（机械电子工程专业论文）纯电动汽车电动助力转向系统机理研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着现代控制理论和微电子技术的发展，电动助力转向系统( e p s ) 已经成 为近年来车辆工程领域中的一个研究热点，越来越受到大专院校、科研机构和 汽车厂家的关注。本论文以纯电动汽车的转向轴式电动助力转向系统为主要研 究对象，采用理论分析、计算机系统仿真、台架和实车实验研究相结合的方法， 对轴助力式e p s 的工作机理进行了深入系统的研究，主要研究内容如下： 1 、详细分析了电动助力转向系统的工作原理及其特点，其后对系统的控制 策略和算法进行了深入研究，通过分析车辆和驾驶员对转向控制的要求和特点， 确定了对助力特性的基本要求。 2 、在电动助力转向控制中采用了助力控制、回正控制、阻尼控制和补偿控 制等控制策略，同时分析和比较了三种助力特性曲线，提出了适用于纯电动汽 车e p s 的理想助力模型，由该模型得到的助力特性曲线为小转角时为直线型而 大转角时为斜率变化较大的二次曲线，并给出了实现该特性曲线的基本算法， 该算法在以后的计算机仿真和实际控制器设计及台架和实车实验中检验了其正 确性。确定的该助力模型及由此得出的助力曲线，很好地兼顾了转向轻便性和 路感的关系。 3 、将a d a m s 动力学仿真软件引入到e p s 系统中，进行纯电动汽车整车 a d a m s 建模，在a d a m s & a r 中建立了包括前后悬架、转向系统、前后车轮及 路面谱在内的整车多体动力学仿真模型，并进行了整车稳态转向仿真试验。同 时还在m m l a b s i m “i n k 环境中建立了电动助力转向系统新型助力特性的曲线控 制策略和控制器的控制模型，将a d a m s & a r 中所建立的整车模型通过软件接口 导入到m a t l a b s i m d i n k 中，与m a t l a b 中建立的e p s 控制系统的仿真模型 连接起来，将a d a m s & a r 与m a t l a b s i m d i n k 相结合，进行复杂的联合仿真分 析。仿真结果说明以a d a m s 中建立的整车动力学模型与m a t l a b 中建立的控 制系统的数学模型联合起来研究电动助力转向系统是有效的。同时，仿真结果 也证明了本文提出的控制策略和算法的正确性和有效性。 4 、进行了e p s 系统的软硬件设计，从硬件和软件上开发了基于纯电动汽车 的电动助力转向系统，实现了e p s 的主要功能。详细分析了e p s 系统的关键零 部件的选用及匹配原则，针对e c u 输入和输出信号的不同特点进行了分析，设 摘要 计了相应的处理控制电路。助力电机采用直流永磁有刷电机，由4 个n m o s 管 构成的h 桥驱动，其控制采用脉宽调制p w m 和助力电机电流f u z z y的反pid 馈控制。系统软件分上下两层，上层完成控制策略与算法，下层完成助力电机 电流的闭环控制，并给出主要软件模块流程图，为进一步模拟试验提供了实验 基础。 5 、研究了电动助力系统台架实验方案。对实验需要的各种车辆运行工况的 信号的模拟方法进行了分析和确定，电动机的转速、车速、直接由信号发生器 输入e c u ，转向扭矩信号和转角信号取自传感器，然后输入e c u ，转向阻力矩 采用弹簧模拟，完成了e p s 实验台架的设计，并在该台架上进行了有无e p s 助 力的对比试验。实验结果表明加入e p s 后转向轻便性大大提高，随后进行了相 关的实车实验。 6 、提出了低速转向情况下的柔性电流过渡方法的算法并加以实现，可以大 大减少因为电流大的波动导致的方向盘的抖动。 7 、进行了软硬件系统的抗干扰性和可靠性研究，并进行了与纯电动汽车上 层控制器的通信实验研究。 本文的理论分析、计算机仿真与台架、实车的实验结果吻合良好，对于电 动助力转向系统的基础研究、设计开发及其应用具有重要的理论意义和现实意 义。 关键词：电动助力转向系统；纯电动汽车；机理研究；控制策略；联合仿真； 电子控制单元；台架及实车实验 i i a b s l r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r o lt h e o r ya n dt h em i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，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 ) h a sb e c o m eaf o c a lp o i n to f r e s e a r c hi nt h ev e h i c l ee n g i n e e r i n gf i e l di nr e c e n ty e a r s ，m o l ea n dm o r eu n i v e r s i t i e s ， r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n da u t om a n u f a c t u r e r sp a yt h e i ra t t e n t i o nt oi t i nt h i sp a p e r ，w e c h o o s et h ec o l u m nt y p ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l ea st h e m a i no b j e c to fs t u d y ，a n du s et h em e t h o ds u c ha st h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e r s y s t e ms i m u l a t i o n ，b e n c ht