（光学工程专业论文）大型电动客车助力转向系统的控制策略研究.pdf

中文摘要 电动助力转向系统( e p s ) 是当前汽车领域内一种成熟、可靠的动力转向系 统。它通过电机驱动提供合适的转向助力，辅助完成转向，提高了汽车的转向 性能，在乘用车领域里得到了广泛的应用。而在商用车领域内，仍然以液压助 力转向系统为主。对于大型电动客车，动力源的转型使液压助力系统的弊端更 加明显。纵观国内外，已有部分学者开始了商用车辆e p s 系统的研究工作，但 面市的产品仍很少。因此，电动客车e p s 系统，具有广阔的市场前景和实际的 应用价值。 本文在乘用车e p s 系统的理论基础上，针对电动客车的转向系统和运行工 况，对助力特性进行了研究。作为创新点，本文采用车速、方向盘转矩、前轴 负荷3 个变量来研究电动客车的助力特性曲线。参考直线型助力表达式，推导 出含有这3 个变量的助力特性表达式，并将助力特性曲线的拟合转化为“助力 斜率 的拟合设计。通过阶跃转向仿真，获得部分车速和载荷下最大转向力， 从而计算出相应的助力斜率值。 在成熟的控制理论基础上，对模糊控制和p i d 控制进行了分析。针对电机 模型，建立p i d 控制模型，通过对目标电流和电机反馈电流进行控制，从而获 得电机的电压控制信号。通过模糊控制策略，对助力斜率值进行模糊推理，从 而获得任意车速和载荷下的助力斜率值。 以汽车动力学为基础，利用a d a m s c a r 软件建立包括转向系统、动力系统、 车身系统、车轮、悬架系统在内的汽车整车模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建 立模糊控制模型、p i d 控制模型、助力电机模型，并将二者联合，建立闭环控制 的仿真模型。 最后，对e p s 系统进行仿真评价：阶跃转向仿真评价汽车瞬态响应特性； 稳态回转仿真评价汽车转向特性；双纽线仿真评价转向系统操纵轻便性。通过 这3 个仿真结果，分析得到e p s 系统在保证不足转向特性的基础上改善了整车 的瞬态响应和操纵轻便性。 关键词：电动助力转向系统，前轴负荷变量，助力斜率曲线，联合仿真 a b s t r a c t i nt h ec u r r e n t ，t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i sam a t u r e ，r e l i a b l e p o w e rs t e e r i n gs y s t e mi nt h ef i e l do fa u t o m o t i v e d e p e n d i n go nm o t o rd r i v e ，i tc a l l p r o v i d es u i t a b l ea s s i s tf o r c ei m m e d i a t e l yt oa u x i l i a r yt h ed r i v e rt oc o m p l e t es t e e r i n g a n di m p r o v et h es t e e r i n gc a p a b i l i t i e so fv e h i c l e s ，h a sb e e nw i d e l yu s e di n t h e p a s s e n g e ra r e a b u ti nt h ef i e l do fc o m m e r c i a lv e h i c l e s ，h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ss t i l lm a i n t a i nt h ed o m i n a n tp o s i t i o n t oe l e c t r i cb u s ，t h ed r a w b a c k so ft h e h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma p p e a rm o r eo b v i o u s l yb e c a u s eo ft h et r a n s f o r m a t i o n o ft h ep o w e rs o u r c e b o t ha th o m ea n da b r o a d ，s o m es c h o l a r sb e g a nt or e s e a r c ht h e e p sb a s e do nc o m m e r c i a lv e h i c l e s ，b u tt h e r ei sh a r d l ya n yo fe p sa p p e a r so nt h e m a r k e t t h e r e f o r e ，t h ee p so fe l e c t r i cb u sh a sw i d e l ym a r k e tp r o s p e c t sa n da c t u a