（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统控制规律的研究.pdf

摘要 摘要 理想的汽车助力转向系统不仅要求操纵轻便，反应灵敏，并且要求让驾驶员 有良好的“路感”。以前的液压助力转向系统在整个助力过程中按固定的比例提 供转向助力，在燃油经济性方面有很多的不足，而且还存在渗油现象。电动助力 转向系统与液压助力转向系统相比有许多优点，可以让系统在不更换转向系统机 械方面硬件的情况下，通过对单片机等控制器软件的设计，十分方便地调节系统 的助力特性，可使汽车获得更理想的助力。 本文研究了模糊控制和p i d 控制相结合的汽车电动助力转向系统控制规律， 并且研究汽车电动助力转向系统的总体结构与动力学模型，进行了系统的仿真研 究。仿真结果表明，采用模糊p i d 控制，可以使系统具有较强的鲁棒性，提高转 向系统的操纵轻便性，从而获得较为理想的助力特性，其控制效果比单独的p i d 控制效果要好得多。具体表现在：系统的超调量大大减小，输出误差小；实时性 更好，鲁棒性更强。 关键词：汽车；电动助力转向系统；模糊p i d 控制 摘要 a b s t r a c t i d e a la u t o m o b i l e p o w e rs t e e r i n gs y s t e m n o t o n l yr e q u i r e s c o n v e n i e n c e m a n i p u l a t i o na n ds e n s i t i v ea c t i o n ，b u ta l s om a k e st h ed r i v e rh a v eag o o d r o a ds c n s e ” p r e v i o u sh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mp r o v i d eaf i x e d - r a t i op o w e rs t e e r i n gd u r i n g t h ee n t i r ep r o c e s so f a s s i s t a n c e b u ti th a sm a n ys h o r t c o m i n g so nf u de c o n o m ya s p e c t - a n dt h e r ei ss t i l ll e a k i n gp h e n o m e n o n e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mc o m p a r e dw i t h t h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s i nt h ec a s eo fu n c h a n g i n g t h es t e e r i n gs y s t e mh a r d w a r ei nt h em e c h a n i c a la s p e c t s ，i ti sv e r yc o n v e n i e n tt oa d j u s t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s s i s t a n c et h r o u g hs c ms o f t w a r ed e s i g no nt h ec o n t r o l l e r s o a u t o m o b i l ec o u l dg e tm o r ei d e a la p p r o p r i a t ev e h i c l e 1 1 1 i sp a p e rd e s c r i b e sa 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 gc o n t r o l l e db yt h ef u z z y c o n t r o la n dp i dc o n t r o li n t e g r a t i o n ，a n dg i v eas i m u l m i o nr e s e a r c hf o rt h eo v e r a l l s t r u c t u r ea n dd y n a m i c sm o d e l so fa 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 1 1 1 es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tu s i n gf u z z yp i dc o n t r o lc a l lm a k et h es y s t e mm o r er o b u s t ，a n d i m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e ml i g h t , g e tm o l ed e s i r a b l ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ea