（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统控制策略研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盔面熟导师签名： 像椽珑暨 摘要 汽车电动助力转向系统是近年来发展起来的一种新型助力转向系统，该系 统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控制助力电动机的运转，从而 实现电动助力转向的功能和良好特性。e p s 除了具备液压助力转向系统的转向轻 便等优点外，还具有转向平稳、节能、环保等一系列特点，因此e p s 取代液压 助力转向系统是转向系统发展的必然趋势。控制策略是e p s 的核心技术之一， 因而对该内容进行研究与探讨具有重要的理论和实际意义。 论文介绍了转向系统的发展过程、e p s 的工作原理及主要特点，阐述了国内 外在该领域的研究与应用现状。针对当前在e p s 控制策略研究方面所存在的一 些问题，确立了本文的总体研究内容和研究方法。在现有的文献资料基础上总 结出e p s 在操纵性能和路感方面的评价方法与评价指标。对e p s 的结构进行适 当简化，分析e p s 工作时的受力情况，建立助力转向系统及各子系统的动力学 模型。 论文通过分析汽车和驾驶员对转向控制的要求与特点，确定了助力特性的 基本要求。介绍了在电动助力转向控制中采用的助力控制、补偿控制、回正控 制和阻尼控制等控制策略。在助力控制的研究中，分析并比较了直线助力、折 线助力和曲线助力三种助力特性曲线的特性与优缺点，利用模糊控制方法确定 了本文所应用的助力特性。 ，论文总结了当前可被应用于e p s 的几种控制策略，确定了本文中e p s 的基 本助力控制算法，在m a t l a b s i m u l i n k 中分别采用模糊控制和p i d 控制方法建立 起电动助力转向整体系统和各子系统的控制策略仿真模型，并对其进行仿真分 析，研究在各种信号输入下控制器的不同参数对系统响应的影响。结果表明， 所采用的控制策略可反映和满足助力特性的要求。 本文的研究内容为控制策略在e p s 上的应用研究提供了理论基础和设计方 法，具有实际指导意义。 关键词：电动助力转向助力特性控制策略模糊控制p i d 控制 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 mi san e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fp o w e r s t e e r i n gs y s t e mi na u t o m o t i v e t h ep r i n c i p l eo fe p s i st h a tt h ea s s i s t a n tm o t o r w o r k s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dt o r q u ea n dv e h i c l es i g n a l ss ot h a tp o w e rs t e e r i n gc a n b e m o d i f i e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gc a nb ep e r f e c t b e s i d e se p sh a st h el i g h t s t e e r i n gt o r q u el i k eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( h p s ) s y s t e m ，i th a sm a n yo t h e r a d v a n t a g e ss u c h 弱s t e e r i n gp l a c i d l y , l o we n e r g yc o n s u m i n g , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g a n ds oo n t h e r e f o r ei ti sa na b s o l u t et e n d e n c yt h a th p si st a k e np l a c eb ye p s c o n t r o ls t r a t e g yi so n eo ft h em o s te s s e n t i a lt e c h n o l o g i e so fe p s ，a n di ti ss i g n i f i c a n t i nb o t ha c a d e m ya n dp r a c t i c et ot a k em u