（车辆工程专业论文）汽车电控液压助力转向系统的动力学分析与仿真.pdf

摘要 汽车电控液压助力转向( e h p s ) 系统能够有效地提高汽车的燃油经济性、操 纵稳定性、驾驶舒适性和主动安全性等多方面的性能，同时又具有环保特性。因 此，电控液压助力转向系统成为动力转向技术研究的焦点。电控液压助力转向系 统是一种依靠电动机带动液压泵提供转向助力的转向系统，助力大小由电子控制 单元( e c u ) 计算并控制，能根据车辆的运行状态和驾驶员的转向操作，实时提 供与之相适应的助力，使汽车在低速行驶转向时具有良好的轻便性，在高速行驶 转向时具有更好的稳定性。 论文基于电控液压助力转向系统的结构、工作原理及关键部件的性能特点， 提出系统设计要求：按照系统对助力特性的要求，提出助力特性曲线的设计方法， 确定采用直线型助力特性曲线；依据助力需求，对系统的控制策略进行分析，确 定了既满足助力特性曲线又兼顾紧急转向工况的控制策略，采用电动机转速、电 流双闭环p i d 控制方法调节直流电动机的转速，保证系统具有良好的稳态性能和 动态性能；通过对电控液压助力转向系统的动力学分析，建立基于a m e s i m 和 s i m u l i n k 的e h p s 系统的联合仿真模型；进行无刷直流电动机、助力液压缸及转 向特性仿真试验，仿真结果表明：论文所采用的控制策略，可以保证车辆低速行 驶时的轻便性和高速行驶时的路感，有效地改进了汽车的响应速度和操纵稳定性， 为电控液压助力转向系统的开发提供了重要的理论依据，并且可见联合仿真试验 在电控液压助力转向系统的动力学分析与仿真方面的优势和有效性。 关键词：汽车；电控液压助力转向系统；动力学分析；联合仿真 a bs t r a c t e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) i m p r o v e sm a n yp e r f o r m a n c e so fv e h i c l e s s u c ha st h e f u e le c o n o m y , h a n d l es t a b i l i t ya n dd r i v i n gs e c u r i t y m a k ed r i v i n gm o r e c o m f o r t a b l e a tt h es a m et i m e ，e h p sc 锄a l s op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ， e h p si sb e c o m i n gt h en e wr e s e a r c h i n gf o c u so ft h ep o w e rs t e e r i n gt e c h n i c e h p si s d r i v e db yt h ep o w e rf r o mt h eh y d r a u l i cp u m pw h i c hi sc o n t r o l e db yt h em o t o rt h e p o w e ri sd e c i d e db ye c ut h r o u g ht h es t a t eo f v e h i c l ea n dt h ed r i v e r sc o n t r 0 1 b e c a u s e o ft h et i m e l yc o n t r o l ，v e h i c l ec a ng e tb e t t e rh a n d i n e s sa n dh a n d l es t a b i l i t y t h ep a p e rd e c i d e st h ed e s i g nm e t h o db a s e do nt h es t r u c t u r e ，w o r k i n gt h e o r ya n d p e r f i n n a n c ec h a r a c t e r so ft h ei m p o r t a n tp a r t s a st h er e q u e s to ft h es y s t e r m ，t h ep a p e r d e c i d e st ou s et h el i n e a ra s s i s t a n tp o w e rc h a r a c t e rc u r v et os a t i s f yt h en e e do fe h p s a f t e ra n a l y s i n gt h ec o n t r