（光学工程专业论文）乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术和现代控制理论的发展，汽车技术正越来越电子化和智能化，乘用车电动 助力转向系统作为一种典型的机电一体化产品，正在成为轻型汽车转向的主流技术。电动助力 转向系统由电动机提供转向助力，控制单元根据车辆运行状态和驾驶员转向操作计算助力的大 小，使汽车在低速转向时具有良好的转向轻便性，高速时具有良好的稳定性。再加上电动助力 转向系统具有节能环保、提高车辆主动安全性和稳定性等诸多优点，正逐步替代液压助力转向 成为转向领域的主流技术。本文以作者参与的某开发车型为研究对象，研究了电动助力转向系 统的结构设计、系统匹配、模型建立、控制方法以及仿真研究等。主要工作如下： 首先，作者在对国内外电动助力转向系统资料进行系统研读分析的基础上，对e p s 系统的 组成结构、工作原理、性能特点和发展现状进行了阐述：根据开发车型的特点及性能参数对e p s 系统进行选型匹配，并基于c a t i a 平台对e p s 系统进行了结构设计和装配。 其次，系统学习了多体系统动力学及虚拟样机技术，并对机械系统动力学仿真软件a d a m s 的使用做了相关介绍。在此基础上利用a d a m s v i e w 模块建立了装备有e p s 系统的整车多体动力 学模型，模型包括前麦佛逊式悬架、后多连杆式悬架、转向系统、前后车轮及路面谱等。运用 所建模型进行了稳态转向试验的整车仿真。研究了电动助力转向系统的受力关系并建立了数学 模型，结合所建立的数学模型确定了一种车速感应型助力特性曲线，然后对e p s 系统的模糊控 制、补偿控制等进行了相关研究。为后续验证该e p s 系统对开发车型助力效果的改善作用打下 理论基础。 最后，讨论了a d a m s 软件与m a t l a b 软件的联合仿真方法，在姒t l a b 软件中建立控制模型， 结合前面建立的a d a m s 整车模型进行了机电一体化联合仿真分析，仿真分别采用了角阶跃工况、 双移线工况和蛇形工况。仿真结果表明e p s 系统助力效果明显，整车的操控稳定性得到了明显 改善。 关键词：乘用车，电动助力转向，多体动力学，仿真。 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 a b s t r a c t a u t o m o t i v et e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gt o w a r dt 0 e l e c 仃o n i c a l 锄di m e l l i g e n t ，e l e c t r i cp o w e r s t e e 血gs y s t e mw i l lb em em 痂1 s 缸锄t e c h n o l o 斟i ns t e e r i n ga r e a 弱a 蛳i c a lm e c h 砷o n i c sp r o d u c 乜 i nt t l e 如t u r e t h e 舔s i s tt o r q u ei sp r o v i d e db ym o t o rd i r e c t l yi ne p ss y s t e m ，w h o s ev a l u ei sa c c o u n t e d b ye c u c o r d i n gt 0 廿l es t a t i l so ft h ea u t o m o b i l em o v e m e n t s 觚d 荫v e r sh 锄d l i n g ，t l l i sc 趾m e e t t h e r e q u i r e m e n t so ft l l ee x c e l l e n tm a n e u v e r a b i l i t ) ，f o r l o w s p e e da n d t i l es 讪i l i 锣 f o r h i 曲 s p e e d 0 t l l e r 、) i ，i s e ，e p sh t l l ea d v a 啦e so fs a v i n g 如e l ，p r o d u c i n gl e s sp o l l u t i o i l s ，i i i l p r 0 v i n gd r i v i n g s e c 面t y 锄d 鼬i l i 戗i ti sb e c o m i n g 廿l en e wd e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o ra u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g 