（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统控制策略研究及试验台方案设计.pdf

摘要 汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、主动安全性以及舒适性的关键部件。随着 汽车电子化、智能化的发展，以及人们对汽车安全性、舒适性要求的日益提高，汽车 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 ) 成为汽车动力转向技术研究的 焦点。它不仅节能、安全、舒适性好、维修方便，还有利于环保，具有传统液压助力 转向系统无法比拟的优势，是未来汽车转向技术发展的必然趋势。 本文以e p s 为研究对象，建立了汽车二自由度动力学模型以及转向系统动力学模 型。在此基础上，详细分析了e p s 系统的助力特性，提出了从电机电流跟随性、横摆 角速度的瞬态响应和转向路感三个方面对电动转向系统性能进行客观评价，并分别设 计了p i d 和自适应模糊p i d 两种控制策略来对电机进行控制。m a t l a b 仿真结果表明， 自适应模糊p i d 控制器有效的抑制了系统的不确定因素和外部干扰，使电机电流的跟 随性能达到最优，满足了e p s 对转向轻便性和转向路感的要求。 本文对电动助力转向试验台进行了初步方案设计。其主要功能是完成e p s 转向阻 力的模拟加载，通过对试验数据的采集和处理，实现对e p s 性能的分析和评价。本文 设计了基于m c 9 s d g l 2 8 微处理器的试验台数据采集系统，实现转向盘转矩、电机电 流、电压等信号的采集。并开发了基于l a b v i e w 的汽车e p s 试验台实时数据采集系 统显示界面，界面友好、简单直观。 关键词：电动助力转向系统，仿真，控制策略，试验台 a b s t r a c t t h ev e h i c l es t e e r i n gs y s t e mi sac r i t i c a lc o m p o n e n tt ot h eh a n d l i n gs t a b i l i t y , i n i t i a t i v e s e c u r i t ya n dc o m f o r to ft h ev e h i c l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l ee l e c t r o n i c sa n dt h e i n c r e a s i n gd e m a n df o rm o r es a f e t ya n db e t t e rc o m f o r t ，e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) h a s b e c o m et h er e s e a r c hf o c u so ft h ep o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g y e p sh a sa d v a n t a g e so fe n e r g y s a v i n g ，s a f e ，c o m f o r t ，e a s ym a i n t e n a n c e a n dg o o df o re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，w h i c h t r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m c a nn o tr e a c h ，s oe p sb e c o m e st h e d e v e l o p m e n tt r e n do fp o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t o o ke p sa sr e s e a r c ho b j e c t i v e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt w o - d i m e n s i o n a lv e h i c l e d y n a m i cm o d e la n ds t e e r i n gs y s t e md y n a m i cm o d e l o n t h eb a s i so ft h a t ，ad e t a i l e da n a l y s i s o fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c so fe p sw a sm a d e t h e n ，t h i sp a p e r p u tf o r w a r dam e t h o dt oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo fe p si nt h r e ea s p e c t s ：m o t o rc u r r e n tf o l l o w i n gp e r