（车辆工程专业论文）eps系统控制策略仿真研究.pdf

摘要 电动助力转i 向( e p s ) 系统是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。它节能环保， 能有效提高汽车的行驶安全性、操纵稳定性、驾驶舒适性。在追求高安全性、高舒适性、 高效节能的今天，电动助力转向系统作为一种全新的动力转向系统，已经成为动力转向 技术研究的焦点。 论文选定s x 3 0 4 2 g p 改装车作为商用车辆电动助力转向系统的装备目标，针对目标 车辆的特点，完成了e p s 系统的关键部件的选型，进行了电动助力转向系统整体方案的 布置。对e p s 系统的助力特性与控制策略进行了深入的探讨，设计了电动机助力目标电 流的模糊控制器，得到了在不同车速和转向盘力矩输入下的助力特性。根据所设计的 e p s 系统，建立了二自由度车辆模型及e p s 系统物理模型，设计了助力控制模式下的 p i d 控制器和模糊控制器以及回正控制模式下的p i d 控制器。结合二自由度整车模型和 e p s 系统物理模型建立了m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，分别对汽车的助力特性和回芷 特性进行了仿真。仿真结果表明：对于装备e p s 系统的汽车，其横摆角速度响应的超调 量和调整时间有明显改善，证明了e p s 系统能提高汽车操纵稳定性和转向轻便性；论文 对比分析了助力控制的p i d 控制和模糊控制两种方法的特点，模糊控制策略反应时间更 短、响应更快。通过回正控制特性分析，加入回正控制后，转向盘能迅速回到中间位置， 并且避免了在中间位置附近的摆振。 关键词：商用车辆，e p s ，仿真，控制策略 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 wh i g h - t e c hw h i c hf o l l o w st h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r na u t o m o b i l e i th a st h ea d v a n t a g e so fs a v i n gf u e l ，、p r o d u c i n gl e s s p o l l u t i o n s ， i m p r o v i n gv e h i c l e sh a n d l i n gs t a b i l i t y , d r i v i n gc o m f o r ta n ds e c u r i t y a san e w k i n do fp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，e p sh a sb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c ho fp o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g yi nt o d a y , w h i c hp u r s u e st h eh i g hs e c u r i t y , t h eh i g hc o m f o r t a b l e n e s s ，t h eh i g h l ye f f e c t i v ea n de n e r g y c o n s e r v a t i o n t h ep a p e rs e l e c t e ds x 30 4 2 g pv e h i c l ew h i c hh a db e e nm o d i f i e da st h ee q u i p p e dt a r g e t m o d e l so fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mo fc o m m e r c i a lv e h i c l e ，a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft a r g e tv e h i c l e ，c h o o s e dt h ek e y c o m p o n e n t sa n dc o m p l e t e de p sd e s i g n a d e t a i l e ds t u d yo fe p ss y s t e mf r o mp e r s p e c t i v eo fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o ls t r a t e g i e s w a sc a r r i e do u t i no r d e rt og e tt h et a r g e tc u r r e n to ft h em o t o r , d e s i g n e dt h ef u z z yc o n t r o l l e r i t p r o d u c e dt h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa t d i f f e r e n tv e l o c