s s i s t a n t ，i t s c o n t r o le f f e c ti sm u c hb e t t e rt h a nas e p a r a t ep i dc o n t r 0 1 n ec o n c l e t em a n i f e s t a t i o n s ： t h eo v e r - r e g u l a t i o ng r e a t l yi sr e d u c e d ，t h el e s s e ro u t p u te i t o r , b e t t e rr e a l - t i m ef e a t u r e s ， b e t t e rr o b u s t k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；e l e c t r i cp o w e rs t r i n gs y s t e m ；f u z z yp i d c o n t r o l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 讪髻0 卜乙 日期：文如7 年4 月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：强忆 指导教师签名： 日期：芦矿唧年4 月矿日 眺硼年月驴日 第一章绪论 第一章绪论 汽车电子化是当前汽车技术发展的一种必然趋势。继电子技术在发动机、变 速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，其在转向系统中正得到逐步的研 究和应用。而且汽车技术的飞速发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提 高。为了保证车辆在任何工况下转动转向盘时，都有较理想的操纵稳定性，即使 车辆在停车情况下转动转向盘时能够轻松自如；而在高速行驶时又不会感到轻飘 不稳。汽车转向系统从简单的纯机械式转向系统，发展到机械液压动力转向系统、 到电控液压动力转向系统，直至如今的更为节能、操纵性能更优的电子控制式电 动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，简称e p s ) 。经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，已有在轿车和轻型汽车得到应用，其优良的性能得到认可，正逐 步取代传统的液压助力转向系统。随着电子技术的发展和直流电动机性能的改进， e p s 助力能力将逐步提高，其应用范围也将进一步拓宽，向更大型轿车和商用客车 方向发展。很显然，e p s 代表着未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件装配 到汽车上并在动力转向领域占据主导地位。 1 1 电动助力转向系统与液压转向系统相比的特点 ( 1 ) 成本低； ( 2 ) 能耗小，这不仅节省了发动机的能量，降低了油耗，而且便于维护； ( 3 ) 体积小，安装方便； ( 4 ) 反应灵敏、迅速，转向平稳、精确，路感良好。而传统的液压助力转向 系统，当急转动方向盘时，往往会出现转向迟滞现象； ( 5 ) 取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等零部件，其 零件数与传统液压助力转向系统相比大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑， 比液压助力转向系统轻2 5 。由于没有液压回路，调整和检测更方便，且不存在漏 油问题，因此大大降低了保修成本，也减少了对环境的污染。因为其动力源是电 池而不是由发动机驱动的力泵，在发动机发生故障时，也能继续提供转向助力； ( 6 ) 从改善空气动力学性能角度考虑，发动机罩下的空间将越来越宝贵。电 动助力转向系统因其外形小巧，在发动机罩下所占用的空间比传统的液压转向系 统要小，故安装电动助力转向的汽车会有更好的空气动力学性能； ( 7 ) 由于不用发动机直接驱动，仅当需要助力时电动机提供助力传统液压助 力转向在没有转向时，油泵在发动机带动下仍然运转。因此电动助力转向系统能 减少发动机的燃油消耗； 第一章绪论 ( 8 ) 具有良好的低温工作性能。性能更可靠，无论在任何工作状态下都能满 足转向助力； ( 9 ) 转向操纵力特性能满足不同对象的需要。由于采用扭矩、转角、车速传 感器的信号作为基础，故只需更换软件即可自由地设计转向操纵力特性； ( 1 0 ) 电动助力转向能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所 引起的对转向系的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵 力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性； ( 1 1 ) e p s 系统的助力大小可控，该系统由电动机直接提供转向助力，与过去 的液压助力转向系统相比，结构更趋合理，性能更加优越。 