e s ta n dr e a lv e h i c l et e s tt os t u d yt h ec o l u m nt y p ee p s ，t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mo ft h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l eh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l ，f o l l o w e db yt h e s y s t e mc o n t r o ls t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m ss t u d y b yt h ew a yo fa n a l y z i n go ft h e s t e e r i n gc o n t r o lo f v e h i c l e sa n dt h er e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v e r s ，w e h a v ed e t e r m i n e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea s s i s tr e q u i r e m e n t s i nt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w eu s et h ec o n t r o ls t r a t e g i e ss u c ha st h e a s s i s tc o n t r o l ，t h er e t u r nc o n t r o l ，t h ed a m pc o n t r o la n dt h ec o m p e n s a t ec o n t r 0 1 m e a n w h i l eb ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h r e ek i n d so ft y p i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s ， w ep r o p o s e dt od e s i g nan e wi d e a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v et h a ta p p l i e st ot h ee p so f p u r e e l e c t r i cv e h i c l e t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v es h o u l db es t r a i g h tw h e nt h es t e e r i n ga n g l ei s s m a l l ，w h e nt h ea n g l ei sl a r g e rt h a nas p e c i a lv a l u e ，t h eq u a d r a t i cc u r v et h a tt h es l o p e o ft h et a n g e n ts l o p el a r g e rt h a nb e f o r es h o u l db ec h o s e n ，a n dt h i sp a p e rg i v e su st h e b a s i ca l g o r i t h mf o rt h en e wc h a r a c t e r i s t i cc 1 t r v e ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n , c o n t r o l l e r d e s i g n ，b e n c ht e s ta n dt h er e a lv e h i c l ee x p e r i m e n t sw i l lp r o v ei t sc o r r e c t n e s s w i t h t h ed e t e r m i n a t ea s s i s tm o d e la n dt h eg e n e r a t e da s s i s tc u r v e ，w ea r ee n a b l e dt og i v e b e t t e rc o n s i d e r a t i o nt os 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 a d a m s d y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ei sa d o p t e di no u re p ss y s t e mr e s e a r c h , t h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l em u l t i - b o d yv e h i c l ed y n a m i c sa d a m ss i m u l a t i o nm o d e li i b u i l ti nt h ea d a m s c a rm o d u l e ，i n c l u d i n gf r o n t r e a l s 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 ta n dr e a rw h e e l sa