（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统硬件在环仿真.pdf

华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 i 摘摘 要要 汽车转向系统是改变车辆行驶方向的机构，其性能的好坏直接关系着车辆操纵稳定 性、行驶安全性和驾驶舒适性。随着人们对车辆的驾驶舒适性和社会对车辆节能环保性 能日益提高的要求，电动助力转向系统(eps)因其操纵性能好、效率高、能耗低、路感 好、易于安装维护和调整等特性获得越来越多的关注和使用，成为现阶段转向系统研发 的焦点。 电动助力转向系统的开发因为涉及到机械，电子和自动控制等领域，因此用传统开 发方法开发难度较大，开发周期相对也比较长。本文利用 matlab、controldesk、ccs 等工具和控制软件设计开发平台来开发电动助力转向控制系统，在实现电动助力转向功 能的同时，大大减少电控系统开发的工作量，节省工作时间。 首先， 在 matlab/simulink 环境下建立结合整车操纵动力学的电动助力转向系统动力 学模型，在此模型基础上搭建对助力电机目标电流进行闭环控制的电动助力转向系统控 制模型，并对此模型进行离线仿真，对控制算法进行验证。 然后，在离线模型的基础上，利用 matlab 和 dspace 公司开发的实时仿真平台建 立电动助力转向系统的实时仿真模型，并对电动助力转向控制系统模型进行硬件在环仿 真，验证控制系统的实时性能。 最后，利用 matlab 和 ti 公司开发的 dsp 程序实时开发环境 ccs 等工具，开发用 ti tms320f2812 dsp 做控制芯片的电动助力转向控制器， 设计出控制芯片的辅助电路， 建立电动助力转向控制模型，生成控制程序。 本文所提出的实时控制系统的开发方法可以降低开发电动助力转向控制器的成本， 节省开发时间，提高开发质量和开发效率。 关键字关键字： 电动助力转向系统、实时仿真、硬件在环仿真、控制器 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 ii abstract vehicle steering system is the mechanism used to change the direction of the vehicle. its performance has big influence on vehicles control stability, safety and comfort. with the increasing of demand on driving comfort and requirement of energy-saving, more and more attention is being paid on electric power steering system (eps) for its great manipulated ability, high efficiency, low energy consumption, good steering feel and convenience for installation, maintenance and adjustment . development of eps requires the knowledge of mechanics, electronics and auto control, so it is difficult and time-consuming to develop it by conventional development method. this thesis presents a new kind of development method, by utilizing the magnificent design capability of matlab and other software such as controldesk and ccs can considerably reduce the workload of development, save time. first of all, builds the dynamic model of eps integrates with vehicle dynamic model, and adds the closed-loop control model which is used to control the current of assist motor to the dynamic model, simulates this model to validate it. then, uses matlab and a real-time simulation platform developed by dspace corporation to build a real-time simulation model of eps, and does the hardware-in-loop simulation of eps to test the real-time performance of the control algorithm. finally, uses matlab and