（光学工程专业论文）汽车电动助力转向系统特性仿真研究.pdf

摘要 汽车转向系统对汽车操纵稳定性有至关重要的作用。汽车转向系统已从传统机械式 转向、液压助力转向、电控液压助力转向，发展到今天的电动助力转向，未来还将过渡 到线控转向。现在比较流行电动助力转向( e p s ) 是一种依靠电动机直接提供转向助力 力矩的动力转向系统，主要优点在于电动机可根据驾驶员施加在方向盘上转矩和车速信 号通过微电脑控制提供相应的助力力矩，保证汽车回正迅速、准确，低速行驶时转向轻 便，高速行驶时稳定可靠，并且节约燃料，利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的 高新技术，也是汽车动力转向系统发展的必然趋势。 本文介绍了电动助力转向系统发展过程、工作原理、结构组成、主要类型及优势， 对关键技术和控制难点也作了说明，阐述了国内外对电动助力转向系统控制策略的研究 现状。 本文阐述了p i d 控制策略和电动助力转向系统三种基本控制方式：助力控制、回正 控制、阻尼控制，并对补偿控制做了说明。在此基础上对系统受力作了详细的分析，分 别建立汽车二自由度力学模型、转向阻力矩力学模型和电动助力转向系统力学模型。研 究电动机在比例控制和比例加微分控制下系统转向特性。在现有文献资料的基础上，论 述了汽车操纵稳定性和转向系统评价方法，对转向系统评价指标：转向灵敏度、路感、 系统稳定性进行重点分析，分别推导了转向灵敏度和转向路感的表达式。利用 m a t l a b 6 5 的g u i 平台开发仿真界面，编写相关程序得到转向灵敏度和路感的瞬态响应 和频率响应，对比分析了比例控制和比例加微分控制下控制参数对评价指标的影响，并 综合分析了系统其他参数对转向特性的影响，最后对系统稳定性做出评价。 关键词：电动助力转向系统，p i d 控制，转向灵敏度，路感 a b s t r a c t s t e 嘶n gs y s t e mp l a y sav i t a lr o l ei nt h ea u t o m o b i l ec o n t r o ls t a b i l i 够i th a st u 】m e d 如m s i m p l em a c m n e 巧s y s t e m ，h y d r a u l i cp o w e rs y s t e m ，e l e c 仃d n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mt oe l e c t r i cp o w e rs t e 甜n gs y s t e m e l e c t r i cp o w e rs t e 谢n gs y s t e m ( e p s ) i sp o p u l a r i n p o w e rs t e e r i n gs y s t e mw 1 1 i c hd i r e c t l yd 印e n d i n g o ne l e c t r o m o t o rt os u p p l y 私s i s t a n tt o n i l e i t c a i le a s i l yr e a l i z et 0s u p p l yd i 虢r e i l tp o w e rw h e nt h ev e l o c 时o fa u t o m o b i l ec h a i l g e d 觚d g u 越m t e em ea u t o m o b i l es t e e n gh 锄d i l ya n da g i l e l yi nl o wv e l o c i 吼m n n i n gs t e a d i l ya n d r e l i a b l yi nl l i 曲v e l o c i t y e p sh a st h ea d v a i l t a g e so fs a v i n g 如e l ，r e d u c i n go v e r a l lw e i 曲t ， i m p r o v i n gd r i v 证gs e c u 血ya n db e i n gi nf a v o ro fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e t c i ti s a m g h - t e c hw m c hf o l l o w sm o d e mv e h i c l ed e v e l o p m e n tt o p i cc l o s e l y t h et h e s i s 缸r o d u c e sm ed e v e l o p m e l l to fe p s 觚di t sf e a t u r e s 劬c t i o n ，t y p e sa i l d a d v a n t a g e s ，a i l dt l l ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t so fe p s ，叩e r a t i o n a lp n c i p l e s ，锄d c u 玎m t d o m e s t i ca n da b r o a dr e s e 扣ha l - ca d d r e s s e d h 1t l l ep a p t l l ep dc o n 仃o ls 仃a t e g ) ，o fe p ss y s t e ma r ed e f i n e d t 1 1 r e ee s s