（载运工具运用工程专业论文）汽车电动助力转向系统控制策略的研究.pdf

摘要 传统的液压助力转向系统在整个助力过程中按固定的比例提供转向助力，虽然它 能够提供有效的转向助力，但不能根本地解决汽车驾驶员操纵“路感”不足的问题。 汽车电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) 是一种新型的汽车转向系统， 与液压助力转向系统相比有许多优点，可在不更换系统硬件的情况下，通过对控制器 软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，使汽车获得理想的助力。电动助力转 向系统具有广泛的应用前景。本文研究汽车电动助力转向系统控制策略。 本文首先分析了e p s 系统的工作原理及总体结构，根据系统机械和电气结构，建 立了电动助力转向系统的动力学模型：还分析了在电流控制方式下的控制策略( 包括 助力控制、回正控制和阻尼控制) ，并进行了仿真；重点研究了基于c m a c 与p i d 复合控 制的e p s 控制策略，比较了纯p i d 控制和c m a c 与p i d 复合控制下电动助力转向系统的性 能。仿真结果表明：本文首次在汽车e p s 系统中采用的基于c m a c 神经网络与p i d 的复合 控制策略，优化了e p s 系统的性能，其控制效果比单独的p i d 控制效果要好得多。具体 表现在：系统超调量大大减小，响应速度加快，输出误差小，实时性好，鲁棒性强，对 非线性信号有很强的跟踪能力和很好的抗干扰性。基于c m a c 与p i d 复合控制的e p s 控制 策略是可行的。 关键词：汽车 电动助力转向系统控制策略基于c m a c 与p i d 的复合控制 a b s t r a c t ac o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mu s e sp o w e rt os u p p l e m e n t t h ef o r c er e q u i r e m e n tt os t e e rt h ew h e e l ，b a s e do naf i x e da s s i s tr a t i oo f t h ed r i v e r si n p u t a l t h o u g hi ti sc a p a b l eo fp r o v i d i n gp o w e r a s s i s t e d s t e e r i n g ，b u ti t i sd i f f i c u l tt or e s o l v et h el a c ko fs t e e r i n gf e e lp r o b l e m e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi san e wt y p eo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m c o m p a r i n gw i t hh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m h a sm a n ym e r i t s i ti se a s yt oo p t i m i z et h es t e e r i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c b ya d j u s t i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e m sc o n t r o l l e r ，w i t h o u tc h a n g i n gt h e h a r d w a r e t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sab r i g h t f u t u r e f i r s to fa 1 1 ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ew o r k i n gt h e o r ya n dw h 0 1 es t r u c t u r e o fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，b u i l d st h ed y n a m i c a lm o d e lo fe p sb a s e d o nt h em e c h a n i ca n de l e c t r i cs t r u c t u r e s ，a n a l y s e sa n ds i m u l a t e si t sc o n t r o l s t r a t e g yi nc u r r e n tc o n t r o lm o d e ，i n c l u d i n gp o w e ra s s i s t e dc o n t r o l ，r e t u r n a b i l i t yc o n t r o la n dd a m pc o n t r 0 1 t h i sa r t i c l ep l a y sg r e a ti m p o r t a n c eo nt h e c o m p o u n dc o n t r o lo fc m a ca n dp i ds t r a t e g y ，c o m p a r