（交通信息工程及控制专业论文）汽车电动助力转向系统的研究.pdf

y 5 8 6 3 5 8 摘要 摘要 汽车电动助力转向系统是汽车转向系统发展的最新技术，用于减轻汽车驾驶 员操纵方向盘强度以 增强舒适性，并且要求有良 好的路感和操纵稳定性。目前国 内 对该系统的研究还处于起步阶段，技术上以消化吸收国外相关技术为主，还不 能 妇n 国 产化。 文章在车辆横向动力学基础上研究了转向系统的回正问题并分析了转向系统 的负载特性; 我们还建立了符合机械动力学原理的e p s 系统模型和机械转向系统 模型，并分析了系统机械参数对系统特性的影响。 文章分析并研究了基于形变测量扭矩传感器在转向系统中运用所隐含的共振 峰问 题:提出了运用串联校正的方法抑制共振峰并进行了仿真研究，选择合适的 串联校正的参数还能够在保证响应速度的 基础上有效的减小超调: 对路感强度进 行了定量分析，提出了根据车速调整助力增益能够保证驾驶员在不同车速下对路 感的要求; 另外还对e p s 系统进行了稳定性分析， 得出了为保证系统稳定性对助 力增益一般不能超过减速器变比的结论。 最后介绍了e p s 实验系统实现方案， 设计了e p s 系统电 子控制单元并进行了 台架试验，取得了良 好的助力效果解决了转向 过程中的抖振问 题，为今后的 产品 化奠定了基础。 【 关键词】汽车，电动助力转向，负载特性，回正，路感，稳定性，串联校正 宋经作者i 导师同 惫 勿全文 公布 北京交通大学工学硕十学位论文 ab s t r a c t e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g s y s t e m s o r e l e c t r i c p o w e r a s s i s t s t e e in g s y s t e m s ( e p s o r e p a s ) f o r a u t o m o b i l e s a r e b e c o m i n g e v e r m o r e p o p u l a r b e c a u s e t h e y r e d u c e s t e e r i n g e f f o r t s o f t h e d r i v e r s . s t e e r i n g r o a d f e e l a n d s t e e r i n g s t a b i l i t y a r e r e q u i r e d i n e p s c u r r e n t ly , s t u d y o f e p s s y s t e m i s j u s t b e g i n n i n g in c h i n a , a n d t h e r e i s n o p r o d u c t o f e p s e x p e c t i n g t e c h n o l o g y a b s o r b i n g t h e a d v a n c e d o v e r s e a s . b a s e d o n t h e l a t e r a l d y n a m i c t h e o r y o f v e h i c l e s , o n - c e n t e r a n d l o a d p e r f o r m a n c e a r e s t u d i e d . a r a c k a n d p i n i o n s t e e r i n g g e a r s y s t e m a n d a n e le c t r i c p o w e r a s s i s t s y s t e m a r e m a t h e m a t i c a l ly m o d e l e d , a n d it i s a n a l y z e d t h a t i n fl u e n c e o n t h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f e p s o f t h e m a i n m o d e l p a r a m e t e r s . e l a s t i c t y p e t o r q u e t r a n s d u c e r s , w h i c h m e a s u r e t h e c i r c u m f e re n t i a l s e p a r a t i o n , h a v e a s y m p a t h e t i c p e a k i n b o d e p l o t s . a s e r i e s c o m p e n s a t o r i s d e s i g n e d t o r e s tr a i n t h e p e a k , i t c a n a l s o k e e p t h e s e tt l i n g t i m e a n d r e d u c e o v e r s h o o t i f w e l l d e s i g n . t h i s p a p e r q u a n t i f i e s t h e s