i t ya n dt o r q u ei n p u to fs t e e r i n g w h e e l a c c o r d i n gt ot h ee p ss y s t e md e s i g n e d ，e s t a b l i s h e dt w o d e g r e e - o f - f r e e d o mv e h i c l e m o d e l ，e p sd y n a m i c sm o d e l , p r o p o s e dp i dc o n t r o l a n df u z z yc o n t r o ls t r a t e g y ，a n d e s t a b l i s h e dt h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lc o m b i n e dw i t ht w o - d e g r e e o f - f r e e d o m v e h i c l em o d e l ，e p sd y n a m i c sm o d e l t h e n a n a l y z e dt h ey a wa n g u l a rv e l o c i t yr e s p o n s ew i t h t o r q u es t e pi n p u to fs t e e r i n gw h e e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo v e r s h o o ta n dt h e a d j u s t m e n tt i m eo fv e h i c l ee q u i p p e dw i t he p sh a db e e nr e m a r k a b l yi m p r o v e d ，w h i c hp r o v e d t h a te p ss y s t e mc a ni m p r o v ev e h i c l e sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n ds t e e r i n ge a s i n e s s c o m p a r e dt o p i dc o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yc o n t r o ls t r a t e g yh a dt h em e r i t so ff a s t e rr e s p o n s e t h es t e e r i n g r e t u r na b i l i t yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sp r o v e dt h a ta f t e rj o i n i n gt h er e t u r nc o n t r o l ，t h e s t e e r i n gw h e e lc a nq u i c k l yr e t u r n e dt ot h em i d d l ep o s i t i o n ，a n da v o i dt h es t e e r i n gw h e e l s v i b r a t i o ni nt h em i d d l ep o s i t i o n k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e ；e p s ；s i m u l a t i o n ；c o n t r o ls t r a t e g i e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孕 渊夕年月易日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 妒辱 妄、【膨 叫年6 月砂日 轨了年6 月2 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 社会的发展对汽车各方面的性能提出了更高的要求，为此，业内人士提出充分利用 机械与电子两方面的优势，实现机电一体化的应对策略。越来越多的汽车相关部件因机、 电相结合而更趋完美【。 转向系统作为汽车的一个重要组成部分，也同样顺应这样的发展趋势。转向系统一 直存在“轻 和“灵 的矛盾。为了保证转向的轻便性，要求增大转向器的角传动比， 但这将造成汽车对操纵的反应减缓，即不够“灵 。为了解决这一矛盾，人们针对机械 转向器，从两方面来解决这一矛盾：一是提高转向器的效率，二是将转向器设计为变速 比，但这并没有从根本上解决这一矛盾。动力转向的出现很好地缓解了转向系统“轻 与“灵 的矛盾【2 1 。 自1 9 5 3 年美国通用汽车公司在凯迪拉克与别克轿车上首次批量使用液压助力转向 ( h y d r a u l i cp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ，简称i - w s ) 系统以来，液压助力转向系统在轿车上得 到了迅速发展。随着生产技术的发展，动力转向系统在体积、价格和消耗的功率等方面 都取得了惊人的进步。