e st h ee p s sp e r f o r m a n c e s o ft h ec l f a ca n dp i dc o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mw i t ht h ep u r ep i dc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a ta p p l i c a t i o no fc m a ca n dp i dc o m p o u n d c o n t r o lo ne p ss y s t e mo p t i m i z e dt h ep e r f o r m a n c e so fe p s t h ee p ss y s t e mu n d e r c o m p o u n dc o n t r o lh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e st h a nt h eo n e su n d e rp u r ep i dc o n t r o l ， w h o s eo v e r s h o o td e c r e a s e sg r e a t l y ，t h er a t eo fr e s p o n s ei si m p r o v e d m e a n w h i l e ， i th a s1 i t t l et h eo u t p u te r r o r ，g o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，p e r f e c tr o b u s t n e s s ， t r a c e a b i l i t yt ot h en o n l i n e a rs i g n a l sa n db e t t e ra n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y t h u s ，t h ee p ss y s t e mb a s e do nc m a ca n dp i dc o m p o u n dc o n t r o li sf e a s i b l e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n go fa u t o m o b i l e ，c o n t r o ls t r a t e g y c o m p o u n dc o n t r o lb a s e do nc m a ca n dp i d 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 车；禹碎 日期：2 驴口_ 6 年4 月f - 日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅a 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：亭；喝蒂 日期：2 0 佴牛月广日 妊穆席 日期：万年 i - 月3 - 臼 第一章绪论 第一章绪论 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，即使车辆 在停车情况下转动转向盘时能够轻松自如；而在高速行驶时又不会感到轻飘不稳。 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。 1 1 汽车转向系统发展历史 1 1 1 机械式转向系统 根据结构特点不同，机械式转向器可分为齿轮齿条式转向器、循环球式转向 器、球面蜗杆滚轮式转向器和曲柄指销式转向器等几种。其中轿车采用齿轮齿条 式转向器为主。汽车转向一直存在“轻”与“灵”的矛盾。为了保证转向轻便性， 要求增大转向器的角传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力， 但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转 向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。机械式转向器的设计目标是保证 汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同 时保证适当的转向灵敏度。但是机械式转向器的结构特点注定“轻”与“灵”矛 盾的存在，为此人们在开始阶段从两方面入手来解决这一矛盾。一是提高转向器 效率，比如转向器中引入循环球等。对于一定的传动比，提高转向器效率可以减 小转向盘上的手力。但是效率的提高容量总是有限的，最多也只能达到9 0 左右。 二是将转向器设计成交速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角 时以“轻”为主，在转向盘中间位置附近角传动比小，在两侧极限位置附近角传 动比大。但由于“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义， 并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根本上解决这一矛盾。 机械式转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。 