f o r m a n c e ，y a wr a t e t r a n s i e n tr e s p o n s ea n ds t e e r i n gf e e l a f t e rt h a t ，p i da n da d a p t i v ef u z z yp i dm e t h o dw e r e d e s i g n e dt oc o n t r o lt h em o t o r s i m u l m i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ta d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l s t r a t e g y i n h i b i t e d s y s t e m u n c e r t a i n t i e sa n de x t e m a ld i s t u r b a n c e se f f e c t i v e l yw h i c h o p t i m i z e dm o t o rc u r r e n tf o l l o wp e r f o r m a n c ea n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe p s o ns t e e r i n g a g i l i t ya n ds t e e r i n gf e e l t h i sp a p e rp r o p o s e dap r e l i m i n a r yd e s i g nf o rt h ee p st e s tb e n c h t h em a i nf u n c t i o n s o ft h et e s tb e n c hw e r es i m u l a t i o no ft h es t e e r i n gr e s i s t a n c el o a d ，a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g o ft e s td a t a , a sw e l la sa n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fe p sp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e s i g n e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o r t h et e s tb e n c hb a s e do nm c 9 s d g 12 8m i c r o p r o c e s s o ra n d a c h i e v e ds i g n a la c q u i s i t i o n o fs t e e r i n gw h e e lt o r q u e ，m o t o rc u r r e n ta n dv o l t a g e w h a t s m o r e ，af r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e a s yd a t aa c q u i s i t i o na n ds t a b l em e a s u r e so f c o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e wp l a t f o r m k e yw o r d s ：e p s ，s i m u l a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y , e p s t e s t - b e d 长安大学硕二 ：学位论文 第一章绪论弟一早强了匕 1 1 汽车转向系统的分类及发展过程 汽车转向系统是汽车的一个重要组成部分，它是提高汽车主动安全性和操纵稳定 性的重要因素之一。因而，对汽车转向系统的研究一直是国内外科研机构和汽车厂家 的重要课题。 汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操 纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动 力转向系统又可分为液压动力转向系统、电液动力转向系统、电动助力转向系统、线 控转向系统【l 】。 1 1 1 机械转向系统 机械转向系统是指汽车转向时不借助任何外力，由驾驶员转动方向盘，通过转向 轴、转向器和转向传动机构直接传给转向轮，从而改变汽车行驶方向，如图1 1 所示。 通常根据转向器结构形式的不同，机械转向系统可以分为：齿轮齿条式、循环球式、 蜗杆滚轮式、蜗杆指销式【2 1 。常用的有齿轮齿条式和循环球式两种。 机械转向系统由于不依靠外力，转向力直接由驾驶员手力提供，所以转向时很费 力，尤其是大型客车和卡车。但其结构简单、转向性能可靠，在助力转向研制初期也 曾广泛应用。转向器常设计成可变传动比，在转向盘旋转的小角度范围内，传动比小， 能解决转向灵活的问题；在大角度范围内，传动比大，能解决转向轻便的问题。