（机械设计及理论专业论文）基于稳定性分析的汽车电动助力转向控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 汽车动力转向( p s ) 系统是影响驾驶员操纵稳定性、安全性和舒适性的关键。电 动助力转向( e p a s ) 系统作为一种全新的电力电子伺服系统，相对于传统液压动力转 向( h p s ) 系统，它具有节约燃料、有利于环保、可控转向感觉等许多突出的优点， 适应了新一代电动汽车和智能汽车电子化、智能化要求，成为现代动力转向技术的研 究焦点。本文针对e p a s 控制中的几个关键问题，研究了基于稳定性分析的电动助力 转向控制。 助力机构的选型是影响e p a s 控制稳定性的重要因素，本文分析比较了差动轮系 助力机构和蜗轮蜗杆助力机构对汽车转向灵敏度和转向路感的影响，为e p a s 助力机 构的选型提供了理论依据。 f 本文分析了电动机参数、助力增益系数和助力机构减速比对e p a s 控制稳定性的 影响，在对e p a s 进行了动力学建模的基础上，分析了反映e p a s 的助力动态性能、系 统柔性和驾驶员转向路感的三个传递函数的稳定性，得到了电动机的扭矩转速关系 和刚度一转动惯量关系；对系统临界稳定性非线性方程进行了分析和估计的基础上得 到的最大助力增益公式，为合理选择e p a s 系统参数提供了理论基础。 针对e p a s 是一个非线性的多输入多输出( m i m o ) 系统的特点，本文提出鲁棒控 制方法，对e p a s 的非线性动力学模型进行了不确定性分析，建立了系统状态空间方 程和增广被控对象矩阵，在此基础上用矾方法极小化系统中各种干扰对被控输出的影 响，给出设计鲁棒控制器的步骤，通过m a t l a b 仿真计算的结果表明，设计的控制器使 e p a s 控制闭环系统有好的性能及稳定的鲁棒性。 本文采用硬件在环仿真技术设计了e a p s 仿真系统，对控制系统软硬件的可靠性 和安全性进行了初步的测试，结果达到了性能要求。、。r 一。一+ 关键词：电动助力转向 稳定性助力机构鲁棒控制仿真硬件在环 ，一 ， - v - 。 i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 4 = = = = = = = = = = # = = 自= = = = ；= = = ；= = = 目；= = a b s t r a c t a n t o m o t i v ep o w e rs t e e r i n gs y s t e m sc r i t i c a l l ya f f e c tt h eh a n d l i n gs t a b i l i t y ，s e c u r i t y , a n d c o m f o r tf o rd r i v e r e l e c t r i cp o w e r a s s i s ts t e e r i n g ( e p a s ) s y s t e m sa sn e w e l e c t r i cp o w e ra n d e l e c t r o ns e r v os y s t e m sh a v em a n yd i s t i n c ta d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m si nf u e le f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t y , a n dt e n a b i l i t yo f s t e e r i n g f e e l t h i sp a p e ra d d r e s sc o n t r o li s s u e si nd e v e l o p m e n te p a ss y s t e mb a s e do ns t a b i l i t y a n a l y s i s t h ec h o i c eo fe p a sr e d u c i n gm e c h a n i s mi s a ni m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c ts y s t e m s t a b i l i t y , i n t h i s p a p e r , t h ev e h i c l e ss t e e r i n gs e n s i t i v i t y a n dr o a df e e la r ee m p l o y e dt o c h a r a c t e r i z et h eh a n d l i n gq u a l i t i e so fe p a si nc o m p a r i s o nt op l a n e t a r yg e a rt r a i n a n d w o r m w h e e lg e a r i n g t h ee p a ss y s t e mw i t hc h o s e np l a n e t a r yg e a rt r a i n i s c a p a b l eo f e n h a n c