（机械电子工程专业论文）汽车电动助力转向器电控单元（ecu）的研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 汽车电动助力转向系统( e p s e l e c t r i cp o w e r e ds t e e r i n g 提近年来发 展起来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采 集到的信号来控制电机的运转，从而实现助力转向的功能，e p s 除了 具备液压动力转向器的转向轻便等优点之外，它还具有转向平稳、节 齄、环保等一系列特点，因此，e p s 取代液压动力转向系统势在必然。 当前国内在e p s 的研究和产业化方面还比较落后，没有形成具有自 主知识产权的e p s 产品。因此，开展对e p s 的研发上作具有重要的 理论和实际意义。 本文分析了e p s 系统的结构和工作原理，在此基础上建立了 e p s 系统的数学模型并进行了分析 对e p s 系统控制方法进行了研究，采用p i d 控制器对本系统 进行控制，分析了助力控制、阻尼控制、回正控制三种控制方式。 研究了控制器的硬件结构，以8 0 c 5 5 2 为核心设计了控制器， 详细介绍了系统硬件部分相关模块的设计情况，包括控制系统核 心模块及其周围电路的设计，电动机驱动与保护电路的设计，电 流、扭矩等传感器输入信号的处理电路设计，电磁离合器与显示 电路以及系统供电电源系统的设计等 勾画了电动助力转向系统的软件控制总体流程框架，介绍了滤 波环节，采样信号处理环节，转向判定环节，辅助力计算环节以 及电动机控制环节的流程图。 最后，对全文工作进行总结，并提出了诸多尚待讨论的问题， 为今后的工作确定了目标。 关键词：汽车电动助力转向p i d 控制单片机 武汉理工大学硕士学位论文 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 g s ys t e m ( e p s ) i san e wd e v e l o p i n g d i r e c t i o n o fp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi na u t o m o t i v e t h ep r i n c i p l eo f e p si st h ea s s is t a n tm o t o rw o r k sa c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dt o r q h e a n dv e h i c l es i g n a ls s ot h a td o w e rs t e e r i n gc a nb er e a l i z e d b e s i d e s e p sh a st h e l i g h ts t e e r i n gt o r q u el i k eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( h p s ) s y s t e m ，i th a sm a n yo t h e rc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha s s t e e r i n g p l a c i d l y ，l o we n e r g yc o n s u m i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga n ds oo d t h e r e f o r ei ti sac e r t a i nt e n d e n c yt h a te p sb e i n gi n s t e a do fh p s ，b u t a tp r e s e n t t h er & do ft h ed o m e s t i ce p si sb e h i n d h a n d a n da 1 1t h e e p su s e di nv e h i c l e sh a snoi n d e p e n d e n tk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n ti na c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nr & do fe p s i nt h i a r t i c l e t h ee p ss y s t e mo r e a n i z a t i o na n dt h ep r i n c i p l e o fw o r kh a sb e e na n a l y z e d i nt h i sf o u n d a t i o nt h ee p ss ys t e m m a t h e m a t i c a ln l o d e lh a se s t a b l i s h e da n dc a r r i e dont h ea n a l y s i s t h ee p ss y s t e m sc o n t r o lm e t h o dh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c h ， t h ep i dc o n t r 0 1 l e ri su s e dt oc a r r yont h ec o n t r 0 1t ot h i ss y s t e m ，a n d b o o s t i n g d a m p i n ga n d r e t u r n st ot h et h r e ec o n t r o lm o d eh a s a n a l y z e d t h eh a r d w a r ef r a m eo fe p si ss t u d i e d t h e d e v e l o p e d c o n t r o l l e rb a s e don8 b i t m c u8 0 c 5 5 2i si n t r o d h e e da n dm a n y r e l a t e dc i r e u i tu n i t sa r ed e s i g n e d i n c l u d i n gt h ee o n t r o lc i r e u i t 。