（光学工程专业论文）电动助力转向系统操纵性能及控制策略研究.pdf

a c a n d i d a t e ：x i nl i t u t o r ： m a j o r ： j i ec h e np r o f e s s o r a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g - _ _ 一 - 一一 a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n gi n s t i t u t e s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 0 9 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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己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，均己在文中以明 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。 靴敝储戤：稚 日期一 年峰月，多e t 学位论文作者签名：痞椒 指导教师签名： 日期：加7 年牟月，多日 日期：吖 锄孕 i yjj 。、，v ) 1 年p 月f 日 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名李欣学号 0 0 4 0 2 0 9 0 2 6 车辆工程 学科 指导教师 陈杰 答辩 2 0 0 9 0 4 一1 3 答辩 二海交通大学闵行校区机械大楼a 楼f 2 1 0 室 日期地点一 论文题目 电动助力转向系统操纵性能及控制策略研究 投票表决结果：5 所j( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结论：日磊过口未通过 在天专调关支锨像趁岔析拗匕，咋为对呷s 物蜘雄搠受嘞 奄3 弯：憋奥嘞繁、码础一丑砖壤枷气组 也烫的镥坼弼1 雅、娜： ， ，彰船q 印象却昭著狗弛张盔，没计枷杆弓，肆砂抟参识路渤1 吲鸭爪踞拗 如叙触编拗1 象i - r 。 一 j 1， ? 觊；分役多觳舭勿窖；涵磷，锡像国订壤锛梭翻恸1 笺浚奔晦梭捌岳 玖，庙竹弓卯5 鸶渤妇整孚裤灿k 侈锱t 匀 耖并唛弓。桐乞锡叩5 奎釉诌氓砼锣颦，并净够_ i ；客鸯氓狁沧池 诎磊鳓定，凇竹多确，童嗍- 隔已锯拒多张郴婚乡坞 船众锶池张、拗7 狲吻匆，粉、，宴确链绐够锄五砑彰研澎f 1 侈矽地 支鼍争1 落影五酞协鲁筘杉蝣弈，逗、澎瑞哟，璐。q 趁色响j 釜势咤戆专哆袁决，弧衄虏柱易傅七幽岩辑，兰蒸汉 嬲工吃谚杉霸互。 7 一哪 职务姓名职称 堕 辘卒吾 i 签名 主席来新民教授 上海交走懒二藏，豸豺文 答 上海理工夫夸墨岁7邳秽球 辩 委员郑松林教授 委 委员 左曙光教授同济大学 秽曙乏、：， 员 a 委员张建武 教授上海交通大学磁黝 z f 成 嘲衿 口 委员喻凡教授上海交通大学 贝 i v 签 委员f 名 委员 秘书 赵亦希副教授上海交通大学参肠 摘要 电动助力转向系统操纵性能及控制策略研究 摘要 随着电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 系统越来越被 广泛应用在轿车上，人们对e p s 系统的操纵性能要求也越来越高，这给 e p s 系统控制器的设计提出了极大的挑战。 本论文针对e p s 系统在汽车转向与回正工况下的各项操纵性能要求 及其影响因素，设计一种内外环双层结构的控制器。所设计的控制器首 先在e p s 系统模型中进行仿真分析，然后进行软硬件实现，并在台架和 实车试验中对仿真结果进行验证，从而证明本文设计的控制器能够有效 提高e p s 系统的操纵性能。主要的研究内容和成果概括如下： 一、建立了e p s 系统的动力学模型和简化的两自由度汽车模型。通 过分析e p s 系统原始动态性能，提出系统中存在的不确定因素，并详细 分析了不确定因素对操纵性能造成的影响。针对e p s 系统的各项操纵性 能要求，设计一种内外环双层结构的控制器，包括主环路控制和伺服环 路控制。针对汽车在行驶过程中的转向和回正工况，主环路控制分为转 向控制策略和回正控制策略。 二、在主环路转向控制策略中，提出了一种由分段多项式确定助力 特性曲线的方法，此方法确定的助力特性曲线能够为驾驶员提供比较好 的“手感 ，但同时也为e p s 系统带来了非线性因素。为了实现e p s 系 统在不确定干扰因素影响下的转向操纵性能，设计了保证e p s 系统时滞 相关鲁棒镇定的风鲁棒模糊状态反馈控制器。仿真结果表明，所提出的 转向控制策略能够保证转向过程中的操纵性能要求：提高转向轻便性和 “路感 ，改善转向跟随性和转向力矩平顺性，使系统具有鲁棒稳定性。 三、在主环路回正控制策略中，为了克服转向系统的参数摄动、外 界干扰以及非线性摩擦，采用基于参考模型的滑模控制算法实现e p s 系 上海交通大学博士学位论文 统的回正控制，并设计滑模观测器观测不可直接测量的状态量。仿真结 果表明，所提出的回正控制策略不仅能够实现e p s 系统在汽车低速时的 回正性能，而且能够提高汽车高速时的操纵稳定性。 四、提出e p s 系统伺服环路控制策略的设计方法。针对助力电机存 在的两大扰动因素：摩擦和外部干扰，采用基于干扰观测器的p i d 控制 算法。