（光学工程专业论文）汽车电动助力转向系统的半实物仿真与研究.pdf

摘要 随着发动机前置前轮驱动型轿车日益增多，因汽车前轴负荷的增加使得转向轻 便性成为人们普遍关注的问题。由于动力转向系统不仅能很好地解决转向轻便与转 向灵活的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性，所以其目前得到广泛使用。 传统的液压动力转向系统不论系统是否工作都需消耗一定的能量，因此会额外 增加汽车的燃油消耗量。电动助力转向系统完全取消液压装置，用电能取代液压能， 减少了发动机的能量消耗。研究与开发电动助力转向系统，是与汽车发展中的安全、 环保、节能三大主题相吻合的，因而非常具有现实和长远的意义。 我们利用m a t l a b s i m l i n k 硬件在环仿真系统，结合现有电动助力转向系统，独 立设计并建造出一套经实践证明有效的电动助力转向控制策略评估系统。并且利用 该系统对比例控制和微分( p d ) 控制两种控制策略进行了测试和评估。 助力控制是e p s 的基本控制策略，其过程是控制器根据转向盘转矩传感器的输 出和车速传感器的输出根据助力特性确定电动机的目标电流，然后由电流控制器控 制电动机的电流，使电动机输出目标助力。e p s 系统的控制要解决两个问题，一是确 定电动机的目标电流，二是跟踪目标电流。电动机的目标电流是根据助力特性曲线 确定的，电动机的电流控制通过调节电动机的电枢电压以p w m 方式来实现。 通过在自己独立建造的半实物仿真试验平台上的试验，我们不但证实了汽车电 动助力转向的可行性，并得出了e p s 系统对汽车特性的影响和不同控制策略的控制 特性的差异，而且亲身体验了半实物仿真试验所具有的综合性好，无破怀性，可重 复性，安全、经济、可控、不受气候条件和场地空间的限制等优点，这是传统实物 试验所无法比拟的。 关键词：电动助力转向；实时；半实物仿真；控制策略 a b s t r a c t a st h en u m b e ro f f fc a i i si n c r e a s e da n dt h e r ei sm o r e l o a d i n g o nt h ef i o n ts u s p e n s i o n , p e o p l ew i d e l yp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h es t e e r i n gh a n d i n e s so f a u t o m o b i l e t h e p o w e r s t e e r i n gs y s t e m c a nn o t o n l ys o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e ns t e e r i n gh a n d i n e s sa n d s t e e r i n g a g i l i t y , b u ta l s oi m p r o v et h es a f e t ya n dc o m f o r t o f d r i v i n g t h e r e f o r ei th a db e e nw i d e l y u s e d n o w a d a y s 1 r a d i t i o n a lh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a st oc o n s a r n ee n e r g y , w h e t h e ro rn o ti t w o r k s s oi tw i l li n c r e a s et h ea d d i t i o n a lc o n s u m p t i o n o f g a s o l i n e t h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m0 1 e r e a f t e re a l li te p s ) t o t a l l ya b o l i s i l e st h eh y d r a u l i ci n s t r u m e n t sa n du s e s e l e c t r i cp o w e rt os u b s t i l u t et h e h y d r a u l i cp o w e r a sar e s u l t ，i td e c r e a s e st h ec o n s u m p t i o n o f g a s o l i n e i ti si nc o i n c i d e n c ew i t ht h et i d e so f s a f e t y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n e r g y s a v i n g t or e s e a r c ha n d d e v e l o pe p s t h e r e b yi tr e a l l ym e a n s al o tf o r t o d a y a n dt o m o r r o w o n eh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) s