1 2 国内外汽车电动助力转向系统发展现状 1 2 1 国外发展现状 e p s 的研究工作源于上个世纪8 0 年代，由于液压动力转向系统在系统布置、 安装、操纵灵敏度、能量消耗、磨损和噪声等方面的缺憾以及人们对汽车的环保、 节能和安全的呼声，迫使寻求一种新的转向来改变这种束缚。德国z f 公司早在1 9 8 1 年就开发出一种电动动力转向器，但由于其在外形、转向性能和成本上都不具有 市场潜能，未引起人们的重视。直到1 9 8 8 年日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装 备了e p s ，随后又用在其a u t o 车上，至此e p s 如雨后春笋般的发展起来。世界上 的各大汽车公司都相继研制出自己的e p s ：日本的大发汽车公司在m i r a 车上装备 的e p s ，三菱汽车公司在其m i n i c a 车上也装备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车 目前已经选装了e p s ；d e l p h i 汽车系统公司也己经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以 及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。在开发、研制、实验、生产的竞赛中，美国的t r w 公司领先其他对手5 年的时间，它从1 9 9 8 年开始，便投入了大量的人力、物力和 财力用于b p s 的开发。已成功的开发出转向柱助力式e p s 和齿轮轴助力式e p s ，并 于1 9 9 9 年3 月装备在m a z d a 3 2 3 和f o r df i e s t a 上。但是其它的对手也不甘落后， 德国z f 公司与b o s c h 公司于1 9 9 8 年建立了联合企业“z f 转向器技术股份有限公 司”合作开发生产电子助力转向器和转向系统总成。在1 9 9 8 年北京国际汽车展览 会上z f 公司就展出了自己研制开发的转向柱助力式e p s 、齿轮轴助力式e p s 和齿 条助力式b p s 三种类型的转向器。同时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 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装车，年产 3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商“4 。“o 。 第一章绪论 1 2 2 国内发展现状 目前国内动力转向器还处在机械一液压动力转向系统阶段，在e p s 方面的研究 从上个世纪末刚刚开始，而且大量文献是对国外e p s 产品的组成、工作原理进行 介绍。只有清华大学、华中科技大学、吉林大学、天津大学、江苏大学、湖北汽 车工业学院和合肥工业大学等少数几家高校和科研单位开展了系统结构方案设 计、系统建模和助力分析等研究，但还处于研制的初级阶段，将要达到实用程度。 我国目前对e p s 的研究主要侧重于两个方面：系统操纵稳定性分析和控制策 略的研究。其中华中科技大学的刘兆和杨家军从稳定性和控制两个方面对e p s 进 行了研究”1 。他们通过对电动助力转向系统动力学和车辆横向系统动力学的分析， 建立了影响汽车操纵稳定性的车辆的横摆角速度对方向盘转角的横摆角速度增益 函数，提出要想提高转向系统的响应速度，从设计上考虑就必须减小电动机的转 动惯量和方向盘的转动惯量。另外华中科技大学的杨树和唐新蓬从转向轴助力式 e p s 动力学模型出发，推导出转向盘力的仿真计算公式，并简要分析了比例控制式 e p s 系统的控制系数对其转向盘力特性的影响，最后认为采用可变比例控制的方式 可以改善汽车转向盘力特性m ，。 华中科技大学还在虚拟现实方面真正地在人车环境中对e p s 系统进 行虚拟设计，可以提高对其结构的设计效率，因为在平时的设计开发中，无法感 性地体验e p s 系统在汽车整体中以及汽车在整个驾驶环境的中的性能体现。因此， 这就需要利用虚拟现实技术建立起一个基于汽车操纵稳定性的人车环境 的闭环仿真系统，结合前面讨论的硬件在环仿真系统对其各个部件进行在环仿真， 根据汽车提出的e p s 的客观评价体系，对汽车操纵稳定性的各项性能指标进行评 价，使得e p s 的设计更加行之有效，可以大大节约时间和成本”1 。 清华大学的季学武和陈奎元二位学者简述了自行设计的e p s 方案，将电机助 力控制算法确定的电机目标转矩直接转换成电机目标电流，与电机传感器测得的 电机实际电流构成闭环，通过p i d 算法获得控制驱动电路的p 删斩波信号。提出 将h 一控制理论应用于e p s 控制方法的研究来解决传统p i d 其鲁棒性、抗干扰性差 的缺点0 1 。 湖北汽车工业学院的肖生发和冯樱对e p s 转向系统的控制和转向的助力特性 进行了研究。他们以驾驶员作用在转向盘上的力和助力装置提供的助力为输入， 系统输出力矩为输出，做出系统输入输出特性曲线。最后他们结合e q l 0 6 1 转向系 统的技术参数，将曲线的三个部分分别进行线性化，确定相关点，为以后系统控 制策略的确定奠定了基础“”“2 “”1 。 吉林大学的林逸教授和施国标教授对e p s 的助力控制策略进行了研究，他们 第一章绪论 认为e p s 是汽车动力转向的新技术和新结构，助力控制是e p s 的基本控制策略， 并决定e p s 的助力特性。