l v a l u e m p a p e rb a s e di nt h et h e o r yo fp a s s e n g e rv e h i c l e se p s ，h a ss t u d yo na s s i s t c h a r a c t e r i s t i ca c c o r d i n gt os t e e r i n gs y s t e ma n dr u n n i n gc o n d i t i o no fe l e c t r i cb u s a s i n n o v a t i o n , t h i sp a p e rt a k et h ev a r i a b l e so fv e l o c i t y , s t e e r i n gw h e e lt o r q u ea n df r o n t a x l el o a dt or e s e a r c ht h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fe l e c t r i cb u s r e f e r e n c et ot h e e x p r e s s i o no fl i n e a ra s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，t h en e we x p r e s s i o no fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c i n c l u d i n gt h r e ev a r i a b l e sw a sd e r i v e d a n dt h ef i t t i n go fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ct ot h e f i t t i n go f a s s i s ts l o p e ”w a st r a n s f o r m e d a c c o r d i n gt os t e ps t e e r i n gs i m u l a t i o n , w e g e tt h em a x i m u ms t e e r i n gf o r c eo fp a r tv e l o c i t ya n dl o a dt oc a l c u l a t et h ev a l u eo f s l o p e b a s e do nt h em a t u r ec o n t r o lt h e o r y , w eh a v ea n a l y s e dt h ef u z z yc o n t r o la n dp i d c o n t r 0 1 e s t a b l i s h i n gp i dc o n t r o lm o d e lf o rm o t o rm o d e l ，w eg e tt h ev o l t a g ec o n t r o l s i g n a lb yt a r g e tc u r r e n ta n df e e d b a c kc u r r e n t a n df u z z yc o n t r o lm o d e lt og a i nt h e s l o p ev a l u eo fa n yv e l o c i t ya n dl o a dw a se s t a b l i s h e d t h ep a p e rb a s e do nv e h i c l ed y n a m i c s ，u s i n ga d a m s c a rt oe s t a b l i s hv e h i c l e m o d e li n c l u d i n gs t e e r i n gs u b s y s t e m ，p o w e rs u b s y s t e m ，b o d ys u b s y s t e m ，s u s p e n s i o n s u b s y s t e ma n dt i r e ss u b s y s t e m ；u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt oe s t a b l i s hf u z z yc o n t r o l m o d e l ，p i dc o n t r o lm o d e la n dm o t o rm o d e l t h e n ，e s t a b l i s hc o s i m u l a t i o nm o d e lo f c l o s e d l o o pc o n t r 0 1 h f i n a l l y , e v a l u a t e t h es i m u l a t i