仿真结果表明，所提出的伺服环路控制器对于干扰起到了很好的 抑制作用，目标电流的跟踪性能得到很大的改善。 五、从硬件和软件上设计e p s 系统双层结构控制器。设计开发e p s 系统的试验台架，进行转向轻便性和转向跟随性的操纵性能试验。将e p s 样机安装在某型号的轿车上进行转向和回正性能实车试验，试验结果验 证了所建立的e p s 及两自由度汽车模型及参数的正确性，进一步证明本 文提出的控制策略能够实现e p s 系统操纵性能要求。 本文针对e p s 系统的操纵性能要求及其不确定影响因素，研究、设 计并实现一种双层结构控制器。通过仿真及试验，验证了本文所提出的 内外环双层结构控制器较传统的单层结构p i d 控制器，更能满足e p s 系 统的操纵性能要求，具有一定的理论价值和实用价值。 关键词：电动助力转向系统，操纵性能，控制策略，凰鲁棒模糊控制， 滑模控制，滑模观测器，干扰观测器 s t u d yo nh a n d l i n gp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l s t r a t e g yf o re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fe p ss y s t e m si n s t a l l e di nv e h i c l e s ，p e o p l e p a ym o r ea t t e n t i o nt ot h eh a n d l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ee p ss y s t e m ，w h i c h c h a l l e n g e sd e s i g n i n g s u c hc o n t r o l l e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , at w o l a ys t r u c t u r ec o n t r o l l e ri s p r o p o s e dt oi m p r o v e h a n d l i n gp e r f o r m a n c e si nt h es t e e r i n ga n dr e t u m i n gp r o c e s sw i t hu n c e r t a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s s i m u l a t i o n sf o rt h es t u d yo ft h ec o n t r o l l e rh a v eb e e n c a r r i e do u ti nt h ee p sm o d e la n dv e r i f i e di nt h ee x p e r i m e n t so ft e s tb e n c ha n d v e h i c l e t h ec o n t e n ta n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , e p sd y n a m i c sa n ds i m p l i f i e dv e h i c l em o d e la r ee s t a b l i s h e dt o a n a l y s i st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t h i sp a p e rd e v e l o p e dat w o - l a ys t r u c t u r e c o n t r o l l e rw i t hm a i na n ds e r v ol o o p st oi m p r o v et h eh a n d l i n gp e r f o r m a n c eo f e p ss y s t e m t h em a i nl o o pc o n s i s t so fs t e e r i n ga s s i s tc o n t r o ls t r a t e g ya n d r e t u r nc o n t r o ls t r a t e g ya c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gc o n d i t i o n s s e c o n d l y , i nt h es t e e r i n ga s s i s tc o n t r o ls t r a t e g y , an e wm e t h o dt od e f i n e b o o s tc u r v ei nf o r mo f p i e c e w i s em u l t i n o m i a li sp r o p o s e d ，w h i c hc a np r o v i d e ag o o d s t e e r i n gf e e l t ot h ed r i v e r h o w e v e r , t h eb o o s tc u r v ei sa l s oa n o n