c i l t i a lc o n 仃o l m o d e so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n ga r ea l s os u g g e s t e d ：p o w e rc o n t i 0 1m o d e ，b a c kc o n t r 0 lm o d e ， d a m p i n gc o n t r o lm o d e b a s e do nt h ea i l a l y s i so fc o m p o n e n t so fe p ss y s t 锄a i l dt h es t e e r i n g s y s t e m ，如l lv 如c l em o d e lw i t h 铆od e g r e e so f 仃e e d o mm o d e l ，t i r em o d e l ，e p sd y n 锄i c s m o d e lw a sb u i l t t h em e m o dt 0e v a l u a t em eh a n d l i n gs 诎i l i 哆a n ds t e 丽n gs y s t e mi s s u m m 撕z e d a i l dm em 血p e r f 0 邝1 a n c ee v a l u a t i o nt a 昭e t so ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e ma r ea i l a l y z e d ：r o a ds e n s es e n s i t i v 时o fs t e 谢n ga j l ds t a b i l 时o fm a i l i p u l a t i o na r ea l s o a i l a l y z e d d e d u c i n gt h ee x p r e s s i o no ft h es e n s i t i v i t yo fs t e 耐n ga n dt h er o a ds e n s e u s e dt h e g u in a to fm a t l a bt 0 i n s p e c tm ee p ss y s t 锄p a r 锄e t e r s t ot h e 曲p a c to nt h e s e 帆o i n d i c a t o r s ，o nt h eb a s i so ft h e s em l e st h ea u t h o re s t a b l i s ht h es t a b i l i t yo fm a n i p u l a t i o n c n t e n a k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e 舐n gs y s t e m ，p i dc o n t r o l l e r s t e 耐n gs e n s i t i v 咄r o a df e e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歌枣炉 西年6 只弓b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：旅 导师签 泵淖 广l 3 劫。 珂年莎月岁日 习年告其 日 长安大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 汽车工业作为我国的支柱产业，在国民经济中起着重要的作用。汽车转向器作为汽 车的重要零部件，其性能的好坏直接影响着汽车行驶的安全性和可靠性。我国在发展汽 车零部件的政策规划中，已将转向器列为优先发展的2 5 种汽车关键零部件之一。随着 电子技术的迅猛发展，汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向( h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ) 、电控液压助力转向( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) ，发展 到电动助力转向系统( e 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) ，最终还将过渡到线控转 向系统( s t e e rb yw i r e ) 。 在国内e p s 已成为现代汽车新技术的研究热点。e p s 采用电动机直接提供助力，助 力大小由电控单元( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，简称e c l j ) 控制。它不仅能节约燃料，提 高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以经出 现就受到高度重视。国外各大汽车公司对e p s 的研究已经有2 0 多年的历史，但是很长 一段时间直都没有取得大的进展，其主要原因是e p s 的成本太高。然而近几年来电子 技术的突飞猛进，电子元器件价格的不断降低，大幅度降低e p s 的成本己成为可能，加 上e p s 具有一系列较之传统转向系统不可比拟的优点，使得它越来越受到人们的青睐。 所以e p s 具有非常广阔的应用前景。 1 2 国内外电动助力转向控制技术的研究现状 目前，e p s 技术同趋成熟，国外新生产的轿车一半以上都装备e p s 。