t h e d r i v erc o n t r o lc i r e u i t ，c u r r e n ta n d t o r q u e s e n s o r si n p u t s i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c ha n dd i s p l a yc ir c u i t ， t h es y s t e mp o w e rs u p p l ys y s t e md e s i g na n ds oo n s k e t c h e so fe p ss o f t w a r et oc o n t r 0 1t h eo v e r a l lp r o c e s s f r a m e w o r k ，i n t r o d u c e daf i l t e r i n g d e t e r m i n e l i n k s ，a u x i l i a r y f o r c e f l o w c h a r t e l e m e n t ，s i g n a lp r o c es s i n gl i n kt o o f1 i n k sa n dm o t o rc o n t r o ll i n k f i n a l l y ，as u m m a r yo fw o r k si n v o l v e di nt h et h e s i si sg i v e n a n ds o m ep r o b l e m sf ort h ef u t u r ea r ed i s c u ss e d ，w h i c hf o r m st h e o b j e c t i v e sf o rf u t u r er e s e a r c ha n dw o r k s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gp i dc o n t r o l l e r s c m i i 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 传统动力转向技术的发展 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是 通过转向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。用来改 变或恢复汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。汽车转向系统一直存在着 “轻”与“灵”的矛盾。尽管人们采用了变速比转向器等，但始终不能从根本上 解决这一矛盾。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 日益提高，因此对转向系统讲行了不断地改讲。 助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为三类：液压助力转向系统 ( h p s - - h y d r a u l i cp o w e r e ds t e e f i n g ) ，电动液压转向系统( e h p s - - e l e c t r i c a l l y h y d r a u l i c p o w e r e ds t e e r i n g ) ，电动助力转向系统( e p s e l e c t r i cp o w e r e d s t e e r i n g ) ，将来的趋势是电线转向 ( s b w - - s t e e r i n gb yw i r e ) b p 在方向盘和转向轮 之间没有机械连接。 1 1 1 液压动力转向系统 液压动力转向系统( h p s ) 于1 9 2 8 年在汽车上首次得到应用，到1 9 4 0 年左 右h p s 已经实用化了，开始在重型卡车、客车上装备。1 9 5 1 年开始应用在轿车 上，获得好评，随后h p s 在轿车上迅速普及，到目前为止超过8 0 的轿车上装 备有h p s “。 h p s 是在传统的机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、 储油罐和进回油管路等液压动力装置来提供转向助力。开始h p s 的控制阀采用 滑阀式，即控制阀以轴向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性 好，操纵方便，但是滑阀灵敏度不够高。2 0 世纪5 0 年代出现了转阀式h p s ，即 控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件 少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别 是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改进，而 且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。