（光学工程专业论文）汽车电动助力转向系统的控制与仿真.pdf

j 。蠢 ：d r 。h ， ，、 b 址一挚。_ r 氟t2_t，； n辑r如嚣麓譬i口诤。 ，；， llj1_童_曩1毛毽，童i，；j o 一q _ ad i s s e r t a t i o ni nv e h i c l ee n g i n e e r i n g c o n t r o la n ds i m u l a t i o no fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m f ora u t om o b i l e b y s u it a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o ry a n gy i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ， ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 恧。 学位论文作者签名：确诗 日期：珈容o1 夕r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 一1 一 1，汆 l；一 i i ； v ， 东北大学硕士学位论文 摘要 汽车电动助力转向系统的控制与仿真 摘要 汽车电动助力转向系统( e p s ) 是近年来发展起来的一种新型转向系统，具有节约燃 料、减轻自重、提高主动安全性、有利于环保等一系列优点，正逐步取代传统的液压动 力转向，成为世界汽车技术发展的研究热点之一。 计算机性能的飞速提高和虚拟样机仿真技术的迅速发展，为电动助力转向技术的深 入研究提供了必要的条件。a d a m s 是世界上应用最广泛的机械系统动力学仿真分析软 件。本文基于a d a m s 软件，对装备e p s 系统的整车多体动力学虚拟样机模型进行了 仿真控制分析。 首先对e p s 系统的结构、工作原理、特点、发展及现状等进行了阐述。 利用a d a m s c a r 模块建立了装备e p s 系统的整车多体动力学模型，模型包括前 后悬架、转向系统、前后车轮、路面谱，另外在转向轴上增加了助力转矩的简化模型， 来模拟e p s 系统的助力作用。 研究了e p s 系统助力特性的理想形式与基本特征参数，比较分析了不同形式助力曲 线参数的影响。结合所建样机模型，确定了一种车速感应型助力特性曲线，仿真结果证 明了e p s 在提高汽车低速行驶转向时的轻便性方面有显著作用。利用模糊p d 控制对电 机电流控制，实现自适应。 介绍了a d a m s c o n t r o l s 联合仿真方法，研究了e p s 系统的补偿控制策略，在 m a t l a b s i m u l i n k 中建立控制模型，与a d a m s 机械系统模型结合起来，进行机电一 体化联合仿真分析。仿真结果证明，在潮湿光滑路面上行驶过程中，进行大角度快速转 向，在助力中加入横摆补偿可以提高汽车的稳定性；在汽车低速行驶转向回正时，施加 回正补偿可以改善汽车因摩擦转矩而导致的回正不足。 最后，通过简化模型利用状态方程在s i m u l i n k 中仿真，将仿真结果与联合仿真结果 比较，证明对于复杂系统联合仿真效果更真实、准确。 关键词：电动助力转向系统( e p s ) ；联合仿真( a d a m s s i m u l i n k ) ；助力曲线；模糊p d 控制；补偿控制 、&童 fflj 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o la n ds i m u l a t i o no fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m f o ra u t o m o b i l e a b s t r a c t e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) i san e wt y p eo fa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e md e v e l o p e d r e c e n t l y ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fs a v i n gf u e l ，r e d u c i n go v e r a l lw e i g h t , i m p r o v i n gd r i v i n g s e c u r i t y a n dp r o d u c i n gl e s sp o l l u t i o n s e p si st a k i n gt h ep l a c eo fh p s 伊a d u a l l ya n d b e c o m i n go n eo ft h eh o t s p o t si nt h er e s e a r c ho fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yi nt h ew o r l d t h er a p i d l ye n h a n c e m e n to fc o m p u t e rp e r f o r m a n c ea n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a lp r o t o t y p e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a v ep r o v i d e dn e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rt h ed e e p e rr e s e a r c ho fe p s t h i s t h e s i ss i m u l a t e sa n da n a l y z e sam u l t i b o d yd y n a m i cm o d e lo fa u t o m o b i l e se q u i p p e dw i t he p s b a s e do na d a m s ，w h i c hi st h em o s ta u t h o r i t a t i v ea n dw i d e l yu s e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ei n t h e w o r l d f i r s t l y , t h ea r c h i t e c t u r e ，p r i n c i p l ea