n dr o a ds p e c t r u m ，a n dt h es t e a d y s t a t es t e e r i n gv e h i c l e 1 1 1 a b s t r a c t s i m u l a t i o ni sc a r d e do u t a tt h es a m et i m ew ea l s of i n i s ht h ec o n t r o lm o d e lo ft h e c o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc o n t r o l l e rd e s i g nb a s e do nan e we l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m a s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e si nm a t l a b s i n l u l i n ke n v i r o n m e n t w ei n t r o d u c et h ee n t i r e v e h i c l em o d e lt h a ti sb u i l ti na d a m s c a rm o d u l et om a t l a b s i m u l i n kb yt h e s o f t w a r ei n t e r f a c e ，a n dt h e nw ec o n n e c tt h ev e h i c l em o d e lw i t ht h es i m u l a t i o nm o d e l o fe p sc o n t r o l s y s t e m i n m a t l a b b yc o m b i n i n g a d a m s c a ra n d m a t l a b s i m u l i n k ，w em a k eac o m p r e h e n s i v ej o i n ts i m u l a t i o na n a l y s i s t h e c o s i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a yt h a tw ec o n n e c tt h e e n t i r ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e lb u i l ti na d a m sw i t ht h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e c o n t r o ls y s t e mb u i l ti nm a t l a bb yw h i c hw es t u d i e dt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e ms t u d yi se f f e c t i v e f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ev a l i d i t y a n de f f e c t i v e n e s so fo u rc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt h ee p ss y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nb a s e d o np u r ee l e c t r i cv e h i c l ea n dr e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ee p s w ea n a l y z e dt h e s e l e c t i n ga n dm a t c h i n gp r i n c i p l e so fk e yv e h i c l ep a r t sa n dd e s i g n e dac o r r e s p o n d i n g c o n t r o lc i r c u i tb a s e do no u ra n a l y s i so fd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f e c u si n p u ta n d o u t p u ts i g n a l s a sf o ra na s s i s tm o t o rw ea d o p t e d ap e r m a n e n t - m a g m e td i r e c tc u r r e n t m o t o rt h a ti sd r i v e db ya nh b r i d g ec o m s i s t e do f4n m o st u b e s t h i sk i n do fa s s i s t m o t o r sa r ec o n t r o l l e db yaf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mo fp w ma n da s s i s tm o t o rc u r r e n t f u z z y _ p i d t h es y s t e ms o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot w ol a y e r s t h eu p p e rl a y e rf