o no fe p s ：u s i n gs t e ps t e e r i n gs i m u l a t i o nt o e v a l u a t et h et r a n s i e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ；u s i n gs t e a d ys t a t i ec i r c u l a rs i m u l a t i o nt o e v a l u a t et h e s t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c ；u s i n g l e m n i s c a t es i m u l a t i o nt oe v a l u a t et h e s t e e r i n gp o r t a b i l i t y a n a l y s i st h et h r e es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ee p si m p r o v et r a n s i e n tr e s p o n s ea n d s t e e r i n gp o r t a b i l i t yo ft h ev e h i c l eb a s e do nk e e p i n gt h eh a n d l i n gs t a b i l i t y o ft h e v e h i c l e k e yw o r d s ：t h ee p ss y s t e m ，t h ev a r i a b l eo ff r o n t - a x l el o a d ，t h ec u r v eo fa s s i s t s l o p e ，c o s i m u l a t i o n， i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 1 1 年8 月止，我国的汽车保有量达到了1 亿辆，而全球正在使用的各类 汽车突破了1 0 亿辆l l j 。汽车的操纵性能及安全性能是汽车性能的重点，随着生 活水平提高，用户对这两点的要求也在提高，人们开始希望汽车在保证行驶安 全性的同时能够轻便驾驶，降低疲劳度。相对于客车而言，自重与承载质量都 远远大于微型汽车，因此，用户对客车的转向操纵性能的要求就体现的更加明 显与强烈。汽车的转向性能最直接的体现了它的操纵性能，甚至在一定程度上 也关系到整车的安全性能。因此，客车的e p s 系统的研究是非常重要的。 自从汽车问世之后，汽车转向系统的设计就需要考虑灵活性和轻便性这个 矛盾问题。合适的汽车主销位置参数可以让汽车具有一定的回正性能。汽车的 回正性能虽然可以提高操纵稳定性，但也加大了转向阻力。特别是前轴负荷大 的汽车，在低速时需求的转向力矩很大，降低了操纵舒适性，且驾驶员也易于 疲劳。在最初的设计中，该问题的基本解决方法是使用减速机构，且不断增大 减速比来放大转向盘上输入力矩。但是庞大的减速机构也会带来不易布置等相 应的问题。于是，在应用需求下，设计者们把目光转向了外界助力装置，促成 了助力系统的诞生。 经过了一个多世纪的发展，汽车的转向系统主要经历了五个阶段：传统机 械转向、液压助力式转向、电液助力式转向、电动助力式转向和线控式转向【2 j 。 其中，线控转向由于受到技术和成本等多方面的限制，在汽车上的应用仍不够 广泛。与另外两种助力系统相比较，电动助力式转向系统具有油耗低、自身零 部件少、自重小、控制策略更优、有利于环保、提高汽车安全性等优点而成为 近年来一种新型的转向系统。从市场应用上看，在乘用车上它已经较大范围地 取代了传统的液压助力转向系统，但在商用车方面的应用仍较少。因此，适用 于商用车的e p s 系统将会成为当代先进汽车技术的研究重点之一例。 伴随着节能、减排的呼声，我国市场上大中型电动客车相继出现，并且数 量在保持增长状态。虽然在我国9 0 以上的大中型客车仍然使用液压助力转向 系统，但是液压助力转向系统所具有的特点和缺点使它不适用于电动客车。根 据电动客车的动力源特点，电动助力转向系统比其他的助力系统更加适合于电 动客车。也就意味着需要一种适合大型客车工况的电动助力转向系统来代替原 武汉理工大学硕士学位论文 有的助力系统。 因此本文针对某实例车型，利用虚拟样机和控制软件的联合仿真技术，在 搭建一个整车仿真平台的基础上，结合大型电动客车的特点，对其e p s 系统进 行研究。 1 2 汽车助力转向系统发展历史 1 2 1机械液压助力转向系统( h p s ) 1 9 0 2 年，英国人f r e d e r i c kw l a n c h e s t e r 首次发明了机械液压助力系统1 4 j 。 但是直到半个世纪之后，它才被应用于实车上。因为直到此时，液压助力技术 才趋于成熟，其制造成本降低、可靠性提升。1 9 5 1 年，克莱斯勒在i m p e r i a l 车 系应用了液压助力转向系统，之后数年，液压助力系统越来越普遍。 