n df e a t u r e sa sw e l la u so ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n to f e p sa r ei n t e r p r e t e d s e c o n d l y , am u l t i b o d yd y n a m i cm o d e lo fa u t o m o b i l ee q u i p p e d 谢t 1 1e p s i se s t a b l i s h e d ， w h i c hi n c l u d e st h ef r o n t r e a rs u s p e n s i o n 、s t e e r i n gs y s t e m 、f r o n t r e a rw h e e la n dr o a df i l e ，鹤 w e l la sa s s i s tt o r q u em o d e l t h ei d e a lf o r ma n db a s i cp a r a m e t e r so fe p sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e da n dt h ee f f e c t s o fp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tf o r mo fa s s i s tc u r v e sw e r ea n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h ev i r t u a l p r o t o t y p e ，at y p eo fa u t o m o b i l ea s s i s tc u r v e si sp o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e n o t a b l ee f f e c to fe p si ni m p r o v i n gt h es t e e r i n gp o r t a b i l i t ya n dr o a df e e l i n g t h i r d l y , t h ec o - s i m u l a t i o nm e t h o do fa d a m s c o n t r o l si si n t r o d u c e d t h ec o m p e n s a t i o n c o n t r o ls t r a t e g yo fe p ss y s t e mi ss t u d i e da n dt h ec o n t r o lm o d e li se s t a b l i s h e di n m a t l a b s i m u l i n k ac o s i m u l a t i o ni s i n v e s t i g a t e dc o m b i n e dw i t hc o n t r o lm o d e li n m a t l a b s i m u l i n ka n dm e c h a n i c a lm o d e li na d a m s t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a t w h e ns t e e r i n gal a r g ea n g l eo ns l i p p e r yr o a d s ，y a wc o m p e n s a t i o nc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo f a u t o m o b i l e s ；w h e ns t e e r i n ga tal o ws p e e d ，r e t u r nc o m p e n s a t i o nc a ni m p r o v et h el a c ko f r e t u r n a b i l i t yc a u s e db yf r i c t i o nl o s st o r q u e ；i no r d e rt oc a r r yo u ts e l f - a d a p t i o n , u s i n gf u z z y p dt oc o n t r o lt h ec u r r e n to ft h ee l e c t r i cm o t o r a tl a s t , as i m u l a t i o ni si n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ee q u a t i o nt h r o u g hp r e d i g e s t i n gt h em o d e l c o m p a r e dt h er e s u l tw i t hw h i c hi sg e tb yc o - s i m u l a t i o n ，i t sp r o v e dt h a ti t sm o r et r u ea n d j 广 llnvlfv 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t v e r a c i o u sf o rt h ec o m p l e xs y s t e mb yc o - s i m u l a t i o n 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 gs y s t e m ( e p s ) ；c o s i m u l a t i o n ( a d a m s s i m u l i n k ) ；a s s i s t c u r v e s ；f u z z yp d ；c o m p e n s a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y 、备j 1|f-lip 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 汽车电动助力转向系统( e p s ) 概述1 1 1 1e p s 的构成2 1 1 2e p s 工作原理3 1 1 3e p s 的类型3 1 1 4e p s 的特点。4 1 2 电动助力转向系统的研究现状及发展趋势5 1 2 1 电动助力转向系统的研究现状5 1 2 2 电动助力转向系统的发展方向。：。