（车辆工程专业论文）基于amesim和simulink的汽车电动助力转向系统的联合仿真.pdf

西华大学硕士学位论文 基于a m e s i m 和s i m u l i n k 的汽车电动助力转向系统 的联合仿真 车辆工程专业 研究生谷娜指导教师唐岚 未来汽车的发展主题就是“安全、节能、环保”。汽车电动助力转向系统 正是紧扣这一主题的高新技术。汽车电动助力转向系统的目的是提高整车的轻 便性和操纵稳定性。其解决的关键问题之一是如何根据具体的车速与方向盘扭 矩的大小，确定助力电机输出的力矩即转向助力特性曲线。为解决此问题并节 约系统的开发成本需利用先进的计算机技术，实施仿真手段，加快系统的开发 进度。 a m e s i m 软件是法国m 队g i n e 公司开发的一套完备的面向工程设计的高 级建模仿真软件，它能对任何元件和系统的动态性能进行仿真计算，能为工程 设计提供快速、准确的解决方案。该软件的另外一个突出特点是提供了与包括 s i m u l i n k 和a d m a s 等在内的多种软件的接口，通过设置接口，可以实现 a m e s i m 与其他软件的联合仿真，从而使得仿真过程更加简单、准确。 本文给出了电动助力转向系统的动力学模型，并对组成该系统的各个部件 进行了逐一分析，给出了各个部件的动力学方程，利用仿真软件a m e s i m 建 立了e p s 的仿真模型，其中e p s 的机械部分在a m e s i m 中完成，而控制部分 在s i m u l i n k 中实现，在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了目标电流算法的控制模型， i 西华大学硕士学位论文 并采用p i d 控制算法进行了仿真研究，验证了控制策略正确性。最后的仿真结 果表明：所设计的系统在汽车低速行驶时，助力效果明显，在汽车高速行驶时， 助力电机提供一定的阻力矩，帮助驾驶员获得更好的路感，并且比较了不同车 速下的助力特性曲线，表明助力扭矩随着车速的增加而减小，这也与所设计的 转向系统的控制策略相吻合。 关键词：电动助力转向，a m e s i m ，s i m u l i n k ，联合仿真 西华大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m w i t h 删es i r ea n ds i m u l i n k v e h i c l ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g un a t u t o r ：t a n gl a n t h et r e n do ft h ea u t o m o b i l ed e v e l o p m e n ti ss a f e r , s a v e r , e n v i r o n m e n t a l t h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sa c c o r dw i t ht h et o p i ct e c h n o l o g y t h ep u r p o s eo ft h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi st oi m p r o v et h eh a n d i n e s sa n ds t r e n g t ht h es t a b i l i t y o n eo f m o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi sh o wt om a k es u r et h ea s s i s t a n tc u r r e n tw i t ht h et o r q u e a n dv e l o c i t y i no r d e rt os o l u t i o nt h ep r o b l e ma n ds a v et h ec o s t ，w em u s tm a k eu s e o ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e re m u l a t e i m p r o v i n gt h es p e e do ft h ed e s i g n t h ea m e s i ms o f t w a r ei sd e s i g n e db yt h ef r a n c ei m a g i n ec o m p a n y i ti s u s e dt ob u i l dt h em o d e lf o rt h es i m u l a t i o n i td e s i g n e db yt h ee n g i n e e r i tc a n s i m u l a t ea c c u r a t ef o ra n ys y s t e ma n dc o m p o n e n t i tc a np r o v i d et h er e s o l v es c h e m e q u i c k l ya n dc o r r e c t l y m o r ei m p o r t a n t ，i tp r o v i d e dw i t hi n t e r f a c eo fo t h e rs o f t w a r e i n c l u d i n gs i m u l i n ka n da d m a s b ys e t t i n gu pp r o p e rp a r a m