（车辆工程专业论文）基于模糊自适应pid控制的商用车eps控制器的设计.pdf

t h ec o n t r o l l e rd e s i g no fc o mm e r c i a lv e h i c l ee p sb a s e d o nf u z z y a d a p t i v ep i d ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i un i n g b o s u p e r v i s o r ：p r o f l i uj i n g y u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：矧寄栩矗刁伊年么月，日 l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 纠寺栲印年 j 多月j 1 9 导师龇5 一畅幻汐年细日 摘要 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 ) 是一种新型动力转向 系统，能有效提高汽车的行驶安全性、操纵稳定性、驾驶舒适性。e p s 可实现助力特性 调整并且节能环保，作为一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，成为汽车转向系统发 展的必然趋势。 论文选定某载重4 吨的中型货车作为商用车辆电动助力转向系统的装备目标车型， 开发了以m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 为核心的控制器。针对商用车辆特点对e p s 控制器进行设计。 设计了e p s 整体布置方案，根据目标车型转向系结构选择了主要电控器件，设计了2 4 v 、 1 2 v 和5 v 直流稳压电源电路、有刷直流电机驱动及调速电路、离合器及继电器控制电 路、各种信号处理电路及故障检测电路并制定了故障代码表。以曲线型助力特性曲线为 基础实现了助力控制、阻尼控制和回正控制三种控制模式，并在助力控制中引入模糊自 适应p i d 的控制算法。选择了合适的输入变量隶属度函数，制定了模糊控制规则表并编 制了相应模糊化、模糊推理、解模糊的控制程序，还设计了系统安全自检流程、继电器 与离合器故障类型检测流程、d 转换流程、防脉冲干扰移位均值滤波流程和助力模式 选择流程等。通过调试控制器软硬件，控制器已基本满足设计要求。 关键词：商用车e p s ，模糊自适应p i d ，p w m ，m c u 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 gs y s t e m ( e p s ) i san e wt y p e s t e e r i n gs y s t e m i th a st h e a d v a n t a g e so fs a v i n gf u e l ，p r o d u c i n gl e s sp o l l u t i o n , i m p r o v i n gv e h i c l e sh a n d l i n gs t a b i l i t y , d r i v i n gc o m f o r ta n ds e c u r i t y , b e s i d e s ，i tc a na d j u s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs t e e r i n ga n d b e n e f i te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a san e w - h i g h - t c c ht h a tf o l l o w sm o d e mv e h i c l ed e v e l o p m e n t t o p i cc l o s e l y e p sw i l lb et h ei n e v i t a b l ed i r e c t i o nf o ra u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t e dac e r t a i nm e d i u mt r u c kl o a d i n g4 ta st h ee q u i p p e dt a r g e t m o d e l 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 o fc o m m e r c i a l v e h i c l e ，a n dd e v e l o p e d m c 9 s12 d g 2 5 6p r o c e s s o ra