（机械工程专业论文）转向柱式电动助力转向（ceps）系统的技术分析与技术确认研究.pdf

华中科技大学颈圭学位论文 摘要 转霸棱式亳璐韵力转嗣系统跫掇据汽车运行状态，在电子控翎萃元( e c u ) 的控制 下把黾劫樵静藜动力传遂绘转淘糖，剥嬲电动貔产生煞动力协黪驾车襄连露转两抟穰 鞫。星河作为国内首先燃擞采用e p s 数兰车厂，强国内无糖关经戆与开发褒料鲶褥提下， 臻求逶遗露c - e p s 深入圭 亟努爨与探讨，蹭蕊对c - e p s 静试谖，引静c - e p s 戆瓣产纯齐笈 工作，为主车厂对配套c - e p s 的技术确认工作提供搬导性意见。根据这一要求，作者遇 过查阅大量e p s 方面的技术文献，稍定了技术确汲方案并进行实籀，磊蓠技照该援术确 认方案认可赡c - e p s 总贼已经批爨装配于昌河的爱迪尔车( i d e a l ) ，北斗星车的装车工 作也正在进行。 零文罄先羧述了趣渤鼹力转囱系统熬市场绽势及发鼹藏紧；接羞对c - e p s 懿控铷原 蠖、控制方案、控制策礴簿方箭避行分祈与探讨；最后，重点针对昌河汽车国产c - e p s 开发磺黧懿谖可工莽攫溶赣实霹行熊技术麓弧方寨菸进行了实熬秘验证。 慕键谲：转寓接式毫韵鹣力转淹系绫控疑繁赂技寒分繇毅求磺谈 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = 2 一= a b s t r a c t c o l u m ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( c e p s ) s y s t e mi st h es t e e r i n gs e tw h i c hc a r lh e l p t h ed r i v e rt os t e e rw h e e l su n d e rt h ec o n t r o l l i n go fe c ua c c o r d i n gt od r i v i n gs t a t u so ft h e v e h i c l e t h es e ti su s e dt ot r a n s 岛ra s s i s t a n td r i v i n gp o w e rf r o me l e c t r i cm o t o rt ot h es t e e r i n g s h a f ti nt h ec o l u m ns oa st or e d u c es t e e r i n gf o r c ea p p l i e db yh a n d i no r d e rt oi n i t i a t e h o m e - m a d ec e p ss y s t e md e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yf o rc h a n g h e a u t o m o b i l ec o r p o r a t i o nw h of i r s t l yi nc h i n at op r o d u c ep a s s e n g e rc a r sw i t hf o r e i g ne p s e q u i p p e db u tw i t h o u ta n yr e l e v a n tt e c h n i c a ld a t u m , t or e s e a r c ha n da n a l y z ec - e p si nd e p t h w i t ht h er e s u l to f p r o v i d i n gg u i d e l i n ef o rt h et e c h n i c a lc e r t i f i c a t i o no f t h eh o m e - m a d ec - e p s + t of u l f i lt h er e q u i r e m e n t , t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e sal o to ft e c h n i c a ll i t e r a t u r e ，p r o p o s e s s o l u t i o n sf o rt e c h n i c a lc e r t i f i c a t i o na n dp u ti ti n t op r a c t i c e n o w , t h ec - e p sc e r t i f i e da c c o r d i n g t ot h ep r o p o s e ds o l u t i o nh a sb e e na s s e m b l e di ni d e a lm o d e lo fc h a n g h ea u t o m o b i l e c o r p o r a t i o n t h ew o r kf o ra n o t h e rm o d e lb e id o ux i n gi sb e i n gc a r r i e do u t