（车辆工程专业论文）电动助力转向系统的研究与设计.pdf

甄敬埋上天罕蚬士罕性抛卫 摘要 由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面对前轮产 生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来在各国汽车上开始普遍应用。现今 液压助力转向器( h p s ) 是以内燃机作为动力的汽车助力转向器的主流。但是 传统的h p s 需要持续的能量消耗，降低了汽车的燃油经济性。同时其复杂的 液压系统具有助力特性不可调整、污染环境、维修不便等缺点。相比之下， 2 0 世纪8 0 年代开始研究的汽车上的电能为动力的电动助力转向系统( e p s ) 除具有传统液压助力转向系统( h p s ) 的优点外，还具有助力大小可调、路 感可调、环保、耗能低、维护方便等优点，因此自2 0 世纪8 0 年代以来世 界著名汽车厂商纷纷开始研究开发e p s ，并取得了很大的进展。 本文首先介绍了e p s 系统的组成原理和各个部分的结构特点并给出了 部分试验数据。由于汽车操纵稳定性是关系汽车安全性和舒适性的重要性 能，因此设计e p s 系统必须首先考虑e p s 的控制策略。根据对汽车转向系 统的动力学分析建立了汽车转向系统的方向盘转角输入和驾驶员力矩输入 的数学模型，通过i v i a t l a b s i i v l u l i n k 的仿真得出了汽车转向系统的角输 入和力输入时的汽车转向系统的动力学特性。然后结合传感器和控制器的 动力学特性建立整个e p s 系统的动力学模型。分析了现有的计算目标电流 p d 控制策略和p d 控制策略下影响驾驶员路感的因素。在此基础上，提出 了以驾驶员力矩作为输入的模糊( f u z z y ) 控制策略。通过抑制地面脉冲输 入的仿真比较了这两种控制策略，可以得到在此情况下f u z z y 控制较之p d 控制，具有响应迅速、超调量小、稳定快等优点。但是由于f u z z y 控制的理 论目前还不完善，因此如果要将其应用到实际的e p s 系统控制策略中时必 须结合大量汽车转向试验来制定的f u z z y 规则。因此下一步的研究工作应该 是汽车转向系统操纵稳定性的试验研究。 关键词：汽车转向系统，电动助力转向，模糊控制 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e ss u c h a st h e s t e e r i n gs e n s i t i v i t y , h a n d i n e s s a n da b s o r b a b i l i t yo f t h ei m p u l s ef r o mt h er o a d也ep o w e r s t e e r i n gs y s t e m i s w i d e l yu s e d s i n c e1 9 5 0 s n o wt h e h y d r a u l i c p o w e r i n gs t e e r i n g ( h p s ) i ss t i l lm a i n l yu s e di nt h ea u t o m o b i l ed r i v e d b yi u t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e b u t i ta l s on e e d st h e c o n t i n u i n g c o l l s u r f l eo ff u e lt ok e e pp u m p r u n n i n g ，s o i tr e d u c e st h ee c o n o m yo f f u e i ，a n di t s c o m p l e xh y d r a u l i cs y s t e mp o l l u t e s 也ee n v i r o n m e n t , m a k e st h er e p a i r i n gd i 伍c u l ta n dt h ef e a t u r e sc o u l d n tb ea d j u s t e d c o n v e n i e n t l y c o m p a r e dw i t hh p s ，t h ee l e c t r i cp o w e r i n gs t e e r i n g s y s t e m ( e p s ) h a s i t ss p e c i a lc h a r a c t e r s ，s u c h 髓t h ea d j u s t a b l ef e a t u r e s ， e n v i r o n m e n t - t i i e n d l y e n e r g ys a v i n ga n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，s o i ti s d e v e l o p e dq u i c k l y s i n c es o m ew o r l df a m o u sa u t o m o t i v e c o m p a n i e sb e g i n t or e s e a r c ht h ee p s p o w e r i n gs t e e r i n gi n1 9 8 0 s e p si san e we l e c t r i ct e c