汽车电动助力转向系统的动态模型与助力特性

1、汽车电动助力转向系统的动态模型与助力特性在实现助力转向过程中，当转向盘转矩已知时，助力电动机提供多大转矩才 最合适，这是实现控制系统的核心，亦即准确求出助力特性。该助力特性反映了 转向盘转矩和助力电动机提供的助力力矩之间的关系， 在分析助力电机的助力特 性之前，我们先来建立电动助力转向的动态模型。1汽车电动助力转向系统的动态模型图1电动助力转向系统的动态模型下面进行EPS动力学模型的建立，为了建模和分析的方便，控制参数做如 下设定：转矩传感器当做扭力杆，其刚度 ks、转动惯量Js、旋转角度ds、阻尼 系数bs ；与齿条连接的小齿轮的半径rs;小齿轮带动齿条移动，齿条质量 m、 位移量x、阻尼系

2、数b ；方向盘输入力矩Td ;传动放大比是G ;转向阻力Ftr ； 转矩传感器测量值y ;传感器的量测噪声Vt ;助力转矩Ta ;负载转矩T ；助力 电机产生的电磁力矩Tm ；电机特性系数ka ；助力曲线特征值Kv，电机电流为I。 如图3.1是EPS系统动态模型，系统动力学方程建立如下：扭杆动力学方程：Jss二Td -ksLs -仝）-bss（ 1）rs齿条动力学方程：mxGs - 厂E-bx FTR（2）rsrsrs转矩传感器方程：y = ks（x ） Vt（3）rs助力电机转矩方程：J =kal（4）助力特性方程：I =Kvy（5）减速器转矩方程：Ta =GTm（ 6）负载转矩：Ta y（

3、 7）该系统中方向盘转矩Td为指令输入，输出量为助力转矩Ta，此外还要考虑 干扰因素。式（I）描述了扭杆的转矩关系，作用在扭杆上的转矩主要有方向盘输 入转矩、输出轴对扭杆的反作用转矩。式 描述了齿条的受力情况，施加在齿 条上的力是由方向盘手力、助力电机转转产生的作用力、路面扰动三方面所引起 的。由式（3）可知：转矩传感器测量的值与输入轴和输出轴转角之差成正比。兀为输入轴转角，x/rs为输出轴的转角。由式（7）可以看出：负载转矩由方向盘输入 转矩和助力电机经减速机构放大后的转矩组成。式 （4）是助力电机的特征方程， 助力电机的输出转矩与电枢电流成正比关系，由特性系数ka决定。在助力控制器设计中，

4、该参数是一个重要参数，它是根据助力曲线的要求来选取的。 该参数 确定后，助力电机也就确定了。式（5）中的Kv为助力曲线特征值，其大小是助力曲线的斜率。低速时，Kv比较大，助力转矩Ta较大，减轻驾驶员的劳动强度， 提高操纵轻便性。中高速时，由于路感较差，为了增强高速时的路感，Kv取值应较小，这样助力较小。2汽车电动助力转向系统的助力特性2.1助力特性的概念助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况（车速和方向盘力矩）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。 对电动助力转向，助力 与直流电机电流成比例，故可采

5、用电机电流与方向盘力矩、 车速的变化关系曲线 来表示助力特性。汽车在高速行驶时，应能把车轮与路面的接触状态以反力和位移形式，通过转向系传至方向盘，使驾驶员感到此种力和位移的反馈及其差别，这就是所谓的路感。汽车转向过程中的转向轻便性与路感是相互矛盾的。满足轻便就要求转向系统能提供大些的助力，而助力增加后，路感就变差了。如果路感很清晰，驾驶 员就会心中有数，有利于提高行驶安全性。理想的助力特性应能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，驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变 化，预测出

6、所需要的转向操纵力矩的大小。2.2助力特性的分析EPS的助力特性属于车速感应型，主要有全速型和低速型两种。 全速型是指 EPS在任何车速下都提供助力。低速型是指 EPS只在低速时才提供助力，当车 速超过某一预定值时，EPS停止工作。低速型在 EPS的初期阶段用得较多，其 优点是对系统的要求相对较低；缺点是不能改善汽车的高速操纵稳定性。全速型 的优点是能改善汽车的高速操纵稳定性，缺点是对系统的要求相对较高。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。 传统的液压动力转向中的助力特性主要由液压阀的结构决定，调整非常困难，并且设计完成后助力特性就确定了，不能随车速变化。而EP

7、S不同，其助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型任意形 状的特性曲线，并且可以方便地进行调节。配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽可能的不悖于驾驶员原有的驾驶习 惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。方向盘转矩Td与助力矩Ta之间的理想关系应具备以下特点：(1) 在方向盘转矩很小的区域内希望助力矩越小越好， 甚至不施加助力，以便保 持较好的路感和节约能源。(2) 在原地转向和低速行驶转向过程中， 转向阻力矩相当大。为使转向轻便，降 低驾驶员劳动强度，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果， 且助力矩增幅应较 大，从而保证较好的助力作用。(3) 原地转向时，助力矩增加

8、到一定值时应保持恒定，以免助力电动机因负荷过 大而出现故障。(4) 行驶转向时，助力矩增加到一定值时也应保持恒定，以便驾驶员可以明显感 到路面反力的增加，指导安全驾驶。随着车速的升高，转向驱动力矩很小时不助力的区域应增大。(6) 随着车速的升高，施加的转向助力应减小，以便驾驶员获得良好的路感，保 证行车安全。(7) 助力矩不能大于同工况下无助力时的转向驱动力矩，即助力矩应小于转向阻 力矩，否则将出现“打手”现象。(8) 各区段过渡要平滑，以避免操舵力出现跳跃感。将上述特点与原则量化，可得图2所示的助力特性曲线。图中描述的就是电 动机电流与转向盘施加转矩的关系。由于电动机输出转矩与电流间存在线性

9、关 系，因此该图能够反映出助力转矩随行驶工况的变化规律，可以把它作为研究电 动助力转向系统控制规律的参照。Td/Nm图2 一种理想的助力特性2.3助力特性的分类如图3(a)所示为直线型助力特性，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘力矩成线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示：f 0I = Kv 亿-Tdo)1 max0 - Td ： Td0Td 0 一 Td : Td maxTd -Td(8)式中，I为电动机的目标电流：I max为电动机的最大工作电流；Td为方向盘输入力矩：Kv为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小：Tdo为转向系统开始助力时的方向盘输入力矩：Td max为转向系统提供最大

10、助力时的方向盘输入力矩。如图3(b)所示为折线型助力特性，它的特点是在助力变化区，助力与方向 盘力矩成分段线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示：Kiv (T Td0)K2v (Td -Tdi) - Kiv (Tdi -Td0)J1 maxTd0 - Td : TdiTd1 - TdTd max(9)Td-Tdmax0 一Td ： Tdo0 _ Td ： Td0Td0 - TdTd maxTd -Td max(10)如图3(c)所示为曲线型助力特性，它的特点是在助力变化区，助力与方向 盘力矩成非线性关系。该助力特性曲线可用以下函数表示:0I 二 Kv f(Td)J I max比较上述三种助力

11、特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统的设 计，并且在实际中最容易调整。但是一旦确定，助力矩随方向盘力矩变化的趋势 便已确定，因而不能得到不同转向区间内不同的转向特性要求； 曲线型助力特性 复杂，调整不方便，但能根据所需要的转向特性要求调节曲线形状； 折线型助力特性则介于两者之间仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la re