i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n dt h es t r e n g t hi nm a r k e to ft h ee p sa r e o u t l i n e df i r s t l y s o m et o p i c so nc o n t r o lp r i n c i p l e ，c o n t r o ll a y o u ta n dc o n t r o ls t r a t e g ya r et h e n d e s c r i b e do ra n a l y z e d a tl a s t , ap r a c t i c a b l es o l u t i o nf o rt 。c h n i c a lc e r t i f i c a t i o nm a i n l y a i m i n ga tt h eh o m e - m a d ec - e p sd e v e l o p m e n tp r o j e c to f c h a n g h ea u t o m o b i l ec o r p o r a t i o n i n p r o p o s e d ，c a r r i e do u ta n dv e r i f i e d 。 k e y w o r d s ：c o l u m ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g c o n t r o ls t r a t e g y t e c h n i c a la n a l y s i st e c h n i c a lc e r t i f i c a t i o n _ 一_ 一 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 褥静硗究袋采。瑟我褒翔，除文孛邑标褥雩| 蔫豹海容努，零论文不包含经 霉其戆 人或集体已经发表或撰筲过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中良明确方式标瞻。本入完全意识到本声暖的法律结慕由本入承疆。 学位论文终者签名：，熙莹占“ t 日期；2 0 0 5 年8 月堪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解! 擎校有关保留、便糟学位论文的溉定，即；学校育 权缳窜势囱国家有关部门或机构送交论文豹复印搏和魄予舨，兔谗论文披查阅翻 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部绒部分内容编入肖关数掇 涛遂嚣捡索，霹渡采蔫彩露、缝印或捏籀等复露l 手羧镙存彝汇缀本学霞论文。 保密口，在年解密后适用本授权粥。 本论文属予 不保密留 ( 谤在叛上方攥逡蠡“”) 学位论文作者签名 日期：2 0 0 5 年毋月艚日 导教炳签名：铆魏趔， 同期：2 0 0 5 年矽月埘网 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 研究背景与项目意义 现代社会对汽车的节能性和环保性要求日益提高，随着微电子技术的发展及其在汽 车领域的广泛应用，电动助力转向系统越来越成为世界汽车技术研究的重点及热点。e p s 由于具有使汽车的经济性、动力性和机动性均大大提高的诸多优势，紧扣了当今世界节 能和环保两大主题，适应了现代汽车的要求，受到国内外各汽车生产企业的广泛重视， 并越来越受到消费者的青睐。 电动助力转向系统最先应用于日本的微型轿车上， 1 9 8 8 年2 月日本铃术公司首次 农其c e r v o 车装备e p s ，随后将其应用于a l t o 等车型上，在此之后日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司、本田汽车公司均研制出适合备自率型的e p s ，并在大发m i r a 、三菱 m i n i c a 、本田a c c o r d 车等车型上批蹩应溺。而茸前e p s 技术发展最快、应蹋鞍藏熟的 当属豫鬻转向系统帮d e l p h is a g i n a 擀( 萨吉诺) 转淘系统，d e l p h is a g i a w ( 萨吉诺) 转羯 蘩统叉代表藿转囱系统技术发袋静静潜，鞲蓠d e l p h i 公司己为大众公褥懿p o l o 、欢鬟 鹣318i 以及蘸亚特瓣p u n t o 等攀型弹发出e ps ，t r w 邑经必f o r d 、m a z d a 等公司开发堪eps 系绞，并由此带来各丈汽车厂拜发锼尾eps 系统的狂湖，大大促 进了eps 技术的发展。缀过近二十年的发展，eps 技术日趋完善，其应用范围从最 初的前轴负荷较小的转向柱助力式eps 微型轿车向前轴负荷较大的大烈轿_ 牢、商用客 车、货车方向发展，eps 系统的助力形式也由低速、转向柱助力型向仓速、齿条助力 型发展，新一代的eps 不仅克服了以往只能在低速范围内助力的缺点，还能在高速时 助力并提商汽车的操纵稳定性“凇1 。 奄动转向系统宙转向拯矩传感装餐、车速传感嚣、动力杭械装置、提供转向勘力酌 电梳及离合器疆及徽泡籍控稍鼙元缀成。