1 1 1 t h j sp 印e r l ea u 恤o ri r l 、，o l v e di nt i l ed e v c l o p m e n to fo n em o d e l ，e x 锄i 鹏dm es 打u c t i l 】r eo fe l e c t r i c p o w e rs t e e 血gs y s t e md e s i 印，s y s t e mm a t c h i n g ，m o d e lb u i i d i n 舀c o i l 们l 锄ds i i i l u l 撕o ns t i l d i e s ，m e m a i l l 咖d y w 0 i k i s 弱f o l l o w s f i r s t l y ；恤 a u m o rd e s c r i b e dl ee p s s y s t e ms 仃i l c t u r e ，w o 憾n gp m c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ， d e v e i o p m e m 锄dc u m n ts 觚sb 鹊e do nt l l es y s t e m a t i cs t u d yo f t l l ee i e c 仃i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m d a 诅m a t c h i n gf o re p ss y 咖mb 弱e d o nt l l ec h a r a c t e r i s t i c s 孤dp e 而m 锄c ep a 豫i n e t e r s ，m es 仰c t l 鹏 d e s i 印o f e p sa n dt 1 1 e 鹊s e m b l yw e r em a d eo n 1 eb a l s i so fc a t 认 s e c o n d l y ，m ea u m o rs t u d i e d 廿l em u l t i - b o d ys y s t e l nd y n 锄i c s 锄dv i m l a lp r o t o t ) p es i l i l u l a t i o n t e c 量l i l o l o g 如t l l em e c h a n i c a ls y s t e md y i l 锄i c ss i m u l a t i o ns o f h v a r ea d a m s i sa l s 0d e s c r i b e di nd e t a i l o nm i sb 勰i s ，t l l ea u 吐l o ru s ea d a m s e wt oe s t a b l i s ham o d e lo ff i l uv e h i c l ee q u i p p e dw i t l le p s ， 廿屺n l o d e li i l c h l d i n gm a c 】p h e r s o n 勺p e 舶n ts u s p e n s i 叽，r e a rm u l t i - l i i l ks u s p e n s i o n ，s t e 嘶n gs y s 钯m s ， c h 舔s i ss y s t e m s ，硒t 狮dr e a rw h e e l s 锄dr o a ds p e c t r l l i n t i l e nu s em i sm o d e ld o i l l gas t e a d y - s t a _ t e s i m u l a t i o no fv e h i c l es t e 鲥n gt e s t s f u t h e r am a t h e m a t i c mm o d e lw 嬲b u i l d e db 雒e do ns t u d yo ft 1 1 e f o r c er e l a t i o l l s ，c o m b i l l e dw i t l l 廿l em a t h e m a t i c a lm o d e lt od e t e m i n eas p e e d - s e n s i n gp o w e rc u r v e ， t l l e nm a d e s o m er e s e a r c ho nt 1 1 ef u z 巧c o n t r 0 1 ，t h ec o m p e n s a t i o nc o n 仃o la n ds oo n f i n a l l y ，t h ec o - s i m u l