（电力电子与电力传动专业论文）汽车电动助力转向系统控制策略研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yd e v e l o p e de 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 mh a sal o to f c h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gh i g he f f i c i e n e y ，l o we n e r g yc o ns u m p t i o na n d h i g hp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t hh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( h p s ) a n dm a yb es u b s t i t u t e df o rh p si nm o d e r nv e h i c l ed e v e l o p i n gt e n d e n c y b a s e do n t o r q u e s e n s o r s i g n a l t h em o t o r r u n n i n g i sc o n t r o l l e d b y e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e de l e m e n ts oa st or e a l i z ep o w e rs t e e r i n g i nt h i s p a p e r t h e i n t e g r a t e d s t r u c t u r ei s a n a l y z e d a n di n d i v i d u a l c o m p o n e n t s 。a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l o na b o v em e n t i o n e db a s i sh ef o r o e t a k e ni nt h es y s t e mi sa n a l y z e da n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mm o d e li ss e tu p w i t ha l t e r i n gr o t a t i o n a la n g l eu s e da si m p u t ea n dt o r q u es i g n a lu s e da s o u t p u t t h r e es c h e m e so fe p sa r ed i s c u s s e da n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r ea r e p r o p o s e d t h ep o w e r c u r v e sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e db yu s i n gs p l i n et o m e e tc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s a n d a p p l y t ov a r i e t i e so fv e h i c l e t h e h a r d w a r es t r u c t u r eo fc o n t r o l l i n gs y s t e mi ss t u d i e da n dt h ec o n t r o l l e ri s d e s i g n e db a s e d0 nt m 3 2 0 l f 2 4 0 7m a d e i ntl c o m p a n ya n du s e da sc o r e 。 t h eh a r d w a r ed e s i g no fe p si sd i s c u s s e d a l s ot h es o f t w a r ed e s i g no ft h e c o n t r o l l i n gs y s t e mi si n v e s t i g a t e d t h eg l o wc h a r t so fm a i nm o n i t o r i n g p r o g r a ma n ds t e e r i n gc o n t r o l l i n gp r o g r a mw i t ht h e e s s e n t i a ld e s c r i p t i o n i nd e t a i la r e g i v e n e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g n e d e p s e x h i b i t sf e a s i b i l i t y ，r e l i a b i l i t y h i g hp e r f o r m a n c e ，c o n v e n i e n ta d j u s t m e n t a n dl o wc o s ta t e ，a n dm a yp r o v i d et h eb a s i sa n dr e f e r e n c ef o rf u r t h e r r e s e a r c hi nt h ef u t u r e f i n a l l y ，t h es u m m a r i z a t i o ni sm a d ea n ds o m eo fp r o b l e m sw i t hf u r t h e r d j s c u s s i o ni nt h ef u t u r ea n dj n d i c a t e d k e y w o r d s ：v e h i c l e 。