PAGE交通控制器設(shè)計(jì)引言在日新月異的21世紀(jì)里，家用電子產(chǎn)品得到了迅速發(fā)展。許多家電設(shè)備都趨于人性化、智能化，這些電器設(shè)備大部分都含有CPU控制器或者是單片機(jī)。單片機(jī)以其高可靠性、高性價(jià)比、低電壓、低功耗等一系列優(yōu)點(diǎn)，近幾年得到迅猛發(fā)展和大范圍推廣，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、通訊設(shè)備、日常消費(fèi)類產(chǎn)品和玩具等。并且已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及人民生活的各個(gè)方面，如車間流水線控制、自動(dòng)化系統(tǒng)等、智能型家用電器（冰箱、空調(diào)、彩電）等。用單片機(jī)來控制的小型家電產(chǎn)品具有便攜實(shí)用，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的交通控制器設(shè)計(jì)屬于小型智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)。利用單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行記時(shí)，外加掉電存儲(chǔ)電路和顯示電路，可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼的顯示和聲音報(bào)警。交通控制器既可廣泛應(yīng)用于鐵路與公路的交叉口,也可應(yīng)用于安排不了人手看管的交叉路口。因而，此設(shè)計(jì)具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。2系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為核心，構(gòu)成單片機(jī)控制電路，結(jié)合LM386芯片，顯示15秒倒計(jì)時(shí)，并進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)完成對(duì)它們的自動(dòng)調(diào)整和掉電保護(hù)，全部信息用數(shù)碼管顯示。軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)所有的功能。整機(jī)電路使用+5V穩(wěn)壓電源，可穩(wěn)定工作。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，其軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，時(shí)間記錄準(zhǔn)確，可廣泛應(yīng)用于長時(shí)間連續(xù)顯示的系統(tǒng)中。人機(jī)接口人機(jī)接口顯示電路軟件控制程序電源電路單片機(jī)控制電路圖2-1系統(tǒng)框圖3方案選擇由于電子萬年歷的種類比較多，因此方案選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。正確地選擇方案可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。3.1方案1——基于AT89S52單片機(jī)的交通控制器的設(shè)計(jì)不使用時(shí)鐘芯片，而直接用AT89S52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電子萬年歷設(shè)計(jì)。AT89S52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦寫1000余次。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89S52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)交通控制器設(shè)計(jì)，無須外接其他芯片，充分利用了單片機(jī)的資源。但是精度不夠高，誤差較大，掉電后丟失所有數(shù)據(jù)，軟件編程較復(fù)雜。3.2方案2——基于與非門數(shù)字電子的交通控制器設(shè)計(jì)用電子元器件來搭交通控制器設(shè)計(jì)，電路較復(fù)雜，接點(diǎn)較多，運(yùn)行不穩(wěn)定。555555產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)序控制電路15秒控制電路時(shí)間顯示電路4系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由主控模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤接口模塊、顯示模塊和鬧鈴模塊共6個(gè)模塊組成，電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4-1所示。主控芯片使用52系列AT89S52單片機(jī)，時(shí)鐘芯片使用美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，存儲(chǔ)模塊采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗CMOS串行EEPROM存儲(chǔ)芯片AT24C02。DS1302作為主要計(jì)時(shí)芯片，可以做到計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。更重要的是，DS1302可以在很小電流的后備（2.5～5.5V電源，在2.5V時(shí)耗電小于300nA）下繼續(xù)計(jì)時(shí)，并可編程選擇多種充電電流來對(duì)后備電源進(jìn)行慢速充電，可以保證后備電源基本不耗電?？乜刂破鱾鞲衅鳠糁甘撅@示音頻放大圖4-1交通控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成框圖4.1系統(tǒng)核心部分——閃電存儲(chǔ)型器件AT89S524.1.1AT89S52具有下列主要性能[5]：·8KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器（可經(jīng)受1000次的寫入/擦除周期）·全靜態(tài)工作：0Hz～24MHz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32條可編程I/O線·2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·6個(gè)中斷源·可編程串行通道·片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器4.1.2AT89S52的引腳及功能AT89S52單片機(jī)的管腳說明如圖4-2所示。圖4-2AT89S52的管腳(1)主要電源引腳=1\*GB3①VCC電源端②GND接地端(2)外接晶體引腳XTAL1和XTAL2=1\*GB3①XTAL1接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，既把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。②XTAL2接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。(3)控制或與其它電源復(fù)用引腳RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/VPP=1\*GB3①RST復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。②ALE//PROG當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（/PROG）[6]。③/PSEN程序存儲(chǔ)允許（/PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89S52/LV52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效（既輸出2個(gè)脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。④/EA/VPP外部訪問允許端。要使CPU只訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H～FFFFH），則/EA端必須保持低電平（接到GND端）。當(dāng)/EA端保持高電平（接VSS端）時(shí)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。(4)輸入/輸出引腳P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7=1\*GB3①P0端口（P0.0～P0.7）P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。②P1端口（P1.0～P1.7）P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。作輸入口時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。③P2端口（P2.0～P2.7）P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。④P3端口（P3.0～P3.7）P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能，這些特殊功能見表4-1[7]。表4-1P3端口的特殊功能端口引腳兼用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0的外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1的外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）4.2LM386電路4.2.1LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器,主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至200。輸入端以地位參考,同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。

LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。圖4-3LM386管腳圖二、特性(Features):靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電。