e t e r , i tc a i lu n i tt h e s i m u l a t i o n ，s ot h ep r o c e s so ft h es i m u l a t i o nw i l lb e c o m em u c hs i m p l e ra n da c c u r a t e t h i sp a p e rp r o v i d e dt h em o d e lo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n a l y z i n gt h e c o m p o s e do fe a c hc o m p o n e n to n eb yo n e ，i th a sg i v e nt h ed y n a m i c se q u a t i o no f e a c hc o m p o n e n t h a v i n gm a d eu s eo ft h es i m u l a t e ds o f t w a r ea m e s i mt oh a v eb u i l t t h ee p se m u l a t i o nm o d e l ，t h em e c h a n i c a lo fe p ss y s t e mi sc o m p l e t e di na m e s i m ， i i i 西华大学硕士学位论文 t h ec o n t r o l l e ds e c t i o ni sw i t h i ns i m u l i n k b yt h ei n t e r f a c e ，t h et w os i m u l a t i o n s o f t w a r ec a l ls i m u l a t e da tt h es a m et i m e t h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u ri n d i c a t e s ：t h e e f f e c to ft h ep o w e r - a s s i s t a n c ei so b v i o u si nt h el o ws p e e d ，i nt h eh i 曲s p e e d ，t h e s y s t e mp r o v i d es o m er e s i s t a n c e ，h e l p i n gt h ep i l o tg a i nm u c hb e r e rr o d ef e e l i n g ，t h e s i m u l a t i o no f t h ee p ss y s t e mw i t ht h ea m e s i ma n ds i m u l i n ki ss u c c e s s f u l 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 t a n c e ，a m e s i m ，s i m u l i n k ，u n i t e ds i m u l a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料。与我一起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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签名：玲瓣 d 譬年 导师签名： 5 7 乎和 西华大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 概述 在汽车行驶中，转向运动是最基木的运动。我们通过谍纵方向盘控制汽车 的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。在现代汽车上，转向系统是必不可少 的最基本的系统上一，它也是穗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j 一家和科研机构的重 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，助力转向装置在汽车 低速行驶时提供较大的转向助力，使方向盘操纵力减小。呈现出转向的轻便性： 而在高速行驶时转向助力较小或者不提供助力，以得到一定的方向盘操纵力， 避免驾驶人员丧失路感，从而提高汽车行驶的安全性。采用助力转向的主要目 的是使汽车在任何工况下转动方向盘，都有较理想的操纵稳定性和转向轻便 性。在正常情况下，汽车转向操纵所需要的力大部分由助力装置提供，只有小 部分的力由驾驶员提供。但在助力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统 实现汽车的转向操纵口。目前，汽车转向系统己从机械式转向系统、液压动力 转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 、电控液压助力转向系统 ( e l e c t r i ch y d r a u l i ep o w e rs t e e r i n g 简称e h p s ) 发展到利用现代控制技术和 电子技术的电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 。由于电动 助力转向系统具有能耗低、环保性能好、体积小、重量轻、空间省等优点，使 其成为现代汽车转向系统的发展方【目，拥有十分广阔的美展前景。 