因此， 这样的设计，可以解决机械转向系“轻”与“灵的矛盾。 _ _ 蒯汹，一叫 图i i 机械转向系统 第一章绪论 1 i 2 液压动力转向系统 动力转向系统是2 0 世纪2 0 年代由美国人f r a n c i sw d a v i s l 3 1 和g e o r g ej e s s u p 在美 国马萨诸塞东部城市沃尔瑟姆发明的。而液压动力转向系统是在1 9 5 1 年美国克莱斯勒 汽车公司最早投入商业使用的【3 】。 液压动力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了控制阀、油泵、动力缸、储 油罐等液压动力装置，如图1 2 所示。转向控制阀有两种结构：滑阀式和转阀式。两 种方式都是利用方向盘转动时改变液压油路通道的面积来提供转向助力的。滑阀式控 制阀是以轴向移动来控制油路；转阀式控制阀是利用阀芯的旋转运动来控制油路。滑 阀式控制阀的结构简单，操纵方便，生产工艺性好，但滑阀的灵敏度不高；转阀式控 制阀密封件少、灵敏度高、结构先进，而且很容易布置在齿轮齿条式转向器中。因此， 目前在轿车和货车上多采用转阀式液压动力转向系统。 蟊。 。翁一0 爹，缁。，；、“j ，。 渺一，盛 图1 2 歌压功力转向系统 虽然液压转向系统可以提供转向助力，但也存在很多不足【4 】【5 】【6 】：助力特性与控制 阀的结构有关，系统的结构参数确定后，助力特性就不能改变；助力的大小与车速无 关，不能在不同的车速下协调转向轻便性和路感之间的矛盾；油泵由发动机直接驱动， 汽车不转向时油泵持续工作，消耗能量多，且一旦液压油泄漏，将污染环境。 1 1 3 电液动力转向系统 随着电子技术的发展以及人们对汽车环保性、经济性和安全性的重视，针对液压 动力转向系统的不足，人们开始提出一些改进措施，开发出了电液动力转向系统，如 图1 3 所示。电液动力转向系统可以分为：电控液压动力转向系统【7 1 、电动液压动力 转向系统两大类。 2 长安大学硕士学位论文 一二 产、乒 图1 3 电液动力转向系统 电控液压动力转向系统主要是将车速信号引入系统，获得车速感应型助力特性， 增加了控制器和执行机构。丰田公司在1 9 7 3 年首先开发了车速感应式转向系统，德国 z f 公司开发了电子控制液压动力转向系统，五十铃和本田公司也分别开发了类似的装 置。这种电控液压动力转向系统种类很多，其原理都是大同小异。电控液压动力助力 转向系统的助力特性可根据车速、转向盘转矩等参数设计为可变的，车速信号传给控 制器，控制器根据车速的改变控制助力特性。低速时，提供的助力加大，实现转向轻 便；高速时，提供的助力减小，满足路感、操纵稳定性的要求。 电动液压动力转向系统与电控液压动力转向系统的区别是前者由发动机驱动油泵 变成了由电机驱动油泵，大大节省了燃油消耗。电机由发电机或蓄电池来提供电能， 电机只在转向时工作，这就克服了对发动机的依赖，从而降低了发动机的油耗【引。 1 1 4 电动助力转向系统 随着汽车技术的不断发展，液压动力转向系统已经不能满足汽车发展的需要，于 是电动助力转向系统产生了。这是一种新型且很有发展前途的动力转向系统，如图1 4 所示电动助力转向系统完全取消了液压相关组件，由助力电机、转向盘转矩传感器、 车速传感器和控制器等组成。转矩传感器检测到驾驶员给转向盘的转矩，同时，控制 单元根据测得的转矩和车速信号控制电机实现助力。近年来，e p s 的研究与开发已在 国内外成为一大热点。 第一章绪论 卜_ l 图1 4 电动助力转向系统 电动助力转向系统与电液助力转向系统相比，主要有以下一些优点【9 】【1 0 】【l l 】： ( 1 ) 降低油耗、节能。电动助力转向系统取消了液压泵，采用电动机提供助力。 汽车不转向时，电动机不工作；汽车转向时，控制系统控制电动机输出所需的助力矩， 减少了液压助力转向系统中不转向时所消耗的能量。试验表明，装有e p s 和机械转向 系统的汽车油耗基本上没有区别【1 2 】。而在配备有电动助力转向系统和液压助力转向系 统的车辆做的对比试验表明，不转向时，前者比后者油耗降低2 5 ；转向时，前者比 后者油耗降低了5 5 。 ( 2 ) 提高操纵稳定性。电动助力转向系统能在不同工况、不同车速下提供合适的 助力。低速行驶时，提供较大的助力，改善汽车的转向特性；高速行驶时，汽车在转 向时容易发生侧倾，电动助力转向系统可以给汽车一个过度转角防止汽车侧倾，短时 间内回正，提高系统的稳定性。而且在不改变系统结构的情况下，可以用更改控制策 略和编程的方法来实现整个系统性能的改变，这样就大大降低了开发成本，满足了不 同车型、不同驾驶感觉的需要。 ( 3 ) 环保。电动助力转向系统采用了电能作为能源，适应了当前的电动汽车开发 的潮流。电动助力转向系统不再使用液压系统，取消了油泵、助力油缸、控制阀和油 管等装置，没有了液压油的泄漏和噪声问题，从而避免了环境污染。 ( 4 ) 低温性能好。由于没有液压系统，不用考虑液压油的化学特性，即使在温度 很低的环境下，电动助力转向系统也能很好的工作，具有很高的安全性、可靠性。 ( 5 ) 结构简单，方便安装和装配。电动助力转向系统省去了液压系统装在发动机 上的油泵和皮带轮。零件少、质量轻、结构简单、节省了空间，装车时间也大大减少。 ( 6 ) 安全，易于维修和保养。