（电力电子与电力传动专业论文）汽车电动助力转向系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m ，w h i c he m e r g e di nr e c e n ty e a r s ，i san e wt y p e o fv e h i c l es t e e r i n g s y s t e m p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c sm o d e lo fe p ss y s t e m i s c o n s t r u c t e da n da n a l y z e db a s e do nc o l u m ne p ss y s t e mi nt h i st h e s i st h ee p sc o n t r o l s y s t e mc o r e di nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe p ss h o u l db e f i r s t l yc o n c e r n e d b e c a u s eo ft h e i m p o r t a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ss t a b i l i t ya n dc o m f o r t ，a n dt h ec o n t r o lt h e o r yo f t h r e et y p e so fc o n t r o li sp r e s e n t e d ，w h i c hi sa s s i s tc o n t r o l ，r e t u r nc o n t r o la n dd a m p c o n t r o li nt h ep r o c e s so fc o m p i l i n gp r o g r a m ，s o m ep r o b l e m sa r er e s o l v e d t h e c o m p e n s a t i n gm e t h o di n t e g r a t i o na n dm e t h o dr e s o l v et h ep r o b l e mo fd i t h e r i n g b e t w e e nm o t o ra n ds t e e r i n gw h e e l t h ed i g i t a la d j u s t e rc a nm a k ea s s i s t a n c es o f t n e s s a n dt h em o t o r so v e r t u r n i n gc a nb ee l i m i n a t e db e c a u s eo fs t e e r i n gw h e e lf a s t e r t u r n i n g an o v e ls o f t w a r e - f i l t e r , w h i c hc a np r o v i d ec o n t r o ls y s t e mm o r ee x a c t s a m p l i n gd a t a ，i sb r o u g h tf o r w a r da n dr e a l i z e d c o m p a r e dw i t hd cm o t o r , b r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o rh a st h eu n e x a m p l e d a d v a n t a g e t h ec o n t r o lm e t h o do fb l d cm o t o rs u b s t i t u t i n gf o rd cm o t o ri ss t u d i e d a n dd e s i g n e di ne p ss y s t e m an o v e lm o d e li sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o r r e c tc o n t r o l t h e o r yo fb l d cm o t o ri tc a na l s ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo fn e wm e t h o dt op r o m o t et h e d e s i g no f r e a ls y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o n t r o ls l u g ，w ec o n s t r u c tt h ec o n t r o l s y s t e mo fb l d cm o t o r a tl a s t ，w ed oe x p e r i m e n ta n dp e r f e c tr e s u l t so fb o t h s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h ec o n t r o ls c h e m ei sf e a s i b l e an o v e ln e u r a ln e t w o r k ( n n ) - f u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt h r o u g h t h ec o n s t r u c t e dn n - f u z z yp i dc o n t r o l l e r ，w h i c hc a nm o d i f yp a r a m e t e r sv a l u eo f p r o p o r t i o n , i n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tt oa d a p tv a r i e t yo fc o n t r o ls y s t e m , t h e b e t t e rr e s u l tr e a c h e sa n dt h es y s t e mi sm u c hm o r er o b u s tt h a nt h a tw eg e tt h r o u g hp i d c o n t r o l l e r ，as e n s o r l e s sb l d cm o t o rs y s t e mw i t hn o v e lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n m e t h o db a s e do nb a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c ea n dz e r o c r o s s i n g i s p r e s e n t e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sc o n d u c t e da n dt h er e s u l t sv e r i f yt h ec o n t r o ls c h e m ei sv a l i d a n di t sd y n a m i ca n ds t a t i o n a r yp e r f o r m a n c ei sv e r yg o o d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g d s pa s s i s tc o n t r o lr e t u r nc o n t r o l b l d cm o t o rn e u r a ln e t w o r k ( n n ) - f u z z yp i dc o n t r o ls e n s o r l e s s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注苤鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：交扛军 签字日期： 矽9 年九月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 舡军 签字日期：2 ，扩彩年方月2 日 0 夕日 杉， o 月 侈、加 ，年hu( 0 一 1 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 1 1e p s 概述 第一章绪论 汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操 纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安 全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。为了提高转向性能，用助力系统帮 助驾驶员进行转向控制，汽车助力转向系统根据能源的不同可以分为机械转向系 统和动力转向系统两大类，目前普遍采用了动力转向系统，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) 。液压助力转向系统 是早期采用的动力转向系统形式，电子技术和电气技术的应用使得转向系统发生 了革命性的变化，出现了电动液压助力转向系统和电动助力转向系绀1 】1 2 】。 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 gs y s t e m ) 是一类近些年出现 的新型动力转向系统。它又依据助力电机助力位置不同，系统分为转向轴式e p s ( c o l u m n - e p s ，简称c e p s ) ，应用于微型汽车；齿轮式e p s ( p i n i o n - e p s ，简称 p e p s ) ，应用于小型汽车；齿条式e p s ( r a c k e p s 。简称r - e p s ) ，应用于中型 车辆及高档轿车中。不论何种助力系统，都由转矩传感器( t o r q u es e n s o r ) ，转 角传感器( r o t a t i o ns p e e ds e n s o r ) ，电子控制单元( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，简称 e c u ) ，电动机( m o t o r ) 及转向盘( s t e e r i n gw h e e l ) 、减速箱等组成。本课题选用 c e p s 作为研究对象，该系统在车上的布置位置如图1 - 1 所示。 i 控制模块2 组合仪表内的车速信号3 扭矩传感器 4 电机和离合器5 转向齿轮箱6 蓄电池7 - 抑噪器 图1 1e p s 系统车内装配位置图 第一章绪论 电动转向( e p s - e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 系统使用电动机的动力帮助驾驶员 进行转向。