o lm e t h o d s ，t h ep a p e rd e c i d e st ou s eb o t hr o t a t e ds p e e da n d c u r r e n tc l o s e dp i dm e t h o dw h i c hc a l ls a t i s f yb o t he x l e n ts t a b l ec a p a c i t ya n dw o n d e r f u l d y n a m i cp e r f i r m a n c e t ob u i l dt h eu n i t e ds i m u l a t i o nm o d e lw i ma m e s i ma n d s i m u l i n ka f t e ra n a l y s i n gt h ed y n a m i c so fe h p s t h ep a p e rd o e sm a n ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ss u c ha sd cs i m u l a t i o n , a s s i s t a n tp o w e rh y d r a u l i cc r o c ks i m u l a t i o na n d s o m es t e e r i n gp e r f o r m a n c e st e s t s t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o lm e t h o d si tg e t s c a nm a k es u r eo fp r o t a b i l i t ya n dr o a ds e n c eo fv e h i c l e e h p si m p r o v e st h er e s p o n s e s p e e da n dt h eh a n d l es t a b i l i t yo fv e h i c l ee f f e c t i v e l y t h er e s u l t sp r o v i d e sm a n y i m p o r t a n tt h e o r yd a t af o re m p o l d e re h p s a tt h es a m et i m e ，w ek n o wt h a tu n i t e d s i m u l a t i o na l ea d v a n c e da n de f f e c t i v ef o ra n a l y s i n gt h ed y n a m i c so fe h p s s y s t e m k e y w o r d s ：v e h i c l e ；e h p s ；d y n a m i c ；u n i t e ds i m u l a t i o n 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， 均已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： 日期：2 d 年年月哆e l 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：毒弼d 争 日期：加p 年争月r 罗e l 指导教师签名： 日期：麦，口年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：毒计 日期：沙f p 年妒月夕e l 指导教师签名： 日期：支i 少年 争其中 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车电子技术的快速发展，电子技术在汽车上的应用范围不断扩大，汽 车模块化，电子化已经成为一种必然趋势。汽车转向系统也随之经历了几个不同 的发展阶段：简单的纯机械式转向系统；液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e r s 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 cp o w e rs t e e r i n g ， 简称e h p s ) ；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 ) ；最终还 将过渡到线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ，简称s b w ) 1 l 【2 】。 