i n gt h eo n - c e n t e rs t e e r i n gs e n s i t i v i t yo f t h ev e h i c l eb u tl a c ko fr o a df e e l t h ee p a s s y s t e mw i t hc h o s e nw 0 1 t n - w h e e lg e a r i n g d o e s n t c h a n g es t e e r i n gs e n s i t i v i t y o fo r i g i n a l m a n u a ls t e e r i n gv e h i c l e ，b mi th a sa b i l i t yt ot u n er o a df e e lt h a ti m p r o v et h eh a n d l i n gs t a b i l i t y a n ds e e u r i t yf o rd r i v e r t h i sp a p e rp r e s e n t sd y n a m i ca n a l y s i so fe p a ss y s t e mw i t he m p h a s i so ns y s t e m s s t a b i l i t y t h e t r a n s f e rf u n c t i o n st h a t r e p r e s e n t t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e so ft h ea s s i s t s u b s y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e mc o m p l i a n c e ，a n dq u a n t i t a t i v e l yd r i v e rr o a df e e l a r eo b t a i n e di n a n a l y t i c a lf o r m ah i g hl e v e lo fs t e e r i n ga s s i s tc a n b eas o u r c eo f i n s t a b i l i t yo f t h ep l a n tt h a t r e s u l t si nv i b r a t i o no fas t e e r i n gc o l u m na n du n d e s i r a b l ev e h i c l ep e r f o r m a n c e s t a b i l i t y r e q u i r e m e n t sa r ed e t e r m i n e da n dc r i t i c a lp a r a m e t e r s o fa s s i s t d e s i g n a r eo b t a i n e da sa s o l u t i o no f t h en o n l i n e a re q u a t i o nt h a td e s c r i b e st h eb o u n d a r yo f s t a b i l i t y a i m e da tt h en o n l i n e a rm i m os y s t e m - e p a s i nt h i sp a p e r , t h eh 。r o b u s tc o n t r o l m e t h o di se m p l o y e dt od e s i g nc o n t r o l l e r t h eu n c e r t a i n t ya n a l y s i so f t h ee p a si si n t r o d u c e d t h es t a t es p a c ef o r m u l a t i o na n dt h ee x t e n d e dc o n t r o l l e do b j e c tm a t r i xa r ed e t e r m i n e d b a s e d 0 1 1t h i sm a t r i x ，t h eh 。m e t h o di si n t r o d u c e dt om i n i m i z et h ee f f e c to fd i s t u r b a n c e so n o u t p u t s t h ep r o g r a mf o rd e s i g n i n gf o rr o b u s tc o n t r o l l e ri sg i v e n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o n t r o l l e ri m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fe p a sa n di t sr o b u s t n e s s l a s t l y , t h ed e v e l o p e dh