y s t e mo f a u t o m o t i v ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g i sd e s i g n e da n ds e tu p ，w h i mc r nu s et h em a t l a b s i m l i n kt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n d e f f e c to f d e v e l o p i n ge p sc o n t r o ls t r a t e g y i nt h i ss y s t e mt w ok i n d so f c o n t r o l s t r a t e g y , c o n t r o l l e db y p r o p o r t i o na n d c o n t r o l l e db y p r o p o r t i o n & d i f f e r e n t i a l ( p d ) ，h a v eb e e n t e s t e d a n de v a l u a t e d c o n t r o lo nt h ea s s i s t a n tp o w e ri so n eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g y n l ec o n t r o l l e rd e t e r m i n e st h e g o a lc u r r e n to f e l e c t r o m o t o r i na c c o r d a n c e 吼t l lt h e s i g n a l sf i o ms t e e r i n gw h e e lt o r q u e s e n s o ra n dc a r s p e e ds e n s o r t h e n t h ec u r r e n tc o n t r o l l e rw i l ld o m i n a t et h ec u r r e n tf o r e l e c t r o m o t o rt og i v et h en e e d e da s s i s t a n tt o r q u e t h e r ea r et w op r i m 时p r o b l e m sf o re p s c o n t r 0 1 o n ei st od e t e r m i n et h e g o a lc u r r e n to f e l e c t m m o t o r , t h eo t h e r i st ot r a c ea n d a d j u s ti t t h cg o a lc i l r r e n to f e l e c t r o m o t o ri sd e t e r m i n e db y a s s i s t a n tt o r q u ec u r v e m a p t h ec u r r e n tf o re l e c t r o m o t o ri sm o d u l a t e d b ym e a n so f p w m v i at h ee x p e r i m e n t so n h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o ne p sp l a t f o r m ，n o to n l y t h e p o s s i b i l i t y o f e p s s y s t e mi sc o n f i r m e d ，b u t a l s ot h ei n f l u e n c eo f e p sf o ra u t o m o b i l ef e a t h e ra n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt w ok i n d so f c o n t r o ls t r a t e g ya r ef o u n do u t f u r t h e r m o r e ，h a r d w a r e - i n l o o ps i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lr e a lo b j e c te x p e r i m e n ti nm a n y w a y s ，s u c h a ss a f e t y , e c o n o m y , c o n v e n i e n c e ，r e p e t i t i o n ，e t c k e yw o r d ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g l r e a lt i m e ；h a r d w a - i n - l o o ps i m u l a t i o n c o n t r o l s t r a t e g y 独创性说明 作者郑莛声明：本硕士学位论文是我个人在导师指等下进行的研 究工作及取得研究成采。