电控液压助力转i 句( e h p s ) 系统是一种依靠电动机带动液压泵提供转向助力 的电子助力转向系统。与传统的液压助力转r 句( h e s ) 系统相比，e h p s 系统具有很 多的优点：在需要转向时才启动电动机，电动机带动液压泵等装置产生助力，减 少了发动机燃油消耗，燃油经济性可以大大提高；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，提高驾驶舒适性；改善汽车的 转向特性，提高汽车的主动安全性；由于采用集成电动液压泵，结构更紧凑，易 于整车布置。在保持h p s 系统的柔顺手感的同时，又具有e p s 系统的节能、环 保和安全的优点。与e p s 系统相比，e h p s 系统成本更低，手感更好，避免了e p s 系统的转向盘的摆振，回正和阻尼控制等问题。 1 2 电控液压助力转向系统介绍 1 2 1 电控液压助力转向( e h p s ) 系统的结构和工作原理 本文所研究的电控液压助力转向系统是由电动液压泵带动整个系统的新型电 控液压助力转向系统，它由电动机提供动力，而不像传统的电控液压助力转向系 统由发动机提供动力，具有降低油耗、节约能源的特点，其系统结构图如图1 1 所示。它包括机械、液压和电气这三个主要部分。机械部分主要有扭杆，齿轮齿 条转向器等组成；液压部分由转子阀，助力液压缸，压力限制阀，液压泵，储油 罐等组成；电气部分包括无刷直流电动机，车速传感器，转角传感器，转向角速 度传感器( 如图1 2 所示) ，电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 等。 可以把储油罐，液压泵，压力限制阀，无刷直流电动机，电子控制单元e c u 等集 成在一起构成一个电动液压泵( 如图1 3 所示) ，使结构更紧凑，更轻便，安装的 柔性也大大增强。 第一章绪论 图1le h p s 系统的结构 f i g lis t r u c t u r e o f e h p ss y s t e m 围1 2 转向角速度传感器 f i g l2s e n s o r f o rs t e e r i n g v d c c i t y 图13 电动液压泵 f i g l3 e l e c t r i c h y d r a u l i c p u m p 图1 4e h p s 系统的工作原理围 f i g l4 t h e w o r k t h e o i y o f e h p s 第一章绪论 3 图1 5 e h p s 系统原理图 f i 9 1 5t h ep r e d i g e s tt h e o r yo fe h p ss y s t e m 电控液压助力转向系统( e h p s ) 的工作原理图如图1 4 所示，其简化示意图 ( 如图1 5 所示) 表示的含义是：电子控制单元e c u 接收各种传感器传来的信号 ( 包括转向盘转角变化量、转向盘转向角转速、汽车行驶速度和直流电动机的电 流、转速反馈信号等) ，据此控制无刷直流电动机的转速，改变液压泵的供油量， 液压泵输出的高压油流入转子阀，从而调整齿轮齿条转向器中的油压和辅助转向 力的大小。 汽车直线行驶时，转向盘不转动，液压泵以很低的速度运转，大部分工作油 经过转子阀流回储油罐，少部分工作油经液控阀直接流回储油罐；当驾驶员转动 转向盘时，电子控制单元e c u 根据检测到的转角、转速、车速以及无刷直流电动 机的电流和转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制指令， 使无刷直流电动机产生相应的转速以驱动电动液压泵，进而输出相应流量和压力 的高压油，压力油经转子阀进入齿条上的助力液压缸，推动活塞以产生适当的助 力，协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。 1 2 2 电控液压助力转向( e h p s ) 系统的特点 电控液压助力转向系统的主要特点是由无刷直流电动机带动电动液压泵工 作，而不是由发动机驱动，可根据转向需求提供不同的转向助力，满足汽车对转 向系统的要求。在发动机怠速时，电动液压泵提供较大的流量，而在高速时，按 转向器要求，使其流量有所下降。亦即在低速行驶时，驾驶员需较大的转向助力 才能灵活地进行转向，而在高速转向时，助力要偏小，优化了转向操纵，提高了 驾驶员的舒适性和转向灵活性，又克服了转向“发飘 的感觉，使驾驶员操纵时 4第一章绪论 有显著的“路感 ，保证在高速行驶时的稳定性和安全感。