机械式转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成，其一般布 置情况如图1 1 所示。需要转向时，驾驶员对转向盘1 施加一个转向力矩。该力矩 通过转向轴2 、转向万向节3 和转向传动轴4 输入转向器5 。经转向器5 放大后的 力矩和减速后的运动传到转向摇臂6 ，再经过转向直拉杆7 传给固定于左转向节9 上的转向臂8 ，使左转向节9 和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节1 3 及其 所支承的右转向轮随之偏转相应角度，设置了由固定在左、右转向节上的梯形臂 第一章绪论 图1 1 机械转向系示意图 l 一转向盘；2 转向轴：3 转向万向节；4 - 转向传动轴：5 - 转向器；6 转向摇臂；7 诤 向直 拉杆；8 转向节臂；9 - 左转向节；i 0 、1 2 梯形臂：1 1 转向横拉杆；1 3 右转向节 2 l o 和1 2 ，两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆1 1 组成的转向梯形。自转向 摇臂至转向梯形这一系列部件和零件( 不含转向节) 都属于转向传动机构。 1 1 2 液压动力式转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称 h p s ) 1 1 图1 - 2 为一种液压式动力转向系的组成和液压转向加力装置的管路布置示意 图。其中属转向加力装置的部件是：转向罐9 、转向油泵1 0 、转向控制阀1 1 和转 向动力缸1 2 。当驾驶员逆时针转动转向盘1 时，转向摇臂4 推动转向直拉杆5 后 移。直拉杆的推力作用于转向节臂6 ，并依次传到梯形臂7 和转向横拉杆8 ，使之 右移。与此同时，转向直拉杆还带动转向控制阀1 1 中的滑阀，使转向动力缸1 2 的右腔接通转向油泵1 0 的出油口，右腔接通液面压力为零的转向油罐。于是转向 动力缸的活塞所受向右的液压作用力便经推杆施加在横拉杆8 上。这样，为了克 图1 2 液压动力转向系示意图 1 - 转向盘 2 - 转向轴；3 - 机械转向器：4 - 转向摇臂：5 转向直拉杆：6 转向节；7 梯形臂 8 - 转向横拉杆：9 - 转向油罐：1 0 - 转向油泵；1 1 转向控制阀；1 2 转向动力缸 第一章绪论 3 服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比 用机械转向系时所需的小得多。 液压动力转向技术的出现比较好地缓解了“轻”与“灵”的矛盾，符合人们 对转向轻便性更高的要求，在保证其他性能的条件下，能大大降低转向盘上的手 力，特别是原地转向时转向盘上的手力。引入液压动力转向后，可以在不牺牲轻 便性前提下减小转向器传动比。 液压动力转向系统的优点 1 ) 减小驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小转向盘上的力，提高转向轻便 性。 2 ) 提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动 比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重 问题。 3 ) 衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平 度对转向盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎，将导致汽车 转向盘难以把握，应用动力转向可以使驾驶员较容易。 液压动力转向系统的不足 1 ) 选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。因 此协调轻便性与路感的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、 “路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求 设计转向系统时，低速时转向力往往过大。 2 ) 即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。 3 ) 存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。 4 ) 低温工作性能较差。 随着人们对轿车经济性、环保、安全性的日益重视以及小排量轿车的发展， 人们开始对液压动力转向存在的不足进行改进，开发出一些新型液压动力转向技 术。这种技术上的改进主要围绕液压动力转向系统不足。对设计完成后不能调节 助力特性这一不足的主要改进措施是将车速引入动力转向系统，得到车速感应型 助力特性，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。一种是机械式，通过与调 速器及变速器相连的泵来控制油压阀，现在已经很少采用；另一种是电子控制式， 通过传感器由e c u 控制阀动作，现在用得比较多。对能耗高这个不足，主要通过 开发节能泵、提高系统的效率以及电控液压动力转向系统来加以改进。 液压动力转向系统的应用 液压动力转向于2 0 世纪3 0 年代应用在重型车辆上。由于当时汽车装载质量和 整备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也将相应增加，从而 第一章绪论 4 要求加大作用在转向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。当前轴负荷增 加到某一数值后，靠人力转动转向轮就很费力。