e l e c t r i e 。p o w e rs t e e r i n g ，e p s 。c o n t r o ls t r a t e g y ， s i m u l a t i o n i j 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车转向系统的发展及现状 汽车转向器机构涉及整车的操纵性、稳定性和安全性是直接关 系到车辆性能的关键部件。汽车转向器是伴随着汽车的发展而发展的。 早期的汽车转向器是用舵柄或横秆( 即一种两端带有手柄的水平杆) 进 行操纵转向比是1 ：1 ，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来带 有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用，使得汽车转向变得比较容 易。几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器，现在的循环球 式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向 器中。蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车 的转向操纵变得比较轻松。 从7 0 年代开始，轿车采用齿轮齿条转向机构。它由方向盘、方向 轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮f 前轮) 等组成。方 向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移 动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。由于汽车 自身较重，因此方向盘上驾驶员的手力并不足以灵活控制车辆转向， 这就需要转向器能够在转向时提供一个助力，以实现车辆的灵活转向， 这就是现代汽车上普遍使用的助力转向系统。 1 1 1 现代汽车的三种助力转向系统 ( 1 ) 机械式液压动力转向系统( 卿s ) 机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制 阀体、v 型传动皮带、储油罐等部件构成。它通过液压泵输出的功率 来获得转向时的助力。这种助力转向系统无论车是否转向都要工作， 而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大 的助力。所以，也在一定程度上浪费了能源。；彭备这种转向系统的汽 车，低速转向时，驾驶员会觉得方向盘比较沉，又由于液压泵的压力 很大，助力系统易出故障：面且，机械式液压助力转向系统由液压泵 湖北工业大学硕士学位论文 及管路和油缸组成，为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要 处于工作状态，能耗较高。 ( 2 ) 电控液压助力转向系统( e c p s ) 电控液压助力转向系统主要构件有储油罐、助力转向控制单元、 电动泵、转向机构、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电 动泵是一个整体结构。电子液压转向助力系统克服了传统的液压转向 助力系统的缺点。它所采用的液压泵不再靠发动机皮带直接驱动，而 是采用一个电动泵，它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车 辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在 低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵高速运转。输出较大功 率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电 子液压泵低速运转，节省一部分发动机功率。虽然电控液压助力转向 系统比机械式液压动力转向系统具有很多优点，但仍然存在很多问题。 由于仍然采用的是液压泵提供助力，机械式液压动力转向系统的固有 缺点并没有解决，如能量消耗，路感，操作灵敏性，密封性，磨损与 噪声，布置和安装的灵活性等；此外，由于电控液压助力转向系统由 液压和电子两套系统组成，导致结构复杂，成本增加3 0 5 0 。 ( 3 ) 电动助力转向系统( e p s ) 电动助力转向系统英文全称是e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简 称e p s 。