汽车EPS系统原理.docx

汽车EPS系统原理从上世纪50年代出现了汽车助力转向系统以来,经历了机械式、液压式、电控液压式等阶段,80年代人们开始研制电子控制式电动助力转向系统,简称EPS(ElectricPowerSteering)。EPS在机械式助力转向系统的基础上,用输入轴的扭矩信号和汽车行驶速度信号控制助力电机,使之产生相应大小和方向的助力,获得最佳的转向特性。EPS用仅在转向时才工作的助力电机替代了在汽车运行过程中持续消耗能量的液压助力装置,简化了结构,降低了能耗,动态地适应不同的车速条件下助力的特性,操作轻便,稳定性和安全性好,同时,不存在油液泄漏和液压软管不可回收等问题。可以说,EPS是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化设计。电动助力转向系统EPS是当前世界最发达的转向助力系统,20世纪80年代,日本铃木公司首次开发。因其具有独特的按需助力、随动跟踪、反映路感、节能高效、环保免维护、系统成本低等一系列优点,在中小排量汽车中即将以较大产品份额取代液压助力转向总成(HPS)。与传统的转向系统相比较,汽车电动助力转向系统(EPS)结构简单,灵活性好,能充分满足汽车转向性能的要求,在操作的舒适性、安全性和节能、环保等方面显示出显著的优越性。EPS的特点及工作原理(1)EPS系统的特点。随着电子技术的发展,电子技术在汽车上的应用越来越广泛。电动助力转向已成为汽车动力转向系统的发展方向。由于采用动力转向可以减少驾驶员手动转向力矩,改善汽车的转向轻便性,因此在商用车、中高级轿车和轻型车上得到广泛的应用。传统的动力转向系大多采用固定放大倍数的液压动力转向,缺点是不能实现汽车在各种车速下驾驶时的轻便性和路感。为了克服以上缺点,研制出电子控制液压动力转向系(EHPS),使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力。但EHPS系统结构更复杂、价格更昂贵,而且效率低、能耗大。EPS是一种机电一体化的新一代汽车智能转向助力系统。与液压动力转向系统(HPS)相比,有如下优点:1 效率高,HPS系统效率一般为60%70%,而EPS系统效率可达90%以上;2 能耗少,对于HPS系统,汽车燃油消耗率增加4%6%;而EPS系统汽车燃油消耗率仅增加0.5%左右;3 路感好,使汽车在各种速度下都能得到满意的转向助力;4 回正性好,EPS系统内部阻力小,可得到最佳的回正特性;5 对环境污染少,EPS对环境几乎没有污染;6 可以独立于发动机工作,EPS系统只要电源电力充足,即可产生助力;7 应用范围广,尤其对于环保型的纯电动汽车,EPS系统为其最佳选择。(2)EPS工作原理。EPS原理是控制模块根据扭矩传感器和汽车速度传出的信号,确定转向助力的大小和方向,并驱动电机辅助转向操作,如图1所示1。EPS系统由控制模块、转向柱管、电机成、扭矩传感器、汽车速度传感器(VSS)及抑噪器等部件组成。控制模块的基本控制原理为:转向时,扭矩通过输入轴传递到扭力杆,输入轴和输出轴之间的旋转方向角度出现偏差,这些角度变化转换为扭矩传感器电压变化,并传送到控制模块。1.转向盘 2.输入轴 3.扭力杆 4.控制模块 5.电机 6.离合器 7.输出轴 8.中间传动轴 9.下传动轴 10.转向齿条11.横拉杆 12.车轮 图1 EPS转向系统控制模块根据扭矩传感器检测到的扭矩信号和车速信号以及反馈电机电压和电流信号,判断汽车的转向状态,向驱动单元发出控制指令,给电机一定占空比的电压,使电机按方向盘转动的角度和方向产生相应大小的辅助力,通过蜗轮蜗杆传递给输出轴,协助驾驶员进行转向操纵。(3)P/S控制模块结构简介。P/S控制器按功能可分为微电脑、A/D转换器和I/O装置;按模块可分为微处理器、扭矩传感器信号处理模块、电源及电源控制模块、直流永磁电机PWM驱动模块、电磁离合器驱动模块、发动机转速信号处理模块、扭矩传感器信号处理模块、车速信号处理模块及EPS灯处理模块等组成。