st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r d e s i g n e dt h ec o n t r o l l e rb a s e do n c o n s i d e r a t i o n so fc h a r a c t e r i s t i e so fc o m m e r c i a lv e h i c l e d e s i g n e de p ss y s t e mo v e r a l ll a y o u t , c h o s ep r i n c i p a le l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa c c o r d i n gt ot h es t e e r i n gs y s t e ms t r u c t u r eo ft h e c h o s e nv e h i c l e ，d e s i g n e d2 4w12 杉5 vd cs t a b i l i z e ds o u r c e ，d cb r u s hm o t o rd r i v ec i r c u i t r y , c l u t c ha n dr e l a yc o n t r o lc i r c u i t r y , s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t r y , t r o u b l ed e t e c tc i r c u i t r ya n d t a b u l a t e df a u l tc o d e a c c o m p l i s h e dn o r m a lp o w e rs t e e r i n gm o d e ，d a m p i n gp o w e rs t e e r i n g m o d ea n da l i g n i n gp o w e rs t e e r i n gm o d eb a s e do l lt h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e u s e df u z z y a d a p t i v ep i dc o n t r o lm e t h o di nt h ec o n t r o lo fp o w e rs t e e r i n g c h o s ep r o p e rm e m b e r s h i p f u n c t i o n sa n dt a b u l a t e df u z z yc o n t r o lr u l e s p r o g r a m m e dc o r r e s p o n d i n gf u z z i f i c a t i o n p r o c e d u r e ，f u z z y i n f e r e n c ep r o c e d u r ea n dd e f u z z i f i c a t i o np r o c e d u r e d e s i g n e ds y s t e m s e l f - s a f e t yi n s p e c t i o np r o g r e s s ，c l u t c ha n dr e l a yf a u l tt y p ed e t e c tp r o g r e s s ，a dc o n v e r t p r o g r e s s ，a n t i - i m p u l s ei n t e r f e r e n c em e a ns h i f tf i l t r a t i o np r o g r e s sa n dp o w e rs t e e r i n gm o d e s e l e c t i o np r o g r e s sa n ds oo n t h ei n t e n t i o nc a nb eb a s i c a l l yf u l f i l l e db yd e b u g g i n gb o t l lt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l ee p s ，f u z z ya d a p t i v ep i d ，p w m ，m c u 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 动力转向系统发展历程1 1 3 国内外e p s 技术研究现状及趋势2 1 4 研究背景及意义3 1 5 论文的主要研究内容3 第二章e p s 总体结构方案及控制策略5 2 1 