c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i sa r e a t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs t e e r i n gt e c h n o l o g ya n dt h ef e a t u r e so f e p si n c l u d i n gf u n c t i o n ，t y p e sa n da d v a n t a g e s ，a n ds u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u s a b o u tt h ee p sc o n t r o ll o g i c t h er e s e a r c hc o n t e n ti sc o n f i r m e db a s e do nt h ep a r t i c u l a r d e f e c t so ft h ee p sc o n t r o ll o g i c m o r e o v e r , t h em e t h o dt oe v a l u a t et h er o a df e e l i n g a n dh a n d i n g s t a b i l i t y i ss u m m a r i z e db a s e do nt h ea v a i l a b l em a t e r i a l s a f t e r k i n e m a t i c a la n a l y s e so ft h ea u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e mt h et o r q u ea n da n g e ld y n a m i c m o d e l sa r eb u i l ta n dk i n e m a t i c a lc h a r a c t e ro ft h ea u t o m o b i l es t e e rc a nb el e a r n e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，a n dt h e na ne p ss i m u l a t i o nm o d e li sf i n a l l yb u i l tw i t ht h e k i n e m a t i c a la n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ev e h i c l ea n d t h ed r i v e ro ns t e e r i n gc o n t r o l ，t h eb a s i c a s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sc o n f m n e d t h ea s s i s tc o n t r o l ，t h ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，t h e d a m pc o n t r o la n dt h er e t u r nc o n t r o la r ea l la d o p t e di nt h ee p s m o d e l i nt h er e s e a r c h o ft h ea s s i s tc o n t r o l ，t h r e ek i n d so fa s s i s tc o n t r o lm o d e l sa r ec o m p a r e d ，a n dt h eb a s i c a s s i s tc o n t r o ls t r a t e g yi ss e l e c t e d t h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ei sd e s i g n e db yf u z z y c o n t r o lt h e o r y s e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e st h a tc a nb ea d o p t e di ne p sa r el i s t e da n dc o m p a r e d t h ea l g o r i t h mo fb a s i ca s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci nt h i st h e s i si sc o n f i r m e d t h es i m u l a t i o n m o d