1 2 传统动力转向系统 1 2 1 机械式转向系统 机械转向系统是指以驾驶员的体力作为动力进行转i q 的系统，其中所有传 力件都是机械的，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘的力，通过转向器和 一系列的杆件传递到前轴车轮来实现的，机械式转向系统的结构如图1 1 所示， 它主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成。 西华大学硕士学位论文 6 。0 釜滚j 4 秒 i s t e e r i n gw h e e l2 s a f e t ys t e e r i n gs h a f t3 s t e e r i n gn o d e4 s t e e r i n gw h e e l5 s t e e r i n ga r m6 s t e e r i n gs h a n k7 s t e e r i n gs h o c ka b s o r b e r & m e c h a n i s mr e d i r e c t o r f i g1 。lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m 1 转向盘2 安全转向轴3 转向节4 转向轮5 转向节臂6 转向横拉杆 7 转向减振器8 机械转向器 图1 - 1 机械式转向系统 在早期的汽车上，转向机构非常简单，主要由一级齿轮传动机构和转向拉 杆等组成，其基本功能是将驾驶员的手动旋转操作转变为转向拉杆的左右移 动，从而带动车轮转动。随着汽车技术的发展，出现了更为复杂的机械转向机 构。 通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮 式、蜗杆止销式。应用最广泛的是齿轮齿条式和循环球式。 在循环球式转向器中。输入转向圈和输出的转向摇臂摆角是成正比的；在 齿轮齿条式转向器中，输入转向圈数与输出的齿轮齿条位移是成正比的。循环 球式转向器由于是滚动摩擦形式，因而正传动效率高，操作方便而且使用寿命 2 西华大学硕士学位论文 长、承载力强，故广泛应用在载货汽车上；齿轮齿条式传感器与循环球式相比， 最大的特点是刚性大，结构紧凑重量轻，而且成本低，由于这种方式容易将反 作用力由车轮传至转向盘，因此具有对路面反映灵敏的优点，但同时也容易产 生打手和摆振等现象，且其承载能力相对较弱，故主要应用于小汽车及轻型载 货车上，目前，我国大部分低端轿车上采用的是齿轮齿条式机械转向系统乜3 。 1 。2 2 常规液压动力转向系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 这类动力转向系统是靠方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的 通道面积来提供可变的助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向角 度有关。转向盘转过的角度越大，液压系统提供的助力也越大。国内生产的奥 迪和桑塔纳轿车采用这类转向系统。 h p s 一般由转向油罐、转向油泵、液压管路、机械转向系统组成，有分离 式、组合式和整体式三种结构。其中分离式装置在结构紧凑、位置狭窄的轻型 载货汽车和轿车上有所采用，组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和公 共汽车上，整体式在高级轿车上应用广泛。 整体式动力转向系统又分为滑阀式和转阀式两种类型。其中滑阀式装置结 构简单，制造工艺要求较低，且易于布置，便于操纵但不能调整转向特性。而 转阀式装置结构难于加工但可按照用户要求调整转向系统的转向特性，且工作 可靠、结构紧凑、工作压力高，代表着整体式动力转向系统的发展方向。 i - i p s 有待改进的方面： m s 因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大下 降；转向油泵由发动机持续驱动，即使没有转向动作也消耗能量； m s 最 大的缺陷是转向助力特性不可调，高速和低速时助力特性相同，解决的方法就 是下面将提到的电子控制式动力转向系统。 1 2 3 电子控制式液压动力转向系统( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ， e h p s ) 为了获得理想的汽车操纵稳定性，要求转向性能可动态地适应汽车行驶状 态的变化。理想情况下，汽车在原地转向时要求转向尽量轻便；而在汽车以不 同的速度运行时，能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻 西华大学硕士学位论文 力，并使驾驶员既能轻便地操纵方向盘，又有足够的路感。满足上述条件的是 车速感应式动力转向系统即电子控制液压动力转向系统。丰田于1 9 7 3 年首先 开发了车速感应式转向系统，本田和五十铃也分别于t 9 8 0 年和1 9 8 2 年相继开 发了类似装置，德国的z f 公司开发了s e r v o t r o n i c 和s e r v o e o m 型电子控制的 液压动力转向系统。 e 肿s 般由机械装置和电气装置两部分组成。机械装置包括转向机( 包 括控制阀、压力腔及助力缸) 、油泵及管路。电气部分则由车速传感器、电子 控制单元e c u 及电磁阀组成。它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号 如车速转变为电信号，由e c u 判别汽车的运行状态以此来控制电磁阀线圈的 电流进而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。 