它利用电动机产生的动力进行动力转向。不同车上e p s 结构 稍有不同，但一般由转矩传感器、电子控制单元e c u 、电动机、减速 器、机械转向器以及蓄电池等构成当汽车转向，电动助力转向系统 中的转矩传感器会“感觉”到转向盘上的手力矩和转动的方向，这些信 号通过数据总线传送给电子控制单元，电控单元经过运算，向电动机 控制器发出指令，电动机输出相应大小的转向力矩，从而实现助力转 向。 1 1 2 电动助力转向系统的优点 ( i ) 克服了汽车高速情况下方向盘的发飘问题 随着现代汽车车速的不帮涨升，液压转向系统暴露出一个致命缺 点，即若要保证汽车在停车或低速时转向的轻便性的话，那么汽车高 湖北工业大学硕士学位论文 速行驶时驾驶员就会有“发飘”的感觉；反之，即若要保证汽车在高 速行驶时操纵有适度感觉的话，那么当要停车或低速调头时驾驶员就 会感到转向太重，液压转向系统两者不能兼顾。由于电动助力转向系 统中电控单元是根据车辆速度的大小来确定输给电动机的电流值，因 此在高速情况下提供给转向盘的助力将会相应减小，从而消除了驾车 者在高速行驶时方向盘“飘”的感觉，转向时更加台乎手感。 ( 2 ) 具有自动回正功能 众所周知，液压转向系统是没有自动回正功能的。当车辆在转向 以后需要手力将方向盘回正，在一定程度上增加了驾驶人员的工作强 度。而e p s 可以通过一个回正算法确定输入助力电动机的回正电流值， 从而在转向后保证方向盘的自动回正，降低了驾驶人员的劳动强度， 使整套系统显得更加人性化。 ( 3 ) 结构简单，节省能源 电动助力转向系统采用电力驱动，与机械式液压动力转向系统相 比，e p s 省略了许多元件，如没有液压系统所需要的油泵、油管、压 力流量控制阀、储油罐等。零件数目少布置方便，重量轻结构简 单，而且无“寄生损失”和液体泄漏损失。另一方面。与机械式液压动 力转向系统相比，电动助力转向系统在各种行驶条件下节油3 - 4 左右， 节能环保。 ( 4 ) 系统安全保护 当电动助力转向系统出现故障时，切断电动机与减速传动机构的 动力传送，迅速转入人工机械转向状态。由于直接由电动机提供助力， 电动机由蓄电池供电，因此电动助力转向系统能否助力与发动机是否 起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时e p s 也能提供转向助力。 电动助力转向系统还有以下二些优点。电动助力转向系统没有液 压回路，比机械式液压动力转向系统更易调整和检测，装配自动化程 度更高，并且可以遥过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因 而能缩短生产和开发周期。其次电动助力转向系统不存在渗油问题， 可大大降低保修成本，减小对环境的污染。据d e ，p h i 公司称，1 9 9 5 年 传统的机械式液压动力转向系统占全世界所销售的汽车7 5 ，也就是 3 7 0 0 万辆汽车要消耗4 0 0 0 万升液压油。如果电动助力转向系统全面进 湖北工业大学硕士学位论文 入市场，节油效益很可观。最后电动助力转向系统比机械式液压动力 转向系统具有更好的低温工作性能。 1 1 3电动助力转向系统的工作原理以及助力方式 当方向盘工作时，与转向轴相连的扭矩传感器不断地测出驾驶员 作用于转向轴上的扭矩，并由此产生一个电压信号；同时，由车速传 感器测出汽车速度，也产生一个电压信号。两路信号均被传输到e p s 的电子控制装置e c 【，经过逻辑分析和运算处理后，由e c 【，向离合器 和电动机发出控制指令，即向其输出一个合适的电流，在离合器结合 的同时使电动机输出一定的扭矩。该扭矩经减速机构降速增扭后，施 加在下转向轴上，下转向轴与小齿轮相连，于是由电动机输出的扭矩 最后通过小齿轮施加到转向器( 齿条) 上，得到一个与工况相适应的 转向助力。 由于装配e p s 的车辆大小重量上有很大差异因此e p s 提供助力 也有几种方式 ( 1 ) 转向柱( 轴) 助力式 图1 1转向柱( 轴) 助力式e p s 系统简图 在转向柱( 轴) 助力式e p s 系统中，电动机固定在转向轴一侧， j 通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴骑为转向，所提供的助 力转矩比较小，因此这种助力方式适用于轿车( 微型车) 。 ( 2 ) 齿轮助力式 4 湖北工业大学硕士学位论文 图1 2齿轮助力式e p 5 系统简图 在齿轮助力式e p s 系统中，电动机和减速机构与小齿轮相连，直 接驱动齿轮转向。与转向柱( 轴) 助力式相比这种助力方式所提供 的助力转矩相对较大，适用于中型车。 ( 3 ) 齿条助力式 图1 3齿条助力式局呵系统筒图 在齿条助力式e p s 系统中，电动机和减速机构相连接，直接驱动 齿条转向。与齿轮助力式相比，由于这里采用的i 媛速机构减速比更大 因此所能提供的助力转矩相对更大i 适用于大型车。 ( 4 ) m e c c a 公司研制自啦p s - t t 现在有些公司也开发出了其他助力样式的e p s ，m e c c a 公司研制 湖北工业大学硕士学位论文 的e p s r 丁就是其中比较有特色的一款，e p s 在工作时，由于转向和回 正时助力电动机转向刚好相反，因此从转向到回正助力电动机面l | 缶一 个换向的问题，而这款e p s 利用一个简单的机械装置解决了这个问题， 使得e p s 系统无论工作在转向还是回正状态时助力电机都只需要单方 向旋转，下面是这款e p s 的原理构造图。 