国外研发生产 e p s 的企业主要有美国的德尔福( d e l p h i ) 、天合( t r w ) ，日本光洋( k o y o ) 、精工( n s k ) 、 昭和( s h o w a ) ，德国的采埃孚( z f ) ，英国的卢卡斯( l u c a s ) 等，它们都已具备大规模批量 生产的能力。由于技术保密等原因，国内对e p s 控制技术的研究工作刚刚起步，主要处 于试验室研发阶段。清华大学对电动助力转向控制系统的基本助力控制，回正控制和阻 尼控制进行了研究，设计了基于p i d 算法的控制策略，台架试验和道路试验表明所设计 的控制策略能够实现基本的转向助力功能，取得了阶段性的研究成果。吉林大学就e p s 的匹配设计、转向性能的客观评价进行了研究，探讨了e p s 助力特性与车型的匹配原则； 分析了电动助力转向对汽车转向性能的影响，提出从转向轻便性、转向回正性、转向盘 第一章绪论 中间位置区域性能、转向盘振动、随动灵敏度和助力特性等方面进行e p s 转向性能的客 观评价，并提出了相应的评价指标；设计了基本助力控制的增量式p i d 控制算法，并进 行了台架试验，试验结果证明了控制策略的有效性。华中科技大学在汽车转向力矩、转 向路感、e p s 的控制等方面进行了研究。分析了影响转向力矩的主要因素，对转向力矩 的测试曲线采用最小二乘法进行了解析拟合，为设计助力特性图提供了依据；对e p s 进 行了动力学建模，分析了影响路感的主要因素；采用基于混合灵敏度的设计方法，并利 用m a t l a b 软件的鲁棒控制工具箱，获得了满足干扰抑制和鲁棒稳定性要求的控制器， 仿真结果证实了控制器良好的鲁棒性能。江苏大学对e p s 参数对转向轻便性能、跟踪性 能的影响进行了研究。天津大学对e p s 的助力特性、随从特性、转向路感及系统稳定性 条件进行了理论研刭5 j 【2 1 1 。 1 3电动助力转向系统的关键技术及控制难点 电动助力转向系统与汽车操纵稳定性、转向轻便性、路感以及舒适性和安全性密切 相关。该系统的关键技术主要有：对汽车e p s 的数学模型研究、控制算法研究、助力特 性的研究。 许多参考文献在推导数学模型过程中忽略了其非线性环节，而且抛开汽车单独研究 转向系统，所建立的数学模型很难准确反映e p s 的实际动态特性，所以建立完善的数学 模型才能尽可能多的反映系统的动态特性。汽车的行驶工况多种多样，e p s 工作时不但 受到来自地面随机干扰和不确定因素的影响，同时还由于其一般安装在发动机附近，发 动机发出的热辐射与电磁干扰对整个系统会产生很大的影响。这些因素都对e p s 系统的 控制策略的选择提出很高的要求。随着p i d 控制理论、动态补偿理论、自适应控制理论、 鲁棒控制理论等控制理论的发展，为该系统的成功开发提供了有力的保障。助力特性关 系到转向轻便性与路感，目前国内外对路感问题的研究手段主要以试验为主。助力特性 是e p s 的控制目标，助力特性是否合理决定着e p s 的助力性能。e p s 的助力特性属于车 速感应型，主要分为全速型和低速型两种。全速型是指e p s 在任何车速下都提供助力； 低速型是指e p s 只有低速时才提供助力，当车速超过某一预定值时，e p s 停止工作。低 速型的优点是对系统的要求相对较低，缺点是不能改善汽车高速操纵稳定性。全速型的 优点是能改善汽车高速操纵稳定性，缺点是对系统的要求相对较高。 1 4 电动助力转向系统存在的主要问题及解决的方案 2 k 安人学硕i j 学位论文 e p s 系统包括三大部分：转向轴、转向器和电动机。考虑到可能的影响因素，该系 统的输入包括转向盘力矩、传感器噪声、路面扰动及各部件的非线性摩擦等，输出包括 电动机所需的助力力矩、电机转角、转向器位移、转向盘转角等。当前e p s 系统的控制 器的设计通常是建立在系统的简化和精确模型的基础之上，因此系统的鲁棒性较差。由 于模型的简化必然要带来模型的截断误差，同时系统精确的模型对环境的适应性差。e p s 系统对电动机的控制与常规的电动机控制不同，它不但需要考虑电动机的控制，更重要 的是必须满足e p s 系统的控制要求。 为了满足该系统的特性，控制系统的控制策略分为三种基本控制三种补偿，即助力 控制、回正控制、阻尼控制、摩擦补偿、阻尼补偿及惯性补偿。常规控制实现对转向系 统的助力，回正控制改善转向系统转向后的回正性能，阻尼控制可有效抑制电机的超调， 三种补偿克服了由于该系统的非线性因素所造成的电机响应慢、助力特性变差等不利因 素的影响。在控制系统中，实现控制的核心是准确求出助力特性，即转向盘力矩和电机 助力力矩之间的关系。不同车速时的助力特性不同。传统的解决办法是按照车速分段拟 合，得到不同车速所形成的曲线。使用该曲线计算会由造成一定的助力盲区，从而形成 一定的控制误差。 1 5 论文主要内容 本文首先对e p s 国内外现状作了分析，并阐述了该系统的关键技术和存在的问题。 介绍了电动助力转向系统中的三种基本控制方式：助力控制，回正控制，阻尼控制。针 对循环球式e p s 建立了其简化后的数学模型。通过对数学模型和控制策略的分析和仿真 验证，得出了系统的主要参数变化时对其转向性能产生的影响。 l 、对电动助力转向系统结构、工作原理做了详细的介绍，提出系统存在的问题。 确定了控制算法及控制参数的确定方法。 2 、对整车及电动助力转向系统受力进行分析，并建立系统的动力学模型；分别推 导了比例控制和比例加微分控制下转向灵敏度及转向路感的传递函数。 3 、提出评价汽车操纵稳定性和电动助力转向系统的评价指标和方法。 4 、在m a t l a b 6 5 g u i 平台中编写相关程序，设计仿真界面，开发仿真软件。 