电动助力转向系统具有自我诊断功能，增加了安全 性能，并且电动助力转向系统没有液压助力转向系统的油泵漏油等问题，故障率降低。 由于以上电动助力转向系统的诸多优点和良好的性能，近年来在发达国家迅速推 4 长安大学硕士学位论文 广，并已成为目前汽车动力转向技术的热点，未来的发展方向。 1 1 5 线控转向系统 线控转向系统应用了最新的汽车电子转向技术，该系统中取消了其他各类转向系 统中转向盘、转向轮之间的机械连接，如图1 5 所示，所需克服汽车转向阻力的力完 全由转向电机来提供，驾驶员给方向盘的转角或转矩只作为一个信号输入装置，而路 感则由路感电机来提供并传给转向盘。 图1 5 线控转向系统 相对于其他汽车转向系统，线控转向系统有以下优点 1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 改善汽车的操纵稳定性。线控转向系统中转向盘和转向轮是柔性连接的，可 以通过软件控制来协调它们之问的相对运动关系，实现系统传动比的任意设置。汽车 低速行驶时，设置较小的传动比，可以使转弯或停车时需要驾驶员转过的转向盘转角 减小；高速行驶时，设置较大的传动比，使高速时转过的转向盘转角增大，从而获得 更好的稳定性。 ( 2 ) 提高汽车的安全性能。由于线控转向系统取消了转向盘、转向轮之间的机械 连接，避免了撞车事故中由转向柱引起的驾驶员受伤。 ( 3 ) 提高汽车的舒适性。当汽车行驶路面不平或转向轮不平衡时，在其他的汽车 转向系统中，转向盘会感受到冲击，降低汽车的舒适性。而在线控转向系统中，由于 取消了转向柱等机械连接机构，冲击不会传递到转向盘，提高了汽车的舒适性，减轻 了驾驶员的疲劳。 ( 4 ) 线控转向系统采用柔性连接，车内的布置更加灵活，且增大了驾驶员腿部的 活动空间。 ( 5 ) 系统零部件的数量减少，从而减少了机械机构的传递过程，使系统的摩擦、 惯性得以减少，系统响应速度和响应准确性得以提高。 第一章绪论 线控转向系统是汽车对操纵稳定性、安全性和舒适性的必然选择，有很好的发展 前景。目前，世界各大研发机构、汽车厂商都在对线控转向系统进行研究，并且已安 装在一些概念车上。 1 2 电动助力转向系统发展状况 1 2 1 国外发展状况 如上文所述，液压动力转向系统在燃油经济性、操纵稳定性等方面还是存在一定 缺陷的，尤其是汽车的发动机舱空间有限，给液压动力转向系统的液压相关装置的安 装带来了诸多不便。所以，从2 0 世纪8 0 年代起，国外开始研究取代液压动力转向系 统的电动助力转向系统。 电动助力转向系统首先是在微型轿车上发展起来的。1 9 8 8 年2 月，日本铃木公司 率先开发出一款e p s 系统，并在其c e r v o 轿车上应用，随后还在其a l t o 车上应用1 5 】【1 6 】。 随后，日本本田汽车公司在1 9 9 3 年将e p s 作为标准装备在其高级运动跑车a c u r an s x 上安装，成为世界上第一家把e p s 作为标准装备的汽车生产厂商【1 7 1 。在此之后，电动 助力转向系统在日本迅速发展，很多轿车都安装了e p s 系统，如三菱汽车公司的m i n i c a 轿车，大发汽车公司的m i r a 轿车等【1 8 1 。 相比日本，欧美等国家的汽车公司在e p s 方面的研究要晚l o 年时间，但开发的 力度比较大，目前，一些公司已经研发并将e p s 作为其轿车的标准装备。美国t r w 公司把航空技术应用于e p s 的开发中，1 9 9 6 年推出其e p s 产品，并在马自达3 2 3 f 和 福特f i e s t a 轿车上进行试验。美国d e l p h i 属下的s a g n i n a w 公司在1 9 9 9 年首次成功研 制出其e p s 产品e * s s 。德国的z f 公司和英国的l u c a s 公司，都研制出了各自的e p s 系统【9 1 。此时，货车也开始成为e p s 装备的目标，美国的奔驰公司和西门子公司共同 研发了前桥载荷超过1 2 t 的e p s 系统，投资6 5 0 0 万英镑。汽车电动助力转向技术正 在迅速发展，到2 0 0 0 年，美国t r w 和d e l p h i 两大汽车公司e p s 的生产能力已经达 到4 0 万套，并把e p s 作为其重点产品在全球汽车零配件市场销售。r e n a u l t 和f i a t 公 司的a 、b 、c 级轿车中，近7 0 的车型采用了转向柱助力型e p s 系统。德国大众公 司在其p q 3 5g o l f 平台上应用了德国z f 公司的双小齿轮助力型e p s 系统 1 9 1 1 2 0 1 1 21 2 2 2 3 2 4 1 。 经过二十多年的发展，e p s 技术已日趋完善，其应用范围也日趋广泛，从最初的 微型轿车向货车和商用客车方向发展，助力形式也从最初的低速范围向全速范围发展， 6 长安大学硕 ：学位论文 而且其功能和控制形式也进一步加强。早期日本的e p s 系统仅在停车和低速时提供助 力，在高速时则停止工作；而最新的e p s 系统不仅在停车和低速时提供助力，还能在 高速时提供路感，增强汽车的操纵稳定性。例如，f i a t 公司的中型轿车p u n t o 中使用 的d e l p h i 公司的e p s 系统就是全速范围助力型，首次在e p s 上设置了两个开关，一 个用于市区和停车，另一个用于郊区。