图1 4m e c c a 公司研制的e p s 一，7 1 原理构造图 1 2电动助力转向系统研究现状、水平及存在的问题 1 2 1电动助力转向( - 印s ) 系统的发展 电动助力转向系统最早是在日本研制成功的。日本于1 9 8 3 年首次 将该系统成功的装用在轻型汽车上。随后富士重工及铃木于1 9 8 6 年、 大发于1 9 8 9 年、本田于1 9 9 0 年都先后将该系统应用于微型汽车及轿 车上。欧美各国绝大多数是在9 0 年代中期才研制成功的，美国的m 矽 公司开展的比较早，在1 9 8 6 年就已经研制出样品，并计划于1 9 8 8 年 投入正式生产，但由于其研制的电动助力转向系统操作时缺乏液压转 向系统的那种平滑的手感，因此其技术人员花了将近1 0 年的时间才解 决这一问题，改进后的电动助力转向系统装备崔9 8 型豪华轿车上。各 厂在电动助力转向系统装车后都还在对其进行不断的改进，据有关资 料报道，英国鹊卢卡斯和美国煎德尔福以及日本的本田公司1 9 9 7 年攉 6 湖北工业大学硕士学位论文 l _ _ - l - _ _ _ l _ _ - - l - - l _ - _ _ i l _ _ _ - - _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ - - _ _ _ _ _ _ l - _ l - - - _ _ - _ - - l _ _ _ _ l _ _ _ 一 出的新型电动助力转向系统无论在结构设计还是产品性能方面都有进 一步的提高。 1 2 2 电动助力转向( a 略) 系统的应用情况 英国卢卡斯公司认为，电动助力转向( e p s ) 系统在轿车上正在成 为标准配置，而不是选装件。自1 9 9 6 至2 0 0 6 年，欧洲市场上的a 、b 、 c 级轿车安装e p s 的比例将由3 5 增加到7 0 。目前e p s 系统每年正 以9 1 0 的增长率在快速发展。2 0 0 5 年，e p s 的产量将达 表4 1电动助力转向系统在各种车型上的应用情况 生产厂 摹掌 应用 车 型 日本三菱 1 9 9 6 三菱。述你卡” 富士重工 1 9 8 6 斯巴尔 日本铃木 1 9 8 9 铃术牡鹿( c e r v o ) 牌5 0 0 毫升微型轿车 日本大发 1 9 9 0 “米拉”l t 0 系列、。米拉”l 2 0 0 系列海捷特、阿托霄( s 8 0 系列) 日本本田 1 9 8 6 a c u r o n s x 奏车a c t y 轻型商甩汽车。a c c o r d 轿车 美嚣t r w 1 9 9 6 厣计划在1 9 8 8 年投入生产后来实现 美国德尔 1 9 9 6 9 8 年装备在大众公司的马球牌轿车和耿宝公司3 18 i 紧凑蛩轿车 橱 英嗣卢卡1 9 9 6 羹贝尔的c o r s a 轿车及霄诺的t w i n g o 轿车 斯 德国z f 1 9 9 7 2 0 0 3 年投入生产 到8 0 0 万套，到2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套，即产量正以1 3 0 一15 0 万套 ，年的速度在增加。按此速度发展下去，用不了几年，e p s 系统将完全 占领轿车市场，并向微型车，轻型车和中型车扩展。世界上各主要生 7 湖北工业大学硕士学位论文 - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - - - - - _ _ 一i - - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ 产厂所研制的电动助力转向系统应用情况如下表。 1 2 3 电动助力转向( e p s ) 系统在研制中遇到的问题 电动助力转向( e p s ) 系统与传统的液压转向系统相比有很多优点， 但是在研制中也遇到较多难题，具体有以下几个方面； ( 1 ) 转向操作时缺乏液压助力转向系统那种平滑的感觉 由于电动助力转向( e p s ) 系统是由电动机提供助力的，电动机提 供的助力大小是否合适，是否合乎手感，关键看电控单元( e c u ) 提 供给助力电动机的电流大小是否合适，电控单元是根据车速和扭矩大 小来运算得到助力电流值的，具体做法是根据一个给定的算法来进行， 由于车速，扭矩以及助力电流三者之间并没有一个己知确定的运算关 系，因此要完全靠实验摸索得到，换言之，所得到的车速扭矩以及 助力电流三者间的运算关系是否准确直接关系到做出的e p s 系统是否 能够提供大小恰当且合乎手感的助力。尽管美国的t r w 公司开发e p s 系统比较早，在1 9 8 6 年就已经研制出样品，并计划于1 9 8 8 年投入正 式生产，但正是由于其采用的车速，扭矩以及助力电流三者间的运算 关系不够准确，不能真实反映车辆转向时助力情况，因此所研制的电 动助力转向系统缺乏液压转向系统那样平滑的手感，其技术人员最后 花了将近1 0 年的时间才解抉这一问题。可见e p s 系统转向操作时缺乏 液压助力转向系统那种平滑的感觉关键在于其采用的车速，扭矩以及 助力电流三者间的运算关系不够准确，要解决这个问题需要进行大量 的台架以及上车实验，以得到较符合实际情况的车速，扭矩以及助力 电流三者间的运算关系。从而保证e p s 系统转向操作时的平滑感觉。 ( 2 ) 使用软件回正时存在回正不够准确的问题 早期的e p s 系统中具有转角传感器，转向时可以将转向的角度记 录下来送给控制器，回正时控制器控制电机反向转过相同的角度就可 以了，但是转角传感器增加了凹s 系统的制造成本。