5 、详细分析了p i d 控制参数对汽车转向灵敏度和转向路感的影响，给出其他参数 变化时系统的响应图形，最后对系统的稳定性做出评价。 第一章绪论 1 6 本章小结 本章首先介绍了课题提出的背景及意义，介绍了汽车电动助力转向系统的国内外发 展概况，然后指出了汽车电动助力转向系统的控制难点，对该系统存在的问题和解决方 案也做了说明，最后明确了本文的主要研究内容。 4 长安人学硕i ：学位论文 第二章电动助力转向系统结构及工作原理 2 1电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统在不同车型上的结构部件尽管存在许多差别，但是基本原理是一 致的。它般是由扭矩( 转向) 传感器、控制单元e c u 、电动机、电磁离合器以及减速 机构构成，其结构示意如图2 1 所示。 车速信号 图2 1电动助力转向系统结构图 其基本工作过程为：汽车转向时，扭矩传感器和车速传感器将检测的方向盘转矩、 方向信号及车速信号传给控制单元e c u ，控制单元根据转矩传感器信号和车速信号确定 电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或 电流给电动机，电动机再通过离合器、减速机构把助力力矩放大后传递给转向机构拉杆， 最终起到为驾驶员提供转向助力的效果，从而使汽车转向轻便。车速越低助力越大，车 速越高助力越小。当车速大于一定值时，取消助力，将直流电动机反接制动( 即利用电 动机的反电动势形成一个反向转矩，阻碍电动机转动) ，目的是使汽车高速行驶时方向 感沉稳，保证行驶安全。控制单元在实时分析助力大小的同时，还要检测系统各组成部 第二章 电动助力转向系统结构及工作原理 件的工作情况。当检测到某一组件发生故障时，立即断开电磁离合器，使电动机与原机 械转向机构脱离，此时相当于手动转向，并同时驱动故障信号指示灯，输出故障代码。 2 2电动助力转向系统关键部件 2 2 1 扭矩传感器 扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它 是e p s 的控制信号之一。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式( 主 要是电位计式) 传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式扭矩 传感器主要有光电式和磁电式两种。接触式扭矩传感器的优点是成本低，但是测量精度 不高，易受温度和磨损的影响。非接触式扭矩的传感器的有点在于测量精度高、抗干扰 能力强、刚度相对较高，缺点是成本太高。所以，成本低廉，测量精度可靠的扭矩传感 器才会受到市场欢迎。 2 2 2 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适当的助力矩，是e p s 的动力源。一 般采用无刷永磁直流电动机，这是因为无刷永磁直流电动机具有无激磁损耗、效率较高、 体积较小等特点。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，要具有良好 的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还 要求电动机在低转速时转矩大、波动小、转动惯量小。另具有尺寸小、质量轻、可靠性 高、抗干扰能力强等特点。除此之外，在电动机的选择上还要与蓄电池电压、减速比、 阻力矩、前轴载荷相匹配。表2 1 为不同电动机性能比较。 表2 1 不同电动机分类比较 过载平稳电磁维修 成本可控性寿命体积效率 能力 性干扰性 交流异步电动机 低小难 较差 小易长大低 有刷直流电动机较高大 易较好严重难短较小高 无刷直流电动机高大易好小易长小高 2 2 3 电磁离合器 电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用，对电动机起保护作用。当车 速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源， 6 长安大学硕上学位论文 恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的 影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性， 同时还具有半离合器状态区域。 2 2 4 减速机构 减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：行星齿轮减速 机构和蜗轮蜗杆减速机构。行星轮系机构方案适合前轴负荷小且对高速操纵性能要求较 高的轿车上，蜗轮蜗杆机构方案适合前轴负荷大转向沉重且对高速操纵性能要求不高的 载货汽车上。目前，为了减低噪声和减小振动并减轻系统自重，减速机构多采用树脂材 料。 2 2 5电子控制单元( e c u ) 电子控制单元( e c u ) 的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分 析与计算后，发出指令，控制电动机和电磁离合器的动作。此外，e u c 还有安全保护和 自我诊断功能，e c u 通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系 统工作状态是否正常，一旦系统发生异常，助力将自动取消，同时e u c 将进行故障自诊 断分析。e c u 通常是一个8 位单片机系统，也有采用数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，简称d p s ) 作为控制单元。