他们提出e p s 控制器根据转向盘转矩传感器的输出和车 速传感器的输出由助力特性确定电动机的目标电流，提出采用p w m 控制技术来实 现e p s 电流的控制。而在电流大小控制上采用增量式数字p i d 控制器。最后他们 在台架试验，发现电动机助力效果明显“。 江苏大学的施淑洪和郑荣良在对e p s 系统结构分析的基础上，建立了以方向 盘转角为输入，转向轴扭矩为输出的线性系统力学模型，通过对幅频特性、相频 特性的分析指出系统参数对转向轻便性和跟踪性的影响，并给出了系统控制电路 框图“”。 他们通过扭矩传感器所监测到的扭矩信号确定电动机的助力电流，在系统控 制方面，根据扭矩信号和车速信号控制电机通断，原地转向时给予最大助力；当 车速低于一定值时，电机仍然运作；而车速高于一定值时，切断继电器线圈电流， 使电机停止运转。当电机出现故障时通过操作使系统进入人力转向状态。 合肥工业大学考虑轮胎模型的基础上，建立了装有e p s 的二自由度汽车转向 模型，提出采用集成优化对电动助力转向系统进行设计的思想。考虑到汽车是具 有很大不确定性的复杂系统，分别使用遗传算法对e p s 系统结构参数和p d 控制参 数进行集成优化与遗传算法对e p s 系统结构参数和模糊神经网络控制参数进行集 成优化，并进行计算机仿真，结果表明：在采用两种控制方法后，明显提高了e p s 系统转向的轻便性和灵敏性，改善了汽车的操纵稳定性，而且分别通过遗传算法 对e p s 系统结构参数和p d 控制参数的集成优化与遗传算法对e p s 系统结构参数和 模糊神经网络控制参数的集成优化研究，仿真结果表明经集成优化的e p s 系统较 未经集成优化的e p s 系统能进一步提高转向的轻便性和灵敏性，使e p s 系统的机 械结构参数和控制结构参数在一定范围内上达到更合理的匹配：通过对e p s 系统进 行台架和道路试验，其结果表明集成优化系统较未集成优化系统能改善动态响应 特性，并且试验与仿真结果基本上相符“。 他们还建立了转向工况下t 4 汽车三自由度模型，并在m a t l a b s i i r i l i n k 中 进行了仿真，通过大量参数仿真计算得出结论：车速和车轮转角对轮胎侧偏力、车 身垂直加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷有很大影响，因此研究建立转向和悬架 的综合模型，并对其进行集成控制，来提高整车的操纵稳定性、行驶安全性、乘 坐舒适性。通过建立汽车转向与悬架系统的综合模型，设计了主动悬架的一种l q g 控制器，改善了车身横摆角速度、车身垂直加速度和车身侧倾角等的输出响应。 通过在m a t l a b s i 椰l i n k 环境下进行大量的仿真计算，得出的仿真结果表明，采 用l o g 控制的主动悬架与被动悬架相比，显著提高了汽车的平顺性、操纵稳定性 和安全性。建立了汽车e p s 与a s s 综合模型，在此基础上，设计了输出反馈的随 第一章绪论 机次优控制策略，实现了二者的集成控制，不仅提高了转向时的轻便性，而且大 大降低了车身垂直加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷，从而改善了悬架的行驶平 顺性。同时，集成控制使得二者协调工作，车身横摆角速度、车身侧倾角及其速 度、车身俯仰角及其速度的降低，表明了汽车操纵性、行驶安全和乘坐舒适性等 整体性能也最终得到改善。他们还通过模拟退火算法对多控制器下的集成控制的 优化设计，汽车主动悬架和电动助力转向集成控制系统相对与单独控制的主动悬 架和电动助力转向系统在行驶平顺性和操纵稳定性等方面的性能有所改善，且集 成优化后系统相对于按照传统方式设计的控制系统，可以进一步改善汽车的行驶 平顺性、操纵稳定性和轻便性等综合性能指标，而且系统优化的结果是全局最优 的“”。 最近国内一家叫蓝波汽车零部件有限公司的现代化高科技企业自主独立研发 制造了l b h - e p s 一1 汽车电动助力转向系统( e p s ) ，并已通过了国家汽车检测中心的 严格测试。目前该产品已经投入批量生产，并已经为吉利等汽车厂商提供配套。 由于产品性能成熟、稳定，质量与国外同类产品相比毫不逊色，价格便宜三分之 一以上，更加说明国内汽车电动助力转向技术也逐渐走向成熟。 1 3 本课题的研究目的 现今电动助力转向系统己在一些轿车上得到应用，而且e p s 的作用能力已经 得到人们的普遍接受；加上直流助力电机助力效果和性能的改进，电机的助力能 力得到提高，这样使e p s 应用范围将进一步扩大。同时随着现在的电子技术的发 展，e p s 的开发研究与应用有了很大的发展，使装有电动助力转向系统汽车的灵敏 性和轻便性有一定的改善。而我们在进行开发和设计e p s 系统时，我们必须要通 过原来的机械设计理论设计一套传统的机械系统，再用优化理论来设计该系统的 机械结构参数，然后为了改善系统的动态特性，要采用某种控制策略来设计控制 器。但是我们这个e p s 系统的设计，从机械与电气控制的整个系统结构来看，是 一个复杂和漫长的过程；从控制的观点来看，需要考虑系统稳定性和动态性而设 计出来的控制参数。而我们在现实中，作为一个已知系统，其内部各个环节，各 个部分是相互联系的；同时e p s 系统与汽车其它系统也是相互影响、相互制约的。 