目标车型与总体结构方案5 2 1 1 车型参数5 2 1 2e p s 总体布置方案5 2 2 最大转向阻力矩的计算7 2 3e p s 系统受力分析8 2 4e p s 助力策略9 2 4 1 影响因素分析9 2 4 2 助力控制策略1 0 2 4 3 回正控制策略1 1 2 4 4 阻尼控制策略1 2 2 5 本章小结1 2 第三章e p s 控制策略实现及电路设计13 3 1 总体控制方案设计1 3 3 2 助力电机1 3 3 2 1 助力电机基本要求及选型1 4 3 2 2 电机的机械特性1 4 3 2 3 电机功率与参数确定1 6 3 3 传感器1 6 3 3 1 转矩及角度( 位置) 传感器1 6 3 3 2 车速传感器1 8 3 4 编码器1 8 3 5e p s 微控制器1 9 3 6 电路设计2 l 3 6 1e c u 电源电路设计2 1 3 6 2 晶振与锁相环滤波设计 3 6 3 串口通信设计 3 6 4 单线背景调试模式与系统复位设计 3 6 5 继电器控制电路设计 3 6 6 电磁离合器控制电路设计 3 6 7 转矩信号电路设计 3 6 8 车速信号处理电路设计 3 6 9 电机转速信号处理电路设计 3 6 1 0 电机电流检测电路设计 3 7 电机驱动电路设计 3 7 1h 型逆变器控制方式选择 3 7 2 开关器件参数设计与驱动芯片选择 3 7 3 脉冲宽度调制选频 3 7 4 驱动电路设计 3 8 故障检测与处理 3 8 1 电机断路检测 3 8 2 蓄电池亏电检测 3 8 3 系统温度监控 3 8 4 传感器与编码器掉电检测 3 8 5 继电器故障检测 3 8 6 离合器故障检测 3 8 7 报警及故障指示 3 9 本章小结 第四章e p s 软件方案及程序设计4 1 4 1e p s 软件设计原则与开发环境4 l 4 2 模糊自适应p i d 控制策略4 l 4 3e p s 直流电机的控制方式4 3 4 4 控制程序流程及设计4 3 4 4 1 主程序流程4 3 4 4 2 系统初始化4 4 4 4 3 系统安全自检及故障处理4 5 4 4 4 模拟信号采集及处理4 8 4 4 5 助力模式选择5 0 4 4 6 模糊控制及驱动5 1 4 4 7 防干扰c o p w a t c h d o g 5 3 4 5 本章小结5 4 结论与展望5 5 参考文献5 7 3 4 4 5 6 6 7 8 8 9 9 l 4 4 6 6 7 7 7 8 9 9 o 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 致谢6 1 v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 动力转向的目的是要解决转向中轻与灵的矛盾。2 0 世纪8 0 年代，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 g ，简称e p s ) 开始装备轿车，它完全依靠电机提供助力，克服了 前两种转向器控制特性无法调整、路感差、结构复杂和液压油易泄露等缺点，受到了众 多汽车厂商的欢迎，极具市场潜力。如今与电动助力技术密切相关的集成电路、微电子 领域的飞速发展与技术普及给e p s 发展带来了新的契机，引发了大范围的机械行业设计 及制造观念革命，将e p s 的研究与推广推向了汽车高新电子技术的发展前端。 1 2 动力转向系统发展历程 汽车转向系统包括液压式动力转向系统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 ) 、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 ) 和电动助力动力转 向系统( e l e c t r i cp o w e r a s s i s t e ds t e e r i n ge p a s 或e p s ) 1 1 1 ，其发展历程可分为三个阶段【2 】： ( 1 ) 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 ) h p s 的特点是助力特性无法改变，因为助力装置提供的助力力矩与转向角度成线性 或近似线性比例，转向盘角度增大时液压助力力矩随之增大，但助力力矩无法根据车速 调整。此外转向噪声大，舒适性低，转向油泵持续工作，无法根据行驶工况关闭或开启， 能耗较高，尤其时低速转弯时转向沉重，液压泵的压力很大，容易损害助力系统。 ( 2 ) 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 ) 引入了以车速感应为控制信息的电子控制，其中流量控制式根据车速调整电磁阀阀 针开度，从而通过控制提供助力的动力缸旁路液压油流量调整助力转矩，反力控制式与 阀灵敏度度控制式也都是加入了e c u 对速度的响应，通过调整液压油流量改变助力矩 大小，但液压系统本身的滞后性降低了转向助力矩的响应速度，实时调整性差。 ( 3 ) 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e r a s s i s t e ds t e e r i n ge p a s 或e p s ) 驱动部件由液压泵及附属助力装置换为电动机，随之省去液体存储箱，降低了附加 损耗【3 】，目前电动助力转向系统有代替液压动力转向系统的趋势1 4 】，其最显著的特点就 是e p s 提供可变助力，电机输出力矩由程序直接控制。电动机直接作用于转向机构，随 动性强，响应速度快，同时e p s 控制程序本身就设置了目标理想助力特性曲线，助力策 略最终由电动机实现回正特性与汽车行驶动态参数的匹配。阻尼助力在高速和小角度转 弯时能以稍重的手力操纵转向，获得较强的路感以提高汽车的操纵性能1 5 。 第一章绪论 此外，e p s 结构简单，工作平稳，而且使用绿色能源，节能减排。助力电机只在汽 车转向时才工作【6 】，通过将装有e p s 和装有h p s 的车辆对比表明，在不转向的情况下， e p s 能降低2 5 的燃油消耗；而在使用转向情况下，燃油消耗更是降低了5 5 【7 1 。 针对商用车的e p s 开发的热点问题在于： ( 1 ) 电动机驱动技术。要求转速低、转矩大、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻， 而且要求可靠性高、易控制。 ( 2 ) 可靠的传感器。要求结构简单，信号稳定可靠，价格适中，满足一定精度要求。 ( 3 ) 合理的转向控制。有必要引入惯性控制和阻尼控制，避免在电机开始助力和结束 助力时的阶跃性力矩介入影响转向系的正常运转。同时，必须根据汽车的行驶速度和转 向状态确定合理的助力的大小和方向以保持良好的路面反馈。 ( 4 ) 抗干扰性与自我诊断。e p s 不仅存在机械方面的失效情况，更多情况下可能独立 的或受整车电路影响的电子部分故障，而且e p s 的安装位置一般在发动机附近，热辐射 与电磁干扰对e p s 有很大影响。e p s 应具备基本的自我诊断功能在硬件软件设计上都增 加冗余设计及容错技术的应用【8 】。 1 3 国内外e p s 技术研究现状及趋势 2 0 世纪8 0 年代e p s 的设想从提出到实车装备仅用了不到十年的时间，此后以日本、 德国和美国为主体的e p s 研发迅速拓展，其中以d e l p h i 公司和n s k 公司为主要代表。 e p s 在轿车上的成功应用之后将向更大型轿车和商用车辆方向发展，如本田的a c c o r d ， 菲亚特的p u n t o 等中型轿车。未来开发的e p s 将不仅在低速和停车时提供助力，还能在 高速时提高汽车的操纵稳定性并优化阻尼助力( 阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线 行驶稳定性的一种控制模式【9 1 ) ，而且当电子元件发生故障导致助力降低或完全失去时， 检测出故障的发生，故障诊断策略决定在必要时关闭助力，完全由驾驶员提供转向力 l o - l l 】。今后控制信号将拓展至转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号源。 例如r o ym c c a n n 一2 通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到e c u 控制策略中，加 强了汽车在低附着率的地面上行驶的操纵稳定性。另外，在e p s 的助力特性、性能评价、 故障诊断及测试系统方面也有专家学者开始研究。 国外的e p s 研发进行了十多年之后，我国以清华大学、同济大学、吉林大学、北京 理工大学等高校汽车院系为主体的e p s 研究工作才相继开始。在此期间，林逸、施国标 等人对助力特性进行了研究，讨论了确定助力特性的一般过程，并设计了其控制策略。 2 长安大学硕士学位论文 唐新蓬、杨树提出并验证了将e p s 系统比例控制系数设计成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。赵君卿、王其东等对p d 控制的e p s 最优控制下悬架 和集成控制的系统进行了仿真计算，结果表明：e p s 和主动悬架的集成控制的效果优于 单独控制。清华大学季学武教授发明了一种车用光电式转矩传感器，在国内非接触式转 矩传感器领域迈开了可喜的一步。国内汽车厂商虽然起步也较晚，但在轿车e p s 开发上 已有显著成果。吉利集团自主研发的第六代电动助力转向装置开始进入大批量应用阶 段，将配装在远景、吉利金刚、自由舰等多款吉利车型上。中航南方在湖南株洲组建国 内首家e p s 研究院，并交付出具有自主知识产权的1 0 万套e p s 。