a t i o nm e t l l o do fa d a m sw i t hm a t l a bi si n 仃o d u c e d c o n 仃0 1m o d e li s e s t a b l i s h e di nt l l e 认t l a b ，ac o - s i m u l a t i o ni si n v e s t i g a t e dc o m b i n e dw i t l l 廿l ea d a m sm o d e l s i m u l a t i o nu s et 1 1 ea i l g u l a rs t e pc o n d i t i o n s ，t 、】l ，o 仃a j l s f e rl i n ec o n d i t i o n sa 1 1 ds na ：k ec o n d i t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e 也a tm ee p ss y s t e mb o o s t e re 低c ti so b v i o u s ，m eo p e r a t i o n a ls t a b i l 对o ft h e v e l l i c l eh a sb e e ni m p r o v e d k 蚋7 0 r d s ：p a s s c n g e rc a r ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，m u l t i b o d yd y i l 锄i c s ，s i m u l a t i o n 1 i 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 图表清单 图1 1 电动助力转向类型3 图1 2 电动助力转向系统结构图4 图2 1 三种助力特性曲线1 0 图2 2 直流电动机机械特性曲线1 3 图2 3 扭矩传感器1 4 图2 4e p s 系统装配图1 5 图2 5 助力电机带减速机构装配体1 5 图2 6 传感器壳体1 5 图2 7 减速机构壳体1 5 图3 1 车辆坐标系2 2 图3 2 前悬架模型2 3 图3 3 主销内倾角2 3 图3 4 车轮外倾角2 3 图3 5 主销后倾角2 3 图3 6 前轮前束2 3 图3 7 前轮距2 4 图3 8 后悬架模型2 4 图3 9 车轮外倾角2 5 图3 1 0 后轮前束2 5 图3 1 1 后轮距2 5 图3 1 2 前悬架带转向系统模型2 6 图3 1 3 底盘系统2 6 图3 1 4 整车动力学模型2 9 图3 1 5 质心运动轨迹图3 0 图3 1 6 转向速度曲线3 0 图3 1 7 侧倾角与侧向加速度关系曲线3 1 图3 1 8 转向半径比与侧向加速度关系曲线3 1 图3 1 9 前后轴侧偏角之差与侧向加速度关系曲线3 1 图4 1 轴助力式e p s 系统模型3 3 图4 2 转向盘正弦输入3 6 图4 3 驾驶员模型3 6 v l 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 4 助力特性曲线3 7 图4 5p i d 控制系统原理框图3 8 图4 6p i d 控制模型图4 0 图4 7 电流仿真结果图4 0 图4 8 原地转向仿真4 1 图4 9 不同车速下转向性能仿真4 1 图4 1 0 参数自调整模糊p i d 控制器原理框图4 2 图4 1 1 输入输出隶属度函数4 3 图4 1 2 输入量与输出量关系曲面4 4 图4 1 3 参数自调整模糊p i d 控制器4 5 图4 1 4 跟踪响应曲线4 6 图4 1 5 阶跃输入下横摆角速度响应曲线图4 6 图4 1 6 补偿前扭矩频率特性图4 8 图4 1 7 补偿后扭矩频率特性图4 8 图4 1 8 补偿前阶跃响应曲线4 9 图4 1 9 补偿后阶跃响应曲线4 9 图4 2 0 惯性补偿控制5 0 图4 2 1 阻尼补偿控制5 l 图4 2 2 回正补偿控制5 1 图5 1 状态变量5 4 图5 2 控制参数设置框图5 4 图5 3a d a i i l s s u b 模块5 5 图5 4e p s 联合仿真框图5 5 图5 5 模型参数设置5 6 图5 6 角阶跃仿真路线图5 7 图5 7 转向盘角阶跃曲线5 7 图5 8 横摆角速度响应对比图5 7 图5 9 车身侧倾角响应对比图5 8 图5 1 0 双移线仿真路线图5 8 图5 1 1 方向盘转角时域图5 9 图5 1 2 侧向加速度时域图5 9 图5 1 3 横摆角速度时域图5 9 图5 1 4 车身侧倾角相对于侧向加速度的变化曲线6 0 图5 1 5 蛇形仿真路线图6 0 图5 1 6 