（动力机械及工程专业论文）电动助力转向系统的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 y 6 8 0 0 5 3 摘要 伴随着高速公路的出现，汽车车速大幅度提高，汽车高速稳定性问题日益凸 。原有的机械系统无法解决这个问题，因而出现了助力转向系统。原有的电液 力系统体积大、能耗高，而电动助力转向系统在能改善操纵稳定性的同时具有 积小、效率高、绿色环保、装配简单等优点，已成为汽车电子系统的一个重要 展方向。 本文的涉及的研究内容主要有： 对电动助力转向系统的发展作简要的说明，在对汽车电动助力转向的原理深 分析的基础上，对汽车电动助力转向的控制策略进行了详细的阐述，并确定本 中所采用的控制方法。 在汽车转向控制策略已经确定的基础上，详细介绍电动助力转向系统方案的 定、硬件电路板的设计以及试验台架的研制。 详细介绍了实现前面的既定的控制策略的软件设计方法。本文控制软件采用 编语言编写以实现实时控制，在实现了主要控制功能的情况下，增加各附属功 ，提高了整个控制系统的可扩展性。 本文最后分析了试验结果及介绍调试软、硬件环境。试验结果表明本文提出 控制策略能够有效的控制电动助力转向，实现了助力控制和回正控制。 本文有两点创新： ( 1 ) 确定了电动助力转向系统的控制方案，提出了电动助力转向的控制策 略，采用的是电流闭环控制策略，其中反馈电流信号由采样电阻获得； ( 2 ) 对模糊控制在电动助力转向控制上的应用做了初步研究，并根据所确 定控制方案编制了相应的软件。 键词：电动助力转向、控制策略、模糊控制、助力模式、回正模式 浙江土学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed r i v es p e e di n c r e a s e dg r e a t l yw i t ht h eh i g h w a y b o o m i n g ，t h ep r o b l e mo f v e h i c l e s h i 【g hs p e e ds t a b i l i t y i s b e c o m i n gm o l l a n dm o l es e r i o u s t r a d i t i o n a l m e c h a n i c a ls t e e r i n g s y s t e m s c a n ts o l v et h i s p r o b l e m ，s op o w e ra s s i s t a n ts t e e r i n g s y 7 s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e d t h ee x i s t e n tp o w e ra s s i s t a n ts t e e r i n gs y s t e m sa r el o w e f f e c t i v e i n s t e a d ，t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) h a se f f e c t i v e h a n d l i n ga n d s t a b i l i t yi nh i g hs p e e da n ds o m eo t h e ra d v a n t a g e s i th a sb e c o m eap r o m i s i n gw a yi n v e h i c l ee l e c t r i cs y s t e m s t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c l u s i o ni n v o l v e di nt h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fe p sw a si n t r o d u c e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe p s w a ss t u d i e da n dc e r t a i nc o n t r o l s t r a t e g yw a sa d a p t e d a f t e rt h e o r yo fe p sw a s a n a l y z e d d e e p l y f u z z yc o n t r o lu s e di ne p s c o n t r o ls t r a t e g yw a ss t u d i e di nd e t a i l s t h ew h o l ee p s s y s t e mi n c l u d i n g t h eh a r d w a r e d e s i g n a n de p sb e n c h e x p e r i m e n t e n v i r o n m e n tw a s d e v e l o p e d o nt h eb a s i so f t h e a d a p t e dc o n t r o ls t r a t e g y t h es o f t w a r et of u l f i l lt h ec o n t r o ls t r a t e g yw a ss t u d i e d e s p e c i a l l y b e c a u s ei tw a s ar e a l - t i m ec o n t r o l p r o c e s s ，t h e a s s e m b l e l a n g u a g e