为使驾驶员操纵轻便和提高车辆 的机动性，最有效的方法就是在汽车的转向系中加装转向助力装置，借助于汽车 发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶 员操纵前轮转向的力量。使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强 度，提高了行驶安全性。液压动力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增 加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。而轿车对动力转向的要求与重型车辆 不完全相同。比如重型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求 很高，轿车还要求装用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。但 是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。 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转 向系统以来，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。 1 1 3 电控液压动力转向系统( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ，简称e c p s ) 图1 3 所示为流量控锘4 式电控液压动力转向系统，在系统中增加一个电磁阀， 靠车速传感器和转向盘转角传感器的信号传送给e c u 控制电磁阀开启大小，直接改 变向动力缸供油量的大小。即汽车低速行驶或停车状态时。向电磁阀供应较大电 流使电磁阀全开，油泵则以最大供油量向动力缸供油，流量越大转向越轻。随着 图1 3 电控液压动力转向系统 1 储液罐：2 - 油泵：3 - 电磁阀：4 - e c u ；5 - 发动机；6 - 车速传感器；7 齿轮齿条转向器 第一章绪论 汽车车速提高，向电磁阀供电电流适量的减小，电磁阀开启量也随着减小，供油 量也减小，流量越小转向越重。 为了克服液压动力转向系统存在的不足，人们在液压动力转向系统中增加电 子控制和执行元件，将车速( 也有采用车速和转向盘转速) 引入到系统中，实现车 速感应型助力特性液压动力转向。这类系统称为电控液压动力转向系统。现代电 控液压动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机 系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车 速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操 作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵性和稳定性达到最 合适的平衡状态。 电控液压动力转向系统采用直流电动机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电 浊供电。控镣4 器根据车速信号、转向盘转速信号控制电动机转速，从而控制油泵 的流量，达到变助力转向的目的。采用电动机驱动油泵后使油泵布置容易，不必 布置在发动机附近。在没有转向操作时，电动机以较低转速运转甚至停止运转， 因而可以降低能量消耗。 电控液压式动力转向系统的优点 1 ) 电控液压动力转向是在原液压式动力转向系统上发展起来的，原来的系统 都可利用，不需要更改布置。 2 ) 低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感， 提高车辆行驶稳定性。 3 ) 采用电动机驱动油泵可以节省能量。 4 ) 具有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原液压动力转向系统安全工 作。 电控液压式动力转向系统的不足 电控液压式动力转向系统在传统的液压动力转向系统的基础上有了一定的改 进，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的缺点，如：还存在渗油问题， 零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。另外虽然引入车速实现车速感 应型变助力特性，但是在原有液压系统的基础上又增加了电子系统，使系统越加 复杂，成本增加。 随着技术的发展，动力转向系统在体积、价格和所消耗的功率等方而都取得 了惊人的进步。在八十年代后期，又开发了变减速比、电控液压动力转向系统。 今天，变速比的液压动力转向系统几乎成为发达国家所销售轿车的标准装备。几 十年来，动力转向系统的技术革新都是在液压动力转向系统基础上的。即便是电 控液压动力转向系统也无法根除液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、 第一章绪论 6 操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的固有缺憾。这就需要有一种新型的、 性能更加优越的助力转向系统。 1 1 4 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 gs y s t e m ，简称e p s ) 电动助力转向的发展历史及前景“。 电动助力转向系统最早是由日本研制成功的。