如图1 1 所示，i - i p s 系统一般由机械转向部分和液压助力部分组成。液压助 力装置部分为助力的核心，由液压油泵、执行器、储油箱及管路组成。而机械 部分与常规机械式转向系统相似，其组成亦没有较大变化【5 j 酒爱。 转偈摇羁 曦盛许 、辖向话铐 橇械液医助力转向系统 图1 1 液压助力转向系统 汽车直线行驶时，滑阀处于中间位置，液压系统不提供助力。当方向盘转 动时，转向轴带动控制阀滑阀运动，从而在助力缸活塞两侧分别形成高压回路 和低压回路。压力差的作用会推动活塞运动，从而提供助力。 机械液压助力的转向盘完全通过刚性部件与车轮连接，车轮上的受力准确 的传递到转向盘上，驾驶员很好的获得路面信息；发动机直接驱动液压动力泵， 任何车辆都适合这种助力方式：整体上i - i p s 系统的技术已成熟，批量生产后平 均制造成本也低。但是，由于液压泵与发动机直接连接，能耗比较高，在不需 要转向时无形中浪费了能量，增加了汽车的油耗；虽然当前制造成本较低，但 是其内部复杂的机构导致后期仍需较高的维护成本；系统的动力介质为液压油， 2 武汉理工大学硕士学位论文 且长期处于高压状态，难以避免会出现漏油等污染环境的问题。 1 2 2电控液压式助力转向系统( e h p s ) 6 1 上面提及h p s 系统在非转向工况下仍会消耗发动机功率，所以为了降低能 耗，人们对机械液压助力系统进行了改进，增加了电控系统演化成电控液压助 力转向系统，如图1 2 所示。该系统使用电动机输出动力代替发动机动力来驱 了动转向动力泵，并且加装相应的电子控制系统。这样，在非转向工况时，电 动机将会停止运转，从而降低了能耗。另外，电控系统结合转向角度和车速等 来控制转向辅助力的大小，提高了汽车转向舒适性。 图1 2 电控液压助力转向系统 e h p s 系统是在h p s 系统的基础上加以改进的，与机械液压助力系统相比， 前者在硬件方面增加了电机、液流分配阀、液压反应装置、动力e c u 、电磁阀 及传感器等，在软件方面也增加了控制策略及控制方法。虽然e h p s 系统的动力 来源为电机，而且其助力值可以变化，但是e h p s 系统与h p s 系统的工作原理 是基本相同的。e h p s 系统的电控系统通过传感器获得信号后通过控制电机转速 或转向阀的开启程度来实现液压油压力变化，从而实现转向辅助力大小的控制。 e h p s 系统继承了h p s 系统的大部分优点，同时还降低了能耗、改善了转 向的灵敏度、提高了转向的舒适性。但是它仍使用液压油作为动力介质，因此 h p s 系统中关于液压油方面的缺点仍未得到改善。另外，该系统的后期维护成 本也随着电子部件的增多而不可避免的增高。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3电动助力转向系统( e p s ) 电动助力转向系统是利用电控单元控制电动机的动力输出而协助驾驶员进 行动力转向，如图1 3 所示。e p s 一般由助力电机、电控单元e c u 、转矩传感 器、车速传感器、电磁离合器及减速机构等组成。由于它省去了液压助力转向 系统所需的液压泵、控制阀、油管、液压油、皮带及皮带轮等诸多零部件，减 轻了整个转向系统的重量，从而节省了能耗，又保护了环境。本文在后面将对 e p s 做详细的介绍，这里不再赘述。 图1 - 3 电动助力转向系统 1 2 4线控转向系统( s b w ) 7 1 x b y w 沁是现在一种先进的汽车技术，而线控转向( s t e e r - b y w i r e ) 正是 其中的一个部分。它与其他转向系统不同，基本思想是完全抛弃机械机构，由 电驱动相应的执行器来完成汽车的转向过程。如图l - 4 所示。 上世纪5 0 年代，国外汽车行业里就出现了s b w 系统的设计概念。上世纪 9 0 年代，b e n z 公司成功开发出了前轮s b w 系统并加以应用。随后，全球其他 汽车厂商和研发机构都对汽车的线控转向技术进行了深入的研究，如t r w 、戴 姆勒克莱斯勒、宝马、德尔福、z f 、美国通用、日本本田、雪铁龙等。但是在 国内，除了部分高校对s b w 进行了一定的研究外，还没有实用的产品出现。 s b w 系统主要包括主控制器、前轮转向模块、转向盘模块、电源及故障诊 断器等。s b w 系统会通过相关的传感器不断检测驾驶员的转向意图，并在主控 制器中对采集的信号进行分析运算，然后输出指令到转向电机中，由转向电机 驱动转向轮完成整个转向动作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 鲫 汽车速度加速度 援攘角逢廑传笛麓 f 。l 乒刊1 图1 - 4 线控转向系统 相对于其他的转向系统，它降低了转向的响应时间并具有变传动比的特点， 从而改善了汽车的操纵稳定性；没有传统的机械机构，增加了驾驶员的腿部空 间，减轻了驾驶员的疲劳，从而提高了驾驶的舒适性；结合路感控制策略和汽 车的各种信号，通过主控制器控制路感电机得到更加真实的路感并反馈给驾驶 者，从而改善了路感；由于没有机械和液压部分，避免了液压油污染等问题， 从而提高了燃油经济型和环保性。