e lo fc o n t r o ls t r a t e g yi sb u i l tr e s p e c t i v e l yb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dp i d c o n t r o lt h e o r yv i at h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，a n dt h e nt h em o d e li ss i m u l a t e di n o r d e rt of i n do u tt h ef a c t o r sa n di n f l u e n c e so fo u t p u t sb a s e do nd i f f e r e n ti n p u t s i h e s i m u l a t i o ni n f e r st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe p sb u i l ti nt h et h e s i sc a ng r e a t l yi n f l e c t a n dm e e tt h en e e do fa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c r e s e a r c ho ft h i st h e s i sp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i cf o u n d a t i o n sa n dd e s i g n m e t h o d sf o rd e v e l o p m e n to fe p ss y s t e m s u c has t u d yw i l lb eo fs i g u i f i c a n c 七i n p r a c t i c eg u i d i n g k e yw o r d s ：e p s ；a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ；c o n t r o ls t r a t e g y ；f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l i i i 目录 摘暑要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 汽车转向系统的发展阶段1 1 3 电动助力转向系统的特点4 1 4 电动助力转向系统国内外研究现状6 1 5 电动助力转向系统的关键技术7 1 6 论文研究的主要内容8 第2 章电动助力转向系统的助力特性1 0 2 1 电动助力转向系统的结构与工作原理1 0 2 2 电动助力转向系统的助力特性1 1 2 3 助力特性曲线的确定1 3 2 3 1 助力特性曲线的确定方法1 3 2 3 2 助力目标电流的模糊控制设计1 4 ，2 3 3 电动助力转向系统助力特性图1 8 第3 章电动助力转向系统评价方法与动力学模型2 1 3 1 电动助力转向系统的评价方法。2 1 3 1 1 转向轻便性评价2 1 3 1 2 转向回正性评价2 2 3 1 3 转向路感及其评价。2 3 3 2 电动助力转向系统受力分析2 4 3 3 电动助力转向系统动力学模型。2 5 3 4 模型参数2 7 第4 章控制策略研究2 8 w 4 1 电动助力转向系统控制模式2 8 4 2 控制策略分析与选定3 0 4 3pid 控制策略3 1 4 3 1pid 控制原理3 1 4 3 2 助力控制模式的p i d 控制方法：3 2 4 4 模糊控制策略3 3 4 4 1 模糊控制特点。3 3 4 4 2 助力控制模式的模糊控制方法3 3 第5 章电动助力转向系统模型仿真与分析3 7 5 1sim gi n k 仿真模型的建立3 7 5 1 1 基于p i d 控制策略的电动助力转向系统仿真模型3 7 5 1 2 基于模糊控制策略的电动助力转向系统仿真模型4 2 5 2sim ui ；n k 模型仿真与分析4 5 第6 章总结与展望5 0 6 1 全文总结5 0 6 2 未来研究展望5 1 致谢5 2 参考文献5 3 v 二二二武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会不断发展，汽车在人类的生活与生产中起到的作用愈加不可替代， 人们对汽车各项性能的要求也在不断地在提高，各种学科的高新技术被应用于 汽车的设计与制造当中。在汽车的众多性能当中，转向性能是驾驶员实现对汽 车操控的重要部分。在汽车行驶过程中，驾驶员按照操纵要求，通过转向系统 适时地改变与调整行驶方向【1 1 。当汽车受到来自路面的随机冲击或其他原因造成 汽车意外偏离行驶方向时，转向系统又必须能保持汽车调节方向稳定行驶。