因此，目前在绝大部分轿车及部分 货车上均采用的是转阀式h p s l 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 h p s 具有如下优点： 1 ) 提高转向轻便性，减小驾驶员的驾驶疲劳强度； 2 ) 液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击； 3 ) 如果在汽车高速行驶时发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把握，应用h p s 可 以使驾驶员较容易地把握转向盘，提高行驶的安全性； 4 ) 液压执行机构可以提供较大的助力，允许转向车轮承受更大的负荷，不会引 起转向沉重的问题； 5 ) 一技术成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格比较便宜。 同时h p s 也有很多不足： 1 ) 选定参数，设计完成之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因 此很难协调汽车转向轻便性和路感之间的矛盾； 2 ) 无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，浪费燃料，使整车 的燃油经济性变差； 3 ) 存在渗油问题，泄漏的液压油会对环境造成污染； 4 ) 对工作温度有一定的要求，低温工作性能较差既 1 1 2 电控液压动力转向系统 电控液压动力转向系统( e h p s ) 是为了克服h p s 的不足，在h p s 的基础上， 增加了电子控制和执行元件，将车速引入到系统中，实现了车速感应型助力特性 的液压动力转向。 e h p s 的种类很多，但其原理基本上都是由车速传感器将车速信号传递给控 制系统，控制装在油泵或转向器上的电液转换装置，通过改变液压系统的流量或 压力来改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件的变 化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向力进行操作，提高轻便性； 在高速行驶时能以稍重的转向手力进行操作，增强路感。使操纵性和稳定性达到 最合适的平衡状态 4 1 。 e h p s 有如下优点： 1 ) e h p s 是在h p s 的基础上发展起来的，原来的h p s 系统全部都可以利用，不 需要更改布置； 2 ) 满足汽车低速行驶时转向轻便性的要求，高速行驶时可以自动根据车速逐渐 2 武汉理工大学硕士学位论文 减小助力，增大路感，提高主动安全性； 3 ) 把油泵与发动机分离，采用电机驱动油泵，能够节省能量1 5 1 6 ； 4 ) 有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原h p s 安全工作【刀。 e h p s 存在如下缺点： 1 ) 由于仍然使用液压机构提供助力，使得e h p s 无法克服渗油问题、零件增加， 管路复杂，不便于安装维修及检测等缺点； 2 ) 虽然引入车速，实现车速感应型助力特性，但是在原有液压系统的基础上又 增加了电子系统，使系统更加复杂，成本增加，可靠性变差 8 1 。 1 2 电动助力转向系统的结构及工作原理 1 2 1 电动助力转向系统的发展情况 汽车是一种高新技术高度集成的产品，此产品依赖于各个系统高度的电子 化，才能进行信息交流，实现综合性控制。电力电子技术的飞快发展为市场提供 了优质廉价、高性能、高集成的电子器件。控制理论和信息技术的进步，为建立 实用性的控制策略和方法，奠定了理论基础和技术支撑。因此，在2 0 多年前难 以实现的电动助力转向系统( e p s ) ，国外如今己经实用化，并进入小批量生产阶 段，由于它具备了现有液压助力转向系统不可比拟的特点，该系统一出现就受到 人们的青睐，市场前景广阔【9 j 。 电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月铃木公司首先在 c e r v o 车上装备e p s 1 0 l ，随后还用在a l t o 车上。在此之后，电动助力转向技术如 雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司， 美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自 的e p s 。如：大发汽车公司在m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司在m i n i c a 车 上装备了e p s l l l l ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前己经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的 动力转向也将倾向于选择e p s 1 2 】；d e l p h i 汽车公司己经为大众的p o l o 、欧宝的 3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。 t r w 从1 9 9 8 年开始，投入了大量的人力、物力和财力用于e p s 的开发。他 们最初针对客车开发转向轴助力式e p s ，目前小齿轮助力式和齿条助力式e p s 的开发也获得成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 己经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 等【1 3 】。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 武汉理工大学硕士学位论文 开发e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装车，年产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。 