日本于1 9 8 3 年首先将该系统成 功地装用在轻型汽车上。随后富士重工及铃木于1 9 8 6 年、大发于1 9 8 9 年、本田 于1 9 9 0 年都先后将该系统应用于微型汽车及轿车上。同年，在欧洲市场销售的一 种经济型轿车菲亚特帮托也将美国d e l p h i 汽车系统公司生产的电控助力转向 系统作为标准装备。由于电控助力转向系统完全取消液压装置，用电能取代液压 能，减少了发动机的能量消耗，加上其性能的优越性，很快在越来越多的国外轿 车上得到应用，如本田最新推出的i n s i g h t 轿车上就是其中的一例。电动助力转向 系统无疑是未来动力转向设计的新方向，目前在中型以上货车和中级以上轿车上 广泛采用的机械液压动力转向器将逐濒被效率更高、适应性更强的电动助力 转向系统所代替。为此，国外几家大公司( 如德国的z f 英国卢卡斯伟利达、 s a g i n a w 、t r w 、日本的n s kk o y o 等) 都竟相推出自己的电动助力转向系统。 欧美各国绝大多数是在9 0 年代中期才研制成功的，美国t r w 公司开展得比较 早，在1 9 8 6 年就已研制出样品，并计划于1 9 8 8 年投入正式生产，后因其研制的电 动助力转向操作时缺乏象液压助力转向系统那样的平滑感觉，经技术人员1 0 多年 的努力才最终解决，经改进后的电动助力转向装备在9 8 型豪华轿车上。各厂在电 动助力转向装车后都还在对其进行不断的改进，据有关资料报道，英国的卢卡斯 和美国的德尔福以及日本的本田公司1 9 9 7 年推出的新型的电动助力转向系统无论 在结构设计方面还是在产品性能方面都有进一步的提高。 e p s 的前景是可观的，首先在注重环保和石油资源短缺的国家，如日本和欧洲 各国将获得快速推广。据美国德尔福公司预测，2 0 0 1 年后，顶级轿车将全部安装 e p s 。t r w 公司估计，至0 2 0 i o 年，全世界轿车的动力转向系统中，e p s 占1 3 0 ；英 国卢卡斯公司认为，e p s 在轿车上正成为标准配置，而不是选装件；自1 9 9 6 至2 0 0 6 年，欧洲市场上的a 。b ，c 级轿车安装e p s 的比例将由3 5 增加到7 0 。目前，e p s 系统每年正| 三1 9 1 0 的增长率在快速发展。至1 1 2 0 0 5 年，e p s 的产量由目前的1 5 0 万 套增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套，即产量正以1 3 0 1 5 0 万套侔的速度在 增加，按此增长速度发展下去，用不了几年e p s 将完全占领轿车市场，并向微型车、 轻型车和中型车扩展。 电动动力转向系统的特点 汽车电动动力转向系统是在机械转向系统的基础上加入电机为动力源，用电 第一章绪论 7 动动力代替液压动力转向系统。并以其环保、节能、成本低、工作可靠等优点越 来越来受到汽车行业的重视。 1 ) 节能并有利于环保 e p s 系统是现有各种动力转向系统中燃料消耗率最低的转向系统。据有关资 料报道，e p s 的燃料消耗率仅为i i p s 的6 2 0 。据统计，1 9 9 5 年全世界轿车 销售量中有7 5 采用了h p s 系统，为了维持h p s 正常工作，一年之中需要消耗大 约几亿升的燃料。如此之多的油料被燃烧，散发到空气中的尾气对生态环境造成 的污染是可想而知的。此外，e p s 系统中没有油泵、液压控制罚、动力缸和油罐 等液压部件，故而不存在因上述部件受到意外损坏造成工作油液泄漏等直接污染 的环境问题。 2 ) 高度的控制性能 高度的控制性能是指系统对己经开发和将要开发的各种性能都具有良好的可 变性，并且该变化对于设计者和使用者来说简单易行。e p s 系统中不仅包含转向 器、传感器、控制器和执行机构等硬件，而且还包含大量隐而不露的所谓软( 件) 的、虚( 拟) 的技术。例如，在控制器中储存着描述系统各参数间关系的数学模型、 特性曲线( 或数据表格) 、控制理论和计算方法等，正是这些非实体的“软件”构成 了高度控制性的基础和手段。 当正确合理地选定硬件之后，设计者仅仅变更存储在微处理器中的上述“软 件”中的任一项，如改变预先设定的数据表格，就可以获得新的性能，满足不同 用户的使用要求，或者设计者事先设计了几种使用性能模式储存在芯片里，通过 模式转换开关，供不同的驾驶人员按自己的爱好进行选用。日本本田汽车公司生 产的第六代a c c o r d ( 雅格) 轿车的仪表盘上，备有e p s 控制助力模式的转换开关，该 开关把转向盘操纵力分为轻、中、重三个档次，任凭驾驶员选择。 3 ) 可靠性高 e p s 还有安全保护和自我诊断功能，通过采集电动机的电流、发动机工况等信 号判断系统工作状况是否正常。一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时将进 行故障诊断分析。当系统出现故障时，电子控制装置使离合器断开，从而保证转 向机构的正常运行。 电动动力转向系统的研究现状 目前国内有多家高校对电动助力转向系统展开了研究工作，其中清华大学、 吉林大学、华中科技大学、湖北汽车工业学院和合肥工业大学等高校开展了系统 结构方案设计、系统建模和动力分析等方面研究，取得了一系列的成果。其中大 部分的研究工作集中在对e p s 系统的建模、助力特性( 包括系统静态特性的研究和 对动态特性) 的研究上。同时，也有文章南j e p s 系统控制策略、控制方法以及转向 第一章绪论 性能评价的方法进行研究。 e p s 系统建模研究，国内外的研究己经比较详尽。其中1 9 9 9 年由d c l p h i 公司a 1 y b a d a w ，和j e f z u r a s k i 提出的e p s 系统模型比较有影响。