ccs-an integrated development environment developed by ti corporation-to develop the eps real-time controller based on ti f2812 ezdsp development board. this process includes designing auxiliary circuit for the controller chip and building the real-time control model of eps to generate the control program automatically. the development method presents by this thesis can reduce the cost, save development time and improve development quality and efficiency of eps development. key words: key words: electric power steering system (eps), real-time simulation, hardware-in-loop simulation (hils), controller 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 年 月 日 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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 1 1 绪论绪论 本课题来源于湖北省重点科技攻关项目“汽车电动助力转向系统数字化仿真分析平 台”。 课题的目的是通过对电动助力转向系统进行详细建模、离线仿真和硬件在环仿真， 对电动助力转向系统控制方法进行分析研究，并对电动助力转向系统控制器进行开发设 计，给自主研发汽车电动助力转向系统打下良好的基础。 1.1 汽车转向系统概述汽车转向系统概述 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的机构，其作用是使汽车在行驶过程 中能够按照驾驶员的操作要求而适当的改变行驶方向，并在受到路面传来的冲击及汽车 意外偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性，其性能 的好坏直接关系到车辆的安全性和舒适性。优良的转向系统应该在基本的转向功能上具 有灵敏轻便、安全稳定、路感好的特点 1。 自 19 世纪末第一辆汽车诞生以来，汽车的转向系统已由最初仅仅为比较容易实现 转向，发展到今天对低速转向轻便、高速路感良好等多种性能的要求，一百多年来，汽 车工程师们不断致力于汽车转向技术的研究，当前的汽车转向技术已经取得了突飞猛进 的发展。迄今为止，转向技术的发展可以分为机械转向、液压（气压）动力转向、电子 控制液压动力转向、电动助力转向和线控转向几个阶段 2。 1.1.11.1.1 机械转向系统机械转向系统 机械转向系统是以人的体力作为转向动力，其中所有组成部件都是机械结构，汽车 的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现 的。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机械三大部分组成。 早期的转向机构非常简单，由一级齿轮传动机构和转向拉杆构成，通过将驾驶员的 手动旋转操作转变为转向拉杆的左右移动带动车轮偏转。随后，出现结构更复杂的机械 转向机构，常见的形式有循环球式，蜗杆滚轮式，齿轮齿条式等。其中，循环球式转向 器由于是滚动摩擦，所以正传动效率高，操作方便寿命长，并且承载能力大，被广泛应 用于载货汽车；齿轮齿条式转向器机构相对简单，转向轻便，但承载能力较弱，故主要 应用于小汽车和轻型货车。图 1.1 是机械式转向系统结构图。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 2 1.方向盘 2.转向柱 3.转向节 4.转向轮 5. 转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.转向器 图 1.1 机械式转向系统结构 驾驶员对转向盘 1 施加的转向力矩通过转向柱 2 输入转向器 8，从转向盘到转向柱 这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有 12 级减速传动 副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆 6，再传给固定于转向节 3 上的转向节臂 5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这 里，转向横拉杆和转向节臂是转向传动机构。 机械转向器中，转向操作完全由驾驶员的手力矩提供，为了使车辆的驾驶更舒适， 减轻驾驶员的驾驶强度，各种助力转向系统被陆续开发出来。 