电动助力转向硬件在环

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要本设计介绍了电动助力转向系统的分类，对系统的结构与工作原理进行了分析和研究，建立了系统的动态模型，以及不同控制策略下的频率响应特性的比较。在硬件方面，对系统中的转矩传感器、车速传感器，减速机构，电动机进行了分析和选择，在软件方面，利用 LabVIEW 软件对电动助力转向系统的 ECU 进行了图形化编程设计，以代替传统的单片机。结合硬件电路的设计，要求汽车在各种工况下转向助力平稳、可靠、及时的要求，提出了基于 PID 控制算法的控制思路，包括各主要控制环节的软件设计和系统的软件总体流程图。最后，本设计进行了电动助力转向系统的台架试验，试验结果表明，EPS 系统的硬件设计和控制方法是合适的，取得的结果是符合汽车行驶时的工况的。关键词：EPS；数据采集； ECU；PID 控制；LabVIEW哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）ABSTRACTThis design on the electric power steering system of classification, the system of structure and working mechanism for analysis and research and establish a system of dynamic model, and control strategies of different frequency response. the characteristics ofIn hardware, the system of the sensor and the speed sensor to, decelerate, motor was analysed and choose in software, the use of electric power steering labview software on system is a graphical programming ECU be designed to replace the traditional monolithic integrated circuits. integrated circuits design of hardware for the car in a variety of conditions to help a steady, reliable, up-to-date and the PID algorithm based on the control of the control logic, including the major controlling the process of soft.Finally, the design of the electric power steering system is a test, the experiment results show that the system of EPS hardware design and the control method is suitable, the result of the car is in line with the conditions.Keywords ：EPS; Data collection; ECU; PID Control; LabVIEW哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘要Abstract 第 1 章 绪论11.1 研究电动助力转向系统的目的和意义 11.2 助力转向系统发展进程的几个 典型阶段 11.3 电动助力转向系统的国内外发展现状 41.4 在今后 EPS 系统可能主要向以下几个方面发展 51.5 本设计研究的内容 6第 2 章 电动助力转向系统的结构原理及控制方法72.1EPS 的种类及其特点 72.2 电动助力转向系统的结构 72.3 汽车电动助力转向系统的工作原理 92.4 汽车电动助力转向系统的控制方法 102.5 电动助力转向系统动态模型的建立 112.6 电动助力转向系统特性分析 122.6.1 三种助力特性曲线 132.6.2 转向助力特性曲线设计方法与步骤 132.7 目标电流的确定 152.8 电动助力转向系统的控制策略 162.9 本章小结 20第 3 章 硬件的设计213.1EPS 系统的总体结构 213.2 传感器的选择 213.3 数据采集机构 223.4 电动机的选择 242.5 本章小结 26哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第 4 章 软件的设计274.1LabVIEW 的简介 274.2 电动助力转向的控制流程 304.3 LabVIEW 的图形化编程 314.4 本章小结 36第 5 章 硬件在环仿真实验375.1 转矩传感器静态特性实验 385.2 车速为零时轻便性实验 395.3 结论总结 405.4 本章小结 40结论41致谢42参考文献43附录 A 外文文献 44附录 B 外文文献的中文翻译 52哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1 第 1 章 绪 论1.1 研究电动助力转向系统的目的和意义转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。电动助力转向系统 EPS 可以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。这说明开发研究 EPS 系统十分必要。电动助力转向系统 EPS 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 HPS 相比，EPS 系统具有很多优点：仅在需要转向助力的时候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的电动机的输出转矩通过传动装置的作用对助力转向系统的扰动，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 1。