（机械制造及其自动化专业论文）汽车电子转向系统的研究与开发.pdf

汽车电子转向系统的研究与开发 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：扬己 指导教师签字： 寺霉纠 摘要 汽车电子系统是一个全新的领域，取消了转向盘和转向轮之间的机械连接f 即转向盘与 转向轮之间通过控制信号连接) ，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，角传递和力传递之 间可以独立进行互不影响，所以电子转向系统的角传动比可以比传统转向系小得多。这样 既能减小转向操作中的方向盘转角范围，提高人车闭环系统的响应速度，从而提高人车 系统的避障能力，又不会破坏车辆的转向轻便性。该转向系统的传动比是通过信号传递的， 其特性设计不受机械系统结构设计的影响，可以随车辆速度和方向盘转角在大范围内变化， 而且可以自由设置。同时给汽车转向特性的设计带来无限的空间，提高了汽车的转向性能， 是汽车转向系统的重大革新。 研究的内容主要有：对汽车转向系统和电子转向系统进行综述，并介绍了国内外电子 转向系统的研究现状和发展前景。根据电子转向系统结构特点将其分为转向操纵机构、电 动机及其数字驱动技术、转向执行机构以及转向控制系统四部分分块进行了研究和相应设 计。在转向操纵机构中重点通过对驾驶员“路感”的研究设计了电磁路感模拟器；研究光 电编码角度检测传感器的基础上设计了其单片机接口电路。对步进电动机的原理、特性和 驱动方法研究的基础上结合汽车电子转向系统特点，对步迸电动机进行了选型和数字细分 驱动电路设计。设计了适台电子转向系统的齿轮齿条转向器和能完全符合阿克曼原理的双 导杆式转向传动机构。制定了电子控制系统的控制策略，设计了控制系统电路结构图，分 析了控制系统的工作环境并制定了可靠性设计思路。 关键词：汽车：电子转向：步进电机；控制策略 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e s t e e r i n g b y w i r es y s t e m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：均砌 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：勺罗如，k a b s t r a c t s t e e r i n g b y - w i r es y s t e mi san e wf i e l df o rv e h i c l e t h em e c h a n i c a lc o n n e c t i o n sb e t w e e n s t e e r i n g w h e e la n dt u r n i n gv e h i c l ew h e e la r ee l i m i n a t e di n t h i s s y s t e m ( s t e e r i n gw h e e l c o m m u n i c a t ew i t h t u r n i n gv e h i c l e w h e e l t h r o u g h e l e c t r i cc o n t r o l s i g n a l ) a u t o m o t i v e s t e e r i n g - b y w i r es y s t e mg e t sf i do fl i m i t a t i o no ft r a d i t i o ns t e e rs y s t e m e n t i r e l yt h e r ei sn o c o n f l i c tb e t w e e nt h ed e s i r a b l ea n g u l a rr a t i oa n dh a mw h e e lt o r q u e a l s ot h ea n g u l a rr a t i oc a l lb e s m a l l e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a ls t e e r i n gs y s t e ma n dt h eh a n dw h e e la n g l es c o p ec a nb es m a l l d u r i n gs t e e r i n go p e r a t i o n ，s oi tc a ni n c r e a s et h er e s p o n s es p e e da n dt h ev e h i c h ea v o i da b i l i t yo f t h em a n - v e h i c l es y s t e mw i t h o u ti n c r e a s i n gh a n dw h e e lt o r q u e s i n c et h et r a n s m i s s i o nr a t i oo f t h i ss y s t e mi st r a n s f e r r e db ys e n s o ra n dc o n t r o l l e r , i t sd e s i g np r o p e r t yi sn o ta f f e c t e db yt h e c o n s t r u c t i o no fm e c h a n i c a ls y s t