其主要功能是控制转向助力的大小和方向,此外,还有自我诊断功能和安全防护功能。如图2所示。当接通12V稳压电源,打开点火开关,此时EPS控制器电路板进入自检状态。当EPS灯亮3s后熄灭、电机工作1s后停止。则表示EPS控制器电路板自检已通过。否则,则表示EPS控制器电路板自检未通过。P/S控制模块根据输入的扭矩电压、车速信号及发动机信号,产生脉冲调宽信号(PWM),确定电机的输出扭矩。EPS关键技术1 控制模块控制原理控制电机电流信号的原理如图3所示,控制单元采用了闭环反馈调节,利用PID调节器,将电机的实际电流反馈回来与来自单片机的目标电流相比较,经过转换从而得到控制电机的斩波信号,该信号经过电机驱动电路可驱动电机进行转向助力。控制电枢电流采用了电流反馈,使得电机的目标电流和实际工作电流之间的误差减少到足够小,从而使系统能够很快达到稳定状态。2 EPS大负荷输出中存在的问题EPS如用于大排量的汽车,所用的电机功率必然加大,转动惯量和摩擦力矩随之增大,这不仅影响轮胎回正性,还会使转向时有粘滞感,助力跟随性差。解决这些问题的方法是在控制电路中加上惯量补偿和摩擦补偿。电机功率越大,在电压一定的情况下,电流增大,会导致电路温度过高,影响电子器件的正常工作。另外,电机功率越大,噪音增大,EPS的电机装在驾驶室内,会影响驾驶员的舒适性。(1)摩擦力矩。在永恒直流电机中,摩擦力矩的主要来源有2个:1电刷和轴承的机械摩擦; 2磁通损失大的电机需要电刷和换向器有较大的接触面,这样才能减少电阻,增加磁通密度,从而使电机输出功率增大,但也导致了摩擦力矩的增大。(2)电机的惯量补偿和摩擦补偿。实际需要的电机电流是助力电流、惯性补偿电流、阻尼补偿电流和摩擦补偿电流之和。电机电流用这些补偿电流来校正自己,从而提供较精确的实际需要电流。其助力电流的大小随车速的提高而减小。惯量补偿大大改善了转向时的响应性,可是导致的阻尼问题会影响转向的稳定性,在高速情况下最为明显。阻尼补偿、摩擦补偿、惯性补偿均与电机转速相关,在补偿中必须给定,但考虑到电机的转速与电机的感应电压有一定的比例关系,因此不需要额外的传感器即可检测到。3 电机总成特点EPS系统采用的电机为直流伺服电机,其主要特点有以下几个方面: 1调速范围广,易于平滑调节; 2过载、启动及制动转矩大; 3易于控制,可靠性高; 4调速时能量损耗小; 5加载时力矩平滑; 6噪音小。EPS的助力大小,取决于电机的大小、电流大小及减速机构的减速比。对于那些大排量的汽车,由于助力大,需大功率的电机,如果电机太大,转动惯量大,会导致助力跟随性差,因此,EPS的使用范围受电机功率的限制。在不同的车速、不同的输入转向力,其电机助力电流的大小是不一样的,在低车速时,助力电流大,高车速时,助力电流小,当车速达到某一数值时,则停止助力,如图4所示。所有车速范围的助力电流大小,靠预先设定的助力曲线来实现。4 输入输出扭矩特性EPS性能的好坏,通过在台架上测出各种车速下的输入输出扭矩特性曲线表现出来,如图5所示。根据汽车的转向特性,在不同的车速下,输入输出扭矩特性曲线是不一样的。车速越低,助力越大;反之,助力越小。输入力矩输出力矩特性通过以下几个指标衡量:(1)输入力矩与输出力矩的比例关系。输出力矩与输入力矩的比值越大,其助力效果越明显。在车身前轴质量大、车速较低的情况下,输出力矩与输入力矩的比值需要加大;反之,输出力矩与输入力矩的比值需要减小。输出力矩与输入力矩的比值通过预先设定的程序来控制。但是,最大输出力矩受电机功率的限制。(2)两侧不同输入力矩/最大输出力矩差异。图5中的|a-b|就是两侧不同输入力矩/最大输出力矩差值。该数值越小,说明其正向助力与反向助力的对称性好;数值越大,会导致正反向助力大小不一,使驾驶员在转向时感到一个方向手感重,另一方向手感轻,严重时导致方向老是往一边跑。(3)输入输出力矩曲线的波动。图5中的X值是输入输出力矩曲线的波动量,X值越小,助力越平稳,驾驶员的手感越好。