合肥工业大学的杨孝剑等 a e p s 系统的多刚体模型方面也做了一些研究。但大部分对e p s 系统的理论研究都 采用更加简单的二阶扭振系统模型。二阶扭振模型是对转向系统的合理简化，已 能满足一般精度理论研究的需要。 系统静态特性研究，国内华中科技大学机械工程学院的叶耿、杨家军、刘照 对汽车转向路感的形成进行了讨论，给出了路感的定义并对转向路感进行了量化， 将路感强度作为评价转向系统的一项性能指标。分析了影响e p s 系统路感的主要因 素，得至t j e p s 系统的转向路感曲线；湖北汽车工业学院汽车工程系的肖生发等则从 转向系动、阻力平衡方程出发，探讨了理想的汽车动力转向系统助力特性，并基 于这个特性提出一种简单的e p s 系统助力特性设计方法。 系统动态特性研究，湖北汽车工业学院的冯樱等从防止路面反向冲击的观点 出发，分析t e p s 系统采取比例控制方式和比例加微分a ) d ) 控制方式的优劣，提出 采用比例加微分控制可获得理想的动态助力特性，并有效地消除系统在共振区内 共振峰的问题。在国外，则有学者对把各种现代控制方法( 如h - i n f i n i t y 控c r l ) x e p s 系统。另外，考虑到传感器噪声、执行器误差的影响，国外学者已经开始研究e p s 系统控制器的动态补偿等细致的问题。 系统控制策略的研究，吉林大学的林逸等人讨论了电动助力控制的一般过程、 电动机目标电流的决策方法、电动机电流的控制策略等问题。 转向性能评价方法的研究，吉林大学林逸等人针对电动助力转向的结构特点， 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、转向盘中间位 置区域性能、转向盘振动、随动灵敏度和助力特性等方面对e p s 系统转向性能进行 客观评价，并探讨了相应的评价指标。 1 2 课题研究的意义内容和成果 1 2 1 课题意义 e p s 是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、开发和 试用阶段，转入批量生产阶段，并成为现代汽车零部件生产的“高新技术产品”。 “高”是指其技术含量高，包括电子、电力驱动、控制器、传感器、计算机、机 械和安全工程等八个技术领域。所谓“新”是指其应用现代电力电子和信息技术 以后，创造出传统的h p s 系统无可比拟的节能环保、高性能、低成本、高效率等特 点的新产品。随着电力电子技术和控制技术的发展，e p s 取代h p s 己经成为必然。 第一章绪论 9 近几年来，国内也有许多单位和个人先后开展了电动助力转向系的研究工作，也 取得了一定的成绩，但我国在这方面与国际先进水平依然存在很大的差距。着眼 于未来的汽车转向系巨大的市场潜力，进行电动助力转向系统的开发将是一件非 常有意义的工作。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将e p s 列为汽车 零部件“高新技术产品”之一。目前国内在本领域的研究才是刚刚起步，因此本 研究具有重要的理论意义和实践指导价值。 1 2 2 研究内容 研究电动助力转向系统的工作原理； 建立电动助力转向系统的动力学模型； 系统动力学模型可分两步完成：首先依据电动助力转向系统实物建立转向系 统的物理模型，然后根据物理模型列出转向系统的动力学微分方程。 研究控制策略； 电动助力转向系统一般都采用微机控制，控制方式应简单可靠，控制精度要 高且成本低，重量轻。因此对控制策略做细致的研究是必要的。 内容包括：1 ) 助力控制；2 ) 回正控制；3 ) 阻尼控制。 重点研究基于c m a c 神经网络与p i d 复合控制方法在e p s 系统中的应用， 并进行仿真分析。 1 2 3 研究成果及创新点 本文首次在汽车e p s 系统中采用基于c m a c 神经网络与p i d 的复合控制策 略。 基于c m a c 神经网络与p i d 复合控制的效果比单独的p i d 控制效果要好得多 优化了e p s 系统的性能。具体表现在：系统超调量大大减小，响应速度加快，输 出误差小、实时性好、鲁棒性强，对非线性信号有很强的跟踪能力和很好的抗干 扰性。 筮三重 直动勤左蕴回丕筮趁蓝篮蕴蛰盈王往匠堡望 第二章汽车电动助力转向系统的工作原理及总体结构 2 1 汽车电动助力转向系统的种类 根据电动机布置位置不同，e p s 可分为：齿轮助力式、齿条助力式、转向轴助 力式三种，如图2 1 所示。 图2 1 a 转向轴助力式图2 1 b 齿轮助力式图2 1 c 齿条助力式 齿轮助力式e p s 的电动机减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。小 齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍为一体， 只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该形 式可使各部件布置更方便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩 信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上，其助力控制特性难以保证准确。 齿条助力式e p s 的电动机减速机构直接驱动齿条提供助力。齿条助力式转向系 统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿 轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为 两种：一种是电动机做成中空的，齿条从中穿过，电动机动力经对斜齿轮和螺 杆螺母传动副以及与螺母制成一体的铰接块传给齿条。