l i n e a rf a c t o rt ot h ee p ss y s t e m i nt h i sp a p e r at i m ed e l a y d e p e n d e n t 风 r o b u s tf u z z ys t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e ri s a d o p t e dt oa c h i e v et h eh a n d l i n g p e r f o r m a n c e si nt h es t e e r i n gp r o c e s s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t e e r i n g a s s i s tc o n t r o l s t r a t e g yp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a na c h i e v et h eh a n d l i n g p e r f o r m a n c e si nt h es t e e r i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gs t e e r i n ge a s i n e s sa n dr o a df e e l ， t r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，s t e e r i n gs m o o t h n e s sa n dr o b u s ts t a b i l i t y t h i r d l y , i nt h er e t u r nc o n t r o ls t r a t e g y , as l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rb a s e do n i d i s s e r t a t i o no f d o c t o r sd e g r e eo f s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y 一一_ _ _ 一 ar e f e r e n c em o d e l i sa d o p t e dt od e a lw i t ht h ep a r a m e t e r su n c e r t a i n t y , e x t e r n a l d i s t u r b a n c ea n dn o n l i n e a rf r i c t i o n s as l i d i n gm o d eo b s e r v e ri sd e v e l o p e d t o e s t i m a t et h ei m m e a s u r a b l es t a t e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h er e t u r n c o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a na c h i e v ef a s ta n da c c u r a t er e t u r n w i t hl o wv e h i c l es p e e da n dh a n d l i n gs t a b i l i t yo ft h ev e h i c l ew i t hh i g hs p e e d f o u r t h l y , ap i dc o n t r o l l e rw i t hd i s t u r b a n c eo b s e r v e rd e s i g n e di ns e r v o l o o pt ow e a k e nt h ee f f e c to ft h ef r i c t i o n sa n dd i s t u r b a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri ns e r v ol o o pc a ns u p p r e s st h ed i s t u r b a n c e w e l la n dt h et r a c k i n gp e r f o r m a n c et ot h et a r g e tc u r r e n ti si m p r o v e d l a s t l y , at w o l a ys t r u c t u r ec o n t r o l l e rw i t ht h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e s i s d e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e at e s tb e n c hi s e s t a b l i s h e dt od e b u gt h ec o n t r o l l e r e x p e r i m e n t sf o rs t e e r