转角时域图6 1 v i i 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 图5 1 7 转矩时域图6 1 图5 1 8 横摆角速度时域图6 1 图5 1 9 侧向加速度时域图6 2 图5 2 0 车身侧倾角时域图6 2 表3 1 整车模型参数2 1 表3 2 车轮定位参数2 1 表3 3a d a m s 轮胎类型概述2 7 表3 4 轮胎特性参数2 8 表4 1 仿真模型参数4 0 表4 2 模糊规则表4 5 v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 l电动机的目标电流m ，齿条及齿轮的等效质量 ， 电动机的最大工作电流t等效弹簧的弹性系数 一m a x 乃 转向盘的输入力矩 6 ， 齿条的阻尼系数 乃。 开始助力时转向盘输入力矩x r齿条的位移 乃一 最大助力时转向盘输入力矩 名 小齿轮半径 k助力特性曲线系数l转向阻力 乃。 折线型拐点处输入力矩b路面的随即信号 k ，如， 折线型助力特性曲线系数 3 m 电动机的转动惯量 ( 乃) 助力增益吃电动机粘性阻尼系数 丁 电动机最大输出扭矩 吃 电动机转角 一m m 舣 z 最大转向阻力矩 k m 电动机输出轴的刚性系数 m a x g p 转向系角传动比 m r 减速机构等的当量质量 g m 减速机构传动比 b r 减速机构等的当量阻尼系数 m “ 转向盘最高转速 k r 齿轮齿条等的等效弹性系数 j s 转向输入轴等效转动惯量 吒 延迟时间 b s 转向轴的粘性阻尼系数 k p ，k i ，k d 比例、积分、微分系数 k s 扭力杆的刚性系数 乃 积分时间常数 馋 转向输入轴转角 已 微分时间常数 五 转向盘上的转矩 k j 惯性补偿系数 包 转向输出轴转角 电动机角速度 j e 转向输出轴的转动惯量 3 r 惯性补偿与比例的系数乘积 b e 转向输出轴的阻尼系数 k d 阻尼补偿系数 t 转矩传感器测得的转矩 d 卅 电动机粘性摩擦系数 g 减速机构减速比 a f 回正补偿电流幅值 乙 电动机输出转矩 瓦输出轴上的反作用转矩 i x 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 缩略词 缩略词 英文全称 e p se l e c 仃i cp o w e rs t e 喇n g x 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 系统概述 转向系统是乘用车系统中的一个重要组成子系统。作用是保持或者改变车辆行驶的方向， 并且保证车辆转向行驶时各转向轮之间拥有协调的转角关系。车辆转向功能的实现是通过控制 转向盘及相关的转向传动机构，将转向意志传导给转向轮，使转向轮绕主销转动来达到转向目 的。同时凭借转向盘的力反馈，将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员，驾驶员根据反 馈及观察到的车辆运动状态进行有效的控制，使汽车按照驾驶员的意图来运动。转向系统设计 的好坏直接关系到整车的操纵稳定性和行驶舒适性，性能优良的转向系统更是能够确保行车安 全和改善乘车环境。因此，在设计车辆的转向系统时，要求其工作安全可靠，操纵轻便，能够 适应不同工况，能够根据不同的行驶条件和速度，为驾驶员提供良好的路感反馈。 转向系统的演变经历了五个基本阶段，它们分别是纯机械转向、液压助力转向、电控液压 转向、电动助力转向和线控助力转向。 纯机械转向的动力来源是驾驶员的体力。它包括转向操纵机构、转向传动机构和转向器三 大部分，其所有的传力部件都是机械的。优点是工作可靠、结构简单以及成本低廉。但是在转 向操纵负担比较重的汽车上，纯机械的转向系统就显得较为笨拙，原因是在相同的转向力条件 下，为了获得较大的扭矩，就需要加大转向盘尺寸，而转向盘尺寸加大后，驾驶室就会变得拥 挤；但是不加大转向盘尺寸，又得不到足够的扭矩，转向活动就会变得异常困难。因此，现代 汽车上纯机械转向系统的应用较少。 液压助力转向是在纯机械转向系统上增设液压助力装置，兼用驾驶员体力和液压力作为动 力来源。液压助力装置由液压泵、油管、压力流量控制阀、传动皮带、油罐等组成。优点是能 根据转向需要制定相应的助力特性曲线，为驾驶人员提供转向助力：缺点是助力特性曲线一旦 确定就不能修改，且系统始终处于工作状态，能耗高，而且液压系统容易泄漏，转向助力不容 易控制等。针对液压助力转向的缺点，人们又研究了电控液压助力转向，该转向系统虽然克服 了助力不能实时调节的问题，节省了发动机的燃油能耗，但液压系统在布置、密封和高能耗等 方面的固有缺憾仍然无法根除。 电动助力转向通过电动机提供助力转矩来协助驾驶员进行转向。