工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V。

外圍元件少。

電壓增益可調(diào),20-200。

低失真度。LM386電源電壓4--12V，音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mA，當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，在8歐姆的負(fù)載情況下，可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。4.3報(bào)警電路當(dāng)數(shù)碼管顯示“關(guān)”時(shí)，鬧鈴不起作用；當(dāng)鬧鈴顯示“開”時(shí)，設(shè)定鬧鈴時(shí)間，鬧鈴時(shí)間只可設(shè)定時(shí)和分，當(dāng)前時(shí)間不斷與設(shè)定的鬧鈴時(shí)間比較，不相等時(shí)不產(chǎn)生任何現(xiàn)象，一旦相等，P3.5輸出一個(gè)高電平使三極管導(dǎo)通，從而使蜂鳴器工作，鬧鈴起作用。鬧鈴電路如圖4-12所示。圖4-12報(bào)警電路晶振特性如圖10所示，AT89S52單片機(jī)有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件的話，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入，如圖12所示。由于外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時(shí)鐘電路輸入的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時(shí)間和最少高電平持續(xù)時(shí)間等還是要符合要求的。圖11內(nèi)部振蕩電路連接圖圖12外部振蕩電路連接圖石英晶振C1,C2=30PF±10PF陶瓷諧振器C1,C2=40PF±10PF圖10圖11內(nèi)部振蕩電路連接圖圖12外部振蕩電路連接圖空閑模式在空閑工作模式下，CPU處于睡眠狀態(tài)，而所有片上外部設(shè)備保持激活狀態(tài)。這種狀態(tài)可以通過軟件產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，片上RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可以被任一個(gè)中斷或硬件復(fù)位終止。由硬件復(fù)位終止空閑模式只需兩個(gè)機(jī)器周期有效復(fù)位信號(hào)，在這種情況下，片上硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，而可以訪問端口引腳。空閑模式被硬件復(fù)位終止后，為了防止預(yù)想不到的寫端口，激活空閑模式的那一條指令的下一條指令不應(yīng)該是寫端口或外部存儲(chǔ)器。掉電模式在掉電模式下，晶振停止工作，激活掉電模式的指令是最后一條執(zhí)行指令。片上RAMAT89S5218和特殊功能寄存器保持原值，直到掉電模式終止。掉電模式可以通過硬件復(fù)位和外部中斷退出。復(fù)位重新定義了SFR的值，但不改變片上RAM的值。在VCC未恢復(fù)到正常工作電壓時(shí)，硬件復(fù)位不能無效，并且應(yīng)保持足夠長的時(shí)間以使晶振重新工作和初始化。表6空閑模式和掉電模式下的外部引腳狀態(tài)程序存儲(chǔ)器的加密位AT89S52有三個(gè)加密位不可編程（U）和可編程獲得下表所示的功能。5結(jié)論本設(shè)計(jì)硬件電路較簡(jiǎn)單，所用器件較少，電路中使用了AT89S52單片機(jī)、LM386等芯片,實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)功能。在對(duì)芯片的管腳功能和用法有充分的了解后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)硬件電路，包括單片機(jī)控制電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、鍵盤掃描電路、顯示倒計(jì)時(shí)電路和報(bào)警。然后通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1、數(shù)字集成電路應(yīng)用300例，黃繼昌等主編。，人民郵電出版社2、第二屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)編．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（1994～1995）．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997．3、電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐，姚福安編著。山東科學(xué)技術(shù)出版社4、電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），康華光主編。第四版．北京：高等教育出版社.5、數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，繩廣基編著。上海交通大學(xué)出版社，1989．6、中國集成電路大全TTL集成電路，《中國集成電路大全》編寫委員會(huì)編。北京：國防工業(yè)出版社，1985．7、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，粱宗善。華中理工大學(xué)出版社.1995.18、電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，高吉祥主編。電子工業(yè)出版社2002.2

致謝不知不覺，六周的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了。我的畢業(yè)論文已整理完畢，電路調(diào)試進(jìn)展良好。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成意味著我的大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，從此我將進(jìn)入一個(gè)新的人生旅途、開始一段嶄新的生活——工作。在此，我衷心地感謝所有在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間幫助過我的人。首先我要感謝我的指導(dǎo)老師李杰的大力幫助和支持。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，李老師在大局上指導(dǎo)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的每一進(jìn)程，還在百忙中抽空為我答疑解難，幫我分析講解畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到的問題。不僅如此，李老師還無私的給我提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來了很大方便。同時(shí)在我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中提供了很多指導(dǎo)性的意見，使我受益匪淺。另外，李老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和為人給了我很大的教育，這些將使我終身受益。在此，我衷心感謝李老師給予我的幫助和教育。此外，我還要感謝夏九同學(xué)給予我的無私的幫助，他在程序編寫和調(diào)試過程中給予了我莫大的幫助。在此，我真誠地感謝他們。最后，我要感謝我的母?！旖蚬こ處煼秾W(xué)院，在校期間，這里給我留下了美好的回憶。特別是在我即將踏上工作崗位的同時(shí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過程給了我這樣一個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)，使我加深了對(duì)以前知識(shí)的理解和鞏固，拓寬了知識(shí)面，也提高了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。我要對(duì)母校說：母校有我三五載，我愛母校一萬年。祝愿母校的將來更美好！

附錄1：交通控制器設(shè)計(jì)電路原理圖

附錄2主程序org00h;jmpstart;ORG001BH;定時(shí)器T1中斷程序入口LJMPtime1;跳至INTT1執(zhí)行org30h;start:movTMOD,#10hmovIE,#88hMOVTH1,#0d8hMOVTL1,#0efhmovr7,#100;mov20h,#00h;mov30h,#0fh;main:jnbp2.0,key;lcalldisp;ljmpmain;key:;clr01h;jbp2.0,main;;clrTR1lcalldelay;jbp2.0,main;jnbp2.0,$;等待按鍵抬起setbTR1jb00h,up;movp3,#0feh;clrp2.2;mov30h,#0fh;xrl20h,#01h;MOVTH1,#0d8hMOVTL1,#0efhmovr7,#100setbTR1setb01h;jmpmain;up:movp3,#0fdh;clrp2.4;mov30h,#0fh;xrl20h,#01h;MOVTH1,#0d8hMOVTL1,#0efhmovr7,#100setbTR1;clrp1.0;clr01h;setb01h;jmpmain;;=======================顯示程序=====================================disp:pushacc;jnb01h,clearmova,30hsetbc;subba,#9jncshi;mova,30hmovdptr,#nember_tablemovca,@a+dptrmovp0,aclrp2.7;;movp2,#7fhjmpdisp_returnshi:movdptr,#nember_tablemovca,@a+dptrmovp0,a;movp2,#7fhclrp2.7;lcalldelay1;movp0,#0ffhmovp0,#0F9h;movp2,#0bfhclrp2.6;lcalldelay1;movp0,#0ffhjmpdisp_returnclear:movp0,#0ffhorlp2,#0f0hdisp_return:popaccretnember_table:db0C0h,0F9h,0A4h,0B0h,99h,92h,82h,0F8h,80h,90h;;=======================延時(shí)程序=====================================delay:movr0,#0ffhd4:movr1,#0ffhdjnzr1,$djnzr0,d4retdelay1:mova,r0pushamovr1,#0fh;d5:movr0,#0fFH;djnzr0,$;djnzr1,d5popamovr0,aret;======================定時(shí)程序======================================time1:pushaccmovTH1,#0d8h;movTH1,#0fehmovTL1,#0efhjnb01h,no_bellxrlp1,#01h;no_bell:djnzr7,returnmovr7,#100;;xrlp3,#0ffhdjnz30h,returnmovp3,#0ffh;mov30h,#0fh;clrTR1clr01h;return:popaccretiend