车速超过7 0 k m h 时，两种开关设置的程序是 相同的，以保证在高速时汽车也有合适的路感，即使在高速时驾驶员忘记了开关的切 换也不会发生危险【2 5 】【2 6 】。 在e p s 系统控制技术方面，由于e p s 系统是一个涉及电器、机械和控制芯片的复 合系统，所以其控制技术有很多方面，而且都很值得研究，各国的学者分别从不同的 角度对其进行了研究。美国d e l p h i 公司的研究人员从可靠性角度出发，对可能出现的 各种电器上的、机械上的和驾驶性能中的失效模式进行分析，建立了e p s 系统诊断策 略，开发出了用于故障分析的汽车仿真模型及分析算法，集成在d e l p h i 公司e p s 系统 的e s t e e r t m 中【2 7 】。d e l p h i 公司的另一组研究人员在e p s 系统中增加了侧滑率传感 器，将e p s 系统的控制稳定性从不同路面摩擦条件下进行了考察。日本k o y o 公司 的研究人员则研究了e p s 系统从微型轿车到货车、商用客车的推广过程中e p s 电机的 输出功率增大电流增大使电机和控制器系统的温度显著上升，从而对控制器和转向性 能产生影响的问题。 1 2 2 国内发展状况 国内在e p s 的研究和产品研发方面起步较晚。2 0 0 0 年，我国财政部、科技部和国 家税务总局联合公布，将e p s 列为汽车零部件“高新技术产品 之一。此后清华大学、 天津大学、北京理工大学等十几所高校也相继参与到e p s 的研究中来，2 0 0 1 年国内的 昌河汽车厂率先开始将电动转向器装在北斗星高档微型箱式车上，我国汽车电动助力 转向器应用由此拉开序幕。 9 0 年代开始，我国部分高校先后对e p s 系统的建模、控制、动力学和跟随特性等 进行分析和研究，取得了一些成果。清华大学1 9 9 2 年率先对e p s 系统进行了探索性 研究。吉林大学也对e p s 系统研究的较早，主要研究了其助力特性、控制策略等，开 发了e p s 系统试验台、e p s 样机、控制器，并在捷达车上进行实车试验，取得较好的 效果。江苏大学分析了e p s 系统的能耗问题，提出了用“无功损耗”的概念来评价 e p s 系统的能耗，并对节能的途径进行了探讨。此外，北京理工大学，华中科技大学， 7 第一章绪论 合肥工业大学，北京交通大学等院校也对e p s 系统进行了相关研究。 而在我国的e p s 市场上，早期应用的e p s 是靠外资企业进口的，之后国内企业也 开始研发，涌现了株洲易力达、浙江福林国润等一些内资企业。随着近两三年的发展， 国内e p s 系统市场已经初具规模。据奥尔威咨询统计，2 0 0 8 年我国e p s 生产企业总 产量为大约1 1 1 9 万套，维修和改装市场大约使用1 万，库存大约有l 万多。2 0 0 8 年 市场e p s 装配量大约有1 2 8 4 万，其中有大约1 8 8 万来自进口。e p s 和之前技术成熟 的液压转向系统相比，已经在市场上有一定的市场份额。 然而，尽管e p s 行业发展迅速，但是也表现出了一些弊端。如外资企业产品市场 占有率过大，本土生产市场发展很慢。据奥尔威咨询统计，本土企业e p s 市场份额只 有大约9 ，其他的均为外方独资或中外合资企业生产的产品所占领。其中三资企业 中，以厦门捷太格特的产量规模最大，达到5 0 多万套，几乎独揽了国内市场的半壁江 山。其次为昭和在国内的两家合资工厂，产量总和位居第二。另外，国外厂家还想进 一步扩大市场份额，美国德尔福、韩国万都、日本恩斯克等已经在中国成立了相关的 生产公司，准备进一步抢占中国市场份额。 另外，国内生产厂家产品稳定还不是太好，这也是2 0 0 8 年1 1 月部分车型停装e p s 的一个原因。国内安装e p s 的车型中集中在日产、丰田、本田、大众系列，但是他们 配套的e p s 多集中在外资企业生产的产品，国内的产品很少能够进入外资配套体系。 这其中一个主要原因是外方以保证产品可靠性和整车匹配为由，对e p s 配套实施和主 机捆绑配套；另外整车厂特别是合资整车厂，给国内e p s 生产厂家提供试验的机会太 少；最后，国产的e p s 的产品应用集中在微型车，产品整体可靠性还不是很好，据奥 尔威咨询了解，本来是一个高新技术产品，国内部分企业却把它做成易损部件，作为 汽车整体不可或缺的一部分，转向器的稳定性和可靠性要求极为严格，所以国产e p s 市场推广应用还比较慢，提升产品可靠性成为今后本土e p s 生产企业大规模产业化的 关键。 1 3 电动助力转向系统发展趋势 在电动助力转向系统发展初期，e p s 系统仅作为液压助力转向系统的替代品被人 们所接受。软件的功能比较简单，只能在低速或原地转向时提供助力，而在现阶段， 已可以在全车速范围内提供助力，而且还具备了回正控制、阻尼控制等功能。随着整 车控制系统的发展，人们对车辆的舒适性、安全性的要求逐渐增加，使得电动助力转 8 长安大学硕士学位论文 向系统被赋予了更多的使命，集成了更多的功能。舒适性方面，希望e p s 具有自动泊 车功能、不同的助力特性图的存储和选择功能等；安全性方面，希望e p s 具有线路保 持功能、低附着系数路面的稳定性控制功能、对开路面抗制动跑偏功能、可变传动比 功能等【2 8 1 。以上都是在未来的研究中对e p s 系统提出的更高要求。 虽然e p s 系统已经达到了其最初设计时的目的，但是仍然在以下几个方面存在一 些问题，也是e p s 未来的发展方向： ( 1 ) 提高e p s 系统的控制性能。