1.1.21.1.2 液压助力转向系统液压助力转向系统 助力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机(或电机)的动力作为转向能源的转向系统， 它是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置而形成的。其中，液压助力转向系 统借助汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机等，以液力、气力增大驾驶员操纵前轮 转向的力量，使转向轻便灵活，衰减道路冲击，减轻驾驶强度，提高行驶安全性 3。 图 1.2 为液压助力转向系统的结构图，转向油泵 5 是助力转向系统的动力源，它由 发动机通过皮带驱动，所以泵的流量与发动机的转速成正比，当发动机转速提高时，多 余的油液必须经过转向油泵 5 中的流量控制阀流回储油罐 6。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 3 1.方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节臂 8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向减振器 图 1.2 液压式助力转向系统结构 图 1.3 所示为直线行驶时液压助力转向系统的工作示意图。 1.转向控制阀阀芯 2.阀套 3.转向油泵 4.动力缸活塞 5.转向油罐 6.油管 图 1.3 直线行驶时液压助力转向系统的工作示意图 其中，转向控制阀和转向动力缸都安装在整体式转向器的内部，控制阀阀芯 1 由转 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 4 向柱带动，转向油泵 3 输出的高压油通过阀芯 1 与阀套 2 之间的间隙流入到动力缸中， 车辆直线行驶，动力缸活塞两端的油压相等，活塞位置不动，所以没有转向力输出到转 向拉杆。此时，来自油泵的液压油经过油管 6 流会转向油罐 5 中。 车辆向左转时，阀芯被转向柱带动逆时针转动一定角度，由于阀芯与阀套之间间隙 的变化，流入到动力缸右缸的流量大于左缸，液压油推动活塞向左移动，从而提供转向 轮左转的助力，如图 1.4 左图所示。车辆向右转时，助力原理与左转相似，如图 1.4 右 图所示。 图 1.4 液压助力转向系统示意图 由液压助力转向系统的结构和特性决定它存在着一些难以由自身的改动而克服的 缺点 4： (1) 助力特性不能调节控制，在轻便性和路感的协调上比较困难。 即保证低速行驶 转向轻便时，高速行驶时转向力就会太轻，路感差，驾驶员会感觉汽车发飘， 汽车操纵稳定性不好。而当保证高速转向稳定、路感好时，低速转向又往往不 够轻便。 (2) 不转向时，油泵也一直转，增加能耗。 (3) 存在漏油和维护的问题，提高维护成本，造成环境污染。 (4) 低温工作性能差。 1.1.31.1.3 电控液压式助力转向系统电控液压式助力转向系统 电控液压式助力转向系统为了克服传统液压动力转向系统助力特性和能耗等方面 的不足，采用直流电动机代替发动机驱动油泵，同时在系统使用多种传感器，检测车辆 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 5 行驶状态和转向盘转动情况。 电控液压式助力转向系统工作原理是：汽车直线行驶时，方向盘不转动，电动泵以 很低的速度运转，油经过转向阀流回储油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，控制器根据 检测到的方向盘转角、车速以及电动机转速的反馈信号等，判断汽车的转向状态，决定 提供助力大小，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动油泵，输出 相应流量和压力的高压油，高压油经转向控制阀进入转向器中的动力缸，推动活塞以产 生适当的助力，如图 1.5 所示 5。 图 1.5 电控液压式助力转向系统 采用电动机驱动油泵后，油泵不必布置在发动机附近，同时由于可以取消皮带、皮 带轮和其他与发动机相连的部件，更易于整车厂的装配；此外在没有转向操作时，电动 机可以以较低转速运转甚至停止运转，从而降低能量消耗 6。 虽然电控液压助力转向系统相对于传统的液压动力转向系统在结构布置、能耗等方 面有所改进，但转向盘中间位置路感不好、系统响应性差和传动效率低等液压助力转向 系统的固有缺陷并没有得到改善，而且不能克服液压系统漏油的问题，同时由于电控系 统的增加，使得系统更复杂，成本增加，维护更不方便。 1.1.41.1.4 电动助力转向系统电动助力转向系统 电动助力转向系统(electric power steering system, eps)直接利用电机产生的动力向 转向机构提供转向助力，根据助力电机作用位置的不同，将电动助力转向系统分为三种 结构形式：转向器小齿轮助力式（peps）、转向轴助力式（ceps）、转向器齿条 助力式（reps） 7，依次如图 1.6 所示： 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 6 图 1.6 电动助力转向系统结构形式 电动助力转向系统通常由机械式转向装置、驱动电机、电磁离合器、减速器、方向 盘传感器（转矩、转速、转角） 、车速传感器以及控制器（控制单元和驱动单元）等组 成。如图 1.7 所示为 ceps 的结构示意图： 1.万向连接轴 2.减速机构 3.转角传感器 4.扭矩传感器 5.