h n o l o g yf o ra u t o m o t i v e t k sp a p e r f i r s t l ys u m m a r i z e st h es t a t u so fe p sa n di n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ， s t r u c t u r ea n dt r a i l so fe p s s o m ed a t aa b o u tt h et o r q u es e n s o r si s g i v e na n ds o m ei n f o r m a t i o na b o u ti t se l e c t r i cc o n t r 0 1u n i t ( e c u li s d i s c u s s e d b e c a u s et h ei m p o r t a n c eo ft h es t a b i l i t yo ft h ea u t o m o t i v e h a n d l i n g f o rt h es e c u r i t ya n dc o m f o r tc h a r a c t e r so f t h ea u t o m o b i l es o t h ec o n t r o l s t r a t e g y o fe p ss h o u l db e f i r s t l y c o n c e r n e d a f t e r k i n e m a t i c a la n a l y s e so ft h ea u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e mt h et o r q u ea n d a n g e l d v n a m i cm o d e l sa r eb u i i ta n dk i n e m a t i c a lc h a r a c t e ro ft h e a u t o m o b i l es t e e rc a nb el e a r n e dt h r o u 吐廿l es i m u l a t i o nv i a 也e 埘l a b s t m u l i n ks o f t w a r e t h e na ne p sm o d e li sb u i l tw i t ht h e s e u s o ra n dc o n t r o l l e r sk i n e m a t i c sa n a l y s i s p dc o n t r o ls t r a t e g ya n d t h ef a c t o r si n i l u e n c i n gt h ed r i v e r sr o a df e e l i n ga r ed i s c u s s e d h e r ea n e wc o n t r o ls t r a t e g y f u z z yc o n t r o l i s b r o u g h to u t n l es i m u l a t i o n r c s u l t ss h o w 也a ti tc a nr e s p o n s ea n ds t a b i f i z ei t s e l fm o r eq u i c k l y 谢t h l e s so v e r - a l t i t u d et h a np dc o n t r o l s t r a t e g y s o i fd a t aa b o u tt h e a u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e mc a nb eg o tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h e u s e f o le f f e c t i v es t r a t e g yo fe p sm a yb eo b t a i n e du n d e rt 1 1 eg u i d eo f f u z z yt h e o r y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m ；e l e c t r i cp o w e r i n g s t e e r i n gs y s t e m ；f u z z yc o n t r o l 武汉理工大学硕士论文 第章概述 1 1 汽车电动助力转向系统的特点 由于动力转向系统具有转向操纵灵活、轻便、并可吸收路面 对前轮产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来在各国汽车上开 始普遍应用。现今液压助力转向器( h p s ) 是以内燃机作为动力的汽 车助力转向器的主流。但是传统的h p s 需要持续的能量消耗，降低 了汽车的燃油经济性。同时其复杂的液压系统具有助力特性不可 调整、污染环境、维修不便等缺点。2 0 世纪8 0 年代开始研究的 汽车上的电能为动力的电动助力转向系统( e p s ) 。