e m s oi tc a nb es e tu n s t r i c t e da n di t sv a l u ec a nc h a n g ew i t h v e h i c l es p e e da n dt h eh a n dw h e e la n g l ei nl a r g es c o p e a u t o m o t i v es t e e r i n g - b y w i r es y s t e m b r i n g si n f i n i t yd e s i g ns p a c et ot h ea u t o m o t i v es t e e r i n gd e s i g na n di m p r o v e st h es t e e rc a p a b i l i t y g r e a t l y t h ep a p e rs u m m a r i z e sa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e ma n ds t e e r i n g - b y w i r es y s t e m ，a n d i n t r o d u c e sp r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n a c c o r d i n gt os t e e r i n g b y - w t r es y s t e mc h a r a c t e r , t h es t e e r i n g b y w i r es y s t e mi s d i v i d e di n t o f o u r p a r t s t or e s e a r c ha n dd e s i g n t h i sf o u rp a r t si n c l u d es t e e r i n gm a n i p u l a t es y s t e m ， e l e c t r o m o t o ra n di t sd i g i t a ld r i v e rt e c h n i q u e ，t h ee x e c u t i v ec o m p o n e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h e r o a df e e l i n g ”o ft h ed r i v e ri se m p h a s i ss t u d i e da n d t h ee l e c t r i c i t ym a g n e t i cr o a df e e l i n g s i m u l a t o r ”i sd e s i g n e di nt h es t e e r i n gm a n i p u l a t es y s t e m ，p h o t o e l e c t r i c i t yc o d ea n g l es e n s o ri s s t u d i e da n di t se l e c t r i cc i r c u i tt h a tc o n n e c tt om o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ti sd e s i g n e d f o u n d e d o nt h er e s e a r c ho fp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i ca n dd r i v e rt e c h n i q u eo fs t e p p e rm o t o r , p r e s e n ts t e p p e r m o t o ri ss e l e c t e da n di t sd i g i t a lc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d ar a c ka n dp i n i o ns t e e r i n gg e a ra n da d o u b l eg u i d er o da u t o m o t i v es t e e r i n ga c t u a t o ra r ed e s i g n e d c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mi sf o r m u l a t e d ，a n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d w o r k i n gc o n d i t i o n so ft h e c o n t r o ls y s t e m si sa n a l y e d ，a n dt h er e l i a b l ed e s i g nm e t h o d sa r ef o r m u l a t e d k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ；s t e e r i n g b y w i r e ；s t e p p e rm o t o r ；c o n t r o ls t r a t e g y 1 绪论 1 1 汽车转向系统概述 1 绪论 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮 ( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车 行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的 系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具 有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾 驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得 尤为重要。 