转向盘 6.转向柱 7.电控单元 8.助力电机 9.电机控制信号 10.离合器控制信号 11.离合器 12.转向器小齿轮 13.转向器齿条 14.转向拉杆 15.车轮 图 1.7 电动助力转向系统结构示意图 当车辆转向时，各种传感器将信号输入电控单元，由电控单元根据这些信号和设定 的控制策略向电机发出指令，由电机输出相应大小的助力转矩到转向机构。 与液压助力转向系统相比，电动助力转向系统有很多优点 89： (1) 效率高。液压助力转向系统为机械和液压连接，效率低，一般 60%-70%；而 电动助力转向系统为机械与电机连接，效率可高达 90%以上。 (2) 能耗低。仅需要在转向时启动电机助力，能降低汽车的油耗。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 7 (3) 低温性能好。液压动力转向系统在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘 性较大，使发动机负荷增大。电动助力转向系统在低温下不会增加转向作用力 和发动机负荷，因而其低温运行状况好于前者。 (4) 路感好。由于 eps 系统内部为刚性连接，系统的滞后性也可以通过软件加以 控制，所以提高了转向系统的灵敏性。 (5) 无漏油问题，对环境几乎无污染。 (6) 易于装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，整个助力部分可以与转 向柱或转向器做成一体，便于装配。 (7) 易于维护与保养。据统计，液压油泵和软管的事故率占液压助力转向系统故障 的 53%。而 eps 不存在漏油，且有自我诊断的功能，易于维修。 (8) 易于调整。当车型发生变化对助力特性有不同的要求时，eps 助力特性的调 整基本上可以通过软件实现，可以快速完成调整工作，而传统液压助力转向系 统调整需要改变系统的结构才能实现，相对困难。 1.1.51.1.5 线控转向线控转向系统系统 汽车线控转向系统(steering by wire)是一种全新概念的转向系统， 它通过电子电气设 备代替方向盘和转向轮之间的机械连接，用控制程序来协调转向盘和转向轮的运动和受 力关系，如图 1.8 所示 10。 图 1.8 线控转向系统 从转向功能实现方面，线控转向系统可以分为方向盘子模块和转向轮子模块和主控 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 8 制器三部分。 方向盘模块包括方向盘、方向盘转角和力矩传感器、方向盘电机。方向盘模块的主 要功能是将驾驶员的转向意图通过转角和力矩传感器输入到主控制器；同时接受主控制 器送来的控制信号驱动电机转动，为驾驶员提供转向轮和路面信息的反馈，使驾驶员获 得良好的路感。 转向轮模块包括转向轮转角和回正阻力传感器、转向驱动电机和转向传动机构。转 向轮模块的功能包括：驱动电机获得主控制送出的控制信号，通过转向传动机构驱动转 向轮转动所需角度；同时传感器获取转向轮和路面信息并输入主控制器作为方向盘电机 的控制输入信号 11。 线控转向系统具有许多优点 12 13： (1) 线控转向不需要刚性机械连接，方便了车辆结构布置，增加了驾驶员腿部活动 空间。 (2) 在刚性转向系统中，路面不平和转向轮不平衡会传到转向盘，而线控转向系统 不存在这个问题，提高了驾驶的舒适性。 (3) 转向传动比和转向回正力矩能够依据驾驶员的要求通过软件进行调整。因此在 不改变设计的情况下，可以个性化地适应特定驾驶员的需求。 (4) 消除了撞车事故中转向柱伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构。 (5) 线控转向系统通过对前轮转向的控制，实现 dyc(直接横摆力矩控制)功能，能 有效地提高车辆的操纵稳定性。 线控转向的众多优点使之成为转向系统未来的重点发展方向，电控转向系统要实现 量产，待解决的问题有 12 14： (1) 转向手感问题，没有机械连接后，驾驶员的转向手感完全由方向盘电机提供， 怎样提供合适的“路感”是线控转向需要考虑的问题。 (2) 可靠性问题，因为没有机械连接，如何保证车辆在电控系统失效后的安全问题 还没有得到完美的解决，虽然采用最笨拙的方法用两套相互监控的线控转向 系统能够很好地解决该问题，但是也会增加成本。 (3) 法规限制，目前欧洲和中国的汽车法规要求驾驶员与转向车轮之间必须有机械 连接。但是如果有足够证据证明线控转向系统的安全可靠性，法规限制问题应 该会迎刃而解。 1.2 电动助力转向系统结构电动助力转向系统结构 eps 的主要部件有方向盘转角传感器、扭矩传感器、车速传感器、电动机、电子控 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 9 制单元、减速机构和电磁离合器 15 22： 1. 方向盘转角传感器 方向盘转角传感器用来测量方向盘的转动角度，提供给 eps 的 ecu 作为控 制输入，由工作原理不同可以分为绝对值转角传感器和相对值转角传感器。 绝对值转角传感器是基于电阻分压原理来工作， 输出方向盘的绝对转动角度， 能够直接为 eps 的 ecu 所用。但是这种传感器对于安装空间有一定要求，造价 比较昂贵，约为相对值转角传感器的 45 倍，信号处理电路也比较复杂。 