所以在开发和研究一个系统时我们应该从系统的整体来考虑这种联系、影响、制 约关系，而不要孤立地去考虑其中的单独要素，否则其设计结果必然远离设计初 衷，达不到目标要求。基于此，我们在开发和研究当中考虑机械结构和控制结构 之间的相互关系，并且在实际当中，必须掌握控制系统的规律，使我们更深入地 了解e p s 系统的特征或特性，利用e p s 系统的控制策略和控制参数有力地结合， 第一章绪论 6 提高e p s 系统的动态特性和汽车转向性能，从而达到令人满意的设计效果。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是： 1 建立了系统的传递函数，并且在传递函数的基础上，分析了助力系统的特性。 2 研究模糊控制和p i d 控制相结合的控制规律。 3 结合助力特性和控制系统两方面，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了电动助力转 向系统模型，并将模糊p i d 控制算法引入到电动助力转向系统模型中，进行了系 统仿真。 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 2 1 汽车转向系统的类型结构及原理组成 2 1 1 电动助力转向系统的类型“钔 根据电机安装位置的不同，电动助力转向系统一般可分为：转向轴助力式、 小齿轮助力式和齿条助力式三种。转向轴助力式一般用于微型轿车上它是将电机 安装在方向管柱上，通过减速机械与转向轴相连。特点是结构紧凑，所测取的转 矩与转向盘转矩在同一直线上，因此控制直流电机助力的响应性能好。小齿轮助 力式的转矩传感器、电机、离合器和转向助力机构也在一起，只是安装在转向小 齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转向力。该型式可使各部件布置更方 便，但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转矩信号的取得与助力车轮 部分不在同一直线上，且助力控制特性难以保证精确。齿条助力式转向系统的转 矩传感器单独安装在小齿轮处，电机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端齿 条处，用以给齿条助力。 根据汽车上转向器结构形式的不同。e p s 又可分为：循环球螺母式、蜗轮蜗杆 式、齿轮齿条式三种。循环球螺母式e p s 电动机力矩的传递路线为：电动机一循环 球螺母一齿轮条。蜗轮蜗杆式e p s 电动机力矩的传递路线为：电动机一蜗轮一齿轮 条。齿轮齿条式e p s 的电动机力矩的传递路线为：电动机一行星齿轮副一另设齿轮 一齿条。 2 1 2e p s 系统的原理分析与组成 e p s 系统在传统的机械转向系统的基础上增加了传感检测装置、控制单元以 及转向助力机构( 包括电动机、减速机构、传动装置) ，它是通过电动机产生的扭 矩来帮助驾驶员进行转向的。其基本原理是：由车速传感器和扭矩传感器检测装置 将所得的采样信号转化成数字信号输入控制单元e c u ，经控制单元对这些信号进行 运算后得到一个决定电动机转向和助力电流大小的信号指令，并驱动助力电动机 工作，然后通过减速机构把电动机的输出扭矩进行放大并作用在相应部位，从而 给转向系统提供辅助转向力矩。 其工作过程如下图所示： 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 围2 1 汽车电动助力转向系统工作过程 f i g u r e2 1w o r k i n gp r o o e s so fa u t o m o b il ee i e o t r i op o w e rs t e e r i n g s y s t e m 电动助力转向系统由扭矩传感器、车速传感器、电动机( 一般采用无刷永磁式 直流电动机) 、电子控制单元( e c u ) 、离合器和减速机构等组成。 图2 2 电动助力转向系统结构图 f i g u r e2 2s t r u c t u r ed r e w i n go fo i e o t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 下面具体介绍一下各个组成部件： ( 1 ) 扭矩传感器 扭矩传感器的功能是检测方向盘的操纵方向和操纵力矩大小，它分接触式和 非接触式两种，因为非接触式扭矩传感器测量系统比较复杂且成本高，所以现在， 一般采用电位计式力矩传感器，常用的有如下三种工作方式： 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 利用齿条对传动轴施加反力的摇臂式： 利用输入轴和输出轴之间的扭杆与减速机的两级齿轮工作的； 利用扭杆联结的输入与输出轴间的相对位移直接使电位计产生位移来工作 的。 ( 2 ) 电动机、离合器、减速机构 电动机的功能是根据电子控制单元( e c u ) 的指令输出适当的扭矩，为e p s 提供辅助转向力矩。多采用无刷永磁式直流电动机。电动机对e p s 的性能有很大 影响，是e p s 的关键部件之一，所以对e p s 电动机有很高要求，不仅要求低转速 大扭矩、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。 