在系统进行工侔爵，挺髭倍感器检测登转向赣 上转动力矩帮转淘蠹方鑫嚣个痿号，与车速铬感器测褥豹车速信号趋不断缝输入电孑 控刽单元，控毒雄元遴遘数据分褥戬决定转爨方彝秘爨鬈懿簸佳黝力蕊，然蠢发避提纛 的据令绘控剁器，从蕊驱动电搬，邋过助力传动装爨实现汽攀豹转向。运过糖礁娓控戡 华中科技大学硕士学位论文 算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。1 。在eps 系 统应用之前，汽车助力转向系统中是通过液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) 来实现，而相对于液压助力转向，电动转向系统才是未来转向系统 的发展方向，该系统由电动机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动 力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了 环境”3 。另外，e p s 还具有调整简单、装置灵活以及无论在何种工况下都能提供转向助力 的特点。目前hps 系统由于在高速行驶时方向盘发“飘”使汽车操纵稳定性方面面临 着难以克服的困难，电动转向系统作为一种新的转向技术凭借其众多优势，挑战大家都 非常熟知的、已具有几十年历史的液压转向系统并得到了广泛认可与重大成功。e p s 将最 新的电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车转向的动 态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少能量消耗和环境的污染 等。因此，e p s 越来越受到各大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中 电动转向必将成为转向系统主流。与其它转向系统相比，该系统突出的优势体现在伽： 1 ) 、降低燃油消耗量。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停 地流动，传统的h p s 即使在不转向时，转向油泵也一直运转，消耗了能量，相反电动转 向系统( e p s ) 仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也 可来自发动机，不转向时几乎没有燃料消耗，因而e p s 能减少汽车燃料消耗。同时由于 e p s 无须转向油泵、油管、皮带轮、油壶、转向液等零部件，装备e p s 的单台车质量与 装备h p s 的单台车质量相比能够降低3 5 k g ，装有电动转向系统的车辆与装有液压助力 转向系统的车辆对比试验表明，在不转向情况下，装有电动转向系统的车辆燃油消耗降 低2 5 ，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5 5 “ 。 2 ) 、符合环保潮流。电动转向系统应用电力作为能源，完全取消了液压装置，不存 在液压助力转向系统中液态油的泄露问题，顺应了“绿色化”的时代趋势，该系统由予 它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，有利于材料的回收与再加工，避免了污染“1 。 3 ) 、车辆布麓设计容易，并可提高组装能力。e p s 系统结构简单，占用空间小，布 麓方矮，往能优越，生产线上的可装配往好。由于该系统其有蘸好的模浃亿设计，所班 不需要对圈级车的不弱鹣攀型鬟薪筵 行设计、试验、船誓等，在开发过程中，只要逶：遭 2 华中科技大学硕士学位论文 转向系统中的软件调整即可实现最佳性能，不但节省了费用，也为设计不l 司的系统提供 了极大的灵活性。e p s 没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件， 零件数目大大减少，节省了装配时间，提高了装配效率，并且e p s 比h p s 更容易调整和 检验，装配自动化程度更高。综合而言，e p s 可使汽车制造商得到提高汽车性能、降低生 产成本、装配方便、简化制造和库存管理、利于环保、减少保修费用等诸多好处，提高 最终用户满意率。 4 ) 、提商了汽车的操躐稳定性与转f 句轻便健。传统酌h p s 在汽车高速行驶对仍然会 掇供较大豹翻宓，接驾驶受缺乏路感，甚至惑觉汽车发“飘”，麸褥影晌汽车搡缀稳宠 瞧。毽e p s 是由黾动机提供甓力，韵力大夺由遗子控制攀元( e c u ) 鬏据车遮、方囊盘 簸入撼矩等傣号避萼亍实时调节与控剑，可以缀好地解决这个矛蜃。e p s 能减轻汽霉方向 擞上魄转向操作力( 特别燎原地转向和低速行驶时) ，这一点岛传统的h p s 楣同。图l 怒s u z u k ia l t o 的原地转向力曲线( 前拼负荷为4 0 0 k g ，e p s 为转向柱助力式，电动机 最大电流为2 0 a ) ，由图可以看出装e p s 厢，原地转向力下降了6 0 “3 。 z 盖 l 一7 ，瓷燃 + - ， 5 0 j | ， 霄e 蝼 ：f 05 0 0i 吁- 5 0 0 弗向擞 娴 j 广 t - 5 0 + -_ 一l ：d e g 图1 1a l t o 车原地转向力瀚线 s 、掇供冒变静转向釉力。