汽车电子控制技术第八章-转向与悬架电子控制系统课件

1、第七章 汽车防滑电子控制系统目 录第一节 电控助力转向系统第二节 汽车电控悬架系统思考题一、转向系统概述第一节 电控助力转向系统 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵意图适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合，共同保持汽车继续稳定行驶。第八章 转向与悬架电子控制系统 1955年Buick汽车采用液压助力转向系统以来，助力转向遍布全世界，解决了转向轻便性和灵敏性的问题。从20世纪80年代以来，随着电机控制技术的飞速发展，人们在寻求可变助力转向，以满足对助力转向系统特性的苛刻要求。 助

2、力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液压力或者是电动机驱动力来实现车轮的转向。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 二、助力转向系统类型1、传统液压式助力转向系统 传统液压式助力转向系统（Hydraulic Powered Steering, HPS），它在传统的机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进油管路等液压动力装置来提供转向助力。 随着高速公路的不断延伸与轿车车速的不断提高，传统的液压式助力转向暴露出一个致命缺点，即如要保证汽车在停车和低速调头时转向轻便，那么当汽车在高速行驶就会感到有发“飘”的感觉；反之，若要保证汽车

3、在高速行驶时操纵有适度的手感，那么当其要停车或者低速调头时就会感到转向太重，两者不能兼顾。 无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，使整车的燃油经济性变差。2、电子控制式液压助力转向系统第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 电子控制式液压助力转向系统（Electronic Hydraulic Powered Steering, EHPS），如图8-2所示，主要由电子控制系统，转向齿轮箱、油泵、分流阀等组成。电子控制式液压助力转向系统是通过控制电磁阀，使系统的油压随着车辆行驶状态的变化而变化，在大转角或者低速行驶时，转向轻便；在中、高速时，能获得具有一定的手感的转向力

4、。1锁销；2小齿轮；3左腔；4右腔；5活塞；6动力缸；7横拉杆；8齿条；9小齿轮；10动力齿轮箱；11柱塞；12油压反力室；13电磁阀；14油泵；15储油罐；16分流阀；17阻尼孔；18旋转阀；19扭杆；20控制阀轴第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 3、电动助力转向系统 电动助力转向系统（Electronic Powered Steering, EPS）是利用电动机作为动力源，根据车速和转向参数等，由ECU完成助力控制。它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保。它符合现代汽车机电一体化的设计思想。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 第一节 电控助力转

5、向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 1、电子助力转向系统结构三、电动助力转向系统 EPS主要由转矩传感器、车速传感器、ECU电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条转向器等组成电磁离合器 转矩传感器第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 2、电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统的工作原理是：不转向时，助力电机不工作；而当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地检测出作用于转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号；同时，由车速传感器测出汽车车速。 ECU根据控制策略向电动机和离合器发出控制指令，即向其输出一个合适的电流，在离合器结合的同时使电动机转动产生一个转矩，

6、该转矩经与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增矩后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 3、助力转向系统分类（a）转向轴助力式 （b）齿轮助力式（c）齿条助力式 根据电动机布置位置的不同，电动助力转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。4、EPS系统的控制第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 EPS系统控制目标合适的助力 根据转向助力特性曲线，在不同的车速和方向盘手力的

7、情况下，提供合乎运行工况的助力力矩。在原地转向时提供较大的助力，在高速时减少助力或不助力。快的响应速度 控制系统应具备较高的相应速度，从软件到硬件的执行速度要快，并与驾驶员的动作向匹配，使得转向灵敏。有效抑制振动 低频振动直接影响驾驶员的手感，较大的振动易使得驾驶员失去对路面情况的把握，这些都应该加以消除。良好的路感 在车速较高时，助力应很小或提供一个阻尼力，使得车辆在行驶中转向系统总有一定的路感存在另驾驶员做到心中有数。良好的回正性能 由于转向系统固有的摩擦，使得转向回正时存在一定的残留角，车轮不能回到中间位置。应通过回正控制改善回正性能，使得车轮能够迅速回正。尽量用最少的系统零部件 零部件