按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两大类。 机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它主要由转 向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车转向器作为汽车转向系统的重要零 部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械 转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系( 如液压动力转向系统中的转向 油罐、油泵、控制阀、动力缸等) ，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正 常的情况下，汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有小部分由驾 驶员提供【l 】。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵f 2 】。 汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转 向器设计成可变速比，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“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，所以这种方法不能根本解决这一矛盾 3 1 随着动力转向系统的产生，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 l 4 j 。 随着电子技术的发展，电予控制式机械一一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一计之后，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1 5 j 。 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 ) ，是继液压动力转向系统 后产生的一种动力转向系统，是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，它属于与 传统液压动力转向系统不同的另种动力转向系统。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通 西安工业大学硕士学位论文 过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低 速时减轻操纵力提高操纵的稳定性，当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提 供最优控制传动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性【6 】。另它可以较好地解 决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转 向系统的趋势。 汽车电子转向系统是一种全新概念的转向系统，其取消了转向盘和转向车轮之间的机 械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以实现一系列传统转向系统无法实现的特 殊功能。它可以实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿。并且可以和a b s 、 汽车动力学控制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航等功能相结合，实现 对汽车的整体控制。 1 2 汽车电子转向系统综述 1 2 1 汽车电子转向系统的结构与特点 汽车电子转向系统( s t e e r i n g b y - w i r e ，简称s b w ) 是种全新概念的转向系统，其取消 了转向盘和转向车轮之间的机械连接，改而由转向操纵模块、转向执行模块和主控制器e c u 三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。转向操纵模块由方向盘、转向 角度检测传感器、能够提供“路感”的转向回正力矩电动机e c u 控制模块以及其他功能器 件组成( 如图1 1 所示) 。主控制器e c u 由单片机( 或其它智能电脑芯片) 以及相应硬件电路和 软件程序组成，用来实时处理转向操纵模块中检测到的角度信号、转向轮的实际转向力矩 信号，实际转向角度信号等，并及时控制转 向执行模块中的电机动作、控制转向操纵模 块中的转向回正力矩电机动作，给驾驶员及 时准确反馈转向信息等功能。