同时这样也可以降低一 定的油耗( 如图1 6 所示) ，既满足了汽车转向时对转向系统的要求，又达到了节 能的目的。 i 雌 喜秘 嚣一 蟠 魍_ 髓 嚣 枷 o 搬眈榜统液豫劫力转囱暴缝的能鬣滴耗 lj：)勋 1 ) 传统液撤助力转向系统 2 ) 摔耆| | 阔式龟撺渡压助力转向系统 3 ) 电动爱炎电控渣髓力转向秉缝 图1 6e h p s 与传统转向系统的能耗对比 f i 9 1 6c o n t r a s to fe h p ss y s t e ma n do t h e rs t e e r i n gs y s t e m 电控液压助力转向( e h p s ) 系统与原来的液压式助力转向( h p s ) 系统和现 有的电动助力转向( e p s ) 系统相比，无论在结构方面，还是在性能方面，都有 很多不同点，见表1 1 ： 表1 1 三种助力转向的性能比较 t a b l 1t h ec o m p a r i s o no f l i p s ，e h p s ，e p s 类型 e p se h p sh p s 燃油特性耗油最少介于两者之间最耗油 独立于发动 可以 可以不可以 机工作 方向跟随性很好比较好 差 回正性能最佳好不好 路感状况很好好 差 准确、灵活、方便、控制性灵活性、传递性较e p s 助力特性 中等 能最优差 环保性能环保比较环保不环保 集成性能 方便 方便 不方便 只有四个组件，结构紧凑，有4 0 5 0 个零部件，占有有4 0 一5 0 个零部件，占 占用空间 占有空间最小空间比较大 有空间较大 耐寒性耐寒不耐寒、需要预热不耐寒、需要预热 重量 质量最轻较重较重 效率很高中等 很差 第一章绪论 5 由表1 1 可见，e h p s 系统虽然在现有的转向系统中不是最优秀的，但是它有 很多自己特有的优点，很值得在业内广泛推广，比如e h p s 系统在保持h p s 系统 的柔顺手感的同时，又具有e p s 系统的节能、环保和安全等优点，与e p s 系统相 比，e h p s 系统成本更低，手感更好，这些优点都使得电控液压助力转向( e h p s ) 系统，得到越来越多的关注，成为许多专家的研究对象，体现了不可忽视的科研 价值和市场价值。 e h p s 的特点有： 电控液压助力转向系统是在原来液压动力转向系统的基础上发展起来的， 原来的系统都可以利用，不需要较大改动。 ( d 采用无刷直流电动机驱动电动液压泵可以节省能耗，最多可以节约8 5 的能耗。 ( 爹低速时转向效果增强，使驾驶员操纵更加省力，保证了汽车的转向轻便性； 高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增强路感，使汽车不发飘，保证了汽车 的操纵稳定性和行驶安全性。 ( d 占用空间小便于安装，维护方便。 ( d 具有较高的性能价格比。 1 2 3e h p s 系统的国内外发展现状和趋势 汽车的转向器是影响汽车主动安全性的重要部件。2 0 世纪7 0 年代在轿车和 轻型车上开始推广使用齿轮齿条式转向器。到2 0 0 0 年美国轿车开始全部采用动力 转向系统，日本7 8 大、中型汽车和5 9 微型和小型轿车也开始采用动力转向系 统【5 1 。丰田公司于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1 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 c o m 型电子控制的液压动力转向系统，在1 9 8 3 年日本k o y o 公司推出了具 备车速感应功能的电控液压助力转向系统( e h p s ) 。随着电子技术的发展和直流电 动机的应用，电控液压助力转向系统有了更深刻的变化。国外公司对电控液压助 力转向系统的控制概念有了很大的提升，提出了用电动机代替发动机驱动转向液 压泵，根据汽车行驶速度、转向盘角速度和转向盘转角的信号来控制电动机转速 以控制液压泵的油液流量和压力的方法，很多公司已经有产品推出，包括t r w 、 k o y o 、d e l p h i 、z f 等。 2 0 世纪9 0 年代在日本轿车上率先应用电子控制的动力转向系统，电控动力 转向系统包括电控液压助力转向系统和电控助力转向系统两种，属第三代转向系 统【6 1 。由于第三代转向系统不仅能减轻低速行驶时驾驶员的转向操纵力，提高汽 车在高速行驶时的操纵稳定性和行驶安全性，同时又大大提高了汽车的燃油经济 6 第一章绪论 性和环保性，与传统的液压动力转向系统相比，电控动力转向系统可节油3 - 4 t 7 1 。所以，日本、美国、欧洲等国的轿车生产多数都已经采用电控动力转向系 统。 