a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) s y s t e mo fe p a si s c a p a b l eo fp r o v i d i n gt h es t e e r i n gc o l u m nw i t l ll o a dt o r q u ec o m p u t e db a s e do nt h ed r i v i n g c o n d i t i o n s a n dp r o v e st h a ti ti sv e r yu s e f u lf o rd e v e l o p m e n te p a sc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e r a s s i s ts t e e r i n g s t a b i l i t yr e d u c i n gm e c h a n i s m r o b u s tc o n t r o l s i m u l a t i o n h a r d w a r e i n t h e l o o p u 华中科技大学硕士学位论文 = 一；= = # ；自= = j = = = ；= g = = = = = i l 目l = j = = 1 绪论 1 1 课题来源 本课题来源于东风汽车传动轴有限公司与华中科技大学合作开发“电子控制式汽 车电动动力转向器”研究项目。 1 2 课题研究的目的、意义 利用外加能源助力，减轻驾驶员操纵汽车转向手力的方法称之为动力转向或助力 转向【“。对于重型汽车，由于转向阻力和汽车车轮上负载成一定比例，前轮负载2 0 k n 以上，驾驶员很难原地转向，因此国家规定8 吨以上的货车必须采用动力转向，以减 轻驾驶员的操舵力，为了减少驾驶员的疲劳和提高安全性，我国有关部门建议重型车 驾驶员操舵力不应超过5 0 n 。 对于轿车而言，除轻便性( 操舵力不超过为1 5 - - 2 0 n ) 外还有灵敏性要求，在手 动机械转向器中，轻便性和灵敏性是一对矛盾，在机械转向器中虽然可以用加大传动 比的办法来减小操舵力，但它带来的另一后果是使转向速度减小而使转向不灵敏，随 着车速的增加对转向灵敏性要求也越来越高，国外规定最大瞬时转向盘速度对轿车而 言为1 5 圈s ，而货车为1 0 圈s ，只有采用动力转向才能兼顾转向轻便性与灵敏性的 要求，解决两者之间的矛盾【2 4 。 动力转向还增强了行驶的安全性，如轿车遇到单个轮胎爆破、泄气，如采用机械 转向器，则汽车就要在路上抛锚，若该车采用了动力转向，就可以再开一段路程，到 维修站换胎，继续前进，保证了行车的安全性。同时动力转向使车轮所受路面冲击不 会直接传到驾驶员手上，提高了操纵的舒适性。现代汽车设计，以安全，舒适，离效 为主题，因此，在汽车转向系统中，必须安装动力转向装置。目前大多数载重汽车及 5 0 的轿车采用动力转向系统，微型轿车也准备安装动力转向装置。 动力转向系统按照提供动力方式的不同可分为以下三类：气压式、液压式( 又可进 一步分为机械一液压式和电一液式) 和机电式( 简称为电动助力转向系统) 。气压式动 力转向系统主要应用于一部分载重量为3 7 吨，并采用气压制动系统的客车和货车， 因为气压系统的工作压力较低，载货量大的货车不宣采用此种转向系统。 液压式动力转向系统【5 】采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力，再经过控 制阀来调整压力油的流量，根据汽车的行驶状态，控制转向系统。液压式动力转向系 统作为种辅助系统，它所起的作用主要取决于油压的高低，因此系统中对油压的流 华中科技大学硕士学位论文 量控制最为重要。液压式动力转向系统控制方式有机械一液压式和电子控制式两种， 其中电予控制式液压动力转向系统通过电控单元e c u 自动调整转向盘的操作力，提高 了操纵舒适性和转向灵敏度，保证了高速行驶的稳定性，工作滞后时间短，可吸收来 自不同路面的冲击。液压式动力转向系统是目前汽车上主要采用的转向加力方式，其 中较典型的有凌志、皇冠等高档轿车上使用的“渐进式”动力转向系统p p s ( p r o g r e s s i v e p o w e r s t e e r i n g ) 。国内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液压式动力转向系 统。 在液压式动力转向中，电子控制液压动力转向器e i - i p s ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，e h p s ) 是目前比较成熟的产品，它利用电子传感器把汽车运行中的各种非电 量信号转变为电信号，采用微机精确地控制动力转向系统中压力油的流量，再由压力油 控制执行机构进行转向动作。它除了可应用于普通的液压式动力转向器适用场合外，还 可应用于高级轿车。它根据汽车的运行状态控制动力转向辅助系统的工作如根据车速、 转向工作量( 方向盘的转角、扭矩) 以及车轮侧滑量等因素控制转向过程中的油流量。 这个复杂的工作过程由电子控制器完成。电子控制式由于增加了车速电子控制装置而且 其阀的结构较常规阀复杂，因而成本高昂。目前主要应用于高级轿车及运动型汽车上。 