6數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸：接口和調(diào)制解調(diào)器（選自?數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)?，BehrouzForouzan著）我們將信息編碼成可以傳輸?shù)母袷?，下一步就是探討傳輸過程了。信息處理設(shè)備如個(gè)人計(jì)算機(jī)能生成編碼信號(hào)，通常還需要其它設(shè)備協(xié)助才能將這些信號(hào)在通信鏈路上傳輸。例如一臺(tái)PC機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，在將信號(hào)通過電話線發(fā)送之前，還需要一臺(tái)附加設(shè)備來調(diào)制載波頻率。在這過程中，我們?cè)鯓硬拍馨褦?shù)據(jù)從產(chǎn)生它的設(shè)備傳送到下一個(gè)設(shè)備呢？解決辦法是使用一捆導(dǎo)線，成為一種為通信鏈路，或叫接口。因?yàn)榻涌谶B接的兩個(gè)設(shè)備有可能不是一個(gè)廠家生產(chǎn)的，所以必須規(guī)定接口的特性并建立標(biāo)準(zhǔn)。接口特性包括機(jī)械規(guī)范（使用多少條導(dǎo)線來傳輸信號(hào)）、電氣規(guī)范（預(yù)期信號(hào)的頻率、振幅和相位）以及功能規(guī)范（如果使用多條導(dǎo)線，每條導(dǎo)線的功能是什么？）。這些特性在一些常用標(biāo)準(zhǔn)中都有描述并且被集成到了OSI7層模型的物理層中。6.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸并行傳輸數(shù)據(jù)傳輸并行傳輸串行傳輸同步傳輸異步傳輸 圖6-1數(shù)據(jù)傳輸6.1.1并行傳輸由0和1組成的二進(jìn)制值可以組成n比特的位組。計(jì)算機(jī)使用和生成以比特為單位的數(shù)據(jù)，就像我們?cè)谟⒄Z會(huì)話時(shí)用詞而不是一個(gè)個(gè)的字母來交流一樣。通過分組，我們可以一次發(fā)送n個(gè)比特而不是一個(gè)比特。這稱為并行傳輸。從概念上說，并行傳輸?shù)臋C(jī)制很簡(jiǎn)單：一次使用n條導(dǎo)線來傳輸n個(gè)比特。這種方式下，每個(gè)比特都使用專門的線路，而一組中的n個(gè)比特就可以在每個(gè)時(shí)鐘脈沖從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備。圖6-2顯示了n=8時(shí)并行傳輸?shù)墓ぷ鳡顩r。通常八根導(dǎo)線被捆成一根電纜，兩端都有連接頭。88個(gè)比特一起發(fā)送接收方接收方需要8條線s發(fā)送方 圖6-2并行傳輸并行傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于速度。當(dāng)其它因素相同時(shí)，并行傳輸將比串行傳輸?shù)乃俣瓤靚倍，但同時(shí)也存在一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：費(fèi)用高。為進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并行傳輸需要n條通信線路（本例中是導(dǎo)線）。因?yàn)槿绱税嘿F，所以并行傳輸通常被限制在最長25英尺的距離內(nèi)。6.1.2串行傳輸在串行傳輸中，比特是一個(gè)一個(gè)一次發(fā)送的，因此在兩個(gè)通信設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)只要一條通信通道，而不是n條。串行傳輸相對(duì)于并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：因?yàn)橹恍枰粭l通信信道，串行傳輸?shù)牡馁M(fèi)用大約只是并行傳輸?shù)膎分之一。因?yàn)樵谠O(shè)備內(nèi)部的傳輸是并行的，所以在發(fā)送端和線路之間以及接收端和線路之間的接口上，都需要有轉(zhuǎn)換器（前者是并/串轉(zhuǎn)換，后者是串/并轉(zhuǎn)換）。串行傳輸以兩種方式進(jìn)行：同步方式和異步方式。(1)異步傳輸如果在傳輸中信號(hào)的時(shí)序并不重要，我們就將這種傳輸稱為異步傳輸。它與同步方式不同的事，信息是以一種約定的模式來被接收和翻譯的。只要遵照約定模式，接收設(shè)備就可以以不理會(huì)信息發(fā)送的節(jié)奏而能正確獲取信息。約定模式是基于將比特組成字節(jié)。每一組比特（通常為八個(gè)）作為一個(gè)單位通過鏈路傳輸。發(fā)送端系統(tǒng)單獨(dú)處理每個(gè)組，每處理完一個(gè)組就將其轉(zhuǎn)發(fā)到鏈路上，并不理會(huì)時(shí)鐘信號(hào)。因?yàn)闆]有同步脈沖，接收方步可能通過及是方式來預(yù)測(cè)下一組比特何時(shí)到達(dá)。因而，為了通知接收方有新的比特組到達(dá)，在每字節(jié)的開頭都要附加一個(gè)比特。這個(gè)比特，通常是0，被稱為起始位。為了讓接收方知道一個(gè)字節(jié)已經(jīng)結(jié)束，在每字節(jié)尾部還要加上一個(gè)或多個(gè)比特。這些比特，通常是1，被稱為停止位。利用以上的方法，每字節(jié)的大小至少增加到了10個(gè)比特，其中有8比特的信息在加上2個(gè)或更多的提示接收方的信號(hào)。另外，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，可能還要跟上一段可變長的時(shí)間間隙。這段間隙或者通過信道控閑狀態(tài)代表，或者通過附加的停止比特流代表。在異步傳輸中，需要在每字節(jié)開始時(shí)發(fā)送一個(gè)起始位（0），然后在結(jié)束時(shí)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)停止位（1）。在字節(jié)之間可以插入間隙。起始位、停止位和間隙將一個(gè)字節(jié)的起始和終止提示給接收放，使得接收方可以根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行同步。因?yàn)樵谧止?jié)這一級(jí)別，發(fā)送方和接收方不需要進(jìn)行同步，所以這種傳輸方式稱為異步傳輸。但是在每一字節(jié)內(nèi)，接受方仍要根據(jù)比特流來進(jìn)行同步。也就是說，一定程度上的同步還是存在的，但僅僅局限在一個(gè)字節(jié)的時(shí)間內(nèi)。在每一個(gè)字節(jié)的開始，接收端設(shè)備就進(jìn)行重同步。當(dāng)接收方檢測(cè)到一個(gè)起始位后，就啟動(dòng)一個(gè)時(shí)鐘，并隨著到來的比特開始記數(shù)。在接受完n個(gè)比特后，接受方就等待停止位到達(dá)。當(dāng)檢測(cè)到停止位到達(dá)時(shí)，接受方在下一個(gè)起始位到達(dá)前忽略接收的所有信號(hào)。異步傳輸意味著在字節(jié)級(jí)別以異步方式進(jìn)行，但是每比特仍需要同步，他們的時(shí)延是一致的。相對(duì)于不需要控制信息的傳輸方式，異步傳輸由于加入了起始位、停止位以及比特流間插入了間隙而顯得慢一些。但是這種方式既便宜又有效，這兩大優(yōu)點(diǎn)使得在低速通信這一類情形下異步傳輸方式顯得很有吸引力。例如，一臺(tái)終端到計(jì)算機(jī)的連接很自然就是一種異步傳輸?shù)膽?yīng)用實(shí)例。用戶一次只敲一個(gè)字符，這在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)是十分低速的，同時(shí)還在字符之間引入了不可預(yù)計(jì)長短的時(shí)間間隙。(2)同步傳輸在同步傳輸中，比特流被組裝成更長的“幀”，一幀包含有許多個(gè)字節(jié)。與異步方式不同的是，引入幀內(nèi)的字節(jié)與字節(jié)之間沒有間隙，需要接收方在解碼時(shí)將比特流分解成字節(jié)。也就是說，數(shù)據(jù)被當(dāng)作不簡(jiǎn)短的0、1比特流傳輸，而接收方來將比特流分割成重建信息所需的一個(gè)個(gè)字節(jié)。在同步傳輸中，不插入起始/停止比特或間隙就將比特依次發(fā)送出去，完全有接收方負(fù)責(zé)重組比特。因?yàn)闆]有間隙和起始/停止位，就沒有勒比特流內(nèi)部的同步機(jī)制可以幫助接收端設(shè)備在處理比特流時(shí)調(diào)整比特同步。因?yàn)樗邮諗?shù)據(jù)的準(zhǔn)備性完全依賴于接收端設(shè)備根據(jù)比特到達(dá)進(jìn)行精確的比特計(jì)數(shù)的能力，所以時(shí)序變得十分重要。同步傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是速度快。因?yàn)樵诎l(fā)送端不需要插入附加的比特和間隙，再接收端也不需要去掉這些比特和間隙，因而在傳輸方式在類似計(jì)算幾件數(shù)據(jù)串是這樣的高速應(yīng)用中更有效。字節(jié)同步在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)。6.2數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路中接設(shè)備接口在這里必須首先分清計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)重要概念：數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)電路終結(jié)設(shè)備（DCE）。在數(shù)據(jù)通信中經(jīng)常涉及到四個(gè)基本功能單元：兩端各有一個(gè)DTE和一個(gè)DCE。數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DCE）將信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于傳輸介質(zhì)的形式并將它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)鏈路中。當(dāng)信號(hào)到達(dá)另一端時(shí)，相反的過程將發(fā)生。6.2.1數(shù)據(jù)終端設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）包括所有具有作為二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源點(diǎn)或終點(diǎn)能力的單元。在物理層，這可以是一臺(tái)終端、一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)或是任何產(chǎn)生和處理數(shù)據(jù)的設(shè)備。數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間并不經(jīng)常直接通信，他們產(chǎn)生或處理數(shù)據(jù)，然而通信需要一種能夠用于傳輸?shù)闹虚g形式?？梢园袲TE的工作方式想象成當(dāng)你說話時(shí)大腦的工作。比如說你有一個(gè)想法要與朋友交流，你的大腦產(chǎn)生了這個(gè)想法但并不能將它直接傳送到你的朋友的大腦中。由幸或者說不幸的是，我們都不是頭腦閱讀者。相反，你的大腦將想法傳送給你的聲帶和嘴，讓他們將想法轉(zhuǎn)換成聲波通過空氣或是電話線傳輸?shù)侥闩笥训亩?，并由此進(jìn)入他的大腦。在對(duì)方的大腦中，聲波信號(hào)被還原成信息。通過這種方式，你和你朋友的大腦就像DTE一樣。你的聲帶和嘴是DCE，你朋友的耳朵也是DCE?？諝饣螂娫捑€就是你們之間的傳輸媒介。一個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）就是可作為二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來源和終點(diǎn)的任何設(shè)備。6.2.2數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備任何能夠通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收模擬或數(shù)字形式數(shù)據(jù)的功能單元都是數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）。在物理層，一個(gè)數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）接收從數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將她們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號(hào)，然后將這些信號(hào)發(fā)送到傳輸鏈路上。在這一層中常用的DCE設(shè)備由調(diào)制解調(diào)器。在任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)DTE設(shè)備產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將它傳送到DCE設(shè)備，DCE設(shè)備將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化可以在傳輸媒體上傳送的格式并將轉(zhuǎn)化后的信號(hào)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上另一個(gè)DCE設(shè)備。