（车辆工程专业论文）电动助力转向控制策略分析与研究.pdf

武汉理上大学硕士学位论文 中文摘要 汽车电动助力转向系统( e p s - e l e c t r i cp o w e r e ds t e e r i n g ) 是近年来发展起 来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控 制电机的运转，从而实现电动助力转向的功能，e p s 除了具备液压动力转向器的 转向轻便等优点之外，它还具有转向平稳、节能、环保等一系列特点，因此，e p s 取代液压动力转向系统势在必然。当前国内在e p s 的研究和产业化方面还比较落 后，没有形成具有自主知识产权的e p s 产品。因此，开展对e p s 的研发工作具有重 要的理论和实际意义。 电动助力转向能根据车辆的运动状况和驾驶员的要求实行多目标控制，以获 得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正特性、较强的抗干扰能力和较快的响 应转向输入。 论文通过分析车辆和驾驶员对转向控制的要求和特点，确定了助力特性的基 本要求。在电动转向控制中采用了助力控制、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，分析和比较了三种助力特性曲线( 直线助力、 折线助力和曲线助力) ，确定了本系统的电动助力转向的基本助力控制算法，提 出了模糊控制在电动助力转向控制策略中的应用，同时建立了电动转向器的动力 学模型，并对该模型进行分析。 用m a t l a b 语言进行助力响应和回正性能的动态仿真，仿真结果表明，带有助 力控制器的e p s 系统实现了转向轻便性、转向平稳性和回正稳定性。利用e p s 控制 系统试验进行了相关的数据测试，并对试验数据测试过程和对试验数据进行了系 统分析。 根据e p s 控制系统的试验数据结果分析，结合系统的设计要求，提出了e p s 控制系统软件设计的总体方案和计算流程。介绍了软、硬件调试环境并分析了其 中的一个试验结果，试验结果证明上述方案的可行性，系统具有良好的性能，为 后续的研究工作提供了试验基础和借鉴。 关键词：电动助力转向，模糊控制，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 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 gs y s t e m ( e p s ) i san e wd e v e l o p i n gd i r e c t i o no 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 si st h ea s s i s t a n tm o t o rw 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 s s ot h a tp o w e rs t e e r i n gc a t lb e r e a l i z e d b e s i d e se p sh a st h el i g h ts 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 m n g ( h p s ) s y s t e m ， i th a sm a n yo t h e rc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss t e e r i n gp l a c i d l y ，l o w e 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 ga n ds oo n t h e r e f o r ei ti sac e r t a i n t e n d e n c yt h a te p sb e i n gi n s t e a do f h p s b u t ，a tp r e s e n t ，t h er & d o f t h ed o m e s t i c e p si sb e h i n d h a n d ， a n da l lt h ee p su s e di nv e h i c l e sh a sn oi n d e p e n d e n tk n o w l e d g e p r o p e r t yr i g h t t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n ti na c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nr & do f e p s a ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gc a nt a k eam u l t i o b je c tc o n t r o la c c o r d i n gt ot h es t a t u s o ft h ea u t o m o b i l em o v e m e n t s u n d e rt h ed r i v e r sr e q u i r e m e n t sa n dt h em u l t i - o b j e c t c o n t r o l ，t h es t r o n g e rr o a df e e l ，a n dm o r es l i g h t l ys t e e r i n gp o w e rc a nb eg o t t e n ，a n d b e t t e rr e t u r ns t a b i l i t y ，r e t u r ns p e e d ，b e t t e ra n t i - - j a m m i n gc a p a b