该系统采用了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，与液压助力转向系统相比1 3 l 【4 】，e p s 系统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，省去了液压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，是动力转向发展的 必然趋势，能降低燃油消耗；实现“按需供能”，仅在需要转向操作时才需要电 机提供的能量；提供可变的转向力，提高转向舒适性、安全性；增强转向跟随性； 改善转向回正特性，通过灵活的软件编程，得到电机在不同车速及不同车况下的 转矩特性，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性；提高操纵稳定性，在 高速行驶的汽车一过度的转角来迫使它侧倾，使得汽车具有更高稳定性；采用“绿 色能源”，适应现代汽车的要求；系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能 优越。 1 2e p s 在国内外发展情况 电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月铃木公司首先在 c e r v o 车上装备e p s ，随后还用在a l t o 车上。此后，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 s 。如：大发汽车公司在m i r a 车上装备了e p s ， 三菱汽车公司在m i n i c a 车上装备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前己经选 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 ；d e l p h i 汽车公司已经为大 众的p o l o 、欧宝的31 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。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 还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 。e p 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。日本早期的 e p s 仅仅在低速和停车是提供助力，高速时e p s 将停止工作p l 【6 】。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供汽车的操纵稳定性。 e p s 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必要条件。电子控制是 汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系统才能向高度集成的 综合性控制性发向发展。国外的e p s 技术相对比较成熟，但是对国内来说其关 键技术仍处于严格的保密状态，有关具体的技术文献不多。而随着汽车工业的发 展，人们对汽车舒适性、安全性等方面提出了更高的要求，不论是从技术角度， 还是从市场角度，对国内的汽车行业来说掌握e p s 这一先进的技术都很重要。 e p s 系统研究已被我国列为高新科技产业项目之一，也已有部分高校和企业联 2 第一章绪论 合，形成“产、学、研”为一体的研究和开发，但是真正的应用于实车中还比较 少，没有行成大规模的产业。 1 3e p s 主要结构 电动转向系统的物理模型如图1 - 2 所示。整个控制系统由转向传感器、车速 传感器、微电脑控制单元( e c u ) 、电机和助力机构等部分组成。e p s 系统工作 原理描述如下：主要由转向传感器把方向盘的输入信号( 转向力矩和旋转速度等 信号) 送入e c u ，再由车速传感器将采集的车速信号也送入e c u 。e c u 通过采 集的信号值，依据助力特性( 跟据车速，电机转速，驾驶习惯等信息计算出来) ， 按照一定的控制策略控制( 助力，回正和阻尼三种不同的控制方式) ，计算出所 需的助力力矩，从而通过e c u 控制助力电机来控制输出的力矩，提供出相应的 助力，帮助驾驶员进行转向控制。在汽车低速行驶情况下，提供助力，减少驾驶 员的出力，得到一种轻便的效果；而在汽车高速行驶情况下，电机处于阻尼状态， 提供给驾驶员一种稳定的感觉，从而保证了驾驶的安全性。 生 图l - 2 电动转向系统结构示意图 由e p s 的结构可以看出，e p s 系统主要由控制单元e c u 和执行单元被控电 机两部分组成，控制单元e c u 主要负责控制信号的采集工作( 包括方向盘力矩 信号，车速信号，电机转速信号，路感信号等) ，并依据采集到信号，经过一定 的控制规则做出相应的控制动作。e c u 通常为一些单片机、微处理器、d s p 等 控制芯片，用来控制电机及外围相关器件。执行单元一电机主要负责执行e c u 的命令，最终为系统提供助力，实现助力控制。在控制系统中，常用的执行电动 机，按电机的原理分为以下几类：直流电动机直流伺服系统；交流同步电动 机一永磁无刷直流电动机和永磁交流伺服电动机；步进电动机；开关磁阻电动 机；异步电动机交流伺服电动机。 电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展【7 】。