在2 0 世纪8 0 年代后期，又开发了变减速比、电控液压助力转向 系统等。经过几十年的发展，液压助力转向系统已经非常成熟，并已成为许多轿车的标 准装备，但是汽车动力转向系统的技术革新都是基于液压助力转向系统的，无法消除 h p s 系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损、噪声环境污染等方面 的缺陷。直到1 9 8 8 年日本铃木公司首次开发出电动助力转向( e l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e d s t e e r i n g ，简称e p s ) 系统，才真正摆脱了液压助力转向系统的束缚。此后，电动助力转 向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车及客车方向发剧3 1 。目前 国外已经出现用电动助力转向系统逐步替代液压助力转向系统的趋势，电动助力转向系 统已成为世界汽车动力转向技术发展的研究热点。 1 2 动力转向系统的发展历程 动力转向系统的发展大致经历了常规液压动力转向系统、电子控制液压动力转向系 统、电动助力转向系统三个发展阶段【4 ，5 1 ，并且有继续向电子化和智能化方向发展的趋势。 ( 1 ) 常规液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g , h p s ) h p s 一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、v 型传动皮带、储油罐等部件组成。 第一章绪论 它依靠转向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变助力，助力 的大小与车速的高低没有关系，只与转向盘角度有关。转向盘转过的角度越大，液压系 统提供的助力也就越大。 这类动力转向系统无论汽车是否有转向操作，系统总要处于工作状态，所以能耗较 高，而且在转向盘大转向、低车速时，需要液压泵输出更大的功率以获得较大的助力。 而由于液压泵的压力较大，这样就比较容易损害助力系统。另外，这类动力转向系统结 构复杂、容易产生泄露，而且不易安装与维护，转向力也不易有效控制。 ( 2 ) 电子控制式液压动力转向系统( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 丰田公司于1 9 7 3 年首先开发出了车速感应式转向系统，本田公司和五十铃公司也 分别于1 9 8 0 年和1 9 8 2 年相继开发了类似装置，德国的z f 公司开发出了s e r v o t r o n i c 和 s e r v o c o m 型电子控制式的液压动力转向系统。 e h p s 一般由机械装置与电气装置两部分组成。机械装置由转向器( 包括控制阀、压 力腔及助力缸) 、油泵及管路组成。电气装置部分则由车速传感器、电子控制单元e c u 及电磁阀组成。该系统通过传感器将汽车运行过程中的各种非电量信号，比如车速信号 转变成电信号，并由e c u 判别汽车的运行状态，以此来控制电磁阀线圈的电流，从而 控制动力转向系统中压力油的流量，再由液压油控制执行机构进行转向动作。 然而，e h p s 存在着油泵持续工作造成多余能量消耗、整个液压系统占用空间大、 容易泄露、噪声大等缺陷，而且增加的车速检测控制装置以及阀的结构要比l i p s 系统 更复杂，致使成本较高，所以目前主要应用于高级轿车及运动型车辆上。 ( 3 ) 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n g ，e p a s 或e p s ) 经过多年的探索，电动助力转向系统作为一种全新的动力转向技术进入了业界的视 野，并且很快便成为动力转向系统研究和开发的热点。 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上增加了信号传感器装置、电子控 制装置及转向助力机构等装置。电动助力转向系统的主要功能是使用电力驱动执行机 构，在不同的驾驶条件下为驾驶员提供适宜的辅助转向力。 近几年来，随着电子技术和传感器技术的发展和硬件成本的大幅度下降，加之电动 助力转向系统本身的诸多优点，电动助力转向系统及其相配套部件的研究和开发愈来愈 备受到各主要汽车生产企业的重视。 1 3 电动助力转向系统的特点 2 长安大学硕士学位论文 电动助力转向系统将最新的电力电子技术与高性能的电机控制等技术应用于汽车 转向系统，该系统能显著改善汽车动态性能与静态性能、提高驾驶员的舒适性和安全性， 而且能减少环境污染。因此，该系统必将成为未来转向系统的主流，与其他转向系统相 比，该系统具有如下优势【l 6 ，7 ，8 , 9 , 1 0 】： ( 1 ) 降低了燃油消耗：电动助力转向系统仅在驾驶员有转向操作的情况下才需要 电动机提供能量，能量的消耗与车速和转向盘的转矩有关。当操纵转向盘转向时，电动 机在控制器的控制作用下工作，并输出相应大小和方向的转矩作为助力矩。该系统在汽 车原地转向时输出的转向力矩最大，随着车速的变化，输出的助力矩也随之变化，该系 是真正的“按需供能型系统。同时，由于电动助力转向系统没有液压油管，所以对寒 冷天气不敏感，系统即使在一4 0 0 c 的环境下也能正常工作，所以能提供快速的冷起动。 