转向执行模块 由电动机、机械转向器、转向梯形传动机构 及车轮组成，电动机准确执行控制系统的命 令，同时要为转向器提供足够的力矩以供转 向时需要，转向器和转向梯形传动机构功能 和传统的没多大变化，仍然主要是放大传动 比，实现转向时各个轮之间转动角度关系满 足纯滚动要求，从而减小轮胎磨损。 南 图1 1电子转向系统结构示意图 电子转向系统s b w ( s t e e r i n g b y w i r e ) 是汽车转向方面最为先进和前沿的技术之，由 于其取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以 实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能，具有很多优点： a 电子转向系统是通过软件协调它们之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约 束和干涉，使之可以相对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾 驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。同时由于转向盘和转向车轮之间无 机械连接，在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际彳亍驶状态和路面状 况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，以减 2 一 西安工业大学硕士学位论文 轻驾驶员的体力脑力负荷，提高“人一车闭环系统”对道路的跟踪特性。同时由于减少了机 构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和 传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高【 。 b 电子转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与其它主动安全设备如a b s 、 汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车 的整体控制，提高汽车整体稳定性，且实现了智能交通系统i t s 中的汽车辅助转向功能f 引。 c 由于方向盘和转向车轮之间的机械连接已不复存在，驾驶员“路感”通过模拟生成。 在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息， 作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅囱驾驶员提供有用信息，从而提供更符合 驾驶员喜好的“路感”1 9 。 d 目前美国、中国、俄罗斯、德国、法国、巴西等大多数国家采用“右行”，汽车方向 盘左置；而在英国、日本、印度、巴基斯坦、印尼、泰国、澳大利亚、新西兰等国家采用 “左行”，汽车方向盘右置。这给跨国汽车公司制造带来了不少麻烦，针对同种转向系统， 必须有两套方案，以适合不同国家的消费者。在汽车电子转向系统中，转向操纵模块作为 独立模块，和转向系统的其他部件之间只有导线连接，所以可以根据需要，只要在合适位 置设置导线插座，就能很容易的改变方向盘的位景。 1 2 2 国内外汽车电子转向技术的研究现状 二十世纪五十年代。t r w 等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方向盘与转向车 轮之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，德国的k a s s e l m a n n 等也设计了与此 类似的主动转向系统【1 0 j ，这便是电子转向系统( s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ) 。但由于当时电子 技术和计算机计算能力的制约，电子转向系统一直无法得到实现，对它的研究也没有得到 深入。 奔驰公司在进行后桥电子转向和多桥汽车的第三桥电子转向系统研究之后，于1 9 9 0 年 开始了前轮电子转向系统的深入研究1 1 1 ，并将其开发的电子转向系统安装于f 4 0 0 c a r v i n g 的概念车上。随后世界各大汽车厂家、研发机构包括d a i m l e r c h r y s l e r 、宝马、z f 、d e l p h i 、 t r w ，以及日本的光洋( k o y o ) 精工技术研究所、日本国立大学、本田汽车公司等都对汽 车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际 著名汽车公司已在其概念车上安装了该系统。 在2 0 0 1 年的第7 l 届目内瓦国际汽车展览会上，意大利的b e r t o n e 汽车设计及开发公 司展示了新型概念车 f i l o ”。 f i l o ”采用了 d r i v e - b y - w i r e ”系统，所有的驾驶动作都通过 信号传递的。它使用操纵杼进行转向操作，并采用了最新的4 2 v 供电系统。 日本k o y o 技术研究所开发的电子转向系统采用一个主控制器、一个力矩电机、一个 转向电机的方案，采用机械系统作为故障应急设备，以保证电子部件出现故障后汽车的基 本转向功能得以实现。