（机械电子工程专业论文）汽车电动助力转向（eps）系统的研究与开发.pdf

峨尔滨理t 人学t 学坝i 。学位论史 摘要 汽车电动助力转向( e p s ) 系统是近些年来出现的新型动力转向系统。 与传统的动力转向( p s ) 相比较，汽车电动助力转向系统( e p s ) 结构简 单、成本低、灵活性好、能充分的满足汽车转向性能的要求，在转向操作的 舒适性、安全性和节能、环保等方面显示出显著的优越性。 电动助力转向( e p s ) 系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电了控单 元、无刷直流电动机、电磁离合器和减速机构等部分组成。在相应的软件及 控制算法的协助下，共同实现转向助力的功能。本文在明晰了e p s 的组成 和工作原理后，首先对转向系对汽车操纵稳定性的影响作了一定分析，在此 基础之：，对电动助力转向( e p s ) 系统进行了建模，开发了e p s 控制执行 系统的硬件和软件。 为了便于对动力转向进行建模，本文将汽车简化成二自由度汽车模型。 依据e p s 系统输入信号( 扭矩和车速信号) ，建立了电动助力转向的b 氏模 型，并进行了控制器的数学建模。为了提高系统的稳定性，采用_ i 彳。控制理 论对电动助力转向系统控制器进行设计。 本文的e p s 系统以m s p 单片机为核心，采用传感器信号采集技术和 l m 6 2 l 无刷直流电动机专用控制芯片等，实现信号采集和助力电机的控 制。在e p s 系统的设计过程中，将系统的安全与保护措施渗透到系统的每 一个环节。在此基础之上，对样机进行了模拟试验，验证了本系统的合理性 和可靠档i 。 关键词车辆工程；电动助力转向系统；b 氏模型；无刷直流电动机 l m 6 2 1 ；电机功率驱动单元；安全与保护 竺竺堡些! ! ：叁兰二兰竺! ：兰丝篁兰 a b s t r a c t e 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 san e wp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h i c h e m e r g e di nr e c e n ty e a r s u s e sa i le l e c t r i cm o o rt op r o v i d ea s s i s t a n c e f r o me p s e m e r g e d ，t h ea m o m o t i v ei n d u s t r ya t t a c h e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c et oi t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ls t e e r i n gs y s t e mt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mo ft h ea u t o m o b i l e si ss i m p l e ri ns t r u c t u r e ，m o r ef l e x i b l e ，a n dc a l lf u l l y m e e tt h er e q u i r e m e n t so f s t e e r i n gp e r f o r m a n c e s e p s a l s oh a sp r o m i n e n t a d v a n t a g e si nt h ec o m f o r t a b l e n e s sa n ds e c u r i t yo fs t e e r i n g ，e n e r g ys a v i n g ，a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mm a i n l yc o m b i n e st h et o r q u es e n s o r , v e l o c i t ys e n s o r ，e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha n dg e a rd o w n m a c h i n ee t c i no r d e ft om a k et h ee p sr u n w ed e s i g nt h es o f t w a r ef i t t i n gf o rt h e e p s sh a r d w a r e ，a n dt h ec o n t r o la r i t h m e t i c t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p i u ma n ds t r u c t u r eo ft h ee p s a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h es t e e r i n gs y s t e ma c c o r d i n gt o t h ea u t o m o b i l e s t a b i l i t y ，b a s i n go nt h eb s h im o d e lb u i l d su pt h ea r i t h m e t i cm o d e lo fe p s ， d e s i g n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe p s i no r d e rt oi m p r o v es y s t e m ss t a b i l i t y , 。