w a s a d a p t e d b e s i d e s t h e f u l f i l l m e n to ft h em a i nf u n c t i o nr e q u i r e di n t h i sc o n t r o l s t r a t e g y , l o t so fa f f i l i a t e d f u n c t i o n sw e r e a d d e d s o ，t h ee x p a n s i b i l i t yo f t h ew h o l es y s t e mw a s i m p r o v e d a tl a s t ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s w e r ea n a l y z e da n dt h e d e b u gs o f t w a r e a n d h a r d w a r ee n v i r o n m e n tw a si n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o n t r o l s t r a t e g yc a n m a k ee p sw o r kw e l la n dt h a tp o w e ra s s i s t a n tc o n t r o lm o d ea n dr e t u r n a b l ec o n t r o l m o d ew e r ef u l f i l l e d t w oi n n o v a t i v e p o i n t si nt h i sp a p e rw e r ep r e s e n t e d ： 1 t h ed e s i g no fe p sw a sd e t e r m i n e d ，a n dc o n t r o l s t r a t e g yw a sd e v e l o p e d c u r r e n tc l o s e d l o o p c o n t r o l s t r a t e g y w i t hc u r r e n ts e n s o rw a s a d a p t e d ，a n d f e e d b a c kc u r r e n tw a s a c q u i r e dw i t hs a m p l i n gr e s i s t a n c ei n s t e a do f h a l ls e n s o r 2 ap r e l i m i n a r ys t u d yw a sd o n eo nt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o li n e p s c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew a s o f f e r e dt of u l f i l lt h ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g , c o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yc o n t r o l ， a s s i s t a n tm o d e ，r e t u r n a b l em o d e , h 浙江土学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车助力转向系统概述1 1 卜p s i 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车 在行驶过程中能按照驾驶员的操作要求而适当的改变其行驶方向，并在受到路面 传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车 的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是非常重要的部件，它的性能直接关系到 车辆行驶的安全性及舒适性，安全可靠、转向灵敏、有道路感觉是转向系统追求 的目标。 1 1 1 转向系统的技术发展状况1 i 2 0 0 0 年世界汽车产量已达到5 7 3 3 万辆，比1 9 9 9 年增长2 8 ，创历史新记 录，全球汽车保有量已超过5 亿辆，1 9 9 2 2 0 0 1 年的1 0 年里，我国汽车产量平 均年增长1 5 ，是同期世界汽车增长率的1 0 倍。2 0 0 3 年我国汽车销售已经突破 3 2 0 万辆，随着汽车产量的增加，人们对具有更高水平的环保、安全性的转向系 统及其他汽车零部件的需求会越来越大。 最初驾驶员们只希望比较容易地操纵转向系统，而后则追求在高速行驶时的 稳定性、舒适性和良好的操纵感。 通用汽车公司首先推出循环球式液压助力转向系统。由油泵产生的液压力帮 助驾驶员克服转向系统上的操纵阻力。在过去的5 0 年里，转向系统主要使用液 压力来帮助驾驶员操纵汽车。汽车厂家已经为不同尺寸、不同质量、不同类型的 汽车一一从经济型到大的运动型汽车及大货车的液力和电液助力转向系统做了 超乎一般的工作，使之成为当今动力转向系统的主力。 近年来，随着电动机技术的迅速发展，国外出现了以电动助力转向系统 ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 取代传统助力转向系统的趋势，并且已经有 产品装车。 1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备e p s 2 i ，随后还用在了其 a 1 t o 车上。