和h p s 相比，它 具有更为突出的优点： l ：e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平 所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少汽车低 速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进 而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性 来满足不同对象使用的需要。 2 ：提高了汽车韵燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机 带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。相反电 动转向系的e p s 需要转向操作时才需要电机提供的能量，是真正 的“按需供能型”( o nd e m a n d ) 系统。装有电动转向系统的车辆和 装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下、 装有电动转向系统的车辆燃泊消耗降低2 5 ；在使用转向情况 下，燃油消耗降低了5 5 ”。 3 增强了转向跟随性。在e p s 中，电动机与助力机构直接相 连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量， 电机部分的阻尼也使得车轮的反转和转向前轮摆振大大减小。因 此转向系统的抗扰动能力大大增强。和h p s 相比，旋转力矩产生 于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应。增强了转向车轮对转 向盘的跟随性能。 武汉理工大学硕士论文 4 ；该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得 最大的转向动力。同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转 向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带 轮等，其零件比h p s 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑， 在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更 简单。 5 ：e p s 没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境 的污染。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须 有个加温的过程，而e p s 可以在零下4 0 。c 很好的工作，基本上不 存在受温度影响的问题。 6 ：在未来1 0 一1 5 年推出的纯电动汽车或者燃料电池汽车等 汽车上由于没有的传统意义上的内燃机，因此必须考虑安装e p s 7 ：电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。 使用可靠，维修方便。 由此可见，e p s 和h p s 相比，是一项紧扣现代汽车时代发展 主题的高新技术，必将逐步取代现有的机械转向系统、液压助力转 向系统和电控液压助力转向系统。 1 2 国内外的研究现状 电动转向系统是2 0 世纪8 0 年代初期提出来的。1 9 8 8 年2 月 日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备e p s ，随后还用在了其a l t o 车上。在此之后，e p s 技术得到迅速发展。日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司、本田汽车公司、光洋公司，英国的c h e r w l l 公司、 卢卡斯公司，美国的d e l p i 汽车系统公司、t r w 公司、德国的西 门予公司、z f 公司，都相继研制出自己的e p s 比如，大发汽车公 司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装 备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装了e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向系统也将倾向于选择e p s ；d e l p i 汽车系统公司已 经为大众的p o l 0 、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，便投入了大量的人力、物力和财力用于e p s 武汉理工大学硕士论文 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式e p s ，如今小齿 轮助力式的e p s 开发也己获得成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已 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 f 等。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 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于该技 术的开发。他们计划开发出前桥负荷在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2 0 几年的发展，特别是现代电子技术的发展，e p s 技术 己日趋完善，已经从实验室走向市场。