第二個(gè)DCE設(shè)備從線路上接收信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為與它相連的DTE設(shè)備可用的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)信息。為實(shí)現(xiàn)這一通信，發(fā)送和接收的DCE設(shè)備必須采用一樣的編碼技術(shù)（例如，頻移鍵控（FSK）編碼）。這就像如果你想要和一個(gè)只懂日語的人交流，你就必須說日語一樣。兩個(gè)DTE設(shè)備不需要互相協(xié)調(diào)，但是每個(gè)DTE設(shè)備必須與它連接的DCE設(shè)備協(xié)調(diào)工作。而DCE設(shè)備之間必須協(xié)調(diào)工作，才能實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)翻譯過程。通過網(wǎng)絡(luò)，能夠傳送和接收模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的任何功能單元都叫數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）。汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(ElectricPowerSteering,簡(jiǎn)稱EPS)作為一種新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng),因其具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各大汽車公司和企業(yè)的青睞,它將逐步取代傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HydraulicPowerSteering,簡(jiǎn)稱HPS)。本文以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱助力式EPS為研究對(duì)象,建立EPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,給出了汽車電動(dòng)助力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及控制器可靠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了以P87C591單片機(jī)為主控單元的EPS系統(tǒng)，系統(tǒng)采用閉環(huán)電流控制方案,利用目標(biāo)電流技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓達(dá)到控制電機(jī)電流力矩的目的。EPS控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，把信號(hào)處理電路和功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分層設(shè)計(jì),以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。在進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)頻率的選擇時(shí)，考慮開關(guān)時(shí)電流脈峰對(duì)開關(guān)管及電動(dòng)機(jī)安全的影響。最后通過研究分析了EPS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)硬件電路板空間與發(fā)熱功耗及可靠性合理地選擇散熱片及其參數(shù),提高了驅(qū)動(dòng)效率和穩(wěn)定運(yùn)行能力。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有良好的電動(dòng)助力特性,滿足電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向要求,證明了這種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。關(guān)鍵詞電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;單片機(jī);H橋驅(qū)動(dòng);PWM斬波;控制系統(tǒng)HardwareDesignoftheElectricPowerAssistedSteeringSystem050607337ZhangqiangInstructor：HelinlinAssociateprofessorAbstractElectricpowersteeringisanewpowersteeringtechnologyforvehicles.Meritsuchasenergyconservation,environmentalprotectionthatthepersonhasacceptstherespectivelybigautomobilesofworldcompanyandtheenterprisefavour,homeandabroaddevelopingtrendistouseelectricpower-assistancetochangetothehydraulicpressurepower-assistancevergencesubstitutingtraditionstepbystep.ThemathematicmodelthemainbodyofabookisestablishedsystematicallywithdyadicEPSofthetraditionvergencepostpower-assistancefortheobjectofstudy,hasgivenanautomobileoutelectricsystematicpower-assistancedynamicsequation,hascombinedclassicscontroltheoryandtheoptimizationalgorithm,theparametercarriesoutvalidityinapplyingtorealityhavingstudied,testifyingthissystemonsystematicpower-assistance.ThispaperpresentsanelectricpowersteeringsystemcontrolledbyP87C591microprocessor.Themotorgiventorqueiscomputedbyexpertcontrolsystem.Thepracticaloutputtorqueisclosed-loopcontrolled.TheworkingprincipleandkeytechnologiesforreliabledesignofEPScontrollerwereanalyzed.Thesignalprocessingcircuitandthepowerdrivecircuitwerehierarchicallydesignedtoimprovetheantijammingcapabilityandreliability.ThePWMfrequencywasselectedconsideringtheinfluenceofswitchingcurrentpulseonthesafetyofthetransistorsandthemotorshouldbetakenintoaccount.Besidesparalleledfortheeconomy,theheatdissipationandthereliability.Itsrelevantparameterswereselectedtoimprovethedriveefficiencyandthestableoperationcapability.Theresultsoftheexperimentshowthesystemdesignedhasgoodsteeringcharacteristicsandmeetstherequestofelectricpowersteering.KeywordsElectricPowerSteering;Microprocessor;ThebridgedrivesH;PWMchoppedwave;ControlSystem目錄第1章概述··············································11.1EPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介······································11.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況································21.3EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)····································3第2章EPS系統(tǒng)模型······································72.1EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理······························72.2建立EPS動(dòng)力學(xué)模型·······························82.3EPS的動(dòng)力學(xué)方程··································82.4直流電動(dòng)機(jī)·······································11第3章基于高性能P87C591單片機(jī)控制方案制定·············123.1單片機(jī)控制方案···································123.1.1P87C591單片機(jī)芯片簡(jiǎn)介·······················123.1.2單片機(jī)控制系統(tǒng)······························143.2EPS工作流程圖···································163.3助力電流控制系統(tǒng)································173.3.1控制策略···································173.3.2電機(jī)目標(biāo)助力電流算法·······················173.3.3助力電流閉環(huán)控制···························18第4章EPS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)···································214.1EPS控制器模塊化設(shè)計(jì)····························214.2電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)·································224.2.1H橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110功能簡(jiǎn)介··················224.2.2H橋功率驅(qū)動(dòng)電路··························244.2.3電機(jī)保護(hù)電路·······························254.3PWM斬波·········································264.3.1PWM控制原理································264.3.2PWM斬波電路4.3.3驅(qū)動(dòng)頻率的選擇······························28第5章汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)···························325.1線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)·····································325.2轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)·································32結(jié)束語··················································33致謝····················································34參考文獻(xiàn)················································35汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）硬件設(shè)計(jì)第1章概述1.1EPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀(jì)80年代中期提出來的。該技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用較成熟的當(dāng)屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和Delphi