所 以汽车的操纵稳定性和安全性等在很大程度上依赖于转向系统的性能。然而汽 车的行驶工况时时变化，人们要求转向系统在任何工况下都能够既保证理想的 操纵稳定性又具有良好的转向轻便性【2 】。基于这样的要求，在过去的几十年里转 向系统不断地被改进优化，使汽车转向系统经历了纯机械转向、机械液压助力 转向、电控液压助力转向以及目前广泛应用的电动助力转向等几个历程。 助力转向系统因其众多的优点而在现代汽车上普遍应用。而电控技术在汽 车助力转向上的广泛应用，使得汽车的驾驶操控性能进一步提高。在汽车的机 电结合技术下，电动助力转向系统不仅能使汽车在低速行驶时提供轻便灵活的 转向助力，也能使汽车在高速行驶时保证真实的转向手感，让驾驶员很好的掌 握路面情况，获得驾驶操控乐趣【3 1 。电动助力转向系统依靠电动机提供助力的动 力，而不需要复杂的机械液压机构，只需要控制助力电动机的电流方向和大小。 由于采用电脑控制，设计者可以很自由地去设计符合驾驶转向要求的转向特性， 以满足不同车型的需要。 1 2 汽车转向系统的发展阶段 汽车转向技术的发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 机械式转向系统 机械式转向系统依靠驾驶员的转向力作为转向动力，不附加任何外部助力。 机械式转向器根据扭矩传递结构特点的不同，可以分为循环球式转向器、齿轮 武汉理工天学硕士学位论文 齿条式转向器、曲柄指销式转向器和球面蜗杆滚轮式转向器等几种。最早的汽 车转向系统就是没有助力的纯机械式转向系统。 在汽车转向的设计中，转向器传动比的大小要兼顾转向操作的轻便性和灵 活性。为了保证转向轻便，要求转向器的传动比设定得大一些。然而较大的传 动比虽然可以减轻转向的力矩输入，但也会导致汽车转向的反应缓慢。如果转 弯幅度要求较大，则驾驶员需要打多圈方向盘才能保证足够的车轮转角。这样 的设计不仅增加了驾驶员的驾驶工作量，导致过早的驾驶疲劳，并且极不利于 紧急避障等转向操作；相反，如果为了避免上述问题而把转向器传动比设定得 较小，又会出现转向过于沉重的问题，尤其是在原地转向时，对驾驶员的臂力 更是不小的考验。所以转向器传动比的大小设定就产生了矛盾。机械式转向器 的设计目标，就是无论汽车在何种行驶工况下，驾驶员转向时施加在转向盘上 的力矩保持在合理范围，同时也能保证合适的操控转向灵敏性能，也就是协调 转向轻便性和转向灵敏性。要解决机械式转向器的这种矛盾，常用的办法有两 种。一是最大限度地提高转向器的转矩传递的效率，尽可能减小阻力消耗，例 如在转向器上引入循环球等。在传动比确定的情况下，提高转向器效率在一定 程度上可以减小驾驶员施加在转向盘上的力。然而提高效率是有限度的，转向 器效率最高只能达到9 0 左右，再往上提升就很难了。二是将转向器的传动比 设计成为变速比。例如齿轮齿条式转向器，将齿条中间的齿设计得密一些，而 两端的齿距则较大。这样的设计可以保证转向盘在中间位置附近的角传动比小， 而在两侧极限位置附近的角传动比大。这只对高速行驶的安全性有实际意义， 可有效避免高速时一个小的方向盘调节造成车辆较大幅度的晃动，但传动比不 能随车速变化而变化，所以这种方法并不能从根本上解决汽车在不同工况下的 转向矛盾1 4 j 。 ( 2 ) 液压助力转向系统 液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 是在传统的纯机械式 转向器上，增加控制阀、油泵、动力缸、储油罐以及回油管路等液压动力装置 等提供转向助力。液压动力装置从发动机曲轴上获取能量，储存于液压罐当中。 转向时，通过机械机构的控制释放能量，向转向系统提供助力。液压助力转向 技术可以在保证良好的转向轻便性能的同时大大减小转向器传动比，显著地缓 解转向系统传动比设定时的矛盾。在转向响应和灵敏性较好的情况下，液压助 力转向降低了驾驶员施加在转向盘上的转矩，尤其是原地转向的操作难度，大 幅度缓解了驾驶疲劳。 2 武汉理工大学硕士学位论芟二； 液压助力转向的优点非常明显。由于从发动机上获取能量对转向系统施加助 力，所以可以在转向传动比设定较小以保证转向灵敏的前提下减小驾驶员的疲 劳强度，甚至在原地转向时也可以不那么费力。另外，液压系统的具有一定的 阻尼作用，路面通过轮胎和转向器传递到驾驶员手上的冲击也能得到一定程度 的衰减。高速爆胎时，助力转向也可以很好地避免驾驶员难以把握转向盘的情 况。 由机械机构控制工作的液压助力转向系统在改善转向性能方面也存在很大 的局限性f 5 1 。当选定转向了转向器和机械控制参数后，助力特性就随之确定了， 不能再对相关参数进行控制与调节，因此难以协调在不同工况下的转向轻便性 与路感的关系。如果按照低速转向力小来设定，则高速行驶时转向往往过于轻 便，驾驶缺乏路感，甚至汽车发飘，从而极大地影响操纵稳定性和安全性；反 之如果按高速行驶的路感和操控安全要求设计转向系统时，低速转向和原地转 向将过于沉重。 ( 3 ) 电控液压助力转向系统 机械机构控制式的液压助力转向系统由于存在上述局限性，不能很好地满足 人们对汽车操控性能日益提高的要求。于是设计者在传统的液压助力转向系统 基础上进行改进，在原系统中增加一个电磁阀，通过车速传感器和转向盘转角 传感器的信号输入，使用电控单元( e l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ，e c u ) 来控制电磁 阀开启的大小，直接调节动力缸的供油量，从而比较精确地控制助力大小，这 就是目前绝大部分商用车和很大一部分轿车广泛应用的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 cp o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 。汽车低速行驶或停车状态时，e c u 向电磁阀传送较大电流使电磁阀全开，油泵以最大供油量向动力缸供油，转向 系统获得较大助力，转向轻便。随着车速的提高，e c u 向电磁阀供电电流适量 减小，电磁阀开启量也随着减小，供油量也减小，转向系统获得的助力减小， 高速行车的路感就很清晰，可以保证良好的操控稳定性和安全性。 与传统的液压助力相比，电控液压助力最明显的优点在于e c u 可以根据不 同的车速和转向盘转角等在各种行驶工况下调节和提供合适的转向助力，从根 本上解决了不同车速下转向灵敏性和轻便性的矛盾。而电控技术的引入，则是 助力转向技术发展的重大变革，使得转向特性可以随行驶工况的改变而作出调 整，为电动助力转向的发展奠定了基础。 电控液压助力转向系统与机械机构控制液压助力转向系统相比，确定有了很 大的改进，但液压装置始终存在，使得这种助力转向系统仍有难以克服的缺点， 3 武汉理工大学硕士学位论文 例如管路复杂，液压装置渗油，零件较多不便于安装、检测和维修。在原有的 液压系统中增加了电控系统，使得系统成本提高1 6 1 。另外，电控助力转向系统还 存在系统布置、安装、液压装置密封性、能量消耗与噪声等方面的许多缺憾。 ( 4 ) 电动助力转向系统 电动助力转向系统( e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 是在电控液压助力转 向的基础上发展起来的一种全新的机电结合转向技术。系统的助力源是一个由 电控单元e c u 控制电流输入的电动机，而非液压动力缸。在e c u 的控制下， 通过对助力电机的输入电流大小和方向的变化进行控制与调节，以实现不同的 转向助力。它能精确地实现设计者预先设定在不同车速和不同转向盘转角下所 需要的最佳转向助。设定好一个合理的转向传动比后，汽车高速行驶时，系统 提供较小的助力，使转向盘操作起来比较沉稳，有利于增强汽车高速行驶的稳 定性和安全性；汽车低速行驶或原地转向时，系统提供较大的助力，使转向盘 操作起来比较轻便，减少了驾驶员的转向操作强度，这对转向轴载荷很大的货 车来说尤为重要。助力电动机精确地解决了转向沉重这一问题后，设计者就可 以很自由地设计最合理的转向传动比以获得良好路感，因此电动助力转向被视 为能够实现精确转向的转向系统【6 j 。 1 3 电动助力转向系统的特点 由电控单元控制助力矩大小和助力矩方向，由电动机提供助力源，这两个方 面的技术结合，促使电动助力转向系统成为当前最受青睐的转向系统，其优势 非常明显川- 【1 1 】： ( 1 ) 适时提供可变的助力。电动助力转向系统能够在不同的汽车行驶工况 下提供适应外界条件变化的最佳助力，减小路面冲击对转向系统所造成的扰动， 显著地改善了汽车的转向特性。它不仅减轻了汽车低速行驶时和原地转向时的 操纵力，同时提高了汽车在高速行驶时的转向稳定性，从而提高了汽车的主动 安全性能。对于不同的车型，电动助力转向系统还可以很方便地调节设定转向 特性，因而通用性很好，便于改型应用。 ( 2 ) 最大限度地降低了燃油消耗。液压助力转向系统要靠发动机带动液压 油泵来提供助力。只要发动机在运转，液压油就不停地流动，即液压油泵自始 至终都处于工作状态，这样增加了发动机负荷，再加上油液粘滞阻力和管流损 失等因因素，浪费了部分能量。而电动助力转向系统仅仅在需要转向助力时才 4 一二哥荨汉理工大学硕士学位论文 控制电动机提供能量，该能量由蓄电池提供。并且转向时的能量消耗与车速租 转向盘转矩相关。转向盘不转向时，电动机不工作，转向时电动机在电控单元 的电流控制下开始工作，向转向系统提供相应大小和方向的助力转矩，因此该 系统是按需供能的助力系统。由于不需要液压系统，电动助力转向系统的工作 几乎不受环境温度的影响，即使是在气温很低的环境下该系统仍能快速响应， 避免了起动预热过程，提高了燃油经济性。研究资料表明，机械控制式液压助 力转向系统、电控液压助力转向系统和电动助力转向系统的对燃油的消耗相差 很大( 如图1 - 1 ) 。 _ l0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 h p s h e p s 门r e p s 图1 - 1 不同类型助力转向系统的燃油消耗 ( 3 ) 提高了汽车的操纵稳定性。