他们计划开发出适用于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成 为e p s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围己经从最初的微型轿 车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中 型轿车己经安装e p s ，本田还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s i l 4 1 。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，并且其控制形式与功能 也进一步加强。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车是提供助力，高速时e p s 将 停止工作。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时 保证汽车的操纵稳定性。 目前，国内对该系统的研究和开发还处于起步阶段，e p s 系统研究己被我国 列为高新科技产业项目之一，己有部分高校和企业联合，形成“产、学、研”为 一体的研究和开发，但还没有真正的应用于实车中。 国内的一些轿车也选装了电动助力转向系统，如最新下线的“北斗星”选装 了进口的转向轴式的电动助力转向系统，马自达m 6 、广州本田雅阁轿车也选装 了电动助力转向系统。 1 2 2e p $ 的类型 根据电动机驱动部位的不同，将e p s 转向系统分为三类：转向轴助力式 ( c o l u m n t y p e ) 、转向器小齿轮助力式( p i n i o n t y p e ) 和齿条助力式( r a c k t y p e ) ( 图1 - 1 所示) 【1 5 1 9 1 。 a 转向柱助力式转向器助力单元、控制器和传感器都集中于转向柱处。系 统比较紧凑，易于在车辆上的安装，可安装在固定式转向柱、倾斜式转向柱和其 它形式的转向柱上。 b 小齿轮助力式转向器助力单元固定在转向齿轮的小齿轮轴上端。由于助 力单元在驾驶室之外，在提高转向助力的同时驾驶室内可感觉到噪声很小。如果 配合变传动比转向齿轮和足够动力的电动机，可提供优异的操纵特性。 c 齿条助力式转向器助力单元固定于转向齿轮的齿条处。助力单元可灵活 固定于齿条各处，因而方便整车布置，同时降低了齿数比即降低了传动惯量，可 以提供优良转向特性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 a 转向柱助力形式b 小齿轮助力形式c 齿条助力形式 图1 1 电动助力转向系统的常见助力形式 齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助 力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。 由于转向轴助力式e p s 系统具有结构简单紧凑，成本低、维修方便等优越性， 所以应用相对较广泛，本文将基于这一结构形式的e p s 系统建立模型。 1 2 3 电动助力转向系统的工作原理 瓣 图1 2e p s 系统结构原理示意图【2 0 】 电动助力转向系统的基本组成包括转矩传感器、车速传感器、控制单元 ( e c u ) 、电动机和减速机构等，见图1 2 所示。控制单元( e c u d 根据各传感 器的输入信号确定助力转矩的幅值和方向，并且直接控制电动机。电动机的输出 转矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向机中的传送装置把输出转矩传送到齿 条，从而向转向轮提供助力转矩。助力转矩的信号源包括：转矩传感器、转向角 传感器和车速传感器，转向角传感器可根据齿条的位移量和位移的方向测出转向 武汉理工大学硕士学位论文 角。 电动助力转向系统是与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系统。 它直接依靠电动机提供辅助转矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现 转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时减轻操纵力提高操纵的稳定 性，当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳 定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性。 1 2 4 电动助力转向系统关键部件 e p s 主要部件包括转矩传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等 2 q 。 ( 1 ) 电动机和离合器 e p s 系统的电动机采用永磁直流电动机。在电动机设计时，应着重考虑如何 提高路感、降低噪音和振动。比如在电机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、 靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等都可改善电动机的性能。离合器采用电磁式 离合器，其由控制单元根据车速的快慢来控制。当车速在设定车速以上时，电磁 离合器切断，电动机不再提供助力，此时，系统不受电动机惯性力矩的影响，转 入人工转向状态；在设定车速下，电磁离合器接合，转入助力转向状态。 ( 2 ) 减速传动机构 减速传动机构是用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式： 双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。