（车辆工程专业论文）基于h∞控制理论的汽车电动助力转向控制系统研究.pdf

摘要 摘要 转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，其性能直接影响到汽车的操 纵性能和稳定性能。转向技术经历了由机械式转向到动力辅助转向的发展历程，目 前液压动力转向系统已经在汽车上得到普遍应用，但液压动力转向系统存在效率低、 能耗大、路感差、液压油易泄露污染环境等缺点。为了克服液压动力转向系统的缺 点，进一步提高动力转向系统的性能，具有高效、节能、环保特点的电动助力转向 系统成为当前研究的热点，电动助力转向技术代表着动力辅助转向技术未来的发展 趋势。 从汽车的使用出发，要求电动助力转向系统不仅能够有效地减小转向盘转矩， 而且要求电动助力转向系统具有良好的稳定性能、抗干扰性能、回正性能和鲁棒性 能，并且能够提供良好的路感。控制系统是电动助力转向系统的核心，控制策略的 优劣是影响电动助力转向系统性能的关键因素。国内外的研究结果表明：传统的p i d 控制算法已经不能满足电动助力转向系统实际工作的需要，如何将先进的控制理论 应用于电动助力转向系统控制策略的研究，提高电动助力转向系统的综合性能，成 为当前急待攻克的技术难题。本论文针对这一技术难题，将日。控制理论应用于电动 助力转向控制系统的研究，研究成果对于丰富和完善电动助力转向控制系统的设计 理论和方法，推进电动助力转向技术的发展具有重要意义。本论文主要进行了以下 几个方面的工作。 1 进行了电动助力转向系统助力特性的研究。 本论文通过对转向盘转矩、转向阻力矩及车速三者之间关系的分析，从转向的 轻便性、转向操纵的稳定性和转向路感等方面出发，建立了电动助力转向系统助力 特性图。 2 建立了电动助力转向系统数学模型。 根据d u g o f f 轮胎模型，建立了电动助力转向系统结构模型，在结构模型的基 础上，对电动助力转向系统进行了动力学分析，建立了电动助力转向系统数学模型， 并对电动助力转向系统的稳定性能进行了分析。电动助力转向系统数学模型的建立 为控制策略的制定奠定了基础。 摘要 3 设计了助力控制日。最优控制器。 将。控制理论应用于电动助力转向系统助力控制的研究，构建了提高系统综 合性能问题的广义控制对象，设计了反映被调变量频域特性的加权函数，采用线性 矩阵不等式处理方法设计了助力控制最优h 。控制器。根据所设计的最优见，控制 器，运用m t a l a b 软件建立了电动助力转向控制系统模型，并对系统的性能进行 了仿真分析。 4 设计了回正控制器。 应用p i d 控制算法设计了以助力电机角速度为输入量，助力电机参考电流为输 出量的回正控制器。将玑控制理论应用于助力电机角速度的估计，构建了助力电 机角速度估计问题的广义控制对象，设计了反映传感器测量噪声频域特性的加权函 数，采用线性矩阵不等式处理方法设计了矾滤波器。应用仿真、试验的方法验证 了助力电机角速度估计方法的可行性。 5 进行了助力电机p w m 控制特性分析与控制系统软件开发 对助力电机的p w m 控制特性进行了分析，分析结果表明：助力电机电流波动 很小，不会造成明显的助力电机转矩波动，p w m 开关频率能够满足电动助力转向系 统的需要。以所设计的助力控制、回正控制和阻尼控制策略为基础，开发了电动助 力转向系统控制软件。 6 进行了电动助力转向系统台架和装车试验研究 将开发的控制系统软件分别在电动助力转向试验台和汽车上进行了性能试验， 试验结果表明：电动助力转向系统具有较好的转向轻便性能、回正性能、稳定性能 和抗干扰性能。 。 关键词；汽车，电动助力转向，片。控制，仿真，软件设计，性能试验 摘要 a b s t r a c t s t e e r i n gs y s t e mi s a ni m p o r t a n ta p p a r a t u sf o rc h a n g i n ga n dk e e p i n ga u t o m o b i l e d i r e c t i o n i t s p e r f o r m a n c ei n f l u e n c e s a u t o m o b i l es t e e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi nad i r e c t m a n n e r s t e e r i n gs y s t e m i sd e v e l o p e df r o mm e c h a n i c a ls y s t e mt op o w e r s t e e r i n gs y s t e m n o w , h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l e h o w e v e r h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m i s l o wi ne f f i c i e n c y , b a di n r o a df e e la n d e a s y t o p o l l u t e e n v i r o n m e n t i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c