（车辆工程专业论文）商用车辆eps系统控制器开发.pdf

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，均己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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储繇筋劫沙夕年缈日 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) 论文作一向磊面泖年御日 导师签名：言、l0 妻气 - 哆年厂月日 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 转向系统是保证车辆行驶的主要车辆子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性 和安全性。 良好的操纵稳定性和驾驶感觉是转向系统追求的目标。回正力矩在一定程度上保证 了汽车操纵稳定性，但增加了驾驶员的转向阻力，尤其是大型车辆的低速转向时，驾驶 员的工作强度较高，不利于驾驶舒适性。为了改善这个矛盾，起初通过增大转向系中的 减速比，但这样会使转向变得十分迟钝，满足不了转向灵敏度的要求，为了解决转向系 、轻与“灵”的矛盾，采用了动力转向系【1 1 。 上个世纪5 0 年代开始出现了助力转向系统，在此后的二、三十年中，转向系统经 历了机械式、液压式、电控液压式等几个阶段。由于传统的动力转向系统有结构复杂、 功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制等缺点，汽车工程师一直在寻求一种更好的助 力方式，以期获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正稳定性、较高的抗干扰能力 和较快的响应性。到了上世纪8 0 年代，人们开始研究电动助力转向( e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g ，简称e p s ) 系统。在e p s 系统研究伊始，因为成本高，难以投入商业生产，在 实验室阶段停留了许多年。但是随着控制元件成本大幅度降低，以及人们对于环保问题 关注程度的不断上升，使e p s 系统这个集环保、节能、安全、舒适为一体的高科技产品 的实际应用成为可能。 1 2 动力转向系统的发展历程 动力转向系统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【7 1 。 ( 1 ) 常规液压动力转向系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 这类动力转向系统是靠方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积 来提供可变的助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向角度有关。转向盘转 第一章绪论 过的角度越大，液压系统提供的助力越大。 h p s 一般由转向油罐、转向油泵、液压管路、机械转向系统组成，有分离式、组合 式和整体式三种结构。其中分离式装置在结构紧凑、位置狭窄的轻型载货汽车和轿车上 有所采用，组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和公共汽车上，整体式在高级轿 车上应用广泛。 整体式动力转向系统又分为滑阀式和转阀式两种类型。其中滑阀式装置结构简单， 制造工艺要求较低，且易于布置，便于操纵但不能调整转向特性。而转阀式装置结构复 杂，难于加工，但可按照用户要求调整转向系统的转向特性，且工作可靠、结构紧凑、 工作压力高，代表着整体式动力转向系统的发展方向。 h p s 面临的问题： h p s 因其固有的转向噪声使得转向舒适性降低。 转向油泵由发动机持续驱动，即使没有转向动作也消耗能量。 h p s 最大的缺陷是转向助力特性不可调，高速和低速时助力特性相同。虽然后来出 现了变传动比的液压动力转向系统，但因为传动比变化范围较小，仍然不能满足需求。 ( 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 ) 为了获得理想的汽车操纵稳定性，要求转向性能可动态地适应汽车行驶状态的变 化。理想情况下，汽车在原地转向时要求转向尽量轻便：而在汽车以不同的速度运行时， 能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻力，并使驾驶员既能轻便地操 纵方向盘，又有足够的路感。满足上述条件的是车速感应式动力转向系统，即电子控制 液压动力转向系统。丰田于1 9 7 3 年首先开发了车速感应式转向系统，本田和五十铃也 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 型电子控制的液压动力转向系统。 e h p s 一般由机械装置和电气装置两部分组成。机械装置包括转向器( 包括控制阀、 压力腔及助力缸) 、油泵及管路。电气部分则由车速传感器、电子控制单元e c u 及电磁 阀组成。它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号，如车速转变为电信号，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，进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。 