有数据显示，2 0 0 9 年， 国内汽车产销量超过1 3 0 0 万辆，其中安装e p s 的乘用车仅1 8 0 万辆，占比不到两成。 而未来5 6 年，这一数量将会增至六成。 1 4 研究背景及意义 近年来制造业与电子行业飞速发展，人们对汽车节能、环保、安全的要求越来越高， 电动助力转向系统在汽车上应用的市场前景十分广阔。因此，开发和研制性能优异的电 动助力转向系统已成为世界汽车企业和各国科研单位的重点课题，目前国内商用车大都 是自主品牌，但市场上的产品主要被国外的公司所垄断，拥有自主知识产权的生产厂家 还很少，在国内开展拥有自主知识产权的高性能的具有市场竞争力的电动助力转向系统 研究是一项紧迫的任务。开发商用车e p s 的关键技术是助力电机的驱动与较高助力矩的 提供，因为商用车转向系沉重，转向轮负荷重，所需助力矩大，但目前配备1 2 v 或2 4 v 电压系统的商用车仍是主流，选择能提供足够转矩的大功率电动机时受到很大的限制。 目前一些欧洲汽车厂商的研发机构已在中、重型车装备4 2 v 电压系统的研究及应用方面 取得进展，同时日本的k o y o 和n s k 公司、美国的d e l p h i 和t r w 等公司也在积极 研究e p s 的拓展应用，此外各种先进的控制算法与高性能的汽车专用m c u 的结合更为 商用车e p s 设计提供了新的技术支持。 1 5 论文的主要研究内容 论文的主要研究内容有： ( 1 ) 分析e p s 助力原理及分类，选定设计相关的车型参数，根据商用车前轴载荷特 点确定助力电机类型及性能参数，设计相应的减速机构并与电机进行关键参数匹配； ( 2 ) 计算目标车型的原地转向阻力矩并确定所需的最大助力矩，选择合适的助力特性 曲线并制作对应的控制量表格，为设计控制程序提供数据基础，针对商用车不同行驶工 第一章绪论 况确定对应的助力策略； ( 3 ) 设计商用车e p s 总体布置方案，选择传感器、e p s 微控制器等电路元器件并确 定型号及关键性能参数，确定继电器、电磁离合器等控制元器件的类型及参数； ( 4 ) 设计以车载2 4 v 电源为主电源的1 2 v 和5 v 直流稳压电源电路给各功能模块及 控制单元供电，设计继电器与电磁离合器控制电路实现紧急情况下转矩传输的切断，设 计滤波电路对模拟输入信号实施预处理，通过电流检测电路引入反馈信号形成闭环控 制，设计电机的p w m 调速驱动电路，设计故障检测电路并制作故障代码表； ( 5 ) 在控制程序中建立模糊自适应p i d 算法对应的数据表，通过判断语句和函数建立 软件模糊控制器。编制安全自检、助力模式选择、模糊控制及驱动和防止程序紊乱等程 序，最后通过试验进行具体的参数调试。 4 长安大学硕士学位论文 第二章e p s 总体结构方案及控制策略 2 1 目标车型与总体结构方案 选取一载重约4 t 的中型货车，其采用循环球齿条齿扇式转向器。转矩传感器单独 地安装在齿扇处，电动机与转向助力机构一起安装在齿扇另一端的齿条处，助力力矩直 接作用于齿条。齿条由一个齿扇驱动，可给系统较大的助力。 2 1 1 车型参数 目标车辆与设计相关的主要参数如表2 1 所示： 表2 1 目标车型参数 项目参数 发动机型号 y n 4 10 2 q b z l 轮胎型号 8 2 5 2 0 满载总质量 8 8 0 5 k g 额定载货质量3 8 0 0 k g 整车外形尺寸( 长宽高) 6 2 0 0 2 2 5 0 2 8 0 0 m m 轴距 3 4 2 0 m m 前后轮距 17 5 0 16 5 0 m m 前悬后悬 10 8 0 17 0 0 m m 接近角离去角 2 9 。2 0 。 空载时质心到前轮距离 2 0 0 5 m m 满载时质心到后轮距离 2 4 4 l m m 转向盘直径 4 2 0 m m 2 1 2e p s 总体布置方案 如图2 1 所示，该系统主要由转矩传感器、车速传感器、电控单元、循环球式转向 器、助力电机、蜗轮蜗杆减速器、离合器等组成【15 1 。 第二章e p s 总体结构方案及控制策略 图2 1e p s 结构方案 目标车型采用循环球式液压助力转向器，论文在此基础上使用循环球式电动转向器 取代原液压式转向器，它将电动助力转向装置与循环球式机械转向器的主要结构集成为 一体，使转向更轻便。如图2 2 所示： 锕豫转向露坪 图2 2 循环球式电动转向器 减速机构与电动机相连，用来降低转速并增加转矩。论文选用蜗轮蜗杆减速机构， 它已集成在上述整体式循环球减速机构中。 减速机构的选择与电机电气参数互相影响，一般确定电机后根据主要参数的关系对 减速机构进行校验( 电机的选择在第三章作为e p s 部件进行介绍) ，减速机构的设计参数 与电机的定量匹配主要考虑以下参数： ( 1 ) 转向轴旋转角速度。我国有关操纵稳定性试验标准规定的转速为不小于 2 5 0 。s ，美国e s v 试验标准规定该值不小于5 0 0 。s ，而相关实验数据表明在紧急避 让的特殊情况下该指数可达到约1 0 0 0 。