另外，由于该系统没有起动的预热，也不使用液压油泵，于是避免了发动机的寄生能量 损失，节省了能量，提高了燃油经济性。 ( 2 ) 增强了转向跟随性：在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连接，。 其能量可以直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转及转向 前轮的摆动振动大大减小，因此转向系统的抗扰动能力大大增强。与液压助力转向系绕 相比，其旋转力矩产生于电动机，不存在液压助力系统的转向迟滞效应，因此增强了转 向车轮对转向盘的跟随性能。 ( 3 ) 改善了转向回正特性：将转向盘转动某一角度然后松开后，该系统能够自动 调整，使车轮回到中间位置。该系统可让工程师们通过软件编程灵活地调整设计参数， 以获得最佳的回正特性。通过软件编程，可以得到一组从零车速到最高车速的回正特性 曲线，使得该系统与汽车动态性能相匹配的转向回正特性得到显著提高。 ( 4 ) 提供可变的转向助力：电动转向系统的转向助力来自于电动机，通过软件编 程与硬件控制，可以得到任何行驶状态( 不同车速、不同转矩输入) 下的转向助力，转 向助力的大小取决于车速和转向盘转向力矩。而对于传统的液压助力系统，要想获得随 车速及转向盘力矩变化的可变转向助力非常困难而且费用很高，要想获得可变的转向助 力，必须增加额外的控制器和其他硬件。 ( 5 ) 提高了车辆的操纵稳定性：对于传统的液压助力系统，由于不能对助力进行 实时调节和控制，所以很难协调好转向力和路感的关系，尤其是当汽车高速行驶时，系 统仍然会提供较大助力，这样会导致汽车发飘，驾驶员路感变差，影响操纵稳定性。而 电动助力转向系统能根据不同的车速和转向盘力矩提供合适的助力，因此，在汽车高速 3 第一章绪论 行驶时使得汽车具有更高稳定性，而当汽车低速行驶时能使转向更轻便，很好的解决了 转向力与路感的矛盾，从而提高了车辆的操纵稳定性。 ( 6 ) 能源“绿色”、环保，符合现代汽车的发展要求：电动助力转向系统采用“最 干净 的电力作为能源，完全替代了液压装置，根本不存在液压助力转向系统中液态油 的泄露问题，顺应了“绿色化 的时代趋势。由于该系统没有液压油、软管、油泵和密 封件，可以对构成材料进行再加工，这样避免了浪费及污染。而液压转向系统油管使用 的聚合物不能进行回收，容易对环境造成污染。 ( 7 ) 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越：该系统具有良好的模块 化设计，不仅节省了费用，而且为设计不同的系统提供了极大的灵活性。 由于该系统没有油泵、油管及发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统的时候 有更大的空间。另外，由于该系统省去了装于发动机上的皮带轮和油泵，这样发动机部 件的空间利用率极高，留出的空间可以用于安装其他部件。 ( 8 ) 生产线装配性好：电动助力转向系统没有液压助力转向系统所需要的油泵、 油管、流量控制阀、储油罐等部件，其零件数目大大减少，因此减少了装配过程中的工 作量，节省了装配时间，提高了装配效率。 1 4国内外电动助力转向系统的研究与应用现状 电动助力转向系统是在2 0 世纪8 0 年代中期提出来的，它将电子控制技术与高性能 的电动机控制技术应用于汽车转向系统，使汽车转向性能与操纵性能得到显著改善，它 的出现满足了时代发展的要求。因此，该系统一经提出，就受到国内外业界的重视，各 汽车公司己纷纷展开了深入的研究与系统开发工作，电动助力转向系统必将成为转向系 统的主流【1 1 1 。 1 4 1 国外研究及应用现状 在电动助力转向系统还没有问世之前，动力转向系统的技术革新都是基于液压动力 转向系统的，即便是电子控制式液压动力转向系统也没有摆脱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、磨损及噪声等方面的固有缺陷。直到1 9 8 8 年2 月，日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，这才真正摆脱 了液压动力转向系统的束缚。1 9 9 3 年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统装备于大 批量生产的n s x 跑车上。此后，电动助力转向技术得到了迅速的发展。美国的d e l p h i 4 长安大学硕士学位论文 汽车系统公司、t r w 公司【1 2 】，德国的z f 、西门子公司，英国的s a g i n a w ( 萨吉诺) 、l u c a s 公司，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司等都相继研制出了自己的电 动助力转向系统。例如：大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s 系统，三菱汽车公司 在其生产的m i n i c a 车上装备了e p s 系统，本田汽车公司的a c c o r d 车已经选装了e p s 系统，d e l p h i 汽车系统已经为大众的p o l o 、欧宝31 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 系统【1 3 l 。