国内对于电控液压助力转向( e h p s ) 系统的研究也有了很大进步，在近两年 的研究中，主要采用了在实车上进行控制程序的在线调试，并与国外同类产品进行 反复的性能对比，这样保证了产品在实车应用的可行性。依照国外同类产品电机 控制曲线，国内研发的e h p se c u 从性能上已基本达到国外同类产品的水平，但 是，可靠性要随着进一步装车才能得到验证。目前，在国产轿车中，上海大众的 p o l o 和长安福特的福克斯两款车型上都装配有该系统。大众公司的p o l o 轿车， 包括2 0 0 2 年之后的p o l o 劲情( 两厢) 和p o l o 劲取( - - 厢) ，均把e h p s 系统作为 标准配置，主要由以t r w 公司配套，只在2 0 0 2 年至2 0 0 3 年6 月的一少部分车 型上配有k o y o 公司的产品。据上海大众的资料显示，p o l o 轿车的e h p s 系统 比传统的h p s 系统节能约8 5 ，在同等条件下，节油达到0 2 l 1 0 0k m 8 1 。 1 3 本课题研究意义、内容及成果 1 3 1 课题研究意义 在汽车底盘中，转向系统是影响汽车的操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的 关键系统之一。在开发转向系统的过程中，存在着转向轻便性和转向灵敏性之间 的矛盾：汽车在转向的时候，由于地面的阻力矩的作用，在没有助力的情况下， 用手臂转动转向盘会感觉到比较沉重，所以，需要采取助力转向来解决转向轻便 性问题。而随着车速的提高，车轮与地面的阻力矩减小，在提供相同助力的情况 下，高速时会令人感觉到转向盘发飘，因此需要采用实时调节转向助力的大小来 解决转向灵敏性的问题。 通过研究发现，电控液压助力转向( e h p s ) 系统不仅能够解决转向轻便性的 问题，同时也能够满足汽车对转向灵敏性的要求。在能源危机日益严重的今天， 本课题所研究的利用无刷直流电动机控制电动液压泵的流量的电控液压助力转向 系统更是满足了人们对降低油耗的需求，同时它还能降低汽车的二氧化碳排量， 改善了汽车的环保问题。它融合了传统的液压助力转向系统( h p s ) 和新型的电动助 力转向系统( e p s ) 的技术优点，在保持h p s 系统的柔顺手感的同时，又具有e p s 系统的节能、环保和安全的优点。与传统的h p s 系统相比，e h p s 可以随着汽车 行驶速度和汽车行驶条件的变化而改变转向助力的大小：在高速行驶时，助力作 用减小或者消失，路感增强，保障了汽车操纵稳定性和主动安全性；而当汽车行 驶速度降低时，转向助力作用逐渐增大，驾驶者会感觉转向操控轻便灵活。与e p s 第一章绪论 7 系统相比，e h p s 系统成本更低，手感更好，避免了e p s 系统尚未解决的转向盘 的摆振、回正和阻尼控制等问题。因此，对电控液压助力转向( e h p s ) 系统的研 发，具有很重要的现实意义。 本文进行汽车电控液压助力转向系统的动力学分析与仿真，无论从理论方面 还是从应用方面来看，都具有很重要的意义。所以，能为电控液压助力转向系统 的产品研发提供理论依据和方法，为整车动力系统的综合控制奠定基础，对研究 e h p s 性能、进行优化设计，具有重要作用。 1 3 2 本文研究的主要内容 基于电控液压助力转向( e h p s ) 系统的国外发展状况，以及我国对e h p s 系 统的研究现状，本文的主要内容有： 研究电控液压助力转向系统的结构和工作原理； ( 参分析电控液压助力转向系统的助力特性，在此基础上，本文采用一种直线 型助力特性曲线，而非大多数研究采用的抛物线型助力特性曲线进行，实现e h p s 的基本助力控制，既能满足助力要求，又简单方便、易于理解； ( d 建立e h p s 系统的a m e s i m 仿真模型，重点研究直流无刷电动机、电动 液压泵、转阀部分的建模； 运用s i m u l i n k 建立电控液压转向系统的控制模型，主要分为三部分：p i d 控制器的建模、助力曲线控制的建模和附加力矩控制部分的建模； ( d 通过软件的连接，对电控液压助力转向系统进行联合仿真，得出动力学分 析结果，包括无刷直流电动机、助力液压缸及转向特性仿真试验的仿真结果。 1 3 3 课题研究成果 通过分析电控液压助力转向系统的结构、工作原理及关键部件的性能特 点，提出系统设计方法； ( d 确定了一种速度感应式直线型助力特性曲线，实现e h p s 系统的基本助力 控制； ( 参采用转速、电流双闭环p i d 控制方法调节直流电动机的转速，既保证了 系统的稳态特性，又保证了系统的动态特性； ( d 基于a m e s i m 和s i m u l i n k 软件，建立e h p s 的联合仿真模型，进行联合 仿真试验，仿真结果表明e h p s 系统可以保证汽车的转向轻便性和转向路感，为 e h p s 系统的开发提供了重要的理论依据，同时可见联合仿真在系统动力学分析 和仿真方面的优势和有效性。 