：8 1 3 课题目的和意义9 第2 章汽车e p s 系统的数学建模和特性分析1 1 2 1 基于_ a d j d v i s 下的e p s 系统数学模型1 1 2 2e p s 系统的特性分析1 2 2 3 本章小结1 4 第3 章基于a d a m s c a r 的整车模型的建立。1 5 3 1 多体系统动力学分析软件a d z d v l s 1 5 3 2a d a m s 软件的计算方法1 6 3 2 1 广义坐标选择16 3 2 2a d a m s 算法1 6 3 2 3 计算过程分析。19 3 3a d a m s c a r 模块介绍2 0 3 4 整车动力学模型的建立2 1 v 东北大学硕士学位论文目录 3 4 1 前、后悬架建模2 1 3 4 2 转向系统建模2 3 3 4 3 轮胎模型2 4 3 4 4 动力系、制动系和车身模型2 5 3 5 整车模型的建立与验证2 6 3 5 1 整车模型的建立2 6 3 5 2 整车模型验证2 8 3 6 本章小结3 0 第4 章e p s 控制相关参数的选定3 1 4 1 助力特性曲线的参数选定31 4 1 1 助力特性的概念3 1 4 1 2 电动助力转向系统的助力特性3 1 4 1 3 三种不同的助力特性曲线3 3 4 1 4 直线型助力特性曲线确定3 4 4 2 助力转矩参数选定3 7 4 3 本章小结3 8 第5 章e p s 系统的控制和仿真3 9 5 1 仿真的环境介绍3 9 5 2e p s 系统的联合仿真分析过程3 9 5 2 1 模型输入输出变量3 9 5 2 2 电动助力转向控制系统模型4 1 5 2 3 联合仿真的数据传递4 1 5 3 基于p i d 控制的e p s 系统4 1 5 3 1p i d 控制方法概述4 1 5 3 2e p s 系统的控制结构分析4 3 5 4 基于模糊控制的e p s 系统4 4 5 4 1 模糊自适应p i d 的控制理论4 4 5 4 2 模糊自适应p d 控制规则的确定4 5 5 4 3 轻便性仿真结果分析4 8 ，j 东北大学硕士学位论文 目录 5 5 横摆角速度补偿策略4 9 5 6 回正补偿和阻尼补偿控制策略5 0 5 6 1 控制算法51 5 6 2 仿真分析5 2 5 7 本章小结5 2 第6 章简化车模的e p s 的仿真研究5 3 6 1 简化后的e p s 系统数学模型的建立5 3 6 1 1 二自由度转向模型。5 4 6 1 2 轮胎模型5 5 6 2e p s 系统的控制结构分析5 5 6 3 本文采用的模糊自适应p d 控制规则5 7 6 4 仿真计算及结果分析6 0 6 5 简化车模的不足6 5 6 6 本章小结6 6 第7 章总结与展望6 7 7 1 全文总结6 7 7 2 不足和展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 飞，j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车电动助力转向系统( e p s ) 概述 汽车在行驶过程中，需要经常改变行驶方向，改变行驶方向的方法是通过转向车轮 ( 一般是前轮) 相对于汽车纵轴偏转一定的角度来实现的。汽车在直线行驶时，转向车轮 也往往会受到路面测向干扰力的作用，而自动改变行驶方向。因此，汽车转向系统的功 用就是改变和保持汽车的行驶方向。汽车转向系统一直存在着“轻 与“灵的矛盾。 尽管人们采用了变速比转向器等，但始终不能从根本上解决这一矛盾。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日益提高，因此对转向系统进行了不断 地改进。 在2 0 世纪5 0 年代初出现了液压动力转向技术，比较好的缓解了“轻 与“灵的 矛盾，符合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其它性能的条件下，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。液压动力转向系统以其具有的转向操 纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮 产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液 压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压动力转向系统所引 起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约3 0 。 随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统应运而生。该系统在某 些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺 憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了， 不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动力转向系统协调转向力与操纵“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。同时，电动控制式液压助力转向系统的结构复杂、价格昂贵、而且仍然无法克 服液压助力系统得一些大的缺点，如效率低、耗能大等。 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 ) ，是一种新的动力转 向系统【l 】。它由电动机提供助力，根据车速和转向参数等，由电子控制单元( e c u ) 完成 助力控制。它能节省燃料，提高安全主动性，有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主 题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。它符合现代汽车机电一体化的设计思想， 该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、 - 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。电动助力转向系统完全取消了液压装置，用电 能取代液压能，减少了发动机的能量消耗，符合汽车发展中的安全、环保、节能三大主 题，已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。 1 1 1e p s 的构成 e p s 是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，它的结构如图1 1 所示： 由机械转向器、电动机、控制单元( e c u ) 、离合器、转矩传感器和车速传感器等组成。 