t e e r i n g r o a d f e e l i n t e n s i t y . a d j u s t a s s i s t g a i n a c c o r d i n g t o v e h i c l e s p e e d c a n e n h a n c e d r i v e r s r o a d f e e l . s t a b i l it y a n a l y s i s o f e p s s y s t e m i s p r e s e n t e d , a n d t h e s i m p l e c o n c l u s i o n i s a c h i e v e d t h a t t h e m a x i m u m a s s i s t g a i n c a n n o t e x c e e d t h e g e a r r a d i o t o k e e p s t a b i l i z a t i o n . a t la s t , a ,te s t s y s te m i s in tr o d u c e d , a n d t h e h a r d w a r e a n d c o n t r o l a lg o r it h m s w it h s e r i e s c o m p e n s a t o r o f t h e e c u a r e d e s i g n e d . e x p e r im e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t v i b r a t i o n p r o b l e m i s s o lv e d . a l l o f t h e s e a r e t h e b as e s o f p r o d u c t i o n o f t h e f u t u r e . k e y wo r d s : a u t o m o b i l e , e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g , l o a d c h a r a c t e r i s t i c s , o n - c e n t e r , r o a d f e e l , s t a b i l it y , s e r i e s c o m p e n s a t o r 第一章 绪论 1 . ， 选题背景和意义 随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向 操纵性能的要求也日 益提 高。为了 保证车辆在任何工况下转动转向 盘时，都有较理想的操纵稳定性和操 纵轻便性，例如车辆在停车或低速泊车情况下转动转向 盘时也能够轻松自 如， 在高速行驶时又不会感到轻飘不稳，汽车转向系不断发展。汽车转向系统从简 单的纯机械式转向系统，发展到机械液压动力转向系统，到电控液压动力转向 系统，直至如今的更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转向 ( e p s ) 系统阶段。 汽车转向系的介绍 汽车转向系的作用是保证汽车在行驶中按驾驶员的操纵要求， 适时地改变行 驶方向，能在受到路面干扰偏离行驶方向时，与行驶系配合，共同 保证汽车稳 定地直线运行。使转向轮偏转实现汽车转向的一整套机构称为汽车转向系，它 由 转向 操纵机构、转向 器和转向 传动机构组成 ,z l 汽车转向系的发展 机械式转向 系由一系列机械零件构成， 完全由 驾驶员的力量实现转向， 具有 结 构 简单、 工作 可靠、 路 感好等 优点， 但操纵 较费 力m 。 依靠改 变变速比 ， 避免 不了转向 轻便和转向灵敏的固有矛盾;仅仅靠大直径的转向盘来产生足够的转 向力矩，给驾驶室的布置和驾驶员的操纵都带来麻烦。 动力转向所必须的原因主要是在泊车或低速行驶时减少掌舵力矩， 在中速时 减少完成急转弯或调整汽车姿态的力量。在前桥载荷很大、大型轮胎特别是前 轮驱动的现代汽车中，动力转向渐渐变成了必须。而且它还提高了驾驶的安全 性， 在无法预知的状况下它能使得汽车快速得到控制，比如，高速时汽车前轮 压到障碍物或暴胎时。 另外好的助力转向 系统减小驾驶员的疲劳度， 从这方面 来说也提高了安全性。 自1 9 5 3 年通用汽车公司在凯迪莱克和别克轿车上首次批量使用了 液压动力 - -份一-一 a s 鱼 转向( h p s ) 系统以来， 液压动力转向 系统给汽车带来了巨大的变化; 人们不再 需要靠大直径的转向盘来产生足够的转向力矩，转向盘的减小，使得驾驶室变 得宽敞起来，座椅布置也变得更为舒适了;液压动力转向系统在降低了转向操 纵力的同时，也使转向变得更为灵敏。在八十年代后期，又开发了变减速比、 电 控液压动力 转向( e h p s ) 系 统 (3 1 。电 控液压 动力转向 系 统可以 根据车 速控制 电 磁阀的开度，从而改变助力比率，解决了液压动力转向系统的高速行驶时方 向盘发飘的问题。 液压动力转向系统由转向油罐、 转向 油泵、 高压油管、 控制阀及机械转向器 等组成。