ko f p o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mw i t hh i g h e f f i c i e n c y , e c o n o m ya n d e n v i r o n m e n t c o m p a t i b i l i t yi sb e i n gd e v e l o p e d i ti sb e l i e v e dt h a t e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m w i l lr e p l a c e h y d r a u l i cp o v e rs t e e r i n gs y s t e mi nt h ef u t u r e f r o mt h ep o i n to fv i e wo f d r i v i n ga u t o m o b i l e ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ms h o u l d n o to n l yr e d u c es t e e r i n ge f f o r t s ，b u ta l s ob eg o o da t s t a b i l i t y , d i s t u r b a n c er e s i s t a n c e ， r e t u r n a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，a n dp r o v i d ed e s i r a b l er o a df e e l c o n t r o ls y s t e mi sam a j o r p a r t o fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h i c h i sam a i nf a c t o r i n f l u e n c i n g t h e p e r f o r m a n c e so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m t h er e s u l t so fr e s e a r c h i n go nc o n t r o l t e c h n o l o g yi n d i c a t e dp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sn o te n o u g ht om e e tt h en e e d so fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m n o w h o wt o u s ea d v a n c e dc o n t r o l t h e o r y a n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tq u e s t i o nt oo v e r c o m e i n t h i s p a p e r , h 。c o n t r o lt h e o r yw a su s e dt oo v e r c o m et h i sq u e s t i o n t h ea s s i s t a n c e a s s i s t a n tc o n t r o l ，r e t u r nc o n t r o la n dr e s i s t a n c ec o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m w e r es t u d i e d r e s e a r c hr e s u l t sa r eo fg r e a tv a l u et o m a k et h e o r ya n d a l g o r i t h m o n d e s i g n i n ge l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m ，a n dt oi m p r o v ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c hw a s f o c u s e da sf o r o w e d ： 1 e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e ma s s i s t a n c ew a ss t u d i e d t h i n k i n go f t h ep e r f o r m a n c eo f a s s i s t a n c e ，s t a b i l i t ya n dr o a df e e l ，a s s i s t a n c e v l a p w a sd e s i g n