2 长安大学硕士学位论文 e h p s 按照控制方式可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度可调式。 流量控制式。流量控制式是通过检测车速的大小，调节向动力转向装置提供压力油 液的流量，从而控制转向力。 反力控制式。反力控制式是利用车速的大小控制反力室油压，改变压力油输入输出 的增益幅度以控制转向力。 阀灵敏度可调式。它是根据车速操纵电磁阀，直接改变转向控制阀的油压增益( 阀灵 敏度) 以控制油压。 e h p s 存在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、 噪声大等缺点；而且增加的车速检测控制装置及阀的结构较h p s 复杂，致使成本较高， 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 r a s s i s t e ds t e e r i n ge p a s 或e p s ) e p s 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、卢卡斯公司、美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司、德国的西门子公司、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 车目前己经选装了e p s ，d e l p h i 汽车系统公司已经为 大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 和菲亚特的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 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 开发也已获得成功。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 e 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8 1 。 一 电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传感器装置、电子控制 装置和转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的主要功能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。e p s ( e l e c t r i cp o w e ra s s i s t e d s t e e r i n ge p a s 或e p s ) 的优点主要体现在以下几个方面： = l 第一章绪论 降低了燃油消耗 在液压动力转向系统中液压泵不停地运转，浪费了部分能量。而e p s 仅在需要转向 操作时电机才运转，并且，能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关，是真j 下的“按 需供能型 ( o n - d e m a n d ) 系统。根据实验对比装有e p s 的车辆燃油消耗较h p s 降低 4 【3 4 1 。 与h p s 相比，增强了转向跟随性 在e p s 系统中，电动机与助力机构直接相连可以使其能量直接作用于车轮的转向。 和h p s 相比，旋转力矩产生于电动机，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。 改善了转向回正特性 由于转向机构存在摩擦，从而使转向轮在转向完毕后不能完全回正。在e p s 控制单 元中存储帮助车轮回到平衡位置的助力曲线，从而使得该系统与车辆动态性能相匹配。 在h p s 中，则要通过改善底盘机械结构或者主销倾角值来实现，有一定困难。 提高了操纵稳定性 有e p s 的车辆，给高速行驶( 速度大于一阈值) 的车辆一脉冲输入，由于阻尼助力 的存在，使得转向轮不能够激转而使车辆出现过多的侧倾，从而保障了车辆行驶的操纵 稳定性( 图1 1 ) 。 ft n9 1 1 啊l 图1 1 三种转向系统操纵力对比特性图 4 大摄纵力，丫小 长安大学硕士学位论文 提供可变的转向助力 电动助力转向系统的转向力来自于电动机，通过软件编程和硬件控制，可以得到覆 盖整个车速的可变转向力，对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用 很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。 采用了“绿色能源 适应现代汽车的要求，电动助力转向系统使用电力作为能源，完全取消了液压装置， 不存在液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，顺应了“绿色化的时代趋势。 结构简单且调试方便 与h p s 相比，e p s 取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等， 其零件比传统液压动力转向系减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装时也更加方便， 并且可以降低噪声。