8第二章e h p s 系统的助力特性分析 第二章e h p s 系统的助力特性分析 2 1 e h p s 系统对助力特性的基本要求 汽车在低速行驶或原地转向时，驾驶员所需的转向操纵力很大；而汽车在高 速行驶时，驾驶员所需的转向操纵力则比较小。因此需要电控液压助力转向系统 的助力大小具有实时性，即随着车辆行驶和转向状态而改变助力的大小。具体地 说，就是电控液压助力转向( e h p s ) 系统的助力随着汽车行驶速度、转向盘操纵 力和转向盘转角大小的变化而变化，此变化趋势称之为转向助力特性曲线，它是 决定转向轻便性、转向路感和操纵稳定性的首要条件。合理的转向助力特性曲线 不但可保证汽车低速行驶时的转向轻便性和转向灵活性，而且可保证汽车中高速 行驶时的转向路感、操纵稳定性和行驶安全性。在电子控制单元e c u 设计前必须 先确定转向助力特性曲线，以便在此基础上对系统性能进行综合设计，以满足汽 车在不同工况下对助力扭矩的要求。因此，如何确定助力特性衄线成为电控液压 助力转向系统研究的关键因素。 理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与转向路感之间的关系，并提供 给驾驶员与纯手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。在满足转向轻便性的条 件下，如果转向路感强度在整个助力特性区域内不变，则驾驶员就能容易地判定 汽车行驶状况的变化，预测出所需要的转向操纵力矩的大小。电控液压助力转向 系统的助力特性可以设计成很多种形状，并可方便地进行调节，具体选择依据设 计需要而定。 助力特性对助力转向系统的性能，包括转向轻便性、转向灵敏性、转向回正 性、转向路感等，有着非常重要的影响。在传统的液压助力转向系统中，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 能随车速变化而变化。而现在的电控液压助力转向( e h p s ) 系统与之不同，助力 特性曲线是电控液压助力转向的控制目标，可以设置成车速感应型曲线，并可方 便地进行调节。针对电控液压助力转向( e h p s ) 系统的特点，对助力特性曲线提 出以下几点要求： 当转向盘输入力矩小于某一特定值( 通常设为ln ，l 左右) 时，助力力 矩为零，电控液压助力转向系统不起作用； ( d 在低速行驶的过程中，为了保证转向轻便性和降低驾驶员的劳动强度，助 力效果要明显； 在转向盘的输入力矩较小的区域，助力部分的输出应较小，以使汽车保持 第二章e h p s 系统的助力特性分析 9 较好的转向路感； ( d 在转向盘的输入力矩较大的区域，为了保证汽车的转向轻便性，助力效果 要明显； ( d 在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助 力效果，以保证驾驶员的驾驶舒适性和转向轻便性； ( d 随着车速的增加，助力应减小，来保证转向路感； ( d 助力矩增加到一定值时应保持恒定，以使驾驶员可以明显感觉到路面反力 的增加，保证安全驾驶，且避免了电动机因电流过大而烧坏的现象； 根据国家标准，转向时作用在转向盘上的最大操纵力不应超过5 0 n ，对于 轿车，其转向盘的操纵力要求一般为1 0 2 0 n ； ( d 助力矩应小于转向阻力矩，否则将出现“打手 现象； 嗄d 各区段过渡平滑，以避免转向盘力出现跳跃感。 2 2e h p s 系统的助力特性的表现形式 对于电控液压助力转向( e h p s ) 系统来说，通常采用直流电动机转速与转向 盘输入力矩和汽车行驶速度这三者的变化关系曲线来表示系统的助力特性。这样 的助力特性曲线既考虑到驾驶员的操纵力矩，又考虑到了助力瞬间，汽车行驶速 度对助力效果的影响，这样就可以既保证转向轻便性，又保证汽车具有良好的转 向路感。助力特性曲线按照曲线形状不同可以分为线性和非线性两种，依据设计 要求不同，可以选定不同的助力特性曲线，下面我们先介绍一下线性助力特性曲 线和非线性助力特性曲线各自的特点。 2 2 1 线性助力特性曲线 线性助力特性曲线的特点是模型简单，助力增益在固定车速下是固定不变的， 所以使得控制实施变得更加简便、易行，但是在转向阻力上升很快时，只能按固 定比例增益提供转向助力【9 】，所以会造成手力比较大，典型的线性助力特性曲线 形式包括直线型和折线形，它们的特性基本相似，只是折线型助力特性曲线会出 现助力增益变化的情况。 直线型助力特性曲线。 