e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h er e l a t i o n so f s t e e r i n gt o r q u e ，s t e e r i n gr e s i s t a n c ea n d v e h i c l e v e l o c i t y 2 e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mm a t h e m a t i cm o d e lw a sp u to u t b a s e do nd u g o f ft i r em o d e l ，e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gc o n s t r u c t i o nm o d e lw a sp u to u t d y n a m i ca n a l y s i sw a sd o n e ，a n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mm a t h e m a t i cm o d e lw a s p u to u t t h es t a b i l i t yo f e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mw a sa n a l y z e d t h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mm a t h e m a t i cm o d e l i st h eb a s e m e n to f m a k i n g c o n t r o ls t r a t e g y 塑矍 3 h 。c o n t r o l l e r f o ra s s i s t a n tc o n t r o lw a s d e s i g n e d h 。c o n t r o lt h e o r yw a sa p p l i e dt ot h er e s e a r c ho fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m c o n t r o ls y s t e mo na s s i s t a n tc o n t r o la l g o r i t h m t h ea u g m e n t e dp l a n tw a sp u to u t ，a n d w e i g h tf u n c t i o nw a sd e s i g n e d h 。c o n t r o l l e r w a sd e s i g n e dw i t hl i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y a l g o r i t h m b a s e do nh 。c o n t r o l l e r , ac o n t r o l m o d e lw a sd e s i g n e dw i t ht h es o f t w a r e m a t a l a b as i m u l a t i o nw a sm a d ef o ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m 4 r e t u r nc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e d p i dc o n t r o la l g o r i t h mw a su s e dt od e s i g nr e t u r nc o n t r o l l e rw i t ha s s i s t a n tm o t o rr a t e a s i n p u tv a r i a b l ea n dw i t hm o t o rc u r r e n t a so u t p u tv a r i a b l e h 。c o n t r o lt h e o r yw a s a p p l i e dt o e s t i m a t ea s s i s t a n tm o t o rr a t e ，a n da u g m e n t e dp l a n tf o re s t i m a t i n ga s s i s t a n t m o t o rr a t ew a sp u to u t w e i g h tf u n c t i o nw a sp u to u tt o o h 。