t r w 公司从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 系统的开 发，他们最初是针对客车开发出转向柱助力式e p s 系统，其后小齿轮助力式e p s 系统 开发也已经获成功。1 9 9 9 年3 月，t r w 开发的e p s 系统已经装备于轿车上，比如f o r d f i e s t a 和m a z d a3 2 3 e 等【1 4 l 。目前，韩国的一些开发机构也宣布独立开发出了e p s 系统。 应该说当前的电动助力转向系统还是主要应用于中小型轿车上，然而，最近有报道称 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6 5 0 0 万英镑用于新的e p s 系 统的开发，他们计划开发适合于前桥负载超过1 2 0 0 k g 的汽车的e p s 系统，因此货车也 可能成为e p s 的装备目标【1 5 】。 目前国外的研究主要集中在细节上对助力特性、操纵性能等的进一步优化，而且设 计出了操作模拟器来对e p s 系统的控制策略进行评估。在对控制策略的研究上，国外侧 重于选择基于p i d 的补偿和回正控制策略，对于模糊控制、h 。控制也有研究【1 1 1 。本田 汽车公司与日本大学在汽车电子转向系统方面做了很多理论工作及模拟器试验研究，他 们从人车闭环系统出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车 速变化。三菱公司开发出可用于评估e p s 系统控制策略的操作模拟器，该模拟器可以方 便地对基于转向盘转角、加速踏板位置及制动踏板位置的具有1 1 自由度的汽车运动进 行计算。美国的ygl i a o 、hid u 采用a d a m s 动力学分析软件与m a t l a b 仿真软件 对基于多刚体的e p s 系统动力学模型进行了联合仿真研究【1 6 l 。d e l p h i 公司提出在e p s 系统控制器中引入横摆角速度反馈，以提高汽车的操纵稳定性。韩国的j i h o o nk i m 、 j a e b o ks o n g 提出直接控制转向盘转矩的控制策略【1 7 1 。由于汽车供电系统的局限性，电 动机难以提供较大功率，e p s 系统的研究以及应用对象主要是轿车，要在重型载货汽车 上得到应用，还必须采用液压执行机构。然而，随着蓄电池技术的发展以及4 2 v 电子设 备在汽车上的应用，全电子转向系统将应用到中型以及重型车上，目前4 2 v 电源已经在 一些概念车上得到了应用。 1 4 2 国内研究及应用现状 国内汽车厂商起步较晚，但开发速度很快，在轿车e p s 系统开发上已有成果。吉利 5 第一章绪论 汽车已经开发出具有自主知识产权的轿车e p s 系统，并在吉利豪情上得到应用。荆州恒 隆也与清华大学联合创建e p s 系统实验室并投入研究。 相比乘用车辆e p s 系统研究的快速发展和商业化进程，商用车辆e p s 系统的发展 相对比较缓慢。北京理工大学机械与车辆工程学院的林逸教授等人在北京市奥运科委项 目的支持下，开发的电动客车采用了电动助力转向系统，前轴轴荷达到6 1 8 0 k g ，率先在 国内开展了商用车辆e p s 系统的研究。东风商用车公司也进行了d f 3 型商用车辆e p s 系统的研究，并己进入整车试验阶段。但是，目前真正实用化、市场化的商用车辆e p s 系统目前还没有出现。 国内对于e p s 系统的研究也起步较晚，而且主要集中于控制算法上，常见的有常规 p i d 控制、基于p i d 的补偿和回正控制、基于p i d 的智能控制( 即p i d 控制结合智能控 制如模糊控制、神经网络技术等) 、单一的智能控制方法、h 。控制等。清华大学、吉林 大学、天津大学、合肥工业大学、华南理工大学、华中科技大学等高校也开展了e p s 系统结构方案设计、系统建模、控制策略以及动力学分析等研究。清华大学的陈奎元教 授分别对e p s 系统的助力控制、回正控制与阻尼控制技术进行了研究【1 8 l 。季学武教授 对e p s 系统的直流伺服技术进行了研究，针对原有的单一控制方式的不足，采用助力与 阻尼两种模式的综合控制方式，提出了针对占空比与控制模式的修正方法1 1 9 】。在e p s 系统建模方面，合肥工业大学的杨孝剑等人对e p s 系统的多刚体建模做了一些研究。在 系统静态特性方面，华中科技大学机械工程学院的叶耿等人对汽车转向路感进行了讨 论，给出了路感的定义，对转向路感进行了量化，并将路感强度作为一项评价转向系统 性能的指标1 2 0 1 。天津大学的尚酷对基于神经网络的e p s 系统助力特性进行了研究【2 l l 。 国内在对e p s 系统动力学分析与仿真研究方面，虽然已经建立起了理论体系，但是在一 些细节方面如对转向阻力的模拟、路面谱及轮胎特性等方面还有待进一步的研究【l 。 总体来说，国内近年来对e p s 系统的研究发展很快，特别是在控制策略方面，然而 在对具体细节的优化上，与国外还是有相当大的差距。虽然目前国内已有一些具有自主 知识产权的e p s 产品出现，但是距离e p s 系统的批量生产、装备还有很长的路要走【1 。 1 5电动助力转向系统的发展趋势 经过多年的发展，电动助力转向系统在降低自重、降低生产成本、减少电流消耗与 内部摩擦、获得合理的助力特性以及保证路感方面都取得了重大的进步。电动助力转向 系统在操纵稳定性、行驶安全性、节能环保等方面都充分显示了其优越性，其性能也得 6 长安大学硕士学位论文 到用户的普遍认可。