无论是普通的液压动力转向器还是电子控制液压转向器，液压油都是由转向泵提供 的，而转向泵是由发动机带动不间断地运转。大量液流在泵内部循环，浪费了发动机的 能源，资料表明传统的h p s 的总效率仅在6 0 左右。同时液压传动还有噪声大的缺点， 使得转向舒适性大大下降。另外，液压式动力转向系统还存在着液压管路的泄漏以及进 气造成的转向沉重。总而言之，若想比较彻底的解决转向系统既具用高性能又能降低污 染等问题，不仅需要充分地运用和发挥电子控制的优越性，而且还需要选择一种机构简 单、高效节能的动力源及其传递装置来取代液压系统。因此，一种全新的电力电子伺服 系统，即电动助力转向系统( e p a s ) 1 7 - 9 1 便应运而生了。 e p a s 系统一般由机械式转向器和电子控制伺服系统组成。其中电子控制伺服系统 包括传感器( 扭矩传感器、车速传感器和角度传感器) 、控制器( 控制单元、动力单元) 和执行机构( 电机及助力减速机构) 。电机的能源来自车载蓄电池，其工作电流大小与 方向受传感器信号控制。助力减速机构把电机产生的动力，经过降速增矩后传递给转 向器。控制其根据各个传感器的信号，按照定的控制策略和汽车工作状态，发出控 制指令决定电流的大小及电机旋转方向，从而完成实时助力控制转向。它可以很容易 地实现按车速不同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时稳 定可靠。 e p a s 相对于传统的液压转向系统具有以下突出的优点： 1 ) 节能且有利于环保。e p a s 系统是现有的各种动力转向系统中燃料消耗最低的 华中科技大学硕士学位论文 转向系统。据有关资料报导，e p a s 的燃料消耗率仅为h p s 的1 6 - - 2 0 。例如，一辆采 用1 3 升汽油机的轿车，h p s 的燃料消耗率比e p a s 高出8 0 ，占整车平均总燃料消耗 的3 - - 4 。据统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中7 5 ( 即3 7 0 0 万辆) 采用了h p s 系 统，为了维持h p s 正常工作，一年之中需要消耗大约几亿升燃油。如此多的油料被燃 烧，散发到空气中的尾气对环境造成的污染是可想而知的。 2 ) 重量大大减轻，复杂度大大减小。e p a s 各个部分已经高度集成化模块化，电 动机、减速机构传感器、控制装置均可安装在转向柱或转向器上，所占空间小；不需 要传统的油泵、动力缸和油罐等液压部件，故而也不会发生液压油泄漏和损耗和因此 产生的污染问题。据意大利菲亚特公司测定，h p s 的重量为1 3 1 4 k g ，而e p a s 系统仅 为1 0 3 k g ，减轻了2 8 4 k g ，即轻2 0 。 3 ) 高度的控制性能。e p a s 系统具有软件可编程控制性，对系统已经开发和即将 开发的各种性能都具有良好的可变性，并且对于设计者和使用者来说简单易行。一旦 e p a s 系统的转向器、传感器、控制器和执行机构等硬件设计完成之后，设计者仅仅变 更存储在微处理器上的各种参数关系的数学模型、特征曲线和控制算法等软件，就可 以获得新的性能。如设计者可以事先设计多种控制算法模式存储在芯片里，通过模式 转换开关，供驾驶员在不同的路面条件下进行使用。对于h p s 系统，若要改变其性能， 几乎需要重新设计或选用整个液压系统( 包括油泵、控制阀和动力缸等) ，并且只能获 得各种性能互相折衷的一条曲线，即工作量很大而获得的性能改善效果有限。所以 e p a s 具有高度的控制性能是其最明显的特点之一，即使今后出现新的转向系统，也只 能视为此特征的延续和发展。 4 ) 高性能化。高性能化是指系统的各种性能在不同条件下均能达到最佳水平。在 高度控制性能的前提下，采用各种优化方法，可以达到比较理想的目标。高性能包括 以下方面：对驾驶员的助力要求作出快速而柔顺的响应，从而得较好转向感觉；具有 好的鲁帮性能并能抑制路面干扰；当车辆突然遇到外界横向力作用而发生自动转向等 不稳定现象时，能使车辆在相当短的时间内迅速恢复正常行驶状态的能力。 5 ) 成本低、效率高。2 5 年酶。有人曾用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控制成本太高。如今，电力电子技术获得了惊人的发展， 使得电子器件的价格大幅下降，美国t r w 公司认为，e p a s 系统的成本可能下降到h p s 成本的9 0 。此外，据德尔幅公司统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中，有3 7 0 0 万辆 采用了h p s 共用去了4 0 0 0 万升液压油。如改用e p a s 系统，仅此一项制造厂商便 可获得很大的经济效益。 6 ) 可与汽车其它电子控制系统耦合。现代汽车电子控制系统所占比例越来越大， e p a 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 华中科技大学硕士学位论文 电子装置的功能。未来汽车的各种控制系统必然沿着高密集和高智能化向着高性能化、 多功能化方向发展。 7 1 不需要特殊保养。e p a s 系统不需要像传统的h p s 系统注油和放气等，使用费 用低，颇受用户欢迎。 