电动助力转向系统

1、车辆系统动力学EPS系统概述及EPS系统模型的建立 电动助力转向系统(Electric Power Assisted Steering，EPAS或EPS) 内容简介 1、 动力转向系统的发展历程 2、 EPS系统的国内外研究状况及关键技术 3、 EPS系统的发展趋势 4、 EPS系统组成及模型的建立（重点） 1、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，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(Hydraulic Power Steering,HPS) HPS一般由液压泵、油管

2、、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件组成。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。1、动力转向系统的发展历程 图11常规液压转向系统1、动力转向系统的发展历程 (2)

3、电子控制式液压动力转向系统(Electronic Hydraulic Power Steering，EHPS) EHPS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ECU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ECU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，EHPS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

4、检测控制装置以及阀的结构要比lIPS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。1、动力转向系统的发展历程 图12电子控制式液压动力转向系统1、动力转向系统的发展历程 (3)电动助力转向系统(Electric Power Assisted Steering，EPAS或EPS) 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。 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

5、系统研究和开发的热点。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： (1)降低了燃油消耗；1、动力转向系统的发展历程 图13电动助力转向系统1、动力转向系统的发展历程 (2)增强了转向跟随性； (3)改善了转向回正特性； (4)提供可变的转向助力； (5)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； (7)系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越； (8)生

6、产线装配性好。 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。2、EPS系统的国内外研究状况及关键技术 2.1、EPS系统的国内外研究状况 2.2、EPS系统的关键技术 2.1、EPS系统的国内外研究状况 2.1、EPS系统的国内外研究状况 在国外，EPS系统首先是在小排量轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司

7、也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。 在此之后，电动助力转向系统得到迅猛发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、NSK和Koyo公司、美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司，德国的ZF公司、英国的Lucas公司都相继研制出各自的EPS。在世界汽车行业中，EPS的年增长量达到130万150万套。目前，国外中型以上的货车和中级以上的轿车上几乎都广泛采用这一技术装置。 2.1、EPS系统的国内外研究状况 EPS技术研究经过二十多年的发展，已经日趋完善，研究方法和研究手段不断进步，控制方法和控制策略更加完

8、善。 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EPS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PID的补偿和回正控制策略，对于模糊控制、H控制也有研究。 国内汽车厂商起步较晚，但开发速度很快，在轿车EPS系统开发上已有成果。2002年北斗星汽车在国内首次安装进口的EPS带动了电动助力转向系统的研究和开发，国内学者才开始研制开发汽车EPS产品，我国的EPS控制系统的研究与开发工作尚处在起步阶段，少数高校和研究机构从事该课题的研究，主要处于实验室研发阶段。 2.1、EPS系统的国内外研究状况 国内对于EPS系统的研究主要集中

9、于控制算法上，常见的有常规PID控制、基于PID的补偿和回正控制、基于PID的智能控制(即PID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、河南科技大学等高校也开展了EPS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。国内在对EPS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。 总体来说，国内近年来对EPS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

10、的差距。虽然目前国内已有一些具有自主知识产权的EPS产品出现，但是距离EPS系统的批量生产、装备还有很长的路要走。2.2、EPS系统的关键技术 2.2、EPS系统的关键技术 EPS系统研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术(包括助力控制，回正控制，阻尼控制)以及系统与整车性能等多方面的难题。 电动机驱动技术：系统中电机要求端电压低而功率相对较高所以电动机电流较大这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难，这是EPS开发的关键技术之一。 非接触传感器技术：系统中的转矩传感器要求结构简单，工作可靠、价格便宜、精度适中，目前国外EPS系统中的转矩传感器多为非接触式、电

11、磁感应式、光电式等，而接触式转矩传感器应用较少，国内非接触式传感器价格较高，不适合用于系统中必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。2.2、EPS系统的关键技术 转向控制技术：系统在原有的机械式，转向系统中增加了电机和减速器使转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响同时为了更好的路感必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力。 系统与整车性能相匹配：汽车是由各系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，汽车某个子系统改变时整车性能也产生了相应变化，因此必须对系统与其它子系统进行配合，使整车性能达到最优。3、EPS系统的发展趋势 E

12、PS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，其性能也得到用户的普遍认可。随着直流电动机性能的改进与提升，EPS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。EPS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。 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：3、EPS系统的发展趋势 (1)改进控制系统性能及降低

13、控制系统制造成本。 (2)将迸一步提高系统的可靠性。 (3)EPS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EPS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。4、EPS系统组成及模型的建立 41 EPS系统组成及其工作原理 42 EPS系统的

14、结构类型 43 EPS系统模型的建立 43.1 汽车动力学模型的简化 43.2 EPS系统物理模型的建立41、EPS系统组成及其工作原理 41 EPS系统组成及其工作原理 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(ECU)、车速传感器与转矩传感器、助力电动机、减速机构等。其工作原理如图4.1所示。41、EPS系统组成及其工作原理图4141、EPS系统组成及其工作原理 具体工作过程是： 汽车处于转向状