前者主要用于小齿轮助力式和齿条助 力式转向系统；后者主要用于转向轴助力式转向系统。 ( 3 ) 转矩传感器 转矩传感器用来检测转向盘的转矩和方向，采用电位计式传感器。它输出两 个彼此独立的电压信号：主信号和副信号，控制单元用副信号来检查主信号是否 正确。电控助力转向系统的转矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮 式和扭杆式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移 量得到转向力矩的。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对 位移得到转向力矩信号值，扭杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也 兼起减速传动机构的作用。扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位 移，从而测得转向力矩。 ( 4 ) 电子控制单元( e c u ) 2 2 1 6 武汉理丁= 大学硕十学位论文 e c u 的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计 算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 还有安全保护和自 我诊断功能，e c u 通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判 断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时e c u 将进行故障诊断分析。e c u 通常是一个8 位单片机系统，也有采用数字信号处 理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 作为控制单元。由于电动助力转向系统 存在非线性元件( 如摩擦和阻尼) ，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪 声也会给系统带来不确定性。因此，控制系统与控制算法也是e p s 的关键之一。 按控制信号的来源，e p s 系统的控制器有两种型式：一种是以车辆的行驶速度施 控，叫速度型控制器；另一种是以发动机的运转速度施控，称转速型控制器。目 前广泛采用是速度型控制器，即系统在每一个车速下都可得到优化的转向作用 力。 2 1 1 以三菱m i n i c a 为例，列举了e p s 的主要部件的有关参数。田i 7 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 三菱m i n i c a 的e p s 主要部件的参数 部件参数类别参数 类型永磁式 额定电压( v ) d c l 2 电动机 额定转矩( k g c m ) 1 0 额定电流( a ) 3 0 类型干式单片电磁式 额定电压( v ) d c l 2 离合器 绕阻( o ) 1 9 5 2 0 额定传递转矩( k g c m ) 1 5 1 2 v 、2 0 额定电压( v ) 5 转矩传感器额定输出电压( v ) 2 5 ( 中间位置) 最大阻抗( 0 ) 2 1 8 o 6 6 输出电压( v ) 9 5 以上i o o o r m i n 车速传感器 内阻( q ) 1 6 5 2 0 2 0 控制方式单片机控制 电控单元 额定电压( 、r ) d c l 2 工作电压范围( v ) 1 0 一1 6 1 2 5 电动助力转向系统的优点和发展方向 e p s 具有以下优点： 1 ) 可以在汽车不同的行驶工况下提供合理的助力，既能既满足汽车低速行驶时 转向轻便性的要求，又能满足汽车高速行驶时路感的要求。并且助力特性可 以很容易地通过软件设置，得到不同的转向手力特性； 2 ) 电机只在转向时才提供助力，因而能减少能量消耗，提高燃油经济性 2 4 1 ； 3 ) 不存在渗油问题，有利于环境保护，并且可以降低保修成本。据d e l p h i 称， 目前全世界8 0 的汽车装备有传统的h p s ，也就是3 7 0 0 万辆汽车要消耗 4 0 0 0 万升的液压油。如果e p s 全面进入市场，经济效益和社会效益将都十 分可观； 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装置， 只需增加电机、减速机构、离合器、传感器及电子控制单元等，零件比e h p s 减少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易并且能降低噪 声 2 5 1 ； 5 ) 没有液压回路，比h p s 更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通 过设置不同的软件程序，能快速与不同车型进行匹配，因而能缩短生产和开 发周期： 6 ) e p s 比h p s 和e h p s 具有更好的低温工作性能 2 6 1 。 尽管e p s 已经达到最初的设计目的，但仍然存在一些问题需要改进和解决， 其中： 1 ) 继续改善电机的性能是e p s 发展的关键问题。电机的性能是影响系统性能的 主要因素，电机本身的性能及其与e p s 的匹配都将影响转向手力特性、转 向路感、汽车动态响应等重要问题； 2 ) 合理助力特性的确定。助力特性的好坏应该从汽车低速行驶时转向轻便性和 高速行驶时路感两方面综合考虑； 3 ) 合适的控制策略。e p s 能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还 必须有良好的控制软件做支撑。汽车行驶工况千差力别，加上e p s 的安装 位置一般在发动机附近，发动机发出的热辐射与电磁干扰对e p s 有很大影 响。