其应用范围已经从最初的 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 、 菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装了e p s 本田甚至在其a c u r a n s x 赛车上装备e p s 。同时e p s 的助力形式也从低速范围内助力向 全速范围内助力发展，并且其控制形式和功能也进一步加强。日 本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止 工作。新一代的e p s 不仅在低速和停车时提供助力，还能在高速 时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在w a g o nr + 车上的e p s 是一个负载一路面一车速感应型的助力转向系统。d e l p i 为p u n t o 车开发的e p s 属于全速范围助力型，并且首次设置了两个开关， 其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m h 后，这不同开关所执行设置的程序是一样的，已保证高速时有合 适的路感。市区型还和油门有关，使得在踩油门加速和松油门减 速时，转向更平滑。 美国的d e l p i 汽车公司最新推出的电子伺服前轮转向控制系 统，取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接，取消了传统的转向柱、 转向轴和齿轮齿条等，而由速度传感器、转矩传感器、控制器、 电动机和减速机构等组成。但它仍采用转向盘( 必要时也可改用操 纵手柄) ，通过电动机向驾驶员提供路面反馈。该转向系统可以说 代表了e p s 目前发展的最高水平。 相比之下，国内的e p s 的研究起步较晚。1 9 9 2 年清华大学的 学生在导师的指导下进行了探索性的研究。其后的几年，同济大 武汉理工大学硕士论文 学、吉林大学、华中科技大学相继开展了这方面的研究。取得了 一些进展。现在安徽省已明确的将e p s 系统的开发列入其“十五” 科技攻关项目。估计在今后的几年，会有更多的公司和科研所投 入到e p s 的研究行列中来。 1 3e p s 的发展趋势和急待解决的核心技术 首先，e p s 的应用范围将会进一步拓宽，将作为标准件装备 在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界 汽车行业中，电动转向系统每年正以9 - 1 0 5 的增长速度发展，年 增长量达1 3 0 万一1 5 0 万套，估计至2 0 0 5 年，该产品的产量将由 目前的1 5 0 万套增长到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套。按 此速度发展，用不了几年的时间，电动转向将会完全占领轿车市 场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。见表l ”“： 表le p s 占所在地转向器的比例( ) 全球日本北美欧洲 2 0 0 1 芷1 1 11 6 og 61 2 5 2 0 0 6 焦2 8 33 4 62 9 54 0 尽管e p s 己达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题 急待解决，比如提高现有应用的e p s 系统性能的可靠性、降低生 产成本等。其中，进步改善电动机的性能是下一步努力的一个 主要方向。电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都 将影响到转向操纵力、转向路感等问题。概括地说，今后电动助 力转向技术的发展方向主要为：改进控制系统的性能、提高系统 可靠性和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统的 性能，才能满足更高档车的使用要求。另外，e p s 的控制信号将 武汉理工大学硕士论文 不再仅仅依靠车速、扭矩和方向盘转角，还包括转向速度、横向 加速度、前轴重力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。未来的e p s 将向电子四轮转向的方向发 展，并与通过总线技术电子悬架、发动机电子控制等一起统一协 调控制汽车的运动。随着电子技术的发展，今后有可能取消转向 系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统。这将是e p s 的未来 l o 年的发展方向。 对于我国来说。由于在这方面和国外的差距很大，所以在今 后相当长的一段时间内，仍须集中精力解决传感器、电机、和电 子控制器方面的研究工作。 1 4 本文的研究意义 从中汽转向专业委员会第十一届学术年会传来的信息表明： 电动转向是现代汽车转向系统发展的必然趋势。因此我们必须大 力对电动转向技术进行研究。本文所进行的工作正是在这一时代 背景下展开的。通过查阅国内外的文献，本文详细介绍了国内外 的电动转向系统的发展现状、硬件系统、控制系统并通过仿真提 出了一条可供进一步研究的控制策略。 1 5 本章小结 本章介绍了电动助力转向的特点、国内外的研究现状和发展 趋势。 t 武汉理工大学硕士论文 第二章e p s 的硬件系统 2 1 电动助力转向系统的组成原理 图2 - 1 电动转向器组成框图 图2 1 为齿轮一齿条式e p s 系统的结构简图，它在e p s 系统中 很有代表性，后面我们的分析大都以此为模型展开。