影响测量曲线波动量的因素主要有以下几个方面:1滑块在输入输出轴上运动的灵活性。灵活性越好,X值越小;这与输入输出轴运动副光洁度有关;2控制程序在电流的反馈与各种补偿过程中,如果参数选择不当,使其控制信号波动太大,导致X值波动大;3扭矩传感器电阻膜分布的均匀性越好,X值波动越小;4蜗轮蜗杆传动的平稳性;5电机工作的稳定性。(4)滞后现象。图5中的Y值是输入输出特性曲线的滞后,Y值越小,转向系在回位时的跟随性越好。影响Y值大小的主要因素有以下3个方面:1与滑块在输入输出轴上运动的摩擦力大小有关,摩擦力越大,Y值越大;2与电机的机械摩擦、惯性矩等因素有关,机械摩擦、惯性矩越大,Y值越大;3与蜗轮蜗杆传动的摩擦力和齿型啮合参数有关。(5)曲线异常。图5中的c、d曲线属于助力异常,这种情况是绝对不允许出现的,这种异常情况与控制模块、扭矩传感器及扭力杆及电机故障有关。5 扭矩传感器本转向器的扭矩传感系统采用接触式电位器来感受电信号。扭矩传感系统由输入轴、输出轴、扭力杆、滑块、钢球及扭矩传感器组成,它获得方向盘操作力大小和方向的信号,并把它们转换为电压值,将它们传递到控制模块。该结构的优点在于扭力杆产生的微小的扭转角度,通过螺旋球槽、钢球和滑块后,将扭转角度位移转换并放大成滑块的轴向位移。与非接触式的光电传感器相比,结构简单,造价低廉。其缺点是对输出轴的螺旋球槽及滑块滚珠槽精度要求高,为了减小滑块的轴向间隙,其球槽采用螺旋滚动副,并且,其光洁度要求高,因此加工难度大。如采取普通的球轴承槽,会使滑块装配后其轴向间隙太大,导致扭矩传感器信号失真。另外,扭矩传感器结构采用主路辅路2路输出,只有2路电压之和在规定的范围内时,控制器才会工作。保证了信号采集的真实性和可靠性。电动助力转向系统(EPS)完全取消了液压部件，整个系统由机械转向系统加上扭矩传感器、车速传感器、电机传感器、 ECU、助力电机、离合器、减速器等组成。基本工作原理是:转向盘转动时，扭矩传感器将检测到转向盘上的扭矩信号和转向信号传给ECU，ECU同时接受车速信号，据此决定助力电机的基本助力电流，然后一般还生成电机惯性补偿电流和阻尼补偿电流总电流作为电机目标电流。通过ECU内部的电机驱动电路对电机进行扭矩控制。 根据电机布置位置不同，电动助力转向系统可分为:转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。 转向柱助力式EPS的电机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴进行助力转向。齿轮助力式EPS的电机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式EPS的电机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。-电动助力转向系统 ( EPS ) 是一种直接依靠电力提供辅助扭矩的动力转向系统, 它由电动机提供助力, 助力大小由电控单元( ECU) 控制。其基本原理是: 当转动方向盘时, 扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩并产生一个电信号, 与此同时, 车速传感器测出汽车的车速也产生一个电信号, ECU 根据这两个信号, 通过已知的助力特性曲线产生目标电流, 并对目标电流适当调整,输出给电动机一个合适的电流以产生相应的扭矩, 经减速机构施加在转向机构上, 得到一个与工况相适应的转向。电动机的目标电流是根据助力特性曲线来确定的。1 助力特性和助力特性曲线的概念助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况( 车速和转向盘手力) 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。对于电动助力转向, 助力与直流电动机电流成比例, 故可采用电动机电流与转向盘力矩、 车速的变化关系曲线来表示助力特性。