直线型助力特性曲线是最简单的助力特性曲线，它的特点是在助力变化区域 内，助力与转向盘力矩成线性关系( 如图2 1 所示) ： 1 0第二章e h p s 系统的助力特性分析 r ( v r n ) 一 c 。 ( 旧 图2 1 直线型助力特性曲线 f i 9 2 it h el i n e a ra s s i s t a n tf o r c ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hi ss t r a i g h t 互世轴 o 乃 乃。 乃o 乃 乃蛾 ( 2 1 ) 乃乃懈 式中：z 一系统的目标助力转矩，n m ； k 一助力特性曲线的梯度； 乃一转向盘输入力矩，n m ； 乃。一系统开始助力时的转向盘输入力矩，m ； 乃一一系统达到最大助力时的转向盘输入力矩，n 7 ，l ； 正一一系统的最大助力。 当转向盘的输入力矩小于乃。时，电控液压助力转向( e h p s ) 系统不工作， 汽车靠转向盘的输入力矩进行转向；当转向盘的输入力矩达到乃。时，电控液压助 力转向系统开始工作，为转向提供助力力矩，帮助驾驶员进行转向操纵；当转向 盘的输入力矩大于乃咖时，系统提供最大助力力矩。 ( d 折线型助力特性曲线。 折线型助力特性曲线的模型也比较简单，与直线型助力特性曲线的特性基本 相同，助力大小与转向盘的输入力矩依然成线性关系；它与直线型助力特性曲线 的不同之处是在助力变化区域内，在不同的折线区域内的助力曲线的助力增益不 同，如图2 2 所示： 第二章e h p s 系统的助力特性分析 ( m ) 。 o 己 。 ( m ) 图2 2 折线型助力特性曲线 f i 9 2 2t h el i n e a ra s s i s t a n tf o r c ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hi sn o ts t r a i g h t 该助力特性曲线可用函数表示为： z = 0 墨( 乃一乃。) 墨( 乃，一乃。) + 如( 乃一乃。) 疋一 0 乃 乃。 乃。乃 乃1 ( 2 2 ) 乃l 瓦 8 0 k m h 时， 助力特性曲线斜率很小，e h p s 系统提供的转向助力也很小。 表2 1 各车速下的助力特性曲线斜率( 车速感应系数) t a b 2 1t h es l o p eo fv a r i o u sv e l o c i t y 车速v ( k m h ) 02 03 04 06 08 0 斜率k ( v ) 4 8 92 6 71 7 61 9 30 9 70 5 5 本文采用应用车速感应系数的方法来获得e h p s 系统的助力特性图，因此， 为了得到车速、转向盘的输入转矩和助力转矩三者之间的关系，首先要根据不同 车速下的助力增益( 即表2 1 所示) 数据，拟合出一条速度感应系数曲线，然后 才能得出车速、转向盘的输入转矩和助力转矩这三者之间的关系。 根据表2 1 的数据，采用公式2 4 进行曲线拟合： k ( v ) = p 0 + 日矿+ 之矿2 + 忍矿3 ( 2 4 ) 曲线拟合结果如图2 4 所示，k ( v ) 随车速的增大而减小。根据各选用参数和 曲线拟合的数据，得出本文所采用的直线型助力特性曲线的三维图，如图2 5 所 不： 第一章e h p s 系统的助力特性分析 j 、 l n 州 图2 4 车速硅应系数拟合曲线 f i 9 2 4 t h ec u r v co f t j t t i n gs l o p e # 日i # ，# “m ， 。 1 。 e e m w r ) 图2 5 直线型助力特性曲线的兰维图 h 9 25 t h e3 d p l o to f t h e l i n e a r a b s l s t a n t f o r o ec l ! r v g 由图2 5 可以明显地看出助力特性衄线符合电控液压助力转向系统对助力特 性的要求。当转向盘的输入力矩小于某一特定值( 通常设为1 n m 左右) 时，助 力力矩为零，电控液压助力转向系统不起作用。在转向盘输入力矩达到驾驶员体 力撮限的区域时，发挥较大的助力效果，以保证驾驶员的驾驶舒适性和转向轻便 性。此助力特性能够满足转向轻便性、转向灵敏性、转向路感的要求等，经过后 面的仿真结果将进一步验证。 g 目w 第二章e h p s 系统的助力特性分析 1 5 2 4 本章小结 提出e h p s 系统对助力特性曲线的要求； ( d 分析几种不同的助力特性表现形式； ( d 确定一种速度感应式直线型助力特性曲线，实现e h p s 系统的基本助力控 制； ( d 通过曲线拟合等方法，得出直线型助力特性曲线的三维图，反映了车速、 转向盘输入转矩和助力转矩三者之间的关系。 