从图上可以 看出，所谓的e p s 系统就是在原机械转向系统的基础上，增加了 车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机 构，直接利用电动机驱动转向轴提供助力转矩。转矩转角传感器 测量转矩与方向盘转角大小并和车速信号一起送入电子控制器。 控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的方向。若需要助 力，则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应 控制信号给驱动电路。后者提供相应的电压或者电流给电动机。 电动机输出的转矩通过传动机构驱动转向轴转动从而实现助力作 用。 在此可以看到，正是由于有了电子控制器，较传统的h p s ，e p s 的助力大小可以根据控制策略调整。这给设计性能优异的助力转 向系统提供了可能。一个好的控制策略可以使驾驶员的作用力大 武汉理工大学硕士论文 小适当、路感良好并使转向系统响应快速、阻尼特性好。 2 1 1 电动助力转向系统的主要形式及其特点 根据助力电动机有三种不同的安装位置，e p s 通常分为三种形 式： 1 ：转向柱助力式( c o l u m n a s s i s tt y p e ) ： 此时电动机、减速器直接与转向柱相连。它可安装在转向柱 上的任意合适位置，一般提供蜗轮蜗杆机构来实现减速和变向。 工作环境好，电机的输出力矩比较小，是一种目前常见的助力形 式。由于各部件相对独立，因此维修方便。设计时也有很大的灵 活性。但是电机输出力矩的波动容易传递到方向盘上。如果电动 机的安装位黉和驾驶员的乘坐位置很近的话，必须考虑对电动机 噪声的抑制。 2 ：小齿轮助力式( p i n i o n - a s s i tt y p e ) ： 这也是一种目前较为常见的助力形式，此时电动机、减速器 直接与转向小齿轮相连。它具有转向柱助力式e p s 的全部优点， 并且还可在现有的机械转向器上直接设计，而不用改变转向柱的 结构。 3 ：齿条助力式( r a c k - a s s i s tt y p e ) ： 电动机的电枢通过传动机构与齿条直接相连，传动机构将电 枢的转动变为平动从而实现助力。作为最初应用的e p s ，这种助力 形式的优点是结构紧凑，不受安装位置的限制，可以提供较大的 助力力矩，电机的力矩波动不易传递到方向盘上。缺点是结构复 杂，价格昂贵，工作环境差，要求密封好，要求电动机的输出力 矩比较大，并且一旦某一部件出现故障，必须拆下整个转向齿条 部件，因此维修不方便。 前桥载荷的大小，从一定程度上反映了转向助力的大小，因 而决定了采用何种形式的助力转向器。例如，德国z f 公司开发的 s e r v o l e e t r i ee p s ，对于前桥最大载荷小于6 0 0 k g f 的汽车，e p s 将 安装在转向柱上；前桥最大负荷小于9 0 0 k g f 的中型轿车，e p s 将 武汉理工大学硕士论文 安装在转向小齿轮上：对于前桥最大负荷大于9 0 0 k g f 的高级轿车 或者轻型商用车，e p s 将安装在转向齿条上，此时转向齿条由电动 机通过传动机构驱动作平动。 图2 - 2 德国z f 公司的电动助力转向系统 从图2 - 2 可以看出，这是一个转向柱助力式的e p s 它的主要 技术数据见表2 1 1 ”： 表2 1s e r v o l e c t r i c 样机技术数据表 伺服单元布置单位转向柱助小齿轮助力齿条助力式 方式力式 转向轴负荷k g6 5 08 5 0 1 3 0 0 齿条力n6 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 转向传动比，恒 = = l r u 4 04 55 5 定 转向传动比可m l r u3 0 一4 0 - 3 03 5 4 5 3 55 0 - 6 0 - 5 0 变 停车时最大电 a4 87 5 i 0 5 ( 1 2 v ) 流强度( 传动比 3 5 ( 3 6 v ) 恒定) 停车时最大电 a3 55 8 9 5 ( 1 z v 下) 流强度( 传动比3 0 ( 3 6 v 下) 可变) 武汉理工大学硕士论文 2 2 电动助力转向系统各部分特点 2 2 1 电动机 电动助力转向的助力电动机早期曾用过有刷电动机，但是随 着电子技术的发展，现行的e p s 系统几乎都使用永磁无刷直流电 动机。电动机的选择和助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电 压有关。在后面的分析中，我们还可以看到，电动机的转动惯量 对e p s 系统的响应有很大的影响。此外，在选择电动机时，必须 考虑其噪声和振动对驾驶员的影响。 、 2 2 2 车速传感器 e p s 系统需要输入车速信号来确定助力的系数，因为不同车速 下相同的方向盘转角时的侧向加速度并不相等，驾驶员的手感力 矩也不相等。要使得驾驶员有合适的路感，就必须使助力系数随 车速而改变。这一点我们将在后面详细论述。 现有的e p s 系统的车速信号来自a b s 系统所采集的信号，通 过c a n 总线等方式传送给e p s 系统的控制器供后者使用。 2 2 3 减速机构 常见的减速方式包括齿轮减速、蜗轮蜗杆机构减速、球螺旋 减速机构、双排行星轮减速等。值得注意的是，为了降低e p s 噪 声，可以考虑使用树脂等非金属材料做成的减速机构。