首先，系统的输入量可以不局限于转向盘转矩、 车速两个信号，可以引入如横摆角速度、前轴重力，转向速度等作为控制量，进行多 种信号与汽车特性相匹配的综合控制，从而获得更好的路感。其次，完善e p s 的控制 策略，控制策略是影响系统性能的关键因素，也是e p s 系统的核心技术。目前，国内 外的研究人员都将一些先进的控制理论在电动助力转向系统中应用，常见的控制理论 有p i d 控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论、鲁棒控制理论、自适应控制理 论等。有时还将几种控制理论结合应用，如模糊p i d 控制理论。未来控制策略的研究 将会把重点集中于如何获得较好的路感、如何抑制电机的力矩波动、如何抑制传感器 噪声和路面干扰等方面，来进一步改善和优化e p s 的稳定性和动态性能。 ( 2 ) 降低电动助力转向系统的成本，提高各部件的可靠性和耐用性。随着电子技 术、传感器技术的快速发展，电子控制器元件和传感器的价格会越来越便宜，功能也 更稳定，这为降低e p s 系统成本，e p s 大批量的投入市场创造了条件。 总之，在技术研发方面，e p s 在未来将会朝着四轮转向技术的方向发展，并与电 子悬架系统统一协调控制【2 9 1 。 目前，e p s 系统已经较多的应用在1 3 1 6 l 排量的各类轻型轿车和微型多功能车 上，其性能已得到广泛认可。e p s 系统一系列的优点，使其代表着当今汽车助力转向 系统的发展方向，并且将在未来占据动力转向系统的市场主导地位。随着电子和控制 技术的成熟，国外e p s 产品已进入了批量生产阶段。据统计，在全世界汽车行业中， e p s 产品每年正以9 1 0 的增长速度发展，年增长量达到1 3 0 1 5 0 万【3 0 】。电动助力 转向系统在未来将会具有十分广阔的发展前景。 1 4 本论文研究的意义 电动助力转向系统是汽车转向系统的发展趋势，具有节能、环保、安全、助力特 性调整方便、能在全速范围内对路感进行控制、对环境温度不敏感、在发动机熄火时 9 第一章绪论 也能提供助力等优点。目前，国外的电动助力转向系统已经相当成熟，许多轿车已把 e p s 作为标准配置，取得了不错的市场收益，但其只输出e p s 产品，不输出技术，特 别是对控制器的控制策略等核心技术严格保密。而国内的e p s 产品几乎没有大批量投 产的，且产品也不稳定。这种情况下，在我国开发具有自主知识产权的控制器是意义 重大的。该系统涉及了多种学科，计算机控制技术、电力传动控制技术、微电子控制 技术、汽车工程及机械设计、传感器技术和各种控制理论等，是多学科的综合应用， 体现了未来汽车机电一体化的思想。 对电动助力转向系统控制策略及控制系统的研究，不仅可以拓展传动技术的应用， 推动机械、电子器件及传感器制造业的发展，加快国内汽车电子化和为未来电动汽车 提供技术支持，还由于研究的领域比较广，涉及了许多最新技术，与实际生产和生活 接合比较紧密，对社会的发展和经济效益的提高具有重大意义。 1 5 本论文的主要内容 本文主要是关于e p s 控制策略的研究，主要包括以下几方面的内容。 ( 1 ) 研读国内、外有关电动助力转向系统的资料，介绍汽车转向系统的发展过程、 发展现状和发展趋势，对电动助力转向系统的工作原理，尤其是关键性部件进行介绍 和分析。 ( 2 ) 建立基于m a t l a b s i m u l i n k 的汽车二自由度模型和电动助力转向系统模型，包 括转向盘传感器模型、转向器模型和电机模型，为后面的仿真分析打下基础。 ( 3 ) 研究助力特性，确定目标电流。通过对电动助力转向系统助力特性的分析， 提出本文的助力特性类型，从而确定系统的目标电流。 ( 4 ) 对系统的控制方法和控制策略进行研究。分析了几种电机控制方法，为本文 设计了电机电枢电流控制方法，运用p w m 控制技术来实现；对电机的控制策略进行 研究，为本文设计了p i d 控制策略和自适应模糊p i d 控制策略。 ( 4 ) 对仿真结果进行分析。提出了电机电流跟随性、横摆角速度的瞬态响应和路 感三个评价指标，分别对每一种车速下、不同控制策略进行仿真，针对仿真结果提出 最优化方案。 ( 5 ) 电动助力转向试验台的方案研究。分析电动助力转向系统试验台搭建的必要 性，提出试验台的基本功能，对试验台的总体结构、工作原理进行设计，并着重设计 了试验台的数据采集系统。 1 0 长安人学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章首先介绍了汽车转向系统的主要分类、每种转向系统的优缺点及发展过程， 概述了国内外电动助力转向系统的发展状况、发展趋势，提出了本文的研究意义，并 最后确定了本文的主要内容。 第二章汽车e p s 主要结构及动力学模型的建立 第二章汽车电动助力转向系统概述及动力学模型 2 1 汽车e p s 概述 e p s 系统通常由机械式转向器( 轿车多为齿轮齿条式) 、转矩传感器、车速传感器、 e c u ( 电子控制单元) 、电动机、减速机构和电磁离合器等组成。图2 1 为其结构示意 图。本节中将对e p s 的工作原理和关键部件做简要介绍。 