（光学工程专业论文）商用车eps系统模糊控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nf u z z yc o n t r o ls t r a t e g i e so fc o m m e r c i a l v e h i c l ee p s s y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：y a n gw e i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uj i n g y u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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，均已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：芬勿缈扣 砌年月e t 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： 啼劢峭p 导师签名：刘曼 缈年多月多日 年易只占e t 摘要 电动助力转向系统( 简称为e p s 系统) 是现代汽车发展的研究热点和高新技术之一。 它不仅能够提高汽车行驶过程中的操纵稳定性和行驶安全性，而且助力特性易于调节， 节能环保，维修方便。电动助力转向系统已经逐渐成为动力转向技术发展的趋势。 论文选定某一载重4 吨的中型货车作为商用车e p s 系统的研究车型，针对研究车型 的特点，进行了e p s 系统的关键部件的选型，并设计完成了商用车循环球式e p s 系统 的总体布置方案。对商用车e p s 系统的助力特性与控制策略进行了深入的研究，确定了 曲线型助力特性，得到了在不同车速和转向盘转矩输入下的助力电机的助力目标电流。 根据所设计的e p s 系统，建立了商用车整车模型及e p s 系统数学模型，设计了助力控 制模式下的p i d 控制器和模糊自适应p i d 控制器，回正控制模式下的p i d 控制器以及 阻尼控制方式。结合商用车整车模型和e p s 系统数学模型建立了s i m u l i n k 仿真模型， 分别对汽车的助力特性、回正特性以及阻尼特性进行了仿真试验分析。论文对比分析了 e p s 系统助力控制模式下分别加入常规的p i d 控制和模糊自适应p i d 控制这两种方法。 仿真结果表明：加入模糊自适应p i d 控制策略，汽车的横摆角速度响应的调整时间更短、 响应更加迅速。通过对回正控制特性的仿真分析，e p s 系统中加入回正控制后，转向盘 能迅速回到中间位置，并且避免了在中间位置附近的摆振。通过对阻尼控制特性的仿真 分析，e p s 系统中加入阻尼控制后，增加了转向过程中的稳重感，而且明显减少了振荡。 关键词：商用车辆，e p s ，仿真，助力特性，控制策略 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p ss y s t e m ) i so n eo ft h er e s e a r c hh o ts p o t ，h i g ha n d n e wt e c h n o l o g i e so ft h em o d e ma u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t i tn o to n l ye n h a n c et h eo p e r a t i o n s t a b i l i t y , b u ta l s oa n dt h et r a v e ls e c u r i t yi nt h ea u t o m o b i l et r a v e lp r o c e s s ，m o r e o v e rt h ea s s i s t c o n t r o li se a s yt oa d j u s t , s a v ee n e r g ya n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t a l ，e a s yt om a n t i a nt h e s e r v i c ei sc o n v e n i e n t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sa l r e a d yg r a d u a l l yb e c a m et h e t e n d e n c yo ft h ep o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t t h ep a p e rs e l e c t e dam e d i u m - d u t yt r u c kw h i c hc a nl