汽车eps系统控制器设计

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。

实验结果展示
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
天津德科汽车部件有限公司 Tianjin Dico Auto Parts Co.LTD.
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
天津德科汽车部件有限公司 Tianjin Dico Auto Parts Co.LTD.

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。

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。

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。

2液压助力转向系统
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）。

分析 函数可以直接在驱动软件 中编程 生成 ， 对 波形参数实 现高 精度测试 。
Ｐ Ｘ Ｉ 一 ８ ４ ６ ４是 单 端 口收 发 器 可 选 Ｃ Ａ Ｎ通信 板卡 ， 适 用 于 高 速、 低速 ， 或单线 Ｃ Ａ Ｎ设 备 的 通 信 。 Ｎ Ｉ Ｃ Ａ Ｎ模 块 使 用 Ｓ Ｊ Ａ １ ０ ０ ０
款非 常适 用 于 Ｃ ／ Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｃ ＋ ＋ 、 Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ Ｂ ａ ｓ ｉ ｃ 、 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 等编 程语
言调 用 和 管 理 的 软 件 ， 能与所 有 主流测试 编程 环境兼 容 ， 利 用
Ｐ Ｃ Ｉ 系列板卡兼容 ， 广泛应用 于工业领 域的测试 和测量 。 控制器管脚 的电压输 出范 围 ０ —２ ４ Ｖ， 采 用 ６位 半数 字万 用表 Ｐ Ｘ Ｉ 一 ４ ０ ７ ０ ， 该 板 卡在 保证 准 确 度 和稳 定度 的同 时 ， 能对 ＋ ３ ０ ０ Ｖ电压输入 、 采样率达 １ ． ８ ＭＳ ／ ｓ 的信号进行 数据采 集 ， 可
考时钟 、 Ｐ Ｘ Ｉ 触 发 总线 、 星 型触发 和局 部 总线 ， 能 与所 有 Ｐ Ｘ Ｉ ／
被 测控 制 器 的检 测 项 种 类广 、 数量 多 ， 需 要 编 写上 百 个
Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 子程 序 ， 给 调 用 测 试 子 程 序 带 来 困难 。Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ是 一
＿
Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ可以方便 的调 用和控制 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 子功 能测试程 序 的
执行 。
在Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ的架构中 ， 当调用外 部代 码时 ， Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ使用

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。

1 EPS工作原理汽车电动助力转向系统（Electric Power-Assisted Steering或者Electric Power Steering，简称EPAS或者EPS）完全抛弃了液压执行机构，是一种直接依靠电机提供转向助力的动力转向系统。

电动机产生的转矩，经过转向系统传递机构转化后，可以协助驾驶员进行动力转向。

不同车的EPS结构部件不尽相同，但其基本原理是一致的。

EPS一般是由电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器、减速机构、扭矩传感器、车速传感器等组成[4]，其系统结构如图1-1所示：图1-1 EPS的系统结构驾驶者在操纵方向盘时，给输入轴输入了角位移，输入轴和输出轴之间的角位移使扭杆受扭，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合方向盘的扭矩、转动方向以及车速等信号，判断系统是否需要助力以及助力的大小和方向。

若需要助力，则依照既定的助力控制策略计算电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，由驱动电路驱动助力电机，电动机输出扭矩由涡轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向。

若EPS系统出现故障，控制器将立即切断离合器，停止对电机供电，系统不提供助力，避免发生意外。

由于电控单元可以采集车速和方向盘扭矩，所以EPS的助力大小可以根据控制策略做实时调整，这给设计性能优良的助力转向系统提供了可能。

一个好的控制策略可以使驾驶员的作用力大小适当、路感良好，并使转向系统反应快速、阻尼特性好。

现在随着电子技术的发展，高运算速度的DSP芯片使得模糊控制、神经网络等复杂算法在EPS上得以实现，保证了EPS系统助力的实时性，尤其是专门用于电机控制的DSP 芯片的出现，使得对助力电机的控制更加方便，提高了整个电动助力系统的性能。

2 EPS的组成2.1 EPS的构成2.2助力电机的布置方式EPS根据助力电机的布置位置不同，可以分为转向轴助力式（Column Type）、小齿轮助力式（Pinion Type）和齿条助力式（Rack Type）三种型式，如下图所示。

1研究背景典型乘用车的转向系统由三组机械系统组成，第一组为方向盘（Steering Wheel ）、转向柱（Steering Column ）和中间轴（Intermediate Shaft ），功能是将驾驶者的转向动作传递到第二组机械系统转向齿轮（Steering Gear ），通常有齿条小齿轮（Rack and pinion ）或者蜗杆扇形齿轮（Worm and sector ），转向齿轮的作用是将方向盘的圆周运动转换横向直线运动，进而推动第三组机械系统转向连杆组（Steering linkage ）带动前轮做转向的动作。