现在的e 户s 系统 都采用的是软件回正，取消了转角传感器，通过一个算法由转向时的 扭矩得到转角大小从而实现软件回正，但是问题髓之产生，由于算法 得到的转角并不精确，不能准确回正。对此需要进行大量实验来修正 回正算法。 8 湖北工业大学硕士学位论文 总的来说，尽管e p s 系统在研制中遇到很多问题，但都是可以通 过大量实验来解决的，系统本身并不存在很大的缺点和不能解决的技 术难题，因此。e p s 系统的发展前景是广阔的。 1 3课题的目的及意义 本课题的目的之一在于完成e p s 助力模型的构建。通过大量的台 架以及上车实验所积累的数据，加以必要的数学工具得到较为稳定和 准确的助力模型，使得e p s 系统在转向时能够提供较为合乎手感的助 力，具有较为平滑的手力特性曲线。使按此模型设计制造的控制器能 够驱动直流无刷电机，以提供合乎手感的适当助力。并且保证按此算 法设计出的e p s 系统控制器具有高稳定性，高可靠性，在此基础上降 低e p s 的生产成本。 只有通过对电动助力转向系统控制策略的研究，才能建立电动助 力转向系统的助力模型，才使控制器能够在任意车速和转向扭矩情况 下送出合适的电机电流值，进而提供适当的转向助力。因此，电动助 力转向系统控制策略的研究是重要而且必要的。 由于e p s 系统较之传统的液压助力转向系统具有结构简单，手力特 性好，自动回正以及节省能源的特点，因此e p s 系统取代传统的液压 助力转向系统是转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、 开发和试用阶段转入批量生产阶段，成为现代汽车零部件中的“高新 技术产品”。在我国近几年虽然也有一些单位进行了电动助力转向系 统的研究工作，但是由于起步较晚。与国外相比，还处于研究阶段 在技术上也存在着较大差距。因此，在这种情况下进行电动助力转向 ( e p s ) 系统的开发工作也显得更加紧迫。可以相信，随着e p s 系统 开发工作的逐步深入，必将研制出转向性能更好的电动助力转向系统。 推动我国汽车工业的技米进步。并取得较大的经济效益和环境效益。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统助力模型的构建 2 1 电动转向系统助力模型 构建电动转向系统助力模型的目的就是找到基本正确的助力转向 系统助力特性。即助力随汽车运动状况( 车速和转向盘手力) 变化而 变化的规律。对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，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。 对于电动助力转向系统，助力与电动机电流是成正比的，因此可以采 用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示其助力特性。 理想的助力特性应该能够充分协调好转向轻便性与路感的关系， 并提供给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。在满足 转向轻便性的条件下，如果路感强度在整个助力特性区域内不变，则 驾驶员就能容易的判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操 作力矩的大小。 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。传统液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调 整非常困难，并且设计完成后助力特性就确定了，不可更改，并且不 能随车速的变化而变化，因此效果不是很好。对于电动助力转向系统 来说，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，是由软件来设计完 成的，可以设计成车速感应型的特性曲线，即助力大小随车速的变化 而变化，并可以方便的进行调节，针对电动助力转向系统的特点。对 即将设计的助力特性曲线( 即助力模型) 提出以下要求： 1 ) 当转向盘输入力矩小于某一特定值时，助力矩为零，这时候电 动助力转向系统不起作用； 2 ) 在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出应该较小，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： 4 ) 在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能的 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 发挥较大的助力效果： 5 ) 随着车速的增加，需要的助力应相应的减小。 为了达到以上述要求，有必要对助力模型作出详细分析，以得到基 本准确的助力特性曲线。如前所述，电动助力转向系统中的助力大小 ( 即助力电动机的电流大小) 是随方向盘上输入手力矩的大小以及车 速的大小的变化而变化的，也就是说助力大小是手力矩和车速的二元 函数。为了简化分析，可以把这个= 元函数简化成二个一元函数来进 行分析，具体做法是先研究在同一手力矩输入下助力与车速的函数 关系，再研究在同一车速下。助力与手力矩的函数关系，最后将两个 函数关系合成得到助力与车速和手力矩的二元函数关系。 