o a df o u rt o n sa st h ee q u i p p e dt a r g e t m o d e l so fe p ss y s t e mo fc o m m e r c i a lv e h i c l e ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hv e h i c l et y p e s c h a r a c t e r i s t i c ，c h o s et h ek e yc o m p o n e n t s ，a n dc o m p l e t e de p sd e s i g n c o n d u c t e dt h er e s e a r c h t ot h ec o m m e r c i a lv e h i c l ee p s sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n ds e l e c t e dt h e c b r v eo fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，o b t a i n e du n d e rt h e d i f f e r e n tv e h i c l es p e e da n dt h es t e e r i n g w h e e lt o r q u ei n p u te l e c t r i cg o a le l e c t r i cc u r r e n t a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e de p ss y s t e m ， e s t a b l i s h e dv e h i c l em o d e la n de p sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e s i g n e dp i dc o n t r o la n dt h ef u z z y p i dc o n t r o ls t r a t e g y , a sw e l la sr e t u r n st ou n d e rt h ec o n t r o lm o d e lp i dc o n t r o l l e ra n dt h e d a m p e dc o n t r o lw a y t h eu n i o nv e h i c l em o d e la n dt h ee p sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，e s t a b l i s h e d t h es i m u l i n km o d e l s ，t oa u t o m o b i l e sb o o s tc h a r a c t e r i s t i c ，r e t u r n e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h ed a m p i n gc h a r a c t e r i s t i cs e p a r a t e l yh a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h ep a p e r c o n t r a s t e du n d e rt h ee p ss y s t e mb o o s tc o n t r o lm o d e lt oj o i nc o n v e n t i o n a ls e p a r a t e l yt h ep i d c o n t r o la n df u z z yp i dc o n t r o l st h e s et w oc o n t r o lm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e d ： u s e dt h ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g y , v e h i c l e sr a wa n g u l a rv e l o c i t yr e a c t i o nt i m et ob es h o r t e r , t h er e s p o n s et ob eq u i c k e r t h r o u g ht or e t u r n st ot h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o na n a l y s i s ， a f t e re p ss y s t e mj o i n e dt h er e t