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f h 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e p s 。比如：大发汽车公司在其 m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了e p s ；本阳汽车 公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ，s 2 0 0 0 轿车的动力转向也将倾向于选择e p s ； 全球最大的汽车零部件生产厂家d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o 、欧宝 浙江土学嘎士学位论文 的3 1 8 i 以及菲亚持的p u n t o 开发出e p s 。 同时全球第二大汽车零部件生产厂家t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入了大量人 力、物力和财力用于e p s 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式e p s ， 如今小齿轮助力式e p s 开发也已获成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在 轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等。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 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装车，年 产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过 1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿 车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中 型轿车已经安装e p s ，本田甚至还在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 。e p s 的助 力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进 一步加强。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止工 作。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车 的操纵稳定性。如铃木公司装备在w a g o nr 十车上的e p s 是一个负载一路面一车速 感应型助力转向系统。由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围助力型，并 且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大 于7 0 k m h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适 的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。 市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。 e p s 系统在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的扭矩信号和车速 信号，通过电子控制单元使助力电动机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶 员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的反馈伺服系统。它是一种直接依靠电动 机提供辅助扭矩的动力转向系统，由于它有利于环保，安装方便，可以提高主动 安全性，并且助力特性可以根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，所 以一经出现就受到高度重视。在国外，e p s 己部分取代传统液压动力转向，成为 世界汽车技术发展的研究热点。由于目前汽车蓄电池输出功率的限制，使e p s 助力电动机提供的扭矩有限，所以e p s 最先应用在小型车和家庭轿车上。现在 它己广泛应用于较大型车辆上，这种扩大要归功于社会对节能型转向系统的需 求，因为控制技术的进步使电动助力转向器和液力转向器的性能一样好，甚至超 过了它。 目前性能良好的转向器可以通过传感器探测到转向角、车速、转向扭矩等数 据，并将其反馈到转向器的控制单元中以获得助力控制信号。为了使转向系统和 汽车的个性化要求相匹配，集成系统设计是必不可少的。 如果e p s 要应用到较大型车辆上，那么它的技术关键点是能提供大的轴向 力，因为中型或大型车辆需要的轴向力可达1 0 0 0 0 n ，甚至更高。然而，在目前 浙江土学硕士学位论文 大多数汽车配装1 2 v 电压系统的情况下，由于电动转向器的电动机电流的限制， 电动机输出扭矩的增加受到了很大限制。 欧洲汽车制造商在研究配有4 2 v 电压系统的中型车辆上应用e p s 方面走在了 前头，而在拓展e p s 的应用方面，日本的k o y o 、n s k 、h o n d a 及美国的d e l p h i 、 t r w 等公司已经开发了多种类型的e p s 。 