i n ge a s i n e s sa n d t r a c k i n gp e r f o r m a n c ea r e c a r r i e do u ti nt h et e s tb e n c h a ne p ss y s t e mi s a s s e m b l e dw i t ht h ed e s i g n e dc o n t r o l l e ra n di n s t a l l e di nac a l s t e e r i n ga n d r e t u m a b i l i t ym a n e u v e re x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ti nt h ec a r e x p e r i m e n t a l r e s u l t sv a l i d a t et h ee p ss y s t e ma n dv e h i c l em o d e l sa n dp r o v et h a t t h e p r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e sc a ng e t b e t t e rh a n d l i n gp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , at w o 1 a ys t r u c t u r ec o n t r o l l e ri ss t u d i e da n dr e a l i z e dt o a c h i e v et h eh a n d l i n gp e r f o r m a n c e so fe p ss y s t e mw i t hu n c e r t a i ni n f l u e n c i n g f a c t o r s s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ta n ds h o w t h a tt h e c o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e di nt h i sp a p e rc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e h a n d l i n gp e r f o r m a n c e sb e a e r t h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lo n e l a ys t r u c t u r ep i d c o n t r o l l e r k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m ，h a n d l i n gp e r f o r m a n c e ， c o n t r o ls t r a t e g y , 风r o b u s tf u z z yc o n t r o l ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) ，s l i d i n g m o d eo b s e r v e r ( s m o ) ，d i s t u r b a n c eo b s e r v e r ( d o b ) 目录 目录 第一章绪论1 1 1 转向系统的发展历程1 1 1 1 机械式转向2 1 1 2 液压助力转向2 1 1 3 电控液压动力转向3 1 1 4 电动助力转向5 1 2e p s 系统结构和工作原理7 1 3e p s 系统操纵性能要求j 9 1 4e p s 控制技术研究现状1 0 1 4 1e p s 控制技术理论研究1o 1 4 2e p s 控制技术专利分析18 1 5e p s 控制技术发展趋势2 1 1 6 研究意义和内容2 2 1 6 1 课题研究意义2 2 1 6 2 课题研究内容和安排o 2 3 第二章e p s 系统动力学模型及操纵性能分析2 5 2 1e p s 系统动力学模型2 5 2 1 1 方向盘转向轴2 7 2 1 2 转向横拉杆2 8 2 1 3 助力电机2 9 2 2 转向阻力3 0 2 2 1 二自由度车辆模型3 0 2 2 2 回正力矩产生的阻力3l 2 3 驾驶员模型3 2 2 4e p s 系统原始动态性能分析3 4 2 4 1e p s 系统频域分析3 5 2 4 2e p s 系统根轨迹分析3 6 2 5e p s 系统的不确定因素3 7 2 6e p s 系统操纵性能分析3 9 上海交通大学博士学位论文 2 7 本章小结4 2 第三章e p s 系统双层结构控制器设计4 3 3 1 双层结构控制系统4 3 3 2e p s 系统转向控制策略4 4 3 2 1 助力特性曲线的确定4 5 3 2 2e p s 系统转向控制目标4 8 3 3 基于t - s 模型的模糊控制4 8 3 3 1 不确定模糊时滞系统描述。4 9 3 3 2 日。模糊状态反馈控制5l 3 4e p s 系统转向控制器设计5 6 3 4 1e p s 系统非线性模型5 6 3 4 2h 。