m i s h e s c o n t r o l s t r a t e g i e s a n da l g o r i t h m sm e t h o d sw h i l et h el o w e rl a y e rf i n i s h e st h e c l o s e d - l o o pc o n t r o lo fa s s i s tm o t o rc u r r e n t t h i sp a p e ra l s op r o v i d e st h ef l o wd i a g r a m o fm a i ns o f tm o d u l e t h i sp r o v i d e st h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rf u r t h e rt e s t w ea l s os t u d i e dt h eb e n c ht e s tp l a no ft h ee l e c t r i ca s s i s ts y s t e m b a s e do no u r a n a l y s i sw ed e t e r m i n a t et h es i g n a l ss i m u l a t i o nm e t h o do ft h er u n n i n gs t a t e s o f v a r i o u sv e h i c l e sn e e d e di no u rt e s t b o t ht h er o t a t i n gs p e e do ft h em o t o ra n dv e h i c l e s p e e da r ed i r e c t l yi n p u tt oe c ub ys i g n a l sg e n e r a t o r b yi n p u t t i n gt h et u m i n gt o r q u e s i g n a l sa n dt u m i n gs i g n a l s d e r i v e df r o ms e n s o r st oe c ua n da d o p t i n gs p r i n g i m i t a t i o n , w ec o m p l e t e dd e s i g n i n ge p st e s t t r e s t l ea n dc a r r i e do u tc o m p a r a t i v e e x p e r i m e n t so ni t o u rt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tb ya d d i n ge p st h et u r n i n gp o r t a b i l i t y i sh i g h l yi m p r o v e d a n dt h e nw ec o n d u c t e dr e l a t e dr e a lv e h i c l et e s t s i v 一 垒呈! ：! 墨垒里! 一 - 一一一一 w ep r o p o s e dt h ea l g o r i t h m sm e t h o do ff l e x i b l ec u r r e n tt r a n s i t i o n u n d e rl o w s p e e da n di fw ei m p l e m e n ti ti nt h ef u t u r ew e w o u l dc o n s i d e r a b l yr e d u c ev i b r a t i o no f t h es t e e r i n gw h e e lc a u s e db yg r e a tc u r r e n tf l u c t u a t i o n w es t n d i e da n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fb o t hs o r w a r ea n d h a r d w a r es y s t e m s m o r e o v e rw ec a r r i e do u tc o m m u n i c a t i o nt e s tw i t ht h eu p p e rl e v e l c o n t r o l l e ro ft h ee l e c t r i cv e h i c l e n er e s u r so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，b e n c ht e s t ，r e a l v e l l i c l et e s ts h o wt h a tt h e yc o i n c i d ev e r yw e l l ，w h i c hh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e st ot h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c h , d e s i g n , d e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ；p u r e e l e c t r i cv e h i c l e ；m e c h a n i s m r e s e a r c h ；c o n t r o ls t r a t e g y ；c o s i m u l a t i o n ；e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ；b e n c h a n d r e a lv e h i c l et e s t v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 的说明并表示谢意。 