c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d w i t l ll i n e a rm a t r i x i n e q u a l i t ya l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mo fe s t i m a t i n g m o t o rr a t ew a s p r o v e db y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt e s t 5 t h ep w mc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fa s s i s t a n tm o t o rw a sa n a l y z e d ，a n de l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ea n dh a r d w a r ew a sd e v e l o p e d t h ep w mc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fa s s i s t a n tm o t o rw a sa n a l y z e d a n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t e dt h ef l u c t u a t i o no fm o t o rc u r r e n ti sv e r ys m a l l ，a n di tc a n tc a u s et h eo b v i o u s f l u c t u a t i o no fa s s i s t a n tt o r q u e t h ep w m c u t o f f 厅e q u e n c yc a n m e e tt h en e e d so fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m c o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t ha s s i s t a n tc o n t r o la l g o r i t h m ， r e t u r nc o n t r o la l g o r i t h ma n dr e s i s t a n c ec o n t r o la l g o r i t h m 6 r i g t e s ta n da u t o m o b i l et e s tw a sc a r r i e do u t e l e c t r i cc o n t r o lu n i ta n dc o n t r o ls o f t w a r ed e v e l o p e dw a s a p p l i e dt or i g r i gt e s ta n d a u t o m o b i l et e s tw e r ec a r d e do u t t e s tr e s u l t si n d i c a t e de l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mi s g o o d a ta s s i s t a n c e ，r e t u m a b i l l t y , s t a b i l i t ya n dd i s t u r b a n c er e s i s t a n c e k e y w o r d ：a u t o m o b i l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，也c o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，s o f t w a r e d e s i g n ，p e r f o r m a n c e t e s t v - 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他介人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日 期：2 0 0 4 年5 月2 5 曰 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 转向系统是用来保持或改变汽车行驶方向的重要装置，它直接影响汽车的操纵 性能和稳定性能。为了减轻转向时驾驶员作用在转向盘上的手力和提高行驶的安全 性，早在2 0 世纪5 0 年代，美国d e l p h i 公司率先开发出液压动力转向系统。液压 动力转向系统因为油液工作压力高，动力缸尺寸小、质量小，结构紧凑，油液具有 不可压缩性，灵敏度高猷及油液的阻尼作用可吸收路面对前轮产生的冲击等优点 而在轿车和载货汽车上获得广泛应用。但是，液压动力转向系统的结构特征和工作 原理决定了其固有的缺点。随着计算机技术和电予技术的飞速发展，液压动力转向 技术不断革新，产生了电控液压动力转向系统，电控液压动力转向系统的出现极大 地改善了液压动力转向系统的性能，转向助力矩随车速的提高而减小，满足了汽车 高速行驶时操纵稳定性的要求。然而，电控液压动力转向系统仍然无法完全克服液 压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与嗓声 等方面的一些固有缺点。