相对值转角传感器包括光电感应式传感器、 电磁感应式传感器以及纯粹由电 路元件组成的传感器， 相对值传感器的测量值是两个时刻之间方向盘转动的相对 角度， 通过一定算法判断出方向盘的中间位置， 再由相对转角传感器求出相对与 中间位置转动的角度就可以求出方向盘的绝对转动角度。 相对值传感器与绝对值传感器相比， 相同的成本下可以实现更高的测量精度， 但是信号处理算法更复杂，输出信号必须经过处理才能为 ecu 所用。 2. 扭矩传感器 扭矩传感器用来测量驾驶员作用在转向盘上的力矩的大小和方向， 可以分为 接触式和非接触式两种结构， 常用的接触式扭矩传感器有摆臂式、 双行星齿轮式 和扭杆式；非接触式扭矩传感器主要有光电式和磁电式。 非接触式扭矩传感器相对于接触式扭矩传感器的优点是体积小、 精度高、 不 容易磨损、寿命相对较长；但是其成本相对较高。 3. 车速传感器 车速传感器检测汽车的车速，汽车主 ecu 用车速信号来控制发动机怠速， 自动变速器的变扭器锁止， 自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速 等，同样也用于电动助力转向系统。 车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，在汽车上，磁电式、霍尔式 及光电式传感器是应用较多的车速传感器。 4. 电动机 直流电机成本较低，具有良好的启动性能和调速性能，并且汽车电源（蓄电 池、发电机）为直流供电，所以直流电动机在汽车系统中也便于实现驱动，因此 现阶段汽车电动助力转向系统中大多采用直流电动机。 有刷直流电机只有两条电力引线，可以直接连接直流电源，其转子是线圈、 定子是磁体，靠“机械换向器”改变线圈转子的磁场状态，从而在定子磁钢驱动下 产生转动。有刷电机的机械换向器与转子的接触和摩擦会产生磨损和电火花。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 10 无刷直流电机有三条电力引线，它的转子是磁体、定子是线圈。无刷电机靠 “电子换向器”改变磁场状态，从而驱动磁体转子运转；电子换向器直接作用于无 刷电机的线圈，不与磁体转子接触，因此没有磨损。 有刷直流电机的特点是结构简单、成本低，满足电动转向的性能要求，且控 制技术成熟，控制方便，但是寿命和噪音均是有刷电机的问题。而直流无刷电机 的优势是效率高、无（低）磨损、长寿命，但是无刷电机需要专用的三相无刷电 机调速器才能够驱动，必须配备相应电路、结构复杂，导致成本增加。 5. 离合器 汽车用离合器有摩擦式离合器、液力偶合器、电磁离合器等几种。 摩擦式离合器又分为湿式和干式两种， 它用离合器主动部分和从动部分的接 触面间的摩擦作用来传递转矩。 液力偶合器靠工作液（油液）传递转矩，外壳与泵轮连为一体，是主动件； 涡轮与泵轮相对，是从动件。当泵轮转速较低时，涡轮不能被带动，主动件与从 动件之间处于分离状态；随着泵轮转速的提高，涡轮被带动，主动件与从动件之 间处于接合状态。 电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。 如在主动与从动件 之间放置磁粉， 则可以加强两者之间的接合力， 这样的离合器称为磁粉式电磁离 合器。 采用电磁离合器对汽车电动转向器的工作更有利， 电动助力转向器工作时吸 合，在出现了故障时电磁离合器自动脱开，一方面对直流电机起保护作用，一方 面不影响机械转向器正常工作。 6. 减速传动机构 减速机构分为蜗轮蜗杆式助力机构和差动轮系式的助力机构两种形式。 差动轮系机构具有转向路感平滑稳定、 转向灵敏性可调， 更适合前轴负载小 且对高速操纵性能要求较高的轿车上。 蜗轮蜗杆机构具有助力大小可调整，适合前轴负载大、转向沉重、以降低转 向力为主要目的的场合，一般用于高速操纵性能要求不高的载货汽车上。 7. 电子控制单元 电子控制单元是整个 eps 系统的核心部分，它包括硬件部分及软件部分。 ecu 单元根据采集到的扭矩传感器、车速传感器、电机电流传感器等信号，进 行分析计算得出最佳控制参数，发出控制指令, 控制电动机与电磁离合器的动作。 此外， ecu 还有安全保护和自我诊断功能， ecu 通过采集电动机的电流、 电压、 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 11 发动机工况等信号判断系统的工作状况是否正常， 一旦系统异常， 助力方式可能 被取消，同时 ecu 需要进行故障诊断分析。 1.3 电动助力转向的发展现状和研究趋势电动助力转向的发展现状和研究趋势 自二十世纪八十年代以来， 国外各大汽车厂商投入大量的财力物力进行 eps 应用研 究，如日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司；美国的德尔福（delphi） 汽车系统公司、天合（trw）公司;德国的采埃孚（zf）公司等。另外梅塞德思-奔驰 （mercedes benz）和西门子（siemens automotive）两大公司共同投资 6500 万英镑用于 开发 eps 23。 日本铃木（suzuki）公司在 1988 年 2 月，首次把 eps 系统用于其 cervo 微型车 上，并于 1990 年在小轿车上率先实现该系统的商品化。日本本田（honda）公司的 eps 系统从1990年到1997年已经发展到了第六代， 技术十分成熟。 