随着直流电动机性能的改进与提升，e p s 系统得助力能力将得到进 一步提高，其应用范围也将继续拓宽。e p s 系统代表着未来动力转向技术的发展方向， 其将有可能作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向技术领域占据重要的地位【l , 3 1 。 就目前电动助力转向系统的发展情况来看，其未来的发展趋势主要在以下方面【1 捌： ( 1 ) 改进控制系统性能及降低控制系统制造成本。未来的e p s 系统将进一步简化 系统，缩小控制单元和驱动单元的体积，控制生产成本，降低价格，使其更加具有价格 竞争力。在改进控制系统性能方面，由于电动机的性能是影响控制系统性能的关键因素， 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驾驶员的转向操纵力、转 向路感等问题，因此，关键问题在于进一步改善电动机的性能，消除因电动机惯性、摩 擦力等所导致的转向路感不足等缺陷，使e p s 系统也能批量应用于货车。 ( 2 ) 将迸一步提高系统的可靠性。主要是从提高系统各相关部件的可靠性入手， 比如采用非接触式转矩传感器等。 ( 3 ) e p s 系统的控制信号将不再仅仅局限于车速、转矩，而是根据转向角、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，以此获得 更好的转向路感。 ( 4 ) 将实现e p s 系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系，以实现整车电 子控制系统的一体化。 ( 5 ) 将进一步提高汽车的安全性。采用电动助力转向系统后，驾驶室将会有更大 的空间用于布置被动安全装置，减少了危险发生时对乘员的伤害。 放眼未来，电动助力转向系统将朝着更纯粹的电子化与智能化的方向发展【1 1 。 1 6 问题的提出和研究的意义 e p s 系统作为汽车电子控制系统中的一个重要组成部分，其性能好坏直接影响着驾 驶者的操纵稳定性及驾驶安全性。e p s 产品已经在国外许多知名汽车公司展开研究并投 入应用，它对提高汽车的操纵性能，保护环境有着非常重要的意义。近几年来，国内也 有许多单位先后开展了轿车e p s 的研究工作，取得了一定的成绩，但是与国际先进水平 依然存在较大的差距，而对于商用车辆e p s 系统的研究尚处于初步阶段。由于商用车辆 的“路感 、“转向灵敏性和轻便性的关系 、“回正特性 、“悬架特性 等方面与轿车有 很大的差异，商用车辆e p s 系统在理论特性、系统配置和控制方法上都不同于轿车，因 此，对商用车辆e p s 系统的研究是非常有必要的。目前，业内已开始重视商用车辆的安 7 第一章绪论 全性和操控性，新出台的国家标准已将a b s 作为商用车辆的标准配置，而e p s 是继a b s 后又一关键的电子部件，这为商用车上装备e p s 系统起到了较大的推进作用，加上我国 商用车辆大都是自主品牌，这些因素都为e p s 系统向商用车上的延伸提供了契机，为 e p s 系统的应用带来了更加广阔的应用前景。 论文主要探讨商用车辆装备e p s 系统后对其操纵稳定性的影响，对提高商用车辆的 安全性、操纵稳定性和转向轻便性具有重要的理论价值和现实意义。 1 7 论文的主要研究内容 论文主要对商用车辆e p s 系统控制策略进行研究，鉴于目前国内外对e p s 系统控 制策略的研究现状提出自己的方法，主要内容如下： ( 1 ) 确定研究的目标车型，针对目标车型的特点设计e p s 系统的结构及整体布置 方案，完成各个主要部件的选型。 ( 2 ) 确定e p s 系统助力特性曲线。设计以车速和转向盘力矩为输入、助力目标电 流为输出的“双输入单输出”模糊控制器，通过该模糊控制器得到在不同车速与转向 盘力矩输入下的助力目标电流。 ( 3 ) 确定e p s 系统的控制策略。在助力模式下，分别采用p i d 控制和模糊控制方 法；在回正控制模式下，采用p i d 控制方法，并介绍采用p i d 控制方法和糊控制方法的 思路。 ( 4 ) 建立模型。建立二自由度车辆模型和e p s 系统物理模型，针对采取的控制策 略设计相应的p i d 控制器和模糊控制器。建立基于p i d 控制策略和模糊控制策略的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型。 ( 5 ) 仿真分析。在助力模式下，分别采用p i d 控制方法和模糊控制方法，对转向 盘转矩阶跃输入下的汽车横摆角速度响应进行仿真，并对仿真结果进行分析、对比；在 回正模式下，采用p i d 控制方法，对转向盘回正特性进行仿真，分析加入回正控制后对 e p s 系统的影响。 8 长安大学硕士学位论文 第二章电动助力转向系统的总体设计 2 1电动助力转向的机理 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上增加了信号传感器装置、电子控 制装置及转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的主要原理是使用电力驱动执行机 构，实现在不同驾驶条件下为驾驶员提供适宜的辅助力。系统主要由以下几个部分组成： 电子控制单元( e c u ) 、车速传感器与转矩传感器、助力电动机、减速机构等【2 2 1 。