为了改善操纵性、降低噪声和减少振动，电动机转子外圆表面可开设斜槽，或改 变定子磁铁的中心或端部的厚度。 离合器主要对电动机起保护作用，根据电动机的输出扭矩随转速的减少而 增加的特性，把离合器的工作区域限定在一定的转速区域内，如果超过规定的转 速，则离合器使电动机停止转动，同时使离合器分离，不再起传递动力的作用。 另外，在不需助力的情况下，离合器可以清除电动机惯性的影响以及系统发生故 障时断开离合器，以恢复为手动控制转向。 减速机构的作用是把电动机的输出扭矩放大后再传递给转向系统的相应 部件，一般采用行星齿轮机构或蜗轮蜗杆机构。我们在实验中就采用的是蜗轮蜗 杆机构。 ( 3 ) 控制单元( e c u ) e c u 的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算 后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断 功能，e c u 通过采集电动机的电流、电动机电压等信号判断其系统工作状况是否正 常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时b c u 将进行故障诊断分析。e c u 通 常是一个8 位单片机，系统由于电动助力转向系统存在非线性元件( 如摩擦和阻 尼) ，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性。 因此，控制系统与控制算法也是e p s 的关键因素之一。控制系统应有较强抗干扰 能力，以适应汽车复杂的工作行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的 要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。 2 2 控制系统总体结构 整个助力转向控制系统主要由e c u 控制中心、扭矩检测模块、车速检测模块、 报警装置、继电器驱动装置以及电机的驱动电路装置。扭矩检测模块是通过扭矩 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 1 0 测量装置采集到方向盘转向柱上的转矩信号。车速检测装置是通过车速传感测量 装置。电机电流测量电路是实验电路的反馈回路中比较核心的电路，是通过电流的 测量芯片和电路的保护电路组成。助力电机的电路是通过电机的驱动电路和电机 的桥式电路组成。单片机控制是e p s 控制系统重要的研究内容，它包括单片机微 处理器，控制系统的智能化设计，对转向系统的性能进行监控，实现对助力电机 检测与控制。 图2 3 电动助力转向系统控制组成框图 f i g u r e2 3 o o n t r o lo o f l l p o s i t i o nd i a g r a mo fe i e o t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 下面是系统各组成部分功能说明 ( 1 ) 单片机控制平台 单片机控制平台是整个控制系统的重要组成部分，是联系数据信号采集和计 算机控制中心的枢纽。一方面，它要获取扭矩传感器组和车速传感器组的测量数 据，并且与设定值进行比较，输出控制信号到执行机构：另一方面，它要将测量的 扭矩数据、电机驱动数据上传送到计算机上。 ( 2 ) 检测装置 检测部分由扭矩传感器组和电流传感器组组成。为了保证扭矩测量的准确性， 扭矩传感器应该是反应灵敏、性能良好的测量装置，用来测量转向柱的扭转信号。 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 电流传感器是采用了磁阻传感器测量电机电流。它能够根据外部磁场的变化而相 应地改变其阻抗特性，阻抗的变化是由与电流方向成一定角度的磁场大小来决定。 根据磁场的变化，输出与磁场强度成比例的电压信号。这样可以精确地反映电机 电流的大小。 ( 3 ) 执行机构 控制系统的执行机构是指助力调节机电装置，即助力电机、电磁离合器和蜗 轮蜗杆机构。在这个系统中，扭矩传感器将输出的电压经过运算放大器转换0 5 v 的电压信号，再经a d 转换电路之后进入单片机。单片机根据输入的命令进行智 能运算，得到控制量输出脉冲触发信号，以此来控制芯片驱动助力电机转动。改 变电机的转速和转矩，进而改变齿轮转矩，从而保证了齿轮齿条的助力效果。 ( 4 ) 控制软件 系统的控制软件包括读取转矩信号的转矩和车速数据、模糊p i d 的数据计算 软件、单片机系统控制运行软件，电流传感器数据读取的软件以及r s 一2 3 2 通讯软 件等。转矩和车速信号下数据、以及电流传感器中的信号数据；单片机测控系统 运行软件是计算机中，控制单片机运行的程序，是本课题中软件编写的最重要部 分，它包括主程序、中断服务子程序、串行通讯子程序、采样子程序、模糊p i d 算法子程序等。 ( 5 ) 远程通讯模块 为了便于计算机和单片机的通讯，我们采用了标准r s - 2 3 2 串行通讯规范。通 过r s 一2 3 2 接口，单片机可以将采集到的扭矩、车速和电流数据传输到计算机中， 从而可以利用计算机的强大处理能力对数据进行分析和存储。 2 3e p s 系统控制模式 助力特性是指助力随汽车运动状况( 转向盘手力和车速) 变化而变化的规律。 