它很好地解决了转向轻便 性与转向灵活性之间的矛盾，提高了车辆的主动安全性和舒适性，是现代汽车转向系统的发展 方向。电动助力转向在国外的发展开始于上世纪九十年代末，它弥补了液压助力转向的固有缺 憾，具有节能、环保、高效、易于布置等诸多优点，因此，研究电动助力转向具有一定的现实 意义，已经被我国列入了高科技产业项目之一。 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 线控助力转向是伴随着电子和控制技术的不断发展而出现的。它取消了转向盘与转向轮之 间的机械连接，改变了传统转向系统的传动方式，完全依靠电能来实现转向动作。理论上是可 以自由设定汽车转向系统的角传递特性和力传递特性的，但是无论从系统的安全性还是可靠性 等方面来说，线控助力转向系统都还处于研发阶段，存在安全隐患，需要经过更多的理论研究 和技术验证。 1 2 电动助力转向系统的特点和分类 在行驶时转向阻力矩不是很大的轻型汽车中，电动助力转向的使用不但能使驾驶员更加灵 活地操控汽车，而且还能很好地弥补液压助力转向的固有缺憾。电动助力转向综合了现代控制、 现代电子和机电一体化等技术，具有如下诸多优点： ( 1 ) 降低了能源消耗。液压助力转向需要由发动机来驱动液压泵提供液压油，由转向控制 阀来控制液压油是否进行助力。汽车发动机工作期间液压泵需要一直运转，浪费大量能源。而 电动助力转向采用蓄电池供电，通过电动机提供转向助力，电动机只在需要转向时接通电源， 节约了大量能源，其燃油消耗率仅相当于液压助力转向的2 0 左右。 ( 2 ) 减小对环境的污染。电动助力转向采用电力作为能源，并且不存在液压系统的噪声污 染，液压油泄露污染等问题。同时，电动助力转向取消了液压泵、皮带、密封件、油管、液压 油等不可回收的配件，从而进一步避免了污染。 ( 3 ) 系统结构简单。电动助力转向的零部件数量少，结构较紧凑，占用的空间又不大，且 系统不需要与发动机相连，因此在车辆上的布置比较方便。 ( 4 ) 可控性高。对于不同的车型( 主要是轻型汽车) 和使用要求，在基本上不变动硬件的 条件下，只要改变软件，就能满足性能要求，调整和检测更方便。 ( 5 ) 转向跟随性好。电动助力转向通过电动机产生助力转矩，经机械传动作用到车轮，不 存在液压系统中的迟滞效应。因此，转向跟随性得到了提高。 ( 6 ) 可靠性好。即故障率低。电动助力转向直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电， 即使在发动机熄火或者出现故障时电动助力转向仍能提供转向助力。电动助力转向具有低温工 作能力，且不存在液压助力转向中常见的液压油泄露问题。 ( 7 ) 提高了操纵稳定性。电动助力转向根据传感器测得的转向盘力矩信号和车速信号等， 经过e c u 分析，对电动机发出指令，提供助力转矩。在不同情况下，助力转矩可以达到最佳值， 此外电动助力转向还可以对车轮的回正进行控制，获得最佳的回正特性。 ( 8 ) 节约生产成本。电动助力转向零部件数量少，制造成本低。可通过编制不同的控制程 序使系统具备不同的助力特性，能与不同车型进行快速匹配，缩短了生产开发周期，节约了生 产成本。 电动助力转向按电动机的布置位置可分为三种形式，分别是转向轴助力式、齿轮助力式和 2 南京航空航天大学硕士学位论文 齿条助力式。如图1 1 所示。 管柱助力式( c e p s )小齿轮助力式( p - e p s )双齿轮助力式( p - e p s ) 齿条助力式( r - e p s ) 齿 图1 1 电动助力转向类型 ( 1 ) 转向轴助力式：转向助力机构安装在转向管柱上。当驾驶员转动转向盘时，传感器将 测得的转矩信号和车速信号等送入电控单元，电控单元通过控制直流电动机的电流来调节助力 转矩的大小。助力转矩经离合器、减速机构和转向传动机构传给转向器。 ( 2 ) 齿轮助力式：转向助力机构安装在转向器齿轮处。这种布置方式与转向轴助力式相比， 可以获得更大的转向助力，适用于中型车，但是在助力特性的控制方面增加了难度。 ( 3 ) 齿条助力式：转向助力机构安装在转向齿条处。电动机通过减速机构直接驱动转向齿 条。这种布置方式的电动助力转向提供的转向助力最大，适用于大型车，但它需要对原有的转 向传动机构作较大改变。 本文所验证车型为基于a 0 平台的微型车，对转向助力矩的要求不是很大，因此选用转向轴 助力式电动助力转向系统为本文研究对象。 1 。3 电动助力转向系统的组成与工作原理 电动助力转向系统的组成有驱动电机、减速机构、传感器、控制器及机械转向器等。 ( 1 ) 驱动电机。电动机的性能对电动助力转向有很大影响。它根据控制器的指令输出相应 的助力转矩，因此，既要求电动机具有低转速大转矩、小波动、小转动惯量、高可靠性及易控 制等特点；又要求电动机具有尺寸小、质量轻等特点。 ( 2 ) 减速机构。