不管采取什么样的助力特性一般都要满足特点:( 1) 车速很小或者车速很大时要灵活变动助力力矩大小,使驾驶员有良好路感。( 2) 助力曲线的过渡要尽量平滑, 避免过渡助力。( 3) 助力特性曲线的参数可以进行灵活调整, 以适应不同的路况, 不同驾驶员。( 4) 转向盘转动很小时,助力效果应该不明显,甚至不起作用。电动机助力随着车速和转向手力或转向角大小的变化而变化, 此变化趋势称为转向助力特性曲线。 它是决定转向轻便性, 转向路感和操纵稳定性的首要条件。 合理的转向助力特性曲线不仅可保持汽车低速行驶时转向轻便灵活, 而且可保持中高速行驶时的路感和操纵稳定性。在控制器设计前必须先确定转向助力特性曲线, 以便在此基础上对系统性能进行综合设计。2 转向助力特性曲线形状的类型理想的转向助力特性曲线应该既保证路感合适又保证系统的操纵稳定性, 能充分协调好路感与转向轻便性的关系, 并提供给驾驶员路感强度与手动转向尽可能一致的、 可控的转向特性。根据不同的车型, 助力特性曲线有很多种, 从根本上可以分为: 直线型助力特性、 折线型助力特性和曲线型助力特性。采用简单的直线型助力特性曲线无法同时满足转向轻便性和防止路面冲击的要求。折线型可以很好的解决路感和操纵稳定性之间的矛盾, 从图 2 可以看出该特性曲线可以分为直线行驶区 I、强路感区 II和轻便转向区 III。直线行驶区, 路感强度为最大值, 在轻便转向区最小, 这样的路感对于动力转向而言是比较理想的。但是液压动力转向很难实现上述理想助力特性。这是因为流体固有特性, 阀部件的制造误差以及部件间的间隙等, 使得特性曲线只能是连续变化的。与此相应, 路感强度也是连续变化的。在离开小转向角的中心区域后, 路感强度的变化是连续递减的, 而且变化很剧烈, 这不利于驾驶员做出准确的推测和判断。助力特性曲线有直线型和折线型分别, 如图 12 所示。电动助力转向 ( EPS ) 的助力特性由软件设置, 是电动助力转向的控制目标, 可以设计成任意曲线形状, 并可以方便地进行调节。2.1 助力特性设计助力特性是指助力随汽车运动状况（车速和转向盘手力）变化而变化的规律。对于电动助力转向系统，因为电动机的助力与其电枢电流成正比， 故可采用电动机的电枢电流与转向盘转矩和车速的变化关系曲线来表示助力特性， 其目的是获得基本助力电流。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， 则驾驶员就能容易地判定汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。EPS助力特性曲线如图5所示，为车速感应型，即在同一转向盘力矩输入下， 电动机的目标电流随车速的增加而降低，以较好地兼顾轻便性与路感的要求。针对EPS系统的特点，助力特性曲线满足以下要求：1) 当转向盘输入力矩小于某一特定值（通常设为 1Nm左右）时，助力力矩对EPS系统不起作用；2) 在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出应较小，以保持较好的路感；3) 在转向盘输入力矩较大的区域，为转向轻便，助力效果要明显；4) 在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力效果；5) 随着车速的增高，助力应减小；6) 符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。2.2 特殊工况补偿设计根据助力特性曲线所得到的基本目标电流是基于理想转向工况的，忽略了很多外界干扰因素，而实际中汽车行使的工况是十分复杂多变的，对转向性能的要求也各有不同，因此需要引入附加的补偿电流， 使车辆在某些特殊转向工况中均能达到理想的转向效果。文章设计了回正过程补偿、紧急避让过程补偿和满载大角度转弯补偿等三种补偿控制电流，并进行仿真分析。