转向系统是影响汽车操纵稳定性的众多影 响因素当中极其重要的一个方面。传统的液压助力转向系统不能非常迅速和精 确地对助力进行调节和控制，因而难以兼顾轻便的转向和良好的路感。尤其在 汽车高速行驶时，仍然会提供过大的转向助力，这相当于过滤掉了大部分路感 信息，不仅影响操纵稳定性，甚至还会威胁到行车安全。而电动助力转向系统 在不同的车速和转向盘转矩下由电控单元控制电动机提供合适的助力，使得汽 车在高速行驶时具有良好的操纵稳定性。 ( 4 ) 改善了转向回正特性。转向系统的自动回正性能既可以免去驾驶员对 转向盘的回正操作，又可以得到平顺的转向轨迹，有利于减小汽车侧向加速度 的变化，提高汽车在转向时的乘坐舒适性。单靠四轮参数的调校，对转向回正 性能的影响较小，而液压助力的回正特性已经没有多大的改善空间。唯有电动 助力转向系统，可以通过电控单元的良好回正特性设计，控制电机在不同车速 5 一 一 武汉理工大学硕弱位论文 和转向盘转角下提供合适的回正力矩。 ， ( 5 ) 动力源更环保。电动助力转向系统以汽车蓄电池的电力作为助力的能 源，取代了液压装置，避免了液压助力转向系统的油液泄露问题，更符合环保 要求。该系统不需要液压油、油泵、软管和密封件等，其本身配件和材料可以 进行再加工应用，减少了资源的浪费和环境的污染。 ( 6 ) 系统结构简单，方便布置，占用空间小。该系统采用模块化设计，对 于不同的系统，无需重新设计加工，具有良好的匹配性，可以大幅降低成本， 同时又可以使系统的设计更灵活。由于系统中取消了油泵、输油管路和连接在 发动机上的皮带轮，系统在空间布置的设计上可以更自由，提高了发动机部件 上的空间利用率，腾出更多的空间布置其他零部件。另外由于零件很少，大大 地减少了装配的工作量。 1 4 电动助力转向系统国内外研究现状 电动助力转向系统是在上世纪八十年代提出的一种机电技术，它将电子控 制技术和电机控制技术完美地结合起来，应用于汽车的助力转向当中，能很好 地改善汽车静态性能和动态性能，保证汽车转向时的操纵性能，减少对环境的 污染，并有效地解决了液压助力转向系统在节能与环保方面的缺陷，符合时代 发展的需要。因此该系统一经提出就受到汽车行业的高度关注，各研发机构纷 纷投入到了开发研究当中，并将成果其快速地应用于汽车上l 到。 在1 9 8 8 年，日本铃木公司首先研发出e p s ，先后装备在c e r v o 车和a l t o 车 上。1 9 9 3 年，日本本田汽车公司将e p s 装备于大批量生产的n s x 跑车上，使其 在国际市场上得以与法拉利和保时捷竞争。此后，电动助力转向技术得到迅猛 发展。日本的本田汽车公司、三菱汽车公司、大发汽车公司、德国的z f 公司、 美国的d e l p h i 公司等也都相继推出了各自的e p s 。d e l p h i 公司的产品应用在了 大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 等车上，t r w 的产品应用在了f o r d f i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等轿车上【1 2 】【1 3 】，而日本马自达的中级轿车m a z d a6 和m a z d a a t e n z a 上则全系标准配备了e p s 。1 9 9 8 年d e l p h i 汽车公司研制的e p s 可分别在 齿轮、齿条或转向柱上施加转向助力。同年英国的l u c a s 公司研制的e p s 产品投 入手批量生产，其燃油附加消耗极低。近几年来随着高级轿车对转向系统性能 提出更高的要求，国外开研发出了技术更成熟的e p s ，控制信号不仅仅是车速 和方向盘转矩，而是把转向角、转向速度、前轴载荷和横向加速度等反映汽车 6 = 二= = = 武汉理工大学硕士学位论文一= 三二二= 行驶工况的多种信号结合起来【1 1 l ，作为电控单元的信号输入，以获得更好的转 向路感，让驾驶员最大程度地掌握路面信息，进一步提高汽车转向操控性能。 在国内，昌河汽车公司于2 0 0 0 年在北斗星的部分车型上安装了e p s ，掀开 了国内汽车转向历史上新的一页。由于它在转向方面跨跃性的优势，很受消费 者的喜爱。最初装备e p s 的2 0 0 台汽车在短时间内就被抢购一空。正是北斗星 在国内首装e p s ，带动了国内电动助力转向的开发热【1 4 l 。e p s 的研究已被我国 列为高新科技产业项目之一。国内一部分有相关研究背景的高校和企业合作， 形成产、学、研一体的研发模式，但没有行成大规模的产业链。清华大学、同 济大学、北京理工大学、吉林大学和华中科技大学等高校相继开展了相关研究， 其中清华大学、吉林大学等在系统结构方案的设计、动力学分析和系统建模等 方面的研究取得了一些成果，而大部分的研究工作则集中于对电动助力转向系 统的建模和对助力特性的研究上1 1 3 j 。 