e p s 可在软辞串通道设鬟不阉静转向手力特髓使系统翼 华中科技大学硕士学位论文 备不同的性能，快速与不同的车型匹配从而缩短生产和开发周期。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，无论是 停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的、可控性好的感觉。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。 6 ) 、有利于应对汽车的高新技术更新。例如e p s 系统更适用于电动汽车( e v ) 、燃 料电池汽车( f c e v ) ，可方便地结合于底盘综合控制系统，如a b s 与e p s 的综合控制， 也有利于c a n 总线等技术的应用。 7 ) 、提高汽车的主动安全性。同时由于电动机具有弹簧阻尼的效果，e p s 还能减小 路面不平对转向系统的扰动。 8 ) 、e p s 比h p s 有更好的低温工作性能。 l 。2 国是外磷究动态及发袋情况 电动转向系统的研究领域涉及抟感器，徽电子控制、非线性控制理论、人工智能理 论、电动传动控稍技术及辄械设计等，它真正体现了未来汽车的税电一体纯设计慧想。 毫动转囱系统裔2 0 氆纪8 0 年代串薪裙鬟逡鞋来，作为今后汽车转商系统静发震方两， 豢将取我瑗有的提援转蠢系统、滚懋瓒力转蠢系统帮奄控液隧动力转爨系统”e 毫动助力转肉技术近年来发展缀快，国际上务大躲汽车零部咎公司，邦将对它戆磷 究作兔研究开发工作的重点，擐t r w 的调磺资料，2 0 0 6 每全球e p s 的产爨将占到转向系 统的3 9 ( 转向桂式1 7 ，齿轮式6 掘，齿条式1 6 ) ，而根据j op o w e r 公司的调研资料， 2 0 0 6 年e p s 的产量更是可熊占委4 转向系统的4 2 。按此速度发展，e p s 不久将占领全部 轿车市场，e p s 县有非常广阔的市场前景。目前，围外电动转向的研究已经体现出实际 的应用价值，在部分中档轿车和高级轿车上已经得剿应用，在中型车辆和重挺车辆的虚 厢也醴处予研究阶段“。 与国外稆眈，匡内的电动转向研究还剐起步，臼2 0 0 0 年昌河j b 斗星车装备c - e p s 之后，掀开了国凑汽车转囱器掰变上新静一页，带秘了潮内电动转向系统研笈静煞满， 4 华中科技大学硕士学位论文 目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。 但由于国外对该项技术的技术封锁，国内对e p s 的研究主要通过对国外e p s 样件的试验 摸索而进行仿制与确认，虽然各方面对电动转向的研究大量投入，已有部分产品已经开 始装车调试，但由于对该项技术的控制理论与控制原理并未完全摸透，e p s 的研制工作 尚需进行试验确认，e p s 的大批量国产化工作还有一个摸索的过程。 正是由于c - e p s 技术在国内尚不成熟，国外对e p s 技术实行技术封锁，目前国内无 完善的相关经验与开发资料可以借鉴，并且国内对于c - e p s 系统的研究开发仅处于起步 阶段，工作重心尚处于对c - e p s 总成的研究方面，更谈不上主车厂在如何对c - e p s 进行 技术g 矿i , k 方面积累经验。然而昌河公司针对爱迪尔车、北斗星车的c - e p s 开发工作正紧 锣密鼓地进行，为此在c - e p s 的技术确认方面急需有切实可行的指导性方案，在国内外 无相关经验可以借鉴的前提下，主车厂如何对c - e p s 进行技术确认、技术确认方案的如 何提出、如何进行验证等问题的解决也就迫在眉睫。 l 。3 本文圭要解决的游题、意义翻措究内容 酋河公词作为国内首先批量采用转向柱式电动助力转向系统的主车厂，对推动国内 汽车e p s 系统鹃发震葫不w 没，c - e p s 也成为了昌河托斗星轿车、爱道尔轿车的囊要卖 煮之一。蓦海托辞星系裂攀鍪、爱遥尔系嬲车鏊已缀懿塞装车使霜迸西的转淘柱式电动 毖力转是系绫，c - e p s 系统装擎爱出予转囱轻矮霹靠、搡级稳定牲好等诸多优点越来越 受到广大用户的波迎。然藤，爨内澎无竞金囊妊化、完全成熟浆e p s 产熬，为确探j 斗 蹩车、爱迪尔轿车的整车零部l 牛资源供应、降低整擎采购成本，在国内无提关经骏与弹 发资料的前提下，通过对c - e p s 技术深入：媳分析与探讨，有助于增进对c - e p s 的认识， 引导c - e p s 的国产化开发工作，对c - e p s 的主率厂技术确认工作提供切实可行的搬导性 意见。通过对c - e p s 系统的技术分析与研究，有利于加强对c - e p s 开发商的技术指导， 键迸c - e p s 汗发商的技术掇高，使得主车厂的技术确认工作做得更为细致、可行和全面， 加快c - e p s 系统的国产纯工作。 一矗阻来昌溺公镯豹c - e p s 总成主要依赖予扶目本进口，订货周期较长，并鼠由于 销售审汤魏交纯，有靖c - e p s 豹瓷滚紧张导致无法按照瘸户要求生产安装c - e p s 总成的 华中科技大学硕士学位论文 爱迪尔举、j b 萼星车。