随着现有的工业 电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加，用户也不断提高对 第一章绪论 电机控制技术的要求。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的 精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想。而 且构建模拟控制器比较复杂，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数 字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵 活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 高性能的数字信号处理器( d s p ) 能解决电机控制器不断增加的计算量和速 度需求。将一系列外围设备如模数转换器( a 仍) ，脉宽调制发生器( p w m ) 和数字信号处理器( d s p ) 集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电 机控制专用的d s p 芯片。美国德州仪器1 1 公司推出电机控制器专用控制芯片，作 为新一代数字电机控制器的专用d s p 系列，它可支持用于电机控制的指令产生、 控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。如此一来，d s p 芯片制造的电机控 制器可以降低对传感器等外围器件的要求。其它比较有名的生产d s p 的厂商还有 m o t o r o l a 公司和n e c 公司。 另外，由于采用了比冯诺依曼更先进的哈佛结构，d s p 运算速度快，控制策 略中可以使用诸如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等先进的实时算法，大大 提高控制系统的品质。而且d s p 控制软件可用c 语言、汇编语言编写或者二者 嵌套使用。因此采用d s p 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用。在越 来越多控制电机的场合下，往往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况， 如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，这时运用d s p 芯片和一些其它 的可变程控器件就可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力。 执行机构一电机的选择，就目前的状况来看，绝大部分都是做普通直流机的 控制。对于无刷直流电动机0 3 r u s h l e s sd cm o t o r ) 在e p s 中的应用日本研究人员是 极力推荐用无刷直流机替代直流机的，美国的研究人员则走无刷直流机和交流机 两条路，来替代普通直流机。 多年以来，在高性能的运动控制系统中一直都是采用直流电动机调速系统， 因为直流调速系统具有线性的机械特性，并且还具有起动力矩大、调速精度高、 调速范围宽以及控制结构简单等优点。但是由于直流电动机使用了电刷和机械换 向器，因此它也存在着难于克服的弱点，这就是需要经常地进行维修检查和更换 电刷，其可靠性差，并且维修困难，不能在恶劣的环境中使用，换向时还会产生 电火花，这些对于工作条件较为恶劣的汽车运行环境中，其应用受到了极大的考 验。普通交流电动机虽不存在这方面的不足，但普通交流调速系统却又没有直流 调速系统的各种优点。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的 发展，使得交流调速系统也逐步具备了宽调速范围、高调速精度、快速动态响应 4 第一章绪论 以及四象限运行等良好的技术性能，其取代直流调速系统己成为必然的发展趋 势。无刷直流电动机采用半导体功率开关器件( 晶体管、m o s f e t ，i g b t ，i p m ， 用霍尔元件、光敏元件等作为位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部 分，以电子换相代替机械换向，从而提高了可靠性。它的外特性和一台有刷直流 电动机相似。关于在e p s 系统中用无刷直流电动机机替代直流机的想法和尝试， 日本和美国的一些企业和科研单位已经有了一定的研究，有部分无刷电机的e p s 产品应用到实际中。 无刷直流电动机的优点： a 稀土永磁无刷直流电动机由于转子为永磁铁，不需要外部供给电流，基 本上没有发热，减少了损耗，同时对于缩小体积有利，可以使机构更加精巧，所 以效率较高。由于没有电刷，它的寿命可达2 0 0 0 0 h 以上，目前它己成为高性能 驱动场合的理想伺服电动机。 b 与直流调速系统比较：无刷直流电动机无电刷和机械换向器、工作可靠、 无电火花产生，同时它又具有类似于普通直流电动机的调速性能。经电子控制获 得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，宽调速范围；无刷直流电机本 质上是交流电动机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速， 可得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护；调速性能上又和直流机相似 因此，可以在无刷直流电动机调速系统中可以借鉴普通直流调速系统的成熟设计 经验。 c 与异步电动机调速系统比较：其控制方法简单，功率变换器不必为电机 提供无功功率，并且电机转子无励磁、效率高、低速性能好。 