e p s 是一种新型的动力转向器，它没有因电液或液力动力转向器的体积大、 部件多、管路漏油等造成的耗能、污染环境的缺点。因此，从1 9 8 8 年第1 个e p s 样品诞生至今的十多年里，快速完成了从实验室走向商品化的过程。特别是近几 年，随着汽车数量的大幅增加，能源和环保问题目益突出，节能、环保的e p s 受到了汽车厂家的欢迎。我国汽车日益增多而能源又较为短缺的现状更需要e p s 产品。但目前e p s 完全是国外产品一统天下，主要原因是e p s 的核心技术形成了 国外产品的技术壁垒。不仅仅是e p s ，其它先进的汽车电子控制系统也是这样。 处于对潜在市场的保护，各研究开发e p s 系统的部门很少公开发表自己的 具体研究内容和关键技术，因此可供参考的文献资料很少。 国内在这方面的研究刚刚起步，并且都处于实验室研究阶段，仅有为数不多 的院校开展了电动助力转向系统的研究。清华大学汽车系在e p s 领域进行了卓有 成效的研究，并取得了很大的进展，在控制策略、电动助力转向硬件及台架方面， 目前处于国内的研究的前列。1 9 9 3 年，清华大学汽车工程系的教授指导硕士研 究生进行了e p s 系统的探索性研究，清华大学的季学武教授还申请了“一种车用 光电式扭矩传感器”的专利，因为扭矩传感器一直是电动助力转向的核心部件。 清华大学通过与南京汽车集团有限公司进行e p s 的合作，并获得国家、清华大学 和江苏省等各类基金的资助。吉林大学也进行e p s 的研究，并制作了试验台架， 取得许多的试验数据，为下一步的研究开发提供有用的试验数据。华中科技大学、 江苏理工大学和天津大学也对e p s 的转向特性和转向盘力等进行了理论方面的 研究，这些研究都对下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础。我们在参 考这些研究成果的基础上，进行了e p s 的研制和试验研究，并将模糊控制引入e p s 的控制系统中，这在国内还没有相关的报道，根据试验结果，表明控制策略取得 了预期的效果，实际测量值和理论目标值在预期范围内，并且实际的操纵手感良 好。 1 。1 2 未来市场需求 人类逐渐意识到全球变暖的问题【3 1 ，从而需要改进燃烧效率，并且对具有环 保、节能型特点的产品需求不断增加。因此，可以预测从液力转向系统到电动转 向系统的转变过程会在将来很快地发生。表1 和表2 展示了e p s 及h p s 在世界各 地的需求趋势”。数据表明，在世界范围内，电动转向器和电液转向器的使用会 浙江上学硕士学位论文 增加很快，2 0 0 1 年大约4 2 的安装在新车中的转向器是这种节能型的。即使是保 守的估计，到2 0 0 6 年欧洲市场中电动转向器和电液转向器的份额会达到5 6 。 这是因为在欧洲人们热切地关注着环境问题及微型车在此地很流行，而且电动转 向器在这些车辆上的安装相对容易。使用电动转向器是汽车发展过程中相对于采 用电线转向( s t e e r i n gb yw i r e ) 系统的一大进步。随着4 2 v 电子系统在未来几年 大规模地进入市场，它将会促进电动转向器应用于大型豪华汽车上。 表1 1e p s 占所在地转向器的比率( ) 全球日本北美欧洲 2 0 0 1 正1 1 1 1 6 09 6 01 2 5 2 0 0 6 正2 8 33 4 62 9 54 0 0 表1 2h p s 占所在地转向器的比率( ) 全球日本北美欧洲 2 0 0 1 钜5 6 01 2 05 8 01 2 5 2 0 0 6 住1 3 37 7 01 5 8 0 1 6 o e p s 目前己装备于轿车上并表现出明显的优越性。随着电子技术和控制技术 的深人应用和电动机性能的不断提高，e p s 的控制信号将不仅是扭矩和车速信 号，而且将根据转向角度、转向速度、横向加速度等多种信号综合控制以取得更 优控制性能。同时，e p s 将朝着电子四轮转向的方向发展。此外，还将与电子悬 架结合，将达到多方面综合、协调、统一控制的目的；另一方面，随着e p s 生产 成本的降低，性能价格比的进一步提高，e p s 的市场将继续拓宽。 从上个世纪五十年代开始，汽车工程师就开始对电动助力转向产生兴趣。但 是由于成本等原因，一直很难设计生产出在性能和价格比可以与液压助力转向系 统匹敌的电动助力转向系统。 电动助力转向是汽车主动安全性的关键系统之一，这一产品在汽车上的广泛 使用首先必须突破电子、传感器和控制软件等实用技术发展成熟之前存在的一些 技术障碍，使人们感觉到使用这一技术是绝对安全的。而近年来，随着电子技术 和传感器技术的快速发展，电子控制器和传感器的价格越来越便宜，而且功能也 越来越强，这样使电动助力转向系统在性能和价格比上比液压助力转向系统更有 优势。 另外控制算法和软件的开发也越来越完善，由软件来实现在各种复杂的工况 下的电动助力功能己不成问题，使人们对可能发生的故障诊断和故障安全处理也 具有较高程度的信心，从而使开发生产电动助力转向系统比电动液压助力转向系 统更具竞争力。 经过十几年的不断发展，e p s 技术日趋完善，而且伴随着电子技术的迅速发 展，已有可能大幅度降低e p s 的成本从而降低价格，加上其它的一系列优势，e p s 浙江太学硕士学位论文 已越来越受到人们的青睐。 2 1 世纪是一个充满无限潜力的世纪，世界上许多汽车零部件生产厂家都在不 断地进行其业务的全球化扩展，并为在这个世纪所要完成的目标制定了更清晰的 长期技术规划。中国的汽车零部件生产厂应在技术研发与创新、敏锐预测市场形 势的变化并及时对其做出迅速反应等方面做实质性的工作，以研制与环境协调友 好的e p s 系统和集成转向系统为中心任务，才能在世界转向系统领域占有一席之 地。 前面对电动助力转向的发展情况作了简短的介绍，下面介绍助力转向系统的 分类。 