其工作 原理如图2 1 所示。 图2 1电动助力转向系统工作原理图t 1 1 具体的工作过程是【3 2 l ：汽车处于起动或者行驶状态时，驾驶员操纵转向盘转向，装 在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的转矩与转向盘转角信号，并将 这些信号与车速信号同时输入电子控制单元，控制单元对输入信号进行运算处理，并根 据助力特性确定助力转矩的大小及方向，从而控制电动机的输出助力转矩及转向。电动 机经减速机构将转矩输入至转向器，转向器再将转矩传递至前轮转向的横拉杆，最终达 到为驾驶员提供转向助力的目的。当车速超过一定的临界值时，e p s 系统进入阻尼控制 模式，利用电动机产生阻尼效应，避免转向盘强烈抖动。而当系统出现故障时，e p s 系 统退出助力工作模式，转向系统进入手动控制转向模式。在驾驶员没有转向动作的情况 下，电动机不工作，可以节省能源。电动助力转向系统能够根据汽车运行状态及驾驶员 的转向操作，实时提供适宜的助力或阻尼力，从而保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活 及高速行驶时转向稳定可靠。 9 第二章电动助力转向系统的总体设计 2 2 车型的选择 国内关于商用车辆e p s 系统的研究处于初级阶段，市场上装备e p s 系统的商用车 辆暂时还没有出现。对于商用车辆，其电气系统采用蓄电池供电，蓄电池的电压一般为 2 4 v ，如果在重型车辆上装备e p s 系统，由于重型车辆转向阻力矩较大，这就要求电动 机功率要大，能输出较大的助力。而在当前2 4 v 电压下，电路电流较大，这就需要较粗 的导线，从而使结构变得复杂，电路功率损耗也比较严重，因此e p s 系统在重型车辆上 的应用需要将电气系统电压升到4 2 v ，关于4 2 v 车载电源系统的研究各国正在积极进行 中。 考虑到当前电源电压及e p s 系统的开发难度，论文以中型货车作为e p s 系统的装 备对象。目标车型确定为陕汽宝鸡华山工程车辆厂生产的s x 3 0 4 2 g p 改装车，该车的主 要参数如表2 1 所示： 表2 1s x 3 0 4 2 g p 的主要参数 参数取值 发动机型号 y n 4 1 0 2 q b z l 驾驶室型号 t j g l 2 0 变速箱型号 1 4 5 h f 轮胎型号 8 2 5 2 0 满载总质量m 8 8 0 5k g 额定载货质量 3 8 0 0 k g 整车外形尺寸( 长宽高) 6 2 0 0 2 2 5 0 2 8 0 0 m m 轴距 3 4 2 0 m m 前后轮距 1 7 5 0 1 6 5 0 m m 前悬后悬 l0 8 0 l7 0 0 m m 接近角腐去角 2 9 0 2 0 。 空载时质心到前轮距离 2 0 0 5m m 满载时质心到后轮距离， 2 4 4 1n 皿 转向盘直径 4 2 0 m m 2 3电动助力转向系统的总体布置 商用车辆转向系统有其不同于乘用车辆的特点，集中表现在：前轴轴荷大、转向阻 力矩大、布置空间大、对噪声的要求相对乘用车辆较低、高速情况下也要求有一定的助 1 0 长安大学硕士学位论文 力等等。商用车辆通常采用齿轮齿条式或者循环球式转向器，由于原车采用循环球式液 压助力转向，为了做到对原车结构的改动尽可能小，降低设计成本，论文采用循环球式 电动助力转向器。 e p s 系统的整体布置方案如图2 2 所示，该系统主要由转向盘转矩转角传感器、循 环球式转向器、电控单元e c u 、助力电机、蜗轮蜗杆减速器等组成【2 2 l 。转向器部分的 结构如图2 3 所示，在减速器壳体内安装蜗杆，安装在壳体外侧的电机与蜗杆连接，蜗 杆与蜗轮啮合，蜗轮安装在转轴上，扭杆安装在转轴与转向螺杆之间，转向螺杆上安装 钢球和转向螺母，壳体上分别安装传感器和电机，摇臂轴一侧的扇形齿与转向螺母上的 齿条相啮合，另一端则通过摇臂轴输出转向力。这种布置方案将电动转向助力装置与循 环球式机械转向器的主体集成为一体，结构紧凑、装配方便 2 3 , 2 4 1 。 图2 2 电动助力转向系统布置图 图2 3 整体式循环球电动转向器布置图 第二章电动助力转向系统的总体设计 2 4e p s 系统的主要部件 2 4 1 转矩传感器 转矩传感器的功能是检测驾驶员施加在转向盘上的力矩大小与方向，有的转矩传感 器还能测量转向盘转角的大小和方向。转矩传感器应能够提供质量高、响应速度快、稳 定可靠的信号。电子控制单元根据车速信号与转向盘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。该控制信号控制助力电动机的电枢电流或者电压，从 而控制助力转矩。因此，转矩传感器是e p s 系统中一个非常重要的部件，它的特性对 e p s 系统的性能有着重要的影响。 目前可以选用的传感器类型主要有两种，一种是日本n s k 转矩传感器，这种传感 器在吕河北斗星上有应用；另一种则是美国b i 公司t = i d e l p h i 公司配套的转矩、位置复 合传感器。 b i 的转矩位置复合传感器是为d e l p h i 的e p s 系统设计开发的，如图2 4 所示，除 了提供转矩信号外，还能提供方向盘位置信号在进行回正和阻尼控制时能提供很大帮 助。鉴于b i 传感器的卜述优点，本设计采用b i 传感器。 