、z 石、 学位论文作者签名( 手写) 椭签字日期：勿鸪年i 瑚7 , , o e i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权南昌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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字醐：卅年1 调湖 刷醛名：号笥赳 签字日期：砷年f 。月哆目 第1 奄引言 第1 章引言 1 1 课题来源 本课题来源于作者主持的江西省教育厅科技项目“汽车电动助力转向系统 的研究与开发、主持的江西省科技厅项目“混合动力汽车驱动及智能控制系统” 以及作者作为子课题负责人的江西省科技厅的重大科技项目“纯电动汽车的研 制 ，属于理论研究与实际应用的综合研究项目。 1 2 汽车转向系统概述 汽车转向系统( s t e e r i n gs y s t e m ) 是汽车的一个重要构成部件，是保障汽车安 全驾驶十分重要的安全装置，其功能就是要求能够按照驾驶员的意图来控制汽 车的行驶方向，它直接影响到汽车的整体操纵性和行驶稳定性。因此在设计汽 车的转向系统时，一方面要求其工作要安全可靠、操作轻便、高效节能、机动 性良好等，另一方面更要求它能够在各种工况( 其中常见的包括直线行驶、正常 转向、原地转向和快速转向等) 下，根据不同的路面状况和行驶速度，为驾驶员 提供较好的路感。一直以来，各汽车生产厂家、高等院校和科研机构都将如何 更好地设计汽车的转向特性，从而使汽车具有良好的操纵性能视为重要的研究 课题。尤其在今天，车辆越来越高速、车流越来越密集、驾驶人员越来越非职 业化，如何针对众多不同层次和水平的驾驶人员进行汽车的操纵性优化设计显 得尤为重要。 汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动液压助 力转向系统和电动助力转向系统四个基本发展阶段 1 l 。 纯机械式转向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，简称m s ) 是以驾驶员的体力作为转 向的动力来源，其所有力的传递部件都是机械的。早期的汽车转向就是采用该 系统，这种机械式的转向系统，优点在于结构简单、工作可靠和造价低廉；而 不足之处在于：由于采用纯粹的机械构件，为了产生足够大的转向扭矩，就需 要加大方向盘，整个机构显得较为笨拙，占用驾驶室的空间也较大；另一方面 对于驾驶员而言转向操纵负担比较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，仅 仅依靠驾驶员的转向力很难实现灵活的转向，这也就大大限制了它的使用范围， 第l 章引言 因此这种纯机械式转向系统目前仅应用于一部分转向操纵力不大、对车辆操控 性能要求不高的微型轿车或农用车上。 1 9 5 3 年通用汽车公司首次在车辆上使用了液压助力转向系统，此后该技术 得到了迅速发展。液压助力转向( 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 ) 系统一 般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、传动皮带以及储油罐等部件构成。它 是以液压油作为动力传递介质，通过液压泵产生动力来推动机械式转向器，从 而实现转向的。这种液压助力转向系统的特点是：其助力特性为曲线，适合驾 驶人员的驾驶习惯；缺点是无论车辆是否转向，h p s 都一直在工作，而且在原 地或低速大角度转向时，液压泵需要输出更大的功率以获得较大的助力，因此 在一定程度上造成资源浪费。另外其液压泵是通过汽车发动机的动力来驱动控 制阀的开度，该开度与转向助力的大小成比例关系，因此不能很好地兼顾汽车 低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性。当发动机停止工作如故障或车辆 熄火时，h p s 将不再提供助力。 2 0 世纪8 0 年代后期，汽车转向系统出现了变减速比的h p s 。随后的数年内， 动力转向系统的技术革新基本上都是基于该系统的，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 ) 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。其中，电控液压助 力转向系统所采用的液压泵是电动泵，而非汽车发动机皮带直接驱动，它克服 了传统的液压助力转向系统的缺点。它由电子控制单元根据车辆的行驶速度、 转向角度等信号计算出其工作的最理想状态。如在低速大转向时，电子控制单 元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员转向更为省力；而在高 速行驶时，电子控制单元则驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不影响高速 转向的同时，节省了发动机功率。然而系统尽管解决了上述矛盾，但却无法改 变液压助力转向系统无论是否转向都需要消耗能量的这一固有缺陷。 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 ) 作为一种新型 的动力转向系统，自被开发开始，就一直被作为高新技术应用在汽车上，表现 出良好的发展前景。