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变 的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效的实现理想的助力 规律与特性。图2 2 显示了控制系统的基本框架。 图2 2e c u 控制框架图 7 m 常l u 动助山转向系统结构世t 忭原理 正是由于系统有了电子控制单元，较其它转向系统。电动助力转向系统助力转矩的 大小可以根据控制电动机电流或电压调整，所以对电动机的控制尤为关键。因此，一个 好的控制策略可以使转向灵敏路感良好，并使转向系统响应快速。 2 3 电动助力转向系统的类型 按照电机助力位置的不同，电动助力转向系统可分为转向柱助力式、小齿轮助力式、 双小齿轮助力式和齿条助力式四种类型【埘。如图23 所示： 咬 敏 八 鼹 弋 嘿 糖? 铲 、 h h 够锣眇 骶 爹 ，。， 西 口7 参 ( a ) 转向枉助力式 【b ) 小齿轮助力式( c ) 疆q ，青鞋助力式 ( 由考条面力式 圈2 j 电动助力转向系统分类 23 l 转向柱助力式 转向柱助力式e p s 具有结构简单，安装、拆卸和维修方便的特点。电动机装在方向 盘下面，固定在转向柱一侧，通过减速机构于转向柱相连，周围环境较好，不需要严格 的防水、防高温技术。相对于其他e p s 它对转向系统的改动最小，所以最适用于将以 前生产的无助力效果的纯机械转向汽车改装成电动助力转向汽车。转向柱式的成本最 低，经济性好，目前市场占有量较大。缺点是占用了方向盘下面的空间，助力电动机的 振动、噪声很容易传递给驾驶员，传动路线也较长，损失较大，反应不如其他类型快 目负荷较小，所以适合于微型车辆。 长安人学硕上学位论文 2 3 2 小齿轮助力式 小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为体， 只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力。小齿轮助力式e p s 具有结构紧凑的 优点，与转向柱式e p s 相比，在不增加质量的情况下，增大了系统的刚度。它安装在驾 驶室外，位于发动机室下方，距离前桥很近，环境温度变化大( - 3 0 9 5 ) ，环境恶劣， 常受到尘土、泥巴和雨水等的腐蚀，要求传感器、e c u 、电动机等防水、耐高温性能好。 其技术要求比转向柱式高，适用于普及型车辆。 2 3 3 双小齿轮助力式 也有人把双小齿轮助力式e p s 归于齿条式e p s 。它改善了齿条的受力情况，使齿条 受力均匀，转向系统的刚度进一步增大，传动路线进一步缩短，响应速度加快，是一种 较优化的配置，且成本比齿条式e p s 低。 2 。3 4 齿条助力式 齿条助力式e p s 性能最好，结构最紧读，电动机直接带动齿条助力，其扭矩传感器 单独安装在小齿轮处，电动机与转向机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处。助力效果 最明显，响应时间最短，超调量最小，电动机的振动、噪声都不容易传递给驾驶员。缺 点是造价高、成本高、零件结构复杂。随着4 2v 车载电源的应用，其功率可达到很大 值，适用于大功率、大负荷的汽车和豪华轿车。由于目前车载仍采用1 2 v 电源，为满足 大功率要求，可采用变压技术，把1 2v 蓄电池电压变成3 0 4 2 v 。 目前e p s 系统主要应用于微型车上，本文所研究的车型为前轴载荷较大的中型商用 改装车，所用的是转向柱助力循环球式电动助力转向器。它有两级传动副组成：第1 级 为螺杆及螺母传动副，第2 级为齿条及齿扇传动副。扭矩传感器位于方向盘与转向柱之 间，电动机的转矩经涡杆、涡轮减速器后带动转向柱转动，同时循环球转向器使转向拉 杆转动使车轮转向，从而完成助力转向动作。本文在建模是就采用这种形式的电动助力 转向系统。 2 4 电动助力转向系统的优点 传统的液压助力转向系统由转向油罐、转向油泵、高压油管、控制阀及机械转向机 构等组成。该系统结构庞大复杂；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，须经常维护保养。因 9 第二章 电动助力转向系统结构及j t 作原理 此，液压动力系统在系统布置、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。与此类转向系统相比，电动助力转向系统独特的特点和优 势主要体现在： 1 、降低了燃油消耗 液压转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停的流动，因而浪费来了部分 能量。对于电动助力转向系统，电动机在需要转向操作时才工作，是按需工作型的转向 系统，并且能量的消耗与转向盘的转向角及当前的车速有关，转向盘不转向时，电机不 工作。实验表明，在不转向情况下，装有电动转向系统的车辆的燃油消耗降低了约2 5 ： 在转向情况下，燃油消耗降低了约5 5 1 4 j 。 2 、转向力矩可随车速变化 机械转向和液压转向时，转向机构所获得的转向力矩与转向盘提供的力矩成正比， 与汽车的车速无关，而电动助力转向，在需要转向时，根据车速电动机在控制单元的作 用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助力。 3 、改善了转向路感 在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接相连可以使电机提供的能量直接用 于车轮转向。