昭和电工 （showa denko） 有限公司，日本精工（nsk）公司，光洋精工（koyo seiko）公司以及电装（denso） 公司也相继研制出自己的 eps 产品并安装到轿车上销售。 欧美公司在这方面的研究虽晚于日本十年，但也不甘落后。美国的 trw 和 delphi 等公司也相继于 1997 年开始陆续推出各自实用的 eps 系统， 其中 delphi公司的 eps 系 统自 2000 年起作为标准装备开始安装在菲亚特（fiat）公司 punto 微型车上，该车型至 今已销售超过一百万辆。美国伟世通（visteon）公司以及德国采埃孚（zf）公司也研制 出各自的 eps 产品。宝马汽车公司的概念车 bmw z22, 应用了 sbws(steering-by-wire system)和 bbw (brake- by-wire) 技术，转向盘的转动范围减少到了 160，使紧急转 向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度地降低 24。 我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，eps 的研究开发目 前还处于起步阶段，产品在 2002 年才有国内企业进行研制开发。总的来说，eps 目前 正处于技术开发和产业转化的初期， eps 产品基本上都能实现转向助力功能，但也存 在一定问题, 如转向盘抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方面，整车企业在 电控技术及 eps 的行业标准方面存在滞后性，eps 研发单位与整车企业的全面合作尚 不够深入，因此其样机得不到全面地考核，涉及整车操稳定性能方面的研究较少。 目前国内高校以及企业等也都进行了 eps 等相关研究，并取得了一定的成果。其中 清华大学、同济大学、华中科技大学、合肥工业大学等高校开展了结构方案设计、系统 建模和动力学分析、硬件开发等相关工作。 国内外 eps 系统建模方面的研究已经比较详尽，在系统静态特性方面，北京理工大 学施国标等对汽车电动助力转向系统（eps）进行了动力学的建模及仿真分析 25，对其 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 12 控制算法进行了探讨；浙江大学吴锋、扬志家等也在 eps 系统建模的基础上进行了控制 策略的研究 26； delphi 公司的 aly badwy等人分析了一种 eps 系统降阶模型在可行性及 简便性上的综合性能 27；韩国高丽大学 ji-hoon kim, jaebok song等人也提出减小转 向力矩和改善方向盘回正性能的控制策略 28。 在系统动态控制方面，合肥工业大学机械与汽车工程学院陈无畏等也对汽车动力转 向系统与主动悬架集成系统进行了控制研究 29；同济大学孟涛，余卓平等也进行了提高 电动助力系统动态控制性能的研究 30；重庆大学冯引安等也将模糊 pd 控制引入到 eps 系统，通过分析证明该控制方式能得到良好的动态效果 31；福特汽车公司的先进转向控 制和电器设计小组也对 h控制下的 eps 进行了评估 32。 硬件开发方面，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开发出核心部件为 motorola hc08 微控制器的 ecu 33；华南理工大学李伟光等以数字信号处理器（dsp） 为核心设计了 eps 系统，实验表明该系统能实现电动助力转向的基本功能 34。 eps 系统出现十几年来，在降低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消 耗、内部摩擦以及与整车进行匹配获得合理的助力特性，保证良好的路感等方面取得了 重大进步。eps 系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面充分显示了其优越性，应用前 景广阔。未来 eps 的发展趋势是： 1. 改善控制性能，使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术， 消除由于电动机较大惯性、摩擦力所带来转向时路感不足等缺点，使 eps 系统 也能批量使用在重型货车上。 2. 实现 eps 系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系，以实现控制系统的 一体化。 3. 提高系统的可靠性，从提高系统各元部件的可靠性入手，如采用非接触式转矩 传感器等。 4. 进一步简化系统，减小控制单元和驱动单元的体积，控制生产成本。 1.4 主要研究内容主要研究内容 本文研究的主要内容有： 1. 建立结合二自由度整车模型的电动助力转向系统数学模型，根据助力转向系统 功能要求设计 eps 控制算法，并对基于 pid 控制的 eps 模型进行离线仿真。 2. 搭建 eps 实验台架，建立基于 dspace 实时仿真器的 eps 硬件在环仿真模型， 并进行 eps 控制算法的实时仿真分析， 对控制算法的实时性能进行验证和优化。 3. 设计 eps 控制器的硬件电路， 建立基于 ti dsp 的 eps 控制系统模型并生成 eps 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 13 控制程序。 4. 总结，给出结论和建议。