但是没有机械机构意味着s b w 系统必须能够 精准的分辨与判断出驾驶员确切的转向意图，而且还能够准确地反馈路面情况 给驾驶员。这就需求s b w 系统有优秀的控制策略、很好的可靠性及传感器精度 等。随着当今电子技术的发展，这些问题必然会得到解决，s b w 系统也必然会 得到广泛的应用。 1 3e p s 系统国内外发展现状【8 】f 9 】 由于狭小的发动机舱不利于液压助力转向系统的空间布置，而e p s 系统有 利于微型车舱内布置，所以在e p s 系统研究之初，是为了满足微型车的需求。 早在1 9 8 8 年2 月，日本铃木公司早开先河，在实车上应用了e p s 系统。随后， 国外众多公司加快了对e p s 系统的研究。美国的t r w 公司、d e l p h i 汽车系统公 司、德国的z f 公司、s i e m e n s 公司、日本的m i t s u b i s h i 汽车公司、h o n d a 汽车 公司、大发汽车公司、卢卡斯公司、光洋公司等都陆续研发出了各自的e p s 系 统。1 9 9 8 年，美国t r w 便投入了大量的资本去开发e p s ，首先他们开发出转向 柱助力式e p s 用于客车，继而小齿轮助力式e p s 系统也获得成功。1 9 9 9 年3 月， t r w 的e p s 就装备在m a z d a3 2 3 e 和f o r df i e s t a 轿车上。d e l p h i 公司也为大众 的p o l o 、欧宝3 1 8 i 、和f i a tp u n t o 等车型开发了e p s 系统。德国b e n z 和s i e m e n s 5 武汉理工大学硕士学位论文 两大公司一起投资6 , 5 0 0 万英镑计划开发前桥负荷在1 2 t 的e p s 系统，因此轻 型货车也可能成为该e p s 系统的装备目标。 而在国内，关于e p s 方面的研究起步都比较晚。直到1 9 9 2 年，清华大学的 学者才开始对e p s 系统做了一些探索性的研究，研究后期开发出了一种e p s 系 统并在实车上进行了装机试验。1 9 9 8 年，吉林大学也进行了乘用车e p s 系统的 研究工作，且在实车装机试验中获得较好的效果。随后，国内部分知名高等院 校也加入了e p s 系统的研究行列中，不同程度地获得了一定的成果。2 0 0 7 年， 长安大学根据陕西省交通科技项目，对商用车辆e p s 系统进行研究，主要内容 为电机控制技术、整车匹配的关键技术，目的在于为商用车轮e p s 系统奠定理 论基础。另外，国内部分企业也相互合作，开展了e p s 系统的研究工作。 近3 0 年来，汽车电子技术不断发展，e p s 系统无论是在硬件方面还是在控 制技术、控制策略等软件方面都在飞速发展，它的技术在不断提升成熟。它在 乘用车上的应用范围也越来越广泛，并且有向商用车辆上发展的趋势。 相比与轿车e p s 系统，商用车辆的e p s 系统在研究发展进程和商业化进程 方面的发展滞后较多，目前在国内外能收集到的商用车辆e p s 的研究资料也较 少。不过，国内已有部分单位开始涉足商用车辆e p s 系统。北京理工大学在北 京市的支持下率先对商用车辆e p s 系统开展了部分研究，开发了适用前轴负荷 较大的电动客车的e p s 系统，并获得了一定的效果。从乘用车e p s 取得的成就 中可以预见，国内外研发企业和相关政府部门必然会将注意力从乘用车e p s 系 统转移到商用车e p s 系统上。 1 4 本文研究内容 大型客车的运行工况特点之一就是载荷变化大，对转向操作的影响也大。 本文的创新点正是基于这一特点，引入前轴负荷、车速和转向盘转矩三个变量 对大型电动客车的e p s 系统进行研究。本文主要通过a d a m s c a r 软件建立的 用于e p s 系统仿真分析的汽车动力学模型，通过m a t l a b s i m u l i n k 中建立e p s 系统控制模型，利用a d a m s c o n t r o l 模块进行联合仿真分析，并通过这些仿真 试验去验证利于改善汽车转向轻便型和操纵稳定性的控制方法和控制策略。经 过仿真探讨，掌握了整车模型建立过程及性能分析的一般方法，分析了e p s 系 统理想助力特性的形式和确定助力特性曲线的一般过程，为日后商用车辆e p s 系统的研究工作奠定了理论基础。 本论文各章节基本内容如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论。主要介绍了汽车动力转向系统的发展历史、e p s 系统的国内外 发展现状和本文的主要研究内容。 第二章为e p s 系统助力特性研究。助力特性是e p s 系统的核心之一。本章 首先对e p s 系统的基本结构和工作原理做了简要的阐述。然后分析了三种典型 的助力特性曲线的优缺点，再根据本文的创新点在直线型助力曲线基础上推导 出“助力斜率 的表达式并计算拟合出相应的曲线图。 第三章为动力学模型分析及整车建模。