该系统的基本工作原理是：转矩传感器和车速传感器分别 测出驾驶者施加在转向盘上的操纵力矩和车辆当前的行驶速度( 回正时还要用到 角度传感器) ，然后将这两个信号传递给电子控制单元，电子控制单元的微处理 器根据内置的控制策略和算法，计算出此时需要的理想助力力矩，再换算为相 应的电流，驱动助力电机按该电流运行；该电机产生的助力力矩再经过蜗轮蜗 2 第l 章引言 杆减速机构减速增扭后传送到机械式转向系统上，和驾驶者的操纵力矩叠加在 一起去克服转向阻力矩，实现车辆的最终转向。e p s 弥补了h p s 和e h p s 的缺 点，具有节能、环保、高效、安全等诸多优点，是未来动力转向系统的发展方 向，目前多装置在前轴荷在9 0 0k g 以下的中小型汽车上 2 1 。 我国在2 0 0 7 年出台的汽车工业“十一五”发展规划中明确提出，要全面 提升汽车零部件企业的竞争力：“用十年左右的时间力争形成一批具有一定竞争 力的零部件产业集群，此后再用五年时间发展出2 3 个具有较强国际竞争力的零 部件产业集群，争取到2 0 2 0 年成为全球汽车零部件生产大国、跻身国际汽车零 部件工业强国”，这说明我国的产业政策也支持汽车零部件企业做大做强。e p s 作 为汽车的关键零部件，也将由此为汽车及零部件生产企业迎来新的快速发展机 遇。 1 3 电动助力转向系统的特点 随着汽车电子技术的日益发展，对汽车设计的要求以及对汽车的控制水平 的要求也越来越高，尤其对汽车的节能和环保特性的要求越来越高。传统的液 压助力转向系统( h p s ) 存在的消耗能源和环境污染等不足已变得越来越明显， 不能完全满足时代发展的需求。 而电动助力转向系统( e p s ) 将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技 术应用于汽车转向系统，能明显改善车辆的静态性能和动态性能、有效提高行 驶中驾驶员的轻便性和安全性、同时也更加节能和环保。 对于纯电动汽车而言，采用e p s 是必然选择，因为它本身不用内燃机，助 力转向系统动力的来源只有来自电机，所以纯电动汽车动力转向系统的选择只 能是e p s 或者e h p s ，一般来讲，设计者都是趋向于选择e p s 。 因此，未来的转向系统中，电动助力转向将成为汽车动力转向系统的主流， 对该系统进行开发和研究成为越来越多的汽车企业和科研机构的工作重点。与 其它助力转向系统相比，该系统突出的优点体现在：【3 】 4 1 ( 1 ) 更加节能与环保。e p s 由于没有液压装置，属于典型的“按需供能型” ( o n - d e m a n d ) 系统，即只有转向时系统才工作，而车辆没运行或者直线行驶时 不消耗能量，这样将消耗相对较少的能量。因而与液压动力系统相比，在各种 行驶状况下均可节能8 0 到9 0 。而在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消 3 第1 章引言 耗将降低2 5 ；在使用转向情况下，则降低5 5 。同时又由于在- 4 0 c 的低温 下，e p s 也能够很好地工作，而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工 作，因为e p s 没有起动时的这样一个预热过程，所以也节省了能量。e p s 同时 不存在传统液压助力转向系统中液态油的泄漏问题，从而也避免了环境污染， 顺应了环保的时代要求。 ( 2 ) 助力效果更好。e p s 可以针对车辆行驶的各种工况，通过优化助力特 性曲线，使得助力更加精确，助力效果更加理想。另外还可以采用阻尼控制减 小由路面不平产生的对转向系统的干扰，保障汽车低速行驶时的转向轻便性， 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。 ( 3 ) 重量大大减少。与h p s 相比，e p s 的结构更加简单，零件数目也大大 减少，因而带来重量的大大减轻，同时还使布置更加方便，并且降低了工作时 的噪声。 ( 4 ) 安全性更好。与h p s 比较，当e p s 出现故障时，系统可通过电磁离 合器立即切断电机与减速传动机构的动力传送，迅速转入纯机械转向状态。另 外由于直接由电机提供助力，因此e p s 独立于车辆的驱动系统的工作，只要电 动汽车的d c d c 不发生故障，即使在车辆未启动或出现其它故障时也能提供助 力。 ( 5 ) 生产和开发周期更短。e p s 的前期研发时间较长，但是一旦设计完成， 就可以通过修改相应的程序，快速实现与特定车型的匹配，因而能大大减少针 对不同车型的研发时间； ( 6 ) 改善了转向系统的回正特性。在一定的车速下，当驾驶员转动转向盘 一个角度后松开，车辆本身具有使车辆回到直线行驶方向的能力，这是车辆固 有结构所决定的。e p s 系统可以对该回正过程进行控制，利用软件在最大限度内 调整设计参数以使车辆获得最佳的回正特性。而在传统的液压控制系统中，汽 车设计一旦完成，其回正特性就不能再改变，否则必须改造底盘的机械结构， 实现起来有较大困难。 ( 7 ) e p s 效率一般较h p s 高，使用车辆范围广，尤其适用于电动汽车。 电动助力转向系统自2 0 世纪8 0 年代中期提出以来，作为今后汽车动力转 向系统的发展方向，同时也作为节能环保的高科技产品，必将取代现有的机械 4 第l 章引言 转向系统、液压助力转向系统和电控液压助力转向系统而成为汽车动力转向 系统的主流。 1 4 电动助力转向系统的分类及工作原理 根据助力电机装配位置不同，e p s 系统分为转向轴式e p s ( c o l u m n - e p s ，助 力电机安装于转向柱上，简称c - e p s ) 多应用于小型汽车：齿轮式e p s ( p i n i o n e p s ，助力电机安装于齿轮齿条上，通过小齿轮处提供助力，简称p - e p s ) 多 用于中小型汽车；齿条式e p s ( r a c k - e p s ，助力电机安装于小齿轮齿条上，通过 齿条处提供助力，简称r - e p s ) ，多应用在中型车辆及高档轿车中。