系统结构庞大复杂;动力转向 器加工精度要求高;转向油泵靠发动机 驱动，汽车转向 与否均需消耗发动机动力;液压油的渗漏亦为一大困扰，需经 常 维护保养。 因 此， 液压 动力转向 系统在系 统布置、安 装、 密封性、 操纵灵 敏 度、能 量消耗、 磨损和噪声等方面都受到一定程度的限制4 1 近来电 子应用以 其改善功效、 改进舒适性和安 全性的 特点越来越被汽车工业 所采用，电动助力转向系统 ( e p s )应运而生。 e p s的基本结构和原理 如图1 . 1 所示，电动助力转向系统在原机械转向系统的基础上，增加了车速 传感器、扭矩传感器等信号传感装置，e c u( 电子控制单元一e l e c t ri c c o n t r o l u n i t ) 、电 动机、离合器以 及减速机构等转向 助力机构， 如图 1 . 1 所示。 它利用 电 动机来提供转向 助力，一旦有了转向 动作，车速信号和扭矩信号送给控制器， 控制器根据这些信号决定助力的大小和方向并驱动电动机进行转向 助力。 方向盘. . . . . . . ， . 车速信号 e c u 四 矩 信 月 扭矩传感器 电动机卜一 离合器减速机构 车轮 图1 . 1 齿轮一齿条式电动助力转向系统 第一章 绪论 研究 e p s的意义 因动力转向系统不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾， 还能提高行 驶安全性和舒适性，呈现出汽车的一大发展趋势。比 较成熟的是液压式动力转 向系统， 但该系统无论是否转向都需要消耗一定的能量。电子控制式液压动力 转向系统，己经在部分车上采用，但液压装置的固有缺陷仍不能根除。电子控 制式电动助力转向系统由于靠蓄电池来提供能量，借助电动机助力，免去了液 压装置， 表现出较多的优点。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等 系统得到广泛应用之后，国外汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向。 电 动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点。研究与开发电动助力转向 系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的。因而具有一定 的 现 实 和 长 远 意 义 3 ,5 与 液 压 动力 转向 系统 相比 ，电 动 助力 转向 系 统 有 如 下 特点 5 . ( a )灵活助力。 e p s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，进而提高汽车的主动安全性。并且 可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。 ( b ) 节省能耗。 e p s 只在转向时电动机才提供助力 ( 不像h p s ，即使在不转向 时，油泵也一直运转) ，因而能减少燃料消耗，一般e p s 能够节省4 %的能耗。 ( c ) 采用蓄电池供电。由 于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因 此e p s能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能 提供助力。 ( d )结构简单。e p s 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件 等，其零件比h p s 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择 方面也更容易，并且能降低噪声。 ( e )可靠性与安全性高。e p s的自 诊断和故障保护特性提高了系统的可靠性和 安全性。 ( f ) e p s 没有液压回路，比h p s 更易调整和检测， 装配自 动化程度更高， 并且 可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周 期。 ( g ) e p s 不 存 在 渗油问 题， 可 大 大降 低 保修 成 本， 减小 对 环境 的 污 染。 据d e lp h i 公司称， 1 9 9 5 年传统的h p s 系统在全世界占 其 所销售的 汽车7 5 % ， 也就是3 7 0 0 万辆汽车要消耗4 0 0 0 万升液压油。如果电 动助力转向 系统全面进入市场， 效益 很口 观。 e p s 的研究不仅期待一种技术上的突破，它更有巨大的理论意义和社会效 益。 e p s 的研究还有很多理论工作要做，路感、建模、控制策略的研究以及可靠 性与安全性的分析都是工作的着眼点。e p s 为非线性问题、智能控制和自适应控 制的理论研究提供了一个良好的实际背景。 研究e p s 的目标不仅仅在于提高驾驶员驾驶汽车的舒适性，还在于提高安全 性、降低整车的成本。从这方面来看它有着重大的社会效益。 1 2 汽车电动助力转向系统发展现状 从1 9 8 8 年日本铃木公司首先开发出电动助力转向系统以来，有关e p s 的理 论研究和技术得到迅速发展。 1 2 1e p s 研究现状 国外对动力转向的研究始于对液压转向的研究，已经有近5 0 年的历史【6 1 ， 成熟期也有2 0 多年，在路感分析、助力特性等很多方面的研究对e p s 的研究工 作有着很大的借鉴意义。