根据它们的研究、实验结果，利用电子转向系进行主动控制的汽车， 在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移行、侧向实验中基本按照预定的轨迹行驶，比 传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上进行制动实验也能基本保证 汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短【1 2 】。同时由于汽车响应特性的提高，降低了驾驶员 的负担。图1 2 是只有a b s 、在a b s 的车上加装稳定性控制( d y c ) 、在a b s 的车上安装 电子转向系统三种车的紧急制动的试验结果( 初始车速为2 2 2 m s ) 。k o y o 也因此在第5 1 1 西安工业大学硕士学位论文 届自动车技术会议上获得技术进步奖。 日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向系 统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。 他们从人一车闭环系统特性出发，设计了理想的转 向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化 ”，这样就可以充分利用电子转向系统的特点， 最大限度的降低驾驶员的负担。并重点研究了驾 驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性 的影响。 图12 电子转向对制动稳定性的提高” 美国的德尔福公司继成功推出了e p s 系统后，又开发出了自己的前轮和四轮电子转向 系统，并应用于加州的自动高速公路系统( a u t o m a t e d h i g h w a ys y s t e m ，a h s ) 中【1 4 】。9 7 年德尔 福公司与意大利菲亚特公司签订了应用于小型车的电子转向系统研制合同。2 0 0 0 年上半年 德尔福公司已经与欧美等地的汽车生产厂家签订了关于开发电子转向系统的合刚h 】。 在欧洲，以d a i m l e r - c h r y s l e r 、f i a t 、f o r de u r o p e 和v o l v o 等汽车公司、b o s c h 等电子 公司和c h a l m e r s 、v i e n n a 等大学联合发起了“b r i t e e u r a m x b y w i r e 计划”进行电子转向 系统的实现以及安全性和可靠性方面的研究【1 5 】。d a i m l e r c h r y s l e r 已经开发出电子驱动概念 车”r1 2 9 ”( 如图1 3 ) 。它取消了方向盘、加速踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制，实现 了d r i v e b y w i r e 技术。此项技术被列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之一l l ”。 z f 公司在9 8 年开发出电动助力转向系统( e p s ) 之后也积极进行了电子转向系统的开 发研究，图1 4 是由z f 公司开发的电子转向系统。 图1 3 r1 2 9 概念车【1 6 】 图1 4z f 公司的电子转向系统【”1 宝马汽车公司在巴黎车展上参展的概念车b m wz 2 2 ， 应用了s t e e r i n g b y - w i r e 和 b r a k e b y w i r e 技术。整个概念车的开发计划始于1 9 9 5 年。根据公司的规划，计划在2 0 0 6 年时，正式付诸批量生产。虽然在z 2 2 上驾驶员仍然使用方向盘与制动踏板来操作车辆， 但是没有了如转向柱、脚踏板连杆等机械结构，可以减少在车辆发生撞击时机械部件对驾 驶员的伤害。该车仍然保留了传统的方向盘作为人车接口，但方向盘的转动范围减少到了 1 6 0 度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。且操纵机构可以布置的 更为合理，提高了乘坐舒适性与座椅位置的调整范围。 第5 9 届法兰克福汽车展的雪铁龙越野概念车“c c r o s s e r ，也采用了电子转向系统。 目前由于蓄电池电压和功率等因素的影响，电子转向系统只能使用2 4 伏或3 6 伏电 源，难以提供较大的转向功率，现阶段电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要是针 - 4 酬掣世撵朴烂 西安工业大学硕士学位论文 对轿车。要在重型卡车上应用，还必须采用液压执行机构 1 1 1 。随着蓄电池技术发展和4 2 v 电 子设备在汽车上的应用【1 7 1 ，全电子转向系统将应用到中型和重型汽车上。目前4 2 v 电源已 经在一些概念车上得到应用，其中通用的“自主魔力”概念车和b e r t o n e 公司的“f i l o ”概念 车就采用了4 2 v 电源。 我国已有研制开发汽车电动助力转向系统和电子转向系统的文献报道，但大多处于理 论分析和实验室研制阶段。如清华大学汽车实验室已加工出e p s 样机，正在进行装车试验。 合肥天力汽车油泵有限公司拟招商引资生产电动助力转向器，现己开展电动助力转向系统 及传感器和控制器的前期研究工作，并进行进口样件的实验。