8、的增多一方面增加成本，使得设计复杂，另一方面使得系统可靠性下降。（2）EPS系统控制策略第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 图88 电动转向系统控制策略框图 它由基本控制（包括：助力控制、回正控制和阻尼控制）和辅助补偿控制（摩擦补偿控制、阻尼补偿控制和惯性补偿控制）组成。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 助力控制 助力控制是指助力随汽车运动状态（转向盘手力和车速）变化而变化的规律，确定助力特性就是在一定车速下，确定电机助力矩与转向盘力矩的分配关系。（a）直线型助力转向特性（b）折线型助力转向特性（c）曲线型助力转向特性回正控制 汽车回正控制主要是在低速

9、行使工况下汽车转弯回正进行控制。ECU根据转向盘转矩传感器给出的信号和汽车车速信号，判定当前处在回正状态。不输出PWM波控制电机工作，对电机驱动电路实行断路，保持机械系统原有的回正特性。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 阻尼控制 阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向回正收敛性提出的，目的就是改善高速行驶时驾驶路感。汽车高速直线行驶时，如果转向过于灵敏、“轻便”，驾驶员就会有“发飘”的感觉，给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时稳定性，提出在死区范围内进行阻尼控制，适当加重转向盘阻力，使高速行驶时手感“稳重”。辅助补偿控制 为了提高EPS系统的动态性能，使驾驶员获

10、得良好的转向手感，一般都希望所采用的电机具有惯量小、阻尼小和摩擦小等特点，但由于技术的限制，电机的惯量、阻尼和摩擦不可能无限度地降低。为了减小电机和转向系统惯量、摩擦等对转向系统的影响，需要对EPS系统进行力矩补偿控制。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 摩擦补偿 由于电机及转向系统摩擦的存在，使转向盘在转向和回转时，转向盘上的力矩差别很大。电机惯量补偿 由于电机转动惯量的存在，使电机的输出力矩与电机的电磁力矩之间存在一定的差值，而且电机的惯量在整个EPS系统中占有很大的比重。电机惯量补偿力矩与转向盘转动加速度成正比，电机惯量补偿的目的是使转向盘力矩与转向盘转动加速度无关。

11、阻尼补偿 电机阻尼补偿控制用来克服电机的阻尼对EPS系统动态性能的影响。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 （3）电机控制策略 电动助力转向系统中电机的作用就是满足不同条件下转向助力的要求。要想电机达到不同条件下的助力矩要求，就应使电机的电流满足该条件下的需求。电动助力转向电流控制策略流程图三种基本控制模式下电机驱动电路状态第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 5、EPS系统故障自诊断和安全功能 电子控制电动助力转向系统具有故障自诊断和显示功能。当出现任何一种故障时，系统均可显示出故障代码。如果同时出现两个以上故障时，则依次显示其故障代码。 EPS系统的安

12、全功能可以确保转向系正常工作，即使转向系统的某些部件出现故障时也能连续安全工作。系统能迅速的检测出故障，以便采取相应的安全措施，即停止助力转矩的控制或限制助力转矩控制。停止助力转矩控制的功能是当系统的基本部件，如:转矩传感器、电流传感器、动力装置及其它连线等出现故障，可能导致严重后果时，离合器迅速断开，电源继电器释放，从而停止助力转矩控制。第一节 电控助力转向系统第八章 转向与悬架电子控制系统 6、EPS系统优点（1）EPS能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系的扰动，改善了汽车的转向特性。（2）EPS只在转向时电动机才提供助力，相比液压助力转向系统可节约燃油3-5，因而

13、燃油经济性有了很大的提高。（3）EPS取消了油泵、皮带、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统大大减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更方便，并且可以降低噪声。（4）HPS的参数一经确定，转向系统的性能也随之确定，很难改正。而EPS可以通过改变和设置不同的程序，改变转向特性，装配自动化程度更高，能与不同的车型匹配，缩短生产和开发时间，提高了效率。（5）由于EPS不存在渗漏问题，因而减少了对环境的污染。（6）HPS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，而EPS在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷，因而其低温运行状况好于HPS。第二