电动助力转向的减速机构由一系列的涡轮蜗杆机构或者行星齿轮机构与离 合器组合而成。它的作用是降低转速增加扭矩，并且需要时切断助力。 ( 3 ) 传感器。电动助力转向所用到传感器主要包括车速传感器和转矩传感器等。它们的作 铽么 叁 ， 一 a 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 用是测量车辆的车速信号和驾驶员输入的转矩信号。传感器是电动助力转向系统的关键技术之 一，主要的型式有电感式、电位计式和光电式等。 ( 4 ) 控制器。控制器的作用是根据传感器测得的车速信号和转矩信号，通过内置的控制程 序对信号进行分析和计算，根据计算结果发出控制指令，控制电动机助力。控制器控制电动机 的助力矩大小，使其在每一种车速下都可以输出最优化的转向助力矩；当车速超过一定范围时， 控制器会切断电动机的电流，并控制离合器分开，确保行车安全：当转向器偏转至最大时，电 动机电流将达到最大值，为避免烧坏电动机组件，控制器会设置一个临界控制状态，防止电流 过大；控制器具有自诊功能，当系统中存在故障时，控制器会根据故障代码采取必要措施，甚 至控制离合器分开，确保系统安全可靠。 脉冲 图1 2 电动助力转向系统结构图 当驾驶员转动转向盘时，转矩传感器会检测到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信息通 过数据总线发给控制器，控制器会自动分析转向盘转动力矩、拟转动方向及车辆速度等数据信 号，根据具体的需要向电动机发出动作指令，电动机就会输出相应的转动力矩和转动方向。当 不转动转向盘时，控制器不向电动机发出动作指令，系统处于休眠状态，等待调用。当车速超 过一定的范围值或者系统出现故障时，e p s 会停止工作，同时离合器切断助力传递，以避免机 械转向系统受电动机惯性的影响。电动助力转向系统可以实现不同工况下提供不同的助力转矩， 保证车辆低速转向轻便灵活，高速行驶稳定可靠。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外发展及研究现状 4 南京航空航天大学硕士学位论文 国外的汽车工程师在上世纪5 0 年代就提出了电动助力转向的概念，但是限于当时的技术条 件，这一概念没有得到实现。电动助力转向系统的实质性发展是从上世纪8 0 年代开始的，1 9 8 8 年，日本铃木公司第一个实现e p s 的商业化。随后，日本的本田汽车公司、三菱汽车公司、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 公司等都相继开展了e p s 的研究工作并先后 研制出自己的e p s 产品。 起初，e p s 因为占用空间小，主要应用于微型汽车上。然而随着e p s 技术的日趋完善，目 前中型货车和中级轿车上也广泛采用效率更高、适应性更强的电动助力转向系统。早期的e p s 仅仅在车辆低速和原地转向时提供助力，高速时停止工作，一般称为低速型e p s 。现在的e p s 不仅在低速和原地转向时提供助力，而且在高速时还能提供转向阻力，提高汽车的操纵稳定性， 称为全速型e p s 。 在e p s 的技术研究方面，日本和韩国的学者开展研究比较早。e p s 技术研究经过二十多年 的发展，已经日趋完善。国外对于e p s 的研究文献也比较充足，主要集中在对e p s 的路感、控 制方法和控制策略、建模与仿真等研究。 控制系统是e p s 中十分重要的内容，国外在e p s 的开发研究中，对控制系统的研究做了多 方面的工作。j s c h e n 对电动助力转向系统的助力传递特性进行了研究，提出了固定转向盘计 算负载频率响应的研究方法。分别针对高频和低频两种情况，采用补偿控制的方法分析了e p s 工作中遇到的惯量、阻尼和摩擦，并对其进行补偿，得到补偿电流，与助力特性电流共同构成 目标电流n 1 。日本的t a l l a k a 等人研究了一种能使车辆在冰雪路面上保持稳定不易侧滑的转矩直 接控制方法，改善了车辆的转向性能幢1 。韩国的j i h o o nk i 和j a e b o ks o n g 研究了采用回正 控制和阻尼控制后e p s 控制性能的变化，提出了直接控制转向盘转矩的控制策略，并通过试验 验证了该控制策略，结果证明转向盘的回正特性得到了提高1 。日本的s h u i c h 认d a c h i 与 y u k i h i r of u j i w a r a 等人研究了e p s 系统的控制问题，通过增加转向盘转角信号作为e p s 控制 系统的第二输入量，来增强e p s 对路况的跟踪能力h 1 。美国的d e s a i ，a l ie m a d i 针对e p s 中常 用的无刷直流电动机的工作原理、优点和控制方法进行了相关研究哺1 。 日本的三菱公司对电动助力转向系统的控制策略做了多方面的研究。