Sagiaw

（薩吉諾）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而Delphi

Sagiaw

（薩吉諾）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，

Electric

Power

Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)單、裝配靈活以及在多種工作狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機(jī)械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機(jī)及微電腦控制單元組成。該系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個(gè)信號(hào)，與車速傳感器測(cè)得的車速信號(hào)一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過助力裝置實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值。1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展概況作為汽車的一個(gè)重要組成部分,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成,如何設(shè)計(jì)汽車的轉(zhuǎn)向特性,使汽車具有良好的操縱性能,始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?汽車的操縱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3個(gè)基本發(fā)展階段。1純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),由于采用純粹的機(jī)械解決方案,為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤,這樣一來,占用駕駛室的空間很大,整個(gè)機(jī)構(gòu)顯得比較笨拙,駕駛員負(fù)擔(dān)較重,特別是重型汽車由于轉(zhuǎn)向阻力較大,單純靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉,目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用。2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),此后該技術(shù)迅速發(fā)展,使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價(jià)格等方面都取得了很大的進(jìn)步。80年代后期,又出現(xiàn)了變減速比的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi),動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新差不多都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),比較有代表性的是變流量泵液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(VariableDisplacementPowerSteeringPump)和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(ElectricHydraulicPowerSteering,簡(jiǎn)稱EHPS)系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下,泵的流量會(huì)相應(yīng)地減少,從而有利于減少不必要的功耗。電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵,由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào),可以即時(shí)關(guān)閉,所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞,布置更方便,降低了轉(zhuǎn)向操縱力,也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向操縱助力,目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應(yīng)用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。3汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)EPS在日本最先獲得實(shí)際應(yīng)用,1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上,隨后又配備在Alto上。此后,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展,其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司,美國的Delphi公司,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展,并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期開發(fā)的EPS僅低速和停車時(shí)提供助力,高速時(shí)EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時(shí)提供助力,而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,EPS技術(shù)日趨完善,并且其成本大幅度降低,為此其應(yīng)用范圍將越來越大。1.3EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進(jìn)行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：①降低了燃油消耗。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵，使液壓油不停地流動(dòng)，浪費(fèi)了部分能量。相反電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時(shí)才需要電機(jī)提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動(dòng)機(jī)。而且,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)不工作，需要轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了"按需供能"，是真正的"按需供能型"（on-demand）系統(tǒng)。②增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力機(jī)與助力機(jī)構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力大大增強(qiáng)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機(jī)，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向車輪對(duì)轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。