图1 1 电动助力转向系统结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo fe p ss y s t e m 转矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小和方向。目前采用较多的转 矩传感器是扭杆式电位计传感器。它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入轴和 输出轴的相对位移得到转矩。 车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速器上。该传感器根据车速的变化， 把主副两个系统得脉冲信号传送给e c u 。由于是两个系统，因此信号的可靠性得到提高。 e p s 的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据e c u 的 指令产生相应得输出转矩。电动机是影响e p s 性能的主要因素之一，不仅要求低速大转 矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、控制性能好。在电动 机设计时，应着重考虑如何提高路感、降低噪声和振动，如在电动机转子周缘开设不对 称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高电动机的性能。 离合器采用干式电磁离合器，其功能是保证e p s 在预先设定的车速范围内闭合。当 车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机不再提供助力，转如手动转向状态。另 外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。为了提高性能，离合器设计成具有磁滞 特性，并可实现无级离合。 减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：涡轮蜗杆减速机构和双行 - 2 - 厶 l j ，莨毒 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 星齿轮减速机构。前者主要用于转向柱助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿 条助力式转向系统。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用树脂材料 制成，有的采用特殊齿形。 电子控制单元通常是一个8 位单片机系统，由一个8 位单片机，另加一个2 5 6 的 r a m 、4 k b 的r o m 及一个d a 转换器组成。其工作过程是：当转矩信号和车速信号 输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最优化助力转矩，然后输出此值给d a 转换 器，输出电流指令信号给电动机控制电路，由控制电路决定电动机作用的大小和方向。 此外，e c u 也有采用数字信号信号处理器( d s p ) 作为控制单元的。控制系统和控制算法 也是e p s 的关键之一，控制系统应具有强抗干扰能力，控制算法应快速准确，以满足实 时控制的要求。e c u 还应具有安全保护和故障诊断功能。e c u 通过采集电动机电压、 转速等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，e c u 将进行故障诊断分 析，单片机将记录下故障类型，点亮仪表板上的故障灯，同时e c u 上的故障码显示灯 点亮，离合器断开，助力取消，系统转入人工转向状态。 1 1 2e p s 工作原理 如图1 1 所示，电动助力转向系统得工作原理是：不转向时，助力电动机不工作； 而当转向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的转矩，并 由此产生一个电压信号；同时，由车速传感器测出的汽车车速，也产生一个电压信号。 这两路信号均被传输到电子控制单元( e c u ) ，经过其运算处理后，由e c u 向电动机和离 合器发生控制指令，即向其输出一个适合的电流，在离合器结合的同时使电动机转动产 生一个转矩，该转矩经与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增矩后，施加在输出 轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩 最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向 助力。 1 1 3e p s 的类型 根据电动机安装位置的不同，电动助力转向系统可分为( a ) 转向轴助力式、( b ) 齿条 助力式和( c ) 小齿轮助力式三种，如图1 2 所示【2 j 。 转向轴助力式是将电机安装在方向管柱上，通过减速机械与转向轴相连。其特点是 结构紧凑，所测取得转矩信号与转向盘转矩在同一直线，因此控制直流电机助力的相应 性较好，但对电机的噪声和振动要求较高。这种类型一般在微型轿车上使用。 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 嘲一二赫。j ，畛，一_ 如：，泐：。 图1 2 电动助力转向布置的形式 f i g 1 2t h el a y i n gf o r mo fe p ss y s t e m 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。 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，本文将采用这种助力形式。 1 1 4e p s 的特点 电动助力转向是一项采用现代控制方法的高新技术，与传统液压动力转向相比，它 具有下述优点【3 】- ( 1 ) 反应灵敏、迅速，转向平稳、精确，路感良好。而传统的液压助力转向系统，当 急转动方向盘时，往往会出现转向迟滞现象。 ( 2 ) 只在需要助力时电动机才提供助力，不像传统液压动力转向即使在不转向时，油 泵也一直运转，因此能减少发动机燃油消耗，可节约燃油3 - 5 。 ( 3 ) 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平度所引起的对转向系统的扰 动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的 转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足 不同使用对象的需要。 ( 4 ) 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等零部件，其零件数与 传统液压助力转向系统相比大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，大约可比通常的 液压助力转向系统轻2 5 。