近年来，具有高新技术特征的电动助力转向技术的出现， 不仅克服了液压动力转向系统的固有缺点，同时还极大地提高了动力转向系统的性 能，并且特别适用于新一代绿色环保汽车电动汽车。电动助力转向技术已经成为 轿车动力转向技术发展的主流，电动助力转向系统将作为标准部件装备到汽车上， 并将在动力转向领域占据主导地位。据专家预测，电动助力转向系统将首先占领轿 车市场，并向微型、轻型和中型客、货车市场拓展。预计到2 0 1 0 年，约3 0 的轿车 将安装电动助力转向系统“1 。 与液压动力转向系统相比，电动助力转向系统具有以下优点。： i 效率高。 电动助力转向系统为机械与电器连接系统，效率较高，可高达9 0 以上。 2 能耗少。 汽车在实际行驶过程中，处于转向状态的时间约占总行驶时间的5 ，电动助力 转向系统仅在需要转向助力控制时，才启动助力电机。汽车装用电动助力转向系统 比装用液压动力转向系统燃油消耗减少3 5 5 5 。 第一章概述 3 路感好且可以通过软件加以调节。 由于电动助力转向系统内部采用刚性连接，系统内部阻力比液压动力转向系统 小，系统的滞后特性不明显，且滞后特性可以通过软件加以控制，因此路感较好。 为了获得不同的路感，可以根据驾驶员的操作习惯调整控制软件。 4 回正性好。 电动助力转向系统结构简单，内部阻力较小，因而可以获得较好的回f 性能。 为了防止出现回正超调和回正不足现象，进一步提高汽车的回正性能，可以通过回 正控制来实现。 5 环保性好。 电动助力转向系统由于没有油泵、油管、控制阀和助力油缸，因此，不存在液 压油泄露问题，对环境没有污染。 6 可以独立于发动机工作。 电动助力转向系统以蓄电池为能源，以助力电机为动力源，只要蓄电池电量充 j 足，无论发动机处于何种工作状态都可以进行转向助力。 7 应用范围广泛。 电动助力转向系统适用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车，随着 汽车电源向4 2 伏过渡。，它的应用范围将会更加广泛。对于电动汽车，由于没有 发动机，电动助力转向系统是其最佳选择。 8 装配性好。 电动助力转向系统结构简单、部件数目少，且为模块化结构。因而其质量轻、 结构紧凑，装配比较简单。 9 占用的安装空间小。 电动助力转向系统体积小，占用的安装空间小，在安装位置的选择上更容易， 便于汽车的总体布置。 随着控制理论、电子技术和计算机技术的快速发展，大大加速了电动助力转向 技术的研究进程。与国外相比，我国在电动助力转向技术方面的研究工作尚处于起 步阶段，在技术上与国外差距较大。为了促进国内对汽车电动助力转向技术的研究， 2 0 0 0 年9 月，国家科委、财政部和国家税务总局联合公布了中国高新技术产品目 第一章概述 录，电动助力转向技术被列为重点发展的新技术、新产品”1 ，国家通过政策及资金 扶持，鼓励相关单位进行电动助力转向技术的自主开发，争取在较短时间内完成电 动助力转向系统关键技术的突破，缩短与国外技术水平的差距。控制系统是电动助 力转向系统的核心，控制策略的优劣直接决定着电动助力转向系统性能的优劣，国 内外的研究结果表明：要进一步提高电动助力转向系统的性能，仅应用传统的p i d 控制算法进行电动助力转向系统控制策略的研究，已经不能满足需要，将先进的控 制理论应用于电动助力转向控制系统的研究，全面提高电动助力转向系统的性能， 成为当前急待攻克的技术难题。本论文正是基于上述背景，针对电动助力转向系统 的核心一控制系统开展研究，研究成果对于推进电动助力转向技术的发展，丰富和完 善电动助力转向控制系统的设计理论和方法，跟踪世界先进水平具有重要的理论意 义和现实意义。 1 2汽车动力转向系统的发展历程 在动力转向系统出现以前，机械转向系统是汽车唯的转向形式，机械转向系 统主要由转向盘、转向器和转向传动机构组成，转向时完全依靠人力来完成操作。 为了减小转向盘转矩，机械转向系统一般选用较大直径的转向盘，因此，转向盘不 仅占据了较大的驾驶室内空间，而且转向操作也很不方便。另外，转向器还常设计 成可变速比，以解决机械式转向系统的“轻”和“灵”的矛盾，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，仅在汽车高速行驶时有意义，所以这种方法不能从根本上解决机械式转 向系统的“轻”和“灵”的矛盾。因此，为了进一步解决转向轻便性问题，出现了 液压动力转向系统。 1 2 1 液压动力转向系统 1 传统液压动力转向系统 传统液压动力转向系统的结构如图1 - l 所示，转向油泵依靠发动机带动工作， 转向控制阀控制油液流动的方向和油压大小，动力缸内活塞两侧的压差提供转向助 力，辅助驾驶员完成转向操作。在正常情况下，传统液压动力转向系统的转向能量 只有一小部分来自于驾驶员提供的体能，而大部分是发动机通过驱动油泵所提供的 蔓= 童塑整一 液压能。传统液压动力转向系统的出现对汽车的结构和操纵性能产生了很大的影响， 人们不再依靠大直径的转向盘来减小转向盘转矩，驾驶室室内空间变的更加宽敞， 座椅布置也更为舒适，在降低转向盘转矩的基础上，转向操作过程也变的更为灵敏、 平滑。 图1 1 传统的液压动力转向系统 随着液压转向技术的日益成熟，传统液压动力转向系统在体积、价格和功率消 耗方面有了很大的改进。