③改善了轉(zhuǎn)向回正特性。當(dāng)駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一角度后松開時(shí)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以獲得最佳的回正特性。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動(dòng)態(tài)性能相機(jī)匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來有一定困難。④提高了操縱穩(wěn)定性。通過對(duì)汽車在高速行駛時(shí)過度轉(zhuǎn)向的方法測(cè)試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個(gè)過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時(shí)間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。⑤提供可變的轉(zhuǎn)向助力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機(jī)。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個(gè)車速的可變轉(zhuǎn)向力?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時(shí)，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場(chǎng)操作。在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對(duì)軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費(fèi)用很小。⑥采用"綠色能源"，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用"最干凈"的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題，可以說該系統(tǒng)順應(yīng)了"綠色化"的時(shí)代趨勢(shì)。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能回收，易對(duì)環(huán)境造成污染。⑦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以不需要對(duì)不同的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工等,不但節(jié)省了費(fèi)用，也為設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，使得工程師們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設(shè)計(jì)在一起或單獨(dú)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件的空間利用率極高。⑧生產(chǎn)線裝配性好。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲(chǔ)油罐等部件，零件數(shù)目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時(shí)間，提高了裝配效率。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。第2章EPS系統(tǒng)模型2.1EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。系統(tǒng)主要由車速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)電流傳感器、控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、故障指示燈、離合器和直流電動(dòng)機(jī)等組成。中央控制器ECU是EPS系統(tǒng)的核心部件,它是汽車定速巡航系統(tǒng)的一部分，是速度控制系統(tǒng)的中樞，根據(jù)每種車型最平穩(wěn)加速設(shè)計(jì)確定。ECU根據(jù)指令車速、實(shí)際車速及其它輸入信號(hào)，經(jīng)CPU數(shù)據(jù)處理之后輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度?？刂破鞲鶕?jù)各傳感器輸出的信號(hào)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和最佳助力轉(zhuǎn)矩,向電動(dòng)機(jī)和離合器發(fā)出控制信號(hào),通過功率驅(qū)動(dòng)電路控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)的輸出經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)減速增扭后,驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu),產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。通過精確的控制算法,可任意改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小,使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值。同時(shí),控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷,一旦發(fā)生故障,將中斷對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓供給,并點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障警示燈,同時(shí)將故障類型以代碼的形式存儲(chǔ)。圖2-1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.車速信號(hào)2.轉(zhuǎn)矩信號(hào)3.電動(dòng)機(jī)反饋電流信號(hào)4.離合器驅(qū)動(dòng)信號(hào)5.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)6.ECU7.轉(zhuǎn)矩傳感器8.減速機(jī)構(gòu)9.離合器10.直流電動(dòng)機(jī)2.2建立EPS動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的動(dòng)力學(xué)模型如下圖2-2所示,圖2-2EPS動(dòng)力學(xué)模型示意圖設(shè)轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為、、、;轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)的阻尼分別為、、、;轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角分別為、、、;轉(zhuǎn)向盤力矩、前輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)阻力矩、電動(dòng)機(jī)作用到轉(zhuǎn)向柱的助力力矩分別為、、。2.3EPS的動(dòng)力學(xué)方程EPS中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間通過扭矩傳感器連接,根據(jù)傳感器的工作原理有:（2-1）式中,、表示扭矩傳感器的扭矩和剛度?？紤]到EPS中的速度匹配特性,即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后應(yīng)與轉(zhuǎn)向柱速度快慢一致以及前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向柱工作的協(xié)調(diào)性,有:（2-2）（2-3）式中、分別表示電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角、前輪和轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角的傳動(dòng)比。汽車在小轉(zhuǎn)角的情況下,輪胎特性處于線性變化范圍,前輪受到的阻力矩與前輪轉(zhuǎn)角成正比,即（2-4）根據(jù)以上條件結(jié)合相關(guān)的力學(xué)定律可建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）圖2-3電動(dòng)機(jī)電樞電路示意圖汽車在轉(zhuǎn)向過程中,控制單元根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)到駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤的力矩信號(hào)和車速信號(hào)來決定電動(dòng)機(jī)的助力扭矩的大小和方向,在電動(dòng)機(jī)和駕駛員的共同作用下來實(shí)施轉(zhuǎn)向。其電動(dòng)機(jī)采用直流電機(jī),電樞電路如圖2-3所示,忽略其電感,則電動(dòng)機(jī)端電壓U與電樞電阻R和電流I的電壓平衡方程式為:（2-9）電動(dòng)機(jī)輸出扭矩和電動(dòng)機(jī)的電流存在以下關(guān)系:(2-10)在對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制中可以根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)到的扭矩信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)的電壓,即(2-11)式中,為控制器。根據(jù)式(2-1)可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角一定時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角越小,則駕駛員作用到轉(zhuǎn)向盤的扭矩越小,轉(zhuǎn)向越輕便,達(dá)到了減輕駕駛員操縱力的作用,因此可以建立以為輸入,為輸出的EPS系統(tǒng)助力特性傳遞函數(shù),系統(tǒng)控制框圖如圖2-4所示,系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下:（2-12）式中,,,,為控制器函數(shù)的拉氏變換。