由于没有液压回路，调整和检测更方便，且不存在漏油问题， 4 ，墨 气夕 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 因此大大降低了保修成本，也减小了对环境的污染。因为其动力源是电池而不是由发动 机驱动的油泵，在发动机发生故障时，也能继续提供转向助力。 ( 5 ) 由于电动机由蓄电池供电，因此能否助力与发动机是否启动无关，即使在发动机 熄火或出现故障时也能提供助力。 。( 6 ) 电动助力转向系统较高的惯性力矩，对于来自轮胎的外部干扰其作用就像质量阻 尼器一样，可以使转向轴的颤动和反冲降到最小。在高速时，电动助力转向系统的颤振 比液力转向系统减少2 5 - 3 0 。 ( 7 ) 从改善空气动力学性能角度考虑，发动机罩下的空间将越来越宝贵。电动助力转 向系统因其外形小巧，在发动机罩下所占用的空间比传统的液压转向系统要小，故安装 电动助力转向的汽车会有更好的空气动力学性能。 ( 8 ) 液压动力转向系统在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘性较大，使转向 作用力较高。电动助力转向系统在低温下不会增加转向作用力和发动机负荷，因而其具 有良好的低温工作性能。 ( 9 ) 装配性好且易于布置。因为e p s 系统零部件数目少，主要部件均可以组合在一 起，所以整体外形尺寸比h p s 小，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上安装。 1 2 电动助力转向系统的研究现状及发展趋势 1 2 1 电动助力转向系统的研究现状 由于e p s 系统具有上述一系列的优越性，因此一经出现就受到国际汽车工业界的高 度重视，现在己成为世界汽车技术发展的研究热点【4 】。国外汽车公司对e p s 系统的研究 已经有2 0 多年的历史，但是以前一直没有取得大的进展，其主要原因是e p s 系统的成 本太高。近几年来随着电子技术的发展，大幅度降低成本已成为可能，加上e p s 系统具 有的优点，使得它越来越受到人们的青睐。 1 9 8 8 年3 月，日本铃木公司开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，才真 正摆脱了液压动力转向系统的束缚。随后日本铃木公司在其c e r v o 车上装备电动助力转 向。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展，日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司，本田汽车公司，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，都相继研制出各自的电动助力转向。如大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽公司的 m i n i c a 车都装备了电动助力转向；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装电动助力转 向；d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o ，欧宝的3 1 8 1 以及菲亚特的p u n t o 开发出 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电动助力转向。t r w 的电动助力转向已经装备在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等轿车上。 随着高级轿车对转向系统提出的性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电 动助力转向系统，用于凌志、皇冠等高档轿车。该装置优于普通的动力转向器，在不同 车速下可通过转向e c u 自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员 只需用较小的操作力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增 大，实现操纵的稳定性。德尔福汽车系统公司，1 9 9 8 年开发了全新的电动助力转向系统， 它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力。英国汽车制造商l u c a s 公司，1 9 9 8 年研制 的电动助力转向系统投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式 的o 5 ，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2 ，全液压助力系统损耗为8 。 我国在2 0 0 2 年才开始研制开发汽车e p s 产品，目前已经知道的有1 3 家企业和科研 院校正在研制中。其中南摩股份有限公司( 生产转向柱式的e p s 产品) 在2 0 0 3 年开始进 入小批量生产阶段，其他厂家和科研院校均在开发阶段中。 目前，国内外大公司都在研究e p s ，已完成批量生产e p s 的技术储备，而且，人 们已普遍的认识到了e p s 的优越性，它将是现代汽车转向系统的必然趋势【5 】。e p s 的市 场增长很快，在国内外已经由研究、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“高新科技产品”。在未来的十年，e p s 将可能完全替代现有的转向 系统，2 0 0 7 年e p s 产量将达到1 1 4 0 万套，即产量正以1 3 0 - 1 5 0 万套年的速度增加，按 此增长速度发展下去，几年之内，e p s 将完全占领轿车的市场，并向微型车、轻型车、 和中型车扩展。 在e p s 系统建模方面国内外的研究已经比较详尽【6 】。其中1 9 9 9 年由d e l p h i 公司a l y b a d a w y 和j e f f z u r a s k i 提出的e p s 系统模型比较有影响 7 1 。合肥工业大学的杨孝剑等人 e p s 系统的多刚体模型方面也做了一些研究【8 】。但大部分对e p s 系统的理论研究都是采 用简单的二阶扭振系统模型。但随着计算机技术的飞速发展，汽车动力学模型从简单到 复杂，从少自由度到多自由度，从模拟计算机到数学仿真。模型越来越朝着通用型、高 效性和精确性的方面发展。另外，由于计算机网络的发展可实现异地之间的参数调用， 更增加了模型的通用性。 本文是利用机械系统分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m ) 来建立转向系统模型和汽车模型。