尽我所籁，除了文中特剥知以标注和致谢的 妻篷方羚，论文中不包含英德入磊经发表或撰写的磅究成采，也不包含 为获褥大连理工大学或荚憨单位熬学位域涯书蘑使惩过瓣材精。与我 困工作的网志对本磋究质傲酶贡献均墨在论文中擞了骥礁的说嘎并 表示了谢意。 接者签名；墨靛： 汽车电动助力转向系统的半实物仿真与研究 1 绪论 1 1 汽车电动翩力转向系统 1 1 1 汽车转向系统 汽车转向系统是一套用米改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，其功能是僳诞 汽车能按驾驶员的意恚而进彳亍转向干亍驶。汽车转向系统可按转向的能源不同分为机 械转向系统和动力转向系统两太类【l l 。 机械转向系统是以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力蔷s 件都是机械的。 机械转向系统由；转向操纵机构、转向器、转向传动机构三犬部分组成。 动力转向系统是兼用驾驶员体力和其他动力为转商能源韵转向系统，照常情况 下汽车转淘所需麓量只有一小部分赉骛毅爨褥供，丽大部分燕逶遘麓_ 夯转内装鐾提 供瓣。毽在魂力转囱装譬失效对，一般还疲当煞涵驾驶昃独支承接汽车转怒任务。 质戳动力转自系绞也稔必转肉淤力教大装鬟。 1 1 2 传统韵汽车勘力转向系统 1 1 2 1 传统的液压动力转向系统( h p s ) 传统的液压动力转向系统【2 】( h p s h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 由予使转向操纵灵 活、轻便，在设计汽擎时对转向器缩构形式的选择灵活性增大，能吸收路颟对前轮 产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车设计、制造中酱遍采用。但是，具有固定 放大倍率的液压动力转向系统的主骚缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转 一一一一 查整鍪三查鲎堡圭耋笪遣塞 囱系统燕为了减小汽率在停车或低速行驶袄态下转动转向盎静力，则当汽车以离速 行驶对，这一蕊定放大倍攀的动力转向系统会使转动转向盘的力擞得太小，不嗣于 对蠢逮行驶黪汽车遘嚣方怒控刳；及之，翔果掰设计煞謇定放大铸攀豹动力转泛系 统是为了蹭秘汽车奁嵩遽褥疆对麓转囊力，鼷姿汽擎静止或低速行疆辩，转动转淘 擞戴会显褥常吃力。 渡愿式磁力转鏖系绫囊予工 乍隳力葶鬟王终灵敏度较高，多 麟尺寸较，l 、，困褥获 得了广泛的应用。在采用气压制动藏空气悬架的大型率辆上，也肖采用气压动力转 向的。僖这类动力转向系统艇共同缺点怒结构复杂、消耗功率大，褰易产农泄漏， 转向力不易有效控制等。近年来随糟电予技术往汽车上的广泛应用，出现了电予控 制动力转向系统，简称e c p s 。 1 1 。2 2 电子控制动力转向系统( e c p s ) 电予接懿麓力转囊系统瑟矗5 】( e c p s ，e l e c t r o n i cc o n t r o lp o w e rs t e e r i n g ) 霹狱在 睡速时减轻转国力以提高转向系统的操纵性；在高速时则可逡当加嚣转向力，以提 麓搡级稳定性。电子撵髑技寒在汽攀动力转向系绫鹣废用，便汽攀鹣驾驶性能然到 令人满意的程度。电予控制劝力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽 车在中商速区域转向时，又馥保证挺供娥优的动力放大倍率和稳悫盼转向乎感，从 而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电子控制渤力转淘系统( e c p s ，校摆动力源不两又可分必液器式电子控嗣动 力转向系统( 液压式e p s ，简称为e h p s ) 和电动式电子控稍动力转向系统( 电渤式 e p s ，篱称为嚣p s ) 。 e h p s 是焱砖统静液瑟动力转淘系绫豹薹毯上缮浚了控铡液体流耄鹣彀磁瓣、车 2 汽牵窀番动力转辩系统静率实物绪冀与研究 速传感器秘曦予控制单元簿电子控制装震，电子控制攀元根据检测至l 的车速傣罨， 控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力 礤求。根据按制方式的不圊，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、 反力控制式和闽灵敏度控制式三稀形式嘲。 e p s 是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号， 控铡电动瓿l 黧矩懿大，j 、；整方向。电动枫的挠短由减瀵税镌减速瀵矩惹，热载弼汽车 的转向机构上，使之得到一个与工况相遁应的转向作用力。 透年采逡蓉鸯子控锻接零在汽车羔魏广泛应爰，毒受多瓣攀辆装嚣了篷凌戏毫 予控制动力转向系统，简称e p s 。 1 1 3 汽车泡动助力转麓系统( e p s ) 随着发动桃前置前轮驱动型式的轿率日益增多，因汽车前轴负荷的增加使得转 向轻便性裁为酱遍关注的问题。由子劾力转商系统不仅能报好遮解决转向轻便与转 向灵活的矛聪，还能提高行驶主动安垒性和舒适性，所以目前动力转向系统不仅在 中墼载货汽牵，尤萁在耋澎载货汽车上褥到广泛霞瓣，褥置逐步被应焉妥轿攀上。 传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，滚会增加汽车的燃油消耗盛。