汽车在行驶过程中，需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽车转向。对于最初的汽车而言，只是驾驶员通过转向盘输入转向动作，转向动作通过一套专门的机构使转向轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。而汽车转向力的大小，对汽车的低速操纵轻便性有很大的影响。随着科技水平的提高，轿车的普及，驾驶员对降低操纵力的呼声也越来越高。助力转向系统经历纯机械式、液压式、电控液压式、电动助力式以及处于研制阶段的线控式几个阶段。传统的动力转向系统一般采用液压助力，其结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制。因此汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。1.2 助力转向系统发展进程的几个典型阶段上个世纪 50 年代初，美国克莱斯勒汽车公司率先在轿车上应用了液压助力转向系统，标志着轿车应用助力转向助力技术的开始。随着汽车电子技术的迅速发展和人们对汽车操纵稳定性要求的进一步提高，先后出现了电控液压助力转向系统和电动助哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2 力转向系统 2。1.液压助力转向阶段液压助力转向系统（HPS）在上个世纪 30 年代开始在重型卡车、客车上装备，1951 年菜开始应用到轿车上，并获得好评。随后 HPS 在轿车上迅速普及，到目前为止超过 80%的轿车上装有 HPS。HPS 是在传统机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管路等液压动力装置来提供转向助力。开始 HPS 的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但灵敏度不高。20 世纪 50 年代出现转阀式 HPS，即控制阀中的阀芯用旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀门回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但其性能相对有很大的改进，而且在齿轮齿条转向器中布置比较容易。HPS 具有如下优点：(1)提高转向轻便性，减小驾驶员驾驶疲劳强度；(2)液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对方向盘的冲击；(3)如果在汽车高速行驶时发生爆胎，将导致汽车方向盘难以把握，应用 HPS 可以使驾驶员较容易的把握方向盘，提高行驶的安全性；(4)液压执行机构可以提供较大的助力，允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重的问题；(5)技术成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格比较便宜。同时 HPS 也有很多不足：(1)选定参数、设计完成之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此很难协调汽车转向轻便性和路感之间的矛盾(2)无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，浪费燃料，使整车的燃油经济性变差；(3)存在渗油问题，泄露的液压油会对环境造成污染；(4)对工作温度有一定要求，低温工作性能较差。2.电控助力转向阶段随着汽车电子技术的迅速发展和人们对汽车操纵稳定性要求的提高，为了克服液压动力转向系统的不足，人们将车速引入到转向系统中，得到了车速感应型助力特性的液压动力转向系统，这种系统被称为电控液压助力转向系统。电控液压助力转向系统的原理是采用车速传感器将车速信号传递给控制器，控制哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3 电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的手力可以根据车速和汽车行驶工况的变化而变化，由此可以做到在低速行驶和急转弯时助力显著增加，能以很小的手力操纵转向；而高速和小角度转弯时能以稍重的手力操纵转向，获得较强的路感以提高汽车的操纵性能，这样使汽车的操纵性和稳定性达到最佳的平衡状态。电控液压助力转向的优点：(1)该系统是在原有的液压助力转向系统的基础上发展而来的，原有的系统都可利用，不需要更改布置方案；(2)低速急转弯时的转向效果不变，高速是可自动根据车速逐渐减小助力，增强路感，提高车辆的操纵稳定性；(3)采用电动机驱动油泵，节约能源；(4)由失效保护系统，电子元件一旦失灵则还可以利用原液压系统安全工作，保证了系统的可靠性。电控液压助力转向的缺点：即使如此，液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点，如存在压力油渗漏；零件增加后管路设计复杂，不便于安装维修及检测；同时在原有系统当增加了电子系统，增加了成本。3.电动助力转向系统电动助力转向系统（EPS）完全抛弃液压助力转向系统的助力执行机构，它是在原机械式转向系统的基础上增加了扭矩传感器，助力电机和电控单元等装置所构成的一套新的系统。它与液压助力转向系统的根本不同之处在于它的驱动部件是一个电机。电动助力转向系统与液压助力转向系统相比，有以下几个优点：(1)液压助力转向系统为机械和液压连接，效率低，而电动助力转向系统为机械与电机连接，效率较高；(2)方向盘的转向特性、转向手感和汽车的稳定特性，可以通过软件来进行调节和优化，所以其功能显然优于传统优于助力系统(3)在低速时，助力系统提供较大的助力，助力大小随车速的增加而逐渐减小，而传统的液压系统在高速时往往会趋于产生过度的助力；(4)能耗少，电动助力转向系统仅在需要转向时才启动电机产生助力，使汽车油耗得到降低；(5)装配型号，一体式模块系统，便于安装厂装配，减低装配成本。