首先，三菱公司的 m a s a h i k ok u r is h i g e 等人为了提高车辆低速或静止状态时的转向轻便性，提出了降低驾驶员操 纵转向盘转矩的控制策略。其次，他们还提出了一种估计轮胎与路面间的回正力矩的控制策略， 改善了车辆在湿滑路面上的回正特性和驾驶员对转向盘中心位置的路感。然后，他们基于对扰 动电压的估计和补偿，提出了一种防止转向盘抖动的助力电机电流的控制策略睁引。 路感的好坏关系到e p s 系统的转向性能，是e p s 技术研究的重点之一。三菱公司对路感的 研究作出了重大贡献，三菱公司的s h u n i c h iw a d a 和t a k a y u k ik i f u k u 等人研究了e p s 系统中 当电动机的输出较大，电动机的转动惯量和摩擦力矩不能忽略时，所造成的回正缓慢和路感损 失等问题一。 5 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 在建模与仿真方面，美国的y g l i a o 和h i d u 等人运用a d a m s 动力学仿真软件建立了基于多 刚体理论的整车动力学模型，运用m a t l a b 数值分析软件建立了e p s 的控制系统，并进行了联合 仿真。 1 4 2 国内研究现状 目前，国内的电动助力转向系统应用情况还没有国外普遍，其主要原因还是由于国内开展 e p s 系统及其控制技术的研究比较晚。1 9 9 2 年， 国内多家高校和相关企业也相继开展研究工作， 清华大学率先进行了e p s 的性能研究，此后， 并取得了一系列成果。但是，目前国内的有关 研究主要还是建立在引进国外技术的基础上进行，对于一些e p s 系统中的关键技术，如e c u 、 传感器、控制技术等，由于国外的技术封锁，国内技术距离国外先进技术还存在一段不小的差 距，有待于进一步深入研究。2 0 0 0 年9 月，e p s 被列为汽车零部件的“高新技术产品”之一。 人们也普遍认识到e p s 的优越性，e p s 正逐步取代液压助力转向系统成为未来转向系统的发展 方向，e p s 的市场正在持续快速增长，并将在不久的将来占据主导地位。目前，国内的电动助 力转向系统生产厂家主要有株洲易力达机电公司、荆州恒隆汽车转向器有限公司、浙江世宝汽 车转向器有限公司等，装备有e p s 的车型主要有昌河北斗星、吉利熊猫和金刚、广本飞度等。 随着e p s 技术的日趋成熟，应用也将日趋普遍。所以e p s 具有非常广阔的应用前景。 在e p s 的技术研究方面，国内主要集中在系统试验台、系统匹配设计、系统建模、驾驶员 路感、控制系统仿真、转矩及电流的补偿控制、车辆转向性能的评价等领域。 清华大学汽车工程系的季学武等人研究了e p s 系统的跟随性，认为助力转矩的偏差值是e p s 跟随性和驾驶员转向路感的重要参考，而引起助力转矩偏差的主要原因是转向盘转矩和转向轴 的转动噪声。并随后开发了非接触式转矩传感器n h 刳。季学武，马小平等还对e p s 的性能进行 了试验研究，并将研制出的e p s 样机与进口产品进行了装车试验对比u 引。 北京理工大学的林逸，施国标等人研究了e p s 的结构和工作原理，构建了基于 m a t l a b s i 删l i n l ( 的仿真模型，并采用p i d 和直流斩波控制策略对电动机目标电流进行闭环跟 踪控制u 引。他们还在分析e p s 对汽车转向性能影响的基础上，从不同方面探讨了e p s 转向性能 的评价指标m 1 。 上海汽车集团的孟涛等人针对e p s 低速回正性差，高速回正超调的现象，提出一种新型的 回正与主动阻尼控制策略u 副。合肥工业大学的陈无畏等人提出了e p s 的模糊自调整控制方案n 引。 华中科技大学的刘照，杨家军等运用现代鲁棒控制理论探讨了e p s 系统的稳定性和抗干扰性n 引。 武汉理工大学的容一鸣等人研究了e p s 系统扭矩信号的补偿控制，扭矩传感器的开发n 。重庆 交通大学的牛继高等人给出了e p s 电流控制的基本方法和控制策略啪1 。江苏大学的徐建平等人 设计了一种对转向盘转角进行估计的控制算法，提高了e p s 的回正性能憎“。 本文所研究的车型后悬架为多连杆悬架。因此，需对多连杆悬架的虚拟样机建模进行学习 6 南京航空航天大学硕士学位论文 研究。一汽轿车股份有限公司的吴红艳等人在a d a m s 中建立了2 个自由度的e 型多连杆独立后 悬架模型，并对其进行了运动学分析，结果表明该设计有利于增加汽车横向稳定值，减少轮胎 磨损乜引。上海工程技术大学的黄虎等人根据某车型的后多连杆悬架建立仿真模型，进行了车轮 定位参数的模拟仿真乜3 l 。 1 5 研究的意义 电动助力转向系统是车辆转向系统发展的必然趋势。