国内的液压转向只有l o 年的历史，液压转向器的国产 化主要参考了国外设备，理论研究工作还没有深入进行。围内研究e p s 的主要 力量以高校和研究机构为主，清华、华工等高校进行了系统总体设计、建模分 析、路感和助力特性曲线、扭矩传感器等的研究工作。 系统机械与电气结构研究 根据电动机布置位置不同，目前应用的e p s 可分为：转向柱助力式、齿轮助 力式、齿条助力式以及双齿轮结构式4 种，如图1 2 所示。转向柱助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助 力转向。齿轮助力式e p s 的电动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e p s 的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力【”。双 齿轮结构中方向盘管柱通过小齿轮直接与齿条相连，助力电机通过减速器经过 另外的小齿轮与齿条咬合。 图1 2e p s 电动机助力位置布置型式 e p s 的电气部分主要包括：车速传感器、扭矩传感器、电流传感器、控制器、 电动机1 3 - 6 、功率转换单元。系统供电由车载蓄电池提供。 车速传感器安装在变速器上，它利用了电磁感应的原理。传感器根据车速的 变化将脉冲信号送给控制器。系统通常采用主、副两套车速传感器用于实现系 统的故障诊断1 6 , 7 。 扭矩传感器的种类很多，分为接触式和非接触式两大类。接触式扭矩传感器 包括：摆动杆式、双行星齿轮式 7 1 、扭杆式【6 j 。文章 6 】介绍的是扭杆式扭矩传感 器，该装置还能通过测速发电机测量扭杆的角速度，为控制提供了更多的依据。 非接触式可以利用光电、电磁1 8 1 、表面声波( s a w ) 现象( 英国t r a n s e n s e 技术公 司) 等原理，特点是耐疲劳，可靠性高。 电流传感器也分为两类，一类采用功率电阻，通过测量电阻上的电压来检测 电流，这种简单可靠，但精度低而且电阻串入电机电枢改变使电机特性变软， 另外还存在散热问题：利用霍尔效应设计的电流传感器( 磁气比例式、磁气平 衡式霍尔电流传感器) 具有响应速度快、精度高，但成本较高【9 】。 控制器通常采用8 位微处理器或更高，都带有a d 、d a 或p w m ，：控制器 也可以采用d s p 5 j ，t i 与a d 都提供了专门做电机控制的专用d s p 。 、 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是e p s 的动 力源。多采用无刷永磁式直流电动机。电动机对e p s 的性能有很大影响，是e p s 的关键部件之一，所以e p s 对电动机有很高要求，不仅要求低转速大扭矩、波 动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。为此，设计时 常针对e p s 的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的表面开出 斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等1 5 j 。 电机驱动单元采用h 一桥的斩波驱动方式，每个桥臂上使用p o w e rm o s f e t 或i g b t ，这样能够提供几十安甚至上百安培的电流。h 桥的栅极驱动可以利用 专用芯片( i r 2 1 1 0 0 0 ) 或用模拟电路搭，要求有足够的打开和关断的能力【“】。 另外控制器中还包括看门狗电路、继电保护电路6 j 等辅助功能电路。 e p s 的理论研究现状 国内外对e p s 的理论研究工作主要集中在以下几个方面：路感的研究、控制 策略的研究、助力特性曲线的研究、系统建模及动态分析和稳定性分析、可靠 性和安全性研究、系统仿真等。 1 ) 路感的研究 “优化转向路感”是汽车工程师的一个目标。路感与轮胎t b - 向盘传输特性 有关【i2 1 ，路感包括两个方面；驾驶员通过方向盘对车速大小的感觉；驾驶员通 过方向盘对路况的反应。通常e p s 的控制信号是车速和扭矩，转向角、转向速 度、前轴重力等综合考虑可以改善转向路感。文章 1 2 1 4 进行了驾驶员路感的 量化研究。文章【1 5 】结合对路感的研究和系统的动态分析稳定性分析对系统进行 优化设计。文章 1 6 1 对路感进行了定义、分析与计算。文章【1 7 揭示了反作用扭 矩和路感的关系，传统转向系统损失路感的原因，提出保持路感的条件，并为 路感的研究提供思路。 2 ) 控制策略的研究 e p s 系统有3 种基本的控制模式：普通控制模式、回正控制模式和阻尼控制 模式。在正常转向过程中，采用普通控制模式；当驾驶员作用在转向盘的力减 少，转向盘在回正力矩作用下有回正趋势时，采用回正控制模式，使电动机的 助力转矩随驾驶员施加在转向盘上的力的下降而平稳下降。因为系统中含有电 机、减速传动机构等部件，具有较大的转向系统摩擦和惯性矩，如果不采用回 正控制，会使系统在低速时转向回正性能不良。采用回正控制后，在侧向加速 度低的区段回正性能得到改善，但在侧向加速度高的区段会出现回正过量现象， 这时需要采用阻尼控制来解决。