i l i t y ，觚t i ia m m i n ga n dq u i c k e rr e s p o n s e st od r i v e r si n p u tc a nb ea c h i e v e d ，t o o 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 dt 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 i r m 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 ec o n t r o l ，t h e d a m pc o n 9 0 1a n dt h er e t u r nc o n t r o la r ea d o p t e di nt h ee p s i nt h es t u d yo ft h ea s s i s t c o n t r o l ，t h r e ek i n d so fa s s i s tc u r v ea r ec o m p a r e d ， a n dt h eb a s i ca s s i s tc o n t r o l s t r a t e g yi ss e l e c t e d ，f u z z yc o n t r o l i sp r e s e n t e di nt h ee p s a tt h es a m et i m e ，t h e d y n a m i cm o d e lo ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fr e t u r ns t a b i l i t ya n dc u r r e n ts t e pr e s p o n s eo ft h ee s p s y s t e mw i t ha s s i s tc o n t r o l l e rh a sb e e no b t a i n e db ym a t l a bl a n g u a g e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es t e e r i n gp o w e rw a ss m a l l e r ， s t e e r i n gs t a b i l i t yw a sb e t t e ra n dt h e r e t u r ns t a b i l i t yw a sm o r es u i t a b l ei nt h i ss y s t e mt h a ni nt h es y s t e mw i t h o u ta s s i s t c o n t r o l l e r b a s e do nt h em e a s u r i n gd a t ao fe x p e r i m e n t s ，s o m ep r o b l e mc o n c e r n i n g e p sp r o d u c tc a nb eo p e n e do u t b a s e do nt h em e a s u r i n gd a t aa n dt h er e q u i r e m e n to ft h ee p ss y s t e m ， i t p r e s e n t e dag e n e r a ls c h e m ea n dc a l c u l a t i n gf l o w c h a r to ft h ec o n t r o ls o f t w a r e t h e d e b u gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r e a n a l y z e dw h i c hv e r i f yt h a tt h es c h e m ea b o v ei sv a l i da n d i t sp e r f o r m a n c ei sg o o d i t p r o v i d e sg o o db a s i sa n du s e f u lr e f e r e n c ef o rf u t u r es t u d y k e yw o r d 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 ，f u z z yc o n t r o l ， s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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。 签名：日期： 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或部 分内容，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) 签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 1 1 1 课题来源 在合作企业实践中，针对企业研发实力相对薄弱，尤其是电控方面的设计 研发能力不够，但是又必须对电子控制这一领域的若干技术难题加以攻关，在 此前提下，首先提出了采用电子控制这一方案。在针对多轴汽车转向控制的方 案制定和实现过程中，出现的诸多的问题，比如传统的机械控制难度大，效果 不能满足系统性能要求，布置困难等等问题。在此问题的基础上，提出了采用 电动助力转向控制的方案。首先要在尽可能利用国内产品和技术条件的基础上 实行自主设计研发，其次，在能够保证良好的使用性能的基础上尽量降低产品 成本，其三，在现有条件下对电动助力转向控制做出一套可行性方案，并掌握 核心设计和测试技术。 