s ，对于商用车应保证在1 0 0 0 。s 附近时最大 助力矩。0 ，即： ，一k 8 6 0 0 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：u 电源电压 k 电动机反电动势常数 e 一减速机构减速比 商用车电源系统中u = 2 4 v ，故k g 1 4 0 0 1 v s t a d 。 ( 2 ) ( 2 ) 电动机反电动势常数k ( 或电动机电磁转矩常数) 。该值过大无法满足转向盘高 速转动的助力需要，过小会使电动机电流增大，若在= 5 0 0 s 时也能提供最大助力， 则： 6 长安大学硕士学位论文 u k g c o = 0 ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，k g = 1 - 4 0 0 1 v s r a d ，取k = o 0 7 1 8 。 ( 3 ) 减速比g 。传动效率与g 值成反比，提高正传动效率可以增强助力效果，提高 逆效率可以提高回正性能。逆效率降低到极限值时会导致系统自锁。减速机构为涡轮蜗 杆，采用有刷电机的情况下，g 取值范围为1 5 1 9 5 。g 与k 相互影响，在保证两者乘 积稳定的前提下，g 小较好，过大可能导致电机转动惯量的增加和响应速度的降低，加 之布置空间的限制，k 值无法过大。由式( 2 2 ) ，g 值为1 9 5 。 ( 4 ) 电机回路电阻r 。减小r 意味着更好的动力性和经济性，选定电机后r 即确定。 驾驶疲劳是指驾驶员在行车过程中，出现腰酸背疼、眼睛模糊、手指和身体不灵活、 反应迟钝、判断不准等驾驶能力低下的现射3 0 】。 电磁离合器安装在助力电机与减速机构之间，当控制器检测到电路或机械故障时分 离，转向器在机械力矩的作用下继续转向。要求离合器分离迅速，结合可靠。论文选取 单片干式电磁离合器。图2 3 为结构示意图： 图2 3 干式单片电磁离合器结构 主要性能参数：型号d l d 3 珈5 n ，额定动力矩4 n m ，静力矩4 4 n m ，额定电压 2 4 v ，线圈消耗功率1 7 w ( 2 0 。c ) ，允许最高转速为3 6 0 0 r m i n 。 2 2 最大转向阻力矩的计算 汽车的最大转向阻力矩发生在汽车原地转向时，助力转向必须满足此时转向轻便性 的要求。原地转向阻力矩i 。为1 6 1 ： k = 嘉譬( ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中：f = - 0 7 轮胎与地面的滑动摩擦系数 g ，= 2 5 2 0 0 转向轴负荷( n ) 7 第二章e p s 总体结构方案及控制策略 p = 0 7 5 m p a 轮胎气压( m p a ) 根据国标q c t4 8 0 1 9 9 9 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法得到对于最大总质 量在6 吨与1 5 吨之间的货车，其转向盘操纵力最大为1 8 0 n ，对装配了助力装置的商用 车，该值为8 0 n 。故转向盘最大转矩为： 乃。= d( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中：瓦“最大转向盘力矩( m ) 转向盘最大操纵p b _ k 限值( n ) d 转向盘直径( m ) 阻力矩最大时，转向盘力矩最大，要求的助力矩也最大，此时，助力矩是电动机最 大助力矩，由此电动机的最大助力矩t 。： k = 错 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中：g 。= 2 0 转向器角传动比 g = 1 9 5 涡轮蜗杆减速器传动咄1 8 1 叩。= 8 0 涡轮蜗杆减速器效率 ，7 + ：8 0 循环球式电动转向器正效率【2 0 】 计算得到：i 。= 1 0 7 8 ( n ) ，l 丛= 2 4 ( n m ) ，0 一表示电机经减速机构后 应满足的转矩要求。 2 3e p s 系统受力分析 根据力学原理，将力的作用对象看成一个系统，忽略内部作用力，则电动助力转向 系统所受外力可等效为转向盘输入力矩、助力电机的输出助力力矩及转向系统阻力矩。 ( 1 ) 转向盘输入力矩 转向盘输入力矩即驾驶员作用在转向盘上的作用力，其力臂为转向盘等效圆的半 径，驾驶员通过该输入力矩对转向盘进行操作，主动转向时，输入力矩表现为操作者作 用在转向盘上的切向力；直线行驶或保持定向行驶时，该力矩表现为把持力。 ( 2 ) 转向系统阻力矩 根据力的等效原理，转向系统所受阻力矩可看成两种，一种是转向系自身阻力矩， 另一种绕主销产生。影响这些转向阻力矩的主要因素有转向盘转角、转动角速度、轮胎 8 长安大学硕士学位论文 偏离角、车辆侧偏角和车速等。 转向系阻力矩分三部分。