采用阻尼控制模式后，在车辆高速转向行驶放 松转向盘后，侧滑角速度能迅速收敛，改善了高速时的转向稳定性p , 6 1 。 文章 1 8 】在e p s 系统模型的基础上对比例控制和比例加微分控制进行了分析 和仿真，并比较得出：采用比例控制方法，无法满足转向轻便性和防止反向冲 击的要求；采用比例加微分控制可获得理想的静态助力特性，并能有效的抑制 系统在共振区内共振蜂的问题。 3 ) 助力特性曲线的研究 不同的控制系统要求有不同的控制方式，e p s 所依据的就是助力特性曲线。 所谓助力特性曲线就是要求控制器怎么控制的问题，一般来说，助力特性曲线 是车速、方向盘扭矩与电机扭矩( 或电流) 的一组曲线。 发 动 机 电 流 主 v 龊 殿 r 寄 方向盘扭矩n + m 图1 3 ( a ) 传统的助力特性曲线 图1 3 ( b ) 给定车速下的b o o s tc u r v e 图1 3 ( a ) 是一种传统的助力特性曲线。图1 3 ( b ) 是给定车速下的助力特 性曲线，自于液压助力转向系统，称为“b o o s tc 1 1 1 v e ”【1 9 。 电动助力特性曲线的确定是依据机械转向的输入输出特性，然后以不违背驾 驶员的驾驶习惯为原则得到理想助力特性，两者的差的k 倍( k 由传动比和传 动效率决定) 就是助力特性曲线f ”。 4 ) 建模与动态分析 随着对汽车动力转向系统性能要求的不断提高，在动力传动控制系统的设计 中动态分析和稳定性分析变得非常重要。建模分析的思路主要是通过把转向系 统看作机械位移系统和机械转动系统建立系统动力学方程【2 “，然后根据动力学 方程进行动态分析和稳定性分析。 文章 2 2 根据模型进行了稳定性分析，并给出了系统的约束条件以及驾驶员 对路感感知的最大化条件。 文章 2 3 建立了非线性的系统模型，并将仿真结果与实车实验进行了比较a 系统是建立在液压动力转向的基础上的，但其分析方法和测试手段很有价值。 文章 2 4 1 研究了e p s 系统的鲁棒稳定性。并且对一些容易产生不稳定的条件 进行了分析，如高速、路面潮湿的情况。提出引入汽车侧向加速度反馈能够提 高系统的鲁棒性。 5 1 虚拟环境的研究 当今，激烈竞争的汽车工业面临着一个重要的问题，就是如何缩短用于汽车 机械子系统的开发时间，特别在动力转向方面。机械子系统可信的特性、稳定 性和可靠性需要在实验室中反复的实物测试，就像提供场地进行整车测试一样。 这样耗时耗力，为了解决这个问题，很多厂家进行了虚拟环境的研究。他们利 用快速的计算机例如数字信号处理器实对的仿真汽车的动态特性，输出信号直 接送给接受测试的e p s 系统。这样缩短了系统的研制周期、节省了经费和场地。 h a r d w a r e i n t h c l o o ps i m u l a t i o n 就是其中一种m l 。 1 2 。2e p s 应用现状 国外各大汽车厂商投入大量的财力物力进行e p s 应用研究，如日本的大发汽 车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司；美国的d e l p h i 汽车系统公司、t k w 公 司；德国的z f 公司等。另外m e r e e d e sb e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司 共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s 。表1 1 是目前装配e p s 或可以选择装配e p s 的汽车品牌。 厂商 品牌 说明 铃术 c e r v o 1 9 8 8 年2 月，最早装配 a 1 t o w a g o n r + 大发m i r a 三菱m i n i c a 本田a c c o r d 中型轿车 $ 2 0 0 0 a c u r a n s x赛车 大众 p o l o d e l 曲i 汽车系统公司开发 欧宝 3 1 8j d e l p h i 汽车系统公司开发 菲特 p u n t o 中型轿车，d e l p h i 汽车系统公司开发 t r w f o r d f je s t a m a z d a 3 2 3 f 表1 1 北斗星是昌河飞机工业( 集团) 公司与日本铃木合作生产，原型为铃木w a g o n 北京交通大学工学硕士学位论文 文 章【 2 3 建 立了 非 线性的 系统 模型， 并将仿真结果与实车实 验进行了比 较。 系统是建立在液压动力转向的基础上的，但其分析方法和测试手段很有价值。 文 章 2 4 研究了e p s 系统的 鲁棒稳定 性。 并 且 对一些 容易 产生不 稳定的 条件 进行了分析，如高速、路面潮湿的情况。提出引入汽车侧向加速度反馈能够提 高系统的鲁棒性。 5 )虚拟环境的 研究 当今，激烈竞争的汽车工业面临着一个重要的问题，就是如何缩短用于汽车 机械子系统的开发时间，特别在动力转向方面。机械子系统可信的特性、稳定 性和可靠性需要在实验室中反复的实物测试， 就像提供场地进行整车测试一样。 这样耗时耗力，为了解决这个问题，很多厂家进行了虚拟环境的研究。他们利 用快速的计算机例如数字信号处理器实时的仿真汽车的动态特性，输出信号直 接送给接受测试的e p s 系统。 这样缩短了系统的研制周期、 节省了经费和场地。 