汽车助力转向系统可以分为液压助力（HPS ），电动液压助力（EHPS ）和电动助力（EPS ）三大类，其中乘用车上以EPS 为主流，商用车以HPS 为主流，EHPS 在大型SUV 上比较常见，其余领域比较少见。

不管商用车还是乘用车，不管是轿车还是SUV ，未来的发展方向都是EPS 。

EPS 控制策略及其算法是自动驾驶汽车转向控制系统的核心，也是目前自动驾驶汽车转向控制一直在攻克的难题。

传统的PID 控制将输出量的速度信号采用负反馈形式反馈到输入端并与误差信号比较，构成的回路称为速度反馈控制（velocity feedback control ）。

如果输出量是机械角位移，可采用测速电机将机械量转换成正比于输出速度的电信号，从而获得速度反馈。

传统PID 的特点，控制器简单、鲁棒性强、系统可靠性高；应用传统PID 控制，不能对参数进行精确调整，助力电机运行状况恶化，系统控制精度低。

如用模糊控制可以很好的解决这些问题，但模糊控制系统难以消除静态误差，且易受模糊规则等级有限而引起系统误差。

2控制系统设计如图1和图2所示的C-EPS 工作原理，其主要组成包括ECU 、转矩传感器、减速机构、离合器、电动机、齿轮齿条式转向器等。

ECU 接收转矩传感器的转矩信号，并在ECU 中结合车速、转矩及助力电机转角等电信号，通过控制算法计算向电动机输送激励电流，最后通过离合器和减速机构作用于转向器上。

汽车电动转向控制系统EPS设计方案
本方案基于英飞凌的控制芯片，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ECU，再由ECU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机工作，电机的输出扭矩通过传动装置的作用而助力。

方案概述：
电动转向控制系统EPS（Electric Power Steering）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，如图所示，
EPS结构图
控制器选择Infineon的xc8xx，方向盘扭矩传感器采用Infineon的TLE4997，方向盘角度传感器应用2片Infineon的TLE5011以及xc8xx。

控制器主要技术指标：
1、工作温度-40℃+105℃
2、工作电压9-16V
3、最大允许电流：75A
4、最小可控电流0.1A
5、最小扭矩输出0.1Nm
扭矩传感器技术指标：
1、测量范围：：4
2、精度：全量程1%
3、转角分辨力：0.01
4、工作温度：-40+125℃
方向盘转角传感器：
1、测量范围：：-720720。

摘要飞速发展的新能源汽车技术，对汽车行驶安全性、操纵性、平顺性提出了新的要求。

操纵轻便灵活、安全可靠，且具有适宜“路感”的车辆成为人们的理想座驾。

转向系统作为“转向、制动、悬架、传动”四大核心系统之一，决定着汽车横向运动性能。

电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）系统能够提供与车辆运动状况及驾驶员转向需求相匹配的实时、稳定、适宜的转向助力，满足低速转向轻便和高速操纵稳定。

在新能源车辆的载体下，为探究涉及集成控制动力学问题，对其进行进一步研究与开发是十分必要的。

鉴于此，本文以分布式驱动电动汽车EPS为研究对象，立足EPS控制策略与算法设计，借助两种软件工具ADAMS/Car和MATLAB/Simulink，结合汽车操纵稳定性仿真分析，所做工作如下：（1）建立了课题的研究对象C-EPS（Column-EPS）系统动力学模型，结合转向路感和路感强度的概念对助力特性进行了分析，阐述了EPS对助力特性的基本要求，并确立了本文采用的直线型助力特性曲线模型，给出了设计过程。

（2）对分布式驱动电动汽车电动助力转向系统的控制策略与算法进行了研究，在分析EPS助力模式以及助力电机电流控制算法的基础上，设计了一种模糊PID控制器，并在Simulink中建立了控制系统模型。

（3）运用ADAMS/Car模块建立了整车模型，包括麦弗逊式独立前悬架模型、多连杆独立后悬架模型、转向系统模型、轮胎模型、路面谱以及车身模型。

此外为实现联合仿真，说明了转向系统助力的添加方法。

（4）基于联合仿真理论，将ADAMS整车模型与所设计的Simulink控制系统模型相结合，构成闭合仿真回路，参考汽车操纵稳定性评价内容，进行仿真试验并给出分析。

当加入EPS控制后，转向盘峰值力矩降低35.5%，表明转向轻便性得到了提高；分析转向盘角阶跃输入下的瞬态响应，有模糊PID控制的横摆角速度和侧向加速度峰值分别下降7.89%和8%；低速转向回正下的横摆角速度执行超调量和侧向加速度峰值分别下降11.1%和28.6%；高速转向回正下的横摆角速度峰值比率和侧向加速度峰值分别下降8.5%和25%，均说明转向稳定性得以改善。