e h p s 按照控制方式可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度可调式。 流量控制式是遽过检测车速的大小，调节向动力转向装置提供压力油液的流 量，从而控制转向力。反力控制式是利用车速的大小控制反力室油压，改变 压力油输入输出的增益幅度以控制转向力。阀灵敏度可调式是根据车速操纵 电磁阀，直接改变转向控制阀的油压增益( 阀灵敏度) 以控制油压。 e h p s 存在着由于油泵的持续工作所造成的多余能量消耗，整个液压系统 占用空间大、容易泄露、噪声大等缺点：而且增加了车速检测控制装置及阀的 结构较h p s 复杂而成本较高，目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。 1 - 3 电动助力转向系统 电动助力转向系统( e p s ) 是在机械转向系统基础上由电动机代替液压提 供直接辅助转矩的动力转向系统。与l i p s 相比，除节省能源外，由于取消了 液压系统而提高了环保性能，很好的解决了由于液压传动带来的种种弊端：整 套系统由生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直接安装；对不同车型、不 同工况以及不同驾驶员所需的不同转向助力特性通过软件修改，方便快捷【5 】。 完整的e p s 系统还包括了故障诊断与安全保护系统。当发生故障时，能停止助 力，自动恢复到手动控制方式，并发出警报信号，显示所记忆的异常内容如扭 矩传感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。 4 西仁大学颂 j 学位论文 其结陶如图1 2 所示。 f i g1 2s t r u c t u r eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 图1 2 电动助力转向系统结构示意图 1 3 1 电动助力转向系统的分类 电动助力转向系统根据助力机构安装位置的不同可以分为三类( 图1 3 所 示) ：转向柱助力式、齿条助力式和小齿轮助力式【8 1 。 一多：j 每茹 “7 二镰 一麓“ 嘧一 少 一， 沪 f i g1 3t h es t y l eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 图1 3 电动助力转向系统| 勺类型 转向柱助力式：转向助力机构安装在转向轴e ，当驾驶员转动转向盘时， 5 西华大学硕士学位论文 控制单元接受转矩、转动方向、车速等信号，控制直流助力电机的电流，电机 的动力经离合器、电机齿轮传给转向轴的齿轮，然后经万向节及中问轴传给转 向器。 转向器小齿轮助力式：转向助力机构安装在转向器小齿轮处，与转向轴助 力式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。 齿条助力式：转向助力机构安装在转向齿条处，电动机通过减速传动机构 直接驱动转向齿条，与转向器小齿轮助力式相比，可以提供更大的转向力，本 文研究的是转向柱助力式。 1 3 2 电动助力转向系统的特点 与其他转向系统相比，e p s 具有如下特点： ( 1 ) 降低了燃油消耗。 试验表明，装有e p s 和机械转向系统的油耗基本上没有差别。与传统的液 压系统相比，在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低了2 5 ；在使用 转向情况下，降低了5 5 。又由于即使在4 0 的低温下，e p s 也能够很好地工 作，而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作，因此该系统没有起 动时的预热，节省了能量。 ( 2 ) 增强了转向跟随性。 在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接作用于车轮的转向，因此 转向系统的抗扰动能力大大增强，改善了转向系统的跟随性。 ( 3 ) 改善了转向回正特性。 该系统采用了微电子技术，利用软件控制电动机的动作，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，而传统的液压助力转向系统无法做到这一点。 ( 4 ) 提高了操纵稳定性。 采用e p s 高速行驶( 1 0 01 ( 1 1 1 h ) 的汽车，给其一个过度的转角迫使它侧倾，在 短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高稳定性， 驾驶员有更舒适的感觉。 ( 5 ) 有利于环保。 e p s 应用电能作为能源，完全取缔了液压装置，不会有液压助力转向系统 6 西华大学硕士学位论文 中的泄油问题，避免了污染。该系统没有油泵，降低了噪声。 ( 6 ) 轻量化显著、易于装配。 液压动力系统因有液压缸、油泵、转阀、液压管道等部件，使系统结构复 杂，零件数目多，占用空间大，布置不方便。e p s 贝i 表现出了明显的优势，系 统结构紧凑、质量减轻、无油渗漏问题、系统易于布置等( 1 。 ( 7 ) 系统安全性好。 当e p s 出现故障时，即切断电动机与减速传动机构的动力传送，迅速转入 人工机械转向状态，保证了系统的安全性。 1 3 3 电动助力转向系统的关键技术 e p s 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向 控制技术( 包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制) 以及e p s 系统与 整车性能匹配等多方面的难题。 ( 1 ) 电动机驱动技术：e p s 系统中电机要求端电压低，而功率相对较高， 所以电动机电流大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来了一定的困 难，而直流电动机的控制历来都是比较复杂和困难的，当然，随着电子技术的 发展，电动机的体积越来越小，功率越来越大，电子器件的性能越来越好，价 格越来越低，电动机的驱动技术也将在未来的研究中越来越成熟。 ( 2 ) 非接触式传感器技术：e p s 系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单， 工作可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国内e p s 系统中的 传感器多为非接触式( 如电磁感应式、光电式等) ，而接触式转矩传感器( 如 滑动电阻式) 应用较少，当然非接触式传感器如光电式传感器存在着要考虑防 尘措施和使用温度的限制，国内非接触式传感器价格较高，不适合用于e p s 系 统中，因此必须开发一种符合以上要求的转矩传感器。目前清华大学的季学武 教授发明了一种车用光电式扭矩传感器，并申请了专利。 ( 3 ) 转向控制技术：由于e p s 系统在原有的机械式转向系统的基础上增加 了电机和减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻 尼控制，避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响，同时，为了 得到更好的路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力大小和 7 西华大学硕士学位论文 方向。目前国外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控制策略， 并取得了比较好的助力效果。 1 4 线控电动转向系统 随着电子技术和控制方法的进一步发展，有人提出了一个大胆的假设：即 取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，这就是线控转 向系统( s t e e r i n g - b y - w i r e ，简称s b w ) 。 1 4 1 线控电动转向系统的特点 提高了驾驶员的安全性：由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围 空间变大，大大降低了正面碰撞时对驾驶员的伤害，同时，安全气囊与驾驶员 间的距离加大，使得安全气囊可以张的更大，以增强对驾驶员的保护。 提高了汽车的操纵性：由于可以实现传动比的任意设置，并可以针对不同 的车速、转向状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性。 提高了汽车的全面智能化：线控转向系统可以和其它的设备女n a b s 、自动 导航、自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化。 改善驾驶员的路感：在s b w 中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面 可以从信号中提出最能反映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，使方向盘仅驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供 更为真实的路感【j j 。 1 4 2 线控电动转向系统的前景 线控转向系统还存在可靠性的问题，目前欧洲的汽车法规还要求驾驶员与 转向轮之间必须有机械连接，而线控转向系统毕竟还是一个不成熟的技术，目 前，还没有足够的证据证明其可靠性，其次，线控转向系统还需要在可靠性和 成本之间做出较好的平衡。 总之，线控转向在e p s 的基础上，将转向系统的发展又推进了一步，它将 为实现汽车智能化驾驶提供技术支持【5 】。 西华大学硕士学位论文 1 5 电动助力转向系统的研究现状和发展趋势 1 5 1e p s 系统的国内研究现状 目前国内主要有清华大学、吉林大学、合肥工业大学、江苏大学、天津大 学、华中科技大学和浙江大学等几所高校对e p s 进行了研究，主要现状如下： 清华大学自1 9 9 2 年开始研究e p s ，目前已完成了台架性能试验，正准备 台架寿命试验和整车试验。清华大学的陈奎元【1 4 】教授对e p s 的助力控制、回 正控制和阻尼控制技术分别进行了研究。清华大学的季学武【1 2 】【1 3 墩授对e p s 的直流伺服技术进行了研究，针对e p s 原有的单一控制方式的不足，采用带有 助力和阻尼两种模式的综合控制方式，提出一种针对占空比和控制模式的修正 方法。同时，季学武教授还申请了“一种车用光电式扭矩传感器”的专利，因 为扭矩传感器一直是电动助力转向的核心部件。清华大学通过与南京汽车集团 有限公司进行e p s 的合作，并获得国家、清华大学和江苏省等各类基金的资助。 吉林大学的宗长富【l 5 】【l6 】通过对方向盘回正力矩的建模，模拟生成了为驾驶 员提供路感的方向盘回正力矩，利用所提出的前轮转向控制算法，对模摆角速 度和侧向加速度进行反馈控制，提高了汽车的稳定性。目前吉林大学完成了汽 车电动助力转向系统( e p s ) 研究，通过在捷达车上测试并通过吉林省科技厅鉴 定。 合肥工业大学的王启瑞和郁明等对e p s 的单片机控制进行了研究【1 9 】。蒋 浩丰，黄森仁等建立了基于笛卡儿坐标的e p s 多刚体动力学模型、轮胎模型及 整车二自由度转向模型，采用基于p i d 的模糊神经网络控制方法进行控制【2 0 1 。 