h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p s i m u l a t i o n 就是其中一种2 5 1 1 . 2 .2 e p s 应用现状 国外各大汽车厂商投入大量的财力物力进行e p s 应用研究， 如日 本的大发汽 车公司、 三菱汽车公司、本田 汽车公司; 美国的d e l p h i 汽车系统公司、 t r w 公 司;德国的z f 公司等。另外m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n s a u t o m o t i v e 两大公司 共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s 。 表1 . 1 是目 前装配e p s 或可以 选择装配e p s 的汽车品牌。 厂商 品 牌说明 铃木c e r v o 1 9 8 8 年2 月，最早装配 a l t o w a g o n r + 大 发1一 m i r a 三 菱一 m i n i c a 本田a c c o r d 中型轿车 s 2 0 0 0 a c u r a n s x一 赛 车 大众 p o l 。一d e l p h i 汽车系统公司开发 欧 宝1 3 1 8 i d e l p h i 汽 车 系 统 公 司 开 发 菲亚特p u n t o 中型轿车， d e l p h i 汽车系统公司 开发 t r w f o r d f i e s t a m a z d a 3 2 3 f一 表 1 . 1 北 斗 星 是昌 河 飞 机 工 业 ( 集团 ) 公 司 与日 本 铃 木 合 作 生 产， 原 型 为 铃 木w a g o n 第一章 绪论 r +。2 0 0 0 年 1 2 月2 6日 下线到2 0 0 2 年6 月才正式批量生产。其中2 0 0 辆装配 了e p s ，是当今国内 配备e p s 的唯一车型，但技术不能实现国产化。 1 . 2 . 3 e p s 存在的问题 1 )从结构上来看，三种结构的e p s系统都存在不足: 转向 柱助力式e p s由于受到转向管柱刚度等因素的影响往往只适用于轿车; 齿轮助力式e p s 助力特性难以控制和保证; 齿条助力式e p s 结构复杂，工艺要求高。 2 ) 由于车载电源多为1 2 - 1 4 v ， 这要求功率转换单元工作在低电压高电流的条件 下，功率转换单元容量和可靠性限制了目 前 e p s主要装配在前桥负荷小于 1 2 0 0 k g 的 微型、中型车上。 3 )电动机的功率体积比小。 4 )牺牲增益来减轻抖振。 5 )理论上研究的不足 汽车运行在各种工况条件下， 转向系统的负载特性存在强的非线性和时变特 性，如何通过理论研究设计出适应性和鲁棒性的控制算法，这一点是控制工程 师在系统设计中主要面对的问题。 1 . 3 本文研究的内 容 我们把驾驶员和汽车作为一个控制回路来考虑，图1 .4 给出了一个简化后的 控制回路:汽车应该沿一条预期行驶路线行驶，而事实上车辆行驶在实际行驶 路线上，驾驶员通过视觉和触觉 ( 身体运动)反馈感知 ( 测量)偏差， 还有一 种反馈是通过手感知方向 盘的变化来实现的，驾驶员操纵方向盘努力使实际行 驶路线与期望行驶路线的偏差最小。同时，汽车还受到一个扰动，比如侧风的 作用。这种考虑有个难点:无法建立驾驶员的精确模型，而且人与人的驾驶技 能有差异，即使是同一个驾驶员在不同的身体状态和心理状态下，对汽车的操 纵也是不同的。所以在设计转向机构的过程中必须考虑这样一个问题:汽车的 瞬态性能如何来适应驾驶员?要研究转向机构参数对驾驶员操纵的敏感性。本 文不以整个驾驶员一汽车控制回路分析为基础， 仅通过建立转向机构模型对e p s 系统设计过 程中 遇到的问 题进行分析。 有关驾驶员模型问 题可以 参考文献 2 6 1 的相关章节。 一韭 戛 夔 里 蟹 叁 些 赶 醚 兰 垫 邃 这一n 外部千扰 图1 .4 驾驶员一汽车控制回路 一辆操纵性能良 好的汽车必须具有良好的操纵稳定性和良 好的操纵轻便性。 操纵稳定性包含操纵性和稳定性两个方面，操纵性是指汽车及时而准确地执行 驾驶员的转向指令的能力;稳定性是指汽车受到外力 ( 或外力矩)后，维持或 迅速恢复原运动状态的能力。两者关系密切，很难截然分开，操纵性差往往导 致汽车侧滑，甚至翻倾，而稳定性差，常常又导 致汽车失控，因此常把两者统 称为汽车操纵稳定性。随着汽车行驶速度的日 益提高，为了保证安全行驶， 汽 车的 操纵稳定性日 益受到重视，它已 成为现代汽车的主要性能之一。操纵轻便 性是指驾驶员在驾驶汽车过程中劳动强度的大小，不能使得驾驶员过分紧张和 疲劳。 对于驾 驶员一 汽车闭 环系统来说， 根本上需 要闭 环的 反 馈稳定性。 如果不 考 虑驾驶员的因素的 汽车开环系统如图1 .5 所示， 我们并不需要一定保证开环系统 的 稳定。因为，对于普通的驾驶员来说，开环稳定的系统能够减少事故提高车 辆的安全性;但是赛车的转向系统往往被设计成开环不稳定的以提高汽车的灵 活机动性能。我们如何衡量与评价操纵稳定性，并且能够从设计上满足操纵稳 定性的要求，这也是我们要考虑的问题。一般说来，操纵稳定性好的车辆 一应该容易控制 ( 对驾驶员的要求不高) : 一在出现扰动时，不应该使驾驶员感到突然和意外: 一操纵稳定性的行驶极限能够清楚地辨别。 