h p s 的参数一旦设定，转向系的性能也随之确定，很难改正，而 e p s 可以通过改变和设置不同的程序，改变转向特征。h p s 在低温下启动发动机之后， 由于低温下油的粘度较大，使转向作用力较高，e p s 在高低温下对于发动机的负荷是定 值，这样就可以更加方便的调整发动机的怠速。 开发商用车e p s 系统也有一些困难，主要体现在： 传感器的可靠性 传感器采集的信号是e c u 计算控制助力电机的依据，所以传感器应当有足够的可 靠性，最好要有备用传感器，在主传感器出现问题时，备用传感器应当提供转矩和转角 信号，保障输入到e c u 中a d 模块的信号准确无误。 蓄电池异常 由于助力电机依靠蓄电池提供能能量车载蓄电池的电压为1 2 v 或2 4 v ，为满足轻便 性要求，商用车需要助力在转向时电机提供足够大的功率( 最大功率可能超过4 0 0 w ) ， 这就意味着电机驱动功率管流过的电流值会很大，在使用一段时间后蓄电池会老化，降 低蓄电池的使用寿命。 电机驱动功率管的选择 由于低速转向时，需要电机有很大的电流流过，所以要选择可靠的大电流功率管来 驱动助力电机。如选择最大通过电流较小或者耐压范围不合理的功率管就会烧毁功率 s 第一章绪论 管，使电路破坏，导致系统无法正常工作。 1 3e p s 技术国内外研究现状 目前，e p s 正在快速发展。t r w 公司估计：到2 0 1 0 年，全世界乘用车的动力转向 系统中，e p s 将占1 3 ，现在产量正以1 3 0 1 5 0 万套年的速度增加，按此增长速度发展 下去，e p s 将很快完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展【2 t 3 】。 经过2 0 多年的发展，特别是现代电子技术的发展，e p s 技术己日趋完善，其应用 范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用车辆方向发展，如本阳的a c c o r d ，菲亚 特的p u n t o 等中型轿车。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。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 ni h 车上的e p s 系统是一个负载路面 车速感应型助力转向系统。d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属于全速范围助力型，转向 轻便性和操稳性更好。 相比之下，国内对e p s 的研究起步较晚。1 9 9 2 年清华大学进行了探索性的研究。 其后的几年，同济大学、吉林大学、北京理工大学和华中科技大学等高校相继开展了研 究。国内汽车厂商起步较晚，但开发速度很快，在轿车e p s 开发上已有显著成果。吉利 汽车已经开发出有自主知识产权的轿车e p s 系统，并在吉利豪情上使用。荆州恒隆也与 清华大学联合创建e p s 实验室投入研究。 相比乘用车辆e p s 研究的快速发展和商业化进程，商用车辆e p s 的发展比较缓慢。 北京理工大学机械与车辆工程学院的林逸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 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 的研究，已进入整车试验 阶段。 e p s 在国内外轿车商业化进程发展很快，理论研究上也逐渐深入。例如，张钟光指 出在定范围内选择不同的比例增益、积分增益和微分增益，可以使幅频特性和相频特 性发生变化，达到优化转向系统助力作用、控制助力稳态误差和提高响应灵敏度的目的 6 长安大学硕士学位论文 【4 1 。何仁等的研究表明，对于一个设计定型的电动助力转向系统，各机构部件的许多参 数很难改变，可以采用改变电子控制单元中助力增益的方法来使系统稳定工作，即在控 制器设计中采用较小的助力增益【5 】。t a k a y u k ik i f u k u 等针对e p s 在大型车辆上无法使用 的原因之一，即大型车辆上使用的大功率电机由于其本身大的惯量和摩擦，会使得驾驶 员的路感减少、车轮回正缓慢，提出了两种解决方法，即：减少电机的摩擦力矩和补偿 电机的惯量和摩擦的损失【引，这两种方法已在实验室得到验证。 1 4 问题的提出和研究的意义 随着电力电子技术、控制技术的发展和人们对车辆安全性、舒适性的更高要求，e p s 取代传统的动力转向系统h p s 已经成为必然。近几年来，国内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，但与国际先进水平依然存在很大的差距。对 于商用车辆e p s 国内还处于初步研究阶段，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”等方面与轿车有较大的不同，因此商用车辆 e p s 在理论特性上和系统配置、控制方法上不同于轿车，进行商用车辆e p s 的研究是非 常必要的。 我国汽车业已开始重视商用车辆的安全性，新出的国家标准已将a b s 作为商用车 辆的标准配置，这对e p s 的应用具有较大的推进作用，特别是我国商用车辆大都是自主 品牌，会给e p s 的应用带来了更加广阔的应用前景。 