圖2-4EPS控制框圖2.4直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行單元,在該系統(tǒng)中起著重要的作用。圖2-5直流電動(dòng)機(jī)原理圖如上圖所示，給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。選擇無刷永磁直流電機(jī)即可滿足設(shè)計(jì)要求。第3章基于高性能P87C591單片機(jī)控制方案制定3.1單片機(jī)控制方案3.1.1P87C591單片機(jī)芯片簡(jiǎn)介PHILIPS公司生產(chǎn)的P87C591單片機(jī)有44個(gè)引腳，是一個(gè)單片8位高性能微控制器，它具有片內(nèi)CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生而來。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半導(dǎo)體SJA1000CAN控制器強(qiáng)大的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式。振蕩器可停止和恢復(fù)而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1：1內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻器在12MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。微控制器以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并設(shè)計(jì)用于汽車和通用的工業(yè)應(yīng)用。除了80C51的標(biāo)準(zhǔn)特性之外，器件還為這些應(yīng)用提供許多專用的硬件功能。P87C591組合了P87C554(微控制器)和SJA1000(獨(dú)立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增強(qiáng)特性：增強(qiáng)的CAN接收中斷擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器驗(yàn)收濾波器可"在運(yùn)行中改變"通常，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個(gè)8位單片機(jī)系統(tǒng)。因此，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用此種型號(hào)單片機(jī)作為控制系統(tǒng),能夠很好的達(dá)到控制要求。P87C591功能框圖如下所示：圖3-1P87C591功能框圖特性1.16K字節(jié)內(nèi)部OTP程序存儲(chǔ)器512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM2.3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1、和T2(捕獲&比較)1個(gè)片內(nèi)看門狗定時(shí)器T33.帶6路模擬輸入的10位ADC可選擇快速8位ADC4.增強(qiáng)性能的6CLK加速指令周期500ns12MHz5.2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出(PWM)6.具有32個(gè)可編程I/O口(準(zhǔn)雙向推挽高阻和開漏)7.帶硬件總線接口8.全雙工增強(qiáng)型UART帶有可編程波特率發(fā)生器9.雙DPTR10.可禁止ALE實(shí)現(xiàn)降低EMI11.低電平復(fù)位信號(hào)12.增強(qiáng)型PeliCAN內(nèi)核13.增強(qiáng)的溫度范圍-40—+85攝氏度14.提供PLCC44、QFP44封裝3.1.2單片機(jī)采樣的模擬量包括蓄電池電壓、方向盤的主、副扭矩傳感器信號(hào)、電機(jī)電流、電機(jī)端電壓等參數(shù)。車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等非電量信號(hào)經(jīng)過頻率輸人電路處理后,其輸出脈沖信號(hào)分別送到定時(shí)器0和定時(shí)器1的兩個(gè)外部計(jì)數(shù)端口T0和T1,通過定時(shí)器T2讀取采樣到的脈沖可以分別得到車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;單片機(jī)的PWM0口用來產(chǎn)生20K的方波頻率信號(hào),PWM1口作為助力電流指令的D/A輸出,PWM0、PWM1與電機(jī)反饋電流一起作為PWM電路的輸人信號(hào),形成FET-H橋基極驅(qū)動(dòng)的PWM斬波。除此之外，系統(tǒng)還有保證轉(zhuǎn)向可靠性的轉(zhuǎn)向鎖定電路、電機(jī)端電壓獲取電路、電機(jī)故障檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、EPS故障燈驅(qū)動(dòng)電路、電源變換電路。FET-H橋驅(qū)動(dòng)、離合器驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。EPS硬件控制電路框圖如下圖3-2所示。圖3-2EPS硬件控制方框圖當(dāng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí),微控制器即進(jìn)行自檢,自檢通過后,閉合繼電器和離合器,EPS系統(tǒng)便開始工作。其基本助力過程為駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向,扭矩傳感器檢測(cè)到方向盤的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,車速傳感器檢測(cè)到車速信號(hào),這些信號(hào)分別經(jīng)過扭矩傳感器輸人電路和頻率輸人電路處理后送至P87C591相應(yīng)端口,單片機(jī)根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速等數(shù)據(jù),并依據(jù)系統(tǒng)助力特性,確定電流的大小和方向,通過PWM1口發(fā)出電流指令和不停地對(duì)溫度、扭矩、電機(jī)、離合器進(jìn)行檢測(cè),如發(fā)現(xiàn)異常,單片機(jī)將通過EPS驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)EPS燈亮進(jìn)行報(bào)警提示,同時(shí)斷開繼電器、離合器退出電動(dòng)助力工作模式,轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力模式。3.2EPS工作流程圖扭矩電壓=2.5V扭矩電壓=2.5V車速45Km/h無故障NNY開始采集扭矩信號(hào)采集車速信號(hào)閉合離合器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)處理輸入輸出信號(hào)誤差計(jì)算PWM的占空比電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)輸出控制PID控制故障類型輸出顯示結(jié)束NYY圖3-3EPS工作流程圖3.3助力電流控制系統(tǒng)3.3.1控制策略EPS控制系統(tǒng)助力輸出電流（力矩）T。由電機(jī)目標(biāo)助力電流控制算法和電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制兩部分組成。前者根據(jù)駕駛員對(duì)方向盤施加的扭矩和車速確定電機(jī)助力的目標(biāo)電流；后者根據(jù)電機(jī)目標(biāo)電流和電機(jī)反饋電流對(duì)電機(jī)實(shí)際輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制。圖3-4所示為助力電流控制策略原理框圖。方向盤扭矩方向盤扭矩車速助力電流控制算法電機(jī)輸出電流控制電動(dòng)機(jī)圖3-4助力電流控制策略圖3.3.2電機(jī)目標(biāo)助力電流算法控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員施加在方向盤上的力矩和當(dāng)時(shí)的車速,按照預(yù)制助力特性確定電機(jī)目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向,由于直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比,故可用通過電樞的電流來代替電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行運(yùn)算分析,其助力算法為:（3-1）其中,為計(jì)算機(jī)給定的目標(biāo)助力電流(轉(zhuǎn)矩),為扭矩傳感器檢測(cè)到的方向盤力矩信號(hào),為車速信號(hào),為助力比,即電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和方向盤輸出力矩的比值,它是車速信號(hào)的函數(shù)。圖3-5電機(jī)電流助力特性從上圖可以看出,EPS系統(tǒng)的助力特性是一個(gè)非線性函數(shù)。本系統(tǒng)制定的助力特性曲線示意圖，橫坐標(biāo)為方向盤扭矩傳感器電壓信號(hào),反映了方向盤扭矩的大小和方向,縱坐標(biāo)為電機(jī)目標(biāo)助力電流。當(dāng)駕駛員施加在方向盤上力矩在死區(qū)(-1--+1)范圍內(nèi),即方向盤位于中間位置附近時(shí),電機(jī)助力電流為0，基本不起助力作用,以防止轉(zhuǎn)向過度靈敏;當(dāng)方向盤力矩越過死區(qū),電機(jī)根據(jù)方向盤偏離方向線性的施加助力轉(zhuǎn)矩，助力部分發(fā)揮助力作用效果比較明顯。車速越高,助力電流與方向盤力矩之間的增益越小,以保證該系統(tǒng)在低車速時(shí)發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向作用,在高車速時(shí)明顯減小助力轉(zhuǎn)向效果,從而使駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)獲得較好的路感。為使方向盤操作平滑及左右轉(zhuǎn)向時(shí)手感一致,助力特性曲線保證了左右輸人力矩與輸出電流（力矩）的對(duì)稱性。