进行匹配，在设计时需要考虑它们之间的兼容性和通信协议。

另外，EPS控制器还需要具备一定的控制策略，用于根据传感器的输入数据来实现转向助力的输出。

常见的控制策略包括基于模型的控制方法和基于经验的控制方法。

基于模型的控制方法使用数学模型描述转向系统的动态特性，通过调节控制器参数来实现期望的转向助力输出。

而基于经验的控制方法则是根据实际测试数据和经验公式来设计控制逻辑。

在设计控制策略时需要考虑车辆的稳定性、安全性以及驾驶员的操控感受。

此外，EPS控制器还需要考虑故障检测和容错机制。

由于EPS系统的重要性，一旦发生故障可能会对车辆的操控造成严重影响。

因此，EPS控制器需要具备故障检测和容错机制，能够及时检测系统故障并采取相应的措施来保证车辆的安全性。

最后，EPS控制器的设计还需要考虑系统的可扩展性和性能优化。

随着汽车技术的不断发展，EPS系统也在不断进化，新增了许多功能和特性。

因此，EPS控制器需要具备一定的可扩展性，能够适应新的需求和功能的添加。

此外，为了提高系统的性能，EPS控制器还需要对计算能力、响应时间等指标进行优化。

在使用EPS控制器时，需要根据车辆型号和具体需求进行配置和调试。

首先，需要根据车辆的驾驶条件选择合适的控制策略和参数设置。

然后，将EPS控制器与传感器和执行器进行连接，确保其正常工作。

最后，进行相关的调试和测试，包括转向助力输出的准确性、稳定性和安全性等方面的验证。

EPS (电子助力转向系统介绍)EPS (Electric Power Steering)是一种电子助力转向系统，它使用电子信号来替代原来机械或液压的转向装置，其常见于汽车等车辆中。

EPS系统的作用是让驾驶者更轻松地掌控车辆，提高驾驶舒适度和安全性。

下面将介绍EPS系统的工作原理、优点、缺点和维护保养等相关知识。

工作原理EPS系统的核心是电动助力机构，包括电机、减速器、转向角传感器、控制单元等组件。

当驾驶者通过转动方向盘发出转向信号时，转向角传感器会检测到方向盘的位置和转角，并将信号传输给控制单元。

控制单元会分析这些信息，并通过电路控制电机旋转，帮助驾驶者完成转向动作。

优点相比传统的机械或液压转向装置，EPS系统具有如下优点：•节省燃油：EPS系统不需要额外的动力供给器，如水泵或发动机带动的液压马达，因此可以减少燃油消耗。

•良好的操纵性：EPS系统具有比较线性的转向特性，能够给驾驶者带来更精确而顺畅的转向操纵体验，尤其在高速行驶时更为明显。

•安全：EPS系统的反馈力度可以随着行驶速度而改变，快速转向时会有更强的力度帮助驾驶者完成动作，极大的提高了驾驶的安全性。

缺点EPS系统也存在一些缺点：•故障率高：EPS系统的电子元件较多，容易受到电磁干扰和振动的影响，因此存在较高的故障率。

•维修成本高：尽管大多数EPS系统都与车辆保修计划相连，但在保修期之后的维修成本相比传统转向系统要高。

•对驾驶舒适度的依赖：EPS系统全面依赖电气力，因此在某些情况下（例如车辆失电）可能会影响驾驶者的操控感受。

维护保养EPS系统的维护保养需要根据车辆制造商推荐的要求进行，主要包括以下几个方面：•定期更换液压油•每年或每2万公里检查EPS系统的电气连接器和线路是否损坏，定期用电氧清洗EPS系统•检查和更换EPS系统的相关电子标志(电控单元等)EPS系统是一种新型、先进的转向装置，能够提高驾驶舒适度和安全性。

EPS系统的优点在于可以节省燃油，提供良好的操纵性和安全性。

摘要由于电动助力转向系统具有环保节能、助力特性可调、安全性高等优点，许多汽车企业和研究单位已经将其做为重点研发项目之一，其中，电子控制器硬件开发和控制软件是其核心技术之一。

本文首先分析了各种助力转向系统的特点，重点研究了电动助力转向系统的结构和动力学模型。

本文重点设计了电动助力转向系统的控制器硬件及控制软件。

硬件设计方面主要包括：选取了飞思卡尔 MC9S12 系列单片机作为 EPS 系统 CPU，设计了单片机最小系统电路（包括时钟电路、滤波电路、电源电路、复位电路等）；采用 LM2576 芯片设计了稳压电源电路；方向盘转矩传感器信号和车速信号调理电路、助力电机驱动电路以及通信电路等。

助力电机驱动电路由电机专用驱动芯片 TD340 驱动；通信电路主要由串口通信和 CAN 总线通信组成，实现与 PC 机和整车通信；控制软件方面主要编写了单片机的 A/D转换程序、PWM 模块和脉冲捕捉模块程序以及相关寄存器配置方法。

为了验证控制器硬件和软件的可靠性，在本设计中进行了实验研究，主要包括无助力与有助力对比、方向盘回正控制等试验，结果表明，控制器硬件部分性能良好、工作稳定可靠；软件控制效果较好，助力特性符合设计要求。

