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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。
汽车电动助力转向系统的控制策略分析陈军明（郑州宇通客车股份有限公司,郑州 450000）摘 要：汽车转向为汽车行业各项性能中的重要组成部分，电动助力转向技术属于其他类别的新兴技术，动力转向模式区别于传统电力的工作原理，其主要是通过电子控制系统的具体操作单元，电子控制系统传感器主要以采集信号控制功率的电机运行，从而辅助汽车在转向方面的功能实现。
总之，汽车电动助力转向系统是目前电子控制技术研究中的一项重要领域，应对其相关软件控制器进行合理设计，使系统基本助力特性得到有效调整，从而使驾驶要求得到有效提升。
关键词：汽车技术；电动助力转向；系统控制0 引言 交通工具的使用和发展人类社会在任何时代都具有技术提前性，汽车出现后，成为了陆地上的交通工具，有不可替代的作用在。
现代社会人们逐渐增强汽车的功能指标要求，同时在细节层面的优化发展的关键点之一。
操作汽车时，转向在驾驶的过程中是必不可少的步骤，除了司机需要按照操作标准进行设备调整，在汽车内部零件和设备系统的优化，科技水平也在不断上升，从传统转向系统液压制动转变为今天已经开始使用电动助力转向，这是一个技术的飞跃，同时，是汽车应用领域的一个巨大进步。
其改变了过去机械传动在实际运行中故障率高的问题，该技术的具体发展与汽车行业综合技术水平的提高密切相关。
1 汽车电动助力转向系统的概述 汽车电动助力转向系统的基本结构和位置各不相同，主要包括转向轴动力结构、齿轮动力结构和齿条动力结构。
虽然位置上有一定差异，但基本工作原理是相似的，其中最典型的是转向轴动力结构。
结构主要取决于输入轴和输出轴的力量，通过基本驱动机制来指导整个方向盘转向杆，也可以确保司机在现实操作过程中，通过输入角位移，速度传感器的对车速进行有效测试，确保传输操作信号及电子控制单元（ECU）的实现有效采集、从而确定电子控制单元（ECU）的功率大小和方向值，可以得出与之相对应的输出转矩功率，可以指导驱动电路的控制信号，以促进整体转向轴电压和电流对动力转向功能基本电机输出转矩的实现过程中的整体实时控制。
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)。
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。
汽车电动助力转向系统引言汽车电动助力转向系统是一种先进的技术，旨在提供更轻松的驾驶体验和更高的驾驶平安性。
本文将对汽车电动助力转向系统进行综合介绍，包括其原理、功能、优势以及开展前景。
1. 原理汽车电动助力转向系统通过电动机的力量来辅助转向操作。
传统的液压助力转向系统将液体通过泵送到助力转向器以增加转向轮的转向力量，而电动助力转向系统那么通过电动机转动转向轮来到达同样的效果。
2. 功能汽车电动助力转向系统具有多种功能，以下是其主要功能：2.1 转向助力最根本的功能是提供转向助力，通过电动助力转向系统，驾驶员无需用力过多就能完成转向动作。
这使得操控汽车更加轻松和灵巧，特别是在低速行驶和停车时。
2.2 主动回正电动助力转向系统还具有主动回正功能，即在转向操作完成后，系统会自动将方向盘调整到中性位置。
这种功能提高了汽车的稳定性和驾驶平安性。
2.3 转向感知电动助力转向系统能够感知驾驶员的转向意图，并根据驾驶环境和车辆状态进行相应的调整。
例如，当驾驶员在高速公路上进行快速转向时，系统可以提供更多的助力，以增加操控的稳定性。
3. 优势相比传统的液压助力转向系统，汽车电动助力转向系统具有以下优势：3.1 能量效率电动助力转向系统采用电动机作为动力来源，相比液压系统的泵，其能量损失更小，能够提供更高的能量效率和更低的油耗。
3.2 精确性和可调性由于电动助力转向系统采用电子控制，具有更高的精确性和可调性。
驾驶员可以根据个人喜好和驾驶条件对助力的大小进行调整。
3.3 故障检测和自诊断功能电动助力转向系统具有自动故障检测和自诊断功能。
当系统出现问题时，它能够及时发出警告并提供相应的故障代码，方便修复和维护。
4. 开展前景随着汽车科技的不断开展，汽车电动助力转向系统将会越来越普及。
它能够提高驾驶平安性，减少驾驶负担，提升驾驶体验，是未来汽车开展的趋势。
结论汽车电动助力转向系统是一项重要的汽车技术创新。
它通过电动助力的方式提供更加轻松和精确的驾驶操控体验，并具有更高的能量效率和可调性。
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。
汽车电动助力转向系统关键技术分析摘要：现阶段，汽车的电动助力转向系统技术，已经属于一种较为常见且成熟的应用技术，将其应用于汽车制造中，在很大程度上提升了汽车制造的质量，使得汽车制造能够更好地迎合未来汽车发展的需要。
将这一技术应用于汽车制造中，能够降低汽车在低速行驶时转弯上的阻力，从而使得整个转向操作更加轻便与灵活，同时，在汽车的高速行驶时，能够进一步加重转向重力，使得汽车的转向更加具有稳定性。
通过这种设置，能够在很大程度上避免由于转向操作失控问题而导致的汽车驾驶事故。
本文主要分析了汽车电动助力转向系统中的相关关键技术，以供参考。
关键词：汽车电动助力转向系统；控制单元；冗余设计在现代电子信息技术的高速发展推动下，当前我国汽车工业水平提升明显，现代化技术应用于现代汽车工业的生产制造中，在很大程度上提高了汽车性能，同时，也缓解了汽车转弯操作转向的问题。
电动助力转向系统在很大程度上规避了传统汽车电控系统与液压动力转向系统上存在的不足，能够进一步提升整个转向操作的安全性，突破传统转向的限制。
也因此，这种转向系统技术在汽车制造业中有着十分广泛的应用，所占据的市场比例逐渐提升，更有取代传统转向系统的趋势。
一、汽车电动助力转向系统的关键部件（一）传感器传感器是汽车电动助力系统中的关键部件之一，主要分为扭矩传感器与车速传感器两种。
其中，扭矩传感器主要负责对汽车驾驶员在传入轴上的作用力方向以及作用力的大小进行分析，其工作的主要目的在于更好地通过对驾驶员力的结构的分析，实现对汽车转向力的相应调整。
车速传感器顾名思义，是对汽车行驶速度的测量，通过对汽车行驶速度的测量，以自动化辨别转向系统应更加灵活或更加稳重。
这两种传感系统均为信号控制系统，相对而言，其工作原理较为复杂，且对精度有着极高的要求。
（二）电动机电动机的主要作用，在于为汽车电动助力转向系统提供动力，它能够将电子元件输出的控制指令转换为实际的操作提供辅助距扭，能够将控制指令转换为实际的动力元素，从而确保汽车的转向系统能够有效应用。
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。