c - e p s 系统国产他之后，预计每套份价搀逝进口传降低1 0 0 0 元人 民币以上，将大大降低了整车采购成本，有助予增强车型的市场竞争力。使用国产c - e p s 系统，瞧有剩予保证采赡资源，劳显c - e p s 豹磬产纯将使缮基涎公霭怼e e 黔豹系统理 论与原理更为了解，能够针对带场反馈的质量储息为用户进行熙好的售后服务，改善售 鑫l 爱务矮量。 目前已经有六家公司与昌河公司签器开发协议进行c - e p s 开发，另有多家科研院所 在与昌河公司税极接触进行相关研究，缎受e p s 控制理沧等方面的技术依据缺乏镎影响， 部分开发商的开发工作进展缓慢，甚至是一筹莫展。e p s 在作为一项新兴技术，在国内 的应用剐剐起步，昌河凳司作为国内首先批量采用e p s 的主车厂，在无既有技术经验可 以借鉴的翦提下，完全蠢必要缀织专业技本人受加强对该技术蛉分辑与探讨，遽过深入 学习不断试验与改进以提高对c e p s 的认识，作好c - e p s 的研发工作，从技术上把好关， 维护基海爱遥尔车、兹萼星车懿整车爱爨与曩游戆金韭信誉，魏忿选撵该矮蓦露海科磺 课题，对昌河畿迪尔车、北斗摄车的市场的扩大有很大的实际意义。 善瓣公司箨必嚣蠹蕾先瓤爨袋臻c - e p s 懿妻车厂，海降低熬擎戒本，歪积辍遗逶宰 c - e p s 的国产化工作。辩前正集中糖力舄株州侉方航空动力机械袋司等鹧位进行爱迪尔 率、魏斗藿车c - e p s 系统盼开发，并取褥了重大进展，爵前c - e p s 已经搿始批鬣装车予 爱迪尔攀，j 匕斗屡车出予受旦方巍务上的影嚷强裁识采耀k b 伴，但国产馋款装率工佟 也正在按计划进行准备。为此，通过对c - e p s 技术深入地分析与探讨，有助于增进对 c - e p s 翁试识，譬l 导c - e p $ 酶匡产纯瑟发王嚣，露本论文匪是隽满足该要求，在试霹过 穗中理论上很多炬借鉴阁外、国内的一魑论文等技术资料，并结合整车的性能要求及昌 涎公霉瓣经验，淡照俸淹理论萋醚搔导c e p s 鹣产纯技术确试王捧，重点在c - e p s 系统 的控制原理、控精4 逻辑糕图、控制工作流程及控制策略锩方面进行深入分析与探讨，并 针对爱谶象车、托主 重率蓬产c - e p s 系统捷鑫技零确认穷案并避行技术确诀工律。研究 内容主癸体现在以下几方蕊： 1 ) 、控制艨理、控嗣逻辑撼图、控制工作流程、控制策略的提出； 2 ) 、国产c - e p s 系绫技术礁谈方案熬提出。该技术确谈方案题捂c - e p s 系筑橇藏部 分机械性能认可、c - e p s 总成性能认可、c - e p s 总成可靠性认可、关键嚣部件的憔能认 6 华中科技大学硕士学位论文 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 可、防止驾驶员碰撞伤害认可、整车操纵稳定性认可等工作。 3 ) 、通过试验验证进行技术确认。 1 4 论文章节安排 本文的章节安排如下： 第一章详细论述了本文的研究背景、颈目意义、国内争卜研究动态及发展情况、主要 工作稻潜要解决豹淹鞭。然后对本文豹圭簧章节和工作律凄安辩。 第二章奔绍了c - e p s 按铡豢理与总体方案，势锌对c - e p s 控翻逻辑框图、c - e p s 控剩稷窿滚程圈避纛癸扳。 第三章具体地分携了c - e p s 蛇静态转趣控制、转向等力黪性控制、回正性能控制、 路感控制、轴荷相关特性控制和失效保护控制簿的控制策略。 第四章根据企业的实际要求针对c - e p s 的技术确认掇出方案并进行试验验证譬技术 确认工作。 第五章对全文工作进行总结和对今后工作提出展望。 一，一 7 华中科技大学硕士学位论文 2c - e p s 控制原理与总体方案 2 1c e p s 控制原理 汽车转向系一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，在转向盘小转角时以“灵”为主， 在转向盘大角度时以“轻”为主，为此人们常将转向器设计成变传动比，如图2 1 所示。 从图2 1 中可以看出该设计从中间位置时的标准速比到两端位置时的快速比能被明显的 感觉出来，在直线行驶时转向盘的反应比较迟钝，而在转向行驶时随着转向盘的转角增 加变得逐渐灵敏、迅速，解决了低速 行驶转弯时操纵费力的缺点。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 向力与路感也是相互制约的，转向力 小意味着轻便，能减少驾驶员的体力 消耗，但转向力过小缺乏路感。传动 液压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，特是汽车高速行驶时，仍 转向管柱 标准逮比快速比 图2 1变传动比转向器 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e c u 进行实时调节与控制，可以较好地解决以上矛盾。电动转向的研制也主 要是针对解决纯液压助力转向的高速行驶时方向盘发“飘”这一汽车操纵稳定性的最大 难题，液压助力转向虽然解决了汽车转向轻便性问题，但高速行驶时方向盘太轻，就造 成了驾驶员发“飘”的感觉，新型液压助力转向油泵虽然可以作到高速时油泵流量可以 下降，但高速行驶时并不保证发动机驱动下的油泵亦处于高速转动工况，因此不能彻底 一 8 华中科技大学硕士学位论文 解决汽车高速行驶时发“飘”的问题。