必须注意， 减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。 2 2 4 方向盘转角、转矩传感器 电动助力转向器( e p s 系统) 中的方向盘转角、转矩传感器测 量检测方向盘的位置和输入转矩并转换为电信号。电子控制器 ( e c u ) 根据车速信号和方向盘转角、转矩传感器检测到的信号， 通过给定的控制策略产生助力控制信号。该助力控制信号控制直 流驱动电机的电枢电流，从而控制助力转矩。因为方向盘的转角 位置和扭矩传感器测得的扭矩大小的准确性对e p s 系统而言是至 关重要的，因此这将是本章论述的重点。 从自动控制的原理来看，方向盘转角、转矩传感器既是向控 武汉理工大学硕士论文 制器提供输入信号的元件，又是助力结果( 控制结果) 的检测反 馈元件。 方向盘转角、转矩传感器分为非接触式和接触式两种。目前 接触式用得较多的是电位计式扭矩传感器，非接触式用得较多的 是电磁感应式、光电式和超声波式扭矩传感器。接触式成本较低； 但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低、需要对制造精 度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。非 接触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝 对转角和角速度的测量；但成本较高。因此扭矩传感器类型的选 取根据e p s 的性能要求进行综合考虑。 显然，方向盘转角、转矩传感器是e p s 系统中的一个非常重 要的部件，它的特性对e p s 系统的性能有重要的影响。 2 2 4 1 日本光洋( k o y 0 ) 公司的扭矩传感器1 3 1 ： 见图2 3 。 图2 - 3 日本光洋公司的转矩传感器 1 ：结构原理 该传感器是非接触式扭矩传感器，可视为变截面自感式传感 器，通过变化的磁阻产生变化的电感，经电桥转换为电压信号输 出。有图2 3 可以看出，该传感器主要有输入轴1 7 、弹性元件1 6 、 检测圈一1 3 、检测圈二5 、中间检测圈1 1 、检测线圈l o 、补偿线 武汉理工大学硕士论文 圈1 2 及导磁体9 等组成。转矩由输入轴输入，经弹性元件传给输 出轴，同时弹性元件产生扭转变形。由材料力学可知，扭杆变形 量与传递的扭矩大小在一定范围内成线性关系。通过测量变形量 即可知道所传递的转矩的大小。 输入输出轴与弹性元件间通过花键连接。输入轴突缘上用内 六角螺栓联接检测圈1 3 和中间检测圈的固定套管1 4 。检测圈一、 二、中间检测圈由硅钢片卷绕而成。检测圈一、二形状相同。呈 环形上面各均布极齿。中间检测圈与检测圈一、二相对的一面均 有极齿。检测圈一二、中间检测圈间的极齿错开安装。这样。弹 性元件的扭转变形将导致检测圈一和中间检测圈之间的极齿相对 面积发生改变，从而改变了磁路的磁阻。使得检测感应线圈l o 中 有变化的感应电动势输出。在弹性元件扭转变形过程中，检测圈 一、中间检测圈间并无相对运动，因此其磁阻不变，补偿线圈1 2 起温度补偿的作用。 检测线圈1 0 感抗的变化使电桥的输出电压变化。该电压间接 反映了输入输出轴上所传递的转矩的大小。e c u 对这个信号进行 分析处理，可得到转矩的大小和方向。同时，e c u 还可得到从车 速传感器、发动机转速传感器、发电机电压传感器等处传来的各 种信号。按照事先确定的控制策略决定助力的大小和方向。若需 要助力，则e c u 发出指令，助力电机转动开始助力。若不需要助 力，则助力电机不动作。由于e c u 每秒可完成成百上千次的采集 信号、分析处理、发出指令的循环，因此驾驶员不会感到方向盘 上因电机助力而产生的助力脉冲，保证了安全驾驶。 2 2 4 2 日本精工电阻式转矩传感器及其测试 1 结构及工作原理 图2 4 是电位计式扭矩传感器的结构原理图，属于接触式扭矩 传感器。它由电位计、集成电路的i c 部分，电流信号输出部分、 扭转臂等组成。电位计实质上是一个滑动可变电阻器，其滑动触 点固定在输出轴上，电阻线( 滑动部分) 固定在输入轴上。当操 作方向盘时，输入轴和输出轴的旋转方向产生扭矩，同时滑动套 武汉理工大学硕士论文 沿轴向移动，控制臂将滑动套的轴向移动变换成电位计的旋转角 度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，这 种电阻值的变化经过i c 处理，最终以电压变化的形式将方向盘转 向信号送到e c u 中。e c u 从该电压信号可以判断出方向盘回转方 向，即在设置值以上为向右旋转，在设置值以下为向左旋转。并 以此来决定电机的回转方向。 环 图2 - 4 滑动电阻式转矩传感器 2 弹性元件的理论计算 扭杆弹簧是扭矩传感器中的敏感元件，其扭转刚度是关键的 性能参数。因此，必须从理论计算和实验两方面进行研究，以获 得扭杆的扭转刚度。 如图2 - 5 所示，扭杆弹簧的一端通过细齿渐开线花键与转向盘轴 连接，另一端通过径向销( 由4 ) 与转向轴联接。一般地，其细齿 形渐开线花键端部结构外径d o = ( 1 1 5 1 2 5 ) d ，长度，l = ( 0 5 0 7 ) d 。经实际测量，这里，扭杆弹簧d o = 1 3 3 d 。如图2 5 所示，为 了避免过大的应力集中，一般端部与杆体的连接有圆角、圆锥两 种过渡方式。采用过渡圆角时，半径r = ( 3 5 ) d 。经实际测量，该 扭杆为过渡圆角联接这里r _ 3 5 d 。 武汉理工大学硕士论文 图2 - 5圆形截面扭杆弹簧结构和尺寸 l 。l j i ： 1 l 叮| 。