对电动助力转向，助力与直流电动机电流成比例，故可采用电动机电流与转向盘 力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。 所谓的“路感”就是转向阻力中包含着前轮侧向力的信息，使汽车的运动状 态( 包括车轮与路面的附着状态) 与驾驶员手力的对应关系。汽车转向过程中的转 向轻便性与路感是相互矛盾的。满足转向轻便性要求转向系统能提供大的助力， 而助力增加后，路感就变差了。 根据汽车转向行驶的不同情况要求，e p s 按不同的控制方式进行控制，通常来 说对应根据汽车转向行驶的不同情况有三种基本控制方式。汽车在低速行驶过程 中进行转向时，电控单元对电动机进行普通控制，使电动机具有较好的转向响应， 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 使转向操纵轻便灵敏。汽车在高速行驶过程中进行转向时，电控单元通过f e t 驱 动电路对电动机进行回正控制或阻尼控制。当方向盘回转到中间位置时，电控单 元对电动机进行回正控制，使电动机产生一个与转速成正比的阻力矩。在转向过 程中将方向盘释放时，电控单元对电动机进行阻尼控制，此时电动机短路，供给 电压为零，电动机将产生一个与电动机转动方向相反的转矩，使驾驶员能够获得 适度的路感。 ( 1 ) 助力控制是e p s 的基本控制模式。助力特性对动力转向系统的性能( 包 括轻便性、回正性、路感等) 有重要影响。在传统液压动力转向中助力特性主要 由阀的结构决定，调整非常困难，并且设计完成后助力特性就确定了，不能随车 速变化。而e p s 不同，助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，由软件来设置， 可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行调节。 助力控制是在转向过程( 转向角增大) 中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机 构把电机转矩作用到机械转向系( 转向轴、齿轮、齿条) 上的一种基本控制模式。 在这一基本控制过程中，助力特性曲线确定系统的控制目标，决定着e p s 系统 的性能。e p s 的助力特性曲线属于车速感应型，在同一转向盘力矩输入下，电动机 的目标电流随车速的增加而降低，能较好地兼顾轻便性与路感的要求。 其控制过程主要是：根据车速传感器测得的车速信号和方向盘力矩传感器测 得的方向盘力矩信号，这些信号进入e c u ，e c u 调用助力特性控制表，并根据电动 机的电磁转矩特性确定助力电流，以获得适当的助力转矩“。 电动机的电磁转矩特性是电动机的固有特性，其基本特性如图2 4 所示。 力矩( n m ) 图2 4 电动机电磁转矩特性 m o t o reie o t r o m a g n e tii b mt o r q u ec h a r a c t e ris tic s 第二章e p s 的总体结构以及控制策略 电动机电磁转矩特性的函数表达为： 乙= 州0 0 0 5 10吡2 7 4 芝i a o ) “ = 2 ) g d t ( t 8 ) ) i = 3 0 ： e l s e i f ( ( v o ) s d k ( v o ) 8 d k ( t 0 ) ( v = 2 ) ( t o ) ( v = l o ) ) i = 2 0 ： e l s e i f ( ( v = 2 5 ) ( v 0 ) ( t = 2 5 ) ( v = 3 ) ( t = 2 5 ) ( v = 1 2 ) ) i = 1 2 ： e l s e i f ( ( v = 1 0 ) ( v 0 ) ( t = 1 0 ) ( v = 4 ) ( t = 1 0 ) ( v = 1 2 ) ) i = 8 ； e l s e i f ( ( v = 2 0 ) ( v = 3 0 ) g d k ( v o ) ( t = 3 0 ) ( v = 6 ) ( t = 3 0 ) ( v = 1 2 ) ) 第四章基于模糊p i d 控制算法的e p s 控制规律及仿真 5 2 e n d w = i i = 2 下面是模糊p i d 控制算法的s i m u l i n k 子程序： 图4 1 3 系统控制算法子程序 f i g u r e4 1 3s u b p r o c e d u r eo fs y s t e mc o n t r o ia i g o t i t h m 控制系统的s i m u l i n k 子程序： 4 1 4 控制系统子程序 fig u r e4 14s u b p r o c e d u r eo fo o n t r o i s y s t e m 第四章基于模糊p i d 控制算法的e p s 控制规律及仿真 4 6 在模糊p i d 控制与传统p i d 控制下系统响应的比较 根据系统的仿真模型，系统的输入信号分别为方向盘信号和车速信号；方向 盘输入信号为正弦转角输入，转向轴转角随时间亦为正弦趋势。我们分别以o k m h 、 2 0 l 【m h 和4 0 k m h 为例，经仿真得到控制的跟踪电流( 图4 1 5 - 4 2 0 中的仿真电流) ， 与目标电流进行比较，可以反映出模型在传统p i d 控制方式和模糊p i d 控制方式 时系统目标电流和跟踪电流的情况。