1 6第三章e h p s 系统的控制 第三章e h p s 系统的控制 3 1 e h p s 系统控制策略 由上面两章的叙述可知，电控液压助力转向( e h p s ) 系统的控制的关键是控 制直流电动机的转速。通过直流电动机的转速来控制液压泵的流量，再通过转子 阀控制流入助力液压缸的液压有的压力，从而控制了电控液压助力转向( e h p s ) 系统的助力的大小。当电控液压助力转向系统的电子控制单元e c u 接收到转向盘 的输入转矩信号和车速信号后，按照预先设计的助力特性曲线数据，发出指令控 制直流电动机的输出转速，使其与转向盘上的输入转矩和转向角速度相协调。 助力大小控制是电控液压助力转向系统的基本控制，助力特性曲线决定着控 制系统的控制目标，决定着e h p s 系统的性能。控制系统根据扭矩传感器、转向 角速度传感器、转向角度传感器和车速传感器等的输出信号及助力特性确定直流 电动机的目标电压，电动机调速系统调节电动机的输出转矩，从而输出目标转矩。 考虑到当汽车发生紧急情况需要快速转向的情况，此时正常工况下的助力特性曲 线很难满足要求，因此，本文提出了一种基于转向盘转向角速度的附加力矩控制 策略( 如图3 1 所示) ： 1 v 电流反馈 l 一一一一一一一一一一一一一一- ；- - - t-ii m l i 7 助力特性 鱼p 电子控制 由 无磁汽漉 i 。 曲线 七 单元随电动机 i l i。 ： l j 。，。 l l | i ；| 加力矩彳 转速反馈 1： 留 l l 7 i ” i 图3 1e h p s 的控制系统框图 f j i 9 3 1t h ep l o to f t h ec o n t r o ls y s t e mo f e h p s 3 1 1 附加力矩的分析 为了保证在汽车在紧急转向时，电控液压助力转向( e h p s ) 系统具有良好的 第三章e h p s 系统的控制 1 7 助力跟随特性，本文提出了一种基于车速和转向盘转向角速度的附加力矩计算模 块，以满足汽车紧急转向时所需的助力。 由于紧急转向状况可能发生在不同车速下，所以车速成为附加力矩的一个控 制因素；同时在一定车速下如何判断是不是紧急转向，需要一个判断量( 即一定 的转向盘输入角速度) 。根据上述内容，本文从两个方面来分析附加力矩： 1 附加力矩与车速的关系 根据电控液压助力转向系统的助力要求和车速与阻力的关系，可以知道：当 车速v 比较高时，需要的附加力矩会比较小，以保证汽车的转向路感；当车速v 比较低时，e h p s 系统提供的附加力矩应该比较高，以满足汽车的转向轻便性和 驾驶员的驾驶舒适性。它们的关系曲线可以设计成如图3 2 所示： r ( i v 朋) z 一n 乙 d kkr , r ( m ls ， 图3 2 车速v 附加力矩t 的关系 f i 9 3 2 t h er e l a t i o ng l l r v eo f va n dt z = 昌 ( 0 v = 0 t 鲥) = t d 0 & & t d ( j ) t d m a x k ( i ) ：p ( 1 ) + p ( 2 ) 牛v ( i ) + p ( 3 ) v ( i ) 2 + p ( 4 ) 枣v ( i ) 3 ； 第四章e h p s 系统的建模 3 9 瞰i j ) = k ( i ) 卡( t d 0 ) 一t d 0 ) ； e l s e t a ( i , j ) = t a m a x ； e n d e n d j ：j + 1 ； e n d i = i + l ： e n d f i g u r e ( 2 ) ； t d ：1 * t d m ：0 1 ：t d m ； s u r f ( t d ，v ，1 a ) ； t i t l e ( ) ； x a b e l ( 车速( k i n h ) 9 ； y l a b e l ( 啭向盘输入转矩( n m ) 5 z l a b e l ( 助力转矩( n m ) t ) 在m a t l a b s i m u l i n k 中建立其相应的仿真模型，如图4 1 5 所示： 图4 1 5 助力特性的s i m u l i n k 模型 f i 9 4 1 5t h es i m u l i n km o d e lo f a s s i s t a n tp o w e rc h a r a c t e r 把图4 1 5 简化成一个代表助力特性的子模型，如图4 1 6 所示： 第四章e h p s 系统的建模 t d 1 v 图4 1 6 助力特性的模块 f i 9 4 16t h ep a r tf o r a s s i s t a n tp o w