本课题针对商用车辆进行e p s 的研究开发工作，可以提高我国商用车辆的安全性、 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 5 论文的主要内容 论文的主要内容有： ( 1 ) 根据研究现状确定研究车型，计算转向阻力，结合商用车转向轴载荷变化大 的特点，确定助力策略和控制策略。 ( 2 ) 控制器的核心e c u 的选型、电路板电器元件的选择与辅助器件的选择和参数 确定。 7 第一章绪论 ( 3 ) 控制器硬件电路的设计开发。根据选择的e c u 、电器元件及辅助器件，做出 驱动电路、升压电路、电源模块、报警电路、部分故障检测电路、故障源显示电路、转 速反馈电路、绘制电路原理图，做出电路板。 ( 4 ) 系统软件设计开发。包括信号的采集与处理程序、升压电路程序、电机的助 力、阻尼和回正控制程序，实现助力程序的p i d 控制、初步完成自诊断程序。 ( 5 ) 将程序生成代码录入电路板，调试软硬件。 8 长安大学硕士学位论文 第二章商用车e p s 系统结构方案确定及电机选型 2 1 电动助力转向的结构方案及工作机理 2 1 1 电动助力转向的结构方案 e p s 系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元( e c u ) 、车速传感器和转矩传 感器、助力电动机、减速机构、转向器和转向柱总成等。总成的布置和助力电机的装配 位置如图2 1 和2 2 所示： 图2 1电动助力转向系布置图 传感器 图2 2 整体式循环球电动转向器布置图 9 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 电动助力转向系统是在机械系统中加装助力电机完成的，机械转向系由转向操纵机 构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 按照原有机械转向器的不同可将电动助力转向系分为齿轮齿条式、循环球齿条齿 扇式、循环球一曲柄指销式和蜗杆指销式【1 0 】。本论文的目标车型采用循环球齿条齿扇式 转向器。 2 1 2 电动助力转向机理 汽车处于起动或者行驶状态时，操纵方向盘转向，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和转向盘转角信号，并将此信号与车速信号同时输入电 子控制单元，控制单元的处理器对输入信号进行运算处理，根据助力特性确定助力转矩 的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经减速机构将转矩传递给转向器， 转向器将转矩传递给牵引前轮转向的直拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的功能； 当出现故障时，e p s 系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。车速超过一 定的临界值时电机停止工作，车速增大到一定值后，助力电机输出与转向力矩相反的转 矩以提高车辆的操控稳定性。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统很容 易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时 轻便灵活和高速行驶时的稳定性。 2 2 车辆转向的受力分析和助力电机选择 2 2 1 最大转向阻力矩的计算 目标车型为一轻型改装自卸车，涉及车辆操控性能的参数如下表2 1 所示： l o 长安大学硕士学位论文 表2 1 目标车型的主要参数 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 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 17 5 0 l6 5 0 m m 裁悬后悬 10 8 0 17 0 0 m m 接近角离去角、 2 9 。2 0 。 空载时质心到前轮距离 2 0 0 51 t i n l 满载时质心到后轮距离 2 4 4 1n l l t l 转向盘直径 4 2 0 m m 汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时，助力转向必须满足此时转向轻便性的 要求。原地转向阻力矩一为 。巧志悟m ， 仁1 ， 式( 2 1 ) 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 = o 7 5 m p a 轮胎气压( m p a ) 巧= 2 0 安全系数 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 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 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3 6 0 0 n ，对装有助力装 置的商用车辆此值设为2 0 0 o n ，有的规定作用在转向盘上的力矩不得超过3 0 n m 。在 下面的计算中，用3 0 n m 作为转向盘力矩输入的上限，最大转向盘力矩为： 乃一= f m d ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中 乃一最大转向盘力矩( n m ) f m 转向盘最大操舵力上限值( n ) d 转向盘直径( m ) 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乙一： 乙。