1 5 电动助力转向系统的关键技术 电动助力转向系统是机电结合的技术产物，其研究内容涉及汽车理论、机 械设计、传感检测、电子控制和电机学等多门学科相关知识。要保证该系统体 现出更优秀的性能，需要在以下关键技术上取得突破1 1 5 j ： ( 1 ) 电动机与传感检测技术 电动机技术、电子技术和控制理论的快速发展是电动助力转向技术的必要 条件。电动机是系统的供能部件，其性能在很大程度上影响着e p s 的整体性能。 目前汽车上的电源所能输出功率有限，而转向阻力主要由转向轴的载荷决定， 在重型货车上要求电动机提供足够的转向助力，这就对电动机的效率提出了较 高要求。除此以外，电动机还要满足转向系统一些特定的要求，例如通电后开 始工作的平滑性，以避免驾驶员在转向盘上感觉到由于电动机输出助力矩所引 起的波动和冲击。电动机的转动惯量应尽量小，以避免转向的超调。受成本的 制约，转矩传感器在变形、机械精度、装配精度和校准等性能上都有提高的空 间。转矩传感器向电控单元提供响应速度快和稳定可靠的信号，对e p s 的精准 工作十分重要。 ( 2 ) 助力特性和控制策略 合理的助力特性对于兼顾转向轻便性与路感起到关键作用。e p s 的目的， 就是要实现转向系统所特定的助力特性，因此确定良好的助力特性就是确定正 7， 二二二 武汉理工大学硕士学位论文 确的控制目标。汽车行驶工况是多变的，e p s 在工作时会受到来自路面的随机 干扰和许多不确定因素的影响，这些影响因素对e p s 的控制策略提出了较高的 要求。目前应用于e p s 系统的控制策略有多种，而智能控制技术的不断发展， 必将进一步完善e p s 系统的控制策略【1 6 1 。 ( 3 ) 故障自检和可靠性 电控单元接收信号并控制电动机操作，在一定程度上将转向操作独立于驾 驶员的控制，这就决定了e p s 系统会有多种故障模式。e p s 是近二三十年来才 开发应用的高科技技术，所以必须重视其故障自检功能和工作可靠性。e p s 常 见的故障表现是系统停止工作。由于转向传动比设定得比较小，在没有助力的 情况下转向盘会变得非常沉重，甚至完全无法转向。还有一种严重的故障就是 在驾驶员没有转向输入的情况下，电动机接收到异常控制，对转向系统施加转 向力，这对汽车特别是在高速行驶时的安全造成很大威胁。因此，设计故障自 检功能和保证系统工作可靠性十分必要。 1 6 论文研究的主要内容 本文重在点于根据电动助力转向系统的物理模型与数学模型，基于特定的 控制策略在m a t l a b s i m u l i n k 中建立其仿真模型，研究不同的控制策略及控制 参数对系统的影响。全文内容包括以下几个方面： 第一章简单介绍电动助力转向系统的研究背景，阐述几种转向系统的各方 面特点与发展历程，在此基础上总结电动助力转向系统的目前研究与发展的关 键技术与待解决的难点。 第二章陈述电动助力转向系统的结构与工作原理。介绍和对比目前常用的 几种助力特性曲线特点及其确定方法。论文应用模糊控制策略确定仿真系统将 采用的助力特性控制器，得到符合助力需求的助力特性曲线。 第三章提出几种对电动助力转向系统的评价方法。分析电动助力转向系统 的受力情况，建立系统各受力单元的动力学微分方程。参照国内某轿车整车及 转向系统参数选定仿真模型参数值。 第四章介绍助力控制、回正控制和阻尼控制模式的状态判断和模式选择过 程。列出当前应用于电动助力转向系统的几种控制策略与算法，确定本文所采 用的控制策略与研究模式。 第五章在m a t l a b s i m u l i n k 中建立起基于p i d 控制和模糊控制的仿真模 r 武汉理工大学硕士学位论文 型。从多个不同的角度对仿真模型进行测试，对仿真结果进行全面的解释与分：- 喜i 析。 第六章对全文进行总结，并提出论文不足与研究内容的展望。 9 武汉理工大学硕士珲藿论文 第2 章电动助力转向系统的助力特性 2 1 电动助力转向系统的结构与工作原理 不同的生产商为不同的车型所设计的电动助力转向系统，在结构和零部件 上有所差异，然而主要结构和基本工作原理大致相同。典型的电动助力转向系 统结构如图2 - 1 所示，主要包括电控单元e c u 、电动机、转矩传感器等。汽车 在行驶过程中转向或者原地转向时，转矩传感器检测到驾驶员施加于转向盘上 的转矩信号，同时车速传感器收集当前车速信号，经信号转换处理后输送至电 控单元【2 1 。电控单元依据所设计的助力特性，以一定的控制策略控制电动机的转 速和转矩，向转向系统提供适宜的转向助力，从而实现理想的助力转向效果。 系统收集助力大小的反馈信息，对控制系统的信号输出作一定的修正，以保证 助力的精确。除此以外，还要时时检测各部件的工作情况，一旦发现故障应控 制电磁离合器分离，并向故障指示灯发出故障提示i l 7 。 助力电动机可对转向系统的不同机械部分进行助力。根据电动机布置的位 置，可以把电动助力转向系统分为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式三 种结构【1 8 1i x 9 l 【矧，如图2 2 所示。 