首先对转向系统进行了受力分析及 动力学分析，然后运用动力学软件建立了整车模型。 第四章为e p s 系统的控制策略研究。本章是论文的一个重点，控制策略是 e p s 的另一核心。在本章中，建立了助力电机模型、不同控制模式模型、p i d 控 制的模型和模糊控制的模型。 第五章为e p s 系统模型的联合仿真。本章首先对联合仿真进行了简单介绍， 然后结合整车模型和控制系统模型，建立了整车的仿真模型。通过三种不同的 仿真事件，分别对实例车的瞬态响应、转向特性和转向轻便性进行了分析。 第六章为结论和展望。最后一章总结本论文的研究成果及论文中的不足并 提出以后工作的展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e p s 系统助力特性研究 e p s 系统的英文全称是e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，它是在机械转向系统 的基础上，利用电动机输出的动力直接辅助驾驶者对汽车进行转向的装置。而 助力特性则是e p s 系统的核心之一。转向系统不仅要减小驾驶员的转向操纵力， 还需保证方向盘的手感。助力特性正是解决这个问题的关键所在，它决定了e p s 系统的控制目标。因此，助力特性的设计影响到整个系统的性能。 2 。1i = p s 系统简述 2 1 1e p s 系统基本结构 电动助力转向系统是由控制单元采集相关信号来控制电机输出扭矩去辅助 驾驶员完成转向动作的装置【1 0 l 。它在基本的转向系统上增加了控制系统总成、 助力电机总成及各类传感器。乘用车一般都采用齿轮齿条式转向器，其一般结 构如下( 如图2 1 ) ： ( 1 ) 机械转向部分 该部分与普通的机械转向相同。 ( 2 ) 转矩传感器 转矩传感器一般安装在转向管柱上，用来检测转向盘的旋转方向和相对转 矩。另外，部分e p s 系统中安装了转向盘转角传感器去监测转向盘的转角，达 到更加精确的控制。 ( 3 ) 车速传感器 检测汽车当前的行驶速度和行驶状态，并输入控制单元。 ( 4 ) 电控单元e c u e c u 是整个系统的控制枢纽，它不仅要用来接收传感器输入的信号，而且 还要把这些信号进行相应的规则处理后发出电机控制指令，控制电机输出合适 的助力矩。 ( 5 ) 助力电机及其附件 助力电机是整个系统的执行机构，它根据电机控制器输入的电流或电压信 号而输出一定的助力矩，经过减速机构后施加在机械转向系统上，完成助力动 作。乘用车转向系统中一般都是采用直流电机，但随着对电机的需求增大，部 分e p s 系统中开始用交流电机来代替直流电机。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1e p s 结构示意图 1 转向盘2 转矩传感器3 减速机构4 电磁离合器5 电机6 转向器7 车轮a 转矩信号b 车 速信号c 发动机转速信号d 电机控制信号e 电磁离合器控制信号。 此外，e p s 系统还需安装电磁离合器和减速机构等。电磁离合器用来保证在 危险情况下能断开电机，让机械转向部分仍然有效。在不助力时，电磁离合器 断开可以隔断电机惯性对转向系统的影响。减速机构的作用是降低电机转速、 增大电机转矩，对于齿条助力，还需将电机的旋转运动转换成直线运动。一般 有蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构两种。 对于大中型客车，一般采用循环球式转向器，但e p s 系统的基本机构及工 作原理是相同的。 2 1 2 e p s 系统工作原理及特点【l l 】 当汽车转向时，转矩传感器和车速传感器分别将检测到的转向盘上受力信 号和车速信号发送给电控单元e c u ，e c u 把接收到的信号经过一定的控制算法 处理后获得电机的控制指令并输出给电机控制器，再由电机控制器发出相应的 电流或电压指令控制电机输出所需的助动力矩，从而协助完成助力转向。根据 闭环控制的原理，e c u 还会获得一个反馈的电机控制信号，与输出的信号相比 对，完成控制算法。当汽车不需要转向时，e p s 系统将会处于待机状态并等待调 用，最大地降低能耗。图2 2 所示为e p s 工作原理图。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2e p s 系统的工作原理图 e p s 系统将电子控制技术、电机应用技术和传感器技术等先进技术应用于转 向系统，与传统的液压助力系统和电控液压助力系统相比，它无论是在性能还 是成本上都有其自己的特色： ( 1 ) e p s 是真正的“按需供能型 系统，与i - i p s 系统不同，它只在需要时 才工作，反之则休眠。 ( 2 ) e p s 系统结合车速、转向力矩和转向角等参数来控制电机的助力大小， 保证汽车在全速范围内获得最佳的助力，从而减轻了汽车在低速时的操纵力， 增大了高速时的操纵力，较理想的平衡了“轻和灵 的矛盾。 ( 3 ) 助力电机总成代替了油泵、油管等液压零部件，大大减少了助力系统 的零件数目，所以e p s 系统质量更轻、结构更紧凑。