：芸釜娑 ( 2 3 ) j = 一 i - 糯 g ，g 。r h r + r 一7 式( 2 3 ) 中 q = 2 0 转向器角传动比 g 。= 19 5 蜗轮蜗杆减速器传动比【1 2 】 7 7 1 = 8 0 一蜗轮蜗杆减速器效率 矿= 8 0 一循环球式转向器正效率【1 】 计算得到 互一= 1 0 8 5 ( n m ) ，乙一_ 2 3 9 ( n m ) 上式中，霉一表示电机经减速机构后，应满足的转矩要求。 2 2 2 助力电机选择 2 2 2 1类型选择 电动机的选择是转向系统中较为重要的，作为e p s 的动力源，电动机的功能是根据 电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩。电动机对e p s 的性能有很大影响，是e p s 的关键部件之一，所以e p s 对电动机有很高要求，主要是低速大转矩，转矩波动小，转 1 2 长安大学硕士学位论文 动惯量小，尺寸小，重量轻，可靠性高。 不同类型的e p s 电动机性能比较如表2 2 所示。 因为车载直流电源原因，助力电机一般选用直流电动机【1 8 】。 有刷直流电机技术成熟，过载能力大，在e p s 应用中的使用寿命和成本优势得到了 认可。对于本课题，载重汽车的电源系统为2 4 伏蓄电池，因此选用额定电压为2 4 伏的 有刷永磁直流电动机【1 9 】。 表2 2 交流与直流电机特性对比 可 平 维 机械 过载 噪电磁寿体效成 电机种类控稳修 特性能力 声 干扰命积 塞 本 性 性 性 交流异步电动较较 软小难小易长大低低 机 差大 有刷直流电动 较较较 硬大易 大严重难短高 机 好小高 2 2 2 2 电机功率的确定 电动机的确定应考虑如下要求及限n - 负载特性，电动机的起动、反转、调速的要 求；负载转矩、转速变化范围和起、制动频繁程度等要求；电动机的温升限制、过载能 力、起动转矩及起动电流的限制以及工作环境条件等诸多因素，应合理选择电动机的功 率、工作制、防护结构型式。电动助力转向系统的电动机工作条件复杂多变，输出功率 范围变化较大，工作周期长短变化较大，需要在各种条件下都能提供相应的实时助力。 选择时要考虑以下两点【2 1 】： ( 1 ) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车 现象，造成电动机长期过载， 使其绝缘体因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。 ( 2 ) 如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车现象，其输出机械功率不能 得到充分利用，功率因数和效率都不高，会造成电能浪费。 确定功率的大小必须考虑电机的工作制。电机的工作制主要分连续工作制s 1 ；断 续周期工作制s 3 、s 4 、s 5 ；短时工作制s 2 及其它非周期性工作制，共九种工作制。e p s 1 3 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 电机的工作过程可以分为启动、负载运行、制动、反转和停转等工况。按一系列类似的 工作周期运行，每一周期有一段负载运行时间和停机两段时间所组成。在每一周期内运 行时间较短，不足以使电机达到热稳定，且每一周期内的起动电流对温升无明显影响， 基本符合电机工作制分类中的断续周期工作制一s 3 工作制。 依据车辆原地转向所要求的最大助力矩计算结果，结合该车蓄电池配置以及确定的 助力电机类型，选择型号为q z d s 7 6 t 4 7 0 0 1 a 作为助力电机，主要性能参数如表2 3 所 示。 表2 3 电机性能参数 性能额定电压额定电流额定功率额定转矩 转速( r p m ) 效率 参数2 4 v4 0 a4 5 0 w3 o n m1 4 5 06 8 2 2 3e p s 系统建模 2 2 3 1e p s 系统受力分析 e p s 系统所受总力矩由驾驶员作用在方向盘上的操纵力和电动机的助力力矩组成， 其大小应该和整个转向系所受的阻力矩平衡。在转向时，驾驶员作用在方向盘的操纵力 加上e p s 系统的电动机助力，通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。 ( 1 ) 驾驶员的操纵力 在汽车曲线运行中，由驾驶员通过作用在方向盘上的切向力对汽车进行转向操纵。 一般都希望转向时操纵轻便，在高速仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。因此驾驶 员对汽车的操纵力分成两种情况：一、改变汽车行驶方向时驾驶员作用在方向盘上的切 向力；二、保持行驶方向不变( 包括直线运动和固定某个方向的运动) 时驾驶员保持方向 盘不变的力。这种在车轮转向角位置保持不变行驶时，驾驶员作用在方向盘上的力称为 方向盘把持力。 ( 2 ) 汽车的转向阻力矩 e p s 的转向阻力矩大体上可分为“绕主销的阻力矩 和“转向系的阻力矩 两大部 分组成。这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎侧偏角、方向盘转 动角速度和车辆侧偏角变换而变化。绕主销阻力矩大部分由路面和轮胎间的转矩形成 1 4 长安大学硕士学位论文 的，它受到路面状况、轮胎特性、车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏离角 的变换而变换。