模糊状态反馈控制器设计5 8 3 5e p s 系统转向控制器仿真6 1 3 5 1 转向轻便性及“路感”仿真6 2 3 5 2 转向操纵跟随性仿真6 4 3 5 3 干扰输入下的鲁棒稳定性仿真6 6 3 5 4 汽车操纵稳定性仿真6 7 3 6 本章小结6 8 第四章e p s 系统主环路回正控制设计7 1 4 1e p s 系统回正控制策略7 2 4 2 滑模控制：7 2 4 2 1 滑模面7 3 4 2 2 滑模控制器7 4 4 3e p s 系统回正控制器设计7 5 4 3 1e p s 非线性系统模型7 6 4 3 2 理想回正控制参考模型7 7 4 3 3 滑模控制器设计7 7 4 3 4 滑模观测器设计8 0 4 4e p s 系统回正控制器仿真8 2 4 5 本章小结8 5 第五章e p s 系统伺服环路控制设计8 7 i l 6 1 1 输入信号调理电路9 8 6 1 2 主控与驱动电路设计10 0 6 1 3 故障检测电路设计1 0 2 6 2e p s 系统软件设计10 4 6 3e p s 系统台架试验1 0 5 6 3 1 试验台架总体设计方案1 0 6 6 3 2 试验台架设备10 6 6 3 3e p s 系统台架性能测试试验。1 0 7 6 3 3 1 转向轻便性台架试验1 0 7 6 3 3 2 转向跟随性台架试验1 0 8 6 4 实车试验1 0 9 6 4 1 试验仪器和设备1 0 9 6 4 2e p s 系统操纵性能实车试验1 11 6 4 2 1 转向轻便性及“路感一实车试验111 6 4 2 2 转向跟随性实车试验11 3 6 4 2 3 干扰输入下的鲁棒稳定性实车试验115 6 4 2 4 回正性能实车试验1 1 6 6 5 本章小结。l l7 第七章总结与展望119 7 1 论文总结1 19 l i l 上海交通大学博士学位论文 7 2 论文创新点1 2 0 7 3 工作展望1 2 1 参考文献1 2 3 附录1 3 1 i 1 5 【谢1 3 3 博士期间发表论文和专利1 3 5 第一章绪论 第一章绪论 转向系统是汽车上的重要组成部分，其功能是驾驶员通过方向盘控制前轮绕主销的 转角来操纵汽车运动的方向；另一个功能是凭借方向盘反力，将汽车及轮胎的运动、受 力状况反馈给驾驶员。所以转向系统的操纵性能直接影响到汽车的操纵稳定性和舒适 性，它对于确保汽车的安全行驶，驾驶员轻便精确地操纵汽车，提高驾驶的舒适性等都 起着重要的作用。 近几年来，随着电子技术的迅速发展，转向系统发生了革命性的变化，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 ) 系统由于其节能、环保、易于控制、能提供好的“路 感 等优点，已经被广泛应用在轿车上【1 。5 】。 1 1 转向系统的发展历程 转向系统作为汽车必不可少的零部件产品，经历了由纯机械手动驱动到动力液压驱 动，再到计算机控制液压驱动和电子机械驱动的发展过程1 6 1 1 1 ，如图1 1 所示。 r 循环球。齿条齿扇式 机械慧系统一誓蕃耄紧撇 ( m s )i 囚托一囚徐a l 蜗轮- 曲柄指销式 。右i r 卧王壮白虿结广常压式 液压助力( 1 i p 转s h p s ? 系统一l 善蒹霎，) 巾u i “扎 j r厂变流式液压转向系统 电子控制液压转向系统一旁流式液压转向系统 ( e h p s )l 节流式液压转向系统 j r厂转向轴助力式 电动助力转向系统一i 齿轮助力式 ( e p s ) l m i 助m m 图i - i 转向系统的发展历程 f i g 1 1d e v e l o p m e n to fs t e e r i n gs y s t e m 上海交通大学博士学位论文 1 1 1 机械式转向 机械式转向系统由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使 用大直径的方向盘，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重。 特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限 制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、 对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。 1 1 2 液压助力转向 为了减轻驾驶人员的劳动强度，在机械转向系统的基础上加设一套液压转向加力装 置而形成了液压助力转向系统( 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 ) 。1 9 5 3 年通用汽车公 司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功 率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。 图1 2 为液压助力转向基本结构，液压转向加力装置是由转向油泵、转向油管、转向 油罐以及位于整体式转向器内部的转向控制阀及转向动力缸等组成，转向器输入轴还带 动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。 第一章绪论 图1 - 3 ( a ) 所示为典型液压动力转向的助力特性。图中a 区是直线行驶位置附近小转向 力区：b 区是常用转向力区；c 区为极限转向力区。