EPS 的零部件数目少，电动机，传感器和电子控制单元进可以组合在一起，一次整体外形尺寸减哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4 小了；(6)路感好，由于 EPS 内部采用刚性连接，系统的滞后特性可通过软件来控制，而且可以根据驾驶员的操作习惯进行调节；(7)对环境污染小。液压助力转向系统的液压回路中由液压软管和街头，往往存在油液泄露问题，而且油液软管是不可以回收的，对环境有一定的污染，而电动助力转向系统对环境几乎没有污染；(8)可独立于发动机工作。即使发动机熄火，电动助力转向系统还能照常工作，因此很适用于简历啊的电动汽车和混合动力车。1.3 电动助力转向系统的国内外发展现状在国外，各大汽车公司对汽车助力转向系统EPS的研究有 20 多年历史，随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS 越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域。自 1953 年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统 HPS给汽车到来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统EHPS。1988 年 2 月日本铃木公司首先在其 Cervo 车上装备了 EPSTM，随后又应用在 Alto 汽车上，1993 年本田汽车公司在爱克 NSX 跑车上装备 EPS 并取得了良好的市场效果；1999 年奔驰和西门子公司开始投巨资开发 EPS。上世纪九十年代初期，日本铃木，本田，三菱，美国 Delph汽车公司，德国 ZF 等公司相继推出了自己的 EPS,TRW 公司继推出 EHPS 厚也迅速推出了技术上比较成熟的带传动 EPS 和转向柱助力式 EPSTM，并装配在 Ford Fiesta和 Mazda323F 等车上，此后 EPS 技术得到了飞速的发展。经过 20 几年的发展，EPS 技术日趋完善。其应用 范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车 方向发展，如本田的 Accord 和菲亚特的 Punto 等中型 轿车已经安装 EPS，本田甚至还在其 Acura NSX 赛车上 装 EPS_4J。EPS 的助力型式也从低速范围助力型向 全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一 步加强。日本早期的 EPS 仅仅在低速和停车时提供助 力，高速时 EPS 将停止工作。新一代的EPS 则不仅在 低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在 Wagon R+车上的 EPS 是一个负载 路面一车速感应型助力转向系统_2J 。由 Delphi 为 Punto 车开发的 EPS 属全速范围助力型，并且 首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用 于市区和停车。当车速大于 70kmh 后，这两种开关设 置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的 路感。这样即使汽哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5 车行驶到高速公路时驾驶员忘记切 换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相关， 使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。在国内，1992 年清华大学开始设计 EPS 的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学、同济大学、华南理工大学、江苏大学 合肥工业大学等院校和科研单位纷纷开展了 EPS 的研究，此外，电子行业中的不少科研部门和生产厂家也纷纷介入 EPS 研究领域。2000 年，昌河北斗汽车率先装配 EPS，对国内 EPS 的研究，器到了推波助澜的作用。之后，广本飞度、上海大众途安 一汽- 大众凯迪、哈飞路宝、吉利等车型，也纷纷装配了 EPS。中国南方航空动力机械公司的 DFL 系列已经进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的 EPS 产品也已经装备在其吉利豪情等系列轿车上。一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。重庆的长安铃木、长安福特的代表也参加了电动转向标准会议寻找合作伙伴，准备在其生产的新车型中试装电动转向器。如广州本田飞度轿车 2003 年销售 1.66 万辆，占全国 1.31.6L 的轿车销售量 30.5 万辆的 5.4%市场份额。说明齿轮齿条式的电动助力转向器产品已逐渐打开了市场。2007 轿车销量在 200 多万辆，1.31.6L 的轿车销量在 5060 万辆左右，说明装配电动助力转向器产品的市场潜力还是很大的。目前 21 个汽车厂家的 43 给我品种均可安装电动助力转向器产品。这些厂家分别是：重庆长安、奥拓、领养、吉利、美日豪情、奇瑞 QQ、天津丰田、威驰、悦达起亚、千里马、东南汽车、菱帅。可以预测到 2010 年末我国适合安装的轿车有140 万辆，微型和轻型卡车包括皮卡有 40 万辆，电动转向器的需求大约共为 180 万套 3。电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置（包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器） ，转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。