合肥工业大学机械汽车学院 已完成了安徽省科技厅下达的十五科技攻关项汽车电动助力转向系统的研制与开发，完 成了转向系运动学、动力学分析计算：提出了关于e p s 的控制策略，并在汽车转向试验台 上对控制策略进行了检验，同时进行了道路试验证明其合理性，为e p s 的产品化奠定了坚 实的基础，但在电子转向方面很少有成果。 1 2 3 汽车电子转向技术的前景展望 汽车电子转向系统的设计以减轻驾驶员的体力脑力劳动、提高整车主动安全性为根本 出发点，使汽车性能适合于更多非职业驾驶员的要求，对广大消费者有着巨大的吸引力。 电子技术和计算机技术的发展日新月异，在相当一段的时间内摩根定律依然会起作用， 电子芯片和电子元器件的成本会迅速降低，而处理能力和可靠性会大大提高。电子转向系 统的成本会在不久的将来达到消费者能够接受的水平。根据预计到2 0 0 6 年，电子部件将占 整个轿车成本的2 5 3 5 ，但是采用电子部件后会减少汽车的使用维护费用，并能够推动远 程诊断、远程维护技术的新发展。 目前阻挠电子转向系统普及的一个重要因素是其可靠性问题，现在还无法在可靠性与 成木之间取得一个很好的平衡。世界各大研究机构正在就这一问题进行联合攻关，相信这 问题也能够得到合理的解决。即使采用最笨拙的方法用两套相互监控的电子转向系 统也能够将这一问题解决，当然这要以提高成术为代价。但是随着电子产品成木的降低， 将成木降低到消费者接受的程度也是有可能的。 虽然电子转向系统的成木较高，但是采用电子转向系统后，汽车底盘设计就不必区分 左右行驶交通系统的变化，使底盘开发，特别全球化跨国公司的底盘开发费用降低。 尽管目前在欧洲汽车法规中要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械连接，电子转向系 统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的证据表明电子转向系统的安全可靠性， 它得到上市许可还是完全可能的。根据2 0 0 0 年z f 公司对电子转向系统应用前景的展望， 他们将在2 0 0 6 年左右申请轻型载货车上应用电子转向系统，在2 0 0 5 - 2 0 0 6 年申请电子系统 在客车上的应用，两年后将电子转向系统应用于重型载货汽车。但是奔驰公司估计电子转 向系统汽车要在2 0 0 8 2 0 1 0 年才能允许在路上行驶川。根据目前的发展状况来看电子转向 汽车在2 0 0 6 年或2 0 0 6 年上路的可能性不大，难以在短时间内得到政府部门的认证许可。 目前电子转向系统由于自身成木等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普 及。但是在追求性能极限的高级轿车、高级跑车上应用是完全可能和必要的，它能够减轻 驾驶员的负担。提高主动安全性能，有着很大的应用前景。辅助驾驶系统和无人驾驶汽车 是现在新兴的热门研究领域，实现汽车智能转向的最佳方案就是采用电子转向系统，因而 电子转向系统的研制开发也为自动驾驶汽车的开发提供了良好的科研 5 西安工业大学硕士学位论文 车用4 2 v 电源预计在未来的几年内将会快速发展并普及，届时汽车电子附件的供电问 题将会得到圆满解决。车用各种传感器如非接触扭矩、转角传感器、横摆角速度传感器等 的精度在不断提高，成本下降，在未来的几年内将会在精度和价格方面满足各种电控系统 的要求。 未来汽车的主体是低排放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、电 动汽车( e v ) 等4 大e v 汽车，这给电子转向系统带来了更加广阔的应用前景。 1 2 4 汽车电子转向系统研究的可行性分析 汽车电子转向技术在以后几年能够在国内被研究开发并发展有以下几方面的原因： a 近几十年电子技术和计算机控制技术发展日新月异，电子芯片和电子元器件可靠性 和处理能力大大提高，同时价格迅速降低，高精度、高可靠性的汽车专用传感器、专用电 予元器件不断被研究和开发： b 车用4 2 v 电源在近几年将会迅速发展并普及，届时汽车供电能力大大增强，较大 功率的电动机和电子器件的能源问题可以得到解决； c 电动助力转向e p s 技术逐渐成熟，其研究成果可以为电子转向系统的研究提供技术 参照； d 电子转向系统研究的最关键问题是动力的可靠提供文问题，所以必须选择含适、可 靠并且能够完全取代驾驶员为转向系统提供动力的电动机，而电动机随着电子技术的发展 也在不断被改进，1 9 9 3 年德国百格拉公司公司申请了三相混合式步进电动机专利，该专利 技术已经大大提高了步进电动机的性能，本次研究选择的步进电动机正式其系列产品。 e 步进电动机能不能可靠为转向系统提供动力，不仅在于电动机本身，也在于驱动器 的设计，只有好的驱动电路才能够使电动机充分发挥其性能，计算机控制的恒频脉宽调制 细分驱动技术在近几年被不断研究和推广，而目前市场上的驱动器品种繁多、性能差异较 大，所以可利用其先进驱动技术和汽车专用电子元器件为电子转系统设计专用的步进电机 细分驱动器成为可能和必要。 f 由于汽车电子转向系统有着能够减轻驾驶员的体力脑力劳动、提高整车的主动安全 性、适合非职业驾驶员的要求等优点，必然引起市场关注，促使社会对其人力、精力及资 金的投入会不断增加，将成为其科研开发过程中的技术和资金后盾。 1 3 本文研究目的和意义 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器 和悬架等系统得到广泛应用之后，国外轿车和轻型汽车电动助力转向系统正逐步取代传统 液压助力转向系统，而电子转向系统是转向系统中的最新技术，在国内也很有发展前景。 然而电子转向系统在国内研究的成果很少，没有固定模式和固定标准。