u r nc o n t r o l ，t h es t e e r i n gw h e e lc a l lr a p i d l yr e t u r nt ot h em i d d l e p o s i t i o n , a v o i d e dt h es t e e r i n gw h e e l sv i b r a t i o n a n a l y z e dt h ed a m p e dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s i m u l a t i o n , a f t e rj o i n e dt h ed a m p e dc o n t r o l ，o b v i o u s l yr e d u c e dt h ev i b r a t i o n k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e ，e p s ，s i m u l a t i o n , a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，c o n t r o ls t r a t e g i e s n 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 电动助力转向系统的发展过程1 1 3 电动助力转向系统的优势2 1 4 电动助力转向系统的国内外发展状况3 1 5 电动助力转向系统的发展趋势5 1 6 论文的研究目的和研究内容6 第二章商用车e p s 系统的总体设计8 2 1 研究车型的选择8 2 2 商用车e p s 系统的总体布置8 2 2 1e p s 系统的总体结构8 2 2 2e p s 系统的布置类型。9 2 2 3商用车e p s 系统的布置方案1 0 2 3 商用车e p s 系统的关键部件的选取1 2 2 3 1扭矩传感器1 2 2 3 2 车速传感器1 4 2 3 - 3电流传感器1 4 2 3 4 助力电机15 2 3 5 减速机构1 6 2 3 6 电磁离合器17 2 4 本章小结一18 第三章商用车e p s 系统的助力特性和控制策略1 9 3 1e p s 系统的助力特性1 9 3 1 1 助力特性的分析1 9 3 1 2 助力特性曲线的分类2 0 3 1 3 助力特性曲线的选择2 1 3 2e p s 系统控制策略2 4 3 2 1e p s 系统的控制模式2 4 3 2 2e p s 系统的控制模式的选择2 5 3 2 3e p s 系统控制策略的分类2 6 3 2 4e p s 系统控制策略的确定2 7 3 3 本章小结3 5 u l 第四章 4 1 4 2 4 3 第五章 商用车e p s 系统数学模型的建立3 6 商用车整车模型的简化3 6 e p s 系统动力学模型的建立3 8 本章小结4 1 商用车e p s 系统仿真分析4 2 5 1e p s 系统s i m u l r n k 仿真模型的建立4 2 5 1 1 常规p i d 控制策略的e p s 系统仿真模型4 5 5 1 2 模糊自适应p i d 控制策略的e p s 系统仿真模型4 6 5 1 3回正控制策略的e p s 系统仿真模型4 6 5 1 4 阻尼控制策略的e p s 系统仿真模型一4 8 5 2e p s 系统仿真参数的确定。4 9 5 3e p s 系统仿真结果及分析4 9 5 3 1助力特性仿真试验4 9 5 3 2回正特性仿真试验5 5 5 3 3阻尼特性仿真试验5 6 5 4 本章小结5 7 总结5 8 参考文献6 0 6 2 6 3 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车转向系统直接关系到汽车的操纵稳定性和行驶安全性，是汽车的一个重要组成 部分。长期以来，转向轻便性与转向灵活性之间的矛盾一直存在于汽车转向系统之中， 无法得到很好的解决。然而随着社会的发展和科学技术的不断提高，为了解决汽车转向 系统中存在的这一问题，在众多汽车公司和研究单位的努力下，于上个世纪五十年代研 发出了动力转向系统，在此后的二、三十年中得到了广泛的应用。然而在使用过程中， 暴露出了许多的问题，例如结构复杂、难以布置、能量消耗大、密封性差、转向助力不 易控制等缺点l l j 。 上世纪8 0 年代，国外的汽车企业开始进行电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ， 简称e p s ) 系统的研发工作，但是在很长的一段时间内都没有取得较大的突破，原因在 于e p s 系统所需的电子控制元件的价格昂贵，造成电动助力转向系统成本升高，很难投 入商业生产进行大规模推广，因此对电动助力转向系统的研究一直停留在实验室阶段。 但是随着科学技术的飞速发展，以及电子控制元件价格的大幅度降低，而且人们对于环 境保护和节约能源等问题的关注程度不断提高，电动助力转向系统这个集环保、节能、 安全、舒适为一体的高科技产品越来越受到各国汽车生产企业的青睐【2 1 。 