第一部分是转向系各部分之间的干摩擦阻力矩的总和，即 转向系摩擦力矩；第二部分是主要由回位弹簧和内橡胶衬套等弹性部件的弹性形变引起 的转向系回正力矩；第三部分是由各惯性部件在运动条件变化时产生的大小由自身质量 所决定的转向系惯性力矩。 绕主销的阻力矩分两部分。第一部分是汽车原地转向时发生扭转变形的轮胎和胎面 与路面间滑移产生的原地转向阻力矩。第二部分是汽车在行驶时轮胎与路面间以及转向 系内部产生的行车转向阻力矩。影响绕主销的阻力矩的因素主要有轮胎接地的面积、压 强、磨擦系数等。其中，轮胎负荷、轮胎与路面间的摩擦系统与原地转向阻力矩的大小 乘正比；轮胎气压和车速与原地转向阻力矩成反比。绕主销的阻力矩大部分是由路面和 轮胎间的转矩形成的并根据轮胎模型近似计算。 ( 3 ) 助力电机输出助力力矩 该力矩的大小虽然受机械传动机构的影响，但却由控制器通过控制电路决定，车辆 实时速度、转矩信号、转向盘位置信号以及其他路面反作用力都是该力矩的影响因素。 2 4e p s 助力策略 2 4 1 影响因素分析 ( 1 ) 助力特性 与乘用车相比，商用车前轴载荷更大，商用车的助力曲线斜率更大。 ( 2 ) 方向盘里的特性 在高侧向加速度区域中，方向盘力的过快增长会使驾驶员感到转向沉重。因此一般 情况下要求在角度与地面转向阻力较小，手力缓慢增加，反之手力应增加的快一些。转 向手力特性的曲线见图2 4 ，理想助力矩与速度的关系如图2 5 所示： 助力j 哐- l ( n - m ) ( 3 ) 静态转向特性 - - v e 速v ( k m h ) 勘力矩t ( n m ) 操纵力矩1 - ( n n 日 图2 4 转向手力特性曲线图2 5 理想助力矩特性曲线 9 第二章e p s 总体结构方案及控制策略 车辆起步转向状态下转向角很小，此时可认为轮胎与地面接触面面积不变，这样轮 胎的力学模型可等效为弹簧并有式( 2 4 ) 成立： ，d2 0 = g ( k 工一i 。f d o d t ) + k 。( p 。一口) 一6 。( 哟。d t d 9 d 亡) 一瓦。( 2 6 ) 式( 2 6 ) q h ：珞，。电机总摩擦力矩；k 转向系反作用力；9 转向轴角 ( 4 ) 路感 影响路感的主要因素是转向系统的结构、控制器的参数和传动中的摩擦力矩。其中 控制器参数可由软件调整，通过对不同速度区域助力值的设计可以保留合适的路感。 2 4 2 助力控制策略 助力控制是车辆在一般行驶速度下助力电机提供助力，减轻转向盘操纵力的控制模 式，e p s 处于这种模式的时间最长，向这种模式切换的次数最频繁。首先确定该模式下 驾驶员转动转向盘时作用在转向盘上的力，其下限是保证路感前提下吻合驾驶员的感觉 灵敏度的乃。，转向盘输入转矩小于兀。时不进行助力；其上限应满足国标q c t 4 8 0 1 9 9 9 汽车操纵稳定性指标规定。论文初步取乃。= 2 o n m ，乃。3 0 n m 。微处 理器采集转矩、车速等信号，根据助力曲线表确定出电机的助力电流，得到控制目标电 流，引入电流传感器检测控制电路中的电流，得到实际电流，形成闭环控制系统，目标 值与实际值之差输入模糊自适应p i d 控制模块，输出实时p w m 控制信号通过驱动电路 产生目标助力矩。车速、转矩以及控制电流之间的关系由m a t l a b 建立仿真模型得出， 助力特性图如图2 6 所示： 4 0 3 0 叠 “2 0 1 0 0 3 0 图2 6e p s 助力特性三维图 l o 长安大学硕士学位论文 利用图2 8 数据编写对应的控制程序中的占空比与转矩、车速关系如表2 2 所示( 其 中转矩范围由区间序号表示) ： 表2 2 占空比值查询表 卜劈 i 短 小 ol234567 乒；乞 t 谚 0 10 k m h6 0 05 2 04 3 0 3 3 0 2 5 01 7 0 1 0 0o 10 3 0 k m h5 4 05 0 03 9 03 2 02 3 01 6 08 00 3 0 5 0 k m h4 8 04 5 03 7 03 1 02 1 01 5 07 0o 5 0 , - , 6 0 k r n h 3 9 03 6 03 4 0 2 9 0 2 0 0 1 3 06 00 6 0 8 0 k m h3 0 02 6 02 5 02 4 01 7 01 0 05 0o 8 0 9 0 k m h00 o 0 o o00 9 0 k m h3 03 03 03 02 02 02 00 2 4 3 回正控制策略 回正控制对应的车辆行驶状态一般有两种：一种是转向轮与转向盘回正不同步，另 一种是高速行驶状态下转向系的高频抖动以及转向轮在转向盘小角度输入下的过灵敏 反应。在车辆低速行驶时回正曲线必须通过原点，高速行驶行驶时回正的残留角应小于 5 。机械转向系中，车轮回正性能主要依靠主销后倾角及内倾角来获得，通常在高速行 驶状态下，后倾拖距使地面侧向力产生与侧向力成正比的回正力矩，低速行驶时，在转 向轮转动时主销内倾角使车身产生抬高倾向而产生系统位能和前轮的回正力矩。