本项目具有较高的 学术价值，研究结果对指导电子转向系统的国产化开发具有重要的现实意义口。 a 满足汽车智能化发展的需要。汽车智能化一直是人们追求的目标，电子转向系统的 转向控制单元可以接受汽车上其他传感器的信号，这样它就可以知道整个汽车的运动状态， 当出现紧急或意外情况的时候，电子转向系统就能够在驾驶员做出反应之前开始采取相应 的动作以避免意外事故的发生。当汽车以巡航速度在公路上行驶时，配合其他导航系统和 一6 西安工业大学硕士学位论文 识别系统，便可自动驾驶。 b 是提高汽车操纵稳定性能的必然需要。研究表明，变传动比( 是指转向系传动比随 着车速以及转向盘转角的变化而变化，而不是传统意义上仅仅随着转向盘转角的变化而变 化) 的转向系能够提高汽车的操纵性能，但普通的电动转向由于存在机械连接而很难满足这 一要求。文献叫介绍的变传动比机构不仅结构复杂，而且汽车高速行驶转向系的传动比较 大，虽然这在一定程度上提高了操纵性能，但传动比的增大往往使得驾驶员获得的“路感” 信息减少，而适度的“路感”对高速行驶的车辆是十分重要的。 c 安全行驶的需要。在发生撞车事故时，转向盘是造成驾驶员伤亡的重要因素，而转 向盘的后移往往也是由于存在机械连接造成的。动力转向存在机械连接的主要目的之一就 是出于安全的考虑，即在助力作用部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶的能 力，这也是许多法规的要求。但这样存在另一方面问题，助力作用突然失效时，虽然驾驶 员可以靠机械连接进行转向，但若驾驶员一时无法适应这种突然的变化，也会给驾驶汽车 带来潜在危险。 d 有利于汽车的设计与制造。由于电子转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连 接，既可以腾出空间以安装其他零部件，又可以根据不同国家的法规，实现转向盘左置和 右景的灵活改造。 1 4 本文研究的主要内容 由目前汽车电池负载能力导致电动机承载能力仍然有限，所以以前轮独立悬架式汽车 即轻型、小型汽车作为本课题研究重点，研究的主要内容如下： a 建立了电子转向系统s b w 的理论化模型；并根据硬件结构将汽车电子转向系统分 成转向操纵模块、动力源、转向执行模块、转向控制系统四大模块，分块进行研究和设计。 b 重点研究设计一套为s b w 提供动力源的电动机及其驱动系统；主要是针对现有的 电动机类型、原理、特点等进行分析研究，选取最适合s b w 系统的电动机，并对其深入研 究并改进，并通过合理的单片机控制电路和软件控制程序使其能够可靠、稳定、及时、准 确地为s b w 提供动力。 c 研究开发一套驾驶员“路感”系统，使汽车在行使过程中，方向盘能够及时可靠地 为驾驶员提供路面信息和转向信息。 d 通过对当前机械转向器和转向传动装置的研究和改进，设计套s b w 专用机械变 速传动系统。 e 针对s b w 特点制定合理的控制策略或控制方法，并设计其控制系统，对控制系统 进行可靠性分析，采取合理的可靠性措施。 - 2 转向操纵机构 2 转向操纵机构 汽车电子转向系统( s b w ) 的转向操纵机构主要由方向盘、转向管柱、“路感”模拟器和 光电编码角度检测传感器组成，和转向系统的其它部件之间只有导线连接，和传统的相比 具有相对独立性，可以作为一个整体模块进行设计。 2 1 方向盘与转向管柱 传统的方向盘可归纳为三个主要功能：一是传递力矩和角度信息，即将驾驶员发出的 力矩和角度信号通过方向盘传给转向系统，完成汽车行使过程中的正常转向；二是将车载 信息和转向情况及时准确地反馈给驾驶员；第三个是由于方向盘位于司机的正前方，是碰 撞时最可能伤害到司机的部件，因此要求方向盘具有很高的安全性，在司机撞在方向盘上 时，骨架能够产生变形，吸收冲击能，减轻对司机的伤害。就要调整骨架的材料或形状等。 在电子转向系统中，方向盘的第一个功能发生变化，只传递角度信息不再提供力矩， 在设过程中不必采取传统的钢、铝合金或镁合金骨架l 结构，可以用强度相对较小、变形 小的橡胶材料代替，方向盘外径交小，手握处交粗，佼操作感得到了改善。同时有利于功 能三的实现，方向盘材料要求能提供合适的路感力矩的基础上，能够在发生较大冲击时发 生变形或碎裂。 转向管柱支撑方向盘，可以通过调整高度适合不同人群；另外，由于其空间较大，角 度检测传感器和为驾驶员提供“路感”的装置也安装在转向管柱上：最后，由于转向管柱 和方向盘的密切关系，所以也是可以提高安全措施的重要对象。 汽车撞车过程中，首先是车身被撞坏( 第一次冲击) ，汽车前端被碰撞，发动机舱等后移， 转向操纵模块向后推，方向盘与驾驶座椅之间的空间突然缩小，挤压驾驶员，使其受到伤 害；接着，随车速直线下降，驾驶员在惯性力的作用下向前冲，再次与转向操纵模块接触( 第 二次冲击) 而受到伤害【塌。除了在方向盘上采取措施外，还可以将转向管柱设计成缓冲吸能 型的1 2 3 1 来减轻驾驶员受伤程度。 吸能转向管柱可采取的吸能形式有多种，有钢球和内套套简、变形支架、变形条等几 种型式以实现“缩进”。钢球和内套套简连接形式中，上转向管柱和下转向管柱的一组钢 球嵌在一个塑料内套套筒内，内套套筒是钢球的保持架，它与上、下转向管柱不直接接触， 而是靠钢球相连。在这个总成中，一旦塑料内套套简受到大负载冲击崩溃，改变了钢球的 位置就会使转向管柱向下位移。 2 2 转向操纵的“路感” 2 2 1 转向路感及路感强度 汽车转向过程中的转向轻便性与路感是相互矛盾的。满足转向轻便就要求转向系统能 提供大些的助力，而助力增加后，路感就变差了。