外部干扰 f爪幕 实际行 驶路线 图 1 . 5 本文希望通过对转向 系统的建模、 稳定性鲁棒性等方面的理论分析， 建立不 依赖于驾驶员一 汽车闭 环系统的e p s的 操纵稳定性和操纵轻便性的评测方法， 第一章 绪论 能够通过系统参数选择设计来适应驾驶员对操纵稳定性和操纵灵活性的要求。 第二部分首先以车辆横向动力学和轮胎模型为基础对转向系统的负载特性 进行分析:然后对机械转向系统和 e p s系统的动力学模型以及状态空间模型进 行了推导:另外结合模型对机械系统设计中的一些参数问题进行了说明。 第三部分首先提出e p s 系统设计的性能指标， 对e p s 系统动态性能进行分 析并提出 控制器的设计方案和仿真验证， 最后对路感和稳定性问 题进行初步的 探讨。 第四部分讨论了系统的实现问题， 对我们设计的实验系统进行了说明， 并对 实验结果进行分析。 一. 一一 遨 速 文 通 左 笠 全 赳 塑 遗 丛 鱼 这 二 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第二章 转向系统负载特性与模型 建立 e p s系统的模型不仅需要根据系统的机械结构建立符合牛顿运动定律 的动力学方程， 还需要对e p s 系统的负载进行研究，因为必须考虑工况变化对 转向 系统的影响， 而这种变化随时发生在汽车的行驶过程中。 机械系统的实现 一般受到材料和工艺的限制，我们需要考虑在这些限制范围内有关系统机械方 面参数对系统性能的影响。 2 . 1 负载特性研究 汽车转向行驶时，驾驶员操纵转向盘的作用力 ( 亦称操舵力)克服的主要阻 力有: 车轮与地面的摩擦 ( 滚动和滑动) ;主销后倾角与主销内倾角所形成的回 正力矩;转向传动系统中存在的各种类型的摩擦力和力矩。这些力决定了汽车 转向 系统负载特性。 汽车行使过程中， 驾驶员在操纵方向盘转向时， 需要克服由于轮胎侧偏角和 外倾角产生的回正力矩。回正力矩是在转向时帮助导向轮回到其原始位置的最 主 要恢复 力矩。 影响回 正 力矩的因 素 有很多 【4 -6 ,1 3 1 ， 例如前桥载荷、 轮胎 压力、 道路状况、车速等等。另外还需要克服系统内摩擦和轮胎与地面的摩擦， e p s 系统需要综合这些因素并利用电动机提供助力帮助驾驶员克服回正力矩与摩擦 力 矩。 由 于汽车 可能 在各 种条 件下行驶 3 ,2 7 1 ， 比 如 在停车 场泊车或是 在高 速路 上 疾驶或是在绵延的山路上;不能指望我们总是在干燥的柏油马路上行驶，我们 可能碰到雨天路滑或者道路泥泞。这些会造成转向沉重、方向盘发飘、回正不 足、回正过量、 方向 盘抖动等各种不良 的操纵感。 这些决定了 在e p s系统设计 中需要解决转向系统强的时变和非线性问题。 车辆与地面的接触点是车轮， 为了便于研究转向系统的负载与回正特性， 讨 论车辆的操纵问题，先介绍一下相关的作用于车轮上力的特性。主要介绍轮胎 的侧偏特性和外倾特性。 2 . 1 . 1 轮胎坐标系 为了描述作用在轮胎上的力和力矩， 我们参考美国汽车工程师学会推荐的轮 胎坐标系， 如图2 . 1 。 坐标系的原点是轮胎接地面的中心。 x轴是车轮平面与地 面的交线， 前进方向为正。 z轴垂直于地平面，向下为正。 y轴在地平面内， 其 一- - - 一一- 递 三夏鱼 查 1 签 鱼 旦 il 鱼 丛 笠 丝 兰 鱼 型 一一 方向要使坐标系成为右手直角坐标系。 地面切向反作用力 f x ) 滚动阻力矩 车轮行驶方向 翻转力矩( mx ) 图2 . 1 : 轮胎的坐标系 2 . 1 .2 影响回正力矩的因素 ( 一)轮胎的侧偏特性 一般， 车辆作直线行驶时， 其车轮的 朝向 和行驶方向 是一致的， 即车轮的 行 驶方向位于车轮的旋转面内。但是，车辆产生侧向运动和横摆运动时，车轮相 对于地面的行驶方向 就不一定位于车轮的 旋转面内。由 于车轮有侧向 滑动， 所 以 产生垂直于车轮旋转面的阻力，这个力就是侧向力 ( l a t e r a l f o r c e ) 。侧向 力垂 直于车 轮行 驶方向 上的 分 量 成为 侧偏力 ( c o rn e r i n g f o r c e ) 。 如果 侧偏角很小， 这 两个力可视为等同。侧偏力企图 使车轮平面与其运动方向相重合。侧偏力与轮 胎托迹的乘积是回正力矩的主要因素2 8 1 很多因素影响轮胎的侧偏特性。 作用在轮胎上的垂直载荷对轮胎的侧偏特性 有显著影响，对确定的侧偏角，侧偏力通常随垂直载荷的增加而增大，然而侧 偏力与侧偏角间的关系是非线性的。图 2 .2 , 2 .3分别是侧偏力与侧偏角、侧偏 角 与 回 正 力 矩 的 关 系 2 9 ,3 01 图中我们看到当侧偏角很小时如 3 - ，侧偏力和回正力矩都与侧偏角近似成 正比。大于该角度时，侧偏力缓慢增加，并接近道路附着极限，轮胎开始侧滑， 回正力矩下降。另外载荷大、胎压低会增大轮胎与路面的接触面积且增加轮胎 托迹，使侧偏力和回正力矩增大。 另外侧偏力产生回正力矩相对于侧偏角响应可以 用i 阶惯性环节来近似s 1 对回正力矩动特性的研究请参考文献【 2 6 . 一一一一一一一一一一一一一一鱼赴塑 k*_1 ,a t*4 i ie 文 8一1 6 ( 卜es es， es se 一尸 一 一 ，一 一 ， 尸 f 洲二l 7 . 