液压动力转向系统省力、易操纵的优点受到人们越来越多 地青睐，该系统已被普及到各种类型的汽车上。但是，液压动力转向系统本身固有 的、难以克服的缺点也越来越受至0 人们的关注。 1 ) 液压油易泄露造成环境污染。 2 ) 能量消耗大。 传统的液压动力转向系统不能独立于发动机工作，其油泵由发动机带动工作。 汽车在行驶过程中，只有少量时间内需要转向，而发动机始终带动油泵旋转，油液 不停的循环流动造成了发动机能量的浪费。此外，液压油在油管中流动时，油液的 粘性阻力也损耗一定的能量。 3 ) 助力特性单一。 传统液压动力转向系统的助力特性主要由分配阀的结构决定，分配阀的结构参 数确定后，转向系统的助力特性就确定了，不能再对其进行调节。当设计汽车低速 行驶转向时转向盘转矩较小，则汽车高速行驶转向时转向盘转矩往往过轻，使驾驶 员缺乏路感，甚至感觉转向发飘，从而影响汽车高速行驶时的操纵稳定性；而当按 汽车高速行驶性能要求设计转向盘转矩特性时，汽车低速行驶时的转向盘转矩又往 箜二童塑堕 往过大。 4 ) 转向回正性差。 传统液压动力转向系统在转向回正过程中不可避免地存在阀芯与阀套之间的残 余角，即转向盘回到中间位置时助力压差不能立即减小为零，形成阻碍回正的阻力 矩，影响汽车转向的回正性能。 5 ) 体积大。 液压助力转向系统由分配阀、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成，体积较 大，占用较大的安装空间，不利于汽车的总体布置。 传统液压动力转向系统的固有缺点不利于提高汽车的综合性能，尤其是追求高 速行驶操纵稳定性的高级轿车，这一问题更为突出，于是电控液压动力转向系统便 应运而生了。 2 电控液压动力转向系统 电控液压动力转向系统有两种不同的结构，即阀控液压动力转向系统和电动液 压动力转向系统。相对于传统的液压动力转向系统，电控液压动力转向系统助力特 性有了很大的改善，不仅能满足原地转向或中、低车速转向时的较大助力的要求， 而且助力特性还能随车速变化而变化；在高车速时能降低助力压差，从而，消除了 高车速时由于转向过于灵敏而影响汽车操纵稳定性的问题。 图1 - 2 阀控液压动力转向系统图l - 3 电动液压动力转向系统 阀控液压动力转向系统是在传统液压动力转向系统的基础上，加装了电子控制 单元e c u ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ) 和电磁阀，其结构如图1 - 2 所示。电磁阀可以安装 在高、低压油管之间，也可以安装在左、右液压油缸之间。e c u 根据车速调节流过 电磁阀的电流实现对电磁阀开度的控制，以控制助力压差。一般在低车速时，流过 第一章概述 电磁阀的电流较大，产生的电磁力克服弹簧力，将阀芯推到关闭状态；随着车速的 提高，流过电磁阀的电流逐渐减小，在回位弹簧的作用下，阀芯的开度逐渐增加， 助力压差降低，相应的转向助力也逐渐减小。因此，阀控液压动力转向系统可以获 得全车速范围内不同大小的助力，助力特性得到改善。但是，阀控液压动力转向系 统仍无法克服液压系统固有的效率低、能耗高和转向回正性能差等固有缺点【8 1 。 电动液压动力转向系统的特点是转向油泵不是由发动机驱动，而是由电动机驱 动其结构如图l 一3 所示。当蓄能器的压力小于阂值压力时，电机驱动油泵泵油， 当蓄能器压力超过阈值压力时，电机停止转动。e c u 根据车速信号控制电磁阀的开 度，以实现对助力油液流量的控制：低车速时，控制电磁阀处于关闭状态，随着车 速的提高，电磁阀逐渐开启，系统助力油压相应减小，从而获得随车速变化的助力 特性。与阎控液压动力转向系统相比较，电动液压动力转向系统由蓄电池提供能源， 可以独立于发动机工作，能耗相对于传统的液压动力转向系统可降低约5 0 7 0 。 电动液压动力转向系统已应用在一些中高档轿车上，如奥迪a 6 、宝来等。但是，电 动液压动力转向系统仍存在回正特性能差、漏油、结构复杂以及成本过高等缺点州。 由于电控液压动力转向系统不能从根本上解决液压动力转向系统的固有缺点， 因此人们逐步将研究方向转移到开发更加完善的转向系统一电动助力转向系统。 1 2 2 电动助力转向系统 1 电动助力转向系统的基本结构 图l - 4 电动助力转向系统 电动助力转向系统是在机械转向系统的基础上加装一套电机伺服控制系统而构 第一章概述 成，如图i - 4 所示。电动助力转向系统由机械转向装置、助力电机、减速机构、转 矩传感器、车速传感器及电子控制单元e c u 等关键部件组成。电子控制单元检测转 矩传感器、车速传感器的信号，经过运算分析后，控制助力电机产生合适的助力转 矩，并施加到转向系统上，辅助驾驶员完成转向操作。以下对电动助力转向系统各 组成部分加以说明。 n 机械式转向器：根据结构特点不同，机械式转向器可分为齿轮齿条式砖向器、 循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器和蜗杆指销式转向器。齿轮齿条式转向器以其 结构简单、紧凑、传动效率高等优点，而广泛应用在微型、普通级、中级、和中高 级轿车上，装载量不大、前轮采用独立悬架的货至和客车有些也用齿轮齿条转向器。 