从图上可以看出，电流变化的趋势基本相同 ( 呈正弦变化趋势) ，零点附近有所差别( 存在一定的抖动) ：模糊p i d 控制方式抖动 要比传统p i d 控制方式小一些，并且随着车速的增加，我们可以看到，电机提供 电流的振幅亦在减小；从图上我们看到在o k m h 时，电机电流可达到1 7 a ；在 2 0 k m h 时，电机电流可达到9 a ，而在4 0 k m h 时，电机电流可达到6 5 a 。这样的控 制效果正好符合电动助力转向系统的电机电流的实际情况。所以制定的助力特性 和控制系统很好的反映了实际使用情况，该仿真模型也适合于实际目标电流的确 定和控制。 下面是o k m h 时两种控制方式中目标电流和跟踪电流的比较 图4 1 5o k m h 时p i d 控制方式下电流 图4 1 6o k m h 时模糊p i d 控制方式下电流 f i g u r e4 1 5 o k m hp i do o n t r o im o d em o t o re i e o t ri oc u r r e n t f i g u r e4 1 6 o k m hf u z z yp i do o n t r o im o d em o t o re l e o t r i oc u r r e n t 下面是2 0 k m h 时两种控制方式中目标电流和跟踪电流的比较 第四章基于模糊p i d 控制算法的e p s 控制规律及仿真 扩飞i 厂 gr 扩”f 卜- # # ! 受一 一芗 和 篮：! 盈一 、i l if 鞋 誊 l ； 图4 1 72 0 k m h 时p i d 控制方式下电流图4 1 82 0 k m h 时模糊p i d 控制方式下电流 f i g u r e4 1 7 2 0 k m hp i dc e n t r e im o d em o t o re i e c t r i co u rr e n t f i g u r e4 1 8 2 0 k m hf u z z yp i dc e n t r e im o d em o t o re i e c t ri cc u r r e n t 下面是4 0 k m h 时两种控制方式中目标电流和跟踪电流的比较 1 ； f f ， 口 一 1 龟 心 f 7 鬻 7 ： 图4 1 94 0 k m h 时p i d 控制方式下电流 图4 1 64 0 k m h 时模糊p i d 控制方式下电流 f i g u r e4 1 94 0 k m hp i do o n t r o im o d em o t o re i e c t r i oo u rr e n t f i g u r e42 0 4 0 k m hf u z z yp i dc e n t r e im o d em o t o re i e c t ri co u rr e n t 从上面的仿真结果可以得出以下结论： 第四章基于模糊p i d 控制算法的e p s 控制规律及仿真 模糊p i d 控制算法虽然是由传统p i d 控制算法训练出来的，但并不是传统 p i d 控制器的简单复制。加入模糊控制方法，增强系统的稳定性，抑制扰动。采用 模糊p i d 控制时各个参数的取值范围是经过系统在线校正进程调整的。模糊p i d 控制器最后p 、d 参数的取值范围是由经验和传统p i d 算法整定得出。 从仿真模型和电流输出的曲线上可以看出，系统运行的初始阶段主要是传 统p i d 控制器起作用，经过对控制器的输出后不断学习，逐渐由模糊控制输出起 控制作用。使得控制效果比传统的p i d 控制效果要好得多，当阶跃输入时，由于 模糊控制的加入，使转向柱转角的阶跃响应大大减小了超调，加快了控制响应速 度，充分体现了输出误差小、实时性好、鲁棒性强等优点。 通过比较纯p i d 控制和模糊p i d 控制下输出对各种车速输入信号的响应， 得出模糊p i d 控制对信号有很强的跟踪能力，并且从0 点附近的电流抖动，可以 看出模糊p i d 控制方式明显比传统的p i d 控制方式的抖动要小，因此说明采用模 糊p i d 控制可以提高系统的跟随特性和抗干扰性。 第五章总结和建议 第五章总结和建议 与液压转向系统相比，电动助力转向系统结构简单，能够较好地满足汽车转 向性能的要求，在操纵舒适性、安全性、节能等方面也充分显示了其优越性。电 动助力转向系统是现代汽车转向系统的发展方向，该系统的研究和开发对满足社 会需求、跟上世界汽车技术发展进程具有十分重要的作用。 5 1 结论 本文建立了e p s 的汽车转向动力学模型，采用模糊p i d 控制。通过对系统的 仿真研究。得到如下结论： 1 系统采用模糊p i d 控制时无论是调整时间还是超调量都明显减小。而且在 模糊p i d 控制下阶跃输入时转向柱转角响应的稳态值提高； 2 幅频特性分析中系统的共振峰值降低，相频特性曲线相位延迟角减小，延 迟现象得到改善，即系统的随从特性得到改善。 3 结合助力特性和控制系统两方面，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了电动助力 转向系统模型，并将模糊p i d 的助力特性引入到电动助力转向系统模型中，通过 车速输入，发现模糊p i d 控制下系统具有良好的灵敏性，抗干扰能力。 5 2 建议 由于本人知识水平有限以及时间等诸多方面的限制，本文还存