c o n t r o lt h e o r yh a sb e e nu s e di nt h ed e s i g no fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) c o n t r o l l e r e p ss y s t e mu s es c ma st h ec o n t r o lc o r e ，a d o p t e ds e n s o rs i g n a lc o l l e c t i o n t e c h n o l o g ya n dl m 6 2 1 c h i pw h i c hi sas p e c i a lc o n t r o lc h i pf o r1 1 0 b m s hd c m o t o r d u r i n gt h ew h o l ed e s i g nc o u r s e ，s e c u r i t ym e a s u r e sa n dp r o t e c t i o nh a s b e e n a p p l i e d i na l l d e t a i l s t h r o u g hs i m u l a t i o nt e s t ，t h e e p s s y s t e m s p e r f o r m a n c eh a sb e e nv e r i f i e d k e y w o r d s v e h i c l ee n g i n e e r i n g ；e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；b s h im o d e l ；n o b r u s hd cm o t o r ；l m 6 21 ；m o t o rp o w e rd r i v e ru n i t ；s e c u r i t ya n dp r o t e c t i o n 竺堡鎏些三叁兰三兰堡! ；兰堡丝兰 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也只益提 高。为了保证车辆在任何工况下转动转向盘时，都有较理想的操纵稳定性，即使 车辆在停车情况下转动转向盘时也能够轻松自如：而在高速行驶时又不会感到 方向“发飘”。汽车转向系统从简单的纯机械式转向系统，发展到机械液压动力 转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 、到电控液压动力转向系统 ( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) ，直至如今的更为节能、操纵性 能更优的电子控制式电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 阶 段。 动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便、能吸收路面对前轮产生的冲击 等优点，因此己在汽车制造业中普遍采用。电子控制技术在汽车动力转向系统 的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电动式动力转向系统在低速 时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动 力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电动式动力转向系统( e p s ) 是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的电动 动力式转向系统。该系统仅需要控制电动机电流的方向和幅值，不需要复杂的 机械、液压机构。另外，该系统由于利用微机控制，因此为转向特性的设置提 供了较高的自由度。有着非常广阔的丌发和应用前景。 1 2 课题研究的目的、意义 汽车转向系统是汽车的一个重要组成部分，是完成控制汽车行驶路线和方 向的主要装置，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、转向可靠性、驾 驶员的操纵手感和汽车行驶的安全性。为提高汽车转向性能，目静普遍采用了 动力转向系统，为此，汽车动力转向技术也向着更高、更新的方向发展。纵观 转向系统的发展历程，可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。 机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮的转向。机械 转向中一个重要性能参数是传动效率，即输出功率和输入功率的比值。一般应 要求转向系统正效率高而逆效率适当。逆效率为驾驶员提供“路感”，若逆效 率太高，在路面上行驶时，汽车前轮受到的冲击力很大部分都会传给驾驶员， 造成“打手”现象；反之，若逆效率太低，则“路感”就会差，且不能保证车 轮自动回正。由于每台机械转向器的结构都是固定的所以其传动效率也是同 定的，很难在不同的路况f 均获得良好的转向传动效率。 