这些都对e p s 的控制策略提出很高的要求 2 6 , 2 7 1 ； 4 ) e p s 的控制信号将不再仅仅依靠车速与转向盘扭矩，而是根据转向盘转角、 转向速度、侧向加速度、前轴载荷等多种信号，进行与汽车特性相吻合的综 合控制，以获得更好的转向路感口8 3 0 】； 5 ) 故障诊断与可靠性。e p s 通过采用电机和计算机控制系统，部分的将转向操 作独立于驾驶员的控制，因此e p s 比液压系统会有更多不同的故障模式。 并且e p s 是一项新技术，它没有传统转向系统那么长的历史，所以e p s 的 故障诊断与可靠性更应受到重视1 3 1 。e p s 可能有两种主要故障表现形式， 一是系统停止工作，这时转向盘力矩超过手动转向，引起转向时的力大于等 价的手动转向系统。当汽车在行驶过程中发生这种故障时，很容易出现交通 事故。另一种更严重的故障就是引起系统在没有驾驶员转向输入的情况下改 武汉理工大学硕士学位论文 变汽车的方向，出现不希望的转向，结果导致汽车偏离原有的方向。这是绝 对不允许发生的。e p s 中有一些故障可以通过采用机械设计方法减少故障的 发生，这与传统液压动力转向采用的方法没有本质区别。作为一个电控系统， 有些故障模式是不能通过机械设计方法来加以避免的，而是需要通过故障诊 断的方法来有效地加以校正f l “。 1 3 本章小结 本章介绍了助力转向系统按照提供动力的形式分为三类，即液压助力、电动 液压助力、电动助力，重点介绍了电动助力转向系统的优缺点，系统结构和工作 原理以及它的几个关键部件。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e p $ 系统的模型的建立 汽车的操纵稳定性主要研究汽车的直线行驶和曲线行驶两种行驶工况，e p s 系统的助力特性主要体现在汽车的曲线行驶过程中，因此，e p s 系统的分析主要 在曲线行驶过程中进行。曲线行驶是指驾驶员给方向盘一个角位移输入或者力矩 输入，汽车通过转向器及转向机构使转向车轮转过一个相应的角度，达到转向的 目的，从而使汽车按预定轨迹行驶。从力学方面来分析，汽车转向过程中，e p s 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力矩、电动机作用在转向轴上的 辅助力矩和地面反作用力到整个转向系统的阻力矩。在实际的转向过程中，方向 盘角输入和力输入是同时加入的，通过驾驶员作用在方向盘上的操纵力矩和e p s 系统依靠电动机提供的辅助力矩，克服汽车转向时所受的阻力矩，实现对汽车的 转向。由上述分析可知：转向时，驾驶员作用在方向盘上的操纵力矩以及电动机 输出的辅助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩及车速有关 3 2 1 * 2 1e p s 系统的动力学模型 为了研究e p s 系统的动态特性，除了对其受力情况有一个正确认识外，还 必须推导出它的数学模型，即系统动态特性的数学表达式。同时，为了研究e p s 系统对汽车操纵性的影响，数学模型的建立也是进行理论研究一个必不可少的环 节。通常根据基本物理定律来建立e p s 系统的数学模型，由这些定律分析e p s 系统间的一些变量关系，并用微分方程加以描述。在推导数学模型过程中通常要 考虑在模型的简化和准确性之间作出折衷。因为影响系统的因素很多，把它们全 部都考虑在内，模型固然很准确很全面，然而往往太复杂，它的可用性也就成问 题了。所以根据系统使用条件和研究对象，忽略一些次要因素，采用适当简化的 模型较为合适。 ， 对于e p s 系统，为分析问题方便，把前轮和转向机构向转向轴简化，扭矩 传感器安装在方向盘和助力机构之间，可以看成是一个刚度为缸的扭力杆，用 来跟踪转向柱的角度变化，得到简化后的转向系统模型如图2 一l 所示。以转向小 齿轮为分析对象进行受力分析，得到如下动力学方程： 乙+ k ( 包一点) = 4 + 耳4 + i ( 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 方向盘 图2 - 1 转向系统动力学模型 t m 电动机作用在转向系上的助力矩( n m ) 乃转向轮等效到转向柱的阻力矩( n m ) 缸传感器的扭矩刚度( n m r a d ) 知折算到小齿轮上的总惯性矩，包括减速机构、齿条及转向轮折合到转 向小齿轮的当量惯性矩( k g m 2 ) 西当量阻尼系数( n m r a d j ) 劬方向盘转角( r a d ) 万，小齿轮转角( r a d ) 2 2 线性二自由度转向模型 2 2 1 二自由度的汽车运动微分方程 上一节主要建立了e p s 系统的模型，为了更全面研究e p s 系统对汽车操纵 稳定性的影响，必须引入汽车的转向模型，并与e p s 系统模型结合在一起。在 介绍汽车转向模型之前，首先引入汽车的车辆坐标系。汽车的运动是借固定于运 动着的汽车上的动坐标系车辆坐标系来描述的。图2 - 2 所示固定于汽车上的 武汉理工大学硕士学位论文 o x y z 直角动坐标系就是车辆坐标系。x o z 处于汽车左右对称的平面内。当汽车在 水平路面上静止状态下，x 轴平行于地面指向前方。z 轴通过质心指向上方，y 轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点0 常可令其与质心重合。与操纵稳定性有关 的主要运动参量为：车厢角速度在z 上的分量横摆角速度国，汽车质，t ：, j n 速度在y 轴上的分量侧向加速度a y 等。 图2 - 2 车辆坐标系 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，我们将对一简化为线性二自由度的汽 车模型进行研究。分析中直接以前轮转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车 只作平行于地面的平面运动，即汽车沿x 轴的位移，绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的 侧倾角均为零。