14、节 汽车电控悬架系统第八章 转向与悬架电子控制系统 一、汽车电控悬架系统概述 悬架是车架（或者承载式车身）与车桥（或者车轮）之间所有传力连接装置的总称。它的作用除了缓解和吸收来自车轮的振动之外，还把路面作用在车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力，以及这些反力所造成的力矩都传递到车架（或承载式车身）上，从而改变了汽车行驶的平顺性和操作稳定性，以保证车辆正常行驶。图 813 被动悬架 目前在汽车上普遍采用的仍多为被动悬架，如图8-13所示。被动悬架概念是在1934年由Olley提出的。悬架参数固定，不能随路况改变，只能针对某种特定工况，进行参数优设计；而且悬架元件仅对局

15、部的相对运动做出响应，限制了悬架参数的取值范围。 机械装置的基本规律指出：良好的行驶性能和良好的操纵性能在使用定刚度弹簧和定阻尼减振器的传统悬架系统中不能同时满足。第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统 由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，所以理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，这样既能满足行驶平顺性要求，又能满足操纵稳定性的要求。 现代汽车中采用的电子悬架控制系统，克服了传统的机械悬架系统对其性能改善的限制，该系统可根据不同的路面附着条件。不同的装载质量、不同的行驶车速等来控制悬架系统的刚度，调节减振器阻尼力的大小，甚至可

16、以调节汽车车身的高度，从而使汽车平顺性和稳定性在各种行驶条件下都能达到最佳的组合。 根据有无动力源，可以将电子控制悬架分为两大类：主动悬架和半主动悬架。图814 主动悬架图815 实时闭环控制的半主动悬架第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统一、汽车电控悬架工作原理1、主动悬架系统具备的功能（1）增强汽车行驶的行驶平顺性和乘坐的舒适性。（2）改进轮胎和路面的接触以及轮胎的动载荷。（3）改善汽车的操纵稳定性。（4）改进汽车的行驶安全性。（5）有助于解决在悬架设计中操纵稳定性要求和平顺舒适性要求之间的存在的矛盾。（6）有助于解决在悬架设计中重载和轻载要求之间存在的矛盾，尤其是对于

17、载荷变化较大的SUV和轻型货车，传统的悬架设计无法同时满足在不同载荷条件下稳定性和舒适性的要求。第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统2、主动空气悬架系统的基本原理图816 主动空气悬架的工作原理1空气控制电磁阀；2右前空气悬架；3左前空气悬架；4车身高度传感器；5左后空气悬架；6右后空气悬架；7干燥器；8空气压缩机；9排气电磁阀第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统3、主动式油气悬架系统基本原理1悬架ECU；2转向盘转角信号；3汽车加速度信号；4汽车制动信号5车速传感器信号；6车身高度传感器信号；7电磁阀；8辅助油气阀；9刚度调节器；10前油气悬架；11后

18、油气弹簧；12泄油道；a、b均为节流孔；817 主动式油气弹簧悬架系统工作原理第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统4、主动悬架电子控制系统的控制策略 主动悬架电子控制系统按照其控制功能的不同，可以分为车速路面感应控制、车身姿态控制和车身高度控制。（1）车速路面感应控制 这种控制方式主要是随着车速和路面的变化改变悬架的刚度和阻尼，使之处于“软”和“硬”状态。按照不同的控制模式，悬架由ECU控制在三种状态之间，根据车速和路面的变化情况自动地调节悬架刚度和阻尼，使车身振动保持在最佳状态。功 能工 况悬架的刚度和阻尼软模式硬模式低 中 高低 中 高高度感应前后车轮关联感应 ,车高在

19、0.3s内突然变化 坏路面感应 ，车高在0.5s内大幅度变化 ，车高在0.5s内多次大幅度变化第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统（2）车身姿态控制 在车速和转向急剧变化时，会造成车身姿态急剧变化，既破坏了汽车的乘坐的舒适性，又容易使汽车失去稳定性。因此，随着车速和转向的急剧的变化，应对车身姿态实施控制，实现三种控制功能：转向时车身侧倾控制，制动时车身的点头控制，起步时车身俯仰控制。其控制逻辑见表82所示。第八章 转向与悬架电子控制系统 第二节 汽车电控悬架系统（3）车身高度控制 车身高度控制分为正常和高两种控制模式，按照车身的高度从低到高的顺序，每种控制中又分为低、中和高三种状态。第八章 转向与悬架电