装 嚣传统滚压动力转凌系统掰等| 莛魏燃瓣溪甏耋绞毒熬率燃糕溪甏豢约3 - 8 t 麓。薅 糟电子技术的发展，电子控制式机械一液压动力转向系统应运而嫩。该系统谯某些 健能方蟊俊予传统的滚鼹淤力转交系统，僵仍然无法缀除液压动力转离系统殴藏毒 缺憾。 电子控制式电动助力转向系统( e p s ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) ，属受一 种动力转向系统。它完全取消液压装激，用电能取代液压能，减少了发动枫的能量 3 大琏理置大学颧士学位论文 瀵耗。研究与开发电动筋力转向系统，悬乓汽车发展中的安全、环僳、节能三丈主 题辐峻合的，耀瑟吴富宠熬理实襄长远懑义瀚。 舀箭国内韵力转淘嚣还廷在机械一液珏式渤力转向系阶段，对予电动助力转向 系统仅有清华、吉大、华中科大等高校开展了系统结梅方索设计、系统戆模秘动力 分孝斤等硬究，瞧仍她在辑剑的识级除毅，寒达戮实髑程度【4 】。 1 1 。3 1 王 睾潦理 e p s 楚一耪直接依靠瞧撬提畿骥助趣矩载动力转囱系统 9 1 ，箕系统攫瓣妇强1 1 骄示。不潜蹙骜翡e p s 蒺零覆理楚稆两静：翘矩佼感瓣与转两辅( ，j 、齿轮轴) 连接一 起，当转向轴转动时，撒矩橹感嚣开始工作，把输入轴和输如辘在掇秆作用下产生 的楣对转懿使移变成逛售号镄绘e c u ，e c u 根据攀运蕊感嚣敷援矩糖惑嚣浆镶号决 定窀动撬翡旋转方爨酾麓力电流静大小，葳丽宠威实辩控裁精力转内；戳诧它可淤 很容易她实现程车速不间时掇供墩动机不网的助力效果，保证汽车谯低速行驶时轻 便灵活，离速行驶时稳定可靠；因此e p s 转l 每特性的设霆具有较疯熬皇虫度。 豳1 1 电渤渤力转向系统耩圈 f i g 1 1s k e t c ho f e p ss y s t e m 4 汽车电动动力转向系统的半实匏惦冀每研究 1 1 3 2 基本结构组成 e p s 主黉由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元( e c u ) 、 奄予驱动擎元圆j ；等缝威，表l 。1 绘爨了三菱m i n i c a 墼汽车e p s 主要郝 孛戆技拳 参数【l o 。 表1 1 三菱m i n i e a 懿e p s 主要部俘鹣参数 t a b 1 1p a r a m e t e r so fm a i nc o m p o n e n t sf o rm i t s u b i s h im i n i c a 部：俅，参数爨别劳数- “ l 懿麓撬鬟2 篷 蒜餐舞 瓤燃掩惑舞 f 黔 凑鲈磅啦， t 瓤 采磁蔑 蠢酲2 1 0 秘 妻瓣攀群鬻糯舞 辍建；愈疆- 口! c 1 2 绕阻。：渤博葛脚。糕 凝宠撬遴椒徽雅秘鹾 垮瞧童澎- 潮! 鞭鬻奄熊筝糍 善 端；谳姆糍藤t 诵：2 - 巾獬霸 缳蕊| | | 黼挣触莎蝴i 檄 蘩漤凌感黎r鹦，糊嚣瀚鲻疑揆潮黼拍滚 海戳渤7 醛? 潮瀚湾 j， 趣擞糍薅瓣翻纛黛攀片机羧懈 域蛹j 凝怒壤毯辩 ，d q 2 薹整整篓篓撵差鎏：塑要：塑i t 扭矩传感器和车速传感器 箍矩转戆器翁萌能跫溯羹驾驶员终翔在转两盘上的力矩大小匈方向，潋疑转向 盘转角的大小和方向。扭嬲传感器是汽率e p s 系统的关键部件乏一，其输出特性直 接彩旗妥e p s 系统豹控麓涎藐。车速健惑器匏功巍燕铡耋汽车稽鼗速度。这黧信号 大连理工大学硕士学键论文 鄱是e p s 的控翻信号。 援簸溺量系统院较复杂置成本较高，所戳精确、可靠、低成奉的褪瓶传惑嚣是 决定e p s 爱季蠢颁帮场兹关键因素之一。嚣兹浆翅较多静是在转囱鞭位置窳一热搴 ， 遐过测豢扭轷麴变形褥到撼短。勇努瞧学采曩 接皴式攫矩传感器f l l 】。图1 2 爨示熬 非接触式扭矩传感器中有一对磁极环，冀原理是：当输入轴岛输出辘之嘲发生棚对 扭转位移时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接 触式扭矩传感器的优点是体积小、精度高，缺点是成本较高。 图1 2 非接触式搬矩传撩器 f i g 1 2n o n - c o n t a c tt o r q u es e n s o r 既岁 ，清牮大学汽车安全与繁缝国家重点实验室的季学斌、陈囊元奁分析毯舞 ( l u c a s 公霹) e p s 系统转矩健感器豹麓懿上，擐撼e p s 系统静蘩求，设计羚发 了一秘终掏甓攀、或本低豢豹必邀式 接触转彝擞扭缒传感嚣盼1 3 1 ，势逶抒了测试。 l u c a s 公司予1 9 9 3 年嚣发了一秘用于e p s 系统的光电式转矩传感器( 如匿l + 3 所示) 发光管发出的光穿过2 个带扎的光碣盘照射到出6 4 个光敏二极管组成的光接 收装置上，两个光码擞分别与扭杆的两端相连，其上各有2 嘲共2 4 令孔，1 个光码 6 汽牵电动精力转稻篆绕的半实錾铸冀每研究 嶷上鼓魏困樱位分毒，爨一个毙码盘上瓣魏反秘袋奄嚣。当攫耱受转矩终爱糖，嚣 光码盘上的内、外两圈孔的重叠面积特变化，从而光敏二极管的输出电压也变化 据此可检测出所施加转矩的大小和方露。传感器对光码盘上孔的加工精度和位霪糖 度要求很离。 獗 ，-。 麓夕。 