f 1 j l r 1 5 d 田角形过渡圆锥形过渡 图2 6 常用扭杆弹簧的端部结构 由于杆体两端的过渡部分也发生扭转变 “ 形。因此，在计算时，应将两端的过渡部分换 “ 算为当量长度f 。可按右图进行换算。该扭秆的亏“ 过渡部分的当量长度，。= 2 1 7 。扭杆的有效工作 “ 长度为：l = i + 2 1e = 6 3 6 ，式中，卜一扭杆杆体 “ 长度。 如图2 5 所示，扭杆直径为d ，有效长度为 l ，则其极惯性矩，和抗扭截面系数z 分别为： 删4 。，。百 ，耐3 z ，2 百 率( 啕鳋 d ，j 扭杆过霞部分的当量长 当其受到扭矩t 的作用时，其扭转切应力r 和扭转变形角口分 别为： 武汉理工大学顾上沧义 丁1 6 丁 r = 一= o z 蒯3 其扭转剐度为 7 z3 2 儿2 记 妒。一g 1 p2 i 匹2 一d g 丁：三：x d 4 g 妒 3 2 l 式中，e 一切变模量，对于碳素弹簧钢和低合金钢，g 值约为 7 6 0 0 0 m p 。 根据以上公式及实测数值d = 6 m m ，l = 6 3 6 m m ，扭转弹簧刚度 的理论值为： 7 1 ：业霉苎型卫型：1 5 1 9 6 n m r a d ：2 6 5 i n m 3 2 x 6 3 6 1 0 - 3 、。 3 精工牌e p s 扭矩传感器的弹性元件的实验研究 ( 1 ) 实验数据： 测试数据整理如下表2 2 ： 表2 2弹性元件的试验数据 扭矩扭转角( 。) ( n m ) 第一次第二次第三次平均值 扭转返回扭转返回扭转返回扭转返回 1o 7o 8o 7o 8 0 80 90 7 3 30 8 3 3 21 11 l1 21 3l ，41 1 3 31 2 31 61 51 61 61 51 71 5 6 61 6 421 921 922 1 21 9 6 6 52 62 52 _ 32 52 6 2 6 2 5 2 5 3 3 633 12 9 2 9 3 3 12 9 6 63 0 3 3 73 53 53 33 53 4 3 43 43 4 6 6 83 9 3 93 83 83 8 53 8 5 ( 2 ) 拟合结果： 拟合多项式的系数： 扭转行程：2 2 1 7 8o 5 3 l o ；返回行程：2 2 4 3 4 o 6 8 2 6 采用最小二乘方法，扭矩与扭转角关系的拟合曲线如下图： 茎竖里三查兰堡主丝苎 扭矩与扭转向关幕曲线 u a v j 日 r 7 矿 6 s 铲 4 3 2 一 f 1 。擎 a r ：基蓄幕霾羧謇l i 线 线 一t * # # ，f ；t jc ；7 、 ；装西稃篷羹漂器蓑 扭转角t o ) 图2 7 扭矩和转角的关系曲线 刚度变化曲线如下图2 8 ： 报台刚度由线 守扭转行程 + 返回行程 伽曲e _p r c - _ _ c 一岳睁一 争书母一奇一 扭转穗( 。) 图2 8 弹性元件的刚度n 1 ，r ) 5 言l l o 爆彝 (詈en)趔趟甚 武汉理工大学硕士论文 最小二乘拟合刚度( 扭转行程) ：2 2 1 7 8n m ( 。) 最小二乘拟合刚度( 返回行程) ：2 2 4 3 4n m ( o ) ( 3 ) 结论： 由上述试验可以看出，弹性元件的刚度基本上是定值没有变 化。刚度的大小和稳定性对于e p s 相当重要。刚度太小，在同样 的力矩作用下，方向盘的相对转角会较大，给驾驶员一种转向比 较“软”的感觉。刚度太大，在同样力矩作用下，弹性元件的变 形很小，灵敏度降低。由于汽车的使用环境千变万化，而制定的 控制策略不可能考虑到所有的使用情况，因此必须要求传感器的 性能保持稳定。 由于试验所用的设备规格较大，因此测量出的刚度小于理论 计算值。在应用过程中，可以考虑弹性元件的刚度为2 5 n m ( o ) 。 4 电位器的试验研究以及数据处理 实验方法：电位计按接线原理图与e c u 控制器连接由e c u 控制器供压；扭转臂的位移采用千分尺测量，输出电压采用高精 度电压表测量。 r 图2 - 9电位计式传感器的结构 对电位器进行了自身的静态特性实验，实验结果如下 所测数据见表2 3 6 武汉理工大学硕士论文 表2 3 测量数据 传感器输出特性数据 杠杆位移 00 51 1 52 2 53 3 5 44 555 566 5 77 588 59 ( m m ) w g 主回 路( v ) o0 0 1 0 0 1 o 0 l 0 0 l0 1 30 5 60 9 81 3 91 82 1 92 5 82 9 83 3 83 7 94 1 84 5 95 0 25 2 2 b g 辅回 55 2 35 2 35 2 35 2 35 1 24 6 54 2 43 8 33 4 33 0 4 2 6 42 2 51 8 61 4 71 0 70 6 40 2 2o 2 路( v ) 数据处理结果 传感器输出特性 + ”一6 主回路 4 8 - 6e 一辅回路( v ) ， 一 兰 警， x 若 媾2 l 一一匐 o，一一，t b0 51，322i33s5 s5s5t75自5 位移l 1 n ( 由左至右) 图2 1 0 试验结果 由该试验结果可以看出，主回路和辅助回路的电压变化在弹 性元件的扭转过程中是不一样的。在扭转角很小的时候，电压基 本不变，表现出传感器的不灵敏区，而在扭转角较大的时候，呈 现出较好的线形关系。因此，在制定控制策略的时候，必须考虑 武汉理工大学硕士论文 传感器的这种变化。 2 2 4 3 一种新的方向盘转角、转矩传感器 英国t r a n s c n s e 技术公司新近推出了一种精度达百万分之一级 的非接触式扭矩传感器- t o r q s c n s e 。 这种传感器使用鲜为人知的表面声波( s a w ) 现象，尺寸仅为 4 x 2 x 0 5 m m 。