助力特性可以表示“路感 强弱，a 区的助力小、路感强，b 区的路感有所降低，而c 区的助力很大、路感较弱。图1 3 ( b ) 是3 种典型的助力特性曲线的比较，图中曲线1 表示扭杆的刚度较小，控制阀非常灵敏，只 需要较小的转动角就能产生需要的压力。曲线3 底部宽平，表明系统内部有摩擦或阀特 性灵敏度较低。可以通过调整扭杆的刚度和阀的灵敏度获得不同助力特性。 abc 方向盘力矩n m ( a ) 心 方向盘力矩h i m ( b ) 图1 3 典型液压动力转向的助力特性 f i g 1 - 3t y p i c a la s s i s tc h a r a c t e r i s t i c so fl i p s 液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向 系统更为灵敏。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量 消耗、磨损与噪声等方面存在不足。8 0 年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系 统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新基本上都是基于液压转向系统，比较 有代表性的是变流量泵液压动力转向系统( v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp o w e rs t e e r i n gp u m p ， 简称v d p s p ) 和电动液压助力转向( 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 ，简称e h p s ) 系统。 v d p s 系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地 减少，从而有利于减少不必要的功耗。e h p s 系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的 转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。 1 1 3 电控液压动力转向 h p s 系统只具有单一的特性曲线，为了克服液压动力转向系统的不足，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( 也有采用车速和方向盘转速) 引入到 系统中，实现车速感应型助力特性。这类系统称为电控液压动力转向系统( e l e c t r i c 上海交通大学博士学位论文 h 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 ) 。图1 - 4 是较为典型的e h p s 系统的助力特性。 飞 一5 一 - 6- 3036 方向盘力矩n m 图1 _ 4 典型电控液压动力转向的助力特性 f i g 1 - 4t y p i c a la s s i s tc h a r a c t e r i s t i c so fe h p s 电控液压动力转向系统的种类很多，图1 5 所示为电动油泵式电控液压动力转向器， 是目前使用较多的电控液压动力转向，如上海大众的p o l o 轿车就采用了这种动力转向。 该系统采用直流电动机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电池供电。控制器根据车速信 号、方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。 图1 5 电控液压动力转向( 电动油泵式) f i g 1 - 5c o n f i g u r a t i o no fe h p s ( m o t o r d r i v e np u m pt y p e ) 4 第一章绪论 电控液压动力转向有如下优点：电控液压动力转向是在原液压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。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，增强路感，提高车辆行驶稳定性。采用电动机驱动油泵可以 节省能量，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：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，使系统更加复杂，成本增加。 1 1 4 电动助力转向 1 9 8 8 年，日本s u z u k i 公司首先在小型轿车c e r v o 上配备- f k o y o 公司研发的转向柱助 力式e p s 系统，从而摆脱了液压动力转向系统的束缚。1 9 9 0 年，日本h o n d a 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e p s 系统，从此揭开了电动助力转向在汽 车上应用的历史。随后电动助力转向产品发展迅速，不断更新换代。k o y o 、n s k 、s h o w e r 、 富士重工等企业先后开发出电动助力转向产品；铃木、本田、三菱、丰田、大发等企业 相继开始装配到车辆上。