动力转向系统是在家实验的控制下，借助于汽车发动机产生的液压力或电 动机驱动力来实现车轮转向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力 矩，改善汽车的转向轻便性和汽车的操纵稳定性，因此，在国外不仅在中高级 轿车上，而且在商用车和轻型车上也逐渐普遍应用动力转向系统。动力转向系 统按照提供动力方式的不同可分为气动助力式、液压助力式( 又可进一步分为 机械液压助力式和电子控制的液压助力式) 和电动助力式。气压助力式动力转 向系统主要应用于一部分在载重量3 7 吨，并且采用气压制动系统的商用车 卜，因为其工作效率较低，所以现在很少采用。传统的液压助力转向系统一般 是由发动机驱动转向油泵提供液压油，由转向控制阀柬控制液压油的流向以实现 助力。但这种转向系统的助力特性与汽车的实际要求不一致，因为汽车不同速度 行驶时对助力特性的要求不同，而传统的液压助力转向系统无法做到这点。后 来，把电子技术引进了转向系统，出控制单元根据不同的转向状态来控制电动机， 驱动转向油泵运转，就形成了电子控制的液压助力转向系统( e l e c t r i ch y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) ，它符合当代节能与环保的要求，因为传统的液压 助力转向系统中转向油泵不停地运转，但真正转向的时恻却不多，这样存在很大 的寄生损失：在e h p s 中，币常转向时，驾驶员转向动作不快，其电动机可以低速运 转；当需要快速转向时，电动机加速，以提供足够的液压油；不需要转向动作的时候， 可以让电机停转或低速运转，从而大大节约能量。 电子控制式液压动力转向系统由于增加了电子控制装置而且其阀的结构较 常规阀复杂，因恧成本较高。目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上，在 技术上电子控制液压动力转向器的设计也比普通液压动力转向器要复杂，须考 虑电气部分如传感器的选型及布置、电磁阀的特性、电液系统的耦合、转向电 子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求。虽然，电子控制 的液压动力转向系统在驾驶舒适性上较传统的液压动力转向系统有很大的提 高，但是没能从根本上解决系统在工作时大量的液流在泵内循环而造成的能源 的浪费问题。 此外，液压动力转向系统具有噪声大的缺点。液压动力转向系统的噪声主 要来自于两个方面：一方面是油泵振动及由此引起的压力软管、控制阀、动力 吣尔演理t 人学t 学蝴i ：学位论殳 缸和转向柱的振动，使得液压动力转向系统具有不可克服的液压噪声；另一方 面是来自液体流动的流动噪声。这些噪声使得转向的舒适性大大降低。此外， 液压动力转向系统还存在着液压管路的泄漏以及进气造成的转向沉重。尽管存 在上述问题，液压动力转向系统以其转向助力大、工作滞后时问短、可以很好 的吸收来自不平路面的冲击，因而获得很广泛的应用，液压动力转向系统仍是 日前动力转向主要的转向助力方式之。 目前，电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 是近年来出 现的新型动力转向系统，它是在机械转向系统的基础上，根据作用在转向盘上 的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的转向 辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳的转向特性的伺服系统。e p s 系统由机械转向装置、驱动电机、电磁离合器、减速机构、方向盘转矩传感 器、车速传感器、助力转向控制器( 包括控制单元e c u 和驱动单元两部分) 等组成。其基本工作原理是：当操纵转向盘，装在转向盘轴上的转矩传感器不 断地测量出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单 元，电子控制单元根据这些输入信号，经过计算处理后控制电动机输出相应大 小和方向的转矩信号，电动机的转矩信由电磁离合器通过减速器减速增扭后， 加到汽车的转向系统中，从而实现汽车转向助力的作用。 与液压动力转向系统相比，e p s 具有如下优点： 1 效率高：液压动力转向系统中机械与液压连接的效率较低，一般为6 0 7 0 ；而e p s 系统为机械与电机相连接，效率较高，可达到9 0 。 2 能耗少：汽车在实际行驶过程中，处于转向状态的时问约占总行驶时 间的5 。对于e p s 系统来说，电动机只有在需要时才工作，所以消耗的能量 要比液压动力转向系统少得多，应用e p s 系统的汽车燃油消耗率仅增加o 5 左右。 3 重量轻：将电动机、离合器减速装置和转向杆等部件裟配成一个整 体，这既无管道也无控制阀，使其结构紧凑、质量减轻，而且为整车布雹带来 了很大的方便。一般电动式e p s 比液压助力转向质量轻2 0 左右。 4 可控性高：对于不同车型和使用要求，在基本上不变动硬件的条件 下，只要改变软件，就能满足性能要求。可以比较容易地按照汽车性能的需要 设置和修改转向助力特性。另外它容易与目前国外正在发展的车辆稳定性控制 系统和四轮转向系统集成和匹配，提高整车综合性能。 5 有较好的“路感”：e p s 系统可通过软件编写很容易实现不同驾驶转向 工作状况下获得更优的“路感”。 i l 尔演理t 人学t 学碳l 学位论史 6 回正性好：e p s 系统结构简单、内部阻力小、回f 性好，从而可以得 到最佳的转向回 f 特性，改善汽车的操纵稳定性。 