2.2.1 回正过程补偿当汽车以一定速度行驶时， 驾驶员转向后轮胎和路面之间将产生回正力矩。驾驶员松开转向盘后，随着作用在转向盘上的力的减小，转向盘将在回正力矩的作用下回正。汽车的回正能力在设计阶段就应进行考虑， 但是随着汽车某些因素的变化（如转向系统干摩擦变大） ，会降低汽车的回正能力。这时 EPS 系统应实时监测系统的状态，以保证汽车的回正性能。在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑。一是回正力矩过小，转向盘不能回到中间位置；二是回正力矩过大，引起转向盘位置超调。汽车在低速转向过程中，由于路面阻力矩较大，所以优先考虑的是转向轻便性。 同时由于轮胎回正力矩较小及转向系统固有摩擦阻力的作用，方向盘不能及时回到中间位置，存在残余角度。因此，在低速转向后的回正过程中有必要施加一个回正补偿电流， 通过补偿使方向盘转向后回到直行位置。随着车速的提高，路面阻力减小，而回正力矩随着车速的提高而增加，这就导致了在中高速情况下，方向盘在回正力矩的作用下有可能出现回正过度现象， 这对行驶安全是极不利的。因此需要增加一个补偿电流，防止出现方向盘超调现象，以提高安全性。2.2.2 紧急避让过程补偿在汽车高速行驶过程中，当前方突然出现障碍物，驾驶员的第一反应是踩刹车和急打方向盘。 在这种情况下极易发生操纵力过大，导致转向过度。同时，由于所设计的助力增益是随着车速的减小而增大的，由于车辆减速，因此助力扭矩增大，进一步加大了转向力矩。最终的结果就有可能是车辆转向过度导致车辆失控甚至甩尾及翻车。为了避免这种情况的发生，提高车辆的安全性，引入一种补偿电流，起到摩擦阻力的作用，防止转向过度。其工作原理是，控制器根据输入的车速信号、转矩信号、方向盘转角信号，实时估计车辆的行驶工况，当车速超过一定值(40 km/h),且方向盘转角的变化率超过一定值时，触发控制器，产生主动摩擦补偿电流。2.2.3 满载大角度转弯补偿在设计助力特性时，假设车辆自重均为空载。但在实际中，车辆的负载情况是对转向阻力影响最大的因素之一。如小型轿车的空载质量和满载质量相差近1.5倍，因此，在满载时容易出现转向沉重。当汽车在满载调头转弯时，转向角度及转向角速度很大，此时路面反馈到转向系统的阻力就会变得很大。为此，引入一个补偿电流，为了防止控制器辨别工况时与紧急避让发生冲突，其触发情况为方向盘转角及转矩均大于某一特定值， 且仅在车速低于40 km/h=时才触发。3 EPS控制策略3.1 EPS控制策略电动助力转向的核心问题是电动机助力如何随转向盘转矩和车速等输入的变化而变化。从车辆动力学与控制的角度,建立如图2所示的EPS系统控制原理。并以方向盘操纵力,车身侧向加速度,方向盘转角,以及三者之间的相互关系来衡量助力特性对轻便性以及路感的影响,同时还将横摆角速度、车身质心侧偏角、车身侧倾角作为操纵稳定性的评价指标,以便更全面地分析EPS对整车操纵稳定性的影响。3.2 助力特性型式EPS的助力特性具有多种曲线形式,图3为三种典型的EPS助力特性曲线。曲线分成三个区域,为无助力区,为助力变化区,为助力不变区。图3中,(a)为直线型助力特性,其特点是在助力变化区,助力与转向盘力矩成线性关系;(b)为典型折线型助力特性,其特点是在助力变化区,助力与转向盘力矩成分段线性关系;(c)为典型曲线型助力特性,其特点是在助力变化区,助力与转向盘力矩成非线性关系。助力特性对汽车的操纵稳定性和转向路感有很大的影响， 是 EPS 系统设计的关键之一。直线型助力特性曲线斜率单一， 难以协调轻便性与路感的矛盾; 折线型助力特性可有限地协调轻便性与路感的矛盾; 曲线型助力特性可通过改变曲线的线形实现连续可变的轻便性和路感。曲线型助力特性可以在转向轻便性和路感之间达到一个较理想的平衡点， 但是难以找到一种合适的曲线形式， 以满足比较理想的转向轻便性和路感要求。-汽车电动助力式转向系统(EPS)控制策略1 EPS系统结构及控制原理汽车电动助力式转向系统利用电动机产生的转矩,经过转向系统减速及传递机构转化后协助驾车者进行动力转向。