1 2 助力转向系统的分类 汽车助力转向系统是在机械转向系统的基础上增设的助力式随动系统而构 成的 4 1 ，它是汽车底盘的重要组成部分，其主要作用是减轻驾驶员的操舵力或力 矩，提高转向性能及行车安全性能，助力转向系统设计的一个重要原则是当助力 系统失灵或者损坏后，驾驶员仍可以借助机械转向系统进行临时性和应急性的所 谓“强制转向”。通常助力随动系统与机械转向器巧妙地溶为一体，这就是人们 常说的动力转向器。 助力转向系统按照提供动力的形式大致可以分为三类： 液压助力转向系统( h p s h y d r a u l i cp o w e r e ds t e e r i n g ) ，电动液压转向系统 ( e h p s e l e c t r i c a l l yh y d r a u l i cp o w e r e ds t e e r i n g ) ，电动助力转向系统( e p s e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) ，将来的趋势是电线转向( s b w - - s t e e r i n gb yw i r e ) ， 即在方向盘和转向轮之间没有机械连接。 传统的液压助力转向系统的油泵与发动机直接联结，即使汽车直线行驶，没 有转向时，油泵也一直处在工作状态，能量损耗很大。 电动液压助力系统由一个专门的电动机驱动油泵来建立液压油压力，以液压 油作为传递动力的媒介，油泵与发动机分开，用电动机驱动油泵，由e c u 控制 电动机的起动和停止，一般仅在需要助力转向的时候启动电动机，这样减少了机 械损失，也减少了发动机燃油油耗，电液助力转向系统的能耗是传统液压转向系 统能耗的8 5 ，相当于整车3 到4 的油耗，并且可以取消皮带、皮带轮和其 它与发动机相连接的部件，更易于整车厂的装配。 电动助力转向系统不需要油泵，转向助力由电动机直接驱动，助力的大小和 晰江土学硕士学位论文 方向由e c u 控制，并且只在需要的时候起动电动机助力，连液压系统和液压油 也省掉了，这样安装起来更加方便。由于不存在漏油的问题，可靠性提高了，且 有利于环保。 为了进一步分析e p s 的性能，现将e p s 与其它两种助力系统e h p s 、h p s 在助力特性、燃油特性、低温运行性能等方面进行一个直观地比较5 1 ，见表3 ： 表1 3 三种助力转向系统性能比较 类型e p s e h p sh p s 准确、灵活、方便，灵活性、转递性较 助力特性中等 控制性能最优h p s 差 燃油特性耗油最少中等耗油最多 低温运行性能最优中等差 不存在渗油，可减少 环保性能中等差 污染 电子集成度高，易于 电子集成性能不易集成无法集成 集成 安装维护性能 易于安装维护不易安装维护不易安装维护 只有4 个组件，结构有4 0 1 5 0 个零部有4 0 “5 0 个零部 占用空间 紧凑、占用空间最小件，占用空间较大件，占用空间较大 重量重量最轻较重较重 e p s 系统的结构和布置形式多种多样，e p s 系统的电机多为直流电机，端电 压为1 2 v 、2 4 v 或者4 2 v 。根据汽车前轴负荷的不同，助力电机的安装位置也不 同。当前轴负荷较小时，电机及减速装置与转向轴相连( 称为转向轴驱动) ；当 前轴负荷中等时，电机及转向器与转向小齿轮相连( 称为转向齿轮驱动) ；当前 轴负荷较大时，电机及减速器则与转向器尺条轴相连( 称为转向尺条驱动) 。对 于转向轴驱动和转向齿轮驱动的e p s 系统，采用的减速器通常为双级圆柱齿轮 式，蜗轮蜗杆式或者双排行星齿轮式；而转向尺条驱动系统通常采用的是球螺旋 减速机构。考虑到可靠性问题，目前国外e p s 系统中的转矩传感器多为非接触 式( 如电磁感应式，光电式等) ，而接触式转矩传感器( 如滑动电阻式) 应用较 少。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于e p s 系统中，有必要开发出一 种符合以上要求的转矩传感器。 下面是e p s 三种不同的布置形式： 转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向轴的一侧，通过减速机构与转向轴相 连，直接驱动转向轴助力转向1 9 】。其特点是结构紧凑、所测取的转矩信号与控 制直流电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用 6 】。 浙江土学硕士学位论文 转向轴驱动( c o l u m nd r i v e ) 方式如图1 1 所示 转向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为 一体，整体安装在转向齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该型 式可使各部件布置更方便，但当转向轴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【6 1 。 转向齿轮驱动( p i n i o nd r i v e ) 方式如图1 2 所示 图1 2 转向齿轮驱动方式 浙江太学硕士学位论文 转向齿条式e p s 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 力通过一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，电动机动力通过 另一小齿轮传给齿条，由于易于制造和维修，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【6 j 。 