d 与一般变频调速的同步电动机比较：它不存在失步问题，并且提高了动 态性能，而与采用矢量控制的同步电动机相比，其控制结构简单，便于工程化。 e 结构简单，易于制造，由于没有电刷，维护方便，而且没有火花，对于 很多特殊场合的使用提供了方便。无刷直流电动机功率因数高，转子无损耗和发 热，有较高的效率：有资料对比，7 5 k w 异步电动机效率为8 6 4 ，同容量的无 刷直流电动机效率可达9 2 4 。 1 4 课题研究的主要内容 基于上述所分析的内容，本课题根据实验室条件，研究的工作如下： 1 在分析e p s 系统的数学模型及工作原理的基础上，构建以t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心的e p s 控制系统，设计了a d 采样及配置输入 接口，g p i o 接口，电流采样，p w m 输出等硬件电路。 2 编制相应的控制软件，根据e p s 系统的特点，实现系统要求的控制算法： 第一章绪论 助力控制、回正控制和阻尼控制三种控制策略下的控制。通过通讯，在上位机编 制的v b 程序中将实验的助力效果实时的显示出来。 3 在执行机构的选择问题上，对无刷直流电机进行了研究，系统地总结无刷 直流电动机调速系统的基本结构和工作原理，并运用m a t l a b 6 5 仿真软件对无刷 直流电动机进行电气模块仿真实验，验证无刷直流电动机的控制原理。 4 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 设计控制电路，编制相应的控制软件，控制有 位置传感器的无刷直流电机的运行，设计电流环，转速环的双环控制系统，调节 p i d 参数，从而调整系统的运行特性。 5 在常规p i d 调节的基础上，提出一种新型的调节方法一神经网络模糊p i d 控制方法，通过改变p i d 参数的值来使系统的输出具有更好的动静态性能，并 提高系统的鲁棒性。在实现有位置传感器的无刷直流机控制后，探讨了无位置传 感器的无刷直流电动机控制，因为在汽车上的空间是有限的，节省一定的空间， 能够很大程度上提高驾驶的舒适程度。阐述了反电势过零法原理，并实现了无位 置传感器的控制，为今后的无位置传感器无刷直流机控制奠定了基础。 6 第二章e p s 系统模型及控制策略研究 第二章e p s 系统模型及控制策略研究 2 1e p s 系统模型研究 2 1 1e p s 物理模型建立 e p s 根据电动机布置的位置不同，可分为三大类。转向轴式电动助力转向系 统( c - e p s ：c o l u m n - e p s ) ：转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通 过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向；齿轮轴式电动助力转向系 统( p - e p s ：p i n i o n - e p s ) ：齿轮助力式e p s 的电动机和减速机构与小齿轮相连， 直接驱动齿轮助力转向；齿条轴式电动助力转向系统( r - e p s ：r a c k - e p s ) ：齿条 助力式e p s 的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。三种助力转向系统 除物理模型和系统参数有差别外，其动态模型基本相同，控制原理也相同。下面 以c - e p s 系统为例来分析e p s 系统的模型降1 。 c e p s 系统是e p s 系统的一种助力系统，它将助力电机和助力机构安装于 转向轴上，将各部件由实物抽象为物理模型如图的构成如图2 - 1 所示，整个系统 由转向柱、转向器、转矩传感器、车速传感器、微电脑控制单元( e c u ) 、电机 和助力机构等组成。其工作原理是：扭矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在 扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给电子控制单元( 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。控制单元根据不同的控制策略，在不同的控制条件下， 根据在不同车速提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高 速行驶时稳定可靠，提高驾驶员的行车“路感”。 齿轮齿条传动机构 图2 - 1c e p s 系统物理模型 7 第二章e p s 系统模型及控制策略研究 2 1 2c - - e p s 系统动态数学模型的建立 由图2 1 所示的物理模型【9 1 【1 0 1 ，可得到c - e p s 系统的动态数学模型，如图 2 - 2 所示。由于e p s 该系统是多变量、强耦合的非线性系统，同时系统存在未建 模动态以及外部的干扰和参数的变化等未知因素，因此建立适合于实际控制的 e p s 数学模型是控制设计的基础。 图2 - 2c - e p s 系统动态数学模型 由e p s 的数学模型，依据牛顿运动定理，针对系统的三大部分( 转向轴，齿 条轴和控制电机) 建立如下c e p s 系统的非线性运动方程式： 以晓= 恐! ! + 乃一玩晓一e 晓+ z ( 只，晓) ( 2 1 ) ， ，域：盟互笠! ；：垡+ ! i ! 生也毒。顷佛矗i r pr pt p ：生纯兰j + 鱼堕盖纯一旦- m 砖正。何以，专，( 2 - 2 ) r lr f l p f p 坦= 霸石坦怃纯，吃，) ( 2 3 ) 上述三个式子中参数说明如下：乃为转向盘力矩( n m ) ；x r ，m ，6 ，分别为齿条 的位移量( 1 n ) 、质量( k g ) 和阻尼系数( n 哳a d ) 0 c ，j 。