《EPS系统组成部分和结构原理探析》2200字

EPS系统组成部分和结构原理分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u28984EPS系统组成部分和结构原理分析综述 1255341.1EPS系统组成部分 1185681.2EPS系统结构原理 190921.3EPS系统模型建立 2315401.3.1EPS系统模型 2276891.3.2模型检验 51.1EPS系统组成部分该系统由力矩传感器、速度传感器、电子控制单元(ECU)、电机及电磁离合器等组成。它使用马达产生的能量来帮助驾驶员做转向助力。1.2EPS系统结构原理虽然每辆车的助力转向系统结构不同，但其基本原理是相同的。从图2-1可以看出，EPS系统主要由传感器（包括扭矩传感器、角度传感器、转速传感器等）、电子控制单元ECU、电机、传动装置等组成。1输出轴2减速器3扭杆4传感器5方向盘6输入轴7车速信号8电动机9控制电流10开关电流11离合器12小齿轮13齿条14拉杆15轮胎图2-1EPS系统组成图转矩传感器与转向轴(小齿轮)相连。扭矩传感器在转向轴转动时开始工作。在扭力杆作用下，输入和输出轴的相对转角位移转化为电子信号，发送给ECU。汽车速度传感器和转矩传感器的信号决定电机的转动方向和转向电流，从而实现对汽车转向的实时控制。方便实现电机在不同车速下的不同辅助作用，在低速转弯时能灵活转向车辆，在高速转弯时能稳定可靠地转向。本系统是基于传统的机械式转向系统开发的。汽车速度传感器检测到汽车速度信号，然后由控制器检测电压信号和汽车速度信号。马达执行指令控制来获得所需要的操纵辅助。EPS可方便地在全速范围内实现最优辅助控制，使汽车低速时转向灵活、轻便、高速时稳定可靠。在系统某一部件发生故障时，可将电磁离合器断开，使助力器与机械转向系统分离，并同时驱动故障指示器，保证行车安全。1.3EPS系统模型建立建模是研究和建立控制理论的基础，其质量取决于模型响应与实际系统响应的一致性。考虑到系统的复杂性，模型需要适当简化。尽管简化模型与实际系统有一定的差异或误差，但仍是大多数控制系统设计的基础。尽管研究系统的复杂性，对研究系统的理解以及数学描述方法的选择等因素会导致模型与实际系统之间出现错误，但是建立研究系统的数学模型可以帮助我们分析其内部机制以及各种投入和产出之间的关系，尤其是系统稳定性问题或构建合理，可靠的EPS系统模型是EPS系统动态性能分析与控制技术研究的基础和出发点。1.3.1EPS系统模型（1）EPS系统模型的简化根据EPS系统中助力电机安装位置的不同，EPS系统一般可分为转向管柱C-EPs(Column-type)、小齿轮P-EPS(Pinion-type)和齿条式C-EPs(Rack-type)。为了便于研究，采用转向管柱式C-EPS系统模型。通过对转向系统的分析，发现转向系统的组成中通常含有许多质量或惯量元件，并具有弹性和阻尼特性。在建模过程中，考虑了各个部分的特点，虽然能更全面地反映系统的特点，但会使模型变得复杂，甚至不能求解。合理简化模型，减少机械零件数，可以使主要因素更加突出。因此，建立了一个简化的机械转向系统模型。低频元件是EPS系统的基本传输特性，将EPS系统划分为转向盘、输出轴、电机、齿条、转向机构和车轮五个质量单元。请看图（a）（b）。上中轴与管柱通过带有弹性扭杆的转矩传感器连接，下中轴与电机齿条分别通过蜗轮和齿轮连接。按照传递路径和牛顿第二定律，列出系统的动力学方程和微分方程。系统输入为手力转矩Th、电机转矩Tm和地面阻力矩Tload，系统的输出为上管柱与中间轴连接处扭杆上的转矩传感器所采集的转矩信号Tse。本文的机械子系统中把电机部分考虑成系统的外部输入Tmo只考虑了电机的惯量以及阻尼，忽略其电气特性以及控制策略。(a)EPS系统模型简化图(b)EPS系统动力学建模简图（2）EPS系统大的动力学方程描述系统动态特性的微分方程如下:转向盘及上管柱动力学方程:（2-1）转矩传感器动力学方程:（2-2）转向管柱及中间轴动力学方程:（2-3）助力电机动力学方程:（2-4）齿轮齿条转向器动力学方程:（2-5）车轮及转向机构动力学方程:（2-6）表2-1为上述动力学方程中参数的定义，表2-2为上述动力学方程信号的定义。建模时，本文忽略助力电机的扭转刚度，把助力电机的转角和中间轴转角之间考虑成比例关系，即:（2-7）表2-1动力学方程参数定义符号含义数值单位Jh转向盘及上管柱的转动惯量0.0404Kg•m2Bh转向盘及上管柱的阻尼系数0072Nm•s•rad-1Kse管柱扭杆的扭转刚度183.3Nm•rad-1Jc中间轴的转动惯量1.385×10-4Kg•m2Bc中间轴的阻尼系数0.361Nm•s•rad-1Kc中间轴的扭转刚度2×104Nm•rad-1Jm电机的转动惯量1.1×10-4Kg•m2Bm电机的阻尼系数3.34×10-3Nm•s•rad-1rp小齿轮半径7.8mmMr齿条的质量4.644KgBr齿轮齿条的阻尼系数1.2×103N•s•m-1Kr齿轮齿条的刚度5×106Nm•m-1Jfw车轮及转向机构的转动惯量2Kg•m2Bfw车轮及转向机构的阻尼系数400Nm•s•rad-1Kz车轮转向刚度1.72×106Nm•rad-1G蜗轮蜗杆减速器的减速比20.5-A转向机构的传动比0.15-表2-2动力学方程参数定义符号含义单位Th转向盘操纵转矩NmTse转矩传感器转矩NmTm电机的助力力矩NmTa作用在转向管柱上的转向助力力矩NmTload地面作用到车辆的阻力矩NmΘh转向盘的转角radΘc中间轴的转角radΘm电机的转角radΘfw前轮的转角radXr齿条位移m1.3.2模型检验在建立EPS系统数学模型后，需要考虑其参数和模型本身是否与实际转向系统相匹配。利用时间域方法进行验证，其物理意义是模糊的，并且对具有谐振特性系统的特征参数难以评价，所以本文采用基于频率特性测试的系统频率响应分析方法来验证。1.3.1.1EPS系统频率特性测试过程EPS闭环控制系统如图2-2所示。在无转向盘操纵输入和汽车静止的条件下，使用CANape工具向电子控制器发送目标电机助力力矩