通常“绕主销阻力矩”按汽车不同的形成方式分成“原地转向阻力矩 和“行车转向阻力矩”两种。原地转向阻力矩是指对静止不动的汽车进行转向时，首先 是轮胎发生扭转弹性变形，继之以路面和路面之间发生滑移，称这一情况所产生的转向 阻力矩为原地转向阻力矩；行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向时产生的阻力 矩。行车转向比原地转向车速增高了，接地面积滚动成分增加，转向阻力矩也突然减小。 不过，车辆如以更高车速转向行驶，将由于轮胎发生侧偏现象，加上转向轮主销倾角和 底盘结构的影响，会形成自动回正力矩，促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致。高速 行车时，由轮胎侧偏角所引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。转向系阻力 主要是指转向系的各部分之间的干摩擦阻力矩、转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等的弹 性变化所引起的回复力产生。 ( 3 ) 电机的助力矩 电动机助力矩是由电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的助力矩。它 的大小由e c u 根据转矩信号和车速信号依助力特性得到。 2 2 3 2e p s 系统建模 电动助力转向系统转向电机采用直流电动机，电流控制。转向系统模型如图2 3 所 示f 9 1 。 图2 3 转向系统动力学模型图图2 4 直流电机等效模型 e p s 主要由转向盘和转向轴、电动机、减速机构和循环球一扇齿机构四个主要部分 构成。下面分别对这四个部分建立数学模型。 1 5 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 ( 1 ) 、转向系统动力学模型 对转向螺杆进行受力分析，可得到动力学方程： 9 。= g 8 ( m 擎+ 色警 乙州幺一”z = 以争+ 展鲁 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) j h 和j c 分别表示方向盘的转动惯量、前轮及转向机构向输出轴等效后的转动惯量； 皖、吃、皖分别表示方向盘转角、电动机的转角和前轮等效到输出轴的转角；t h 、t f 和t 。分别表示方向盘上施加的转矩、等效到输出轴的转向阻力和电动机作用到输出轴 的助力转矩；方向盘阻尼系数、前轮与转向机构等效到输出轴的阻尼系数分别为b h 、 b c ；g 为从电动机到输出轴的传动比；k 表示转矩传感器刚度。 ( 2 ) 、助力电机模型【1 3 】 直流电动机的等效结构如图2 4 所示。电动机端电压掰，电流，电枢电阻r ，电 感l ，反电动势系数e 之间的关系如下式 甜= r 乞+ 哮+ gd 甜a m ( 2 7 ) 电动机运行的动力学方程为 l 一互= 厶争+ 吃鲁 ( 2 8 ) 上式中，b m 表示电动机阻尼系数；j m 表示电动机的转动惯量。 对直流电动机而言，电磁转矩乙与电枢电流之具有以下关系 乙= q 屯 ( 2 9 ) 上式中，c ： 表示电动机电磁转矩系数。 ( 3 ) 、轮胎模型 长安大学硕士学位论文 在小转角条件下，轮胎特性可认为是线性的，故等效作用到输出轴的阻力矩可认为 是与转向角成比例的1 4 - 1 6 1 ，即 i = 红色 ( 2 1 0 ) 在电压控制中电动机电枢端电压是转矩传感器测试值和车速的函数。在车速一定的 条件下，电压u 与转矩传感器测试值成正比，即 ”= k o k ( t ) w ( t ) k , ( 9 h 一幺) ( 2 1 1 ) 式中，艺为助力增益常量，七( ，) 为控制器助力特性函数，w ( t ) 为转矩传感器把力矩 信号转变为电流信号函数，t 为转矩传感器刚度常量。 把( 2 1 0 ) 式代入( 2 7 ) 式，把( 2 4 ) 式代入( 2 7 ) 式，把( 2 - 4 ) 、( 2 9 ) 式代 入( 2 8 ) 式，结合( 2 1 1 ) 式组成微分方程组： 对上述微分方程进行零初始条件下拉氏变换，得到以下的方程组： ( 2 1 2 ) ，一甜( s ) = 吃尼( s ) w ( s ) 恕( 包( s ) 一见( s ) ) i “( s ) = ( 尺+ s l ) i ( j ) + j g e 皖( s ) 弋q 乞( s ) 一乏= ( s 2 g j m + s g b m ) o h ( s ) ( 2 1 3 ) l 艺+ t ( 包( j ) 一眈0 ) ) 一恕包0 ) = 0 2 以+ 啦) 见( s ) 确定以方向盘转角皖为输入，前轮等效到输出轴的转角包为输出，根据拉氏变换图， 得到整个转向系统的动态结构图如图2 5 所示。则电动助力转向系统模型g ( s ) 为： 1 7 丝巩 c 8 鲁等 以百呱 吐 o c 秒 夕，”珊矿 加一以“ 盟以 “ w = 一 、， = ，蹬d 一州 啪聪 。 姒 = i i 以 斗 舭 舭 q 兄 霉 去 一 面 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 2 。3e p s 的助力策略 2 3 1 商用车转向阻力 图2 5 电动助力转向动态结构图 区别于乘用车，商用车的一个明显的特点是轴荷变化范围。轴荷的大范围变化所引 起的输出转矩应当通过设置合理的助力曲线来完成。依据公式( 2 1 ) ，用m a t l a b 计算各 种轴荷下的转向力矩需求值。