重一 ” _ 一 阕1 3l u c a s 公司光毫式转矩传感嚣 f 皓1 3l u c a so p t i c a lt o r q u es e n s o r 圈1 4 光电式转矩传感器原理示意图 f i g 1 4s k e t c ho fo p t i c a lt o r q u e s e n s o rp r i n c i p l e 所开发的光电式转矩传感器工作原瑗( 如图1 4 所示) 与l u c a s 公司传感器的 7 大连理工大学颈士学位论文 不同之憝在予：( 1 ) 光接受装置采嗣管电池；( 2 ) 光码盘结构简单，为单孔式结构；( 3 ) 蹭热绕线盒。 该转矩黄惑器懿瓣鲎蓬溪秀1 0n 搬，露量程蔻2 0n m ；菲线程度为3 2 4 ； 鬟复性( 指簧感器在念量程范围内辕入多次连续变动越蘑褥到妁黪 垒煞线不一致静 程度，它也是用来衡爨车用传感器憋否g & 稳定王 乍的璧要参数之一) 为o 1 4 ；迟 滞误差为o 2 0 ；糙度为3 5 8 ( l u c a s 公司传感器精艘为7 ) 。对传感嚣输 出特性的分析袭明：所设计的光电式转矩传感器在输出重复性、温废漂移等综合性 能方面基本满足e p s 系统的要求。 车速传感器检测电控汽车的车速，控制电脑用这个输入倍号来控制发动机怠速， 自动变遴器的变矩器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定遮等 其它功能。车速传感器的输出信号可潋题电磁斌交流倍号，识可戳是霍尔式数字信 号或者燕竞毫式数字傣号，车速蕊感嚣遴常安装在驱动轿壳姣交速器壳肉，车遗传 感器售号线逶常装在攘薮熬乡 套蠹，这憝笼了滚豫鸯寒基电火线及率载鸯话或葵德 惫予设簧产生蛉电磁及射频予扰，用于慑涯电予逮谖攀产生孛叛，骆止造成驾驶性 变差或其他问题，农汽车上电磁式及光电式传感器是应用最多的爨种车遮传感器， 在欧洲、北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用电磁式传感器来进杼车速s s ) 、曲 辎转角( c k p ) 和凸轮轴转角( c m p ) 的控制。 2 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是e p s 的动力 源。多采用有利或无捌永磁式直流电动机。电动机对e p s 的性能有很大影响，是e p s 的关键部件之一，所戳e p s 对电动机有缀高要求，不仪要求低转速大扭矩、波动小、 转动溪璧小、尺寸小、矮塞轻，瑟豆要求工 筝噪膏，l 、可靠靛嵩、溺控桶、对王 车 ， 髯 汽车电动助力转向系统的半实物仿真与研究 环辘适应往强。为诧，设计时常针对e p s 豹特点，对魄动机的结构做一些特殊的处 理，磐洽转子熬表蟊帮密斜耩或鳔麓稽，定子磁铁设诗成不等浮等【潲。 3 减速援椽 e p s 躲减速扭援与趣动掇擐连( 熟圈1 5 凝示) ，起减速堰熬终焉。零采耀蜒轮蜗 枵机车句，也有采用行星齿轮机构。肖的e p s 还聪罔离台器，装在减速机构一侧，是 为了保证e p s 只在预先设定的车速行驶范阑内起作用。当车速达到繁一值肘，离合 器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外。当电动机发生故障时， 离合器将自动分离。 图1 5 减速机构 f i g 1 5s p e e d d o w na p p l i a n c e 4 电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 的功能怒根据扭矩传感器信号和攀速传感器信母，进行 逻辑分析与计算霜，发出指令控制驱动电动机的电流方向与大小，从而控制电动机 酌运动方向和产生盼箍矩大小。虢井，e c u 还育安全保护和自我诊断功能，e c u 通 过聚集毫麓丰豆豹电流、发电瓤电压、发动税工嚣簿信号潮断箕系统工作狡鬣是否匿 9 大连理篡走学硕士学往论文 誉，一壁系绞工作吴常，助力将壹动敬瀵，圆对e c u 将进行敖隧诊酝分掇。e c u 逶 常是一个8 位、1 6 位或3 2 位的单片机系统，也有采用数字信号她理器( d i g i t a ls i g a n a l p r o c e s s i n g ，简称d s p ) 作为控制单元1 1 5 】。控制系统露控制算法也是e p s 的关键之一， 控翻系统戚有很强抗于扰的能力，以遥应汽车恶劣多交的行驶环境。控制算法应快 速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规镎与特性。 i 1 3 3 分类 校摅瞧动壤毒璧霞爨苓藏 瑚，e p s 可分受：转囱缝韵力式、滚轮动力式、瓣条动 力式3 种，蕻中齿条助力式中又分为循环球式和双齿轮式2 种( 如图1 6 所豕) 。 图1 6 e p s 的不同炎型 f i g 1 6d i f f e r e n tt y p e so f e p s 转向棱助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧e p s 通过减邃机构与转向轴相连 l o 汽车电动助力转向系统的半实物仿真与研究 e p s 壹按驱动转向轴韵力转向。齿轮动力式e p s 的电动机和减速机构与小齿轮相连， 妻接驱动齿轮韵力转囱。齿条囊力式e p s 瓣毫韵撬帮减速枫构爨4 壹犊驱动齿条掇供 韵力。 1 1 3 4 特点 与液压动力转向( h p s ) 相比电动助力转向( e p s ) 有以下特点【9 1 7 1 8 】 1 ) e p s 能在各种行驶工况下撮供最佳助力，减小由路面不平所碍i 起的对转向系 统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽牵高 速行驶时的转向稳定襁，进而提高汽车的生动安全性。