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 14 2 电动助力转向控制系统模型电动助力转向控制系统模型数学数学仿真仿真 在控制工程中，几乎所有的控制器在其设计和研制过程中都需要用不同阶段的仿真 过程予以验证。通常首先要在计算机上建立一个被控对象的数学模型并对其进行仿真， 然后再把控制系统有关部件模型加到仿真中并进行控制算法的优化设计、仿真和分析， 上述过程是控制系统方案设计阶段需要做的工作，称之为功能设计与数学仿真。 2.12.1 电动助力转向系统功能要求电动助力转向系统功能要求 汽车的转向系统与汽车操纵稳定性直接相关，汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感 到过分紧张、 疲劳的条件下， 汽车能遵循驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向行驶， 且当遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅 影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能 35。 车辆转向过程中，由轮胎弹性变形以及前轮定位参数作用，会产生绕主销的回正力 矩阻碍车轮转动。回正力矩中包含了汽车的运动状态信息，驾驶员通过转动方向盘来感 受汽车运动状态，即所谓的路感。良好的路感能保证转向时驾驶员对车辆的控制，提高 车辆的操纵稳定性。 对于固定放大倍率的助力转向，路感与转向轻便性是相矛盾的，因为转向轻便性要 求提供较大的助力，来减轻驾驶员的工作强度，这样就减少了驾驶员获得的路面信息和 汽车运动状态，路感变差。 如果所设计的固定助力倍率是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动方向盘 的力，则当汽车以高速行驶时，路感就差；反之，如果所设计的固定助力倍率的动力转 向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，保证良好的路感，则当汽车在低速时， 转动方向盘就会显得吃力 1。 电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程 度。电动助力转向系统在低速时可使转向轻便、灵活；当汽车在中、高速转向时，又能 保证提供最优的动力放大和稳定的转向手感，从而提高车辆高速行驶的操纵稳定性，这 就是对电动助力转向系统功能的要求。 在实现助力转向过程中， 当转向盘转矩已知时， 助力电机提供多大的转矩才最合适， 这是实现该控制系统的核心，亦即准确求出助力特性,该特性反映了不同行驶状态下， 转向盘转矩和助力电机提供的助力力矩之间的关系。 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 15 2.22.2 电动助力转向系统电动助力转向系统动动力学力学模型模型 2.2.12.2.1 转向转向系统系统动动力学力学模型模型 对包括方向盘、 转向器、 助力电机和转向轮的转向柱型电动助力转向系统进行简化， 得到其动力学模型示意图如图 2.1 所示。 图 2.1 电动助力转向系统动力学模型 为分析问题方便，把转向器到转向轮的机构向转向器小齿轮简化，简化后系统的 动力学方程为 36： 转向柱 jh h = thtsbh h (2-1) 扭矩传感器 ts= ks(h p ) (2-2) 转向小齿轮 jp p = ts tr bp p+ gta (2-3) 电动机 ta= tmjm m bm m = tmjmgp bmgp (2-4) 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 16 式中： jh 转向柱的转动惯量 h 转向柱的转角 th 转向盘转矩 ks 扭矩传感器刚度 p 小齿轮转角 bh 转向柱阻尼系数 jp 车轮到小齿轮的等效转动惯量 g 电机到转向轴的传动比 bp 车轮到小齿轮的等效阻尼系数 ta 助力力矩 tr 车轮作用在齿轮的等效转向阻力矩 tm 电动机的输出力矩 jm 电机轴的转动惯量 bm 电机轴的阻尼系数 m 电机轴的转角 m= gp ts 扭矩传感器测得的扭矩值 2.2.22.2.2 电动机模型电动机模型 eps 系统中采用的直流电动机的等效电路如图 2.2 所示。 图 2.2 电枢控制直流电动机 其中 37： 电动机转矩 tm= ktia (2-5) 由电路的克希霍夫定律有： 电枢电压方程 laia = eieb raia (2-6) 电动机反电动势 eb= kbm = kbgp (2-7) 式中： la 电枢绕组的电感 ra 电枢绕组的电阻 ia 电枢电流 ei 端电压 eb 反电动势 tm 电动机输出的转矩 kt 电动机转矩常数 kb 电动机反电动势常数 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 17 2.2.32.2.3 车辆车辆二自由度二自由度模型模型 汽车的运动是通过固定在运动着的汽车上的动坐标系车辆坐标系来描述的。图 2.3 所示固结于汽车上的 oxyz 直角动坐标系就是车辆坐标系。xoz 处于汽车左右的对称 平面内。当车辆在水平路面处于静止状态下，x 轴平行于地面指向前方，z 轴通过质心 指向上方，y轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点 o 与质心重合。