转向齿条驱动( r a c k d r i v e ) 方式如图1 3 所示： 图1 3 转向齿条驱动方式 e p s 与e h p s 相比的特点在于： ( 1 ) 方向盘的转向特性、转向手感、转向灵敏度和汽车的稳定性可以通过软 件来进行调节和优化，所以其功能显然优于传统的液压助力系统。e h p s 液压助 力的增减有一定的滞后性，反应敏感性较差，随动性不够。电动助力转向系统由 于采用电子控制，可以使转向系统的转向性能得到优化，增强随动性。 ( 2 ) e p s 比e h p s 的系统重量要轻，结构紧凑，减少了安装空间，当然都是配 件厂己经组装好了组件，可以直接安装到车上，在装配线上，安装h p s 系统约 需要3 6 分钟，而安装e p s 系统仅需要5 6 分钟。 ( 3 ) e p s 和e h p s 都是只有在需要时提供助力，不需要消耗发动机的功率，所 以节省能耗，但由于都是由蓄电池提供能量，因此对蓄电池的要求高了。 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) e p s 和e h p s 是电线转向系统( s b w ) 的前期产品，为以后的一体式汽车控 制系统e c s 提供方便。驾驶员可以选择方向盘手感，比如跑车还是家庭轿车。 ( 5 ) z p s 和e h p s 的动力与发动机无关，因此适合将来的电动汽车或混合电动 汽车，也适合于小型车，因为这种车只需要较小的动力来使前轮转向。 ( 6 ) e p s 相对于e p h s 没有液压油，易于保修，且绿色环保。 ( 7 ) e p s 的应用范围广，它适用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货 汽车，而对于环保型纯电动汽车，由于没有发动机，因此e p s 系统为其最佳选 择。 难是因为e p s 系统有上述优点，世界各汽车生产大国已投入大量的人力、 物力从事该系统的研究开发工作。目前只有日本、美国、德国、英国等几个国家 的著名汽车公司开发出自己的e p s 产品，并在部分车型上安装使用，e p s 系统 开发成功是转向装置的一次变革，为进一步实现电线转向( s t e e rb yw i r e ) 奠定 了基础。据专家预测，到2 0 1 0 年，约3 0 的轿车将安装e p s 系统。目前，若从 国外购买e p s 系统的专利约需要6 0 0 万美元，而购买e p s 系统的成套技术则需 要数千万美元。 不同类型的e p s 基本原理是相同的，扭矩传感器与方向盘下的转向轴连接 在一起，当转向轴转动时，扭矩传感器开始工作，把转向轴产生的扭矩信号转换 成电信号传给e c u ，e c u 根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋 转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实 现在车速不同时让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，高速行驶时稳定可靠。汽车操纵稳定性是汽车主动安全的重要组成部分。通 常认为汽车的稳定操纵性包括相互关联的两个部分：一是操纵性，是指汽车能确 切的按照驾驶员通过方向盘给定的转系指令行驶的能力；二是稳定性，是指汽车 受到外界干扰( 路面扰动或者侧向风) 后，汽车能抵抗干扰恢复和保持稳定行驶 的能力。前者反映了汽车实际行驶轨迹与驾驶员主观意图在时间上及空间上吻合 的程度，后者描述了汽车运行状态的稳定程度，两种性能很难截然分开。汽车操 纵稳定性的丧失往往导致整车的侧滑，急转甚至倾覆，而汽车稳定性的丧失，常 常导致整车失控。因此，汽车文献中把两者统称为汽车操纵稳定性。装备了电动 助力转向系统的小型汽车，不仅能减轻驾驶员的转向负担，而且能够提高汽车的 操纵稳定性，这一点已经使电动助力转向的研究重点从减轻驾驶员劳动强度转移 到提高汽车的主动安全性，并且可以作为电子底盘控制系统( e c s ) 一部分，使 汽车的驾驶更加安全。汽车转向系一直存在着轻与灵的矛盾【l 。为此，人们常 将转向器设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵为主，在转向盘大转角时以轻 为主。但是，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，另外，转向力 浙江土学硕士学位论文 与路感也是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗； 但转向力过小，就缺乏路感。传统液压动力转向由于不能对助力进行实时调节与 控制。所以协调转向力与路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供 较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。由于 e p s 由电动机提供助力，助力大小由电控单元实时调节与控制，可以较好的解决 上述矛盾。既然e p s 已经不仅仅是起到助力的作用，而且也能改善汽车操纵稳 定性，即提高汽车的主动安全性，这是e p s 发展的一个新的方向。 e p s 在汽车操纵稳定性方面相对于其它转向系统有一下四点改善l l l j ： ( 1 1 增强了转向跟随性。在e p s 系统中，电动机与助力机构直接相连可以使 其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转 向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强，与液压力助力转向 系统相比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应、增强了转 向车轮对转向盘的跟随性能。 ( 2 1 改善了转向回正特性。