另外，取消了油路系统， 完全避免了漏油现象等造成的环境污染问题。 ( 4 ) 多个系统集成控制技术已经越来越成熟，与其他两个助力系统相比， e p s 系统更加易于集成控制。 2 1 3e p s 系统分类 对于乘用车而言，e p s 系统按照助力位置可以分为转向管柱助力式、小齿轮 助力式和齿条助力式3 类。对于大型车，一般采用循环球式转向器，根据助力 位置的不同，仍可以将其分为3 类： ( 1 ) 转向管柱助力 l o 武汉理工大学硕士学位论文 助力点选择在转向管柱上，如图2 3 所示，电机通过减速机构将助力矩直接 施加在转向管柱上。此时，电机的助力矩会经过转向器放大后作用到转向轮上， 这种方式需求的助力矩较小。但是，在汽车前轴负荷大的情况下，这种助力布 置就需求转向管柱有很大的强度和刚度，意味着转向管柱和转向器需要进行改 进设计，提高了成本。另外，大的助动力矩的需求导致电机及其机械机构体积 变大，造成在狭小的空间布置安装难度大。 图2 - 3 转向管柱助力 图2 - 4 转向螺杆助力 ( 2 ) 转向螺杆助力 助力点选择在转向螺杆上，如图2 _ 4 所示，电动机通过减速机构将助力矩施 加在转向器的螺杆上实现转向助力。对于该种助力的特点，助力电机及减速机 构、转向器可以集成为一个整体部件，可以实现一体化安装。另外，转向器周 围的其他零件可以继续使用，不需要对它们进行加强。但是，电机输出的助力 转矩和驾驶员输入的转向力矩都将作用到转向螺杆上，必须增加转向螺杆的强 度，也涉及到整个转向器结构和尺寸。从应用角度上讲，前轴负荷中等的汽车 武汉理工大学硕士学位论文 适合这种助力方式。 ( 3 ) 转向摇臂轴助力 助力点选择在摇臂轴上，如图2 5 所示，电机通过减速机构把助力矩施加在 摇臂轴上。与前两类不同，需要减速机构将电机的旋转运动转换成往复运动， 然后拉动或推动转向摇臂带动转向横拉杆实现左右运动，进一步完成转向轮的 转向。由于助力位置位于摇臂上，输出的助力不影响转向管柱和转向器，只需 保证摇臂的强度和刚度。而缺点是电机输出助力矩不经过循环球转向器，也就 没有得到转向器的放大，在电机输出转矩远远达不到助力要求时，必须匹配较 大传动比的减速机构。大减速比的减速机构会增加助力系统体积，不仅增大了 系统的转动惯量，而且也为转向系统的空间布置安装增加了难度。 图2 5 转向摇臂轴助力 本文在建立转向系统模型时，在转向摇臂处定义一个向量力作为控制系统 的输入助力。因此，本文所选择的助力位置相当转向管柱助力式。 2 1 4e p s 系统技术难点分析【1 3 】 e p s 系统作为汽车行业内的先进技术产品，其涉及了整车及电气控制等多方 面的难点。 ( 1 ) 助力电机及控制技术 助力电机是e p s 系统的执行器，通过系统控制可以让它输出合适的助力矩。 它是整个系统的动力所在，是e p s 系统的一个关键部件，直接影响到e p s 系统 的性能，因而电机的自身特性和控制驱动技术都是e p s 系统设计开发中的关键 技术之一。目前，国内外e p s 系统大多仍采用直流电机，它可以满足乘用车的 助力要求。但是，伴随着商用车辆e p s 系统的研究，直流电机的性能已经难以 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 满足要求。大的助力需求注定了电机必须具有低速大转矩、且转矩波动小、尺 寸小、转动惯量小等特点。一些厂商和机构已对交流电机投入了大量的研究， 但交流电机应用到汽车上也存在着缺点。车载电源为直流电系统，需将直流电 转换成交流电才能满足交流电机的驱动要求，因此要增加逆变电路，增加了控 制难度。目前，国内外越来越重视对交流电机控制技术的研究，随着控制技术 的发展，克服了诸多交流电机缺点。因此，必须对交流电机及其控制技术进行 更深入的研究后，才能应用到e p s 系统中。 ( 2 ) 助力特性控制方式 除了电机性能外，助力特性曲线直接决定了e p s 系统的性能。目前，研究 较多的助力特性曲线有直线型、折线型和曲线型三种，但何种曲线更为理想却 仍难以判断。理论上，直线型是折线型曲线的特例，折线型又是曲线型曲线的 特例，所以一般认为曲线型特性曲线是比较理想的，但是它技术难度大，相关 试验研究也少。 无论是哪一种助力特性，其本身固有的缺点无法避免。另外，即使在线性 区间内，汽车的转向阻力和所需的转向力在不同车速下不同，尤其在速度区间 划分大的情况下，误差会较大：也没有考虑载质量的影响。可见，这三种助力 特性曲线有很大的局限性，仍需要对e p s 助力特性曲线进行更深入的研究，以 获得更优的e p s 性能。 ( 3 ) 传感器技术 e p s 系统的信号来源都是通过传感器获得，其中也应用了各类传感器，如车 速、扭矩、转角、电流和电压等传感器。我们既要求这些传感器高精度、高可 靠稳定性，又希望它结构简单、成本便宜合理。近年来，非接触式转矩传感器 和转矩、转角集成传感器是传感器领域的新技术，在e p s 系统中它们的应用也 越来越多。但是，非接触式传感器在国内的价格仍高，因此，多功能、集成化、 低成本成为e p s 系统传感器的新方向。 