该系统利用惯性减震器的作用，使车轮的反转和转向前车轮摆振得以大大 减小。转向系统的抗干扰能力大大增强。尤其在高速时，按照助力特性降低助力转矩， 可以提供更好的路感，因此极大的改善高速时的操稳性。 4 、提高了稳定性 通过对汽车在高速行驶时过度转向方法，可以测试汽车的稳定特性。采用该方法， 给正在高速行驶的汽车一个过度的转角来迫使它的侧倾，在短时间的转向盘自动回正过 程中由于采用微电脑烤制，使得汽车具有更高的稳定性。 5 、增强转向跟随性 与液压助力转向系统相比，电动转向系统的转向力矩产生于电动机。没有液压助力 转向的迟滞效应，增强了转向轮对转向盘的跟随性能。同时通过灵活的软件编程，容易 得到电机在不同车速及车况下的转矩特性，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特 性。 6 、提高安全性 由于采用数字控制技术和电子集成技术，当发动机出现故障，甚至行驶中发动机突 然熄火时，系统仍然可以正常工作，提高了安全性能。 l o 长安大学硕士学位论文 2 5本章小结 本章介绍了电动助力转向系统的基本工作原理及其类型，探讨了电动助力转向系统 的总体功能框架以及电动助力转向系统传感器、电动机、离合器、减速机构的功能、类 型及结构。最后与液压助力转向系统进行比较，指出电动助力转向系统的优点。 第三章电动助力转向系统控制方法分析 第三章电动助力转向系统控制方法分析 3 1 电动助力转向系统控制的基本目标 电动助力转向系统的主要功能是提供随车速变化的转向助力，来降低驾驶员施加在 转向盘上的操纵力，确保转向灵敏、轻便并保持一定的转向路感，同时能抑制传感器噪 声和来自路面的低频干扰。常采用的控制方式有电流控制和电压控制两种，其中电压控 制方式中电动机电枢两端电压与一定车速下的转向力一一对应，电流控制方式中电动机 电枢电流与一定车速下的转向力一一对应。无论采用电流控制还是电压控制，它们都须 达到以下的控制目标。 1 、能提供随相应车速变化的助力：根据转向助力特性曲线，提供一定的转向助力 来辅助驾驶员转向，尤其是原地转向和低速停车入库时提供足够的助力。 2 、有较快的响应速度：控制系统应具备较高的响应速度，并与驾驶员的转向动作 相匹配，使得转向灵敏。 3 、可抑制传感器噪声和路面干扰：电动助力转向系统中扭矩传感器中存在的噪声 信号会极大地影响控制系统的稳定性，而且来自路面的干扰又直接影响驾驶员的转向路 感，为确保控制系统的稳定性和转向路感，要求控制系统可以抑制扭矩传感器的高频噪 声和低频的路面干扰。 4 、采用尽量少的传感器：采用较多的传感器固然可以提高系统的控制性能，但同 时增大了系统的成本，又使得控制系统设计复杂且可靠性下降，因此采用尽量少的传感 器是控制系统设计的目标之一。 3 1 1 控制算法的选择 目前国内对e p s 控制方法的研究主要有常规p i d 控制，基于p i d 的补偿和回正控制， 基于p i d 的智能控制等几种。在控制系统中，p i d 控制器的参数k ，、k 、髟选择不同， 给定对象的响应曲线也不同。本文重点分析p i d 控制参数对汽车电动助力转向性能的影 响，对其他的控制方法有实际的参考意义。 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏 差e ( t ) ，即e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) 。将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 及微分( d ) 通过线性组合构成 控制量，对被控制对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 1 2 长安大学硕十学位论文 叫印，+ 枷m 掣 传递函数为： q = q 1 + 去+ q s ) 式中：k p 一比例系数； k 一积分时间常数： x 。一微分时间常数： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 图3 1p i d 控制原理图 其中p i d 控制器各校正环节的作用为： 1 比例环节：可以提供系统的开环增益，减少系统的稳态误差，从而提高系统的控 制精度。偏差信号e ( t ) 一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节：可以提高系统的抗干扰能力主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数k ，墨越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节：能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统 的阻尼程度，从而改善系统的动态特性，加快系统的动作速度，减小调节时间。 3 1 2p l d 调节器参数的确定方法 p i d 参数的确定有两种可用方法：理论设计方法和试验确定方法。理论设计法确定 p i d 控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，这在电动机控制中往往很难做 到。因此p i d 参数用试凑法整定，通过系统的响应曲线，反复凑试参数。 第三章电动助力转向系统控制方法分析 3 2电动助力转向系统基本控制方式 汽车运行过程中，需要频繁转动方向盘，这就意味着需要在多种情况下对电机进行 控制。这就要求e p s 在保证路感( 阻尼控制) 的前提下能够随车速的变化提供相应的助 力控制，并且有良好的回正控制能力。 