由于齿轮齿条式转向器在轿车上的广泛应用，因此，电动助力转向系统的机械式转 向器多选用齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器存在逆效率高的缺点，发生在转 口j 轮和路面之间的冲击力，大部分传至转向盘，引起反冲现象，使驾驶员精神紧张， 并难以准确控制汽车行驶方向。但在电动助力转向系统中，通过控制算法的设计， 可以克服齿轮齿条式转向器逆效率过高的缺陷，削弱路面的冲击力。 2 ) 助力电机：助力电机是电动助力转向系统的动力源。目前，日本普遍采用直 流有刷永磁电机，有刷永磁电机的可靠性差，但其控制算法简单；欧美普通采用直 流无刷电机，直流无刷电机的可靠性高，但其控制算法复杂，输出转矩容易产生脉 动。电动助力转向系统不仅要求助力电机具有低转速大转矩、波动小、转动惯量小、 尺寸小的特点，而且要求其具有较高的可靠性和可控性。为此，常对助力电机的结 构做特殊的设计，如沿转予的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等。 3 ) 减速机构：减速机构起减速增扭作用。通常为蜗轮蜗杆式、双排行星齿轮式 或球螺旋机构式。用于电动助力转向系统的减速机构要求结构紧凑，不能反向自锁。 4 ) 电子控制单元：作为电动助力转向系统的核心部件，电子控制单元的功能是 根据转矩传感器和车速传感器信号，控制助力电机的工作。此外，电控单元还应具 有安全保护和自我诊断功能。随着电动助力转向系统控制策略的日益完善，控制算 法越来越复杂，对c p u 的运算速度要求越来越高，而d s p 在电机控制和运算速度 方面有较为突出的优势。因此，近年来国外一些研究、生产电动助力转向系统的公 司开始应用d s p 进行电子控制单元的开发。 筻= 童塑蕉 一 5 ) 转矩传感器：转矩传感器是电动助力转向系统的关键部件之一，用于测量驾 驶员作用在转向盘上的转矩。转矩传感器主要有非接触式和接触式转矩传感器，常 见的非接触式传感器有电磁感应式和光电式转矩传感器：常见的接触式转矩传感器 有电位器式转矩传感器。较高的精度、可靠的性能、低廉的成本是转矩传感器研究 的方向“。 6 ) 车速传感器：用于检测汽车的行驶速度，并将输出信号送入微控制器。 7 1 根据助力电机安装位置划分，电动助力转向系统有三种助力方式，如图1 - 5 所示，图a 为齿条助力式，图b 转向轴助力式，图c 为转向齿轮助力式。 图l - 5 电动助力转同糸统明布置莱型 2 电动助力转向系统的基本工作原理 电动助力转向系统的电子控制单元根据转矩传感器和车速传感器的信号确定助 力电机的目标助力转矩和助力电机的目标电流，并将目标电流值作为控制助力电机 的参考电流，通过对电子控制单元功率转换电路的控制，实现对助力电机工作电流 的控制，从而实现对电动助力转向系统助力转矩的控制。控制的目标是要求电动助 力转向系统具有较好的助力性能和操纵稳定性能。 3 电动助力转向系统的发展动态 正因为电动助力转向系统具有突出的优点，因此，国外较著名的汽车生产公司 和汽车电子配件生产公司都投入大量的人力、物力进行电动助力转向系统及相关产 品的研究开发工作。日本从二十世纪八十年代开始对电动助力转向系统进行研究， 电动助力转向系统首先应用在微型轿车上，1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备电动助力转向系统，随后还应用在其a l t o 车上。此后，在日本电动助力转 蔓二童焦垄 二 向系统得到迅速发展，光洋精工、三菱、富士重工、本田、丰田等公司先后开发出 自己的电动助力转向系统产品，并装车销售如大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽车 公司的m i n i c a 车、本田公司的a c c o r d 等车上装备了电动助力转向系统，其中与中 国合资生产汽车的本田公司、铃木公司将其产品装配到国内生产的广州飞度和昌河 北斗星汽车上，成为这些轿车参与市场竞争的新亮点。近年来，日本电动助力转向 产品不断地更新换代，在性能、外廓尺寸和价格上有了更大的改进。欧美等国的汽 车公司对电动助力转向系统的开发研究工作比日本晚近十年时间，但是开发的力度 较大，目前也有一些公司的电动助力转向产品已装车销售。美国的t r w 和d e l p h i 等公司相继推出各自的电动助力转向产品，t r w 公司将成熟的航空技术应用于电动 助力转向系统的开发，于1 9 9 6 年推出自己的电动助力转向系统，并在福特f i e s t a 和 马自达3 2 3 f 上进行试验；d e l p h i 属下的s a g n i n a w 公司于1 9 9 9 年首次研制成功并投 放市场其电动助力转向系统产品e * s s ，d e l p h i 将电动助力转向系统作为扩大其在全 球汽车零配件领域销售的重点产品，近期将投资3 1 5 亿美元研制新型的e * s s 。德国 的7 f 公司也研制出用于装配不同类型轿车的电动助力转向系统。m e r c e d e s b e n z 和 s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大汽车公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于电动助力转向系统的开 发，r 他们计划开发出前桥载荷超过1 2 0 0 k g 的电动助力转向系统，这意味货车也将 成为电动助力转向系统装备的目标。