转向轻便性是对汽车低速行驶( 如原地转 向、泊位) 时提出的要求，而路感是对汽车高速行驶时提出的要求，汽车在高速行驶时，应 8 西安工业大学硕士学位论文 能把车轮与路面的接触状态以反力和位移形式，通过转向系传至方向盘，使驾驶员感到此 种力和位移的反馈及其差别。路感对于高速车辆之所以必要，是为了能够给驾驶员提供一 种正确判断车轮与路面附着情况的信息，以便在不同的道路条件下，采取合适的运行方式 ( 高速、转向和制动) ，确保车辆的行驶安全。如果路感很清晰，驾驶员就会心中有数，有利 于提高行驶安全性。因此，在某种意义上说，路感实际上是给予驾驶员操纵汽车的一种安 全感，做到心中有数、防患于未然。路感按车辆的行驶状态或方向盘的位置，可以分高速 直线行驶、转向和回正过程的路感【2 4 j a 直线行驶时的路感在机械式转向系统( m s ：m a n u a ls t e e r i n g ) 中，车轮到方向盘为 机械连接，刚性较大，来自路面的反力和位移可迅速而准确地由车轮传至方向盘，但路面 不平时，方向盘易受到较大的冲击。在e p s 系统中，方向盘到车轮亦是机械连接，电机直 接连接在转向器上，并有一定的惯性和阻尼控制【2 研。因此，装有e p s 系统的车辆在平坦路 面行驶时，具有与m s 系统相似的路感，且在不平的路面行驶时，方向盘又不易受到很大 的冲击，而有较好的路感；在h p s 系统中，从车轮到方向盘除了机械连接之外，还有动力 缸中的油液通过活塞也参与传力工作，并且方向盘在中间位霞时扭杆的刚性很小，因而由 于油液的阻尼、惯性和扭杆的变形，延迟了信息传递的速度( 滞后) ，使路感变差。 b ，转向过程的路感转向过程的路感主要表现在两个方面：一是汽车在某种路面上进 行转向时，方向盘上的操纵力应随车速而变化；二是汽车在同一路面上和同一车速下进行 转向运动时，方向盘的操纵力应随其转角或阻力矩的增加而增加。 c 回正过程的路感回正过程的路感也是表现在两个方面：一是方向盘的操纵力应随 其转角的减小而减小；二是当车辆以较低的速度运行并转向和回正时，车轮的回正能力较 差( 路面的摩擦力较大) ，为了提高转向操纵轻便性，应尽可能使方向盘回正力矩特性曲线基 本上通过或接近方向盘的中间位置；而当车辆高速行驶时，车轮的回正能力较强( 如不加以 控制则方向盘将会出现较大的超调量和摆振) 。为了提高车辆行驶的稳定性和方向盘稳定 感，宁愿使回正特性曲线不通过中间位置而保留少量的残留角，使其在运动的过程中，靠 回正力矩的作用自动回正1 2 6 1 。 路感的强弱通常用路感强度来表示。路感强度苴是指转向负载增加单位值时对应的操 纵手力的相对变化量| 2 7 1 。 e = k 乃a l ( 2 1 ) 式中： k 摩擦阻力对路感的影响 d 乃一驾驶员操纵力矩的变化 4 a 一转向负载的变化 什么是理想的路感，目前尚无定论，对不同的人有不同的理解。不同的汽车类型、不 同的行驶环境、不同的驾驶风格等，都需要不同的路感。例如，一辆经常以中等车速行驶 在城镇的大型车辆，应该提供较大的助力【2 s 】。当汽车在高速公路上直线行驶、或在盘旋公 路上行驶时，需要驾驶员对其精确地操纵，此时驾驶员需要通过方向盘得到更多地汽车响 应信息，使驾驶员能精确地控制汽车转向【2 9 j ，n o r m a n 在文献 3 0 】中经过试验证明，大多数 美国轿车转向比较轻便，而路感不太好；丽欧洲轿车在侧向加速度小，即转向角度小时， 路感相对较好。对于经常在城市中低速行驶的车辆来说，对路感的要求并不突出，而是要 求尽量轻便灵敏。而对于经常在高速公路上直线行驶的车辆而言，从安全性的角度出发， 9 。 西安工业大学硕士学位论文 应该在小转角的中心直线行驶区域具有足够的路感。 22 2 电子转向系统的路感分析 由于方向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”必须通过模拟生成。在回正 力矩控制方面可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方 向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为 真实的“路感”。 电子转向系统的方向盘力感模拟可以通过两种方法：来实现一种是采用驾驶模拟器中 方向盘力矩模拟的方法，即转向系统动力学建模方法，模拟传统转向系统的路感特性，动 力学模型中不考虑转向系统的干摩擦会更利于驾驶员感知真实的路面状况。 另一种是模拟方法，通过建立基于经验的方向盘回正力矩算法模型，通过驾驶员主观 评价方法确定经验模型中的参数。由于此种方法简单实用，而被大多数电子转向系统采用。 由文献 2 0 我们得到了方向盘回正力矩的算法模型，并以此模型作为本论文研究电子 转向系统“路感”的基础： t = k ( v ) 氏+ c ( v ) 瓯+ j o ( v ) f ( a y ) ( 2 2 ) 式中： z h 方向盘回正力矩；y 一车速： d 厂汽车侧向加速度； 磊方向盘转角； c ( 一阻尼系数； 岛( v 卜随车速变化的方向盘转角增益系数： 如，( v ) 与侧向加速度有关的中心区转向特性系数； 蚝( v ) 占圹一低速时与车轮定位有关的轮胎回正力矩； c ( v 1d 卜防止方向盘振荡的阻尼力； f a r ( v ) f ( a 彦一高速时轮胎回正力矩 2 2 3 电磁路感模拟器 电子转向操纵的“路感”由电磁路感模拟器提供。电磁踌感模拟器的结构如图2 1 所示， 由固定在转向柱上的环形永磁铁及鼠笼式导条等两大部分组成，鼠笼式导条圈装在车身上， 而环形磁铁固定在转向柱上。本系统的驾驶员“路感”由电磁路感模拟器提供。 图2 1 电磁路感模拟器 1 0 - 西安工业大学硕士学位论文 当汽车转向轮偶遇路厦凸起物