该传器不仅十分精确，而且转轴与外壳间无直接接触。 为测量转轴的扭矩，两个s a w 感应器与轴呈4 5 。角固定，连结成“半 桥”结构。当轴受到扭矩时，一个受压一个受拉，综合两个传感器 的频率可产生“差分”或“迭加”信号以得出各自的扭矩信号。 z r a n s e n s e 公司还开发了一种利用微波测量技术的非接触式的 w a v e s c n s e 传感。它非常紧凑，除了在转向柱上开条狭缝外不需作 任何改变就能装进目前使用的转向柱内。如果与t o r q s e n s e 传感器 同时使用，可用于控制电动助力转向系统。 2 2 5 控制器( e c u ) 2 2 1 电子控制系统( e c u ) 的基本构成单元1 4 1 如图2 1 1 示 广一一一一一一一一一一一一1 图2 - 1l 电子控制系统的基本结构 武汉理工大学硕士论文 e c u 模块安装在驾驶员侧仪表板下面。e c u 模块是由微电 脑，a d ( 模拟数字) 变换器，i o ( 输入输出) 装置等组成的精 密设备。它的功能包括控制辅助转向力的大小和方向、车载诊断 系统( 自我诊断功能) 和安全防护。目前的e p s 系统采用的芯片有8 位的单片机和d s p 两种，比如d e l p h i 的e s t e e r 采用的是 d s p 5 6 f 8 0 5 芯片【4 ”。不管采用何种芯片，都要求该芯片的抗干扰 能力强，适应在比较恶劣的环境下长期可靠的工作。 其外部传感器和输入信号如下： 扭矩传感器：它获得方向盘操作力大小和方向的信号，并把 它们转换为电压值，将它们传递到e c u 模块。 v s s ( 车速传感器) ：车速传感器位于变速箱上，它根据车速大 小产生成比例的信号。车速里程表将这些信号转换为相应的车速 指针读数，同时也把它转换成双倍周期的o n o f f 信号。 发动机速度信号：点火线圈上的点火信号，作为发动机速度 信号，通过抑噪器被传递到p s 控制模块。 输出信号：电机驱动信号、离合器通断信号和“e p s ”状态指 示灯通断信号。 2 2 2 电子控制器的内部模块 如图2 - 1 2 所示。 图2 1 2e c u 内部模块 1 9 武汉理工大学硕士论文 其中：摩擦补偿主要改善转向轮回正性的迟缓及路感损失； 阻尼补偿主要改善转向回正的稳定性和获得良好的阻尼，防止 在方向盘的中点处产生振荡。 惯性补偿是为消除在正常转向过程中和急转向过程中产生的任 何不规则的力矩信号。 以上三个参数均以电流形式出现，且皆与电机角速度u 。有关， 所以存在如下关式： i ，= 足，_ ( ) k r 摩擦补偿增益常量 i n = 一k d f 2 ( o d ) k d 阻尼补偿增益常量 i = 足， ( 车) k f 惯性补偿增益常量 口 2 2 3 e p $ 系统的电路 见图2 1 3 ： 工 2 2 4 系统自检和安全 图2 - 1 3e p s 的系统电路 武汉理工大学硕士论文 作为一个事关汽车行驶安全的控制系统，e p s 必须配备安全模 块和自检模块以确保系统安全可靠的运行和维修的方便。目前的安 全模块主要靠提高系统的冗余度来进行，e e 如说，扭矩传感器的输 入才用主从两个输入信号。如果这两个的输入之差大于某一个值时， 就可认为系统的传感器出了故障，必须停止工作。于是e c u 发出指 令，断开电磁离合器或者施加给电机的电压为o v ，同时e p s 系统还 必须发出报警信号，提醒驾驶员e p s 系统出现了故障，要予以维修。 在设计e p s 系统的过程中，设计者考虑到e p s 系统可能的各种故障 原因及表现症状，然后设计自检程序在系统运行过程中自动监测运 行状况。如果发生故障，则启动报警装置并按照一定的形式输出故 障代码。 2 3 本章小结 本章详细介绍了组成e p s 系统的各个部分的结构原理和功能， 并给出了部分试验数据。 武汉理工大学硕士论文 第三章汽车转向系统动力学模型 3 1 汽车机械转向系统 3 1 1 汽车转向系统的概述 式主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为3 - 7 t 并采用气压制动 系的货车和客车上。由于气压系统的工作压力较低( 一般不高于 声和滞后性使得这种助力方式的转向器只配置在极少一部分车辆 主流。液压助力转向器按照动力源还可分为机械油泵液压助力转 汽厂机械式：循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式 香一 系l 动力转向系：气压助力式、液压助力式、电动助力式 武汉理工大学硕士论文 汽车作为一种由人操纵的高速运动的交通工具，其安全性和操 纵稳定性是非常重要的。操纵稳定性是其安全性的一部分。通常 认为汽车的操纵稳定性包含互相联系的两个部分，一是操纵性， 一是稳定性。操纵性是指汽车能够确切的响应驾驶员转向指令的 能力。稳定性是指汽车受到外界扰动( 路面扰动或者突然的阵风 扰动) 回到原来的运动状态的能力。二者很难断然分开，稳定性 的好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常称为操纵稳定性 l 。 汽车的操纵稳定性和汽车的结构及助力装置的控制策略有 关。在后面的分析中我们可以看到，汽车的轮胎特性、汽车前轮 定位参数、悬架特性、汽车质心位置、转向系统的结构以及转向 助力装置的结构、控制策略等都对汽车的搡纵稳定性有影响。在 一辆汽车的基本结构确定以后可以通过制定合理的控制策略提高 汽车的操纵稳定性。本论文主要分析电动助力转向系统的控制策 略。 汽车转向系统实际上是个多层的反馈系统。这种