与操纵稳定性有关的 运动参量为，车厢角速度在 z轴上的分量横摆角速度r、汽车质心速度在 y轴上的分 量侧向速度 v，汽车质心加速度在 y轴上的分量侧向加速度ay 35。 图 2.3 车辆坐标系 为了便于掌握操纵稳定性的基本特征，我们将对简化为线性二自由度的汽车模型进 行研究。分析中直接以前轮转角为输入；忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的 平面运动，即汽车沿 z轴的位移，绕 y轴的俯仰角与绕 x轴的侧倾角均为零；假设汽车 沿 x轴方向前进速度 u不变，因此，汽车只有沿 y轴的侧向运动和绕 z轴的横摆运动两 个自由度；此外，汽车的侧向加速度限定在 0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。 在建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的 影响，没有空气动力的作用，忽略左、右轮胎由于载荷变化而引起轮胎特性的变化。这 样，实际汽车便简化为一个两轮摩托车模型，如图 2.4。它是一个由前后两个有侧向弹 性的轮胎支撑于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度模型 35。 图 2.4 二自由度汽车模型 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 18 在上述条件下，以前轮转角 为输入，以横摆角速度r和质心侧偏角 为输出，当 汽车侧偏角较小时（小于 5 度）可以认为sin =，cos = 1，所以vx= vcos = v，vx= vsin = v。整理后的二自由度汽车运动微分方程式为 38： k 1+ k2 + 1 v ak 1bk2 r k1 = mv +r ak 1 bk2 + 1 v a 2k 1+b 2k 2 rak1 = izr (2-8) 式中： k1 前轮侧偏刚度 k2 后轮侧偏刚度 v 车速 vx 车速在 x 轴的分量 vy 车速在 y 轴的分量 m 车重 a,b 质心到前轴、后轴的距离 iz 汽车绕 z 轴的转动惯量 2.2.42.2.4 转向阻力矩转向阻力矩 汽车正常行驶时,侧向加速度不超过 0.4g。侧偏角不超过 4 5 ，轮胎侧偏特性可以 认为是线性的。因此，轮胎的回正力矩与侧偏角的关系为 39： tz= fye = cffe (2-9) 式中: tz 回正力矩 fy 侧偏力 e 轮胎拖矩 cf 转向轮侧偏刚度 f 侧偏角 二自由度汽车转向模型中,前轮侧偏角f与运动参数的关系为： f= ar v (2-10) 其中： =p/g1。 所以轮胎作用于小齿轮的等效阻力矩： tr= tz/g1= cfe ar v /g1 (2-11) 式中: tr 轮胎作用于转向小齿轮的扭矩 g1 转向齿轮到车轮的传动比 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 19 2.2.52.2.5 epseps 系统系统动力学动力学模型方框图模型方框图 根据以上 eps 系统数学方程描述，在 matlab/simulink 环境下建立 eps 系统模型如 图 2.5 所示。 图 2.5 eps 系统动力学模型方框图 其中， 转向柱(steering column)模块包括方向盘(steering wheel)、 扭矩传感器(torque sensor)、转向小齿轮(steering pinion)模块，如图 2.6 所示。 图 2.6 转向柱模块 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 20 车辆二自由度模型(vehicle)、转向轮转向阻力模块(tire)、助力电机动力学模型(assist motor)分别如下： 图 2.7 车辆二自由度模型 图 2.8 轮胎转向阻力模块 图 2.9 助力电机动力学模型 2.32.3 电动助力转向系统控制模型电动助力转向系统控制模型 eps 的助力控制过程如图 2.10 所示，控制器根据转向盘转矩传感器的输出信号tsen 和车速传感器的输出信号 ，由助力特性确定电动机的目标电流icmd，然后，根据电机 电流传感器测量的实际电流强度进行反馈控制，得到电机的驱动电压 u驱动电动机输出 目标转矩ta。 图 2.10 电动助力转向助力控制过程 华中 科技 大学 硕 士学 位论 文华中 科技 大学 硕 士学 位论 文 21 由控制过程可知，eps 控制要解决的问题有：一、确定电动机的目标电流；二、跟 踪目标电流，即电流的闭环控制。 2.3.12.3.1 确定目标电流确定目标电流 电动机的目标电流是由不同控制模式下的助力特性确定的。助力特性是指电机助力 扭矩随汽车运动状况（转向盘输入力矩、车速）变化而变化的规律。 转向过程中，汽车车速和方向盘转矩变化范围很大，不同的转向状态，eps 需要不 同的控制模式和控制方法。通常 eps 系统控制需要包括基本助力控制模式、回正控制模 式和阻尼控制模式。 2.3.1.1 基本基本助力控制模式助力控制模式 基本助力控制是在转向过程（方向盘转角增大）时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统上的一种基本控制模式。 基本助力控制模式利用