另外在这里，假设汽车沿x 轴的前进速度v 视为不变。因此， 汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的横摆运动这样两个自由度。此外，汽车的 侧向加速度限定在0 4 9 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。在建立运动微分方 程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气 动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化力矩的作 用。这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型，见图2 3 。它是一个由前后 两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型 3 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 线性二自由度模型 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。显然，汽车的质量分布参数， 如转动惯量等对固结于汽车的这一动坐标系而言为常数，这正是采用车辆坐标系 的方便之处。参看图2 - 3 ，o x 与o y 为车辆坐标系的纵轴与横轴，质心速度v 在 o x 轴上的分量为, ，在o y 轴上的分量为v 。因此，只要将汽车的( 绝对) 加速 度与( 绝对) 角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，由力学定律得 出运动微分方程： r e 2 + f y l c o s s = m ( 什“c o t ) ( 2 2 ) 1 日0 l c o s 8 6 6 2 = t 甜r 式中肌汽车质量 乃- 乃z 地面对前、后轮的反作用力，即侧偏力 a 、b 质心到前、后轴的距离 万前轮转角 厶汽车绕z 轴的转动惯量、 弛横摆角速度 考虑到占角度不大，同时侧偏力的大小取决于侧偏角，而侧偏角又与汽车运 动参数有关，这样就可以推理得到只由侧向运动及横摆运动二自由度组成的汽车 运动微分方程： 。 1 m v p + 2 ( c , + c ，) + 【埘”+ 2 ( 口c ，一6 q ) n2 2 q j ( 2 3 ) i c o , + 2 ( a 2 c + 6 2 e ) v c o , + 2 ( 口c ，一6 c ；) = 2 a c ：8j 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 式中o 、c ，前、后轮侧偏刚度 口质心的侧偏角 2 2 2 轮胎转向模型 汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等 的作用，车轮中心沿l ，轴方向将作用有侧向力n ，相应地在地面上产生地面侧 向反作用力b ，b 也称侧偏力。由于轮胎具有侧向弹性，车轮行驶方向将偏离 车轮平面的方向瓦，这就是轮胎的侧偏现象。见图2 4 中图a ) ，当车轮静止不 滚动时，轮胎胎面与地面接触印迹的中心线痂与车轮平面面平行但不重合，它 们错开a h ；而当车轮滚动时，见图3 4 中b ) ，痂不只是和面错开一定距离，且 不再与平行。动与历的夹角口即为侧偏角，此时车轮就是沿痂方向滚动的。 a ) 静止 b 1 滚动 图2 - 4 轮胎的侧偏现象 轮胎发生侧偏时，还会产生作用于轮胎绕主销的力矩拖， 如是转向车轮 武汉理t 大学硕士学位论文 回复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一，称为回正力矩。回正力矩是由接地印 迹内分布的微元侧向反作用力产生的。当车轮不滚动时，这些微元力沿劢均匀 分布，如图2 5a ) 所示：其合力乃，的作用点位于印迹中心，因此不产生回正力 矩；当车轮滚动时，微元力沿面不是均匀分布，如图2 5b ) 所示：印迹前端离车 轮平面近，侧向变形小；印迹前端离车轮平面远，侧向变形大。可以认为微元侧 向反作用力与变形成正比，d 的作用点位于印迹几何中心的后方，偏移某一跟 离d ，d 称为拖距；当f 增大到一定程度时，反作用力将沿曲线变化，如图2 5c ) 所示：此时侧偏力将不再随侧偏角增加而变大，而拖距则随侧向力的增加而逐渐 变小，因而回正力矩也会随之变小。同时，轮胎的形式与结构参数对回正力矩也 有影响。 c i c c f y o cc a )b )c ) 图2 5 地面侧向反作用力的分布与同正力矩关系 由上述可知：侧偏力和回正力矩两者与侧偏角之间并不全是线性关系，这样 给理论研究带来许多麻烦。图2 - 6 给出了试验测出的侧偏力与侧偏角曲线。 1 6 武汉理丁大学硕十学位论文 z 、 【l r 堡 髫 侧偏角q ( 。) 图2 - 6 侧偏力与侧偏角关系曲线 试验表明：汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0 4 9 ，侧偏角不超过4 。5 。 时，可认为侧偏力与侧偏角成线性关系。