不同车的EPS结构部件尽管不一样,但基本原理是一致的,其结构示意图如图1所示。在检测到有效汽车点火信号后,当转向轴转动时,转矩或转角传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU,ECU根据转矩、转角信号,汽车速度、轴重负载信号等进行分析和计算,得出助力电动机的转向和目标助力电流的大小,从而实现助力转向控制。在汽车点火后,EPS开始实时对各传感器信号进行分析计算,根据系统助力、阻尼及回正控制算法,实现在全速范围内的最佳助力控制:在低速行驶时,减轻转向力保证汽车转向“灵活、轻便”;在高速行驶时,适当增加阻尼控制,保证汽车转向盘操作“稳重、可靠”;在各种车速下,协助汽车转向盘轻便、自动回正,使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。EPS系统在分析助力同时,实时检测系统各组件工作情况,如助力电机、蓄电池电源电压、各传感器等,当检测到某一组件发生故障时,如蓄电池电源欠压、车速传感器无信号输出等,立即断开电磁离合器,使助力系统脱离机械转向系统,采用汽车本身的转向机构,并同时驱动故障信号指示灯,输出故障码,保障驾驶的安全性。因此,EPS可以在各种路况和车速下,给驾驶员提供一个安全、稳定、轻便、舒适的驾驶环境。不仅如此,EPS还具有安全可靠、节能环保等传统动力转向系统不具有的优点,正逐渐成为汽车动力转向系统理想的升级换代产品。2 系统控制策略2.1 控制内容EPS系统控制算法是系统控制性能的关键。根据助力控制内容的不同,系统控制算法分为助力控制、阻尼控制和回正控制。助力控制协助驾驶员转向,减轻转向力;阻尼控制在汽车高速行驶时适当增加转向阻力,实现高速驾驶时的“稳重手感”;回正控制协助汽车转向盘在转向后自动回正或在驾驶员操作下轻便的回正。在低速行驶时,控制内容以助力控制和回正控制为主,在高速行驶时,以阻尼控制为主。在不至引起歧义情况下,对系统控制内容简称为助力控制,如电动助力控制,电动助力式转向系统等。控制系统应具有较强的抗干扰能力,能适应汽车在各种路况下行驶,并实现实时最佳智能控制。其实时智能控制的核心内容,即是采集扭矩或转角传感器信号以及汽车行驶的速度信号,判断实时助力控制内容,依据相应助力控制算法确定助力电机电流的大小和方向,然后根据反映汽车负载的轴重信号对助力电流信号进行修正后输出,从而完成智能化的助力转向控制,其控制过程如图2所示。2.2 助力控制汽车在行驶过程中有以下几种转向情况:行驶时的高速、中等速度和低速转向,以及点火起动后的原地转向,其对应的转向力依次增加,高速行驶时的助力最小,原地转向时,助力最大;相应的动力转向系统的助力依次增加。助力特性反映助力电机助力大小随汽车的行驶状况变化的规律。对直流助力电机和汽车行驶的主要参数进行抽象,EPS的助力特性分为下面3类:直线型助力、折线型助力以及曲线型助力,如图3所示,图中I(A)为助力电机电流;Td0为开始助力时的转向盘输入转矩;Tdmax为转向盘输入的最大转矩。3类助力特性均可分为3种助力区:无助力区(0TTd0),当转向盘输入转矩小于T d0时,不提供助力;助力变化区(Td0T dmax),当转向盘输入转矩大于T d max时,在一定车速下,助力电流达到最大值并保持。直线型助力特性用函数表示为I(T d)=0 T dT d0K(v)T(T d-T d0)T d0T dmax式中:K(v)为不同速率下助力直线的斜率;T(T d-T d 0)为转向盘输入转矩T d的一次函数。直线型助力实现相对简单,当驾驶员对转向盘的作用力处于死区范围内时,即小于Td0时,系统不助力;当处于助力变化区时,系统实现线性助力,但在死区边界转向时,助力由无到有或由有到无,这给行车中的驾驶员以手感上的冲击,从而带来潜在的危险。