通过调 整控制程序的设计参数以获得最佳的回正特性，这些参数依据预设的回正特性曲线族得 到，结合电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，提供与车辆动态性能相匹配的转向 回正特性。回正特性曲线如图2 7 所示： 辜 苔 鼎 卤 回 转同主角塞td ， 回五特性 三。 画 乡 卤 匾 勿 簧同盏角度 三 酒 夕 卤 国 ， o 藉同孟角度 l匿墓鹭线高速酋线 图2 7 回正特性曲线 l l 第二章e p s 总体结构方案及控制策略 2 4 4 阻尼控制策略 阻尼控制对应的工况为高速行驶时的电机助力状态。高速行驶时电机的输出转矩很 大，停止转动转向盘后，电机由于惯性和剩余的高速转动惯量不能同时停转，造成转向 盘过多转向。车速超出高速阈值( 9 0 k i n h ) 时，助力电机进入阻尼助力。加装e p s 的转向 系统的惯量增大，阻尼控制的目标就是提高系统转向收敛性，高速转向及行驶稳定性， 同时抑制汽车高速行驶时出现的转向盘高频抖动现象及路面回馈力引起的转向盘摆震 现象。 2 5 本章小结 ( 1 ) 分析了e p s 助力原理及分类，选定了设计相关的车型参数； ( 2 ) 计算汽车最大转向阻力矩，建立了系统模型并进行受力分析，着重分析了转向盘 输入力矩，转向系统阻力矩和助力电机输出助力力矩； ( 3 ) 对e p s 系统各子模块进行划分及建模，包括转向盘与传感器子系统，转向螺杆 子系统，电动机与减速器子系统，轮胎模型等； ( 4 ) 计算了最大阻力矩，分析了加入e p s 的转向系统特性控制对轴荷相关特性、方 向盘力的特性、静态转向特性等特性的影响，确立了三种助力策略。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章e p s 控制策略实现及电路设计 3 1 总体控制方案设计 系统硬件结构与控制流程图如图3 1 所示： 寓滩号 u l 信号缴氯k l 援矩t 芏i 墓v 位置9 图3 1e p s 系统结构与控制流程 助力系统的工作流程是：汽车点火开关闭合产生启动信号，微处理器通电并开始对 e p s 系统硬件及各部分电路进行自检，通过自检后，程序进入接收信号并处理的状态， 信号通道打开。车辆起步后转矩传感器将转向盘转矩从力信号转变为电压信号，同时由 程序判定转向盘转动方向，车速传感器检测到车速信号，以上信号由各对应的信号获取 及过滤处理电路输入至e c u 相应接口，处理核心依据预设助力特性曲线由转向盘转矩 值、转向逻辑值和实时车速值整合求解所需助力力矩的大小和方向，以p w m 信号形式 输出至驱动电路。检测电路如捕捉到异常信号则向e c u 申请中断，中断服务程序响应 后返回控制流程开端。 系统的元器件选择及电路设计的主要内容有：主要部件选型，包括助力电机、传感 器、电压转换芯片、控制程序调试中用来显示实时转矩值的显示器件及其他用于限流、 分压、过载保护、抗电磁干扰等作用的电阻性、电容性和电感性元件的确定；主要电路 设计，包括电源转换电路，把原车载电源即蓄电池的+ 2 4 v 电压变转换为控制芯片的正 常工作电压最p + 5 v 电压，加入滤波及稳压措施，h 桥驱动电路及其他逻辑电路，h 桥功 率驱动电路是实现电机正、反转和调速的电路，逻辑电路配合驱动电路，故障检测及处 理电路，对主要功能电路实时监测，显示故障代码，停止故障部分工作等功能；编制程 序实现电机的助力、回正和阻尼控制等功能。 3 2 助力电机 第三章e p s 控制策略实现及电路设计 3 2 1 助力电机基本要求及选型 作为e p s 的动力源，助力电机根据e c u 指示提供目标助力转矩，是e p s 的关键部 件，其性能直接影响e p s 系统，选择助力电机要综合考虑助力机构的减速比、前轴载荷、 蓄电池电压、噪声、振动以及转动惯量等因素对系统的影响。基本要求有：与目标车型 的2 4 v 车载直流电压源匹配，要求助力电机能够承受足够大的电流；具有较小的转动惯 量，调速范围大并且有较好的控制特性，各转速段上转矩输出平稳，无明显突变波动； 为了降低电机总成机械转动惯量，控制助力系统动态性能，齿轮传动比不能太大，转速 需控制在合理范围；具有较小的体积和质量，转子自身的惯性力矩应较小；在特殊的堵 转工况下也可以提供不问断力矩输出。由于电源的限制，首先将交流电机排除，选用直 流电机【2 7 1 。表3 1 给出主要直流电机特性对比。 表3 1 电机选型比较 有刷电机无刷电机开关磁阻电机感应电机 转动绕组 三相定子 四相定子 结构特点永磁转子 钢铁转子 三相定子 机械换向 无转子绕组 铝铜笼转子 电子换向无永磁体 无永磁体 控制特性线性调速线性调速宽调速范围好 功率密度中高中中 负荷效率 8 5 9 7 8 5 9 7 7 8 r 8 6 9 0 9 2 力矩波动设计中需考虑电磁设计考虑电控电磁设计 较小 制造成本适中较低