齿条式e p s 还可以分为电机轴和齿条轴轴向交叉布置电机轴和齿条轴轴向平行布置以及 电机轴和齿条轴同轴布置( d d e p s ) 口】，如图11 所示。 镀 醒圊 、 、 夕，彤冁妒 二；叠 ce p spe p ：r 酐s - e p ： 图1 1e p s 的分类 本文的主要研究对象是转向柱式电动助力转向系统，即c - e p s 。 囤1 0c e p s 系统结构图 第1 章引言 c e p s 系统的整体结构如图1 2 所示。它由电子控制单元( e l e c t r i cc o n t r o l u n i t ，简称e c ，转矩传感器( t o r q u es e n s o r ) ，角度传感器( r o t a t i o ns p e e ds e n s o r ) ， 电动机( m o t o r ) 、转向盘( s t e e r i n gw h e e l ) 及蜗轮蜗杆减速机构( w o r mg e a r ) 等组成。 e p s 的转向轴由与扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴通过传动机构带动横 向拉杆使车轮转向，输出轴除了通过扭杆与输入轴相连外，还经过减速机构、 离合器与助力电机相连【6 】。当驾驶员转动方向盘时，电动助力转向系统开始工作， 转向柱上的扭矩和角度传感器把方向盘的输入信号( 转向力矩和旋转角度) ，以电 压信号的形式送至e c u 。与此同时e c u 读取汽车的车速信号以及车辆驱动电机 或车辆发动机的转速信号。e c u 根据转向力矩大小和方向、发动机或电动机转 速、车速、方向盘转角、方向盘转速等信号，判断是否需要助力以及助力的大 小和方向。若需要助力，则依据预先设计的助力特性曲线计算出必要的助力力 矩，并按照一定的控制策略和算法，输出相应的控制信号给驱动电路，由驱动 电路提供相应的电流给助力电机，助力电机输出的转矩，由减速机构放大后再 传送给转向轴起助力转向的作用，从而完成转向助力的功能。若出现故障或车 速超出设定值则控制助力电机停止输出，系统不提供助力，同时，离合器切断， 以避免机械转向系统受电机惯性的影响，系统转为人工手动转向。由于电控单 元可以采集车速、方向盘的转矩和转角信号，所以e p s 提供的助力大小可以根 据控制策略调整，这给设计性能优良的电动助力转向系统提供了可能【7 】【引 9 1 。 良好的控制策略可以使得驾驶员操纵方向盘的作用力大小合适、路感良好、 转向系统反应速度快、实时性好。随着电子技术的发展，更高速性能更强的m c u 和电机的专用驱动芯片的出现将使神经网络等复杂算法在e p s 上能够实现，同 时还保证了e p s 系统助力的跟随的实时性，提高了电动助力转向系统的整体性 能。 1 5 国内外电动助力转向研究现状 1 5 1 国外研究现状 国外自2 0 世纪8 0 年代中期就开始了对e p s 进行研究和生产，并日益成为 世界汽车技术发展的研究热点。最早的e p s 应用于日本的微型轿车上，1 9 8 8 年 2 月日本铃木公司首先在c e r v o 车和a l t o 车上装备了e p s 1 0 1 此后，e p s 在日 本得到迅速的发展，1 9 9 3 年，日本本田汽车公司将e p s 装备于爱克n s x 跑车上， 6 第1 章引言 并取得良好的市场销售效果。同一年，在欧洲市场销售的一种经济型轿车 菲亚特的p u n t o 也将美国d e l p h i 公司生产的e p s 列为标准装备。此后，大众的 p o l o 、欧宝的3 1 8 i 也相继选用并安装了d e l p h i 公司的e p s 。1 9 9 9 年，德国奔驰 和西门子公司开始投巨资开发e p s ；同期日本的大发汽车公司和三菱汽车公司分 别在m 油和m i n i c a 车上装备了e p st i l l ，h o n d a 公司的i n s i g h t 轿车目前也己选 装了e p s 1 2 j ；英国卢卡斯( l u c a s ) 公司等也对e p s 进行了相关研制和开发。 其它大型汽车公司也都在此方面做了大量研究并推出了相应e p s 产品，安装在 微型汽车和轿车上使用。 目前汽车电动助力转向技术在国外已日趋完善，与早期的e p s 产品相比， 后来发展的e p s 技术更加趋于成熟。 其一，早期的e p s 主要应用于微型汽车上，原因在于微型汽车如果安装传 统的动力转向系统如h p s 等所需空间较大，故更适合安装体积较小的电动转向 系统，这促进了e p s 在微型汽车上的使用。然而随着e p s 开发技术的日趋进步， 加上其性能的优越性，目前在中型以上货车和中级以上轿车上广泛采用的机械 液压动力转向器逐渐被效率更高、适应性更强的电动助力转向系统代斟1 3 】。e p s 的应用范围向着更大型汽车和商用汽车发展，欧洲、日本、美国的许多汽车部 件供应商都开发出了自己的电动转向系统，并装于各种不同类型的车辆中。 其二，日本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，一般称为低速型e p s ， 高速时e p s 将停止工作。而后来发展的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，称为全速型智能e p s 。 由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 就属于全速助力型，并且它首次设置了两 个转换开关，分别用于提供不同的助力，其中一个用于郊区行驶，另一个用于 市区行驶。这样可以保证车辆在高速时有合适的路感，同时又能保证车辆在低 速时的轻便性。而日本铃木公司装备在w a g o ni h 车上的e p s 则是一个根据负载 路面一车速能自动调整助力大小的助力转向系统。 目前，电动助力转向系统已逐渐成为未来车辆动力转向设计的方向，国