8 ) 有很好的可靠性。e p a s 系统的可靠性可以分为机械部分和电器部分两个方面 可靠性问题。机械部分的可靠性均按照汽车其它部分部件相同标准进行考核。而电器 部分( 包括传感器、控制器和电机中的电磁部分) 采用了无故障设计和失效保护设计 措施。 综上所述，e p a s 是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、 开发和试用阶段，转入批量生产阶段，并成为了现代汽车零部件生产的“高新技术产 品”。我们应该抓住时机加大研究力度，努力开发出具有我国自主知识产权的e p a s 产 品。 1 3 国内外研究动向 1 3 1国外e p a s 产品介绍 e p a s 最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首先在其c e r v o 车上装备e p a s 【l ，随后还用在了a l 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e p a s 。比如：大发 汽车公司在其m i r a 车上装备了e p a s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了 e p a s 【i “，本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p a s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向也将 倾向于选择e p a s u l l ，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 i 以及菲亚 特的p u n t o 开发出e p a s 。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 _ a s 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式e p a s ，如今小齿轮助力方式 e p a s 开发已获成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p a 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d 2 l 。m e r c e d e s - - b e n i z 和s i e m e n s a u t o m o t i v e 两大公司正共同投资了 6 5 0 0 万英镑用于开发e p a 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载超过1 2 0 0 k g 的e p a s ，因此货车也 将可能成为e p a s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p a 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 4 华中科技大学硕士学位论文 安装e p s ，本田还甚至在其a c 眦n s x 赛车上装备了e p a s 【i 引。e p a s 的助力形式也从 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。 根据电动机布置位置的不同，e p a s 可分为转向柱助力方式、齿轮助力方式、齿条 助力方式。下面对三种助力方式下各公司相应产品作重点的介绍： 1 ) 转向柱助力方式 ( 1 ) d e l p h i 公司的e s t e e r v m 系统：由转向系统、助力机构、电子控制单元、电动 机、传感器等组成。所采用的电动机是1 2 v 的永磁直流无刷电机，使得系统尺寸和质 量最小。电动机由车用蓄电池供电，可独立于发动机工作。传感器测试两个主要输入 量：转向扭矩和转向角。电子控制单元对转向扭矩、转向角和车速等信息进行运算处 理后输出相应的电流去驱动电动机提供助力扭矩。助力扭矩与转向手力之间的比例由 电子控制单元按照车速的高低提供相应的助力。在行驶过程中，电子控制单元一直监 测着助力机构的运行，一旦发现故障，离合器断开助力机构，转向由手动方式控制【1 2 l 。 此系统可提供两种助力效果：一种适于乡村，另一种适于城市。将在菲亚特的p u n t o 车上作为标准设备首次使用。 ( 2 ) 英国的l u c a s 公司的e p a s 系统：由无刷直流电动机、扭矩传感器、电子控 制单元、助力机构等组成。其扭矩传感器采用双通道光电式传感器。l u c a s 通过一个三 相逆变器来控制电机的相电流从而控制扭矩大小。驱动电路采用一组m o s f e t s 功耗 管组成，由p w m 方式来控制m o s f e t 的开关时间和顺序。 2 ) 转向小齿轮处助力方式 ( 1 ) z f 公司的e p a s 系统：由扭矩传感器、速度传感器、控制器、电动机、离合 器和减速机构等组成。驾驶员用手转动方向盘产生的扭矩经由安全转向柱、中间轴和 万向节传递给伺服机构。电动机、蜗轮、电子控制单元e c u 和传感器组成的伺服机构 直接安装在转向小齿轮处。这种助力方式适于转向轴最大负荷为9 0 0 k g 的中级轿车。 ( 2 ) d e l p h i 的e s t e e r 系统也有转向小齿轮处助力方式，结构同上。 3 ) 转向齿条处助力方式 h o n d a 汽车公司开发的e p a s 由齿轮一齿条式转向齿轮箱、两个速度传感器、继电 器、熔断器盒、故障指示灯等组成。其中齿轮箱包括转向传感器、控制单元、功率单 元和助力机构。其中电气部分如控制单元和功率单元都装于转向齿轮箱内以起到保护 作用并简化了系统的结构。转向传感器分别由测试转向角速度的转向传感器和测试扭 矩的传感器组成。 1 3 2 国内外研究情况 里塑丛型皇塾助力转向系统的理论研究不多。国内大部分文献只介绍了国外转向 二= _ _ 二= 二二_ ：= ：= ：= ：= ：。 华中科技大学硕士学位论文 系统的发展概况【m 1 ，部分文献从影响汽车系统操纵稳定性的角度分析转向系的特性， 分析中对汽车系统动力学模型进行了简化，忽略了一些因素，不能客观实用地反映汽 车实际行驶运动要求。文献【2 1 分析了车辆基本运动的力学性质，阐明了作用于轮胎上 的力产生的机理与性质，讨论了转向装置对车辆运动的影响。文献p 】在对轮胎特性进行 线性化假设的前提下，忽略了转向系统的摩擦与间隙，分别讨论了四轮车辆的单轨和 双轨模型；考虑了影响操纵系统稳定性的因素，并给出了转向力矩与车速、转弯曲率 半径、转向系传动比等参数之间的关系。文献【1 4 】介绍了四自由度汽车建模与实时仿真 研究，讨论了汽车操纵稳定性问题与数学模型的建立。近年来，j s c h e n 采取p d 控制， 得到理想的稳态扭矩，并避免了扭矩在中频段的高传递率，采用超前补偿器消除p d 控 制器无法解决的噪音问题【l ”。s u g i t a n i 提出转向系统操纵的手感取决于控制系统获取路 面环境的信息的多少，并给出了hi n f m i t y 控制器【1 6 l 。z a r e m b a ，a t 分析了电动助力转 向系统开发中的控制和路感问题，按照转向系统的性能要求，提出了对校正器增益、 相位滞后和零极点位置的约束，针对变结构控制器，提出了一种非线性约束的最优化 方法，其控制规律使目标函数( hs u b 2 范数) 取极小值，从而使操纵手感得到改善【1 7 】。 文献l l m 在对转向系统中存在的振动进行分析后，提出了一个降低振动和保持路感的校 正器。 m c c a n n 分析了电动助力转向系统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响， 通过采用横摆角速度和横向加速度反馈，系统获得了良好的稳定性【l9 1 。b u r t o n 对电动 助力转向系统中驱动电路的m a t l a b 模型进行了仿真【2 0 i 。b a d a w y 对e p a s 系统进行建模 并对模型进行了简化，验证了简化模型的有效性，在此基础上设计了控制器并讨论了 影响转向性能的因素1 2 ”。g r e g g ，r d 给出了e p a s 完整的系统构成，并利用手动转向 系统的精确模型及m a t r i x x 包，对整车进行计算机模拟，而使e p a s 的性能得到优化 2 2 j 。郭孑l 辉比较了汽车转向的输入控制与角输入控制对于驾驶员一汽车闭环系统的影 响，指出力输入控制使闭环系统有更好的性能【3 3 】。s e o u l s g 对e p a s 的控制策略进行 了研究，并设计了一个硬件仿真系统【4 5 1 。j e h ar y u 研究了电线式电动转向系统，并对 仿真虚拟环境进行了研究【5 2 1 。 1 3 3 e p a s 研究中的关键技术 总结国内外研究情况，可以看出e p a s 研究中有待解决的关键技术是： ( 1 ) 电动机选择：e p a s 的助力是由电动机提供的，电动机的好坏是影响转向系 统性能的重要因素。在选择电动机时要从驾驶员转向稳定性的角度出发尽量减小电动 机的质量、转动惯量并兼顾降低电磁干扰水平。 ( 2 ) 控制系统设计：目f i e p a s 的控制策略是在一定车速下按照助力控制、回正 6 华中科技大学硕士学位论文 控制和阻尼控制【9 】分别设计不同的算法和控制器，因此算法通用性不强。我们需要设计 一种稍做修改即可应用于不同转向特性和不同车型的转向控制；另一反面e p a s 系统 是一个非线性多输入多输出系统，包含了快速响应驾驶员操作信号，最佳的转向感觉 和降低路面干扰和传感器噪声等设计目标，因此控制器必须具有较强的鲁棒性。 ( 3 ) 助力减速机构设计：考虑汽车上转向机构安装空间的大小和减速传动比的确 定，既要保证一定的转向路感，又能提高转向灵敏度。 1 4 本文的主要研究内容 本文首先对助力减速机构进行了分析与比较，为助力机构选型提供了理论依据。 在e p a s 动力学模型的基础上，对电动机和助力机构对系统稳定性的影响进行了分析。 e p a s 系统是一个非线性m i m o 系统，为了保证系统的鲁棒稳定性，对e p a s 动力学模 型的非线性摩擦因素进行了不确定性分析。采用h 。优化控制理论设计了参数化控制器 并用m a t l a b 进行了仿真计算，使e p a s 控制算法有很好的通用性，并且能对变化的车 速和驾驶员扭矩有快速的响应。最后设计了e p a s 硬件在环仿真系统。