值得注意的是电动助力转向系统是一个闭环有差系统，需要保持系统的静差，控制 器中不能有积分环节。但是积分环节能提高转向盘回正能力，因此可用积分分离法可改 变此情况，即当误差太大时，取消积分作用，当被调节量接近设定值时，再加入积分环 节，以减小静差。 目 标 电 流 图3 2 电枢电流控制方式e p s 基本控制框架图 电动机电枢电流控制方式e p s 的电流控制过程为：电子控制单元接收由扭矩传感器 检测到的转矩信号和车速传感器的检测到车速信号，判断此时为助力控制或回正控制， 再根据助力特性确定电动机的目标电流，电流再经p i d 控制器调节后到达电动机。因此 e p s 的控制系统要解决两个问题：( 1 ) 确定目标电流；( 2 ) 及时反馈目标电流。其中目 标电流的决策由控制单元决定，而电流反馈信号可通过控制电动机电枢两端的电压来确 定。 电动机电压控制方式e p s 控制过程为：扭矩传感器检测到方向盘的转矩大小经p i d 控制器后再驱动助力电动机输出合适的转矩，此转矩经转向机构后控制车轮转向。 3 2 1 助力控制 助力控制是电动助力转向系统基本控制模式，其主要功能是在转向过程中为了减轻 1 4 长安人学硕士学位论文 驾驶员对方向盘的操纵力并获得合适的路感。其包括汽车原地转向助力和动态转向助力 两个方面。该控制是利用电机转矩和电机电流成比例的特性，通过对反馈电流与电机目 标电流的闭环控制输出信号到动力回路，以驱动电机产生合适的助力。 3 2 2 回正控制 回正控制的目的是使方向盘更快更准的回到中位，避免方向盘产生不必要的抖动。 轮胎的侧偏特性和侧倾特性是影响回正力矩的主要因素。当汽车以一定速度行驶时，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。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。汽车匀速行驶时，在小转角范围内，回正力矩几乎同侧偏角成正比， 侧偏角为4 0 6 0 时达到最大值；随着侧偏角继续增大，回正力矩反而下降。 在转向盘回正过程中，有两种情况需要考虑：一、高速行驶时，转向回正力矩过大， 引起转向盘位置超调。二、原地或低速行驶转向后回正力矩过小，转向盘不能回到中间 位置，出现回正不足。对前一种情况，可以利用电动机的主动阻尼控制来防止出现超调。 后一种情况需要对助力进行补偿，以增加回正能力。 3 2 3 阻尼控制 阻尼控制是为了提高汽车高速行驶时转向稳定性的一种控制模式。汽车高速直线行 驶时，如果转向过于轻便，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，提出在转向盘转矩处于死区范围( 转向盘接近 或已回到中间位置) 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”。另外，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，必须采用主动阻尼控制。 最后，转向盘转向后回到中间位冕时，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。即 利用电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩。 3 2 4 补偿控制 之所以要对e p s 系统进行补偿控制是因为电动机和转向机构中间隙并存在摩擦损 第三章电动助力转向系统控制方法分析 l ，g = 七g 彩 ，刖 = 后小巧( 3 3 ) i ，：= 尼：缈 3 3 本章小结 本章介绍了e p s 较常用的控制方法及p i d 控制算法的传递函数，详细分析了电动助 力转向三种基本控制方式：助力控制、回正控制、阻尼控制。对以后的建模、仿真奠定 了基础。 1 6 长安大学硕士学位论文 第四章电动助力转向系统动力学模型的建立 4 1电动助力转向系统受力分析【1 纠 e p s 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转 向系统所受的阻力矩。驾驶员在转动转向盘时，作用在转向盘上的操纵力和e p s 系统电 动机助力矩，通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。转向时，驾驶员 作用在方向盘上的作用力以及电动机提供的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻 力矩有关。 1 、驾驶员的操纵力 在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切线力对汽车进行操纵。一般驾 驶员都希望转向时能操作轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。因此 驾驶员对汽车的操纵力分为两种情况：改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的 切向力；保持汽车行驶方向不变( 包括直线运动和固定某个方向的运动) 时驾驶员保 持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在转向盘上的 力称为方向盘把持力。 2 、转向系统的阻力矩 按产生的来源不同，转向的阻力矩大体上可分为“绕主销的阻力矩和“转向系的 阻力矩”两大部分。这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏离角、 转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。 