2 1 1 电动助力与手力矩的关系 当汽车在同一路面和同一车速下进行转向时，助力电动机电流随 转向扭矩( 手力) 的增加而增加，这个特性称为手力特性。 手力特性有以下特点： ( 1 ) 电动机电流随扭矩的增加而增加。当转向盘向一个方向转动 时，电动机的电流为正，产生的助力方向也为正；当转向盘向另一个 方向转动时，电动机的电流为负，产生的助力的方向相反( 即与前面 电动机转动方向相反) 。 ( 2 ) 当手力矩在，l n m 范围内电动机不产生助力，但电动机有 一定的阻尼作用。由于电动助力转向系统与机械式转向器一样，从车 轮到转向盘为机械连接，来自路面的反力和位移迅速丽准确地由车轮 转至转向盘，且电动机直接连在转向轴上，有一定的惯性和阻尼作用 保证了装有电动助力转向系统的车辆在平坦的路面上行驶时，具有与 机械式转向系统相似的路感，而在不平路面行驶时，转向盘又不易受 到很大的冲击，故转向盘有明确而稳定的中间位置感。 根据以上对电动助力转向系统手力特性的分析，可以定性得到电 动助力系统的理想手力特性曲线，如图2 1 所示。以下圈中t 代表助 力电机电流值，m 代表方向盘上手力的大小。 湖北工业大学硕士学位论文 jl 一 0m 图2 。l 理想手力特往曲线 实际设计中，电动助力转向系统的手力特性可以采用多种曲线形 式。常见的有下面三种典型手力特性曲线。手力特性曲线可以分成三 个区，其中0 s 乃 乃。区为无助力区，乃。乃 乃区为助力不变区- lj1 直线型 k om 图2 2 直线型手力特性 ( i ) 童线型手力特性曲线 图2 2 为直线型手力特性曲线。它的特点是在助力变化区中，助力 大小与转向盘上所受的手力力矩成线性关系，手力特性可以用以下函 数来表示 f 00 s ls 乃o ，= 足( n ( l 一瓦。)瓦o s 疋。 ( 2 一1 ) l k乃乃。 式中，为电动机的目标电流；k 为电动机的最大工作电流；乃为转 向盘输入力矩：足缈) 为手力特售曲线的梯度，随车速增加而减小；乃。为 转向系统开始工作时的转向盘输入力矩；乃。为转向系统提供最大助 湖北工业大学硕士学位论文 力时的转向盘输入力矩。 直线型手力特性曲线简化了助力力矩与转向盘上输入的手力矩之 间的关系。有利于控制的实现，但是它难以协调好转向轻便性与路感 的关系，两者不能兼顾。按此方案研制的电动助力转向系统就不能同 时具有良好的路感和轻便的转向性，因此并不是一个好的设计方案。 ( 2 ) 折线型手力特性曲线 为了解决直线型手力特性曲线所遇到的转向轻便性与路感不能兼 顾的问题，人们开始使用折线型手力特性曲线，这可以部分缓和转向 轻便性与路感这一矛盾，该特性曲线可以分为直线行驶区i 、强路感区 1 i 和转向轻饵区i ，如下图2 3 所示 i jl lj 7 。 0 图2 3 折线型手力特性曲线 直线行驶区对应无转向或者转向角非常小的中心区域：轻便转向 区是转向盘输入手力矩较大的区域，此时要求的助力较大；强路感区 介于两者之间，对应于这种助力特性的路感强度变化是阶跃性的，如 上图2 3 所示，在三个不同的区域内分别保持常数，其大小是随转向力 的大小而阶跃减小。这种手力特性曲线可以用以下函数来表示 i = 0 k 。( y x l 一) k ：o ，) 一) + k 。o ，) 。一l 。) ，。 0 s l 乃o 。s 乃s 1 ( 2 2 ) 瓦1s 乃乃。 乃乃一 式中，k i ( v ) 、k ：( y ) 分别为助力特性曲线的梯度- 髓着车速的增加而 减小：乃为手力特性曲线梯度由k 。( 矿) 变为k ：( y ) 时的转向盘上输入的 湖北工业大学硕士学位论文 手力力矩。 折线形式的手力特性曲线部分解决了转向轻便性与路感不能兼顾 的问题，它在控制系统设计中较直线型手力特性曲线难以得到一些， 但它只是对直线型手力特性曲线稍微做了一些变化，在助力力矩与转 向盘上输入的手力矩之间仍采取了一种简化处理的方法，因此它也不 能完全解决直线型手力特性曲线所遇到的问题。 ( 3 ) 曲线型手力特性曲线 rl 少 om 图2 4 曲线型手力特性 图2 4 为典型曲线型手力特性曲线，它的特点是在助力变化区内。 助力与转向盘上输入的手力力矩成一种非线性的关系，该助力特性曲 线可以用以下函数来表示 1 00 s 乃s 乃o ，= 足缈) 厂也)s 乃s 乃。 ( 2 - 3 ) 【k乃苫乃。 这种曲线型手力特性曲线特性较为复杂，在实际设计研制中也是 最难得到的。但是效果聂好，可以完全兼颞路感和转向的轻便性，从 而完全解决了直线型手力特性曲线不能解决的问题。 2 1 2电动助力与车速的关系 传统的液压转向系统最大的弊病是，转向系统提供的助力大小是 一个与车速无关的量，这样在低速情况下由于秉统提供了助力驾驶 员可以很灵活地转向，但是到了高速，由于地面阻力的降低。系统所 需要提供的助力应该相应减小，但是系统仍然提供与低速情况下一样 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 大小的转向助力，这个时候方向盘就显得太过灵活而不稳定就是俗 话说的“发飘”。 在电动助力转向系统中，助力大小是与车速有关的。通过台架实 验得到的数据可以很明显的看出两者间应该是一种非线性的关系，即 随着车速的增加，助力大小按一定规律降低。助力随车速变化的关系 曲线是否合理，关键在于其是否能保证转向系统在低速时能够转向轻 便，高速时是否加大了转向盘上手力力矩的输入，从而解决了“方向 盘发飘”问题，保证系统的操作稳定性。通过分析可以看出。