1.4 在今后 EPS 系统可能主要向以下几个方面发展(1)提高系统的可靠性，降低成本，未来的 EPS 将采用更加可靠的电子及机械元件，并采用冗余和备份系统满足系统失效情况下的可靠性要求，同时还将实现故障的自动检测、纠错和排除功能。(2)由单一功能向多功能转变，综合控制技术是未来 EPS 控制技术的研究方向。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6 可以采用主动扭矩控制技术，增强转向系统在汽车遇到障碍时的主动避让；将转向技术与刹车装置结合，协调控制转向和刹车，保持车辆在低摩擦路面的稳定性等等。(3)提高模块化和标准化程度。提高 EPS 的模块化和标准化有利于降低 EPS 的成本，减少系统的零部件种类，降低 EPS 制造、安装的复杂性，实现相同转向系统或者不同转向系统相同模块间的互换和应用。(4)数字信号处理器（DSP）和 CAN 总线技术的应用。 DSP 应用于电机的控制，在取得更快的运算速度的同时，也有较好的控制效果；汽车 CAN 总线，使得该系统作为未来汽车的标准配置而溶于整个汽车的控制网络中，最大程度实现资源共享，有利于降低成本。(5)向线控转向技术发展。线控电动转向系统去掉了方向盘与车轮之间直接的机械运动连接，通过控制算法可以实现智能化车辆转向。1.5 本设计研究的内容本课题研究的 EPS 系统的 ECU 主要用于轿车。本文在设计 EPS 系统详细分析的基础上，对 EPS 系统进行了动态建模，并且根据动态模型理论，对 EPS 系统进行了相关的分析等等。具体内容如下：(1)通过对 EPS 系统的分析，建立了动态数学模型，在此基础上进行动态特征分析；(2)对系统的控制策略和控制方法惊醒探讨研究。在完成模型分析的基础上，利用 LabView 编制相应的控制程序，代替传统的单片机；(3)完成 EPS 系统硬件在环仿真；(4)利用编制好的 LabView 控制程序对已有的 ECU（单片机）进行检测。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7 第 2 章 电动助力转向系统的结构、原理及控制方法2.1EPS 的种类及其特点根据电动机安装位置的不同，EPS 系统可以分为：转向柱助力式、齿轮助力式和齿轮齿条助力式与传统液压动力转向系统相比，EPS 由如下特点：(1)电动助力转向能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小路面不平引起对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的中东安全性，并且可通过设置不同的治安想力特性来满足不同使用对象的需要。(2)只有在助力时才使用电机，所以能源损耗小，可节约 3%5%(3)由于取消了传统液压动力系统的部件，所以在结构、质量和安装上便利许多(4)由于电机直接由蓄电池供电所以不受其他车上用电器和发动机运行与否的影响。(5)低成本和低环境污染。2.2 电动助力转向系统的结构EPS 主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。(1)转矩传感器转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到转矩。另外，也有采用非接触式转矩传感器的，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，检测环之间的空气间隙发生变化，从而引起检测线圈电磁感应系数变化。非接触式转矩传感器的优点是体积小、精度高，缺点是成本较高。如图 2.1 所示。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8 (2)车速传感器车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速器上。该传感器根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给 ECU。由于是两个系统，因此信号的可靠性提高了。图 2.1 非 接 触 式 转 矩 传 感 器(3)电动机EPS 的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据 ECU的指令产生相应的输出转矩。电动机是影响 EPS 性能的主要因素之一，不仅要求低转速大转矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、控制性能好。在电动机设计时，应着重考虑如何提高路感、降低噪声和振动，如在电动机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高电动机的性能。转向助力用的电动机需要正反转控制。一种比较简单适用的转向助力电动机正反转控制电路如图 2.4 所示。 (4)离合器离合器采用干式电磁离合器，其功能是保证 EPS 在预先设定的车速范围内闭合。当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机不再提供助力，转入手动转向状态。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。为了提高性能，离合器设计成具有磁滞特性，并可实现无级离合。(5)减速机构减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要由两种形式：涡轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向柱助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9 和长条助力式转向系统。如图 2.2 所示。 (6)电子控制单元EPS 的电子控制单元通常是一个 8 位单片机系统，本设计中用的是 LabView 系统代替。