并且霹通过设置不潲的转向 韵力祷链来满麓不阖健孺对象静需簧。 2 ) le p s 只在转爨露毫蘩凝孝鬟供动力e 苓稼h p s ，簿傻在苓转自游，灌泵毽一蓬 运转) ，觳瑟减少燃糕溃糕，提凑燃渡缝游性。转绕毂滚蓬勃力转癌、电子控制豹 液压助力转向、鳃电动助力转向的燃j l i 消耗对比见下( 如图1 7 所承) 。 3 ) 由于直接由电动机提供助力，电动机由鬻电池供电，因此e p s 能否助力与发 动机是否起动无关，即使在发动机熄火或跚现故障时也能提供助力。 4 1 e p s 取消了油浆、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比 h p s 大大减少因而蔟质量匣轻、结构更紧凑，在安装位置选择方黼也觅容易，并 且虢降低噪声。 5 ) e p s 采翔模块化设计和集成控制，没有液压酮路。西此，眈h p s 赘易装酩、 调整帮稔灞，装配自动纯翟廉更嵩，并鱼可瑷邋过设豢不丽豹程枣，戆侠速与不弱 车受嚣鬣。嚣嚣筏缩短生产器秀发攥赣，洚餐嚣发窝玺产残本。 e p s 毙h p s 美育更好戆低瀵工 乍憋娆。 l l 大连理烹夫学硕士学位论文 7 ) 。e p s 不存在渗渣溉嚣，整个系统鲍可靠性魄h p s 更嘉。鞠她，可大大蹲低维 修成本，并减小对环境的污染。据d e l p h i 公司称，1 9 9 5 年传统的h p s 系统在垒世界 占其所销售的汽车7 5 ，也就是3 7 0 0 万辆汽车要消耗4 0 0 0 万魏液压油。如果电动 助力转向系统全面进入带场，经济效虢襁社会效焱瓤将十分可观。 黉鳓鳟骧麓瓣旗瀵隧嘲嘲霉壤嗡鼙馘 豳l 。7 不同类型助力转向系统的燃料消耗对魄 f i g 。1 , 7e n e r g yc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o no fd i f f e r e n t p o w e r s t e e r i n gs y s t e m l 。l 。3 。5e p s 麓发鼹瑗炊毒前景 电子控制式电动助力转向系统的发展与应用自1 9 5 3 年通用汽车公司在凯迪荣克 霹露壳赣车土罄次羝量搜瘸了滚压凄力转悫系统疆寒，滚莲动力转蠢系统绘汽车带 汽车电动动力转衙慧统国事窭耘傍真等研究 采了巨大骢变化：人们不露嚣要靠大巍径戆转愈盘寒产生足够的转趣力矩，转扁囊 的减小，使褥驾驶室变得宽敞起来，廉椅布置也变褥更为舒适了；液压动力转向系 统在降低了转向操纵力的同时，也使转向变得更为炙敏。随着技术的发展，动力转 向系统在体积、价格和所消耗的功率餐方面都取褥了惊人的进步。在八十年代黼期， 又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。今天，变速比的液压动力转向系统几乎 成为发达国家掰镑售轿擎豹标准装备。凡十年来，幼力转囱系统的技术革瑟郡是在 液压动力转向系统基础上的。即便是电控液压动力转向系统也光法根除液压动力转 囱系统在系统毒墨、安装、密鹭注、搽辍灵敏度、髓爨游耗、藏羧与嗓声等方覆翡 固有缺憾。随到1 9 8 8 年3 月，日本铃术公司开发出一种全新的电予控制式电动助力 转囱系统( 1 2 盂下蕊称：电动助力转囱系统) ，才宾正攒黢了滚压动力转囱系统懿寒缚。 1 9 9 3 年，本田汽车公司酋次将电动助力转向系统装镛于大批璧畿产的、在国际市场 上同法拉利鞠波尔舍竞争鲍爱克n s x 魏车上；同年，凌欧洲市场销僚的一种经济型轿 车一菲亚特p u n t o 也将美灏德尔福公司嫩产的电控助力转向系统律为标准装备 由于 电控助力转向系统完全取消液压装置，用电能取代液医能，减少了发动机的能爨瀵 耗；热上冀性能的优越往，缀快在越来越多的国外轿车土褥妥嶷瘸，鲡本爨最新推 出的i n s i g h t 轿车上就是其中的一例。电动助力转向系统无疑是朱来动力转向设计的 ， 薪方囱，鏊麓在串鍪淤土货车霹孛级激主轿车主广泛采霜獒爨械滚垂凌力转囱器 将逐渐被效率更高、适皮性更强的电动助力转向系统所代替。为此，国外几家大公 司f 磐德謇懿z f 、荚嚣声卡豢傍剽这、s a g i n a w 、t r w 、日本熬n s k 、k o y o 等) 帮 竟相推出自融的电动助力转向系统【4 】。 尽管e p s 已达到了芟最翅鲍设计瓣戆，僵仍然存在一些随鼹嚣耍解决。其中， 进一步改善电动机的性能是关键问题。因为电动机的性能是影响控制系统性能的圭 1 3 太连理工夫学磺士学位论文 要因素，电动机举身的性能及典与电动助力转向系统的甄配都将影响剿转向操纵力、 转淹路感等阕禚。概菇逮诱，惫魂鬓力转内技术褥发袋穷自主要秀：教遥控麓系统 性能和降低控制系统的制造成本。只有迸一步改进控制系统性能，才能满足更高档 赣孳黥搜瘸要袋。舅终，e p s 鹃控裁售号将不再仅仅蔹纛车速与拯簸，嚣是裰据转 向角、转向速度、横向加速魔、前轴负荷镣多种信号i 款行与汽车特性相吻合的综合 控铡，敬获褥更好熬转向路感。来来豹e p s 将羲羞电羧滔轮转囱貔方囱发展，劳与 电子悬架统一协调控制。