本文的主要内 容如下： 第一章回顾了动力转向器的发展历程，指出了e p a s 是现代汽车转向系统发展的 必然趋势，对国内外一些研究e p a s 的产品和理论研究成果进行了分类介绍和总结概 括，分析了e p a s 研究中的关键性技术。 第二章对助力机构进行了分析与比较，分析了差动轮系助力机构与蜗轮蜗杆助力 机构对驾驶员转向灵敏度和转向路感的影响。 第三章对e p a s 进行了动态分析和稳定性研究。在e p a s 非线性动力学模型的基础 上，研究了保持系统稳定的最大助力增益系数、电机的扭矩一转速条件和刚度一转动 惯量条件。 第四章采用鲁棒控制理论对e p a s 进行模型研究，分析了e p a s 的建模中的非线性 摩擦、路面干扰和传感器噪声等不确定因素，并用线性系统理论建立参数化的e p a s 控制模型。 第五章采用肌优化控制理论设计了e p a s 控制器，并用m a t l a b 鲁棒工具箱对控制 器进行了计算与仿真，将传统频域设计方法与鲁棒控制方法进行了性能比较。 第六章研究了e p a s 仿真系统，设计了e a p s 的硬件在环仿真系统，初步测试了控 制系统硬件、软件的可靠性和安全性，对仿真系统软件也进行了设计。 第七章对全文进行了总结和展望。 华中科技大学硕士学位论文 2e p a s 助力机构选型研究 2 1e p a s 工作原理及系统结构 e p a s 是利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向的，系统一般由机械式转向 器和电子控制伺服系统组成1 9 1 1 2 3 1 ( 如图2 1 所示) 。其中电子控制伺服系统包括传感器 ( 扭矩传感器、光学编码器) 、控制器( 控制单元、动力单元) 和执行机构( 电机、离 合器、助力减速机构) 。电动机仅在需要转向助力时工作。驾驶员在操纵方向盘时，扭 矩传感器根据力和角度的大小产生相应的信号，车速传感器检测到车速信号，控制单 元根据这些信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需的转向助力。 2 1 1 扭矩传感器 图2 1e p a s 结构示意图 一般采用差动变压器式扭矩传感器，用来检测方向盘的扭矩大小和方向。差动变 压器式扭矩传感器主要由两部分组成一线圈和铁心。转向系统的转向轴上端为输入轴， 下端为输出轴，输入轴与输出轴之间由扭杆连接。转向时，输入轴和输出轴之间产生 相对位移，扭杆受到扭矩作用，扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转化为铁心的上下位 移，由于线圈与铁心的感应作用，就可以通过线圈检测到扭矩的大小和方向。 2 1 2 光学编码器 转向柱和电机输出轴的转角、转速以及车速由光学编码器来测量。光学编码器可 8 华中科技大学硕士学位论文 用来测量一个旋转设备的转角和转速，它的输出是一对脉冲序列，给出增量型的位置 计数，在一个给定的采样周期内测出计数的增量，就可计算出速度和加速度。 2 1 3 电动机 电动助力转向系统多采用永磁直流伺服电机。为了改善电机的稳定性，提高转向 路感，降低噪声和振动，可在电机转子周缘开设斜槽或不对称环槽【2 3 】。 2 1 4 助力机构 e p a s 的助力减速机构与电动机相连，起减速增矩的作用，它在e p a s 系统中占有 重要位置。助力机构设计应考虑汽车上转向机构安装空间的大小，结构上应尽量简单、 紧凑，正向转动效率高而逆向转动效率适当，并保证转动惯量和摩擦、间隙尽可能小。 既保证一定的转向路感和轻便性，又能有适当转向灵敏度。目前，减速机构有助力方 式和位置推动方式两种形式。助力方式主要有蜗轮蜗杆机构和齿轮箱变速机构；位置 推动方式主要有差动轮系机构。蜗轮蜗杆机构结构简单，体积小，传动比大，便于安 装，但需要通过离合器与转向柱相连，可靠性降低。差动轮系机构不需离合器，但效 率底，体积较大，安装时需要较大的空间。本章将讨论差动轮系助力减速机构，并对 差动轮系机构与蜗轮蜗杆机构对转向灵敏度和转向路感的影响进行深入的比较。 2 1 5电子控制单元( e c u ) e c u 的功能是根据信号传感器测定的信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令， 控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采 集电动机的电流、蓄电池电压等信号判断其系统的工作状况是否正常，一旦系统工作 异常，助力方式自动取消，同时e c u 将进行故障诊断分析。 2 2 差动轮系助力机构基本原理 e p a s 的目的是减小驾驶员在转向时的工作负载。驾驶员工作负载由实际的转向扭 矩和方向盘转向角共同决定。传统的液压动力转向系统现在已经产品化，它靠提供助 力来减小驾驶员工作负载。采用差动轮系机构用位移辅助的方式来减少驾驶员的工作 扭矩。从根本上说，助力转向系统和位移辅助转向系统都要完成同样的目标：减小驾 驶员的工作负载。 9 华中科技大学硕士学位论文 下面将以差动轮系助力机构为例讨论可变转向比的汽车转向系统。本文把转向比 作为汽车速度的函数，它能提高汽车在不同转向条件下的横向转向性能。大的转向比 在汽车低速下能提高驾驶员操纵轻便性：而小转向比则在汽车高速时，它能缓解驾驶 员“发飘”的感觉从而获得好的转向感觉。