当汽车 行驶在一个低速的速度范围下时，系统提供的助力大小均应该较大， 当车速在这个范围内增加时，电动助力大小只是稍有下降；当汽车在 一个高速的速度范围下行驶时，系统提供的电动助力均应该较小，同 时，当车速在这个范围内增加时，电动助力大小也只是稍有下降i 在 两个速度范围的中间的速度过度段，随车速的增加。电动助力大小有 一个很明显的急剧下降的过程。综上分析，电动助力与车速的关系曲 线如下图2 5 所示。 0 图2 5车速一扭矩关系曲线 2 1 3 理想的助力特性模型 根据理想的手力特性曲线以及电动助力与车速的关系曲线，可以 得到理想状况下的三维助力特性模型，如下图2 6 所示。图中，肘为 方向盘上输入的手力力矩，矿为汽车的车速，r 为转向系统应该提供的 助力大小。 在每一条车速上都对应一条手力特性曲线。这个模型就是不同车 速下无数的手力特性曲线合成得到的。由此模型也很容易知道助力特 性模型表现在二维平面上就是一族手力特性曲线其中每一条手力一 湖北工业大学硕士学位论文 扭矩曲线对应一个固定车速，如图2 7 所示。 ij l v 2 i ， 巡：骖 om k m 2 0 k m 图2 理想三维助力特性图2 7= 维平面上的助力特性 2 2助力模型的构建 对电动转向系统助力模型进行了简要分析后得到了一些定性关系 曲线，下面的工作就是如何构建定量的助力模型，这是整个电动助力 转向系统助力实现的关键所在。要得到准确的助力模型，除了要借助 一些数学工具之外，还要进行大量的台架实验，积累数据从而对模型 进行修改完善，最终得到较为理想的电动转向系统助力模型。 2 2 1 占样条插值理论 为了克服伯恩斯坦基底函数遇到的一些问题，在1 9 7 2 1 9 7 4 年间， 人们拓展了b e z i e r 曲线，用r t 次口样条基替换了伯恩斯坦基底函数。 构造了等距节点的占样条曲线。后者除了保持b e z i e r 曲线的直观性和 凸包性优点外，还可以局部进行修改，此外它还具有对特征多边形遥 的更近，多项式次数低等特点。曰样条插值方法采用控制顶点和一组基 函数m j 0 ) 对于控制点异，只，只，k 阶( k - 1 次) b 样条 曲线定义为 l p ( u ) = 只j 。a u ) ( “is “s “2 ) ( 2 - 4 ) f - o 式中基函数似) 用下面的方j 去定义： 湖北工业大学硕士学位论文 取“， ，f 2 ，r 。共n + 七+ 1 个结点值组成向量，向量( f 。，f 1 ，) 称为结点向量 1 )令 协0 勤当。e 叱 t i , l k i + i 。 c t ，z ，卅川， s ， 2 ) 用f 川0 ) 定义j ，j 0 ) n f = ( f = 0 1 ，2 ，n + k - j ) ( 2 - 6 ) 当分母为零时，定义分式的值为零。 3 ) 参数变化范围为h ，”：l = 【f h 。t 州1 在实际应用中，应用最多的是三次b 样条曲线。它既能保证曲线c 2 连续，而且计算- 1 - 作量并不大，高于三次的b 样条曲线则很少采用。 这里采用三次b 样条曲线来得到电动转向系统助力模型，因此有必要 通过口样条定义式推出三次b 样条曲线的表达式。 此时七= 3 ，i = 0 ，1 ，2 ，3 ，则三次b 样条曲线的分段表达式为 n o , 3 - - - 壶套( _ l 删( 3 嘲3 = - u a + 3 u 2 - 3 u + 1 ) ( 2 - 7 ) 1 ，= 五1 荟2 ( 一1 ) 。口o + 2 一j ) 3 ：扣”3 一白2 + 4 ) ( 2 8 ) 2 t ，= 刍套( - 1 ) 吲( 川卅3 = * 3 3 3 川) ( 2 9 ) 3 ，= 刍粪( - 1 ) 。c 1 ( 州卜 3 ( 2 - 综合( 2 - 7 ) ，( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) ，( 2 1 0 ) 式可以得到三次b 样条曲线的矩 阵形式为 脚) = 杰i - 0 粥“咖丢k 3 ”2 u 一13 3 1 1 r 363o1 1 只 一3o3o1 1 只 l41 o j l 只 1 7 ( 0 1 ) ( 2 - 1 1 ) 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 一i _ - _ - _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ l l o - _ - _ _ _ _ _ - - - _ - 一 由( 2 - 1 1 ) 式可以进一步推出 以加护刈- 4 2 驱 心 引】 1 1 二? 圳置 h ( o “s 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 0 s ”1 ) ( 2 - 13 ) 在得到三次口样条曲线的表达式后，可以用它算出手力特性曲线 以及助力车速关系曲线。 2 2 2雳样条插值方法介绍 根据得到三次口样条曲线的表达式以及其对应的6 个边界条件。 可以进行下面的插值运算，具体分三步来进行 ( 1 ) 给定n 几个已知点的横纵坐标值，代入线性方程组中解此 方程组得到订+ 2 个控制点的坐标值； ( 2 ) 将行+ 2 个控制点坐标依次代入线性方程组( 2 1 i ) 中，解此 方程组得到若干插值点的坐标； ( 3 )由已知的插值点坐标来得到所要求的曲线。 在得到所要求的曲线后若要修改其局部形状，只需改变给定已知 点的坐标值就可以了。这也是曰样条曲线的一个熏要优点，具体插值 方法见下面的示意图。 