2 0 0 4 年，t o y o t a 最新一代c r o w n 将e p s 与具备电子 控制制动器的e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i z a t i o np r o g r a m ) 系统楣结合，奄4 造了一种全新 的“车辆动态集中管理系统”( v d i m ，v e h i c l ed y n a m i c si n t e g r a t e dm a n a g e m e n t ) 。该 系统将发动机、制动器、转向系、主动悬架等的执行通过车辆状态的相互协调，而 傻车辆获褥更好静稳定往，觚黼送一多撬嵩汽车静主动安全往。蕾乏矫，丰霞还将 c m o s 摄像机岛e p s 相结合，创造出“车邋保持系统”( l k a ，l a n ek e e p i n g a s s i s t ) 。 该系统逶过c m o s 摄像裰莰麓攀逢鑫线，褒车赣寿穰瓷奄遂镶岗露发爨擐警整惑， 并通过e p s 产擞微小的扭矩以修正车辆的行驶方向，从而使车辆在车邋中央行驶【1 9 1 。 e p s 今嚣熬发震蓑景是缀瑟疆豹。当兹e p s 基莛轻熬车( 轿车) 上褥至g 盛建，箕毂 能融得到人们的管遍认可。随着直流电机性能的改进，e p s 助力能力的提高，其j 敷 用藏邂将进一步妊宽，现在3 辨级数运动激跑车也有安装e p s 。e p s 代表未来动力 转向技术的发展方向，将作为标准件装备副汽车上，并将在动力转向镁域占据主释 地饿。据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的每3 辆轿车中就有t 辆装备e p s 。 特剐是低排放汽车( lev ) 、混合动力汽牮( hev ) 、燃辩电涟汽率( fc ev ) 、 电渤汽车( ev ) 1 8 大ev 汽车将构成未来汽车发展的主体，这给e p s 带来了更加广 鼹熬应蠲兹荣茹。、2 辩。 】4 汽车晦动助力转向系统半实物惦真与磷究 此外，随着智能亿交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 从一种瑷想的概 念逐渐交褥更翻现实纯、可行记，e p s 筝为i t s 这一巍大弱系统工獠中不w 缺少的 一个关链技术，露交褥更熬赛骞生裁轻活力。 1 2 仿真技术 1 2 1 系统仿真技术与应麓 系统建由客蕊整券中实律与实律闻的褶互关系构成的具青菜释特定功熊兹有祝 整体。系绞豹数学模燮是搐述系统凌态特缝靛数学表达蕊，甏耀来表示系统运露过 毽孛善个爨懿关系，燕分板帮设诗系统豹依据。系统像囊是瑕援被磷究黪粪实系统 螅数学模型研究系统投能的一门学辩，现拦戈指测强计舞规去蟹 究数学模型撑必躲 方法。诗簿机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与铰真结果 显示、分析与验证等环节【2 2 1 。 1 2 。2 半实甥傧粪 在穰多实际过程中，有时因为实际模燕的羹杂往，建立越来静模堑也不准确。 掰甄需要梅实舔系统耩鳌蔽黉在谤粪系统审进行待寞磷究。这样豹铸囊经常被称为 “硬件在垮”( h a r d w a r e i n - l o o p ，h i l ) 傍粪，又称荚举实凌傍囊。裁必这样懿半实 物傍奏是钟对实际过程熬仿冀，又燕窭时逡嚣戆，羧叛又拔称受“实孵”( r e a l t i m e ， r t ) 仿冀。 在实际控制中，举实物仿真通常有两种情况：一种是控镱4 器用实物，瓶受控对 大连理工大学颈士学位论盘 象使鼹数字模型，这罩孛揍况多见于魅窑舷天领域。熙静是用计舞枕实褒英羧裁器， 而将受控对浆作为实物溉接放置在仿真回路中，这种情况多见于一般工业控制，我 们在实验中廉用的也是这萃巾方式。 在实际豹工程项目中，经常需要耗费大量对闻从真实的过稷中收集可靠数据， 再与仿真绪果比较。若比较的结果超出误差的允许范围，就需裂对仿其模型避行改 进，褥窭黪结果还需述彳予多次往复试验，才能最终鞠绩镑真终巢。 半实物仿真的最大优势是仿真结果的验证过糕愚直观的，所以在一些工般过程 中，粟爨半蜜兹傍奏戆方法哥鞋太耩臻减嚣发震麓灏费溪。魏终，半实耪嫠粪试验 还具有综合性好，无破睇性，可重复憾，安全、经济、可控、不受气候条件和场地 空阕弱蔽制簿优点，这怒传统实兹试簸掰无法魄熬熟。 1 2 3 仿真建模 仿真艘术是以相秘漾理、系统技术、信息技朱戳及仿真运弼领域楣关拽术为基 础，利用计髀机系统，并应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模测对系 统逡雩亍磁究豹一门多学瓣麴综合倥豹蔽塞戳。 典型的系统仿真过穰包括：系统模型的创建、仿真模型建立、仿真程序设计、 模型磺谈、傍奏试验嚣数攘娃理等。祭绕蠹奏耄多耱分类方法：按模墼夔分炎霹分 为：连续系统模型、离散系统模型、遴续，离散( 时闻) 混合系统仿真和定型系统仿 真；按仿炱瓣实现方法帮手段霹分必：物理仿真、计算巍傍冀、疆箨在圄路枣曲传 真( 半实物仿真) 和人张回路中的仿真；根据入和设备的真实稷度可以分为：实况 仿真、虚拟仿真和构造仿真。计算机仿真的三个基本要素是：系统、模型和计箨机， 联系着它们的三项基本洒动是：模型舟句建立、仿真模型的建立( 又称维= 次建模) 1 6 汽车电动助力转向系统蛇半实物仿真与研究 和仿真试验。 仿奏建模鏊奉耍求：涛繇往、翻遂往、耩确健、集食往 1 2 4m a t l a b 与s i m u l i n k 仿冀建模 m a t l a b 是集数戗计算、符号运算及图形处理等强大功能予一体的科学计算语 言。m a t l a b 拥有6 0 0 多个工程要用到的数学运算函数，可以方便地实现用户所需 的各种计算功能。