如图2 。6 所示。当车辆轴荷增加，则会出现以下工况：轴 荷增加一转向力矩增加一驾驶员作用在转向盘上的力矩增加一偏离平衡位置的转 矩信号增加一e c u 对此信号处理后输出的控制转向电流的数据增加一执行机构输出功 率增加，协助驾驶员i l i o n 完成转向，可见，合理的设置助力曲线可以避免由轴荷的变化 大而引起的助力效果不明显问题。与乘用车相比，商用车助力曲线的斜率要增大，用来 平衡因轴荷增加而增加的阻力矩。 2 湖 前轴载荷一转向阻力矩关系阻力矩一转向盘力矩关系 ， 以 1 z 图2 6 转向轴轴荷与阻力距阻力矩关系图 2 - 3 2 助力策略的确定 驾驶员转动转向盘时，希望作用在转向盘上的力在一个适当的范围内，既不能太大， 1 8 k 宜大学硕学位论文 也不能太小。根据人的感觉灵敏度，对转向盘输入转矩小于某一特定值t d o 时，不应该 进行助力，否则驾驶员就会失去路感；另外，转向盘转矩在( 0 t d o ) 区间e p s 不提供 助力，也有利于提高经济性。助力电动机在最大输入电流时达到晟大输出转矩。此时转 向盘输入转矩t d 咄应有合理的值。t d 应满足国标q c t r4 8 0 1 9 9 9 汽车操纵稳定性指 标规定，还应与e p s 系统及整车进行合理的匹配。本课题助力特性如图2 4 所示。该图 以车速v 和转矩t 为自变量，以电机输出电流为因变量，从图中可以看出，8 0 k n v h 为 车辆的助力阈值，即当车速超过8 0 k m h 时，e p s 电机不再对转向机构助力。 。口 8 0 7 0 i6 口 香m 4 q 2 口 10 图2 4 三维助力特性曲线 囤2 4 以转矩和车速为输入，以助力电流为输出，经设定论域，制定模糊规则后利 用m a c l a b 计算得出的。将各速度段和各转矩段离散化后，即可得到对应于个速度段和 转矩段的助力值。离散化后，具体数值见第四章。 2 33 回正和阻尼控制策略确定 当转向盘回到中间位置，而车轮仍未回到平衡位置时，需要助力电机对转向机构作 用将车轮回正，使车轮位置与转向盘位置趋于一致；当车速高于一阈值( 8 0 k m h ) ，车 辆可能会因为转向盘的抖动或微小输入而发生抖动，使车辆的操纵性能变差，这时，需 要助力电机对转向机构施加一与转向盘力矩相反的力矩，用来防止因为误操作或转向过 第二章商用车e p s 系统构成、工作原理和助力策略确定 激而引起的操稳性变差的现象发生，同时，由于提供了转向阻尼，使高速行驶时的转向 力较未提供转向阻尼时大，这样不会使驾驶员感觉车辆高速行驶时感觉车辆有“发飘 的感觉，从而减小了驾驶员由于转向过于灵敏而引起的紧张。 行驶助力、回正助力和转向阻尼的判断依据是转矩、转角信号和车速。由于这些信 号地获取本身存在着一定误差，所以在决定提供这3 种特性的助力时，需要对这些信号 的阈值做出合理的设置，具体见第四章。 2 4 本章小结 ( 1 ) 分析了e p s 的组成、结构方案确定和工作原理； ( 2 ) 计算了车辆转向的最大阻力矩，确定了助力电机的参数，并进行了助力电机 的选型； ( 3 ) 对e p s 系统进行了理论分析，建立了e p s 系统的传递函数模型； ( 4 ) 计算了商用车因转向轴载荷变化而引起的最大阻力矩的变化规律； ( 5 ) 确定了转向助力的助力策略，同时还明确了e p s 系统需要提供的另外两种功 能，即转向阻尼和回正助力。 长安大学硕士学位论文 第三章商用车e p s 硬件设计 3 1 系统整体方案设计 电动助力转向系统要实现的主要功能是采集来自转矩传感器和车速传感器的信 号，经控制器运算、判断后，控制伺服电动机为驾驶人员的转向提供辅助力。另外， 考虑到其应用对象的特殊性，其安全性要求的绝对地位，系统还需要提供许多应急处 理方案。 综合考虑电动助力转向系统的功能要求和一些特殊要求，电动助力转向系统的硬 件设计主要包括以下一些主要模块。分别是：电动助力转向系统控制器选型与引脚定 义、控制单元接口电路、电动机驱动及其保护电路、传感器信号处理电路、故障诊断 与故障显示电路以及电源系统电路的设计等。e p s 系统整体工作流程如图3 1 所示： 图3 1 系统整体框图 系统硬件控制框图如图3 2 所示，系统供电为车载蓄电池直流电源，控制核心为 e c u 。当汽车点火开关闭合时，e c u 上电后对e p s 系统进行自检，自检通过后，e p s 系统便开始工作。驾驶员操纵方向盘转向，转矩传感器检测到方向盘的转矩和转动方 向，车速传感器检测到车速信号，这些信号经过输入接口电路处理后送至e c u 相应端 口，单片机根据方向盘转矩、转动方向和车速等数据，并依据系统助力特性，确定助 力电流的大小和方向，产生相应的p w m 信号并通过驱动电路驱动直流电动机进行转 2 l 商用车e p s 硬件设计 向。如e p s 系统工作出现异常，单片机将驱动e p s 灯发亮进行报警提示，同时退出电 动助力工作模式，转为人工手动转向模式。 图3 2 系统硬件控制原理框图 根据e p s 系统的工作流程及系统的硬件控制原理框图，系统的硬件设计应该包括 以下几个部分： ( 1 ) 元器件的选择。包括传感器、e c u 、功率管、升压及降压电路所用芯片、反馈 信号所用器件、车速信号获取所用器件、报警所用器件和故障代码显示器件、方便调 试所用的转矩值显示器件以及用于保护、限流、抗干扰所用的电阻、电容和电感型号 的选择。 ( 2 ) 电源变换电路。包括两方面内容：一，把e p s 外部蓄电池+ 2 4 v 电压变换成e c u 所需的工作电压类型，即5 v 电压；二，将功率管的驱动电压升至+ 3 4 v ，以保证功率 管能够饱和导通。 ( 3 ) 电机转速检测电路和车速信号获取电路。通过检测电机转速，可以形成闭环控 制，另外也可以防止电机不转动而导致的电机烧坏故障的发生；车速信号则是e p s 助 力转向的判断依据。 ( 4 ) 驱动电路和逻辑电路。驱动电路是电机提供正、反转和调速的硬件基础；逻辑 电路配合驱动电路，完成电机的助力、回正和阻尼功能。 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 故障检测电路。对e p s 各功能部件进行故障检测，及时显示故障产生原因，保 证系统快捷、高效工作。 3 2 传感器选择、车速信号的获取方法及转速反馈元件选择、e c u 选择 3 2 1 转矩和位置传感器选择 转矩传感器的作用：探测驾驶员转向操作时方向盘产生的转矩或转角的大小和方 向，并将此信息转换为电信号传送到电子控制单元( e c u ) ，然后根据这个信号连同车 速等信号产生相应的助力，协助驾驶员转向。 国外e p s 传感器的研究呈现出两个发展趋势：一是从提供单一转矩信号向提供复 合信号方向发展，二是从接触式向非接触式方向发展。国内对于e p s 传感器也进行了 一定的研究，但多数还很难满足配套产品的要求。现在可以选用的传感器类型主要有 两种，一是日本n s k 转矩传感器，在昌河北斗星中有应用；二是美国b i 公司为d e l p h i 公司配套的转矩、位置复合传感器。 n s k 传感器属于接触式电位计传感器，工作相对可靠。对装配精度有较高要求， 它的另一个缺点是，n s k 传感器只能输出表示转矩的信号，而不能反映车轮的转向角 信号，这会使回正控制没有了信号依据。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，除了提供转矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回正和阻尼控制 的开发提供了便利。与n s k 传感器一样，它也是电位计式传感器，采用多个滑动变阻 器来控制其输出信号。b i 传感器除了提供转矩信号外，还能提供位置信号，对于更好 地进行回正和阻尼控制有很大帮助。b i 传感器的安装结构相对简单许多，因此其加工 工艺要求相对较低。制造成本较低，适合大批量使用。 图3 3 所示为b i 转矩传感器的机械机构安装简图，安装该传感器需的步骤是【2 0 】： ( 1 ) 在转向柱合适部位将其截开； ( 2 ) 在两段之间装上扭转刚度合适的扭杆； ( 3 ) 将测量转矩的部位装在转向柱上半部分； ( 4 ) 将测量转角信号的部位装在断开后的转向柱下半部分( 见图3 3 ) 。 商用车e p s 硬件设计 图3 3b i 传感器安装结构简图 木课题采用b i 传感器，传感器有5 路信号输出，分别是2 路转矩信号t 1 、t 2 ，3 路位置信号p 1 、p 2 、p 3 。信号p 1 和p 2 相位相差9 0 。，可以在3 6 0 。( 方向盘一周) 范围内确定方向盘位置。信号”对应v c c 5 0 开始，方向盘每转正负1 8 0 。( 方向盘 半周) v c c 变化1 0 ，能跟踪方向盘正负两周。将这3 个信号结含起来就能在方向盘 正负两周内唯一确定此时方向盘的位置。考虑到转向轮只是在轮胎小转角范围内会发 生回正不到位，p 3 信号虽然可以帮助e c u 准确识g 啭向盘转角位置，但是对于回正控 制来说，实际意义不大，在与e c u 的信号接口中，可以不用此信号。 幽3 4 为转矩输出信号特性，图中横坐标是传感器两端检测到的相对转角，纵坐标 为对应传感器输出电压( v c c ) 的百分比。它也采用了两路转矩信号，在信号处理上， e c u 的a d 模块根据输入的电压信号，将转矩1 ，2 信号和转角1 ，2 ，3 信号转变为 数字值。 t o r q u eo “9 ”3 ”“ | ：2 | | ； 。二二j _ _ 干卜才- _ 二 、y i + k 卜_ ，i 平寸一； 1 ：! i 图34 转矩输出信号 长安大学硕十学位论文 图3 5 所示是方向盘位置信号输出特性，图中横坐标是方向盘转角，纵坐标是对应 传感器输出电压( v e t ) 的百分比，由信号p l 、p 2 可以判断转向柱断开后下转向柱相 对于平衡位置的转角。 p o s i t i o no u t p u ts i g n a l s 一p 1 - - i b - - p 2 宴 9 0 八 邑8 0 l 7 0 ， l ， 咬 d 6 0 f、?、 i -jl- ll 5 0 一 弋，7 -弋- k7 7 l l弋- x7 i 4 0 3 0 、，、， ， 、 、? 2 0 巢牵 ) 一 ) ，_ 1 、 1 0 - v vl - 4 5 0- 3 ( $ 0- 2 7 0一1 8 0- 9 0 09 0 1 8 0 2 7 03 6 04 5 0 p o s l l l o n ( d e c a ) 3 2 2 车速信号的获取 图3 5b i 转矩传感器位置信号输出 车速信号是从车速里程表内引出的1 2 v 单极性脉冲信号。e c u 所能处理的信号高电 压在5 v 左右，所以车速信号的输入电路主要是完成电平匹配的设计，即将1 2 v 信号转 化为5 v 数字信号，一般可采用分压原理，也可以采用光电耦合，这里采用光电耦合方 法。如图3 6 所示。 + 5 3 2 3 助力电机转速信号的获取 图3 6 车速信号获取方法 用编码器来反馈电机的转速，并且为电机运转闭环控制计算提