1　EPS 的优势 与非辅助、纯液压和混合转向系统相比，EPS 系统具有一系列优势。

EPS 系统助力机构不由发动机直接驱动，而是利用具有一系列转向传感器的电动机，不会占用发动机实时输出动力，仅在转向时消耗能量。

转向传感器能感应到转向位置和扭矩大小，软件可以将这些信号转换为电机输出的信号。

这是一种更加动态和节能的辅助转向方法。

EPS 相对于其他转向系统具有转向轻便快捷、能耗低、结构简单紧凑、可靠性高的特点，显著改善了汽车的操纵性，符合节能环保理念。

EPS 的优势包括减少大约3%的燃油消耗，节省很大的空间，更轻松的系统集成和能增强驾驶体验的软件。

EPS 能耗大约只占传统液压助力转向系统的1/12。

由于系统内部没有油液，在制造使用及废弃后都不会造成环境污染。

此外，系统内置的软件可在EPS 原型开发过程中实现高性能且易于调整。

2　EPS 系统 一个高性能且功能强大的微控制器和功率半导体组合是实现高效可靠EPS 的基础，该组合使EPS 的节能和降低二氧化碳排放达到新的水平。

作为事关安全的重要部件，EPS 组件必须具备可靠的协同工作能力。

图1　EPS系统框图图2　典型的EPS ECU EPS 系统由扭矩传感器等传感器，ECU，电机和减速齿轮组成。

扭矩传感器感应方向盘的运动，ECU 根据扭矩传感器信号计算辅助力，电机产生转向力，减速齿轮增大转向力矩并传递给转向机构。

当前，根据成本，包装和性能要求，可以在不同的细分市场中找到几种不同类型的EPS 系统（图3），所有这些设计方案使转向系统能实现众多转向功能，即基本转向功能、增强型转向功能和高级驾驶员辅助功能。

基本转向功能包含在一定的驾驶状况下提供转向助力和扭矩平衡（例如摩擦和惯量补偿）等直接影响转向手感的附加功能。

图3　常见的EPS 助力形式 增强型转向功能包含方向盘主动回正以及辅助直线行驶（路堤或持续的侧风时给予必要的转矩补偿）。

高级驾驶员辅助功能可以在某些情况下实现自动转向的功能，例如自动泊车，拖车后备辅助，车道保持或复杂的驾驶员反馈，例如车道偏离警告。

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 Power Assisted Steering System050607337 Zhangqiang Instructor：Helinlin Associate professorAbstractElectric power steering is a new power steering technology for vehicles. Merit such as energy conservation , environmental protectionthat 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 by P87C591 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 analyzed.The 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 the economy , the heat dissipation and the reliability.It 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)1.1 EPS系统简介 (1)1.2 转向系统的发展概况 (2)1.3 EPS系统的特点 (3)第2章 EPS系统模型 (7)2.1 EPS系统的结构及原理 (7)2.2 建立EPS动力学模型 (8)2.3 EPS的动力学方程 (8)2.4 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)3.1 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)3.2 EPS工作流程图 (16)3.3 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)4.1 EPS 控制器模块化设计 (21)4.2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)4.3 PWM斩波 (26)4.3.1 PWM控制原理 (26)4.3.2 PWM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)5.1 线性转向系统 (32)5.2 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1.1 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。

补偿控制 1 引入微分控制：降低助力增益变化对系统响应 的影响 2 引入方向盘转速补偿：转速 补偿电流
6.4.2 各种模式下电流控制

回正控制 回正特点：低速时侧向力和回正力矩小，回正慢
高速时回正力大，容易引起摆振
回正操作的判断：方向盘力矩微分 回正电流控制：
低速时电流快速衰减 高速时电流逐渐衰减
方向盘回正控制：基于转向角传感器 基于电机转速积分估计转向盘位置
6.4.1 电机电流控制方式
H桥驱动 PWM控制方式：双极、单极、受限单极

6.4.2 各种模式下电流控制

转向助力控制 转向过程中（不包括回正） 输入：转向盘转矩，车速 输出：查表计算电机控制电流 电流闭环控制
6.4.2 各种模式下电流控制
汽车电子与控制技术
第六章 底盘电控系统——助力转向电控系统
汽车转向电控系统
概述 助力转向系统类型 助力特性 电动助力转向的控制策略 电动助力转向控制单元

6.1 概述
转向系统的基本要求

良好的操纵性 合适的转向力和位置感 具有回正功能 适当的路感 工作可靠 节能 低噪声

电机 无刷永磁直流电机 特点： 低速大扭矩 功率密度高 控制简单，只需增量位置传感器
6.2.4 电动助力转向系统

减速机与离合器
降速增矩 高速：离合器分离，机械转向不受电机惯性影响 故障：离合器分离
6.2.4 电动助力转向系统
分类 转向轴助力
结构紧凑、直接测量方向盘转矩，响应好 要求电机噪声和振动小
6.3.2 EPS助力特性曲线的确定

带助力装置的输入输出特性
1 无助力特性
2 助力特性：非线性 3 带助力的特性