7 r 作可靠性好，维修方便：电动转向系统零部件数目少，不存在液压 动力转向系统中常有的液压油泄漏问题，故其故障率低，维修方便。 8 制造成本低，竞争力强：因其机械部分与机械转向器相同，整个电动 转向系统零部件不仅数目少，而且制造工艺与液压零件制造工艺相比要简便， 设备投资少，制造费用低。批量生产后总成本比液压助力转向低1 0 1 5 。 电动助力转向系统( e p s ) 能够满足当前节能与环保的要求，并给汽车的 设计与制造带来了新的空间；目前，电动助力转向( e p s ) 系统每年讵以1 0 的速度递增，据估计到2 0 0 7 年世界将达到l1 4 0 万套的产量，因此e p s 必将得 到更加广泛的应用。同时，也对e p s 系统的设计提出了更加严格的要求，其性 能的优劣和成本的高低都直接影响其在汽车上的应用前景。因此，低成本高效 能的电动助力转向系统( e p s ) 是现阶段汽车动力转向系统的研究重点。 1 3 课题来源 自拟。 1 4 电动助力转1 6 ( e p s ) 系统的国内外发展现状 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 g ) 是在2 0 世纪8 0 年代中 期提出来的，它是将最新的电子控制技术和高性能的电机控制技术应用于汽车 转向系统，从而能显著改善汽车动态性能和静态性能，提高行驶中驾驶员的舒 适性和安全性、减少对环境的污染等，并有效解决了液压动力转向系统在能 耗、环保等方面的不足，满足时代发展的要求。因此，该系统一经提出，就受 到许多大汽车公司的重视，并进行了丌发和研究，今后转向系统中电动助力转 向将成为转向系统的主流。 近些年来，动力转向系统的技术革新都是在液压动力转向系统基础上开发 的。即便是电控液压动力转向系统也无法根除液压动力转向系统在系统布置、 安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的固有缺憾。直到 1 9 8 8 年3 月，同本铃木公司开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统 ( 以下简称：电动助力转向系统) ，才真正摆脱了液压动力转向系统的束缚。1 9 9 3 年，本阳汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大批量生产的、在国际市场上 喻尔滨型1 ：人学t = 学顺i j 学位论史 同法拉利和波尔舍竞争的爱克n s x 跑车l ：12 1 。同年，在欧洲市场销售的一种经 济型轿车一菲亚特帮托也将美国德尔福公司生产的电控助力转向系统作为标准 装备：由于电控助力转向系统完全取消液压装置，用电能取代液压能，减少了发动 机的能量消耗；a n 上其性能的优越性，很快在越来越多的国外轿车上得到应用，如 本田最新推出的1 1 1 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未 来动力转向设计的新方向，目前在中型以上货车和中级以上轿车上广泛采用的机 械一液压动力转向器将逐渐被效率更高、适应性更强的电动助力转向系统所代 替。为此，国外几家大公司( 如德国的z f 、英国卢卡斯一伟利达、s a g i n a w 、 t r w 、同本的n s k 、k o y o 等) 都竟相推出自己的电动助力转向系统。比如：三 茭公司在其m i n i c a 车上装备了e p s ，大发汽车公司在其m i r a 车上装备了 e p s ，本阳汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装了e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向 也将倾向于选择e p s l2 ，d e l p h i 汽车系统已经为大众的p o l o 、欧宝3 1 8 i 以及 菲亚特的p u n t o 丌发出e p s 。t r w 从1 9 9 8 年开始便投入了大量人力、物力 和财力用于e p s 的丌发，他们最初是针对客车开发出转向柱助力式e p s ，如今 小齿轮助力式e p s 丌发已获成功，1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备于轿车 上，! t l ：1 ：f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等1 3 1 。m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司正共同投资了6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，他们计划丌发出用于汽车 前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s 系统，因此货车也可能成为e p s 的装备目标。 目前，e p s 技术日趋完善，其应用范围也在逐渐的扩大，其生产成本也在 不断的降低，e p s 正向着低成本、高性能化方向发展。e p s 的助力形式也从低 速范围助力型向全速范围助力型发展n l 5 1 ，并且其控制实现形式与功能也进一 步加强。 电动助力转向系统按电机布置形式可以分为转向柱驱动、小齿轮驱动、齿 条驱动等三种形式1 6 1 。下面对三种助力方式下各公司对e p s 系统的丌发现状作 简要的介绍： 1 转向柱驱动方式英国的l u e a s 公司的e p s 系统：出无刷直流电机、 扭矩传感器、电子控制单元、助力机构等组成。