1 2 电动助力转向系统的发展过程 汽车的转向系统大致经历了五个发展阶段1 3 ：从最初的机械式转向系统( m a n u a l s t e e r i n g ，简称m s ) 发展成为液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ， 之后又出现了电控液压助力转向系统( e l e c t r oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) 和 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) ，此外还有线控转向系统( s t e e r b y w ，简称为s b w ) 。 安装着机械式转向系统的汽车，在驻车和低速转向时，驾驶员转向操纵负担过于沉 重。而且随着汽车转向轴荷的增加，为了使转向轮转动，驾驶员施加在转向盘上的力量 增加得也就越多。这不仅容易造成驾驶员疲劳，而且容易引发交通事故。为了很好的解 决转向轻便性这个问题，经历了数十年的发展，在2 0 世纪5 0 年代，美国通用汽车公司 率先在轿车上使用了液压助力转向系统。从此以后，结构上已经相当完善的液压动力转 第一章绪论 向在汽车上得到了广泛的应用。但是液压动力转向在能量消耗、严格的密封要求和助力 特性等方面始终存在着不足。随着高速公路的增多，汽车行驶速度的变化范围也越来越 宽，此时传统的液压动力转向已经暴露出许多问题，例如，已经不适应汽车行驶速度多 变和既要求有足够的转向操纵轻便性的同时又不能有转向发飘感觉的矛盾。为了满足任 何行驶工况下转向行驶都能保证良好的转向轻便性和操纵稳定性，就必须采用车速感应 型动力转向机构【4 】。因此，在1 9 8 3 年日本丰田公司推出了具备车速感应功能的电控液压 助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高提供逐渐减小的转向助力，但 是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统自身所具有的许多缺点，是一种介于液 压助力转向和电动助力转向之间的过渡产品。到了1 9 8 8 年，日本铃木公司首先在小型 轿车c e r v o 上配备了k o y o 公司研发的转向柱助力式电动助力转向系统。1 9 9 0 年，日本 本田公司也在运动型轿车n s x 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统。从 此揭开了在汽车上应用电动助力转向系统的历史【5 1 。近些年来，随着电子控制技术的飞 速发展，线控转向系统( s t e e rb yw 汝，简称为s b w 系统) 逐渐得到了广泛的认可， 具备优越的性能，是未来的转向系统的发展的必然趋势。 1 3 电动助力转向系统的优势 电动助力转向系统与传统的动力转向系统相比较，具有以下几个方面的优势【6 ，7 ，8 】： ( 1 ) 汽车转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗。传统的液压助力 转向系统有发动机带动转向油泵，无论汽车是否转向都要消耗发动机部分动力。 而电动助力转向系统只是在汽车转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。 因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。两者相比较，e p s 系统的能量消 耗仅为液压动力转向的1 6 2 0 ，动力消耗和燃油消耗均可降到最低。 ( 2 ) 回正性能出色。电动助力转向系统在工作过程中，施加一定的附加回正力 矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速 回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。 ( 3 ) 传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改 变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时转 向盘太轻，产生转向发飘的现象，驾驶员缺少显著的路感，降低了高速行驶时的 车辆稳定性和驾驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件 方便的调整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆 2 长安大学硕士学位论文 的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减 小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的路 感，提高了车辆稳定性。 ( 4 ) 更加环保，对环境没有污染。传统的液压助力转向系统液压管路接头存在油 泄漏问题，而且液压管路不可回收。电动助力转向系统应用电力作为能源，消除了由于 转向油泵带来的噪声污染。也不存在液压助力转向系统中液压油的泄漏与更换而造成的 污染。同时该系统由于没有使用不可回收的聚合物组成的油管、油泵和密封件等配件， 从而避免了对环境的污染。 ( 5 ) 电动助力转向系统结构紧凑，质量轻，而且布置方便，生产线装配好，易 于维护保养。电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等 部件，而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向 系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。 ( 6 ) 具有较强的转向跟随性能。e p s 系统中助力电机与助力机构直接相连，由助 力电机产生助力力矩直接驱动转向车轮的转向。与传统的液压助力转向系统相比较，不 仅消除了液压助力系统的转向迟滞效应，而且进一步增强了转向车轮对转向盘的跟随性 能，使转向更加灵敏1 9 。 ( 7 ) 通过调整电子控制单元中的程序，电动助力转向系统和不同车型匹配起 来非常的方便，这样一来就可以缩短生产和开发的周期。 与传统的动力转向系统相比较，由于电动助力转向系统具有上述多项优势，因 此近些年来获得了越来越广泛的应用。 1 4 电动助力转向系统的国内外发展状况 国外汽车企业首先是针对小排量轿车进行e p s 系统的研发。上世纪8 0 年代初期， 日本铃木公司首先在小型轿车c c r v o 上配备了k o y o 公司研发的转向柱助力式电动助力 转向系统，随后还将其应用在砧t 0 运动型轿车上。1 9 9 0 年，日本本田公司也在运动型 轿车n s x 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了在汽车上应 用电动助力转向系统的历史【1 0 1 。从此之后，e p s 系统在日本汽车行业中迅速发展。由于 节约能源和保护环境已经成为全球关注的焦点问题，因此欧美等国的汽车公司对e p s 系统也相继进行了研发。虽然欧美等国的汽车公司对e p s 系统的研发比日本晚了大约十 年时间，但是其投入了大量的人力和财力，研发投入相当的大。在选择助力电机方面， 3 第一章绪论 日本刚开始就使用了技术相对成熟的直流有刷电机。直流有刷电机控制方式简单，技术 相对成熟，因此在汽车上，比如雨刷、车窗等部件得到了广泛的应用。只要对其进行适 当的加工改进就能够应用于e p s 系统，因此研发的周期较短，上世纪8 0 年代末期就开 始产业化，主要装配在微型车上。欧美等国的汽车企业则采用了电子控制系统比较复杂， 控制难度较大的直流无刷电机，研发的周期被拖延。一直到9 0 年代中期，欧美等国的 汽车企业如美国d e l p h i 汽车公司、t r w 公司、德国z f 公司等才开始批量生产e p s 系 统【1 1 1 。 国外e p s 系统的控制策略主要有常规的p i d 控制策略，模糊控制策略、神经网络 控制策略、h 。控制策略等。日本本田汽车公司与早稻田大学进行了合作，开展了汽车电 子转向系统模拟器试验和e p s 系统控制策略的理论研究。它们根据人车闭环系统的控制 策略，设计出了使汽车的稳态增益不随车速变化的理想的转向系统传动比【1 2 】。与此同时， 日本三菱公司研制出了一个汽车转向操纵模拟器，可以用它来测定e p s 系统控制策略中 存在的问题，而且它还具有快速地对具有十一个自由度的汽车运动进行计算分析的功能 【1 3 1 。美国通用公司的研发部门建立了多刚体e p s 系统动力学模型，并采用a d a m s 动 力学分析软件与m a t l a b 仿真软件对建立的模型进行了联合仿真研究，取得了一定的 理论成果。韩国的j ih o o nk i l n 、j a eb o ks o n g 等教授在e p s 系统的控制策略中加入了 直接控制转向盘转矩的控制策略，在此基础之上，美国d e l p h i 公司的研发人员提出了加 入横摆角速度反馈控制策略，进一步提高了汽车的高速行驶的操纵稳定性【1 4 】。长期以来 e p s 系统主要应用于轿车上面，这是因为汽车车载电源电压大多为1 2 伏特，电动机不 能够发挥出最大的功率，提供助力转矩无法满足e p s 系统对转向轻便性的要求，因此重 型载货汽车上普遍应用的还是传统的液压动力转向机构。随着科学技术的飞速发展，新 型4 2 伏特蓄电池设备的出现和电子技术的发展，加快了商用车上应用e p s 系统的步伐。 近些年来，通过引进消化吸收国外先进的技术，国内汽车工业飞速发展，e p s 系统 的开发也同样受益于此，而且在轿车e p s 系统研发方面已经取得了成果。吉利汽车公司 已经将自主研发的轿车e p s 系统应用于吉利豪情这款车型上【1 5 1 。