转向系阻力矩主要包括“转向系摩擦力矩”、“转向系回正力矩 和“转向系惯性力 矩”三部分。“转向系摩擦力矩”主要指转向系各部分之间的干摩擦阻力矩的总和；“转 向系回正力矩”主要由转向系内回位弹簧，内橡胶衬套等的弹性变形引起的回复力产生。 “转向系惯性力矩”主要由转向系内各部分在运动过程的变化所形成的。 “绕主销的阻力矩”大部分是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受到路面状态、轮 胎特性、车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏离角的变化而变化。它由轮胎 模型近似计算。 通常“绕主销的阻力矩”按汽车不同的行车方式分成“原地转向阻力矩”和“行车 转向阻力矩 两种。原地转向阻力矩：指对静止的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭 转变形，继之以胎面和路面之间发生滑移时所产生的转向阻力矩。由于各种车型的前轮 1 7 第【兀| 章 电动助力转向系统力学模型的建立 载荷、气压、胎面花纹不同，因此原地转向力矩很难建立一个理论模型，目前常用的计 算原地转向阻力矩的经验公式为： 丁：上 1 3 ( 4 1 ) 其中，厂、g l 、p 分别是静态车轮与地面之间的滑动摩擦系数、前轴载荷和轮胎气压。 行车转向阻力矩：指汽车在行驶的时候产生的转向助力矩。由于转向车速增加了， 轮胎接地面积滚动成分增加，所以行车转向阻力矩比较小。车辆如以更高车速转向行驶， 将由于轮胎发生偏离形成自动回正力矩，促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致。这样 行车转向中所受转向阻力矩就大致和原地转向时接近。高速行车中，由轮胎偏离角所引 起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。 因此影响“绕主销的阻力矩 的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、磨擦 系数等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮胎和路面 间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。车速越高，行车转向阻力矩就越低。 3 、e p s 电动机的助力矩 电动机助力矩是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力矩。它的大 小由e p s 的电控单元根据传感器测得的车速、转矩和转角信号来决定。 4 2 整车模型的建立 4 2 1 建立车辆模型的条件 由电动阻力转向系统的受力分析可知，要对转向系统建模首先必须考虑整车的模 型。本文的整车模型为线性二自由度汽车模型，如图4 1 所示。分析中首先忽略转向系 统的影响，直接以前轮转角作为输入：忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面 的平面运动，即汽车沿z 轴的位移，绕y 轴的俯仰角与x 轴的侧倾角均为零。另外，汽 车沿x 轴的前进速度”视为不变。因此，汽车只有沿y 轴的侧倾运动与绕z 轴的横摆运 动这样两个自由度。此外，汽车的侧向加速度限定在o 4g 以下，轮胎的侧偏特性处于 线性范围。还假设驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动 力的作用，忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起的轮胎特性的变化以及轮胎回正 力矩的作用。 这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型。它是一个由前后两个有侧向弹性的 长安大学硕 学位论文 轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。显然，车辆坐标系的原点 与汽车质心重合，汽车的质量分布参数，如转动惯量等，对于固结于汽车的这一动坐标 系而言为常数。 u f 次汐v 。 ji7 夕二v 弓2 b a j- 图4 1 二自由度车辆模型 4 2 2运动微分方程 平面运动汽车对车辆坐标系的运动微分方程为： f 耳2 + 耳lc o s 万= ，押( d + “q ) 【珥lc o s 万一蜗2 = t 也 式( 4 2 ) 中 掰整车质量 万前轮转向角 1 9 ( 4 2 ) 第四章电动助力转向系统力学模型的建立 毋，、e ：地面对前、后轮侧向反作用力，即侧偏力 t 汽车绕z 轴的转动惯量 考虑到万较小，式( 4 2 ) 可以改写为： + ? r 州，哪) ( 4 3 ) 【口0 。一蜗：= l 喀 侧偏力大小取决于侧偏角，与汽车运动参数有关。汽车前后轴重心速度为鸭、，侧偏 角为、，质心侧偏角为，：竺。设f 是嵋与x 轴夹角，其值为 孝：堕= 竺墼：+ 竺生。根据坐标系规定，前后侧偏角为： = 一( 占一善) = + 竺竺一万 “ 口：竺堡：一堕 口，= 上= 一二 “ 根据式侧偏力与侧偏角的关系式( 4 4 ) 可写为： 式( 4 5 ) 中 墨、如坝0 偏刚度 口、6 前、后轮中心到汽车质心的距离。 三= 口+ 6 汽车轴距 将式( 4 3 ) 代入式( 4 5 ) ，整理后得二自由度汽车运动微分方程： ( 她一坎) + 三( 口z 毛+ 6 z 乞) q 一幽万