这种结构是第一代电动助 力转向系统，由于电动机位于齿条壳体内，结构复杂、价格高、维修也很困难。 另一种是电动机与齿条的壳体相互独立，电动机的动力经另一小齿轮传给齿条， 由于此结构易于制造和维修，成本低，已取代了第一代产品。因为齿条由一个独 立的齿轮驱动，可给系统较大的助力，主要用于重型汽车。 转向轴助力式b p s 的电动机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连， 直接驱动转向轴转向。由于转向轴助力式e p s 系统具有结构简单紧凑，成本低、维 修方便等优越性，所以应用相对较广泛。本文是基于这一结构形式的e p s 系统建立 动力学模型。 2 2 汽车电动助力转向系统的工作原理 e p s 转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传感装置、电子控制 装置和转向助力机构。不同类型的e p s 基本原理是相同的。它是利用电动机产生 的动力来帮助驾驶员进行转向。不转向时，电动机不工作；转向时，转矩传感器 检测到的转向盘转矩和旋转方向信号输送给控制单元e c u ，控制单元根据转矩大 小及其方向和从车速传感器传来的车速信号向电动机发出指令，电动机输出相应 大小及方向的转矩以产生助力矩。因此，它可以很容易地实现在车速不同时电动 机提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定。 2 3 汽车电动助力转向系统的总体结构 电动助力转向系统由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元( e c u ) 、电动 机、离合器、减速机构和齿轮齿条转向机构等组成( 如图2 2 ) 。其中电动机、离 合器与减速机构往往结合成一个整体，扭矩传感器通常布置在转向柱上。 图2 2 电动助力转向系统总体结构 2 3 1 传感器 2 3 1 1 车速传感器 车速传感器的功能是测量汽车行驶速度。 光电式车速传感器上有发光二极管、光敏元件 以及速度表电缆驱动的遮光板，如图2 3 所示。 当遮光盘没有遮光时，发光二极管的光射到光 敏晶体管上，光敏晶体管的集电极中有电流通 过，该管导通，这时下面的晶体管也导通，因 此在输出端子上就有脉冲信号输出，脉冲频率 取决于车速。该脉冲信号输入到电控单元 图2 , 3 光电式车速传感器 ( e c u ) ，单片机可通过捕获引脚计数功能获得的脉冲数来判断车速。 2 3 1 2 电流传感器 电流传感器用于测量电动机电流。常的电流传感器多为电磁感应式。此类电 流传感器内置永久磁铁。磁阻材料能够根据外部磁场的变化而相应地改变其阻抗 特性，阻抗的变化由与电流方向成一定角度的磁场大小来决定。磁阻材料采用坡 莫合金，其相对的磁阻变化为2 3 。这个高灵敏度和小尺寸的传感器有一条长且 薄的坡莫合金带，合金带组成一个惠斯通电桥，输出与磁场强度成比例的电压信 号。 2 3 1 2 方向盘转矩的测量装置 转矩测量装置的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，也有 的转矩传感器还能测量转向盘转角的大小和方向。扭矩传感器测量系统比较复杂 且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定e p s 能否占领市场的关 键因素之一。 扭矩传感器有接触式与非接触式两种。接触式扭矩传感器，在转向轴位置加 一扭杆，通过测量扭杆的变形得到转矩。非接触式扭矩传感器，内部有一对磁极 环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气 间隙发生变化，从而引起电极的电磁感应系数变化，此种扭矩传感器的优点是体 积小，精度高，缺点是成本较高。 2 3 2 电子控制单元( e c u ) 电控单元的功能 电子控制单元的功能是根据扭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，控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 3 t 2 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、发动机工况等信号判断其系统工 蓥三童 电动助友栽白丕统鲍盛笠结招厘王往厦堡 旦 作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时e c u 将进行故障诊 断分析。e c u 通常是一个单片机系统，也有采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制 单元的。 电控单元的基本结构 电控单元的基本结构如图2 1 0 所示，该电路由电动机驱动电路、扭矩信号输 入电路、车速信号输入电路、电流信号输入电路和工作指示灯驱动电路等组成。 电动机的驱动电路由f e t 桥式电路、f e t 基极驱动电路和继电器驱动电路构成。 为了评价e p s 工作特性，本设计把由传感器采集进来的数据( 扭矩、电流) 通过 串口发送给上位机，上位机负责分析和评价此e p s 系统助力特性。 电子控制单元的工作原理 图2 1 0e p s 的电控单元基本结构 f一4一j_一e一黯叫回 扭矩传感器和车速传感器采样到的扭矩和车速信号通过各自的信号输入电路 传送给单片机。