商用车辆e p s 系统的 发展和市场化进程与乘用车辆e p s 系统相比，显得比较缓慢。在北京市奥运科委项目的 支持下，北京理工大学机械与车辆工程学院的林逸教授等人，在国内率先对商用车e p s 系统进行了研究，并研发了安装e p s 系统的电动客车【1 6 1 。东风汽车公司也开展了e p s 系统的研发，并将所开发的系统应用于其d f 3 型商用车上面，目前正在进行整车试验。 但是到目前为止，国内还没有出现市场化商品化的商用车e p s 系统【l 7 1 。 4 长安大学硕士学位论文 国内各大高校和研究所主要进行了e p s 系统的控制策略仿真分析等方面的研究。清 华大学、合肥工业大学、华中科技大学、天津大学、吉林大学等高校对e p s 系统结构方 案设计、e p s 系统动力学分析及建模、e p s 系统控制策略等方面进行了深入的研究【1 8 1 。 清华大学主要研究了e p s 系统的助力控制策略、回正控制策略与阻尼控制策略，并针对 原有的单一控制方式的不足，采用了助力控制和阻尼控制这两种控制模式相结合的控制 方法，取得了一定的研究成果【1 9 1 。合肥工业大学主要研究了e p s 系统的建模，并建立 了一些e p s 系统的多刚体模型。华中科技大学主要研究了e p s 系统的静态特性，并探 讨了汽车转向的路感的概念，对路感进行了定义和量化，将路感强度作为一项评价e p s 系统性能的指标【2 0 j 。天津大学主要研究了神经网络控制在e p s 系统助力特性方面的应 用【2 1 1 。吉林大学主要进行了e p s 系统动力学分析与仿真研究，但是在对转向阻力的模 拟、路面谱及轮胎特性等一些细节方面的处理还需要进一步研究 2 2 1 。 近些年来，国内对于e p s 系统控制策略方面的研究发展迅速，但是在e p s 系统一 些具体细节的优化方面与国外相比较，存在的一定的差距。虽然目前国内一些汽车公司 已经成功地自主研发了轿车e p s 系统，但是要实现商用车e p s 系统的市场化和商品化， 还需要很长的一段时间。 1 5 电动助力转向系统的发展趋势 纵观目前国内外电动助力转向系统的发展情况，其具有很多方面的优势，而且随着 广泛地应用，得到了用户认可，电动助力转向系统将会在动力转向技术领域占据绝对的 优势，其未来的发展趋势主要体现在以下几个方面【2 3 ，2 4 2 5 】： ( 1 ) 降低电动助力转向系统的生产成本，进一步简化电动助力转向系统，将控制 单元和驱动单元集成一体化，削减生产成本，降低价格，提高其商业竞争力。 ( 2 ) 提高电动助力转向系统的性能，关键问题是如何提高助力电动机的性能。因 为助力电动机的性能的好坏将会影响到整个控制系统的性能，而且助力电动机与电动助 力转向系统的匹配也会对转向操纵力和转向路感产生影响。为了使e p s 系统也能批量使 用在商用车上，必须很好的解决由助力电动机性能所引发的问题。 ( 3 ) 制定更加科学完善的控制策略。e p s 系统控制策略是否科学合理，将直接影 响到e p s 系统的工作性能。由于汽车行驶工况异常的复杂，而且e p s 系统的工作环境 非常的恶劣，因此对e p s 系统的控制策略要求非常高。但伴随着专家p i d 控制、模糊 控制、鲁棒控制、神经网络控制等各门学科的发展，给智能控制注入了巨大的活力，由 5 第一章绪论 此产生了各种智能控制方法，为e p s 系统的开发提供了更多的参考。在e p s 系统未来 的发展当中，除了需要有硬件的支撑之外，更需要加完善的控制策略作为保障。因此， 控制策略是e p s 系统研究的重点。 ( 4 ) 必须保证e p s 系统的高度可靠性，因为转向系统直接影响到了汽车的行驶安 全性。e p s 系统除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对e p s 系统的可靠性提出了很高的要求。 ( 5 ) 系统匹配技术。助力特性的匹配、电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以 及e p s 系统与其它子系统进行匹配，是使整车性能达到最优的关键。 经过近二十多年的发展，电动助力转向系统的技术已经日趋成熟，其应用范围从最 初的前轴负荷较小的转向柱助力式电动助力转向系统微型轿车向前轴负荷较大的大型 轿车、商用客车、货车方向发展，电动助力转向系统发展前景一片光明。 1 6 论文的研究目的和研究内容 论文的研究目的是综合目前国内外e p s 系统的研究现状，针对其中所存在的一些问 题，以提高商用车e p s 系统的综合性能为目标，制定商用车e p s 系统的控制策略包括 助力控制策略，回正控制策略和阻尼控制策略等。根据选定的研究车型的特点，确定了 商用车e p s 系统的结构类型及整体布置方案，然后进行商用车e p s 系统的建模与仿真， 为商用车e p s 系统的设计和开发提供理论依据，具有重要的理论价值和现实意义。 论文根据目前国内外对e p s 系统控制策略的研究状况，提出了模糊控制策略，主要 内容有以下几个方面： ( 1 ) 确定所要研究的商用车目标车型，对目标车型的相关参数进行测定。 ( 2 ) 根据研究车型的特点，确定商用车e p s 系统的结构类型及整体布置方案，并 且对其中的关键部件进行选型。 ( 3 ) 确定商用车e p s 系统的助力特性和控制策略。根据商用车的使用特点确定助 力特性曲线类型和具体参数。助力控制模式中，分别加入常规p i d 控制策略和模糊自适 应p i d 控制策略，对目标电流进行闭环控制。最后确定回正控制策略和阻尼控制策略。 ( 4 ) 建立商用车e p s 系统的数学模型和仿真模型。论文建立了商用车e p s 系统的 动力学模型和整车模型，并将其转化成为s i m u l i n k 仿真模型。在不同的控制模式中，分 别建立加入常规p i d 控制和模糊自适应p i d 控制的助力控制策略，以及回正控制策略和 6 长安大学硕士学位论文 阻尼控制策略的s i i n u l i n k 仿真模型。 ( 5 ) 进行s 叫i n k 仿真分析。分别对e p s 系统中加入常规p i d 控制和模糊自适应 p i d 控制的助力控制策略，进行了不同行驶工况下的汽车操纵稳定性的仿真，并对仿真 结果进行对比分析。最后对回正控制和阻尼控制进行了仿真，分析加入回正控制和阻尼 控制之后对e p s 系统转向性能的影响。 7 第二章商用车e p s 系统的总体设计 第二章商用车e p s 系统的总体设计 2 1 研究车型的选择 论文的研究对象是商用车辆的e p s 系统，因此选用某一载重约4 吨的中型货车作为 研究车型，该商用车的一些主要性能参数如表2 1 所示： 表2 1 商用车的主要性能参数 参数 取值 发动机型号y n 4 1 0 2 q b z l 轮胎型号 8 2 5 2 0 满载总质量 8 8 0 5k g 额定载货质量 3 8 0 0 k g 整车外形尺寸( 长宽高) 6 2 0 0 2 2 5 0 2 8 0 0 m m 轴距3 4 2 0 m m 前后轮距 17 5 0 16 5 0 m m 前悬后悬 10 8 0 17 0 0 m m 接近角倩去角 2 9 。2 0 。 空载时质心到前轮距离 2 0 0 5m m 满载时质心到后轮距离 2 4 4 1r 咖 转向盘直径 4 2 0 m m 2 2 商用车e p s 系统的总体布置 长安大学硕士学位论文 2 2 2e p s 系统的布置类型 图2 1e p s 系统的总体结构图 根据助力电机布置位置的不同，可以将e p s 系统的布置类型分为转向轴助力式 ( c o l u m n - a s s i s tt y p e ) 、齿轮助力式( p i n i o n a s s i s tt y p e ) 和齿条助力式( p a c k - a s s i s tt y p e ) 这三种类型1 2 7 ，如图2 2 所示。 量) 转向轴助力式b ) 齿轮助力式c ) 齿象助力式 图2 2e p s 系统的布置类型 ( 1 ) 转向轴助力式( c o l u m n a s s i s tt y p e ) 转向轴助力式e p s 系统的助力电机与转向轴通过蜗轮蜗杆机构相连接，其安装位置 在转向盘下方附近。转向轴助力式布置方案的特点：助力电机布置在驾驶室内，工作条 件良好。由于助力电机发出的助力转矩经过减速机构和转向器的降速增扭作用，因此需 要的助力电机尺寸小，质量轻，布置方便。扭矩传感器、车速传感器、助力电机、减速 9 第二章商用车e p s 系统的总体设计 机构、电磁离合器等部件安装在一起，结构紧凑，而且与机械转向系分开，容易进行拆 装与维修工作。 ( 2 ) 齿轮助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p e ) 齿轮助力式e p s 系统的助力电机安装在转向轴与转向器主动齿轮相连接的位置，直 接驱动主动齿轮进行助力转向。齿轮助力式布置方案的特点：因为助力电机安装在转向 器的上方，工作条件很差，因此对密封性有很高的要求。转向器主动齿轮与扭矩传感器、 车速传感器、助力电机、减速机构、电磁离合器等部件安装成一体，进行拆装与维修工 作比较困难，而且转向器无法通用，需要单独加工制造。 ( 3 ) 齿条助力式( p a c k a s s i s tt y p e ) 齿条助力式e p s 系统的助力电机与减速机构安装在齿条的位置，直接驱动齿条进行 助力转向。齿条助力式布置方案的特点：助力电机安装在地板下面，工作振动和噪声明 显减小。但助力电机产生的助力转矩仅经过减速机构降速增扭，未经过转向器增扭，因 此需要的助力电机尺寸增大，质量增加，占用的空间比较大。而且转向器通用性比较差， 也需要单独加工制造。 由于转向轴助力式e p s 系统具有布置方便、结构紧凑、价格低廉、容易进行拆装与 维修工作等方面的优点，所以在商用车上应用较为广泛。因此论文商用车的转向机构采 用转向轴助力式电动助力转向系机构。 2 2 3 商用车e p s 系统的布置方案 商用车的转向系统与普通乘用车不同，两者相比较，商用车的整车质量比较大，所 以分配在前轴的轴荷相对较大，因此地面产生的转向阻力矩也就变得很大，转向过程中 需要驾驶员施加很大的转矩，长时间容易产生疲劳。