本文将对驾驶员转向输入响应的灵敏度作 为评定给定车速下合适转向比的标准，比较可变转向比转向系统和传统的不变转向比 转向系统的中心操纵性能。 2 2 1 可变转向比电动转向系统( v r e s ) 采用差动轮系助力机构的电动转向系统是一种可变转向比的电动转向( v r e s ) 系 统1 1 3 1 l f 3 ”。所有的汽车转向系统在转向柱转角和前轮转向角之间都有一个固定的运动 学关系，这个运动学关系称为转向比。转向比是传动联接的函数，因此它有典型的非 线性特征。非线性的转向比的特征如图2 2 所示，对于转向柱转角不超过_ 3 0 度时， 可以认为它是个常数。同时也可以看到曲线斜率在转向柱转角4 - 4 0 度的范围内只有细 微的变化，但转向柱转角在大于+ 4 0 度时斜率有很大的变化。在一个给定位置，斜率 的倒数即是这个位置的转向比。为了给转向系统提供可变的助力，系统的运动学关系 和转向比不再固定不变。 链 一 搬 坦 磐 辑 ：舞 转向柱转角( 度) 图2 2 一般转向系统转向柱转角与前轮转角之间的关系 v r e s 系统相对直接助力转向系统有如下特点： 1 ) 相对于直接助力方式。v r e s 用位移辅助方式与手力转向系统有更相似的静力 学特征； 2 ) 直接助力转向系统中有固定转向比，与人力转向系统有相似的运动学特征。 一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 汽车中心操纵特性 汽车操纵特性常用“过度转向”和“不足转向”这两个术语来评价【2 l 。过度转向是 指汽车实际转向转弯半径小于与方向盘转角对应的转弯半径：而不足转向的汽车，则 产生较大的转弯半径。这种固有的转向性能是对车轮侧偏角的不同要求所造成的，而 随着离心力的增大，当前后轴的侧向力与车轮垂直载荷之比的变化不同时，侧偏角增 大。正常情况下希望是中性转向特性。 虽然中性转向能最好的利用侧向力( 即达到最大的转向速度) ，但却减弱了驾驶员 对汽车稳定极限的主观感觉。此外，还无法预计汽车的制动甩偏，因为前桥或后桥都 有可能发生制动甩偏。因此，大多数汽车制造厂家都将汽车做成具有轻微的不足转向： 在这种情况下，汽车制动甩偏导致它回到可预计的原直驶路线。 中心操纵特性是指汽车在直线行驶时在方向盘附近进行转向操纵时的转向特 性。汽车工业中，中心操纵特性在低的横向加速度( 不超过o 2 9 s 2 ) 、车速在5 0 k p h 以 上的情况下已被标准化。 2 2 3 机械式可变转向比转向系统 如图2 3 所示的是广州本田奥德赛v 4 转向系统所使用小齿轮和齿条机械式可变转 向比转向系统，转向比随转向柱转角变化如图2 4 所示。通过特殊的齿条外形设计能使 方向盘在中心位置附近转向时使用通常的转向比，大角度转向时使用大的转向比。随 着齿条离开平衡位置，它的运动也“变慢”，这就意味着齿条在相同的小齿轮转角情况 下移动距离更短，转向更省力。由此到达转向时轻快、高速时稳定的效果。 图2 3 机械式可交转向比机构 华中科技大学硕士学位论文 2 0 1 9 l s 1 7 兰 _ 11 6 辞1 5 1 4 l3 7 图3 4 机械式可变转向比转向嚣转向比图 但机械式可变转向比转向系统存在如下限制，第一，小转向比只发生在中心位置 附近的区域内，因此它只能在高速公路上高速行驶( 很少转向) 的情况下适用：第二， 用机械设计的方法改变转向比不能使转向比成为车速的函数。 v r e s 系统克服了上述的缺陷，其机构如图2 5 所示。它在人力的齿条小齿轮系统 在机械结构上增加了两个部件：首先，在转向轴与小齿轮之间插入了个差动轮系： 其次，蜗轮蜗杆联接差动轮系和电机。 2 3 差动轮系助力机构模型分析 2 3 1 差动轮系助力机构模型的建立 杆 图2 5 差动轮系助力机构图 v r e s 的运行规律能用差动轮系的运动学和静力学方程来描述【2 4 l 3 - l 【3 2 l 。运动学方程 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 可以从叠加原理得到，静力学方程可以考虑齿轮系中的每一个自由刚体的受力分析卸。 如图2 5 所示，已知联接方向盘的太阳轮齿数为z ，转角为见，扭矩为r ，与电机联 接的中心轮齿数为毛转角为以，扭矩为f 。，行星轮齿数为z ：，行星架h 联接转向小 齿轮转角为口，扭矩为f ，。根据差动轮系自由度为2 的特点，由差动轮系计算式 令 f 暑：堡生：一鱼 口。一目。 z 1 口。一! l 以“二l 口。 z 1 + z 3：l4 - z 3 = l 一 孑l + 毛 ： z t + 毛 掘0 护p = n l 口，+ n 2 目。 设初始位置为0 ，积分后有巳= n 。以+ 2 以 ( 2 1 ) 由虚位移原理可得静力学方程： f ，= n j f 。 ( 2 2 ) f ，= n 2 r 。 ( 2 3 ) f 。= t + f 。 ( 2 4 ) 从运动学方程( 2 1 ) 可以看到，小齿轮的角位置是行星齿轮和电机角位置的叠加。 这里，。，：是齿轮转动比，它们由太阳轮齿数，行星轮齿数和中心轮齿数共同决定。 口，是齿轮系的输出，以、以分别是驾驶员输入和电机输入。将电机的输入角度( 以) 作为驾驶员输入角度( 幺) 和车速的函数，设直流增益为瓦，得稳态变化方程： 靠= k 6 见 ( 2 5 ) 定义v r e s 系统小齿轮到前轮之间