折线型助力特性用函数表示为I(T d)=0 T dT d0K 1(v)T 1(T d-T d0)T d0T dT d1K 2(v)T 2(T d-T d1)T d1T dmax式中:K i(v)为在第i段折线内助力直线的斜率;T i(T d-T di-1)为转向盘输入转矩T d的一次函数(i=1,2)。折线型助力是在直线型的基础上经改进而成,将直线型的线性助力变化区改进为一段折线,实现在两段直线范围内的线性助力。在死区边界转向时,助力曲线的斜率有所减小,但助力转向仍存在手感上的冲击,而且转向盘输入转矩在T d1附近时,由于助力曲线斜率的变化引起另一处转向手感上的冲击。曲线型助力特性用函数表示为I(T d)=0 T dT d0F(v)T d T d0T dT dmax式中:F(v)为不同速度v对应的助力曲线,为变量v的多项式,一般在控制精度要求下取v的3次多项式F(v)=a0+a1v+a2v2+a3v3。曲线型助力综合了直线型和折线型助力的优点,实现连续、均匀助力。设计助力控制曲线时,可以对折线型助力或初拟定的曲线型助力进行试验,依据采集转向盘输入扭矩数据,参照EPS设计技术参数,如表1所列,调整修正助力控制输出,最后对助力控制曲线进行3次样条曲线拟合,优化助力曲线。 表1 EPS部分设计技术参数技术参数 数值转向盘最大作用力矩/(Nm) 7.5转向盘最大作用力/N 35转向盘平均作用力矩/(Nm) 3.8转向盘平均作用力/N 18202.3 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收敛性提出的。汽车高速直线行驶时,如果转向过于灵敏、“轻便”,驾驶员就会有通常说的“飘”的感觉,这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性,提出在死区范围内进行阻尼控制,适当加重转向盘的阻力,最终体现在高速行驶时手感的“稳重”。汽车高速行驶时,由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大,传到方向盘的力矩比低速行驶时要大,为了抑制这种横摆振动,必须采用阻尼控制;此外,转向盘转向后回到中间位置时,由于电动机的惯性存在,在不加其他控制情况下,助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大,转向回正时不容易收敛,此时,也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时,只需将电动机输出为制动状态,就可使电动机产生阻尼效果。2.4 回正控制回正控制是针对转向回正特性提出的控制策略。汽车方向盘回正力矩主要包括轮胎本身产生的回正力矩、转向机构主销定位产生的回正力矩和主销定位参数的轮荷回正力矩。汽车行驶转向时,由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在,转向盘具有自动回正作用,且随着车速的提高,轮胎与地面侧向附着系数减少,转向回正转矩增大。当汽车达到一定速度行驶时,汽车转向盘转向后将产生回正力矩,在理想情况下,转向盘将在自身回正力矩作用下回正。这种回正力矩的产生是在汽车设计时应考虑的,但由于汽车使用摩擦磨损等其它因素,如转向主销干摩擦和转向器干摩擦等,汽车自身回正力矩不能实现很好的回正,另外在汽车起动原地回正或者低速回正时,转向盘也难以在自身回正力矩下很好的回正,这时就需要ECU实时监测系统的状态,干预协助回正控制,保证汽车的回正性能。回正控制状态可能会出现不完全回正和回正超调两种情况,前者由于回正力矩不够,转向盘没有回正到中间位置,后者由于回正力矩过大,导致转向盘回归中间位置超调;通过ECU进行回正补偿助力可改善不完全回正,通过增加助力电机阻尼控制可改善回正超调。当转向盘回正到中间位置时,ECU使助力电机电流逐渐减小,对转向车轮产生回正阻尼,使汽车具有稳定的转向特性。回正控制需要考虑高速、低速以及原地转向回正3种情况。