转向系统稳定性较好，同时方向盘上无明显抖动，手感良好，为下一步的装车试验做好了准备。

关键词：EPS；传感器；单片机；电机；电路；ABSTRACTBecause of electric power steering system has the environmental protection and energy saving dynamical, characteristics adjustable security advanced advantage, Many automobile enterprises and research units already use this as one of the key research projects, Including electronic controller hardware development and control software is its core technical one.This paper first analyzes the characteristics of various steering system, Focus on the electric power steering system structure and dynamic model.This paper puts emphasis on the design the electric power steering system controller hardware and software and hardware design control mainly includes; Select freescale MC9S12 series microcontroller as EPS system CPU, Designed the single chip minimize system clock circuit circuit (including filter circuits power circuit reset circuit etc.); Using the LM2576 chip design firm V oltage circuit was designed The steering wheel torque sensor signal and speed signal regulate circuit power motor drive circuit and communication circuit to boost by motor driving circuit for TD340 driver drive chip; Communication circuit consists mainly of serial communication and thecan bus communication composition, Realization and PC and vehicle communication; The control software is mainly wrote MCU A/D conversion process PWM module and pulse capture module procedures and related registers collocation method.In order to verify the reliability of the controller hardware and software, And carry through experimental study on test-bed, Including the contras of without power and have power, The experimental results show that the controller hardwareperformance is good, Stable and reliable; Software control effect is good, Dynamical characteristics comply with the design requirements. Steering system stability is good, And the steering wheel without obvious jitter, Steering feel is good,And getting ready for the loading test of the next.Keywords: Electric power steering; Sensor; Single chip; Electrical machine; Electrial circuit;目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)第1章绪论 (1)1.1 本设计研究的意义 (1)1.2本设计研究的目的 (2)1.3 电动助力转向系统国内外发展研究现状 (3)1.4 电动助力转向系统的特点 (4)1.5 本设计研究的主要内容 (5)第2章工作原理和控制方法 (6)2.1工作原理及结构组成 (6)2.1.1 助力电机 (6)2.1.2 电磁离合器 (6)2.1.3 电子控制单元 (6)2.2 EPS 电机控制器的基本控制方式 (7)2.2.1 助力控制 (8)2.2.2 回正控制 (8)2.2.3 阻尼控制 (8)第3章硬件设计 (9)3.1硬件电路结构及系统框图 (9)3.2传感器 (10)3.2.1 电位计式扭矩传感器 (10)3.2.2 车速传感器 (10)3.3 ECU (11)3.3.1单片机的选择 (11)3.3.2 时钟电路 (11)3.3.3 滤波电路 (12)3.3.4 电源电路 (13)3.3.5 复位电路 (13)3.4 电源转换电路 (13)3.5 传感器信号（车速、扭矩）处理电路 (14)3.5.1 车速信号处理电路 (14)3.5.2 方向盘扭矩信号 (15)3.6 电机驱动器的选择 (15)3.7本章小结 (17)第4章软件设计 (18)4.1 EPS 软件的总体流程 (18)4.2软件设计 (19)4.2.1 A/D 数据采集程序设计 (19)4.2.2 电动机PWM 控制 (23)4.3 本章小结 (27)第5章试验分析 (28)5.1 程序下载 (28)5.2 实验设备介绍 (30)5.3 台架实验结果与分析 (30)5.3.1 无助力特性试验 (30)5.3.2 助力特性试验 (31)5.3.3 回正性试验 (33)5.4 本章小结 (34)总结……………………………………………………………………. .35致谢…………………………………………………………………... .36参考文献 (37)附录A外文文献………………………………………………………. .39附录B中文译文 (43)附录C电机控制器主程序 (49)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。

P-Eps (Pinion Electric Power Steering) 齿轮式电动助力转向系统EPS，电动助力转向。

也可以叫EPAS。

其最大优点是可以随速控制助力，在低速时提供较大助力，保证轻便转向；在高速时减小助力，提供驾驶员足够的路感。

EPS只在转向时发挥作用，因此不像液压转向会一直对发动机造成额外负担，从而减小油耗，同时没有不可回收件，更加绿色，从各方面满足环保的需求。

【图1.EPS结构】1）传感器：包括方向盘扭矩传感器，测量驾驶员施加在方向盘上的扭矩；方向盘转角位置传感器，测量方向盘的角度位置，为自动回正功能提供支持，另外ESP稳定控制，主动巡航，自动泊车等系统也需要更精确的方向盘转角信号，因此有时由这些系统提供CAN信号给EPS。

2）执行器：EPS顾名思义，采用电机作为执行器，目前主要考虑的有直流有刷和直流无刷电机。

有关这两种的区别其他帖子里有过介绍。

3）减速机构：电机输出的扭矩经过减速机构加载到转向系统上。

形式有蜗轮蜗杆式，循环球式，差动轮系和摇臂机构等等，前两者比较常见，也跟EPS的形式有关（参见EPS分类）。

4）电子控制单元：EPS的电子控制单元可以跟车上其他部件通信，处理传感器信号，通过程序计算出需要的助力大小，并转换成控制信号输出给驱动电路，驱动电动机输出扭矩。

5）转向机构：跟常规转向机构类似。

EPS的分类：主要分3大类，根据电机在转向机构中耦合位置和方式的不同。

1）C-EPS转向柱式(Column Electric Power Steering)：直接在转向柱上安装，可以从常规转向改进而来，简单，成本低；缺点是噪音大，振动不好控制，会直接传到方向盘上，传递扭矩也较小。

2）P-EPS小齿轮式(Pinion Electric Power Steering)：结构较紧凑，且提高了系统的刚度；但电子部分工作环境差（安装位置距离前桥近），要求耐温，防水，抗干扰等性能高，提高了成本。