曩) 转向轴助力式 ”齿轮助力式谚齿条助力式 图2 - 1 三种不同助力位置的结构 转向轴助力式电动助力转向系统将电动机布置于转向轴的一侧，以电磁离 合器和减速机构连接到转向轴上，助力矩可直接驱动转向轴实施助力。这种结 1 0 武汉理工大学硕士学位论文一= 二三 构方案的设计很灵活，各部件相对独立，占用的空间也很小，维修很方便。不 足之处在于电动机离驾驶员相对较近，工作时产生的噪声对车内噪声的控制有 一定的影响1 2 。该方案的典型代表是铃木公司的a l t o 汽车所采用的电动助力转 向系统。由于结构简单，便于建模和仿真计算，本文的助力模型采用转向轴助 力式电动助力转向系统。 齿轮助力式电动助力转向系统的助力单元布置于转向器的齿轮轴上。电动 机远离驾驶室，不受电动机的工率限制，因此可以选用大功率电动机，提供相 对较大的助力矩，非常适用于的中型车。如果与传动比可变的转向器齿轮配合， 则转向操纵特性更好。该方案的典型代表是三菱公司的m i n i c a 微型汽车。 齿条助力式电动助力转向系统的转矩传感器单独安装在转向小齿轮附近， 电动机和减速机构则安装在小齿轮另一端的齿条上。这样的设计可以使电动机 直接带动齿条施加助力，助力效果最明显，并且响应时间短，超调量小。电动 机的振动和噪声都不会影响驾驶室内的舒适。另外由于系统刚度好，可提供较 大的助力矩，所以可应用于前轴负荷较大的车辆。这种助力方式的不足是结构 复杂紧凑，制造成本高，维修也很困难。本田公司的a c c o r d 轿车就是采用这种 助力方式1 1 5 1 。 2 2 电动助力转向系统的助力特性 转向特性是电动助力转向系统要实现的基本目标，简单地说就是要保证低 速行驶时的转向轻便和高速行驶时的操纵灵活。一般情况下，转向轻便与路感 是此消彼长、相互制约的：转向轻便时往往缺乏路感，路感清晰时又往往转向 沉重【2 2 1 。协调二者的大小关系就是一定的转向特性所包含的内容。只有优良的 转向特性才能指引符合需要的控制目标与方向，从这个方面来讲，研究助力特 性是研究电动助力转向系统的重要和关键内容之一。 助力特性体现了指助力随汽车运行状况( 一般指转向盘转矩和车速) 变化 而变化的规律。在液压助力转向系统中，助力大小与液压油压力相关，所以通 常以转向盘力矩随液压油压力变化的曲线关系表示助力特性。而在电动助力转 向系统中，则以不同车速和转向盘力矩下的电动机电流来表示助力特性。理想 的助力特性应能协调和平衡转向轻便与路感的关系，在转向盘力矩适中的前提 下，为驾驶员提供清晰的路感和准确的路面信息。 为了充分发挥与体现电动助力转向系统的优势，助力特性曲线应满足以下 1 1 = 二二武汉理工大学硕士学位论文 要求【1 5 】p s ： 一曩 。， ( 1 ) 驾驶员输入转向盘的力矩低于某一设定的值时，助力系统不提供助力， 以保证转向盘中间位置附近的清晰路感，以及节约能源。 ( 2 ) 在转向盘输入较小力矩的区间内，应相应提供较小的助力矩，以保证 驾驶员获得良好路感。 ( 3 ) 转向盘输入力矩较大时，应有比较明显的助力，减少转向沉重。 ( 4 ) 转向盘输入力矩达到某一设定值以上时，应有较大的助力实现良好的 转向轻便，并且增大到某一设定值后保持恒定，以避免电动机负载超标。 ( 5 ) 车速越快，助力应相应减小。 ( 6 ) 助力变化过渡区域平滑，避免助力变化给转向盘带来冲击。 基于以上要求，目前常见的助力特性曲线有三种：直线型助力特性、折线 型助力特性以及曲线性助力特性，如图2 3 所示。从图中可以看出，在三种助力 特性曲线中助力大小分为三个区间，0 st d t d 。区为无助力区，t d os t d t d 一 区为助力变化区，t d2t d 区为助力不变区。 、 、 ，一 i 霹二过 乙，= 己，一 “) 、 o 乙 诈二 | 忒 i 乙 砟过 】kr , n _轧t , x - ( b ) ( c ) 图2 2 典型电动助力转向系统助力特性曲线 ( 1 ) 直线型助力特性 图2 3 a 所示为直线型助力特性曲线。在助力变化区间，助力大小与转向盘输入 力矩成比例。该助力特性曲线可以用函数表示为 f 0 0s t d t d o i = k ( v ) ( l - t o ) t d 。st d t d 。 ( 2 1 ) i i 。 t d t d 。缸 式中，i 为电动机目标电流，i 一电动机输出的最大电流，t d 转向盘输入转 矩，k ( v ) 为助力特性曲线梯度，与车速有关，随着车速增大而减小，t d o 为电 动机开始输出助力时转向盘的输入力矩，t d 一为电动机输出最大助力时转向盘 输入转矩。直线型助力特性曲线可以比较简单直观地表达出在不同车速下助力 1 2 武汉理王夭学硕士学位论文 随转向盘转矩变化而变化的特征。这样的特性曲线对控制系统设计很方便，并 且在实际应用中容易调整和改进，但转向盘转矩处于助力变化边界区时，助力 由无到有或从有到无，给驾驶员的手感带来比较明显的冲击。 ( 2 ) 折线型助力特