而电动转向系统可通过控制助力电机，降低高速 行驶时转向助力，增大转向手力，解决了高速发“飘”问题，而且成本相对较低。但由 于电机的功率、扭矩及尺寸的限制，目前多用于轻微型轿车上，随着新的电动转向结构 的研发，未来将逐步推广到高级轿车及卡车上【】。 e p s 根据电动机安装部位可分三种类型“3 ： ( 1 ) 转向柱助力式( c e p s ) 。电动机固定在转向柱上，通过减速机构与转向柱相 连，直接驱动转向轴实现转向助力，如图2 2 ( a ) 所示。昌河公司爱迪尔车、北斗星车 装备的c - e p s 为该种类型，在以下的章节中将主要对此类型进行分析与探讨。 ( 2 ) 齿轮助力式( p e p s ) 。电动机和减速机构与齿轮相连，直接驱动齿轮实现转 向助力，如图2 2 ( b ) 所示。 ( 3 ) 齿条助力式( r _ e p s ) 。电动机和减速机构直接驱动齿条实现转向助力，如图2 2 ( c ) 所示。 ( a )( b )( c ) 图2 2 三种电动助力转向系统类型 c - e p s 系统主要由转向往、转向瓣、车速传感器、扭矩传感器、电机及电磁离合器、 李牵襟器、电予控稍单元( e c u ) 、线路及蓄电池等辅霸零部件组成。2 h “。c - e p s 组成示 9 华中科技大学硕士学位论文 意图见图2 3 。 c - e p s 工作原理如图2 4 。扭矩传感器和转向轴连接在一起，当转动方向盘时，扭 矩传感器开始工作，把由方向盘输入扭矩产生的相对转角变成电信号传给电子控制单元 e c u ，e c u 根据扭矩传感器和车速传感器的信号确定电机的旋转方向和助力电流的大小， 控制电机进行转向助力“。这样，c - e p s 可以很容易地实现在不同车速时给电机不同的 电流，产生不同的助力效果，从而保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，而高速行驶时 减小电机助力从而使转向变沉，即接近或变成机械转向使转向动作稳定可靠。c - e p s 能 够实现“精确”转向，在汽车转向过程中，根据不同车速、方向盘转动的快慢，通过e c u 的控制，准确地提供各种行驶路况下的最佳转向助力“”“。 嗍 爨2 3c - e p s 系统缀残圈 鞋齄 图2 。4c - e p s 工作乐理图 2 2c e p s 控翩逻辑稚图 对c - e p s 系统的控制而言，直接影响到电机驱动力大小的因素主要为电机的驱动电 流n 7 ，。当驾驶员施加转向力在方向盘上时，通过扭枰的交形扭矩传感器赢接测量出转向 扭矩值，同时根据车谴信号、电机实际控制电流和电机的预估转速起，对转向助力电 流或转向回正补偿电流进行计算，并通过计算电机的摩擦补偿电流、阻尼补偿电流、转 1 0 华中科技大学硕士学位论文 向惯量补偿电流得到经修正的电机电流期望值。将这一期望值与检测到的实际电机电流 相比较，通过对电机电流的反馈控制，最后得到所需的电机驱动电流 1 8 3 1 9 3 。图2 5 就是 依此建立的北斗星、爱迪尔系列车型的c - e p s 的控制原理逻辑框图。 图2 5c - e p s 系统控制逻辑框图 2 3c e p s 控制程序流程图 c - e p s 系统作为转向系统的一部分，是保证整车安全的安全功能件，为此要求在 c - e p s 程序设计过程中，既要保证车辆正常行驶过程中的行驶安全，又要在系统出现故 障时能立即发出警告通知驾驶员采取措施。为此，c - e p s 系统的主程序控制流程、故障 检查子程序工作流程的确定非常重要。 c - e p s 系统运行后，系统将立即进行初始化，系统初始化完成之后，首先进入系统 检查子程序，以判断系统是否正常，如果系统正常将检查是否有发动机的转速信号，如 果有发动机转速信号，则系统才有必要对驾驶员的转向操作提供助力。在此前提下，将 进行驱动单元电机的上电检测，如果电机有异常，将显示故障代码，否则将进入采 样阶段。在采样过程中，通过扭矩传感器检测扭矩的大小，通过采集车速信号与判断加 速度，直接通过计算得出所需的电机电流目标值，从而驱动电机产生辅助转向力矩啪“1 。 华中科技大学硕士学位论文 北斗星、爱迪尔系列车c - e p s 系统的主程序控制流程图如下图2 6 所示。 图2 6c - e p s 系统的主程净控制流程图 出于c - e p s 系统为重簧静缣安部俘，在出流故障爵必须能及时提醒糟户并且保证转 翔系绞仍然缆够委常王作。在c - e p s 系统蹬瑗簿常情况辩，控铡模块登矮立鼯关潮毫枫 与裹会嚣，以傈诞楗辕转囊系绫8 2 够歪常工终；燕越在c - e p s 系统控铡辩，教障检查予 稷廖蛇功& 藏至荚重要。娄点火开关在铡秘发动搬起动时，控制模块霹以慰主要鳇零 部件的进行放障诊断，_ 并通过缎合仪表上的“e p s ”指示灯亮或者闪烁“e p s ”指示灯曼 华中科技大学硕士学位论文 示结果。 故障检查子程序工作时将首先检测发动机转动与否，如发动机没有转速信号，c - e p s 主程序将停止运行，故障检查子程序也将不会运行。如果检测到发动机转速信号，检查 程序将首先检查电源是否异常，如果异常停止系统动作并显示故障代码，然后将依次检 测扭矩传感器、离合器、电机、电机升压模块是否正常，任何一环节如果异常，检查子 程序都将断开继电器，停止系统动作并显示故障代码。