2 2 助力特性分析 2 2 1所选实例车基本参数 本文以某大型客运车作为实例对象，其基本参数如下表： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 某客车主要参数 参数名称符号单位数值 汽车总质量m a k g 1 6 0 0 0 汽车整车整备质量 m ok g 1 2 0 0 0 长宽高 |1 1 1 i n12 0 0 0 ；2 5 0 0 3 4 5 0 整车轴距ln u n6 1 0 0 轮距( 前后) |n u n2 0 4 6 18 0 0 汽车质心到前轴距离l lr 啪 3 9 0 0 最高时速v m 双 k m h1 0 0 轮胎型号 |l1 1 o o r 2 2 5 转向系传动比 l|2 0 2 整车绕z 轴转动惯量i z k g m 2 1 9 7 0 0 悬挂质量对x 、z 轴惯性积 i x zk g m 2 8 7 1 悬挂质量对x 轴转动惯量i x埏m 2 1 9 2 0 悬架的总侧倾刚度 c 中 n r n r a a4 9 1 0 s 减震器总阻尼矩 l p n m r a d1 1 3 1 0 s 2 2 2 基本助力特性分析【1 4 】【1 5 1 助力特性是指电机助力与汽车整车状态、行驶工况、行驶状态之间的变化 规律，它是e p s 系统的核心技术。轻便性和路感是转向系统无法避免的矛盾。 如果要求转向系统有较好的路感，则希望助力系统只提供较小的助力，这便会 使转向变的沉重，降低了转向轻便性；如果满足轻便性要求则难免要牺牲路感。 因此，理想的助力特性不仅能够为汽车提供可控并与机械系统一致的助力，而 且应该能够很好的平衡轻便型和路感之间的关系，既能满足轻便型的要求，又 能保留一定的路感去保证汽车的操纵稳定性和行驶安全性。 2 2 3助力特性曲线类型 助力特性曲线是助力电机的助力扭矩的大小和方向与转向盘的输入转矩、 车速、转向轴负荷、转向轮气压等参数间的关系曲线【1 6 】。对于目前成熟的助力 特性，只将转向盘输入转矩和车速这两个参数作为考虑对象就可以满足助力要 求。助力特性曲线的目的是确定当前输入条件下的控制目标，它决定了e p s 系 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 统的控制规则，最终助力值的大小都是由助力曲线决定。目前较成熟的e p s 助 力曲线有3 种类型：直线型助力曲线、折线型助力曲线及曲线型助力曲线，如 图2 - 6 所示。其中，m 为助力电机的输出扭矩n i i l ；t d 为转向盘输入转矩n 1 i l ； t 为系统开始提供助力的最小限值n m ；t d m 戤为最大助力的上限值n m 。 ( 1 ) 直线型助力曲线【1 7 1 由图3 2 可知，直线型助力曲线有3 个助力区间：无助力区( 0 t l ) ； 直线助力区( 乃。 乃一) 。在无助力区内， 由于转向盘上输入转矩较少，系统不提供助力；当转向盘上输入转矩超过t d m 舣 时，同一车速下的助力达到最大值并一直保持这个值；而在这两者之间，助力 系统按照助力曲线来提供助力。 直线型助力曲线的函数表达式为： 盹咖眵l 阢i 乃。 乃o l 乃i 乃一 ( 2 1 ) i 乃i 乃一 式中，k o ) 为速度系数，即助力直线的斜率。丁亿一乃。) 为乃的一次函数。 直线型助力曲线相对比较简单，但是在乃。点附近转向时，系统助力可能出现时 有时无的现象，造成手感上的跳跃，从而存在着一定的驾驶潜在危险。 搬 l胡 么 f o 群 l曾 支么 _ - ：譬 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 m ，乃) = 0 ，l 乃i 乃咖 式( 2 - 4 ) 中，f o ，q ，乃) 是一个三元函数，要对其进行设计或拟合是一个 很复杂的过程，而且对于e p s 系统控制单元而言，其复杂程度和运算量都偏大。 因此，需要对式( 2 4 ) 进行简化。依据式( 2 1 ) 的形式，把上式中三个变量的 作用假设成变量，g 与变量乃单独作用，这样就可以把一个三元函数简化成一 个二元函数与一个一元函数的乘积，即得： l0 ，i 乃i 乃嘲 式中，k ( 1 ，g ，) 为与车速和前轴负荷有关的一个二元函数。经过简化后，助 力曲线函数的求解设计简化成二元函数k ( 1 ，g ) 的求解设计。 定义“斜率 k = k ( v ，g z ) 。此时只要得到任意时刻的助力斜率，就可以得 到助力值的大小。从而，助力特性曲线的设计转化成助力斜率曲线的拟合。助 力斜率的一般表达式为： f 0l 乃i 乃一 对于斜率足，其基本的设计思路是通过软件仿真手段得到不同载重、不同 车速下最大转向力矩，从而得到该工况下的最大助力，再计算出该情况下的助 力斜率，再经过模糊推理获得各车速、各载重下的助力斜率曲线。 另外，还需要确定乃。和乃一也的值。根据我国汽车行业标准 q c t4 8 0 1 9 9 9 2 1 j ( 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法) 中关于操纵轻便性的 规定，对于最大总