其扭矩传感器采用双通道光电 传感器，在方向盘与转向柱间扭杆的两端各安装一个光电码盘和一个光电传感 器，当在转向盘上施加扭矩时，在两个码盘上之间产生相对转角。光电接受其 接收到的光强与扭矩大小成一定的比例。从而通过比较两个光电传感器的输出 信号计算出转向角和转向角速度。l u c a s 通过一个三相逆变器来根据电机的相 电流从而控制扭矩大小。驱动电路由一组m o s f e t 功率管组成，由p w m 方 式来控制m o s f e t 的开关时间和顺序。 堕! ! 堡竺三叁兰三兰堡! ! ：兰竺丝兰 d e i p h i 公司的e ，s t e e r w 系统：由转向系统、助力机构、电子控制单元、 电动机、传感器等组成。所采用的电动机是1 2 v 的无刷永磁直流电动机。电动 机由汽车上的蓄电池供电，发动机不工作时也可以为汽车转向提供助力。电子 控制单元对转向扭矩、转向角和车速等信息进行运算处理后输出相应的电流去 驱动电动机为汽车提供转向助力。助力扭矩与转向手力之问的比例由电子控制 单元按照车速的高低提供相应的助力。在行使的过程中，电子控制单元一直监 测着助力机构的运行，一旦发生故障，电磁力离合器立刻断丌助力机构和转向 机构。转向恢复到传统的机械转向状态1 7 1 。 2 转向小齿轮驱动方式z f 公司的e p s 系统：由扭矩出感器、速度传感 器、控制器、电动机、电磁离台器和减速机构等构成。驾驶员手动转动方向盘 产生的扭矩经转向柱、中问轴和万向节传递给伺服机构。电动机、电磁离合 器、减速机构和电子控制单元e c u 等伺服机构直接安装在转向小齿轮处，这 种助力方式适用于前轴最大负荷为9 0 0 k g 的中级轿车。 d e l p h i 的e p s 也有转向小齿轮驱动方式的产品，其结构同上。 3 转向齿条驱动方式本田汽车公司开发的e p s 有齿轮一齿条式转向齿 轮箱、两个速度传感器、继电器、熔断器、故障指示灯等组成。其中齿轮箱包 括转向传感器、电子控制单元e c u 、功率驱动模块和助力机构。其中电气部分 入控制单元和功率模块都装在转向齿轮箱内以起到保护作用同时也简化了系统 的结构。转向传感器分别由测试转向角速度的转向传感器和测试扭矩的传感器 组成。扭矩传感器是扭杆式的，即通过扭杆检测到输入与输出的相对位移而得 知转向扭矩。转向传感器是采用直流测速电机来测试转向角速度。 国外汽车公司对e p s 的研究已经有多年的历史，但是以前一直没有取得大 的进展，其主要原因是e p s 的成本太高。近几年来，随着电子技术的发展和控 制方式的改进，大幅度降低e p s 的成本已成为可能。在国内，大部分科研院所 对e p s 系统的研究币处在初始阶段，基本完成台架性能试验，j 下准备台架寿命 试验和整车试验。国内大部分文献只介绍了国外转向系统的应用现状i a - l s j ，文 献 s - i 2 介绍了转向系统的发展趋势，并对机械转向、液压动力转向、电子液压 动力转向和电子控制电动助力转向系统的发展动态和关键技术进行了部分阐 述。文献1 1 3 - 1 5 1 分析了汽车运动的力学特性，阐明了作用在轮胎上的力产生的机 理与性质，讨论了转向装置对汽车运行稳定性的影响。文献1 1 6 - 1 s 】在对轮胎特性 进行线性化假设的前提下，忽略了影响操纵系统稳定性的因素，并给出了转向 力矩与车速、转弯曲率半径、转向系传动比等参数之问的关系。 b a d a w a y 对e p s 系统进行建模并对模型进行了简化，验证了简化模型的有 堕堡堡些：! 查兰三耋堡! i 耋堡篓兰 效性，在此毖础上设计了控制器并讨论了影响转向性能的因素9 l 。g r e g g ，r d 给出了e p s 完整的系统构成，并利用手动转向系统的精确模型及m a t t i xx 包，对整车进行计算机模拟，使e p s 性能得到了优化1 2 0 i 。z a r c m b a ，a t 分析了 电动助力转向系统开发中的控制和路感问题，按照转向系统的性能要求，提出 了对校丁f 器增益、相位滞后和零极点位胃的约束，针对变结构控制器，提出了 一种非线性约束的最优化方法，其控制规律使目标函数( hs u b 2 范数) 取极 小值，从而使操纵手感得到改善| 2 q 。文献1 2 2 1 在对转向系统中存在的振动进行 分析后，提出了一个降低振动和保持路感的校正器。m c c a n n 分析了电动助力 转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响，通过采用横摆角速度和横 向加速度反馈，系统过得了良好的稳定性1 2 3 1 。b u r t o n 对电动助力转向系统中 驱动电路的m a t l a b 模型进行了仿真1 2 4 1 。s u g i t a n i 提出转向系统操纵的手感取 决于控制系统获取路面环境的信息的多少，并给出了hi n f i n i t y 控制器1 2 5 】。 j s c h e n 采取p d 控制，获得理想的稳念扭矩，并避免了扭矩在中频段的高传 递率，采用超前补偿器消除p d 控制器无法解决的噪音问题 2 6 1 。 1 5 课题研究的主要内容 本课题首先要掌握国内外的电动助力转向技术的发展历史和应用现状，在 此基础之上，介绍了e p s 系统的工作原理和主要组成部分，并对每个功能单元 的原理和设计内容进行了简要的描述。为了研究动力转向对汽车的影响，我们 在文中研究了转向系对汽车操纵稳定性的影响。对汽车模型进行了二自由度简 化并在此基础之上对汽车转向系进行了动力学建模。