如本田的a c c o r d 、三菱的m i n i c a 、丰田的p r i u s 、大发的m i r a 都 装配了e p s 系统。出于节能环保的考虑，欧美等国的汽车公司也相继对e p s 进行了开发 和研究。虽然比日本晚了1 0 年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类 型也有所不同。美国的t r w 和d e l p h i 等公司相继推出各自的e p s 产品，t r w 公司将成熟 的航空技术应用于e p s 系统的开发，于1 9 9 6 年推出自己的e p s 系统，并在福特f i e s t a 和马 自达3 2 3 f 上进行试验；d e l p h i 属下的s a g n i n a w 公司于1 9 9 9 年首次研制成功e p s 系统产品 e s t e e rt me p s ，并投放市场。德国的z f 公司也研制出用于装配不同类型轿车的e p s 系 统。m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大汽车公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于e p s 系 统的开发，他们计划开发出前桥载荷超过1 2 0 0 k g 的e p s 系统。国内已有昌河铃木的北斗 星、广州本田的飞度、重庆长安的雨燕、天津丰田的皇冠、一汽大众的开迪和上海大众 的途安装配了e p s 系统，这促使国内掀起开发e p s 系统的热潮【1 2 d 5 1 。 e p s 从一开始应用，就表现出一系列特点和优势，从而迅速得到发展。据国外的数 据统计，2 0 0 2 年e p s 市场为4 0 0 万台年。目前，世界范围内的e p s 市场近2 0 0 0 万台年( 主 要应用于轿车) ，约占整个动力转向市场的3 0 ，e h p s 所占市场也达到了1 5 ，如图1 6 。今后e p s 系统取代传统的h p s 系统已成为必然趋势【1 6 1 。 5 上海交通大学博士学位论文 l 饿 图1 击世界汽车转向器分类市场份额 f i g 1 - 6m a r k e t i n gd i s t r i b u t i o no fs t e e r i n gs y s t e m e p s 之所以能够逐步取代传统的液压动力转向，主要是由于以下优点【1 7 9 1 ： 1 节能环保。由于e p s 系统中电动机只在需要时才启动，它是现有的各种动力转向系统 中燃料消耗最低的转向系统。据有关资料报导，e p s 的燃料消耗率仅为h p s 的1 6 2 0 。 2 结构简单，重量轻。电动机和减速机构安装在转向轴或转向系统内，所占空间小， 且重量相比液压转向系统大大降低。 3 高度的控制性能。e p s 系统具有软件可编程的特点，一旦e p s 系统的电动机、传感器 和减速机构等硬件设计完成之后，设计者仅需通过变更存储在微处理器上的助力特 性曲线和控制算法等软件就可以获得新的性能。 4 高性能化。高性能包括对驾驶员的手力或转角信号作出快速而柔顺的响应，从而得 到较好的转向感觉；具有鲁棒性能，可抑制路面干扰和传感器噪声；更好地吸收道 路上的颠簸，并能反映路面的信息。当汽车突然遇到横向干扰力作用而发生自动转 向等不稳定现象时，能使汽车在相当短的时间内迅速恢复正常行驶状态。 5 成本低，效率高。2 0 多年前曾出现电机助力机构代替传统的h p s 系统，其中没有成功 的重要原因之一是成本太高。如今电力电子技术的惊人发展，使得电子器件的价格 大幅下降，美国t r w 公司认为e p s 系统的成本可能下降至i h p s 成本的9 0 。e p s 效率 可高达9 0 以上，而h p s 效率一般在6 0 - 7 0 。 6 为实现汽车c a n 总线控制创造了条件。现代汽车电子控制系统所占比例越来越大， 6 第一章绪论 e p s 系统可以与主动悬架防抱制动a b s 及车轮驱动力控制等系统结合，共享其电子装 置的功能。 7 可靠性好。e p s 的部件( 包括传感器、控制器和电机中的电磁部分) 均采用了无故障设 计和失效保护设计措施，当这些部件发生故障时系统可自动转换为手动转向，确保系 统安全可靠。 8 应用范围广。主要用于轿车和轻型货车，是电动汽车、混合动力车、燃料电池车的 最佳选择。 1 2e p s 系统结构和工作原理 e p s 系统是由机械转向机构、电动机、离合器、控制装置、扭矩传感器和车速传感 器等组成，图1 7 为e p s 系统的基本结构【2 0 刁j 。其工作原理是：在操纵方向盘时，扭矩 传感器根据输入力的大小产生相应的电压信号，e p s 系统通过检测该电压信号获得转向 力的大小，同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，控制系统根据获得的扭 矩信号和车速信号产生相应的目标电流，从而控制助力电机输出适当的转向助力。这种 是兼用驾驶员手力和电机的动力作为转向能源的转向系统。 7 5 1 输出轴2 减速器3 扭杆4 扭矩传感器5 方向盘6 输入轴7 车速信号 8 电动机9 控制电流1 0 开关电流1 1 离合器1 2 小齿轮1 3 齿条1 4 拉杆1 5 轮胎 图1 7e p s 系统的基本结构 f i g 1 7s t r u c t u r eo fe p ss y s t e m 7 上海交通大学博士学位论文 根据助力电机安装位置的不同，e p s 系统主要分为三种类型：转向轴助力