爱迪尔、北斗星系列车c - e p s 系 统的故障检查子程序工作流程图如下图2 7 所示。 图2 7c - e p s 系统的故障检查予程序工作流程图 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章分析了液压动力转向存在的问题，对c - e p s 控制原理、工作原理进行了阐述， 提出了c - e p s 控制原理与控制流程的总体方案，并编制了c - e p s 控制逻辑框图、c - e p s 系统的主程序控制流程图、c - e p s 系统的故障检查子程序工作流程图。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 1 静态转向控制 3c e p s 的具体控制策略分析 汽车由静态起步及原地转向时，通常可以假定轮胎与地面之间在转向角很小时接触 面没有改变，这样轮胎作用力原理可以视为弹簧作用原理，图3 1 显示了c - e p s 在静态 起步与原地进行转向动作时的扭矩的特性分布图。 图3 1 静态转向扭矩特性分布图 盘诧静态转淘时，可褥萄戳下公式： j - d 2 8 s d t 2 = z 。+ z 0 一。 t m i = g - 毽r i m ，一t 。f ( d o , a t ) 1 瓦w = k 。( 吼嘏一哝) 一瓯。( d 吼衍一d o , d t ) j电机折算到转向轴上的转动惯量 t 。驾驶员的操纵力矩 0 。转向轴的转动角度 赫嘏梳的褪矩常量 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) t 。e p s 产生的辅助扭矩 t 。转向机构产生的反作用力矩 0 。方向盘转角 i 。，电梳电流 华中科技大学硕士学位论文 t 。电机摩擦力矩k 。扭矩传感器的弹簧常量 c 。扭矩传感器的阻尼系数 g 一蜗轮蜗杆传动比 c - e p s 在工作过程中由于电机在启动过程时当电机速度较低时极易发生振动，从 而使驾驶员感觉方向盘有不舒服的抖动感，这种情况在北斗星c - e p s 研制过程的初期 各个开发商都不同程度的遇见过。通常在车辆起步时驾驶员期望能轻便舒适地起步， 这就需要在起步时c - e p s 能提供较大的助力并能克服方向盘抖动的现象。由于c - e p s 系统没有电机的转速传感器，为解决该问题，通常在程序设计时利用电机电流补偿的 方法对电机转速信号去进行补偿，从而使得静态转向时克服方向盘的抖动现象。当抖 动现象可能出现时，通过计算的方法得到电机的转速，利用设定的补偿控制系数产生 补偿控制电流与原控制电流一起对电机进行控制，从而生成新的助力值，防止方向盘 抖动现象的产生乜2 。 跌晷步 菜翠型豹实琢应爨结果( 见溷3 。2 瑟瑟) 霹激发理搬入该| 枣 偿方法，在实 车应用中的应用结果可以发现能有效地勰决方向盘的拱动瑰象。” t i i 匣( s ) 黄绫搜剡方法 t i i e ( 蛰 模控裁方法 阔3 2 补偿控涮方法解决方向盘辩动的应用案铡 3 2 转向手力特性控制 穆用磋转良擞上装手力是驾驶曼感斑汽车转弯状态熬有力售崽，稷据人提王稷学， 1 6 a-t垂*珏 墓蘸，?一皇 华中萼串技大学硕士学位论文 转彝系绞设计时逶零要求原地转向时作用在方自纛上懿等力不超过2 5 0 n ，对装备动力转 向的轿牮转向时对转向盘手力的器求一般为i o 2 0 n 。转向时驾驶员作用到转向盘上的 手力与转向轮褒缝覆上露转隧产艇匏转爨阻力力矩衰关，影襄转海阻力艇鲍主要因素毒 转向轴的负荷、轮胎与地面之间的滑动摩擦系数和轮胎气压。”。目前常用的经验计算 公式如下： f h = l l m r ( l 2 r i 。功( 3 4 ) m r = ( f 3 ) g ? p( 3 5 ) 以上式中： f h 作用在转向盘上的手力l 1 转向摇臂长 l 2 转向节臂长 r 转向盘半径 0转向器角传动比r l 转向器正效率 妇 原地转向阻力矩 f 轮胎与地面间的滑动摩擦系数 g 1 转向轴负荷p轮胎气压 针对爱迪尔攀、j & 斗量车的原地转向的手力计爨时，设定转向争力腿为2 0 n ，方肉 盘的直径r 为由3 6 5 ，因此作用在此设定的方向斑上的转向力矩m 为： m = f h r = 2 0 * o 3 6 5 2 = 3 6 5 ( n m ) 则依据公式( 3 - 5 ) 原地转向阻力矩为； m r = 盯3 ) g ? ，p = ( o 7 3 ) ( 5 4 0 + 9 8 ) 3 0 2 = 2 0 8 5 ( n m ) 在原地转向阻力矩静为2 0 8 5 n m 时作用在方向盘上的转向力矩m 为： m = m r l i i ( l 2 们= 2 0 8 5 * 7 8 2 8 2 ( 0 1 2 1 8 0 8 6 5 ) = 1 5 5 ( n m ) 式中参数按照零部件规格：转向小齿轮半径l l 为7 8 2 8 2 r m ，转向节臂长度l 2 为 0 t 2 1 8 b 】l i l ，转向器芷效率n 为8 6 鞴，轮胎气压p 为0 2 m p a ，轮胎与地面间的滑动摩撩 系数f 取0 。7 ，转蠢辘受蕊g l 菊5 4 0 k g f 潦1 。 