图 2.2 减 速 机 构2.3 汽车电动助力转向系统的工作原理如 2.3 图所示，电动助力转向系统的工作原理是：不转向时，助力电动机不工作；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，有车速传感器测出的汽车车速，也产生一个电压信号。这两路信号均被传输到电子控制单元，经过其运算处理后，由 ECU 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，在离合器接合的同时使电动机传动产生一个转矩，该转矩与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增距后，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是加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力 4。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10 图 2.3 EPS 系 统 的 工 作 原 理2.4 汽车电动助力转向系统的控制方法EPS 系统可以对转向过程中的每个环节进行精确控制，从而提高汽车转向助力性能。微机可以根据各种传感器的信号，判断转向状态，选择执行不同控制模式，并根据这些要求制定 EPS 的控制方法 5。(1)助力控制助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统上的一种基本控制模式。助力控制的驱动方式为：使晶体管 VT1导通，VY2、VT3 截止，VY4 斩波。该控制利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器 ECU 中，根据预制的不同车速下“转矩点顶级助力目标电流表”, 确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，利用 PID 调节器进行调节，输出 PWM 信号到驱动电路，以驱动电动机产生合适的助力。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11 M VT3 VT4VT1 VT2R1 R2a1 a2+图 2.4 电 动 机 的 驱 动 电 路(2)回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个晶体管均处于截止状态，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。(3)阻尼控制阻尼控制是汽车运行时为提高告诉直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。电动机理想模型的基本方程为(2.1)dtiLtKtiRtuaEa)()()(式中 分别为电动机的端电压和电枢电流；)(tiu、哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12 电动机转速；)(t分别为电动机等效内阻和电感；aLR、电动势常数 EKEPS 系统中所用电动机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。若将电动机两端短路，则有(2.2)aEaRtKti/)()(因此，用一定占空比的 PWM 信号在电动机空控制电路内使电动机短路，电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电动机继续旋转的阻尼转矩，改变占空比，即改变了阻尼转矩的大小。本设计主要设计的是助力控制，即单独实现助力转向。2.5 电动助力转向系统动态模型的建立电动助力转向系统的动态模型 6。依据牛顿运动定理，该系统的运动方程为ssSds brxKMJ)(（2.3）)()( smsTRss rGxrFbxrKmx（2.4）msmmbrGxMJ)(（2.5）式中 转向盘转矩dM齿条的位移量、质量和阻尼系数bx、转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数sSsKJ、齿轮半径sr电动机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数mmbJ、电动机至齿轮轴的减速比G哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）13 轮胎转向阻力及回正转矩等作用于齿条上的转向阻力TRF式（2.3） (2.4) (2.5)分别为转向轴，齿条轴和电动机的动态方程。式（2.5）中的 为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机给定电流的大小。在mM本系统的计算中， 值由转矩传感器给出，可表示为(2.6) )(samsrxK式中 转向助力增益aK值定义了转向路感，即汽车在不同的行驶速度时，在相同的转向角情况下，由于电动机提供的助力值大小不同，使转向盘力的大小发生变化，驾驶员不但感到转向轻便，同时又能充分感受到路面的信息。因此，合理选择可得到不同的转向路感。2.6 电动助力转向系统特性分析众所周知在汽车低速停车时，驾驶员转向所需的受力大，此时所需的助力应很大。EPS 的输入扭矩与助力扭矩之间的理想特性曲线有以下特点 7：(1)输入扭矩很小的区域，方向盘输入力矩小于某一特定值通常设定为 1NM 时，希望阻力部分的输出越小越好，助力部分基本不起作用，保持较好的路感；(2)常用的快速转向行驶区间，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力部分发挥作用，助力效果要明显；(3)原地转向时，即当转向阻力矩相当大时，应尽可能发挥较大的助力转向效果，输出力矩增幅增大；(4)随着车速的提高，助力的增益越来越小。2.6.1 三种助力特性曲线较常规的助力特性曲线由以下三种：直线型助力特性曲线、折线型助力特性曲线、曲线型助力特性曲线。比较三种特性曲线，直线型助力形式参数调整容易，控制系统算法简单，非常适合于工程应用 8。本设计采用直线型助力特性曲线。