1卜 卜 一一厄习 卜一一1，八1 矛 广 / 门曰目 口口 2 .3 岁 芬 一 创口 州曰 1 . 1 卜 / 2产、 冷 =7 . 1 c n 冷 5 .9 、 l l 3 . 6 灸r 、 止 2 .3 矛 、 ，卜 电乏卜 1 .1 侧偏角a侧偏角a 图2 . 2图2 . 3 另外轮胎的外倾角与外倾侧向力也对回正力矩有一定影响， 但通常由 侧偏力 产生的回正力矩要大的多 2 8 1 ( 二)影响回正力矩的其他因素 汽车的驱动力对回正力矩有显著影响。 一般说来，当 侧偏角一定时， 驱动扭 矩使回正力矩增加，而制动扭矩的影响则相反。 路面的状况( 潮湿还是干燥) 会对回正力矩有影响。 通常考察干燥的柏油路、 湿的 柏油 路、 草地、 沙石路 面、 雪 地路 面、 光滑的 冰层等情况2 9 ,3 0 1 另外浮水打滑、 前轮摆振对回正力矩的影响也会明显的反应在驾驶员从方向 盘感知的转向 力矩上。 总之， 回正力矩主要是由 轮胎的侧偏特性引 起， 地面附 着情况对侧偏力的改 变会引 起回正力矩的改变，轮胎压力和载荷的改变引起轮胎托迹改变也会影响 回正力矩。而这些改变是无法用统一的数学模型描述的，是时变的非线性的。 这些不确定因素的存在对动力转向系统设计中的操纵稳定性提出了要求。 2 . 1 .3 有关负载的假设 驾驶员通过对方向盘的操纵经由转向系统控制汽车转向轮的角度达到控制 汽车行驶路线的目的 车轮与地面的摩擦力 无助力时驾驶员需要克服回正力、转向系统的摩擦力和 由前面所述，这些力有着无法确定的因素。我们对静止 和运动汽车的负载特性分别描述。 在 特定的 轮 胎 和 路 面 条 件下， 对于 静 止的 汽 车，转向 系统 负 载 作 用 力瓜可 第二章 转向系统的负载特性与模型 以由以下等式近似获得 q , 蝙 = z k . s n l , k w3 1 2 t s . =吮 ，下气 下 了 3 p. . ( 2 乃) 其 中 ，是 主 轴 扭 矩 ， k 是 表 面 摩 擦 系 数 ， w 是 汽 车 一 个 轮 子 的 重 量 ， p 是 轮 胎 压力，: 是轮胎个数，n 是悬挂几何因数 ( 它将主销扭矩转化为横拉杆作用力) ， 1 是过载因数。 考虑在汽车行驶条件和环境 ( 车速和路况等)不改变时，驾驶员不过快的操 纵方向盘的情况下，忽略转向系统的间歇特性，对转向系统负载特性提出以下 几点假设: 1 ) 转向系统需要克服一个弹性力，该力与转向 横拉杆的位移成正比; 2 ) 转向系统的摩擦力和轮胎与地面接触部分的摩擦力仅与横拉杆位移的导数 成正比，与其高阶导数无关; 3 ) 环境与条件改变时， 特别是车速变化时，1 )中涉及的弹性系数和2 ) 中涉及 的摩擦系数发生变化。 综合以上假设，由 负载产生的作用力f t r 可以由 ( 2 . 1 )式表示: 瓜 = k v x + b , x ( 2 . 1 ) 其中: x 为转向横拉杆位移; 价 为转向系统负载弹性系数; b ， 为转向系统负载阻 尼系数。 下标采用 “ v ” 是考虑了车速对参数的影响最大。 通常忽略负载阻尼系 数。 2 . 2 转向系统动力学模型 研究模型的目的首先是为了了解系统参数对系统动态特性的影响; 其次就是 以模型为基础设计控制策略进行反馈控制，使系统满足很好的动态特性。 2 . 2 . 1 机械转向系统模型 我们研究齿轮齿条机械转向系统 ( 图 2 .4 )包括:转向盘转向柱、转向横拉 杆以及助力小齿轮。驾驶员操纵方向盘的操作扭矩通过转向小齿轮作用到转向 横拉杆上，另外还需要克服方向盘扭杆的摩擦和为方向盘加速转动提供能量; 转向横拉杆通过转向梯形转动转向轮，同时由于摩擦消耗能量。系统可由如下 运动方程描述: r d 一 k ,. ( b ,. 一 x , / r , ) 一 b , b . + f , ( 0 , )( 2 . 2 ) 一 一 一一一韭墓复亘左赘 尝醚 些一 位4t l_ _ _ m x = ( b , 一 x , / r , ) k , / r ， 一 b x 。 一 f n r + f ( x , ) ( 2 . 3 ) 其中x m , b 是转向 横拉杆的 位移、 质量和阻 尼系数;a s , j s , k s , b s , r : 分别是方向盘转动的角度、转向管柱的转动惯量、刚度、阻尼系数和主动小 齿轮半径: k t m表示速度v 时等效的刚度系数。 r t r 是转向 横拉杆作用力， 它将 通过转向 梯形提供转向 轮的转动力矩，该力矩需要克服回正力矩。t d 是方向 盘 操 作 扭 矩。 ( 2 .2 ) 式 表 示 方向 盘 子 系 统 动 态方 程: ( 2 .3 ) 式 为 转向 横 拉杆 动 态方 程。 f f x 为系统的 非线性摩擦。 方向盘 + r d 1 9 1 凡 口 转向横拉杆 m, b k , 习一“ 图2 .4 : 齿轮齿条转向系统模型 忽略系统非线性摩擦，根据式 2 .2 )得到方向盘管柱子系统模型框图，如 图2 .5 所示。操纵扭矩 ( t d )和转向横拉杆位移 ( x )是该模块的输入，方向盘 转角 ( t h e t a s ) 是模块的输出。 方向 盘管柱属于机械转动系统， 方向盘及其管柱 转动惯量 ( j , ) 、 子系统总的阻尼 ( b ) 和方向盘管柱刚度 ( k s ) 是该子系统主要 参数。管柱的终端连接到转向 小齿轮上， 转向 小齿轮咬合转向 横拉杆的齿条， 小齿轮半径为 (