单片机对力矩传感器和车速传感器的信号进行分析和处理，并根 据一定助力特性规律，计算出目标电流的大小，然后按照一定的算法程序输出电 动机的控制信号，再将这些信号输入到各驱动电路来驱动电动机。在电动机的驱 动电路中设有电流传感器，用来检测电动机实际的电流。一方面将此电流作为反 馈信号来对电动机进行闭环控制，另一方面可以将此信号作为监控信号，一但e p s 系统发生重大故障，系统将立即断开继电器，实现故障监控功能。 本设计e p s 系统的控制电路核心是8 位单片机，带有a d 转换器和p w m 单元。 转矩、转向角信号和车速经过接口电路被输入到单片机，单片机根据这些信号计 算出最优化的助力转矩，然后把已计算出来的值作为电流命令值输入到电流控制 电路。电流控制电路把来自单片机的电流命令值同电机电流的实际值进行比较， 并产生一个差值信号。该差值信号被送往电机驱动电路，该电路可驱动动力装置 并向电机提供控制电流。当车速超过设定值时，离合器被切断，减速传动机构与 电动机脱离，接着电动机停机。控制单元还具有失效保护和故障自诊断功能。当 蓄电池电压过低检查电路、时钟监督电路和其它检查电路( 硬件) 或由微型计算机 检测出一个故障时，微型计算机将记录下故障类型，点亮仪表板上的故障灯，同 时控制器上的故障代码显示灯点亮。此时，电动机的电流被中断，离合器断开， 系统转入人工转向状态。 按控制信号的来源，e p s 系统的控制器有两种型式：一种是以车辆的行驶速度 施控，叫速度型控制器：另一种是以发动机的运转速度施控，称转速型控制器。 目前广泛采用是速度型控制器，即系统在每一个车速下都可得到优化的转向作用 力。 2 3 3 执行机构 2 3 3 1 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的助力矩，是e p s 的动力 源。多采用永磁式直流电动机，包括有刷式和无刷式两种。电动机对e p s 的性能有 很大的影响，是e p s 的关键部件之一。所以对电动机要求很高，不仅要求转矩大、 转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性高，易控制。 2 3 。3 。2 减速机构 e p s 的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆机构、滚珠 螺杆螺母、行星齿轮机构等。本设计中e p s 的减速机构为蜗轮蜗杆机构。 1 离台器；2 - 电动机：3 一传感器轴 4 一扭杆：5 一滑块：6 - 球槽；7 连接杆 8 钢球；9 蜗轮：1 0 一蜗杆 图2 1 l 蜗轮蜗杆减速机构 2 3 3 3 离台器 有的e p s 还配用离合器，装在减速机构一侧，是为了保证e p s 只在预先设定的 车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作， 转向系统为手动转向。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动分离。 这是系统的安全装置，由一个主电源电路中能切断电机电源的继电器和一个 电磁离合器组成。离合器用来断开电机与减速器之间的连接，根据电子控制装置 的指令控制离合器的开闭。本设计采用电磁离合器，以便于电动机与转向器迅速 结合和分离。当系统转向时，控制器输出控制信号使离合器吸合，这时电动机输 出的扭矩可以传递到转向柱上。当系统出现故障时，电子控制装置使离合器断开， 从而保证转向机构的正常运行。 第三章电动助力转向系统的动力学模型及其上层控制策略 第三章电动助力转向系统的动力学模型及其上层控制策略 3 1e p s 系统动力学模型 建立电动助力转向系统动力学模型是指建立电动助力转向系统的动力学微分 方程。建立电动助力转向系统动力学模型是进行系统仿真的一个重要环节，模型 的正确与否关系到仿真结果的准确性、有效性、真实性。助力转向系统动力学模 型可以分二步来完成：首先依据电动助力转问系统实物建立转向系统的物理模型 然后依据转向系统的物理模型来列出转向系统的动力学微分方程。 3 1 1e p s 的物理模型 从机械的观点来看，转向系统是由许多质量和惯性元件及弹簧、阻尼( 或摩擦 元件) 组成的。如果我们把转向系统的各个部件都用相应的机械元件表示出来，那 么我们便可得到转向系统的物理模型。然而，整个电动助力转向系统是一个十分 复杂的系统，如果我们在物理模型中把转向系统的每一部件都用相应的机械元件 表示出来( 全阶建模方法) ，这将极大的增加以后对模型进行计算机仿真所花的时 间，而且将使得我们对一些重要的动力学元件注意不够，因此本文使用降阶建模 方法( 把全阶模型中两个或多个机械元件合并，使得整个转向系统的机械元件的数 目得以减少，便可得到转向系统的降阶物理模型，这种建模方法称为降阶建模方 法) 。 j sb s e s 图3 1e p s 实物模型 图3 2e p s 的简化物理模型 第三章电动助力转向系统的动力学模型及其上层控制策略旦 3 1 2e p s 的系统动力学模型 图3 2 中各符号的含义如下： ，。、，。、，、_ ，。分别表示转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转动惯 量： b 。、b 。、只、以分别表示转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的阻尼； 吼、0 、q 、六分别表示转向盘、转向柱、前轮及转向机构、电动机的转角； 瓦、0 、墨分别表示转向盘力矩、前轮及转向机构阻力矩、电动机的助力力矩； 转向盘动力学模型 ， 争= 瓦- t - b ：, 等 ( 3 1 ) 根据扭矩传感器测量原理，可知，扭矩信号瓦与输入轴和输出轴的角位移 成正比，