陈无畏和王启瑞先后提出了性能较好的模糊自调整p d 控制【2 i 】和具有鲁棒性较 强的基于h o o 控制【2 2 】的不同方式对e p s 进行控制。现在，合肥工业大学己完成 了安徽省科技厅下达的十五科技攻关项目汽车电动助力转向系统的研制与开 发。 江苏大学的徐建平【2 3 】提出了e p s 的阻尼控制方法和回正控制算法，对特 定频段应用主动阻尼控制方法来增加系统阻尼，并基于转向盘转角估计方向盘 的回正力矩，省去了转角和转速传感器，降低了控制系统的成本。何仁【2 4 1 对 e p s 稳定性进行了分析，提出在满足助力的前提下，应尽量取小的助力增益值 使系统更稳定。另外江苏大学的罗石等提出并设计了电动助力转向系统驱动电 9 西华大学硕士学位论文 路方案，即h 桥式驱动电路中上、下管均采用n 沟道m o s 管，上管常通或常 闭，下管由p w m 逻辑电平控制的驱动方案【2 5 1 。 天津大学的许镇琳等人基于综合目标函数的误差反向传播学习算法，设计 了用于该离散化转向助力特性的b p 神经网络结构，进行了离线训练，并在电动 转向综合试验台上实现了在线控制。实现了全车速范围的非线性转向助力，克 服了转向助力盲区【2 6 1 。王豪等人设计的e p s 系统动态补偿控制器进行补偿控 制后，使得转矩信号的抗扰动能力提高了6 7 ，系统的暂态性能和稳态性能满 足了实际使用要求，同时也明显减小了系统的振荡【27 1 。 华中科技大学的唐新蓬定性地说明了e p s 系统的控制方式和结构参数对 汽车转向盘阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响【2 8 1 。另外还讨论了 e p s 系统对汽车转向盘力特性的影响，提出了并验证了将e p s 系统比例控制系 数设计随车速和侧向加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法【2 们。刘照和 杨家军等对e p s 系统进行动态分析研究并分别提出了基于混合灵敏度和基于 h o o 鲁棒控制方法【3 0 】【3 11 。 浙江大学中标了浙江万达汽车方向机有限公司联合招标的重大科技攻关 项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研究”项目【3 2 】。 此外，东南大学、江苏理工大学、北方交通大学、西北工业大学、西华大 学也对e p s 的转向特性和转向盘力等进行了理论方面的研究，这些研究都对下 一步的电动助力转向的研究打下了定的基础。然而，由于国内各大企业与研 究机构对该项技术的控制理论与控制原理并未完全掌握，仍处于探讨实践阶 段，e p s 的批量国产化工作仍需一个模索的过程。 1 5 2e p s 系统的国外研究现状 e p s 系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于1 9 8 8 年首次在其生 产的c e r v o 车上装备了e p s 系统，随后用在a l t o 车上【8 】。此后，电动助力转向 技术得到了迅速的发展。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 汽车公司【3 3 3 4 1 、t r w 公司【35 1 ，德国的z f 公司【3 6 , 3 7 】，都相继研 制出各自的e p s 系统。其中技术发展最快、应用较为成熟的当属t r w 转向系 统和d e l p h is a g i n a w ( 萨吉诺) 转向系统，而d e l p h is a g i n a w ( 萨吉诺) 转向系统又 1 0 西华人学硕士学位论文 代表着电动转向系统发展的前沿。t r w 公司从1 9 9 8 年开始便投入大量的人力、 物力用于e p s 系统的开发。最初针对客车转向柱助力式e p s 系统，其后的小 齿轮助力式e p s 系统开发也获得成功。1 9 9 9 年，t r w 公司的e p s 系统已经装 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 e l p h i 汽车系统公司已经为 大众的p o l o 、欧宝3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 系统。 经过近2 0 年的发展，e p s 技术日趋成熟。其应用范围已经从最初的微型 轿车向大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向系统的助力方式也从低速 助力型向全速助力型发展，并且其控制方式和功能也进一步强化。日本早期的 e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止工作。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高汽车的操纵稳定性， 如铃木公司装备在w a g o n r 车上的e p s 是一个负载路面车速感应型助力转向系 统。由d e l p h i 为p u r a t o 车开发的e p s 属全速范围助力型，并且首次设置了两个 开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m h 后， 这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。 1 5 3e p s 系统的发展趋势 ( 1 ) 控制性能的加强。 e p s 能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控 制软件做支撑，随着智能控制技术的进一步发展，智能控制技术必将应用于e p s 的开发。 ( 2 ) 合理助力特性的确定。 助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。对于路感问题国内外还没有 成熟的理论研究结果，研究手段还以试验为主。 ( 3 ) 电动机性能的改善。 电动机的性能是影响控制系统性能的主要因素，电动机本身的性能及其与 e p s 的匹配都将影响转向操纵力、转向路感等重要问题。 ( 4 ) 系统可靠性的提高。 e p s 通过采用电动机和计算机控制系统，部分地将转向操作独立于驾驶员 的控制，因此e p s 系统比液压系统会有更多不同的故障模式。 西华大学硕士学位论文 1 6 论文的主要工作 本课题来源于四川省车辆工程重点学科建设项目( s z d 0 4 1 0 ) 和四川省教 育厅重点项目，通过对e p s 系统进行系统深入的研究，为e p s 系统控制器产 品的开发提供理论依据。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 电动助力转向系统的基础性研究 通过对国内外相关文献的学习，对转向系统的发展，电动助力转向系统的 原理、结构、类型、特点、发展方向等进行了介绍，分析了电动助力转向系统 的各个组成部分和它们的动力学方程，给出了e p s 系统的关键部件及其模型， 其中包括助力电机模型、闭环离散p i d 控制模型、p w m 脉宽调制模型。 ( 2 ) e p s 系统的建模和仿真 分别介绍了a m e s i m 仿真软件的基本特征以及联合仿真的现实意义，给出 了a m e s i m 和s i m u l i n k 两个仿真软件的接口设置方法，以及e p s 系统在a m e s i m 和s i m u l i n k 中的动力学模型，在所建模型的基础上进行了动力学仿真。 ( 3 ) 对整个e p s 系统进行仿真，重点分析了所设计的e p s 系统的助力特性 并比较了不同车速下的助力特性曲线，并在仿真的基础上为实际控制器的制作 提供了理论依据。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 电动助力转向系统的总体分析 2 1e p s 系统的结构和工作原理 车逑 佟髂；撩鬟 卜警爹，c 密u 1 。”t f 也驻； 落兰g r 弩 _ _ 。 彰j 力t 毪杉l f i g2 1s t m c t u 咒o fe p ss y s t e m 图2 1 电动助力转向系统的结构简图 e p s 是一种由电动机提供直接辅助转矩的动力转向系统，其系统组成如图 2 1 所示。主要由转矩传感器、车速传感器、e c u 、电动机、离合器、减速机 构及齿轮齿条式转向器等组成，将e p s 系统模型进行简化，得到图2 2 所示的 简化模型。 其工作原理是：驾驶员操纵方向盘转向时，传感器将驾驶员作用于方向盘 上的扭矩信号、车速信号、发动机转速信号输入e c u ，e c u 对输入信号进行 运算，查询助力表格，确定目标电流的大小和方向，从而控制电动机的电流和 方向，电动机经减速机构及离合器将扭矩传递给转向机构，从而为驾驶员提供 合适的助力；对于低速型e p s 系统，当车速超过一定的临界值或者出现故障时， e p s 系统不助力。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统可以实 时地在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力，保证汽车在低速行驶时轻便 灵活，高速行驶时稳定可靠。 霉 铲；、 西华大学硕士学位论文 1 。t o r q u es e n s o r2 t h r o t t l ew h e e l3 c l u t c h4 e l e c t r o m o t o r5 r a n ka n dp i n i o n f i 簖2 s c h e m a t i cd r a w i n go ft h ee p ss y s t e m 1 转矩传感器2 减速机构3 离合器4 电动机5 齿轮齿条式转向器 图2 2 电动助力转向系统示意图 2 2e p s 系统的各组成部分的数学模型 2 2 1e p s 系统的机械部分的动力学模型 e p s 系统简化模型如图2 3 所示，主要包括转向柱、减速机构、齿轮齿条 和助力电机，以及e c u 控制单元。根据简化的模型，分别对转向柱、输出轴、 齿条和电动机建立转向系统动力学方程。 r k 童 f i 9 2 3s t e e r i n gs y s t e mm o d e lo fe p ss y s t e m 图2 3e p s 系统模型 1 4 西华大学硕士学位论文 转向柱：以谚+ 曰，晓+ k ，皖= 瓦+ k 。晓 输出轴：以晓+ 皖晓= k ，( 位一包) + g k ，( 巳一g 包) 一l 齿条：jmr 爻r 七b c ? 七kr xr = t w | r o + f 5 电动机：厶银+ b 小o r = 乙一k 。( 银一g 眈) 式中：j 。为转向柱、转向盘的转动惯量： b 。为转向柱的阻尼系数； 墨为扭杆的刚性系数； 0 。为转向柱的旋转角； 死为作用在转向盘上的转向扭矩； j 。为减速机构的转动惯量： 曰。为减速机构的阻尼系数； 仇为输出轴的旋转角； g 为蜗轮蜗杆减速器的减速比； 兀为作用在输出轴上的反作用扭矩： m ，为小齿轮及齿条的质量； 所为齿条的阻尼系数： 墨为等效弹簧的弹性系数； 并为齿条的位移； 风为路面的随机信号； b m 为电动机的粘性摩擦系数； 为电动机的电磁转矩； 为电动机和减速机构的刚度； 厶为电动机的惯性矩； 如为电动机的转角； 为小齿轮的半径。 