此外，m i t s u b i s h i 、b e n z 、b o s c h 、k o y o 等公司 也在研制或推出自己的电动助力转向系统【2 1 。 在国外，电动助力转向系统的应用范围正在从最初的微型轿车向更大型轿车、 商用客车和货车方向发展，助力形式从低速范围助力型向全速范围助力型发展，如 d e l p h i 公司为菲亚特的p u n t o 中型轿车开发了电动助力转向系统，其助力范围属于 全速范围助力型 j 2 - 1 4 j 。 国内部分高校和企业已开始对电动助力转向系统开展研究吣一】，清华大学于 1 9 9 2 年率先在国内开展电动助力转向系统的探索性研究工作，目前己完成电动助力 转向系统台架试验工作，正在进行整车道路试验，所研制的电动助力转向系统装配 到昌河铃木c h 6 3 5 0 型微型客车上，安全无故障行驶2 万多公里。吉林大学、天津 大学、江苏大学、湖北汽车工业学院以及合肥工业大学等院校，也在进行电动助力 转向系统的开发研究工作。据全国转向行业信息报道，株洲航空设备公司已开 箜= 童塑鋈 发出电动助力转向系统，并进行小批量道路试验。除此之外，上海汽车集团泛亚技 术中心正在与国外公司合作进行电动助力转向系统研究的立项工作。 1 3 电动助力转向控制技术的研究现状 1 3 1 国外电动助力转向控制技术的研究现状 从国外公开报道的文献来看，国外对电动助力转向控制系统的研究最早采用开 环控制算法，之后采用闭环控制的p i d 控制算法，所开发的电动助力转向控制系统 能够实现基本的转向助力功能，但助力性能较差，助力转矩小，抗干扰性能差、助 力范围窄，仅限于车辆低速行驶时转向助力，当助力较大时易产生转向振动。 早在1 9 9 0 年，电枢电压控制方法在本田n s k 车上得到首次应用。该方法利用 电机电压开环控制算法，将转矩传感器检测的转向盘转矩信号、转速传感器检测的 转向盘转速信号以及车速传感器检测的车速信号经过处理后分别输入到电子控制单 元，通过查转矩表和转速表得至u 助力电机参考电压，经过计算得出相应的p w m 占 空比，通过控制助力电机电枢平均电压，控制助力转矩，实现电动助力转向系统的 助力控制。该控制方法属于开环控制，其特点是控制系统简单，但是控制精度不高， 控制系统的跟踪性能较差，故1 9 9 7 年日本本田的a e c o r d - - 6 型轿车上采用了电流反 馈闭环控制“。 反埙电淀 圈 - 6 电枢电流控制方法 典型的助力电机电枢电流控制方法如图1 6 所示。助力电机电枢电流控制方法 利用电流反馈闭环p i d 控制算法进行助力控制。将转向盘转矩传感器信号和车速传 感器信号送入电子控制单元，根据预制的“转矩一电机助力目标电流表”确定助力 电机的目标电流，将此目标电流作为控制助力电机的参考电流，电子控制单元采集 电流传感器反馈的助力电机工作电流并与助力电机参考电流相比较，助力电机工作 电流和参考电流的偏差经p i d 调节器调节后输出p w m 控制信号，通过控制助力电 塑二童塑整 一 机电枢平均电压，实现电动助力转向系统的助力拧制。助力电机电枢电流控制方法 省略了转向盘转速传感器，其突出的优点是能实时控制以减小助力电机工作电流与 助力电机参考电流之间的偏差，控制精度较高，是电动助力转向系统研究与开发中 采用较多的一种控制方法。 电枢电流控制方法也存在一些明显的缺点，如其p i d 调节器参数只能通过大量 试验获得，不易获得最优的参数：以此方法为基础设计的电动助力转向控制系统的 抗干扰性能较差，容易产生转向振动，最大助力比的提高受到限制；转向路感无法 调整等。为了克服电枢电流控制方法存在的缺点，进步提高电动助力转向系统的 性能，近年来，国外许多学者在探讨将先进的控制理论应用于电动助力转向系统的 研究，如将圩。控制理论、模糊控制理论、模糊p i d 控制理论、神经网络控制理论 等应用于转向控制策略的研究，在实现电动助力转向系统基本助力功能的基础上， 研究如何获得良好的路感，抑制路面干扰和传感器测量噪声，提高系统的鲁棒性能、 跟踪性能，实现转向的回正控制等【1 8 1 9 1 。 在电动助力转向控制技术的发展过程中，国外学者进行了一些较为重要的研究 和探索工作。在基础研究方面，主要的研究成果有：1 9 9 1 年，本田公司的y a s u o s h i m i s u 等人介绍了花费7 年时间开发出的电动助力转向系统，首次提出了电动助 力转向控制系统的助力控制、回正控制、阻尼控制等概念和硬件实现的方法，并将 电动助力转向系统定位为取代液压动力转向系统的新一代动力转向系统【2 0 】；1 9 v 4 年， t n a k a y m a 等人介绍了d a i h a t s um i r a 、s u z u k i a l t o 等微型车所装配的电动助力转向 系统，指出在实现基本转向助力功能的基础上，要进一步提高电动助力转向系统的 性能，电动助力转向系统应具有更多的控制功能j 。在抑制转向盘振动方面，主要 的研究成果有：1 9 9 8 年，j s c h e n 采用固定转向盘的方法对电动助力转向系统的动 态特性进行了研究，研究发现，当助力增益较大时，转向盘固定转矩与转向齿条载 荷之间传递函数的频带较宽，允许高频的路面激励干扰通过转向机构传递到转向盘 上，从而引起