a d a m s 软件包括3 个最基本的阶梯程序模块 a d a m s v i e w ，a d a m s s o l v e r 和a d a m s p o s tp r o c e s s i n g ，以及其他扩展模块，如： a d a m s c a r 。a d a m s v i e w 提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机 分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具，样机模型数据的输入与编辑， 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 与求解器和后处理等程序的自动连接，虚拟样机分析参数的设置，各种数据的输入和输 出，同其他应用程序的接口等。a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程 序。完成样机分析的准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模型的静力学，运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动的返回 a d a m s v i e w 操作界面。a d a m s p o s tp r o c e s s i n g 模块具有相当强的后处理功能，它可 以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线；可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿 真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑。本文是在a d a m s c a r 下完成 转向系统模型和整车模型的建立。 其他模块中，a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 可以建立简单的控制机构，本文是利用控 制系统软件m a t l a b s i m u l i n k 与a d a m s c o n t r o l s 相结合，进行交互式联合仿真。 在系统静态特性方面，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，得到e p s 系统的转向路感曲线【9 】。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【1 0 1 。天津大学的尚酷等则对基于神经网络的e p s 助力 特性进行了研究【l 。 在系统动态特性方面，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，分析了e p s 系统采取比例控制方式和比例加微分( p 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，并且有效地消除系统在共振区内共振的问 题1 2 1 。华中科技大学的唐新蓬等分析了电动助力转向系统对汽车角输入响应的影响【1 3 】。 在国外，则有学者对把各种现代控制方法( 如h i n 蹦t ) ，控制) 引入e p s 系统。 考虑到汽车行驶工况的多变性以及传感器噪声、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【1 4 】【1 5 1 。2 0 0 0 年，d e l p h i 公司的r o y m c c a n n 在他的研究报告中提出为e p s 系统的e c u 引入一个横摆角速度反馈有利于增 强车辆行驶的稳定性【1 6 1 。华中科技大学机械科学刘照等曾定性的分析了比例控制式e p s 系统结构参数对汽车横摆角速度响应的影响【1 7 】。在回正控制方面，文献【1 8 】【1 9 】 2 0 】利用 转向角位移传感器信号，控制电动机来实现转向盘的回l e t 2 l 】；文献 2 2 1 采用数据表格的 方式提供电动机回正力矩。在阻尼控制方面，文献 2 3 1 提出为e p s 系统引入与电机转角 信号相关的阻尼补偿转矩；文献 2 4 1 2 5 1 贝j 讨论了方向盘转角反馈和基于估计回正力矩 的反馈方法来提高光滑路面的操纵稳定性。文献 2 6 】提出为e p s 系统引入电机惯性补偿， - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 以消除因电机惯性矩引起的干扰矩。 总之，就其控制方式上来看，大体可以做出以下总结：目前的e p s 控制研究以基于 现代控制理论的智能控制为主，其中包括：模糊控制、模糊p d 控制、神经网络控制、 小脑模型神经网络( c m a c ) 和p i d 并行控制、专家控制、h 。鲁棒控制【2 7 】和自适应l q g 控制掣2 8 】【2 9 1 。本文采用模糊p d 控制，另外，加入了横摆角速度补偿、回正补偿3 0 】【3 1 】 和阻尼补偿控制。 1 2 2 电动助力转向系统的发展方向 随着汽车转向技术、电子技术和控制技术的不断发展，汽车动力转向技术正朝着智 能化、线性化方向发展【3 2 】【3 3 】【3 4 】。线控转向系统则是汽车未来动力转向技术发展的一个 方向。图1 3 是线控转向系统( s t e e r - b y w i r es y s t e m ，简称s b w ) 机构示意图。与传统机械 式转向系统相比，它取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，它的一切操作都是由“电 线或者说是由电信号操作。电子线控技术将驾驶员的转向指令转化为电子脉冲信号， 传感器捕捉电子脉冲信号，并且驱动一个小的电子控制电机来使得车轮转向。 在1 9 9 0 年，德国奔驰公司便开始了前轮线控转向的研究；日本精工技术研究所也 开发了线控转向系统，但为了保证系统的安全，仍然保留了方向盘与转向轮之间的机械 部分。当线控转向失效时，通过离合器的结合使转向系统由线控转向模式转化为机械转 向模式，保证转向系统正常地工作。此外，美国d e l p h i 公司推出的电子伺服前轮转向控 制系统，该系统取消了驾驶员和汽车前轮的机械连接，取而代之的是速度传感器、转矩 传感器、控制器、电动机和减速机构等装置。世界其它各大汽车厂家、研究机构包括 d a i m l e r - c h r y s l e r 、宝马、z f 、t r w 、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车线 控转向系统作了深入研究。 警o ，彤。，彩j 鼍黟私黟吆? 铆：翟锑并锑带懈翟譬? 硝。j ? j0 ? i 獠 图1 3