直到今天，动力转向系统性能的发展已经到了极 限，电动转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一个角度然 后松开时，e p s 能够自动调攘使车轮回到正中。e p s 还可让工程师们利用软件在 最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速可得到 一簇回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同车速及不同车况 下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供了与车辆 动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压助力转向系统中，要改善这种 特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定的困难。 ( 3 ) 提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车 的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶( 1 0 0k i n h ) 的汽车一个过度的转角迫 使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了单片机控制，使得汽车具有更 高稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。 ( 4 ) 提供可变的转向助力。电动转向系统的转向力来自于电机。通过软件编 程和硬件控制可得到覆盖整个车速的可变转向力，可变转向力的大小取决于转向 力矩和车速。无论是停车、低速、高速行驶时，它都能提供可靠的、可控性好的 感觉，而且更易于停车场操作。 对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得 可变转向力矩、必须增加额外的控制器和其它硬件，但在电动转向系统中，可变 转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费用 很小。 浙江土学硕士学位论文 1 3 电动助力转向系统的组成 电动助力转向系统一般由扭矩传感器、车速传感器、控制器、助力电动机和 减速机构组成，有的还有电流传感器、电机离合器、方向盘转角传感器等。 ( 1 ) 扭矩传感器【5 】 扭矩传感器用于检测作用于转向盘上的扭矩信号的大小与方向。扭矩测量系 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。目前采用较多的扭矩传感器是拉杆式电位计传感器， 在转向轴位置加一拉杆，通过拉杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到扭 矩。另外也有采用体积小，精度高的非接触式扭矩传感器，但非接触式扭矩传感 器成本较高。 ( 2 ) 转向角传感器【8 1 转向角传感器可根据齿条的位移量和位移方向测出转向角。该传感器是由啮 合在齿条上的磁铁和固定在转向机上的磁性探测器组成的，齿条移动所引起的磁 通密度和极性的变化由磁性探测器的霍尔元件转换为电压信号输出。 ( 2 ) 车速传感器 车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速箱上。该传感器根据车速 的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给e c u ，由于是两个系统，因此信号的 可靠性提高了。 ( 3 ) 电动机 9 】 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 i j 的指令产生相应的输出扭矩。电动机是影响e p s 性能的主要因素之一，不仅要求 低转速大扭矩、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、降低噪音和振动。为此， 设计时常针对e p s 的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，比如在电机转子 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。 ( 4 ) 离合器 离合器采用干式电磁式离合器，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，转入手 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。 ( 5 ) 减速机构 浙江土学硕士学位论文 减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩，主要有两种形式：蜗 轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构，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。 ( 6 ) 电子控制单元( e c u ) o e c u 控制原理 e p s 的电子控制单元通常是一个8 位或1 6 位单片机系统，由于电子产品的 性能越来越高，而价格越来越便宜，在一个单片机系统内往往集成了r a m 、f l a s h 、 s c i 、a d 、t i m e r 、p w m 等模块。其工作过程是当扭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扭矩，然后通过p w m 输出，输出电流 指令信号给电机控制电路，由控制电路以决定电动机作用的大小和方向。 