渺 图2 4b i 转矩、位置复合传感器 图25 所示为b i 转矩传感器的机械机构安装简图，安装该传感器只需在转向柱的合 适部位将其截开，然后在两段之间装上扭转刚度合适的扭杆，传感器两端分别与输入、 输 l 轴相连接。 长安大学硕学位论文 输出轴 输入轴 图2 5b i 传感器安装结构倚图 2 42 减速机构 减速机构的作用是减速增扭，即降低电动机输出轴的转速、增加电动机输出轴的输 出转矩。减速机构主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。 蜗轮蜗杆机构适合安装在前轴负荷太，转向沉重。且对高速操纵性能要求不高的载 货汽车上。另外，蜗轮蜗杆减速机构具有结构简单、尺寸小、造价低、传动平稳、可靠 性高等优点，因此本设计采用蜗轮蜗杆减速机构。 减速比是减速机构最重要的参数，它对电动助力转向系统以及整车的性能都有很大 的影响。选择这个参数要同时考虑电动机的性能指标以及转向系统的特殊工况。转向系 统的工作特点是转向盘速度范围很大，可以从保舵到每秒数圈。作为助力转向系统，应 该在这个转向速度范围内都能够提供助力，其最低要求是不能阻碍转向动作。 因此电动机减速器总成的临界助力转速要大于驾驶员紧急避让时方向盘的转速i ”】。 争焉k 儿：0 亿， l u m o 一 、7 式( 21 ) 中：。电动机减速器总成的临界助力转速 ；紧急避让时转向盘转速 u 电源电压2 4 伏 m 蜗轮蜗杆减速器减速比 e 电动机转矩常数 根据美国国家公路交通安全管理局( n h t sa ) 的调查”i ，驾驶员在进行紧急避让的时 9 第二章电动助力转向系统的总体设计 候，转向盘转速可以达到1 0 0 0 。s 左右。由式( 2 1 ) 取等号 l k o = u 国。= 1 4 ( 2 2 ) 此时，助力系统的动力性满足要求。实际所选取的电机转矩常数e 大约为 0 0 7 18 n m a ，因此选择蜗轮蜗杆减速器传动比m 为1 9 5 【2 引。 2 4 3 助力电机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出合适的辅助力矩，辅助转向系统转 向，它是转向系统的动力源。电动机对e p s 系统的性能也有很大的影响，是e p s 系统 的关键部件之一。所以e p s 系统对电动机有很高要求，不仅要求其转矩大、转矩波动小、 噪声小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高，易控制。 2 4 3 1电动机类型的选择 由于车载电源大多都是直流电源，因此e p s 系统的助力电机多采用永磁有刷直流电 动机或永磁无刷直流电动机。永磁有刷直流电动机具有技术成熟、控制器结构简单、成 本低等优点，因此，本设计采用永磁有刷直流电动机。 2 4 3 2电动机最大转矩及功率的选择 首先确定汽车最大转向阻力矩。汽车原地转向时，转向阻力矩最大。原地转向阻力 矩可以通过试验测得，也可以通过经验公式计算获得。根据半经验公式【2 7 1 ，初步计算出 汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩m r 供m m ) 忡等厚 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中 f = - 0 7 轮胎与地面的滑动摩擦系数 g l = 2 5 2 0 0 转向轴负荷( p = 0 7 5 m p a 轮胎气压( m p a ) 其次确定作用在汽车转向盘上的最大力矩。根据国标q c t4 8 0 1 9 9 9 汽车操纵稳定 性指标限值与评价方法得到对于最大总质量超过6 t 小于1 5 t 的载重汽车，转向盘最大操 舵力上限值f m 为2 0 0 o n ，因此施加在转向盘上的最大转矩为 1 4 长安大学硕士学位论文 式( 2 4 ) 中 = f m r = 2 0 0 x 0 2 1 = 4 2 ( n m ) k 最大转向盘力矩( n m ) ( 2 4 ) f m 转向盘最大操舵力上限值( n ) 尺转向盘半径( m ) 而对装有助力装置的商用车辆，根据驾驶员对转向轻便性的要求，作用于转向盘上 的最大转矩乃一的值一般设为3 0 0 n - m 。 接下来确定电动机的最大助力矩。阻力矩最大时，转向盘力矩最大，要求的助力矩 也最大，此时助力矩是电动机最大助力矩，由此电动机的最大助力矩毛。嗍： 死。，：m n - t 纰g p r l + ( 2 5 ) ，= = 一 z ， 锄删 g p g 。研矿 7 式( 2 5 ) 中 g p = 2 0 转向器角传动比 g 。- - 1 9 5 蜗轮蜗杆减速器传动比 编= 8 0 一蜗轮蜗杆减速器效率2 刀 矿= 8 0 一循环球式转向器正效纠2 7 1 计算得到 2 1 0 8 5 ( n m ) 乇一_ 2 3 9 ( n m ) 因此，电动机的最大输出转矩应不小于2 3 9n m 。 最后确定电动机的额定功率。对于断续工作定额的电动机，其功率的选择，要根据 负载持续率的大小来确定，因为e p s 工作条件复杂多变，负载持续率的计算较复杂，实 际中多是根据已有车型类比确定1 2 8 j 。 经确定电动机功率和最大转矩后，最终选择符合本设计要求的助力电机，其具体规 格如表2 2 所示： 1 5 第二章电动助力转向系统的总体设计 表2 2 助力电机的主要参数 额定电压 2 4 v 额定电流 4 0 a 额定转矩 3 o n m 额定功率 4 5 0 w 转速( r p m ) 1 4 5 0