3.3.3助力電流閉環(huán)控制系統(tǒng)采用無刷永磁直流電機(jī),端電壓U與電感L、電樞電阻R、反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)、轉(zhuǎn)速、電流I和時(shí)間t的動(dòng)態(tài)關(guān)系如下：（3-2）當(dāng)電機(jī)電流穩(wěn)定時(shí),可以簡(jiǎn)化為：（3-3）由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流I成正比,由式（3-3）可知,電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制有電流控制和電壓控制兩種。電壓控制為開環(huán)控制,控制精度不高,故系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制方式,使得電機(jī)目標(biāo)電流和實(shí)際工作電流之間的誤差能夠減少為零或足夠的小,而電流控制又可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓實(shí)現(xiàn),利用PWM控制技術(shù)把加在FET-H橋上的14V直流電壓變成電壓脈沖列,并通過控制電壓脈沖寬度來調(diào)整電機(jī)端電壓值的大小,從而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出電流轉(zhuǎn)矩的大小。其原理如圖3-6所示。圖中ZR為正轉(zhuǎn)信號(hào),FR為反轉(zhuǎn)信號(hào),SSD為轉(zhuǎn)向鎖定信號(hào),PWM為斬波脈沖信號(hào)。圖3-6電流閉環(huán)控制原理圖由于EPS直流電動(dòng)機(jī)需要正反轉(zhuǎn)控制,其控制電路采用如上圖所示的FET-H橋式電路,其極驅(qū)動(dòng)電路采用分立元件搭建而成。功率管FET(a)與FET(d)受基極驅(qū)動(dòng)電路控制同時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷,電流經(jīng)14V電源、FET(a)電機(jī)、FET(d)、地構(gòu)成正轉(zhuǎn)回路。反之,電流經(jīng)14V電源、經(jīng)FET(b)、電機(jī)、FET(c)、地構(gòu)成反轉(zhuǎn)回路。計(jì)算機(jī)發(fā)出的20K頻率信號(hào)PWM0經(jīng)過三角波電路形成20K的三角波輸人至比較器的反相端計(jì)算機(jī)發(fā)出的目標(biāo)助力電流指令PWM1與反饋電流進(jìn)行模擬PID調(diào)節(jié)后作為比較器的同相端輸人,比較器對(duì)兩個(gè)輸人進(jìn)行比較后就形成FET-H橋基極驅(qū)動(dòng)的PWM斬波信號(hào)。PWM1值(即目標(biāo)助力電流)越大,經(jīng)過比較器比較后得到PWM斬波信號(hào)的占空比也就越大,從而電機(jī)電流(力矩)就大,反之電機(jī)電流(力矩)就小。P87C591單片機(jī)PWM0口發(fā)出20K頻率方波信號(hào),經(jīng)過三角波電路處理后形成20K的三角波信號(hào)輸入至比較器的反相端;把P87C591單片機(jī)PWM1口配置成一個(gè)DAC,發(fā)出由助力特性得出的目標(biāo)助力電流指令,D/A轉(zhuǎn)換為電壓模擬量后與反饋電壓模擬量進(jìn)行模擬PID調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的結(jié)果輸入至比較器的同相端,比較器對(duì)兩個(gè)輸入進(jìn)行比較后就形成了相應(yīng)大小占空比的PWM斬波脈沖信號(hào)。本系統(tǒng)PWM1發(fā)出給定助力電流指令信號(hào)范圍為0～5V,對(duì)應(yīng)PWM斬波脈沖信號(hào)占空比為0～100%,即加在電機(jī)電壓U范圍為0～14V,電機(jī)實(shí)際輸出電流控制范圍為0～25A,對(duì)應(yīng)的反饋電壓信號(hào)范圍為0～5V。當(dāng)電機(jī)實(shí)際輸出電流與給定電流相等時(shí),反饋信號(hào)與給定指令信號(hào)相等,PWM占空比維持不變,否則有如下的調(diào)節(jié)過程:當(dāng)實(shí)際輸出電流小于給定電流時(shí):減小——減小——增大——PWM增大——U增大——增大當(dāng)實(shí)際輸出電流大于給定電流時(shí):增大——增大——減小——PWM減小——U減小——減小第四章EPS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1EPS控制器模塊化設(shè)計(jì)由于EPS系統(tǒng)助力電動(dòng)機(jī)的工作電流非常大,最大可達(dá)30A,在控制器的開發(fā)中,為增強(qiáng)硬件系統(tǒng)的抗干擾能力、提高系統(tǒng)的可靠性,將硬件系統(tǒng)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)。將信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)成一塊電路板,而將功率較大、發(fā)熱量大的助力電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成配帶散熱片的驅(qū)動(dòng)電路板,兩電路板之間的電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)、電磁離合器控制信號(hào)通過光耦隔離和排線聯(lián)接?？刂破鞯哪K化結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。控制器是EPS系統(tǒng)的核心部件，主要由微處理器、傳感器信號(hào)調(diào)理接口電路、脈寬調(diào)制器、看門狗電路、電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊等組成。電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊為由功率MOS管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路,為了提高電動(dòng)機(jī)控制效果,減小電動(dòng)機(jī)振蕩,H橋驅(qū)動(dòng)電路采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式?？刂破鞲鶕?jù)輸入的轉(zhuǎn)向工況,可通過控制H橋電路產(chǎn)生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉(zhuǎn)向盤的操縱性能。轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器車速傳感器電流傳感器發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)處理電路微處理器驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路直流電動(dòng)機(jī)離合器EPS指示燈ECU供電模塊故障診斷模塊圖4-1EPS控制器模塊化結(jié)構(gòu)圖4.2電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)4.2.1H橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110功能簡(jiǎn)介美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。1.驅(qū)動(dòng)芯片IR2110功能簡(jiǎn)介在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。2.IR2110引腳功能及特點(diǎn)簡(jiǎn)介內(nèi)部功能如下圖4-2所示:圖4-2IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖LO（引腳1）:低端輸出COM（引腳2）:公共端

Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓Nc（引腳4）:空端

Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓VB(引腳6):高端浮置電源電壓

HO（引腳7）:高端輸出Nc（引腳8）:空端

VDD（引腳9）:邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入

SD（引腳11）:關(guān)斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入

Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0VNc（引腳14）:空端3.IR2110的特點(diǎn)：（1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。（2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。（3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。（4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有V的便移量。（5）工作頻率高，可達(dá)500KHz。（6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。（7）圖騰柱輸出峰值電流2A。4.IR2110的工作原理IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊為由功率MOS管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路,為了提高電動(dòng)機(jī)控制效果,減小電動(dòng)機(jī)振蕩,H橋驅(qū)動(dòng)電路采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式?？刂破鞲鶕?jù)輸入的轉(zhuǎn)向工況,可通過控制H橋電路產(chǎn)生助力控制、阻尼控制和回正控制形式,提高轉(zhuǎn)向盤的操縱性能。4.2.2H橋功率驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)是EPS系統(tǒng)的執(zhí)行單元,對(duì)電機(jī)的控制在該系統(tǒng)中有著特殊的地位。在所設(shè)計(jì)的E