，k 。，屯分别为转向轴的旋转角 ( r a d ) 、旋转转动惯量( k g m 2 ) 、刚性系数( n r a d ) 、阻尼系数( n 曲a d ) ；0 为转向 轴齿轮半径( m ) ；氏，厶，k 。，b m 分别为电机的旋转角( m d ) 、转动运动惯量 ( k g m 2 ) 、刚性系数( n t a d ) 及阻尼系数 咖d ) ；g 为电机至齿轮轴的减速比；e x 为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的转向阻力，正，z 和厶是模型中 的非线性项。 式( 2 1 ) 为转向轴的动态方程。其中三二为齿条移动的距离转化为齿轮旋转转 第二章e p s 系统模型及控制策略研究 过的角度，吃为转向盘转过的角度，墨也立r p 为转向轴因为旋转的角度而受到 的阻力，乃为转向盘的力矩输入，再加上工非线性项，成立了关于转向轴的方 程式。 式( 2 2 ) 为齿条轴的动态方程。其中墨丝一! ! 季为经过转向轴传递到齿条轴上 r p； 的力，里n 一兰型! 白为助力电机经减速机构后传递到的齿条的作用力。转向阻 i p i p 力历。主要受转向时车轮与地面的摩擦力，回正力矩及转向系统中各种摩擦力和 力矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等有关。 本文从理论与实际应用出发，以简化计算公式巧。= e x + 一来表示，k ，为弹性 系数；f 为路面对轮胎产生的随机扰动。 式为电机的动态方程。其中z = g k 胞一争为电机的输出力矩，乙 为电机的给定电磁力矩。乙值的大小决定于电机的给定电流大小。在本系统的 计算中，l 值由力矩传感器给出，可表示为 t f k4 k 。( 8 c 寺) ( o x f k ) 咚q 4 式中置。是转向助力增益。该值定义了转向“路感”，即汽车在不同路况下，即使 是相同的行驶速度，相同的转向角，电机也会提供不同的助力大小，使驾驶员在 舒适驾驶的同时，能充分感受到路面的信息。 助力力矩l 由电机供给，l 为电磁力矩l 经过减速机构的输出力矩，它的 大小由车速和转向盘的输入力矩及其它信息控制，= ( 乃，式中乃为方向 盘力矩；圪为汽车速度。在不同汽车速度下，一乃为一族非线性曲线。由式 t 拊2 k4 k 。( 8 。等) ( 。( k 。 k )。(2-5) 。p 知，电机提供的助力增益由k 。决定。该助力增益反映了系统在不同车速下的助 第二章e p s 系统模型及控制策略研究 力水平。不同车速时助力增益x 。不同。置。与车速矿的关系表示如下： k 。= t e “( o v o 俨)( 2 6 ) 式中r 、足为系数，不同车型系数取不同的值。式( 2 6 ) 表明了足。随车速 圪的增大而成指数减小。通过计算和仿真得到助力特性如图2 _ 3 所示。该助力图 反映了助力特性关系。电机提供了较好的助力，在某一速度情况下，当方向盘没 有力矩输入的时候，电机也不提供助力，当方向盘上有很小的助力时，电动机仍 旧不提供助力，直到方向盘的转动需要很大力矩的时候，为了减轻驾驶员的出力， 电机开始提供助力力矩，并且力矩的大小随着方向盘转动角度的增大而增大，而 当方向盘力矩大于7 n d 时，电机提供的助力保持不变，达到一个饱和的程度，避 免了因电流过大而使电机损坏。当然根据不同车型，不同的驾驶习惯等，得到的 助力特性图也是不相同的。 畲 弓 e 曼 聚 r r 盘 2 1 3 助力特性曲线 方向盘力矩t d ( n m ) 图2 - 3 不同k o 值助力特性图 电动助力转向系统的助力特性曲线分为三大类：直线型、折线型和曲线型。 如图2 - 4 所示。无论何种助力特性，都可分为三个区：o 乃 咒为无助力区， 即死区当转向盘输入力矩小于某一特定值时助力力矩为零；气乃 一为助 力区一助力力矩随着转向盘输入力矩的变化而变化，转向盘输入力矩越大，助力 力矩也就越大；2 为助力饱和区一不同的车速下限制不同的助力电流最大 值，在特定车速下转向盘输入力矩达到一定值后助力电流应该呈现饱和。 当然，不论何种助力曲线，都必须满足以下几条要求：l 、助力特性应该满足 电机控制的特点，即助力特性应连续。2 、依据转向系统的特点，助力特性应有 助力死区、助力区和助力饱和区三大部分。3 、助力特性是车速感应型，故此特 1 0 第= 章e p s 系统模型及控制策略研究 性应是三维的离散型或是三维连续型。同一车速时，不同转向盘力矩，电机提供 不同的助力力矩；不同车速时，提供不同的助力曲线。4 、随着车速的不同，提 供的助力也不同。车速越高，提供的助力越小；车速越低，提供的助力越大1 1 1 】【1 2 】。 下面具体分析这三种助力特性曲线的特征如图2 - 4 所示。 _ 1 雄 弋 心 l 五_ 1- 。雄 n - 、遗 乇c z 1 j 獗 弋邋 l 直线型折线型曲线型 图2 4e p s 系统助力特性曲线类型 直线型助力特性曲线的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成线性关系。 该助力特性曲线可用以下函数表示。 f 00 s 乃 毛 ，= 厂以) - ( 乃一瓦)瓦乃 乃。 ( 2 7 ) i ，。 乃乃一 式中，为电机的目标电流；k 为电机的最大工作电流；乃为转向盘输入力 矩；厂( 圪) 为助力特性中车速的函数，表示曲线的梯度；一为车速；瓦为转向 系统开始助力时的转向盘输入力矩；t 。为转向系统提供的最大助力时的转向盘 输入力矩。 折线型助力特性曲线的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成分段线性 关系。该助力特性曲线可用以下函数表示。 j = 00 乃 屹 z 以) (