抟禽毓多、轴 ，魏 揍蓄篷磁鼍赠剥庶宅三勺掇 臻车遴馐荤二辍j 爹镳到位号 ，蚤蕊拿毛- i 电动祝经制馕号 齿裁嚣蚕 图2 1 电动助力转向系统结构示意图 2 1 1 汽车e p s 工作原理 汽车电动助力转向系统利用电动机产生的转矩，经过转向系统减速和传递机构转 化后，协助驾车者进行动力转向。不同车的e p s 结构部件尽管不太一样，但原理基本 是一致的。 其工作原理为：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速 传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给e c u 。e c u 根据内置的控 制策略，计算出理想的目标助力矩，转化为电流指令给电机。然后，电机产生的助力 矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力 矩，实现车辆的转向。 2 1 2 汽车e p s 关键部件介绍 本文的研究对象是轿车的e p s 系统，车辆及e p s 系统的一些物理参数见附录i 。 2 1 2 1 转矩传感器 转矩传感器的作用是实时检测驾驶员转向时作用在转向盘上的转矩大小，并将检 1 2 长安大学硕士学位论文 测到的转向盘转矩信号传给电动助力转向系统的电控单元，电控单元经过一系列的数 据处理，控制电机提供相应的转向助力。转向盘转矩信号是电动助力转向系统中一个 很重要的信号，所测的转矩信号是否精确直接影响了系统的好坏，转矩传感器的精度 问题是影响电动助力转向系统性能可靠性的重要因素，因此，转矩传感器的选择非常 重要。 转矩传感器主要有接触式和非接触式两种。接触式转矩传感器分为摆臂式、扭杆 式和双行星齿轮式传感器三种；非接触式转矩传感器分为光电式和磁电式两种。接触 式和非接触式两种传感器各有优缺点，前者的优点是成本低，缺点是易受温度、磨损 的影响发生漂移，使用寿命低，需要定期对扭杆刚度和制造精度进行折中。后者的优 点是是精度高、体积小、抗干扰能力较强和刚度相对较高，缺点是成本高。因此，选 择哪种类型的转矩传感器还要根据系统的性能、成本要求综合考虑。目前，国外应用 的转矩传感器主要有l u c a s 公司的光电式转矩传感器【3 1 1 、n s k 公司和b i 公司生产 的电位计式( 接触式) 转矩传感器f 3 2 】、k o y o 公司和n s k 公司开发的电感式转矩传感器 1 3 3 】1 3 4 1 。国内的转矩传感器的生产厂家主要有：北京威斯特中航机电技术有限公司、福 州世新电子公司、上海新跃仪表公司等。 2 1 2 2 车速传感器 车速传感器是用来测量汽车的行驶速度。车速传感器主要有电磁感应式、光电式 和可变磁阻式，一般采用电磁感应式，安装在变速箱上。汽车e p s 系统的车速信号通 常都是来自仪表板。 2 1 2 3 助力电机 助力电机是e p s 系统的执行元件，主要功能是根据控制单元的指令输出合适的助 力矩。助力电机是电动助力转向系统的关键部件之一，它的性能直接影响到控制系统 的功能，从而决定转向系统性能的好坏。因此，对助力电机应该有一定的要求，要求 电机应具有大功率，高可靠性，低噪声和振动，较小的体积和重量，较低的摩擦转矩； 电机应具有良好的机械特性，工作过程中，转矩的波动尽量小；电机可以在堵转下输 出转矩，电机反转速度快，摩擦惯量小等等。 目前，常见的电动机主要有永磁直流有刷电动机、永磁直流无刷电动机、感应电 动机和开关磁阻电动机等几种，它们从结构到效率、功率密度等技术参数方面都互不 相同，具体参见表2 1 。 第二章汽车e p s 主要结构及动力学模型的建立 表2 1 不同电动机技术特点的比较 电动机类型 永磁有刷直流电动机 永磁无刷直流电动机感应电动机开关磁阻电动机 转动绕组3 相定子3 相定子4 相定子 特点机械换向器永磁转子铝或铜拢转子无转子绕组 电子转向无永磁体无永磁体 效率低高对1 2 v 低比永磁电动机低 功率密度 低高低低 力矩波动噪 电动机控制时考虑 基本上通过电磁设计通过电子控制和电子控制起来 声 器考虑考虑 使用技术技术很成熟仍在发展技术很成熟仍在发展 系统复杂程控制器最简单控制器简单中等控制器高度复杂 度 从表中可看出，永磁有刷直流电动机的控制器最简单，技术很成熟，成本低，但 由于结构中有电刷，电刷磨损较严重，产生的噪声很难克服，且存在电磁干扰，所以 对助力要求较小，开发成本低的汽车是一个好的选择。永磁无刷直流电动机的效率高， 功率密度高，结构中没有电刷，无电磁干扰，维护方便，对助力要求较大的轿车应该 选择这种电机。感应电动机和开关磁阻电动机还有很多缺点要克服，所以还有待研究。 综合以上可以看出，永磁无刷直流电动机是今后助力电机的研究方向。 本文采用永磁无刷直流电机，电机绕组为y 形连接，相数为3 ，磁极数为8 。具 体的电机特性参数参见附录i i 。 2 1 2 4 减速机构 减速机构与电动机相连，减速增扭后传递给转向器。它是e p s 系统中不可缺少的 部件之一。由于减速机构减速增扭的功用，它将直接影响e p s 系统的工作性能，因此 在提高效率，降低噪音等方面提出了较高的要求。 常用的减速机构有蜗轮蜗杆减速机构、双行星齿轮减速机构和滚珠螺杆螺母减速 机构等。蜗轮蜗杆减速机构通常应用在转向轴助力式e p s 上，双行星齿轮减速机构一 般应用在齿轮齿条助力式e p s 上，而滚珠螺杆螺母减速系统应用在齿条助力式e p s 上。 现在已有的产品，蜗轮蜗杆式减速机构被广泛应用。