最后，本文阐述了汽车电 动助力转向系统的硬件和软件系统。本文各章节的具体内容如下： 第一章，介绍了国内外动力转向技术的发展历程和应用现状，电动助力转 向( e p s ) 系统与其他动力转向相比的优势，并对国内外各公司e p s 产品进行 了分类介绍，最后对部分国内外e p s 研究的成果进行了概括和总结。 第二章，描述了e p s 系统的总体结构和工作原理，按功能模块分类的方式 分别对e p s 系统的主要构件的结构和工作原理进行了介绍。 第三章，介绍了汽车操纵稳定性的概念和转向系对汽车操纵稳定性的影响 研究，对汽车操纵稳定性的研究方法进行了探讨，并分析了动力转向对汽车驾 驶路感的影响。 第四章，对e p s 系统进行了动力学建模，首先研究了将汽车简化成二自由 度汽车模型的简化过程并在此基础之上提出了动力转向的b 氏模型。为了解决 e p s 系统受路面冲击干扰和传感器噪声干扰的影响，在控制器设计中采用了 h 。设计方案，保证系统的稳定性和抗干扰能力。 第血章，首先从总体上介绍了e p s 系统的硬件组成，分别对单片机核心单 元，车速、扭矩传感器输入接口单元，电压、电流监测单元，电动机功率驱动 单元，故障诊断和显示单元，e p s 系统的安全保护单元工作原理和设计内容进 行了描述。 第六章，介绍了e p s 系统软件设计思路，并用框图的方式进行了描述。并 对主程序和部分子程序进行了介绍。在软件设计过程中采用了模块化的设计方 法，使系统程序运行更加高效，提高程序的可读性，便于程序的修改和功能扩 充。 第2 章e p s 的原理及主要构件 2 1e p s 的系统介绍 e p s 系统是在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和 车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶 员进行转向操作，并获得最佳转向特性的伺服系统。该系统不使用汽车发动机 的动力，而是依靠汽车上蓄电池作为其电源，也不需要复杂的控制执行机构， 只要控制电动机电流电压的幅值和方向，就能实现转向系统的自动控制。 2 1 1e p s 的组成 e p s 系统由机械转向器、驱动电机、减速机构、方向盘扭矩传感器、车_ 速 传感器及电控单元( 包括控制单元和驱动单元) 等组成，如图2 1 。 幽2 - 1 汽车e p s 的组成 f i g 2 一lt h ec o m p o s i n g o f e p s 1 一转向赧：2 一输入轴：3 e c u ；4 一电动机；5 一电磁离合器； 卜转向齿条；7 横拉轩：8 转向轮；嗍l 出毒| l i ；1 0 一柑力轩 1 1 一士h 矩传感器；1 2 一转向齿轮 喻尔滨删t 人学1 学坝f 。学位论史 2 1 2e p s 的工作原理 汽车在转向时，转矩传感器会检测到驾驶员施加在转向盘上的力矩和拟转 动的方向，这些信号通过数据总线发给电子控制单元，电子控制单元根据转向 缸的转动力矩、拟转动的方向以及车辆速度等数据信号，向电动机控制器发出 动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩来产生助 动力。当不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出信号指令，系统处于 s t a n d b y ( 体眠) 状念等待调用。同时，电子控制单元根据车辆速度信号，通过 控制助力电机的输出扭矩来实现转向助力，减少驾车者在低速行驶时方向盘 “沉”和高速行驶时方向盘“飘”的感觉。 当操纵转向盘时，装在转向柱上的转矩传感器不断测出转向柱上的转矩， 并幽此产生一个电压信号，该信号与车速信号同时输入电子控制单元，由电子 控制单元中的微机根据这些输入信号进行运算处理。确定助力转矩的大小与方 句，即选定电动枫的电流电压和方向，调整转向的辅助动力。电动机的转矩 由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，施加在汽车的转向机构上，使之得到 一个与汽车转向状念相适应的转向作用力 目前国内外一些汽车公司正在研制的汽车电子控制电动助力转向系统传动 方案主要有转向柱驱动( c o l u m nd r i v e ) 、转向小齿轮驱动( p i n i o nd r i v e ) 、齿 条驱动( r a c kd r i v e ) 等三种方式。 转向柱驱动方式，转向助力机构安装在转向柱上，当驾驶员转动转向盘 时，电控单元接受转矩、车速等信号，控制助力电机的电流，电机的动力经过 离合器、减速机构传给转向柱的齿轮，然后经万向节及中间轴传给转向器。 小齿轮驱动方式，转向助力机构安装在转向转向器小齿轮处，与转向柱驱 动方式相比较，可提供较大的转向助力，适用于中型车，但在助力控制方面增 加了难度。 齿条驱动方式，转向助力装置安装在转向齿条处，电动机通过减速机构直 接驱动转向齿条。与转向小齿轮驱动相比较，可提供更大的转向助力，适用于 大型车，但它对原有的转向传动机构有较大的改变1 2 1 1 ，l 【i 3 1 2 1 3e p s 的控制原理图 在掌握e p s 的工作原理前提下，为后继设计工作的方便，将e p s 系统用 框图表示如下，如图2 2 ，2 - 3 ： 表示 蚌向盘 咐尔滨理t 大学1 学硕i ? 