同时，前面所建立的转向模型也要求轮 胎侧偏特性处于线性范围内，因此，所建轮胎模型认为轮胎的侧偏力与侧偏角成 线性关系，表达式如下： f|=cjaf(2-4) 式中：口，前轮侧偏角 毋前轮侧偏力 在二自由度汽车转向模型中，前轮侧偏角与运动参数有关： 吩= ( j 一詈哆一) ( 2 - - 5 ) 回正力矩与侧偏力关系如下： 哆= e d ( 2 6 ) 在二自由度汽车转向模型中，两个前轮简化到中心面一个等效车轮，又因转 向轴小齿轮到前轮的传动比为g z ，故模型中转向等效阻力矩表示如下： i = 麦妈( 万一) c z 卅 小齿轮转角与前轮转角关系为： 4=g2j(2-8) 喜| 一 一 7 引 q 3 o 一 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 电动机模型 e p s 系统中一般采用直流电动机，图2 7 所式为电动机的等效电路，电动机 的电压u 与电感、电枢电阻胄、反电势常数k b 、转速、电流有关，及时问t 的关系如( 2 9 ) 式： - 一， 图2 7 电动机等效电路图 u 电动机端电压 三电动机电感 r 电动机电枢电阻 电动机转速 ，电动机电流 u = l 笔心+ k b n ( 2 - - 9 ) 由于采用直流电动机，电动机自感电动势很小，电机端电压可表达成如下关 系： u=r+屹n(2-10) 当电动机电流稳定时，电动机产生输出转矩n 可简化成如下关系： 乙= 竿( u k b g , a , ) c z n ， 式中死电动机助力矩 g ，电动机到转向轴传动比 缸电动机转矩系数 缸反电动势常数 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 模型的状态方程 2 4 1 模型的结构框图 由前面叙述，把e p s 系统模型、电动机模型、二自由度汽车单轨模型和轮 胎模型通过中间变量联系在一起，建立一个考虑比较全面的e p s 系统整车模型。 通过对该模型的分析和求解，能够得出e p s 系统对汽车操纵性的影响。各模型 之间的结构关系如图2 8 所示： 图2 - 8e p s 系统整车模型结构框图 2 4 2 模型的状态方程 由式( 2 1 ) ，( 2 - 7 ) ，( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) 得( 2 1 2 ) ： 忙( 争g ：州x o k 6 i a - 一睁可2 a c , 等卜可2 a c , ? 。：吨， + 鱼统+ g i k “ i ，1 ir r 由式( 2 - 3 ) ，( 2 - 8 ) 可得： 肛z ( 警蚶+ 2 ( 警肛筹 沪 ( o r = - 2 ( 华卜( 等等 q + 等 取系统的状态变量： x = 叫7 系统的输入变量： u = u 1 7 这样就得到系统的状态方程： 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 x = a x + b u( 2 1 5 ) e p s 的控制目标是改善汽车操纵的轻便性和转向的灵敏性，所以选取汽车横 摆角速度曲、质心侧偏角和方向盘转矩撕( 其中：胁= k w ( o h 一艿- ) ) 作为 输出变量： l ，= q 乃，6 】7 系统的输出方程： y = c x + d u 式( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 中 a = k u 2 d c ：r b r + g ：k q k b ir q ir ir r 三生 。 坍v g 2 丝 o i g 、 占= 0o k ng 、x 4 irr i r o0 00 l0 010 0001 c = i 一秭o o o 【。 d =翊 ( 2 1 6 ) o 2 d a c ， g ，lr 、n c f b c r l一一2 土二 m v 2 2 竺生垒堡 知 2 0 o 2 d c ， g ：i f 一2 笠堡 m v 一2 口c ：- b c , ， 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了整个系统的模型，给出了系统整车模型结构框图和状态方程，并 分别介绍了系统的动力学模型、线性二自由度转向模型以及电机模型。 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章e p s 控制系统控制方法研究 3 1 助力控制过程 图3 - 1e p s 基本助力过程 e p s 的基本助力控制过程如图3 - 1 所示，控制器根据转向盘转矩传感器的输 出信号豇和车速传感器的输出电压v ，由助力特性确定电动机的目标电流， 然后由电流控制环节控制电动机的电流，使电动机输出目标力矩l 。 因此e p s 控制要解决的两个问题，一是确定电动机的目标电流，二是跟踪 目标电流，即电流的闭环控制。 3 1 1 目标电流的确定 电动机的目标电流是根据助力特性曲线确定的，e p s 的助力特性曲线属于车 速感应型，在同一转向盘力矩输入下，电动机的目标电流随车速的增加而降低， 电流愈小则助力愈小，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。 助力特性是指助力( 矩) 随汽车运动状况( 转向盘受力和车速) 变化而变化的规 律【3 3 】。对液压动力转向，助力与液压油压成正比，故一般用液压油压力与转向盘 力矩( 及车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。对电动助力转向，助力与直流电 动机电流成正比例，故可采用电动机的电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线 来表示助力特性。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，都有重要影响【3 4 】。 汽车在行驶过程中有以下几种转向情况：行驶时的高速、中等速度和低速转 向，以及点火起动后的原地转向，其对应的转向力依次增加，高速行驶时的助力 武汉理工大学硕士学位论文 最小，原地转向时，助力最大；相应的，动力转向系统的助力依次增加。 助力特性反映助力电机助力大小随汽车的行驶状况变化的规律。对直流助力 电机和汽车行驶的主要参数进行抽象，e p s 的助力特性分为下面3 类：直线型助 力、折线型助力以及曲线型助力，如图3 2 所示，图中，( 4 ) 为助力电机电流；t d o 为开始助力时的转向盘输入转矩；掰一为转向盘输入的最大转矩。 ， 方“畦 ， 矽。 f 涨”l ，i a 超一 一”i m 图3 - 2 直线型、折线型和曲线型助力曲线 3 类助力特性均可分为3 种助力区：无助力区( 0 t t d o ) ，当转向盘