从1 9 5 0 年通用汽车公司提出e p s 的创 意开始，随着汽车工业的发展，特别是随着现代控制技术和电子技术的发展，e p s 正逐步成为 现代汽车转向系统的理想产品。电动助力转向系统涉及传感器、微电子控制、计算机控制、电 力传动控制、智能控制、非线性控制、汽车工程及设计等研究领域，是一门综合运用多学科的 机电一体化产品。 目前，国外的e p s 产品已经从研发试用阶段进入到批量生产阶段了。其中，日本的k o y o 公司在1 9 8 8 年第一个实现了e p s 的商业化生产，并与t o y o t a 联合开发e p s ，主要供应s u z u k i 、 t o y o t a 。日本的n s k 公司自1 9 9 7 年起开始批量生产配套e p s ，2 0 0 4 年，n s k 的e p s 年产量超过 了2 0 0 万套，主要供应s u z u l 【i 。美国的d e l p h i 公司，1 9 8 5 年前完成实验室研发储备，1 9 9 5 年 因日本e p s 产品商业化而启动商业化工作，1 9 9 8 年开始批量生产，主要供应f i a t 、v l r 、o p e l 、 g m 等。美国的t 肼公司与英国的l u c a s 公司联合开发e p s ，也与2 0 0 0 年开始投产。另外还有德 国的z f 、b o s c h 、s i m e n s 、b e n z ，日本的s h o w a 、k a y a b a 、n i s s a n ，以及美国的m o t o r 0 1 a 和韩 国的m a n d o 等。 电动助力转向以其卓越的性能已得到人们的普遍认可，随着直流电动机技术的不断改进， e p s 的助力能力也将不断提高，并且相比于传统的液压助力转向系统，电动助力转向具有节能 环保、高性能、低成本、高效率等优点。因此，e p s 将成为汽车动力转向发展的主流趋势。研 制和开发具有自主知识产权的e p s 产品至关重要，因为这能大幅缩小与国外先进技术水平之间 的差距，进而在一定程度上提高我国汽车生产企业的市场竞争力。 从2 0 0 4 年到2 0 1 0 年，全球汽车市场对e p s 的需求呈现出快速上升的趋势。尤其在中国， 汽车产量的较快增长使得市场对e p s 的需求越来越大，加快研发e p s 产品具有广阔的市场前景 和巨大的经济效益。 1 6 研究内容 以无锡同捷汽车设计公司开发中的某型车为研究对象，开发与该型车相匹配的e p s 系统， 并进行模型仿真验证。 ( 1 ) 研究电动助力转向系统的组成及工作原理，学习多体系统动力学理论： ( 2 ) 分析所开发车型数模，从中提取各项参数，运用a d a m s 软件建立整车动力学模型进行 7 乘用车电动助力转向系统匹配与仿真分析 仿真，掌握a d a m s 建模仿真分析的一般步骤； ( 3 ) 研究电动助力转向系统的助力特性曲线，结合具体的车型参数匹配合适的e p s 系统参 数，建立e p s 系统的数学模型； ( 4 ) 研究e p s 的助力控制策略，运用m a t l a b s i i u l i n l ( 软件建立e p s 系统的控制框图： ( 5 ) 结合虚拟样机模型和控制系统模型，对e p s 系统进行联合仿真，并进行一系列相关的 动力学仿真试验和分析，验证所设计的电动助力转向系统与开发车型相匹配。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章e p s 系统的匹配研究 2 1e p s 整车匹配技术的发展 e p s 系统直接依靠电动机来提供助力矩，助力矩的大小受到电子控制单元( e c u ) 的控制。 e p s 系统相比于液压助力转向系统的一个主要特点是转向操作特性可以通过软件加以改进。这 是因为调节e p s 系统的助力特性是通过控制助力电流来实现的，而液压助力转向系统的助力特 性则是由阀的结构决定，调节困难。国外著名的e p s 生产厂商都有一套自己的e p s 系统匹配方 法，如k o y 0 公司的e p s 系统根据车速信号和转向盘转矩信号查找助力表格，得到该行驶工况下 的助力电流；并通过测量电机两端的电压和电枢电流对电机转速和角加速度进行估计，进而实 现对不同转向状态的判断和控制。其中，当电动机的电枢转动惯量稍大时，为提高紧急转向时 转向盘的快速跟踪性，需要进行惯性补偿控制；当转向系统内部摩擦影响到转向性能时，需要 进行摩擦补偿控制；为提高汽车高速行驶时的稳定性，又需要进行阻尼补偿控制。另外，为避 免电动机持续以较大电流助力时不会烧坏半导体器件，要求e p s 系统具有温度自我保护功能。 e p s 系统的匹配工作主要是对助力特性、电动机、扭矩传感器的匹配，将匹配好的器件装 配到目标车上，并通过调整助力特性曲线，实现合理的汽车转向特性。e p s 系统还应具有在线 故障诊断功能和