图2 8b 样条插值示意图 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 3 使用引洋条插值构建助力模型 在了解b 样条插值理论以及确切步骤后，我们来构建电动助力转 向系统助力模型，前文所述助力特性模型表现在二维平面上就是一族 手力特性曲线，这样的话如果每一条手力特性曲线都通过口样条插值 来得到就会显得很麻烦，而且计算量也很大，因此需要找到一种相对 简单的方法，那么我们有必要分析手力特性曲线与车速助力关系曲线 之间的关系。 ji 丁 一太抄。 一 o 九 图2 9 手力扭矩曲线与车速扭矩曲线之间的关系 如上图2 9 所示，用b 样条插值方法构建一条车速n 时的手力扭矩 曲线，对于车速乃的手力扭矩曲线，可以采用如下方法得到：保持对 应车速v 的手力扭矩曲线上点的横坐标值( m 值) 不变，将这些点的 纵坐标值( t 值) 都乘以乃r ，再根据这些新的坐标值绘出曲线。从 而得到车速n 时的手力扭矩曲线。这种方法可以得到任一车速大于y ， 的手力扭矩曲线，这样只需用曰样条插值得到车速v = o 时的手力扭矩 曲线，其它车速下的手力扭矩曲线由v = o 时的手力扭矩曲线求出。实 际上用丑样条插值算法只需算两条曲线，即车速扭矩曲线与车速g = o 的手力扭矩曲线，其它的曲线都由这两条曲线求出。 具体步骤如下： ( 1 ) 用曰样条插值方法构建对应车速为零的手力特性曲线； ( 2 ) 用曰样条插值方法构建车速助力关系断线； ( 3 ) 通过对应车速为零的手力特性曲线与车速助力关系曲线得 到对应不同车速的一族手力特性曲线； 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 由得到的一族手力特性曲线构建三维助力模型。 需要说明的是，在步骤( 1 ) 中需要输入一些数据，这些数据都是 通过前期的台架实验得到的，只有这样才能保证用b 样条插值算法得 到的助力模型基本有效，在得到助力模型后，并不意味着建模工作的 结束。接下来需要在台架上面反复验证该模型并进行大量的改动，因 此，要得到转向效果良好的助力模型是需要大量实验积累的。 2 3助力模型的设计程序 在b 样条插值计算中涉及到了大量的矩阵运算，假如选用c 或者 别的语言来编助力模型的设计程序是非常困难的。m a t l a b 中的基本 运算单位就是矩阵，因此选用m a t l a b 中的文件来编写助力模型的 设计程序将非常容易完成。 2 。3 1b l a i l 一日简介 m a t l a b 软件是由美国的c l e v em o l e r 于19 8 0 年开发的一个用于 科学计算的软件系统。于1 9 9 4 年推出了其正式版本，其核心采用c 语 言编写。删咒一口环境使得矩阵运算变的非常容易，后来的版本叉增 添了图形生成、图象处理及多媒体功能，应用范围越来越广，逐渐活 跃在工学领域中。目前的m a t l a b 已经成为了国际上最流行的软件之 一，除了传统的交互式编程之外，m a t l a b 还提供了丰富可靠的矩阵 运算、图形绘制、图象处理等功能。表现出了一般高级语言难以比拟 的优势。 m a t l a b 语言是一种解释性语言，可读性强，效率高比常用的 b a s i c ，c 等语言更易于使用。在m _ a t l a b 环境下编写程序一般采用m 文件的形式，其中的语句与c 语言比较相似。 2 3 2占样条插值程序流程图 电动助力转向系统助力特性曰样条插值程翩e 程见下图2 1 0 。 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 凰2 1 0b 样条插值程序流程图 在程序运行后可以得到车速助力关系曲线，手力特性曲线以及助 力特性三维曲面图，具体见下图2 1 1 。 ( a ) 车速助力关系曲线( b ) 手力特性曲线( c ) e p s 助力特性三维曲面 图2 1 1用程序算出的车速勘力关系益线、手力特性曲线、三维曲面 湖北工业大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ - _ _ - - - - i - _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - - - _ _ - - _ l l - - _ _ _ - 一 在得到电动助力转向系统的助力模型后还要将占样条插值程序算 出的各条曲线上插值点的助力扭矩值( 即丁坐标值) 生成一个文件， 供电动助力转向系统的控制程序调用从而最终实现助力控制。 这里需要特别指出的是，控制器能否送出合适的电流是由占样条 插值程序所生成的文件中的数据所决定的。因此，关键在于b 样条插 值程序得到的是否为一个合适的助力特性模型。这就需要结合实验对 模型不断加以修改，即改变b 样条插值程序开始时输入车速为0 时车 速助力关系曲线和手力特性曲线上几个点的坐标( 若干个v ，t ，m ，t 值) ，直到实验中电机能够送出比较合适的助力扭矩为止。通常情况下， 一条助力扭矩曲线上大部分助力值大都符合要求，只有少部分不符合 要求，这时就要对这条曲线的局部形状进行修改，其它部分形状不变 利用8 样条具有局部形状改变的优点，避免牵一发而动全身情况的发 生。 2 4 本章小结 在e p s 系统的设计中，对于整个系统的助力模型的分析和建立是 一个很重要的步骤。本章首先讨论了三种形式的助力特性曲线，在此 基础上对助力模型进行了详细的分析，并提出了理想化的三维助力