汽车点火起动后原地转向回正依靠其自有的回正作用,不能实现轻便的回正,需要回正助力控制;汽车在低速行驶时,其侧向加速度小,回正力矩也小,在高速行驶时,侧向加速度比较大,回正力矩也较大,均需要ECU实时监测协助控制。2.5 故障诊断控制电子控制单元ECU除控制实时助力外,还具备安全保护与故障诊断功能,EPS系统在分析助力同时,实时检测系统各组件工作情况,如助力电机、蓄电池电源电压、各传感器,当检测到某一组件发生故障时,如蓄电池电源欠压,车速传感器无信号输出等,实现如下操作:断开电磁离合器,使助力系统脱离机械转向系统,采用汽车本身的转向机构;通过显示部分输出显示故障代码;通过通讯端口输出故障代码,保障驾驶的安全性。3 系统控制流程系统控制内容除以上所述外,还有EPS与汽车车载信息系统的通讯,其实现的功能包括从车载信息系统获取汽车车速信号、ABS汽车制动信号等,以及共享输出EPS工作状态信号,如助力、阻尼、回正控制状态,EPS工作状态等。EPS嵌入式系统控制流程如图4所示。图4 EPS系统控制总流程-1、综述(electricpowersteering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统 HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。EPS系统是未来动力转向系统的一个发展趋势。图1 EPS结构图如图1所示，EPS主要由扭矩、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。2、电位计式扭矩传感器电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高，在早期应用比较多。2.1EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩，并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构，将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移，由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动，同时滑块通过一个销安装到输出轴上，可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对于输出轴转动时，滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量，垂直移动。当转动方向盘的时候，钮矩被传递到扭力杆，输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动，这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。2.扭杆式扭矩传感器的设计扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件，因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接，另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接，基本结构如图2所示。图2 圆柱截面扭杆结构图扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径d0=(1.151.25)d,长度L=（0.50.7）d，为了避免过大的应力集中，采用过度圆角时，半径R= （35）d，扭杆的有效长度为l，d为扭杆有效长度的直径。扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量，可以参照下面的公式计算。当其受到扭矩的时候，其扭转的切应力和变形