15、态时，驾驶员操纵方向盘转向，装在转向柱上的方向盘扭矩一转角传感器实时检测出作用于转向柱扭杆上的扭矩和方向盘位置，并将这些信号同车速信号一起送到电子控制单元。电子控制单元对这些输入信号进行运算处理，根据存储在内部ROM中的助力特性MAP图确定合适的助力扭矩。电动机经离合器及减速增扭机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起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或者出现故障时，EPS系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。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，高速行驶时稳定可靠。42、EPS系统的结构类型

16、42、EPS系统的结构类型 电动助力转向根据作用位置的不同主要有三种结构。这三种结构分别是对转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式。 1转向轴助力式：转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在靠近方向盘的下方，通过蜗轮蜗杆机构和转向轴链接。 2齿轮助力式：齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连接的位置，再通过驱动主动齿轮实现助力作用。 3齿条助力式：齿条助力式电动助力结构的动机和减速机构等布置在齿条处，并直接驱动齿条实现助力。42、EPS系统的结构类型 图42 三种EPS系统结构类型43 EPS系统模型的建立 43.1汽车动力学模型的简化 引入汽车动力学模型的目的是为了通过

17、模型中表征车辆运动特征的参量，来分析EPS不同控制策略对于车辆操纵稳定性影响。 为了研究的方便，把所要建立的汽车模型缩减为只有沿Y轴的侧向运动与绕Z轴的横摆运动这样两个自由度的简化模型，对汽车模型做如下假设： 忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略悬挂的作用，汽车仅作平行于地面的平面运动；认为汽车沿X轴的前进速度视为不变，汽车只有沿Y轴的侧向运动和绕z轴的横摆运动两个自由度；认为驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用；忽略左右车轮由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化。43.1汽车动力学模型的简化 这样经简化之后得到一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、

18、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型，如图43所示。图43二自由度车辆模型43.1汽车动力学模型的简化 根据图43，用二自由度汽车受到的外力沿Y轴法向方向的合力与绕质心的力矩平衡方程，推导出运动微分方程：(41)式(41)中43.1汽车动力学模型的简化 考虑到较小，式(41)可以改写为：(42) 侧偏力大小取决于侧偏角，与汽车运动参数有关。汽车前后轴重心速度为u1、u2，侧偏角为1、2，质心侧偏角为，设是u1与X轴夹角，其值为 。43.1汽车动力学模型的简化 根据坐标系规定，前后侧偏角为：(43)根据侧偏力与侧偏角的关系，式(42)可写为：(44)43.1汽车动力学模型的简化 式(44)中 将

19、式(42)代入式(44)，整理后得二自由度汽车运动微分方程： 式(45)的联立方程式包含了汽车质量、轮胎侧偏刚度和侧偏角等方面的重要参数，反映了汽车曲线运动最基本的特征。(45)43.2 EPS系统物理模型的建立43.2 EPS系统物理模型的建立 为分析问题方便，把前轮及转向机构向转向轴简化，转矩传感器可以近似看成是一个刚度为Ks的扭力杆。这样，将复杂的EPS系统实物简化为只包括转向盘和上端转向轴、助力电动机、下端转向轴三个电动助力转向系统的动力学模型，简化后的转向系统模型见图4.4。图44转向系统动的力学结构图43.2 EPS系统物理模型的建立 设转向盘和上转向轴的转动惯量、前轮及转向机构等

20、效到转向轴后的转动惯量、电动机的转动惯量分别为Jk、Jc、Jm，驾驶员对转向盘上施加的转矩、等效到下端转向轴的转向阻力矩、电动机的电磁转矩及电动机作用到转向轴的助力矩分别为Td、Tr、Tm、Ta，转向轴与支承之间的阻尼系数、转向机构与前轮等效到转向轴的阻尼系数、电动机转轴与支承之间的阻尼系数分别为Bk、Bc、Bm，转向盘的转角、前轮等效到转向轴的转角、电动机的转角分别为k、c、m，将转矩传感器简化为一扭力杆，其刚度为Ks，由电动机到转向轴的传动比(即蜗轮蜗杆减速比)为Gm。为降低问题的复杂性，这里不考虑电动机的扭转刚度。考虑到电动机与转向轴之间的速度匹配，有 (46)43.2 EPS系统物理模

21、型的建立 (1)转向系动力学方程 对转向盘和上端转向轴、下端转向轴分别进行动力学分析，可得到如下方程：(48)(47)43.2 EPS系统物理模型的建立 (2)轮胎模型 在小转角条件下(轮胎侧偏角小于5)，轮胎特性可认为是线性的，转向轴的转向阻力矩可认为是与转向角成比例的，即 (3)直流电动机模型 直流电动机的等效结构如图45所示，电动机端电压U与电感L、电枢电阻R、电动势系数Kb、电流I之间的关系如式(410)所示：(49)(410)43.2 EPS系统物理模型的建立 图45电动机等效电路图43.2 EPS系统物理模型的建立 电动机对转向轴提供的助力力矩死可由电动机运行的动力学方程式确定： 电动机产生的电磁转矩Tm与电流I成正比，即 式中，Ka为电动机转矩常数，电机转矩常数仅与电机结构有关。(411)(412)43.2 EPS系统物理模型的建立 联立式(46)、(48)、(49)、(411)、(412