其中，b 。、b 。、b ，和b m 的数值通过试验获得。 假设小齿轮和输出轴之间是通过一个等速双万向节连接，则： 包= 立 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西华大学硕士学位论文 联立方程( 2 1 ) 、( 2 1 ) 和( 2 3 ) ，得到无助力机械式转向系统动力学模 型的微分方程为： js 舀s + b s 6s + ks 9 s = t h + k s 蔓 0 以戈，+ b r t + k ：坠l 六 。哆fg 讣* 一讣兄 j 小吃+ 召。以：l k 。( e m 二g 兰) 0 ( 2 - 6 ) 其中，m ，= m ，+ 是减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量； b ，= 仇+ 鲁是减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数。 这样，就得到了e p s 系统的数学模型。该模型主要有三个输入：转向盘转 矩瓦、电动机电磁转矩和路面信号的随机输入风。系统模型输出主要包括 电动机助力转矩的大小瓦、转矩传感器检测的转矩大小、转向盘转角仇、 电动机速度p ，m 和齿条的位移并。 2 2 2 直流电动机模型 根据电磁力定律，直流电动机电枢通电后， 力的作用，从而在转子上产生电磁力矩： l = k t i 。 电枢导线在磁场中要受到电磁 式中，i 口为电枢电流； k 为电机参数，称为转矩灵敏度或转矩系。 当电机转动时，电枢导线切割磁力线。根据电磁感应定律， 生感应电势厶( 在电动机中称为反电势) 为： e d = k e c o 式中，彪为电机参数，称为反电势系数； 1 6 ( 2 7 ) 电枢绕组中产 ( 2 8 ) 西华大学硕士学位论文 c o 为电机转速。可以证明，在国际单位制中，有 k e = k t 根据基尔霍夫电压定律有 驴厶鲁删。怛 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中，为电枢电压； 厶为电枢的电感； r 为电枢的电阻。 对式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 取拉氏变换并经适当整理后得到直流电机 的传递函数为： 。日( s ) ：兰 r m s + l 式中，为电动机的机电时间常数。 2 2 3 闭环电流离散p i d 控制模型 p i d 控制算法的模拟表达式为： 砸) 娟p 卜+ 去p 乙百d e ( t ) l 式中，“为调节器的输出信号； e ( o 为调节器输人的偏差信号， 郧为调节器的比例系数； 乃为调节器的积分时间常数； 而为调节器的微分时间常数。 p i d 控制器的作用主要有以下几点： ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 它等于测量值与给定值之差； ( 1 ) 比例系数k p 直接决定了控制作用的强弱，加大k p 可以减小系统的 稳态误差，提高系统的动态响应速度，但k p 过大会使动态质量变坏，引起被 控制量振荡设置导致闭环系统不稳定。 ( 2 ) 在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，因为 只要存在偏差，它的积分所产生的控制量是用来消除稳态误差的，直到积分的 1 7 西华大学硕士学位论文 值为0 ，控制作用才停止。但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作 用使系统的超调量增大，从而使系统的稳定性变坏。 ( 3 ) 微分的控制作用是跟偏差的变化速度相关的，微分控制能够预测偏 差，产生超前的校正作用，它有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定， 并能加快系统的动作速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能，微分作 用的不足之处是放大了噪声信号。 2 2 4 脉宽调制( p w m ) 模型 该控制模块包括一个驱动电动机的驱动电路，它由四个元件构成，其形式 为h 桥式场效应晶体管( m o s f e t ) ，根据电动机驱动信号控制m o s f e t 的占 空比来控制电动机的电压或电流的大小和方向。脉宽调制器和p w m 变换器的 传递函数根据其工作原理，当控制电压配改变时，p w m 变换器的输出电压 要到下一个周期才会改变。因此，脉宽调制器和p w m 变换器合起来可以看 成是一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期t ，当整个系统的开环 频率特性截止频率满足a 坯i 3 t 式时，可以将滞后环节看成一阶惯性环节。因 此，脉宽调制器和p w m 变换器的传递函数可以近似看成： 矿 g p 聊( s ) = 等等 ( 2 1 3 ) 式中，丁为开关周期，这里取1 2 0 0 0 0 s ： 郧聊为脉宽调制器和p w m 变换器的放大系数，在该模型中取1 。 = 瓷 阮为p w m 变换器的输出电压； u o 为脉宽调制器的控制电压。 2 3e p s 系统的助力特性分析 ( 2 1 4 ) 西华大学硕士学位论文 ：之jl 王c 吐 、爹 f 1 ，一 o 亩向裔转籀1 独n m ) f i g 2 4t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe p sa s s i s t e ds t e e r i n g 图2 4 e p s 的助力特性 助力特性是指