车辆工程毕业设计论文-基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于单片机的电动转向助力系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

电动助力转向系统的主要控制对象是电动机。 对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两种。 简单控制是指对电动机进行起动、制动、正反转控制和顺序控制。 这类控制可通 过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。 复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。 随着控制要求的提高，对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。 电动助力转向系统主要是实现电枢电压的控制，因此也属于电动机复杂控制的范畴。 转向时，控制单元根据检测到传感器的信号以及电动机的电流信号，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制信号，通过电动机驱动电路调节占空比，使电动机按方向盘转动的方向和车速信号提供所需的助力转矩。 电控单元是电子控制系统中最重 要的原件之一，其性能在一定程序上决定着电子 10 系统的性能，选择油路的控制器对取得良好的控制效果非常重要。 STC89C52RC 是的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，另外 STC 单片机成本较低，性能较好，原有程序可以直接使用，硬件无需改动。 STC89C51 系列单片机选型如表。 HD 版本和 90C 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。 其主要性能如下： （ 1）增强型 8051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统 8051。 （ 2）工作电压： （ 5V 单片机） /（ 3V 单片机）。 （ 3）工作频率范围： 0~40MHz 相当于普通 8051 的 0~80MHz，实际工作频率可达 48MHz。 （ 4）用户应用程序空间： 4K/8K/12K/16K/32K/64K 字节。 （ 5）片上集成 1280 字节或 512 字节 RAM。 （ 6）通过 I/O 口（ 35/39 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉（普通8051 传统 I/O 口）； P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O口用时，需加上拉电阻。 表 STC89C51RC/RD+系列单片机选型一 览 型号 STC89C52RC STC89LE53RC STC89C54RD+ 工作电压（ V） ~ ~ ~ 最高时钟频率 Hz 5V 0~80M — 0~80M 3V — 0~80M — Flash 程序存储器（字节） 8K 13K 16K SRAM 字节 512 512 1280 定时器 3 3 3 UART 串口 1 个 1 个 1 个 DPTR 2 2 2 EEP ROM（字节） 4K 4K 45K 看门狗 有 有 有 A/D — — — 中断源 8 8 8 中优先级 4 4 4 I/O 35/39 35/39 35/39 支持掉电唤醒外部中断 4 个 4 个 4 个 11 内置复位 有 有 有 （ 7） ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（ RxD/,TxD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 （ 8）有 EEPRROM 功能。 （ 9）看门狗。 （ 10）内部集成 MAX810 专用复位电路（ HD 版本和 90C 版本才有），外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路。 （ 11）共 3 个 16 位定时器 /计数器，其 中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用。 （ 12）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 （ 13）通过异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART （ 14）工作温度范围： 40~85℃ （工业级） /0~75℃ （商业级） （ 15）封装： LQFP44,PDIP40,PLCC44, STC89 系列，优先选择LQFP44 封装。 本设计采用的 STC89C52RC 单片机的内部结构框图如下图所示， STC89C52RC 单片 机中包含中央处理器 (CPU)、程序存储器（ SRAM）、定时 /计数器、 UART 串口、 I/O接口、 EEPROM、看门狗等模块、 STC89C52RC 单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。 如 图 是内部结构框图。 12 图 内部结构框 图 本章小结 本章主要介绍了电动助力转向系统的 类型，并对传统液压助力转向系统和电动助力转向系统进行比较。 并对传感器、电机和单片机的选型做了介绍 ，为下一章的系统硬件设计打下基础。 第 3 章 EPS系统的硬件设计 EPS 系统 硬件电路结构 电动助力转向系统要实现的主要功能是采集来自转矩传感器、车胜元传感器的信号经过控制器（ ECU）运算后，控制直流电机为驾驶员提供转向助力，从而达到改善 13 驾驶舒适性的目的。 因此控制器 ECU 是电动助力转向系统研究的主要内容之一，是控制策略实现的硬件基础，控制器的硬件性能直接影响 EPS 的控制效果。 本课题的控制电路主要包括以下几部分电路：（ 1）信号处理电路，（ 2）电源电路，（ 3）电机驱动电路（ 4）单片机周边最小电路。 下图是 EPS 控制系统框图。 EPS 控制系统框图 单片机最小系统电路 时钟电路 时钟电路是单片机系统硬件中的一个关键部分，由于晶振体的工作频率十分高，设计不当很有可能使其工作时会产生对其他电路造成干扰的高频信号，尤其是对 AD转矩输入信号的干扰； STC89C52 单片机的时钟输入接口在 18（ XTAL2）和 19（ XTAL1）引脚上，当时钟晶振频率为 12M~25MHz 时，时钟电路中电容 一般 小于 47pF。 本设计采用 33pF。 3V:(可外部 24MHz,双倍 48MHz)， 时不要进行 IAP 擦除 /编程。 外部晶振体的链接分为串联型、并联型和使用外部有源晶振器 3 种方式。 但是实际应用电路设计中一般采用并联型方式。 时钟电路如 图 所示 ： STC89C52RC 车速信号 转矩信号 信号处理电路 时钟电路 电机驱动电路 电源模块 信号处理电路 复位电路 助力电机 14 图 时钟电路 复位 STC89C52 系列单片机有 4 中复位方式：外部 RST 引脚复位，软件复位，掉电复位 /上电复位。 （ 1）外部 RST 引脚复位 外部 RST 引脚复位就是外部想 RST 引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。 将 RST 复位管脚拉高并维持至少 24 个时钟加 us 后，单片机会进入复位状态，将 RST 复位管脚拉回低电平后，单片机结束复位状态并从 用户程序区 0000H 处开始正常工作。 （ 2）软件复位 用户应用程序在运行过程当中，有时会有特殊需求，需要实现单片机系统软复位（热启动之一），传统的 8051 单片机由于硬件上未支持此功能，用户必须用软件模拟实现，实现起来较为麻烦。 现 STC 新推出的增强型 8051 根据用户要求增加了ISP_CONTR 特殊功能寄存器，实现了此功能。 用户只需简单的控制 ISP_CONTR 特殊功能寄存器的其中两位 SWBS/SWRST 就可以系统复位了。 （ 3）上电复位 /掉电复位 当电源电压 VCC 地狱上电复位 /掉电复位电路的检查门槛电压时，所有 的逻辑电路都会复位。 当 VCC 重新恢复正常电压时， HD 版本的单片机延迟 2048 个时钟（ 90C版本单片机延迟 32768 个时钟）后，上电复位 /掉电复位结束。 进入掉电模式时，上电复位 /掉电复位功能关闭。 （ 4）看门狗（ WDT）复位 适用型号： STC89C51RC ， STC89C52RC ， STC89C53RC ， STC89LE51RC ，STC89LE53RC， STC89C54RD+， STC89C58RD+， ST89C516RD+， STC89LE54RD+，STC89LE516RD+。 15 在工业控制 /汽车电子 /航空航天等需要 高可靠性的系统中，为了防止 “系统在异常情况下，受到干扰， MCU/CPU 程序跑飞，导致系统长时间异常工作 ”，通常是引进看门狗，如果 MCU/CPU 不在规定的时间内按要求访问看门狗，就认为 MCU/CPU 处于异常状态，看门狗就会强迫 MCU/CPU 复位，使系统重新从头开始按规律执行用户程序。 STC89C51RC/RD+系列单片机内部也引进了此看门狗功能，使单片机系统可靠性设计变得更加方便 /简洁。 本设计采用的是 外部 RST 引脚复位 这种复位方式，在 RST 引脚上连接了一个复位按键，因为这种复位方式比较简单，而且可以达到设 计要求，故而采用这种复位方式。 电源电路 车用电器设备都由车载电瓶供电，一般为 12V 直流电源，车身为零电位。 EPS 系统中电动机和电机驱动芯片采用的是 12V 直流电源，单片机系统、传感器及反向器等集成芯片采用 5V 电源，故 EPS 系统的电源应包括 12V， 5V。 通常我们用 7805 进行电压转换。 78 系列的稳压集成块的极限输入电压是 36V，最低输入电压为输出电压的 34V以上。 本设计采用的是 L7805CV，它有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 L7805CV 实物图如 图 所示 ： 图 L7805CV 实物图 电动机的驱动 常用的电机驱动芯片有 L297/298， MC333886， ML4428 等。 本设计采用 L298。 L298 内部包含 4 通道逻辑驱动电路。 是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内涵二 16 个 H 桥的高压大电流双桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、 2A以下的电机。 L298 芯片的引脚图如 图 所示 ， L298 的实物图如图 所示 ： L298的逻辑控制 如 表 所示 ： 图 L298 芯片引脚图 L298 的 运行参数 如表 所示 ， L298 的 引脚功能 如表 所示 ： 表 L298 的运行参数： 参数 符号 测试环境 最小值 典型值 最大值 单位 驱动电源电压 Vs — — 46 V 逻辑电源电压 Vss — 5 7 V 输入低电平电压 ViL — — V 输入高电平电压 ViH — — Vss V 使能端低电平电压 Ven=L — — V 使能端高电平电压 Ven=H — — Vss V 全桥式驱动器总成的电压降（每一路） VcE (sat) IL=1A IL=2A — V V 检测电压 1,15 脚 Vsen — 1 — 2 V 表 L298 的引脚功能 引脚 符号 功能 1 SENSING A 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号 17 15 SENSING B 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器 A 的输出端，用来连接负载 4 Vs 电机驱动电源输入端 5 7 IN 1 IN 2 输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 A 的开关 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端，输入标准 TTL 逻辑电 平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作 8 GND 接地端，芯片本身的散热片与 8 脚相通 9 Vss 逻辑控制部分的电源输入端口 10 12 IN 3 IN4 输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 B 的开关 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器 B 的两个输出端，用来连接负载 图 L298 实物 图 表 L298 的逻辑控制 IN1 IN2 ENA 电机状态 X X 0 停止 1 0 1 顺时针 0 1 1 逆时针 0 0 0 停止 1 1 0 停止 三态缓冲器 缓冲器是数字元件的其中一种，它对输入值不执行任何运算，其输出值和输入值一样，但它在计算机的设计中有着重要作用。 18 缓冲器分为两种，常用缓冲器（常说缓冲器）和三态缓冲器。 常规缓冲器总是将值直接输出，用在推进电流到高一级的电路系统。 三态缓冲器除了常规缓冲器的功能外，还有一个选项卡通输入端，用 E 表示。 当 E=0 和 E=1 时有不同的输出值。 缓冲器又可以分为输入缓冲器和输出缓冲器两种。 前者的作用是将外设送来的数据暂时存放，以便处理器将它取走；后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。 有了数控缓 冲器，就可以使高速工作的 CPU 与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。 由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。 当 E=1 时，选通，其输入直接送到输出； 若 E=0，缓冲器被阻止，无论输入什么值，输出的总是高阻态，用 Z 表示。 高阻态能使电流降到足够低。 本设计采用的是 74HC5。