此外，e c u 也有采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制单元。控制系统与控制 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 的安全保护和故障诊断 6 】 e c u 还具有安全保护和故障诊断功能。e c u 通过采集发电机电压、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 上的故障代码显示 灯点亮，离合器断开，助力被取消，系统转入人工转向状态。 表1 4 是三菱m i n i c a 的e p s 的主要部件的参数1 9 1 。 部件参数类别参数 类型直流永磁 额定电压( v ) d c l 2 电动机 额定扭矩( k g c m ) 1 0 额定电流( a ) 3 0 类型干式单片电磁式 额定电压( v ) d c l 2 离合器 绕阻( q )1 9 5 2 0 额定传递扭矩( k g c m ) 1 5 1 2 v 、2 0 额定电压( v ) 5 扭矩传感器额定输出电压( v )2 5 ( 中间位置) 最大阻抗( q )2 1 8 o 6 6 出电压( v )9 5 以上1 0 0 0 r m i n 车速传感器 内阻( q )1 6 5 2 0 2 0 控制方式单片机控制 电控单元( e c u )额定电压( v )d c l 2 工作电压范围( v ) 1 0 1 6 晰江太学硕士学位论文 如果想达到对助力转向系统更理想的控制1 8 】，还应监测影响转向系统的其 他一些因素( o n 车辆牵引力、车辆的侧倾角等) ，国外的文献中还提到采用车辆的 横摆角加速度和质心的横向加速度作为对助力大小的修正量6 3 卜【6 6 ，以获得更好 的车辆操纵稳定性，但从经济性考虑，在普通的车辆上不可能采用如此多的传感 器来监测这些量，只有高级轿车上才有应用。 1 4 电动助力转向的关键技术 e p s 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控 制技术( 包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制) 以及e p s 系统与整车 性能等多方面的难题。 ( 1 ) 电动机驱动技术：e p s 系统中电机要求端电压低，而功率相对较高， 所以电动机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困 难，而直流电动机的控制历来都是比较复杂和困难的。这是e p s 系统开发的关键 技术之一。当然随着电子技术的飞速发展，电动机的体积越来越小，功率越来越 大，电子器件的性能越来越好，价格越来越低，这些是e p s 得以迅速发展的外围 环境。 ( 2 ) 非接触传感器技术：e p s 系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单， 工作可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外e p s 系统中的 转矩传感器多为非接触式( 如电磁感应式，光电式等) ，而接触式转矩传感器( 如 滑动电阻式) 应用较少。当然非接触式传感器比如光电式传感器有一个缺点是要 考虑防尘措施和使用温度的限制。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于 e p s 系统中，必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。这是e p s 系统研究 开发的关键技术之二。目前清华大学的季学武教授发明了一种车用光电式扭矩传 感器，并申请了中国专利，这在国内非接触式扭矩传感器领域迈开了可喜的一步。 ( 3 ) 转向控制技术：由于e p s 系统在原有的机械式转向系统中增加了电机 和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制， 避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为了得到更好的 路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。这是 e p s 系统研究开发的关键技术之三。目前国外在助力控制、回j 下控制等方面都提 出了很多先进的控制策略，并取得了比较好的控制效果。本文准备将模糊控制引 入助力控制中。 浙江土学硕士学位论文 ( 4 ) e p s 系统与整车性能相匹配：汽车是由各子系统组成的既相互联系又 相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。 随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子产品应用到汽车上，汽车也越来越智 能化，e p s 作为汽车底盘系统重要组成部分，如果与其它系统没有信息交流是不 可想象的。因此，必须对e p s 系统与其它子系统进行匹配，使整车性能达到最 优。这是e p s 系统开发的关键技术之四。目前汽车上流行的现场总线是控制器 局域网总线c a n ，而s a ej 1 9 3 9 协议是在c a n 协议基础上重新定义的协议，本 文研制的e p s 系统将支持s a ej 1 9 3 9 协议。 在技术层面上，e p s 不仅有以上关键技术需要解决，在应用层面上，e p s 仍 有一些问题需要进一步研究删。 ( 1 ) 性能 通过e p s 来降低转向力，这与电机的尺寸，电机的电流以及减速比有关， 而这些因素