因此，瑟僳逐c - e p s 蛇转自轻便，愿姥转囱鞋必矮缳涯助力转趣戆助力大小鞋爰： a m = m7 一m = 1 5 5 - 3 ，6 5 = 1 l 。8 5 ( n m ) 在e p s 设计过程中，通过程序调整设定改善手力特性，调整助力值的大小以获得理 想中的驾驶员手力值。”。手力特性的设计是否理的判定依据在于看其是否有利于驾驶 受操级，一般情况下簧求在较小角度时，此时地面转向阻力较小，阻力应增加的缓慢； 华中科技大学硕士学位论文 在较大热度转向黠，此时缝嚣转怒阻力较大，助力应增加浆抉一些，根掇该原则，转向 平力特蚀的曲线_ 陂该符含图3 3 中所示意图形阱1 ，并且为保证低速时转向轻便，高速时 掇级稳定，应壤攘低速孵豹秘力壤以减奎转囱手力，减夺毫速辩戆动力傻鼓堰熬转是手 力，转向力与速度的特性曲线如闭3 4 所示乜町。 矩( w 面 图3 3 转向手力曲线 速( k 街h ) 图3 4 转向速度特性曲线 丽在e p s 中e c u 对手力的控制的直接表现为对电机魄流避行奁接控制，对电机电流 豹控懿实琉通常为根瓣车速信号及撵矩信号透过查袭法获得电梳的控翻瞧流值，爱遭尔 擎、北立 星车典攫蠡孽攥缴芋力( 对应褪矩传感器信号) 、车逮与电梳电流关联鲡圈3 5 爱示，在鹭孛每条夔线对应甭鼹豹攀遮，强孛仪注鞠部分车逮状态。 电嚣恕莲t 嘏 ， 传感嚣电压；+ 5 v t 2 ， 厂 ；筐一 操纵力矩( n m 】 传感嚣电难( v ) 阑3 。5搡缴力矩一瞧掇瞧滤耱性麴线 从上图中可以看出，无论是手力特性、速度特热还是电援瞧滚将蛙，部必矮镰迁奁 华中科技大学硕士学位论文 输入力矩较小( 通常为i n m 时) 不应有助力力矩的输出，以防止方向擞非燕常扰动藤 造成e p s 非必要的动作。为保 芷方向盘操作平滑及发右转向时手感一致，必须保诞左右 输入扭矩与输出力矩的对称性，必须杜绝出现方向盘反转时扭矩滞后现象及扭矩髯常突 变导致转向不平顺现象的发生。以下为爱迪尔车、北斗璧车输入扭矩及输出扭矩的特性 圈( 觅图3 6 ) 及相关要求。 对爱迪尔车、托斗星率e p s 系统中，要求输入扭矩与输出扭矩的左右差ia - bi 不 大子0 + 7 n 毽掇短懿交纯量x 不大予0 5 n m ，输出巍矩为5 n m 时的滞后不大予 1 n 难，劳琴装枣现c 、d 懿类钕豹舅鬻特性。 壤警膏乾# 。婚 2 4 s 掰一 5 i ，、， 丝 ， 5 9 一 - 1 1 z s 图3 6 操纵力矩电机电流特性曲线 择城由莓( w 面 3 3 霾歪性麓控潮 在传统的转向系统中，车轮的回芷性熊主要依靠主销后倾角及主销内倾角来获得， 主错看倾角辩操纵稳定性的影响主要是通j 遘后倾拖躐；表现出来的，后倾拖躐；的存在 嫠赡蘑铡商力fy 造成m = f y ；静强蔗力矩，该两正力矩与侧商力( 帮离心加速度v v r ) 藏匿逡，主要在蔫这对超 譬糟；魏予煮销巍矮角，蒋轮转动时将镁车身裔抬商的颓商， 1 9 华中科技大学硕士学位论文 这种系统位能也产生前轮的回正力矩，主要在低速时起回正作用，其回正力矩t a 为： t a = 9 d s i n 2 f l - s i n 6 2 其中q 是轮荷，6 是前轮转角，d 为主销内移量啪1 。对传统转向系统要改善回正特 性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。”。e p s 能大大改善了转向回正特性， 当驾驶员使转向盘转动一角度然后松开时，该系统能够自动调整使车轮回到正中。该系 统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。e p s 通过e c u 对电机进行转向回正控制， 保证电机完成转向动作后迅速回到中位，从而与前轮定位产生的回正扭矩一起进行车辆 的转向回正动作。在装有e p s 的车辆中，对转向回正的控制要求在车辆低速行驶时，回 正特性曲线必须通过原点，高速行驶回正时，回正曲线允许有残留角，但该残留角不允 许超过5 。，回正特性曲线、高速与低速时的回正曲线见图3 7 。”。也正是有以上回正 控制策略的保证，使得装备e p s 的车辆大大提高了操纵稳定性。”。 蛙 建 辫矗# 蔓l 8 回正特性眭线 蝉帕 妻舞盔蒜舞暴 节1 ) 鸯彝耋蘩蠢彝 b 低速回正鳆线e 意速塑正瞧线 图3 。? 回芷曲线图 3 4 路惑控制 汽车转向时，轮胎发生侧向变形，作用于轮胎的侧向力将绕轮胎接地中心产生回正 华中科技大学硕士学位论文 力矩回正力矩除以转向系统传动比再加上传动中的摩擦阻力矩，就是汽车转向时所需 克服的力矩，在动力转向系统中由驾驶员和助力装置共同承担回正力矩中包含了汽车 载荷、轮胎气压、轮胎与地面附着状态等信息，使汽车的运动状态与驾驶员手上的力有 一种对应关系，这种关系可以用路感来描述啪3 。“路感”就是驾驶员在进行转向动作时， 通过转向器获得对路面状况和阻力变化的直接感觉汽车中、高速行驶时，适当的路感 是必不可少的，它使驾驶员能掌握转向环境，从而作出正确的判断，减少事故发生路 感的大小可理解为回正力矩通过传动装置传递到驾驶员手上的力矩的大小，它可以用路 感强度值来表示影响路感的主要因素有：a 传动中的摩擦阻力，它传递到转向盘会 给驾驶员一种错觉，摩擦力矩使路感变弱b 动力转向器中，部分回正力矩由助力机