如果采用有刷电动机，传动 机构的传动比一般为1 5 1 8 ，采用无刷电动机，传动比可以达到2 2 。根据以上，本文 采用蜗轮蜗杆式减速机构，传动比m = 2 0 。 2 1 2 5 转向器 1 4 长安入学硕：t 学位论文 转向器是转向系的减速传动装置，通常有1 2 级减速传动副。目前在汽车上广泛 采用的结构形式有：齿轮齿条式、循环球一齿条齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲 柄指销式等。 1 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器是以齿轮和齿条作为传动机构，具有重量轻，转向灵敏，结构 简单、紧凑，制造容易，成本低等优点，适合与麦弗逊式悬架配用，常用于轿车、微 型货车和轻型货车。 图2 2 为捷达轿车齿轮齿条式转向器。 承 图2 2 捷达轿车齿轮齿条式转向器 2 循环球式转向器 循环球转向器又称作综合式转向器，是可逆式转向器。循环球式转向器中通常有 两级传动副，第1 级是螺杆螺母传动副，第2 级是齿条齿扇传动副。循环球式转向器 的正传动效率可达9 0 一9 5 ，故工作平稳、可靠，操纵轻便，使用寿命长。不过其 逆效率也很高，很容易将路面的冲击力传到转向盘。这一缺点，对于前轴轴载质量不 是很大而又经常在平坦的路面上行驶的轻型、中型载货汽车而言影响不大。因此，循 环球式转向器无论是轿车、客车、货车，还是重型汽车均可采用，是目前国内外应用 最为广泛的一种转向器结构型式。 图2 3 为北京切诺基汽车的循环球式转向器。 第二章汽车e p s 主要结构及动力学模型的建立 图2 3 北京切诺基汽车转向器 3 蜗杆曲柄指销式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件，装在摇臂轴曲柄端部的指 销为从动件。具有梯形截面螺纹的转向蜗杆支承在转向器壳体两端的球轴承上，蜗杆 与锥形指销相啮合，指销用双列圆锥滚子轴承支于摇臂轴内端的曲柄孔中。当转向蜗 杆随转向盘转动时，指销沿蜗杆螺旋槽上下移动，并带动曲柄及摇臂轴转动。 目前汽车使用的蜗杆曲柄指销式转向器多数是双指销式，即有两个指销，其结构 如图2 4 所示。 推力凭 接触l 挈 上盖轴承车盲愈蜗轩转鸳器壳体加油螟赛下箸 螺母 侧羔 调镣螺钉 螺母 嘉套藉套 - - 一 图2 4 东风e q l 0 9 0 e 型汽车转向器 本文中选择的是齿轮齿条式转向器。 1 6 长安大学硕上学位论文 2 1 2 6 电控单元( e c u ) 电控单元是电动助力转向系统的大脑，它根据转矩传感器、车速传感器输入的信 号，经过一定的分析和计算后，控制电动机输出助力矩。电控单元有安全保护和自诊 断功能，它可以通过采集的电机电流、发动机工况、发动机电压等信号判断系统是否 处于正常工作状态，如果发现异常，e c u 将停止助力的提供。与此同时，e c u 迅速进 行故障自诊断，故障灯亮，故障以故障码的形式储存记忆。 电动助力转向系统的e c u 控制芯片可以是8 位单片机或者1 6 位单片机，也可以 采用数字信号处理器( 简称d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 的缩写) 作为控制单元【3 5 】。随 着对e p s 系统控制策略的不断研究，控制算法越来越复杂，对处理器的运算速度、抗 干扰能力的要求也越来越高，d s p 不但运算能力强，而且还将专用电机驱动电路集成 其中，专门用于电机的控制。m o t o r o l a 公司生产的d s p 还增加了c a n 总线，使得该 系统可以溶于整个汽车的控制网络中。 本文选用了f r e e s c a l e 公司的1 6 位m c 9 s 1 2 x e 单片机。 2 2 汽车e p s 动力学模型 建立物理系统的数学模型是为了在计算机上通过计算求解，从而分析物理系统的 性能，这个过程就是仿真。数学模型是仿真的基础，建立正确的数学模型、输入准确 的数据，仿真结果才能正确，仿真才有意义。因此，汽车e p s 系统动力学模型的研究 是整个系统仿真的基础和必要前提，模型的简化处理和正确与否，直接影响仿真的精 度，以及仿真的时间和开发的效率。本文主要建立了汽车动力学模型、轮胎模型、转 向系模型、电机模型等闭。 2 2 1 汽车动力学模型 汽车是一个很复杂的系统，一个多自由度动力学系统，由若干部件组成，具有阻 尼、惯性和弹性等多种动力学特点。而且汽车动力学系统的轮胎、悬架等元件具有非 线性特性，因此建立与实际完全一致的模型是不现实的，而且会严重影响仿真的运行 时间和仿真可解性。针对这种情况，由于目前大多数汽车行驶时的侧向加速度不超过 0 4 9 ，可以忽略一些次要因素，把汽车简化成一个线性动力学系统。本文选用比较简 单的二自由度汽车模型，也称之为两轮摩托车模型作为汽车动力学模型【3 7 】。 如图2 5 为二自由度汽车模型示意图。由于这个模型是简化的汽车动力学模型， 1 7 第二章汽车e p s 主要结构及动力学模型的建立 所以忽略了一些次要因素，主要有【3 7 】： ( 1 ) 汽车的侧向加速度限定在0 4 9 以下； ( 2 ) 忽略悬架的作用，汽车只做平行于地面的平面运动，即汽车绕x 轴的侧倾角， 绕y 轴的侧向运动，沿z 轴的位移均为零； ( 3 ) 认为轮胎的侧偏特性处于线性