学位论文 表不一 幽2 - 2 汽乍e p s 控制原理图( 表示法一) f i g 2 2t h ec o n t r o lp r i n c i p l ec h a r to f e p s ( r e p r e s e n t a t i o n l ) 酗2 - 3 汽下e p s 控制原理幽( 表示法_ 二) f i g 2 2t h ee o m r o lp r i n c i p l ec h a ao fe p s ( r e p r e s e n t a t i o n 2 ) 坠丝堡些三垒兰! ! ! 耋丝! ：耋竺丝兰 2 。1 4e p s 的助力特性 延。：亟。亟。 幽2 - 4e p s 助力特性的形式 f i g 2 - 4t h ec u r v co f a s s i s t a n tp o w e rc h a r a c t e r 它们的特点分别是：直线型助力特性在助力变化区，助力与转向盘力矩成 线性关系；折线型助力特性在助力变化区，助力与转向盘力矩成分段线性关 系；曲线型助力特性在助力变化区，助力与转向盘力矩成非线性关系。直线型 助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中容易调整；曲线型助力 特性复杂，且调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。 助力特性对动力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要影 响。在传统的液压助力转向中助力特性主要出阀的结构决定，调整困难，并且 设计完成后助力特性也就确定了，不能随车速变化。而e p s 不同，助力特性曲 线是其控制目标，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便进行调节。针对 e p s 的特点，对助力特性曲线提出以下要求： 1 当转向盘输入力矩小于某一特定值( 通常为1 n m ) 时，助力矩为o ， e p s 不起作用。 2 在转向盘输入力矩较小的区域助力部分的输入应较小，以保持较好 的路感。 3 在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显。 啃尔滨删t 人学t 学倾j ：学位论义 4 在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大 的助力效果。 5 随着车速的增高，助力应减小。 6 符合崮家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。 2 2e p s 主要构件的工作原理及选型 2 2 1 扭矩传感器 a ) 幽2 - 5 无触点式 ! 【矩传燎器 f i g 2 5n o - c o n t a c tt o r q u es e n s o r 扭矩传感器的作用就是测量转向盘与转向器之间的相对扭矩，以作为电动 助力的依据之一。图2 5 ，是无触点式扭矩传感器的结构及工作原理图。在输 出轴的极靴上分别绕有a 、b 、c 、d 四个线圈，转向盘处于中间位爱( 直线 行驶) 时，扭力杆的纵向对称面萨好处于图示输出轴极靴a c 、b d 的对称丽 上。当在u 、t 两端加上连续的输入脉冲电压信号u 时由于通过每个极靴的 竺丝堡些三叁兰三兰竺! i 兰丝篁兰 磁通量相等，所以在v 、w 两端检测到的输出电压信号u o = 0 。转向时，由 于扭力卡t 和输出轴极靴之间发生相对扭转变形，极靴a 、d 之问的磁阻增加， b 、c 之问的磁阻减少，各个极靴的磁通量发生变化，于是在v 、w 之间就出 现了电位差。其电位差与扭力杆的扭转角和输入电压u i 成正比。如果比例系 数为k ，则有u o = k u i 口。所以，通过测量v 、w 两端的电位羞就可以测量出 扭力卡t 的扭转角，于是也就知道了转向盘施加的转动扭矩2 ”。 2 2 2 助力电机 e p s 系统的电动机与起动用直流电动机原理上基本相同，我们选用无刷永 磁直流电动机。其最大电流为3 0 a 左右，额定电压为1 2 v ，额定转矩为l o n m 左 右。这种电动机具有运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。助 力电动机的功用是根据控制器的指令产生相应的转矩输出。助力电动机对e p s 系统性能的影响很大，是e p s 的关键部件之一，系统不仅要求电动机低转速大 扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高，易控制。 为了增强转向操纵时驾驶员的“手感”并降低噪声和振动，需要对电动机的结 a la 2 蚓2 - 6 勘力电机正反转控制原理幽 f i g 2 6t h ec o n t r o ls c h e m eo f p o s i t i v ea n dn e g a t i v er o t a t i o n 喻尔滨趔t 人学u r 学坝j 学位论义 构作1 些特殊处理，如：沿转子的表面丌出斜槽或螺旋槽，定予磁铁设计成1 ： 等厚 转向助力用直流电动机需要币反转控制，其正反转控制原理，如图2 6 所 示。a 。、a ，为触发端信号。当a 端得到输入信号时，晶体管l 导通，l 得到 基极电流而导通，电流经t ，、电动机i l i 、l 和搭铁( 地线) 而构成回路，于是 电机正转；当a ：端得到输入信号时，电流则经t 、电动机m 、t 4 和搭铁而构成 回路，电机则因电流方向相反而反转。控制触发信号端电流的大小，就可以控 制通过电动机电流的大小。 