乘用车上的转向器大多采用齿轮齿 条式，而商用车的转向器主要采用的是循环球式助力转向器。因此论文针对商用车转向 器的特点设计了商用车e p s 系统的总体布置方案。 商用车e p s 系统的总体布置结构如图2 3 所示。其主要由转矩传感器、电流传感器、 电子控制单元、助力电机、蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器、循环球式转向器、转向摇臂 以及转向横拉杆等构成。 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 3 而用车e p s 系统总体布置图 如图2 4 所示为循环球式电动转向器的内部结构图。从图中可以看出，助力电机与 循环球式机械转向器安装在一起。安装在减速器壳体内的蜗杆与安装在转动轴上的蜗轮 相啮合，并且与安装在壳体外侧的助力电机相连接。转向螺杆和转动轴之间安装着扭杆。 转向螺母和循环球安装在转向螺杆上面，转向螺母上的齿条与摇臂轴一侧的扇形齿相啮 合，通过摇臂轴输出转向力。采用将循环球式机械转向器与电动助力转向设备相结合成 为一个整体的布置形式，具有结构紧凑，拆装方便等优点1 2 羽。 图2 4 循环球式电动转向器内部结构图 第二章商用车e p s 系统的总体设计 2 3 商用车e p s 系统的关键部件的选取 2 3 1 扭矩传感器 扭矩传感器的功能是采集汽车转向时驾驶员作用在转向盘上力矩的大小、方向以及 转向盘转角等信号。扭矩传感器的性能直接影响到整个e p s 系统，是e p s 系统中一个 很关键的部件，因此对它的要求非常高。常用的扭矩传感器主要有日本n s k 扭矩传感 器和美国b i 扭矩位置复合传感器这两种。 论文中选用美国b i 公司生产的扭矩位置复合传感器，如图2 5 所示，b i 扭矩位置 复合传感器是一种电位计式传感器，它能够检测转矩信号和方向盘位置信号，并采用多 个滑动变阻器来控制其输出信号。 图2 5b i 扭矩位置复合传感器 如图2 6 所示为b i 扭矩位置传感器的安装示意图。b i 扭矩位置传感器安装在转向 柱截开的部位，在截开的两段转向柱之间，加装具一根具有合适的扭转刚度的扭杆，然 后将b i 转矩位置传感器的两端分别和输入、输出轴相连接，加工简单，非常方便。 扭杆 图2 6b i 扭矩位置传感器安装示意图 如图2 7 所示为b i 扭矩位置信号输出特性曲线【2 9 1 。图中，t 1 、t 2 表示的是两个扭 1 2 长安大学硕士学位论文 矩信号，横坐标表示的是转向盘转矩的大小，纵坐标表示的是传感器的输出电压所占额 定电压的百分比。当传感器的输出电压超过额定电压的5 0 时，系统开始工作，输出转 矩信号。 t o r q u eo u t p u ts i g n a l s t 1 + t 2 艿“ 芏g c i i 邑- 8 c 一、 3 7 c 、l ， 弓 5 c 4 c 夕厂 、人 3 0 2 0 、i 1 c v 1 086- 42o24681 0 p o s r r b n ( d e g j 图2 7b i 转矩传感器转矩位置输出信号特性曲线 如图2 8 所示为b i 扭矩传感器的相对位置输出信号曲线，图中p 1 、p 2 表示的是两 个位置信号，横坐标表示的是转向盘转动的角度，纵坐标表示的是传感器输出电压所占 额定电压的百分比。从曲线可以看出，p 1 、p 2 这两个位置信号之间的相位差为9 0 0 。 p o s i t i o no u t p u ts i g n a l s - p 1 卜p 2 j 一 一 彗 八八a八 兰 l 7 0 )(笋x 暑 if l一【ll2一【ll 5 0 1 f丁1 fr了 f 4 0 i 3 0 巢ii )c - )c 加 i 1 0 2l vk , vl v t 一 v 一 t 一 - 4 5 03 6 0- 2 7 01 8 09 00g o1 8 02 7 03 6 04 5 0 p o e r n o ni o r = g i 图2 8b i 转矩传感器的相对位置输出信号曲线 如图2 9 所示为b i 扭矩传感器的绝对位置输出信号曲线，当传感器的输出电压达到 额定电压的5 0 时，将会产生p 3 信号。p 3 信号可以用来测量转向盘的转动方向，顺时 针转动转向盘1 8 0 0 ，传感器的输出电压就会增大1 0 。同理，逆时针转动转向盘1 8 0 0 ，传 感器的输出电压就会减小1 0 。 1 3 第二章商用车e p s 系统的总体设计 图2 9b i 转矩传感器的绝对位置输出信号曲线 综上可见，根据p 1 、p 2 、p 3 这三路电压信号就可以确定转向盘转动的角度和方向， 实际上也就确定了转向盘转动之后的位置。 b i 扭矩位置传感器能够同时提供转向盘的转矩信号和位置信号，而且其安装结构简 单，功能强大，价格低廉，适合于商用车e p s 系统的使用。 2 3 2 车速传感器 车速传感