该助力特性曲线可用以下函数表示：（2.7）maxhaT1K(v)0）（ mN7T10hh哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14 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，但在死区便捷转向时，助力由无到有或由有到无，这给行车中的驾驶员带来手感上的冲击，从而带来潜在的危险，但在转接处修正可以获得较好的控制效果。2.6.2 转向助力特性曲线设计方法与步骤助力特性曲线设计方法 9：首先确定各车速下的理想受力曲线，从而确定各车速下应该助力的大小，并进行转换得到助力大小与受力之间的关系曲线。(1)Th0、T hmax 的确定根据驾驶员对转向轻便性和路感的要求，本文根据汽车机械式转向系统主要技术参数，当转向盘转矩小于某一值时，一般不进行助力否则转向过于灵敏。另一方面受驾驶员极限体力的限制，一般不能过大，根据国家标准规定转向盘的最大切向力不能大于 50N，本课题采用的范围定操舵力分别为 10N、40N。则驾驶员施加于转向盘上的操舵力矩为： 根据计算与经验一般选取为 Th0=1，T hmax=7。(2)转向阻力矩、最大助力距的确定当车速为零时，摩擦力达到最大值，求出汽车的原地转向阻力矩，推荐的半径公式有：(2.8)PGT31f需要转向盘上提供的力矩为：(2.9)w2f1ziL在本课题中的参数：转向盘半径 180mm；转向摇臂 0.28m；逐项节臂 0.13m；轮胎气压 0.2Mp；摩擦系数 0.7；转向器正效率 90%；前轴负荷 5292N；转向器角传动比 20；(2.10)m20.86N1.59307PGfT61 (2.11)3.4.82iLw2f1z 当操舵力为 40N 时，最大的助力力矩(2.12)mN.017.Thmaxzax (3)零车速时的助力特性曲线增益系数的确定哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）15 零车速时所需要最大助力转矩应为： 一定车速时的助力转矩(2.13)4.82173.0T)K(Vhomaxax (4)线性特性曲线中的车速感应系数在确定车速感应系数前，首先需要获得用户对路感的要求，但是这种要求很难得到。因为没有通用的语言来描述什么是必要的路感，并且实际中汽车很难提供一个理想的实验环境来研究路感问题。现今对如何进行论干实验的研究还不成熟，国外有关研究结果之处驾驶员偏向于转向盘输入力矩岁车速提高而增加，并给出理想的方向盘输入力矩与车速关系。K 是不同车速下助力增益值，即助力特性曲线的斜率，它的取值与汽车的车速有关。对于不同的车型，转向系统的参数不同，而在不同车速下所需提供的助力值也不同，当车速高时助力要小，此系数随着车速增大而成指数减小。一般是在助力车速范围内选几个特征车速，根据驾驶员对路感的要求，初步确定各特征车速的车速系数。根据经验，我们把车速大致确定几个范围：（010） 、 （1020） 、 （2030） 、 （3040 ） 、（4050） 、 （ 5060） 、 （6070） 、 （7080） 。通过仿真计算出各车速下的最大方向盘所需力矩。表 2.1 各车速下方向盘最大所需力矩车速 0 10 20 30 40 50 60 70TZ 24.03 19.38 16.52 15.58 13.16 11.51 10.69 10.19运用求 K 的同样的方法，求出各车速下的车速感应系数，如下表 2.2表 2.2 各车速下车速感应系数表车速 v 0 10 20 30 40 50 60 70车速感应系数K284 2.06 1.58 1.43 1.03 0.75 0.62 0.53(5)线性助力特性曲线本课题是针对小排量轿车的电动助力转向器，因此以车速 80 为限将车辆的转速区分为助力转速区和无助力转速区。助力转速区又分为 8 个速度区。助力速度分区，主要简化控制。由于在车辆驾驶过程中，车辆的实际速度不会总是连续变化的，一般是从一个速度变化到另一速度后相对稳定运行，这里速度分区就具有实际可行性。无哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）16 助力区、助力区和恒助力区的分界点。本课题选择的是直线型助力特性曲线，把已经求得的 K 带入方程，可得到直线型助力曲线族：(2.14)maxhaT1K(v)0）（ mN7T10hh增益系数 K 带入上式中，可以获得横坐标为 T，一纵坐标为 t 的分段助力曲线族。2.7 目标电流的确定在电控单元内存有车速和转矩的点击助力数据库。转矩信号和车速信号输入控制单元，与相应的信号进行比较，以获得电机的助力扭矩。在电动助力转向系统中采用永磁直流电机，电机的输出转矩和电枢电流成正比，调节电枢电压可以实现电机的电流控制。因此，电控单元可以把目标转矩转换成目标电流，通过调节电压信号控制电机驱动电路使电机输出相应的助力扭矩。电动机的目标电流时根据助力特性曲线确定的，EPS 的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输入下，电动机的目标电流需随车速的增加而降低，电流越大则助力越大。(1)车速为零时的目标电流曲线当车速为零时，零车速时所需要最大助力转矩应为：当操舵力达到最大为 40N时，最大的助力力矩mN03.17.24T-hmaxzax （2.15）根据直流电动机的特性，在理想情况下输出力矩与电流成线性关系，本课题所采用的直流电机 K 参数为 0.05，此时的电流为A4.6205.1637KGTIamxax （2.16）在不同车速下，当输入方向盘的力矩为 T 的电流可以通过求零车速时的电流方法获得。(2)各车速下的对应的电流曲线斜率车速为零时，转向系统开始助力其实力矩为 1，转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩为 7 时，根据直线型助力特性曲线，助力电流应该随着驾驶员的操舵力矩哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）17 成线性增加，车速为零时，直线斜率为4.317.620TI0Khmaxi ）（2.17）表