m a t l a b 由方便的数据可视化功能，能表示二维曲线、三雉曲筒， 进行图形的光照处理、色度处理及圆维数据的表现，还添加了韵画功能。m a t l a b 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块机或工具箱，用户可直接使用工具箱学 习、应甭和评传不两静方法蔼不需要自己编霉代码。m a t l a b 提供了夕 部程序接嗣， 可戮调露滋经雳e 或擎0 羽疆弧n 编霹努熬程序，瞧虿壹援对疆传编稔，壹接与磋 串 打交遂。 s i m u l i n k 是一种建子实蠛计算搬仿真的较锋，是m a t l a b 靛一个隧搬缎孛，翅 来提供一个系统级的建模与动态仿其工作平台。s i m u l i n k 模型可以用来模拟线性或 非线性、连续或离散或者两者的混合系统。另外，s i m u l i n k 还提供一套图形动画的 处理方法，使用户可以方便地观察仿真的整个过稔。 1 7 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的霸的与慧义 汽拳在行装过程孛改交或滚笈其行驶方囱楚密汽车转两系统毙藏熬。嚣予羞鍪 汽车，囊于转悫疆力露汽攀车轮土熬受载残一定鞋：铡关系，嚣轮受载在2 0 k n 以上， 驾驶员缀难转是，因此国家趣定8 吨以上的货车必须采用动力转向，建议操舵力不 超过1 2 0 n 。对于装有动力转向的轿车建议操舵力为1 0 。2 0 n ，不使用动力转向的为 5 0 1 0 0 n t 2 4 1 。但在高速行驶时，适当减小转向助力力矩则可以提高行驶的稳定性与安 全性。动力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产嫩的液体压力或电 动机驱动力来实现车轮转向。所以动力转向系统也称为转向动力放大装鬣。 随着发渤机前鬣前轮驱动型轿车目益增多，因汽车前轴负荷的增加使得转向轻 便性成为人们普遍关注静黼题。融于韵力转向系统不仅能缀好遮解决转淹轻霞与转 向灵添的矛麓，还能捷离行驶安垒往鞍舒适熬，薪濠嚣蘸麓力转淘系统不仅在孛鍪 载货汽车，龙其在豢至载货汽车上褥到广泛嫠羯，瑟显逐劳援疫硝裂轿攀土。 鼗绞豹滚压动力转囊系统不论系绞是否工传都爨瀵嚣定豹能量，鞭业会额羚 增加汽车款燃油消耗量。技置液压动力转向系统所引起的燃料消耗量约占整率燃料 消耗羹的3 8 t 7 1 。随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统应 运而生。该系统在巢些性能方面优子传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液 压动力转向系统的固有缺憾，而鼠其结构更加复杂，使用成本更加高昂。 电子控锖式电动助力转向系统，属另一种动力转向系统。它完全取消液压裟訾， 用电自取代液压能，减少了发动机的目羞消耗。研究与开发电动助力转向系统，是 与汽率发展中的安全、环保、节能三大主题稍吻合静，霹稀菲常英有现实帮长远煞 意义。 汽事彀魏黪办转翱蒜统抟擎实物贽寞与骈完 。4 本文职突豹主要宠餐 本文对e p s 懿臻鞫缀成、王终嚣i 璎、发疑现状及懿景等遴嚣了简要介绍，接述 了e p s 系统鲸器个葫能模块，并辩萁遂行了系统魂力学建模，褥戮被控对象懿状淼 空间模型。 针对颞袋建立豹试验擎爨灼特性要求，采用半实物仿真技术，用计算机实现对 e p s 系统的靛稍帮蕊溅，将受控对象佟为窭耪壹搂敖嚣程镑粪西潞孛。 考虑到e p s 是一个非线性的多输入多输出( m i m o ) 系统，实际工作环境恶劣， 鼹瑟冲毒帮德感嚣的噪声等郝憋会影嫡整个系缓豹l 燮施，放澡爱魄铡秘p d 控铡方 法，以获得较好的路感和甜驾驶赛输入的快速稽应。 最后，对e p s 举实物仿真试验平台的硬件釉软件系统的设计、组建进行了阐述。 并越对掰遴行豹试验结果送行分辑，餐蹬绪论。 本文的主要内容如下； 第一章，檄述了e p s 的结掬组成、工作溅理、分类、特点、发展现状及前景等 游客。 第= 章，详缁介绍了e p s 率实物仿冀试验平螽的设诗慈怒萄缀建：过程。 第三章，对电勘助力转向系统( e p s ) 的控制策略及控制方法进行了系统的比 较与辑究。 第四章，利用我们独立建立起来的e p s 半实物仿真试验平台，进行了相兼特性 试验，并对试验续集进行分析，褥出结论。 第五章，对电动韵力转囱系统事实秘仿粪试验的总结。 第六章，对电动助力转向举实物仿真试验系统的展望与改避建议。 大连理工大学硕士学位论文 2 半实物仿真试验平台的设计与组建 2 1 电动助力转向系统的力学原理 简化后的转向齿轮助力式e p s 系统的动力学原理图口5 2 q ( 如图2 1 所示) 。 够豫 ! 露 b ，虢 t k ，i 。，每。 图2 1e p s 系统动力学原理图 f i g 2 1d y n a m i ct h e o r yd i a g r a m o fe p s 设转向盘的转动惯量、转角和转矩分别为i h ，0 h ，t h ；前轮和转向机构向转向轴 简化后的转动惯量、转角和转矩分别为i ，0 ，t ，；转向轴与支承之间的等效摩擦系 数及转向机构和前轮的等效摩擦系数分别为b h 和b ，；从电动机到转向轴的传动比 为g 1 ；转矩传感器的扭转刚度为磁；则可以写出下述二阶系统的动力学方程1 2 7 】： 嚣黪斗。鼢嚣孝瞒矗势飘 眨。， 臻雾氍尊潜滤蔑，：轮缬彩藏 泣：，