2 2 3 电磁离合器 圈2 7 电磁离台器l 柞原理 f i g 2 7t h es c h e m eo f e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h 1 一滑环；2 线圈；3 一压板：4 花键；5 一从动轴 6 一主动轮；7 一滚珠轴承 如图2 7 ，为单片干式电磁离合器的工作原理图当电磁离合器控制电流通过滑 环进入电磁离台器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主 喻尔滨理t 人学t 学顺l 学位论立 动轮压紧，于是电动机的动力经过轴、主动轮、压板、花键和从动轴传递给执 行机构。 电动式e p s 中的电磁离合器主要是起到安全保护的作用，当e p s 系统发生 故障、助力电机工作电流过大等情况下电磁离合器会及时切断，汽车仍i 叮以 以传统的机械转向装雹进行工作，从面保障整个系统和行车的安全。为了不使 电动机和电磁离台器的惯性影响转向系的工作，离合器应及时分离，以切断辅 助动力。 2 2 4 减速机构 减速机构是电动式e p s 不可缺少的部件。目前实用的减速机构有多种组合 方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传 动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊 齿形，有的采用树脂材料制成。在本次e p s 系统设计中，由于是采用转向柱助 力方式，为此我们选用蜗轮一蜗杆减速装置，其优点是传动平稳、结构简单、 可靠性高、体积小、成本低。更适合在汽车驾驶室内安装。 2 2 5 电子控制单元 电子控制单元e c u 作为关键部件，主要有微处理器、与传感器输入信号相 匹配的接口电路、微处理器内置的模数转换器( a d ) 和脉冲宽度调制器 ( p w m ) 、监测微处理器工作的监测电路，无刷直流电动机的驱动电路和场效应 管( m o s f e t ) 组成的放大驱动电路等部分组成。其基本工作原理如下：转向 时，控制单元根据检测到传感器的信号以及电视的电流电压信号，判断汽车 的转向状态( 转向或回正) ，向驱动单元伐出控制指令，通过电机驱动芯片使 m o s f e t 按一定的占空比导通，使电机按方向盘转动的速度和方向产生所需的助 力转矩。协助驾驶员进行转向操纵。 电控单元根据各传感器输入的信号通过查询控制策略表确定控制参数，并 根据控制参数控制电动机转动。另外电控单元还需要对系统进行故障诊断，一 旦发现故障，将中断对电动机供电，e p s 系统的故障指示灯点亮，并将故障以 代码的形式进行存储记忆。 驱动单元主要是由无刷直流电动机驱动芯片和功率场效应管( m o s f e t ) 驱 动电动机正向和反向转动的驱动电路、电流传感器和控制电动机电路通断的继 电器组成。电控单元对电动机的驱动电路进行监测，当驱动电流不币常时将中 朴尔滨理t 人学t 学填l j 学位论义 断向电动机供电。 转向控制( 包括常规控制、回正控制和阻尼控制) 是e p s 丌发的核心之 一，e p s 系统根据检测到的车速，转向盘扭矩和转速信号确定车辆的运动状 念，以此来控制助力电机产生相应大小和方向的辅助力。 汽车在低速行驶进行转向时，电控单元对电动机进行常规控制，出于要求 电动机的端电压随转向盘转速提高而增大，所以场效应管的占空比将随转向盘 转速提高而增大。这样使转向机具有较好的转向晌应，转向操纵灵敏轻便。以 前的e p s 系统大多数是在汽车低速时爿助力，当车速高于4 3 5 2 k m h 时，停 止电机的助力并切断电磁离合器。在本次设计中，采用全程助力方式：汽车在 高速行驶时仍不切断离合器，利用电动机本身和其内部电路构成的回路对汽车 原有的转向系统增加个阻尼，这样能够进一步提高汽车在高速行驶的稳定 性，更进一步降低了汽车高速转向变道时方向盘“发飘”的现象，提高驾驶员 驾驶的舒适性。 回正控制可以改善转向盘的回正性。在汽车低速行驶过程中，当转向盘转 动后回到中位时，电控单元对电动机进行回正控制，电动机将产生一个与电动 机转速成正比的阻力矩，电控单元将是电动机电流逐渐减小，使转向车轮迅速 回f ，汽车将具有良好的回f 特性。 汽车高速行驶过程中，当转向盘转动后回到中位时，电控单元将电动机电 流逐渐减少，对转向车轮产生回正阻尼，使汽车具有稳定的转向特性。阻尼控 制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象。消除转向车轮因路面输入 引起的摆振现象。其原理为电动机绕组发生短路时，电动机将产生一个大小与 其转速成f 比的反向转矩，电控单元就是利用这一特性对电动机进行阻尼控制 的。在e p s 系统中，由于电动机的转动惯量，系统的转动惯量要大于传统系统 的转动惯量，因此，当电动机转动惯量较大时，阻尼控制是根有效的方法之 一。当电动机转矩小于设定值，转速大于阻尼控制表中的数据，如：方向盘转 速很高，但没有对方向盘施加作用( 引起方向盘抖动) ，即需要阻尼控制，以 提高路面路感。 2 2 6 系统故障自诊断和安全功能 电子控制电动助力转向系统具有故障自诊断和显示功能。当出现任何一种 故障时，系统均可显示出故障代码。如果同时出现两个以上故障时，则依次显 示其故障代码。 晴尔演理t 人学t 学坝i ：学位论立 与安全有关的信号流程是：当由电池电压过低检测电路、电源装置短路检 测电路、时钟监测电路和其他监测电路以及由e c u 检测出一个故障时，仪表板 上的故障灯点亮，控制器上显示故障代号。 e p s 系统的安全功能可以确保转向系萨常工作，即使转