针对企业存在的实际问题，在课题研究的过程中，先后到武汉某企业和株 洲某企业进行过实际的调研工作。同时也听取了中国汽车工程学会转向委员会 副主任毕大宁教授对电动助力转向的研究方案和研究方向，获得了相应的技术 支持。提出了电动助力转向控制策略分析与研究的课题，以核心部件的设计研 发作为研究对象，并通过企业实践经验的积累和现有的技术条件展开研究。 1 1 2 研究背景 电动助力转向的研究目前是国内众多企业的攻关重点，而控制器又是电动 助力转向的核心问题。此课题着重开展电动转向控制器的稳定性分析与研究。 研究控制器的稳定性能够帮助我们提高转向控制的响应速度和精度，提供合理 的助力力矩以及良好的回正特性，使方向盘快速回到中间位置，而且不会产生 较大幅度和较长时间的摆动，能够合理的反馈信息，既不失去路感，也不产生 “打手”情况 1 3 。 1 9 8 3 年日本光洋自动机株式会社开发出世界上第一台电子控制式动力转向器 以来，电动助力转向已经走过二十多年的历史，先后有众多企业和研究机构如： d e l p h is a g i n a w 、日本精工( n s k ) 、爱信( a i s i n ) 、m o t o r o l a 、美国t r w 、德尔 福、德国z f 等等均对电动助力转向系统进行过研究，并都有自己成熟的代表 产品 1 3 。 国外早期对电动转向控制系统的研究主要采用传统的p i d 控制算法，所开 武汉理j 大学硕士学位论文 发的电动转向控制系统能够实现基本的转向助力功能。但助力转矩小，助力范 围窄，仅限于车辆低速行驶时转向助力，系统的稳定性能和抗干扰性能较差。 近年来，国外许多学者在探讨将先进的控制理论应用于电动转向系统的研究， 如将h 控制理论、模糊控制理论、模糊p i d 控制理论、神经网络控制理论等 应用于转向控制系统，取得了良好的效果，前面提到的众多的产品就是理论成 果的具体应用。目自口在实现电动转向系统基本助力功能的基础上，如何获得不 同的转向路感，抑制传感器的测量噪声，提高系统的鲁棒性能、跟踪性能、实 现回正控制等正成为主要的研究对象。 近年我国学者在研究电动助力转向控制器过程中都还是沿着国外的路线发 展，同时存在着不同程度的问题。这些问题包括：建立的模型简化后不能准确 的反映电动助力系统的运行机理：单独使用p i d 控制和模糊控制时存在响应速 度慢，超调量大，稳态误差人：不能有效的抑制路面随机激励干扰和传感器测 量噪声：所设计的电动助力转向控制器产生不同程度的滞后现象，驾驶路感差 或助力不稳定等等：尚没有建立起通用的助力力矩车速特性模型等等一些 问题。 吲1 1 ，是我国荆卅l 恒隆汽车零部件制造有| ： 3 公司生产的一款电动助力转 向器转向器，用在轿车上，其额定功率为3 6 0 w 。由于其功率较小，没有转角 传感器，回正性能不理想，因而尚不能用于前轴载荷较大的车轮。 其参数见表1 1 罔11 电动助力转向器 武汉理工大学硕十学位论文 表1 1 1 电动助力转向管柱参数 技术参数 电动机形式额定电压v额定扭矩n m 额定电流a 永磁直流电动机 d c l 2 v1 0 3 0 技术参数 离合器形式额定电压v线圈电阻q额定传递扭矩n i n 干式单片电磁操纵 d c l 2 v1 9 5 2 0 1 2 v 2 0 技术参数 扭矩传感器额定电压v额定输出电压v最大阻值q 5 2 5 ( 中间位置) 2 1 8 0 6 6 技术参数 车速传感器输 电压v 电阻q 9 5 以上( 1 0 0 0 r m i n )1 6 0 2 0 2 0 技术参数 控制器控制形式额定电压v可使用电压 8 位微型计算机1 2d c l 0 ， 1 6 1 2 汽车转向系统的发展背景 在汽车行驶中，经常需要改变行驶方向，称为转向。轮式汽车的转向是通过 转向车轮相对于汽车纵向轴线偏转一定角度来实现汽车的转向运动的。驾驶操纵 用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。按转向动力能源不 同，转向系统分为机械式转向系统和动力转向系统两类。 1 2 1 机械式转向 机械式转向系统是依靠人为力量作为动力源，所有的传动部件均是机械的， 包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分。汽车转向器性能的优劣直接 影响到汽车行驶的安全性和可靠性。 由于中国汽车工业不足6 0 年的历史，起初所生产的汽车产品由于受到技术和 成本限制，基本上还是使用的机械转向器，其典型的产品有东风公司的e q l 4 0 。 机械转向系统以驾驶员的手力作为转向动力的转向系统，转向系统的基本 组成如图1 2 机械转向系统所示。其中转向操纵机构主要由转向盘1 、转向轴 2 等组成。转向器是将转向盘1 的转动变为转向垂臂5 的摆动或齿条轴的直线 3 武汉理工火学硕士学位论文 往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。垂臂5 的摆动带动转向节臂7 鞔 主销8 转向从而带动一个车轮转动，另外一个车轮通过转向梯形臂9 和1 2 及转 向横拉杆1 0 驱动。转向横拉杆1 0 、转向梯形臂9 和1 2 及前梁的布置必须符合 阿克曼( a r k e r m a n ) 几何布置。在传统的汽车中还存在一些机械转向，现在机 械式的转向系统已经被淘汰n 引。 图1 2 机械转向系统 1 方向盘2 转向轴3 蜗杆4 齿扇5 转向垂臂6 转向操纵杆7 转向节臂8 主销9 、1 2 转向梯形臂1 0 转向横拉杆1 1 前轴( 梁) 1 3 转向节 1 2 2 液压助力转向 随着汽车运输的发展以及工程机械的广泛应用，一方面对驾驶机动性提出 了更高的要求，另一方面重型汽车及工程机械的出现使转向阻力大大增加，同 时为了减轻驾驶员的疲劳强度，也要求转向系的操作尽量轻便、灵敏。这时一 般的机械转向系统已经不能满足汽车行业的需要了，因而出现了动力转向 利用发动机或其它动力源作为偏转转向轮的主要动力源，来实现转向。首先得 到广泛应用的转向助力机构是液压式的，国外在三十年代末、四十年代初开始 研制液压助力转向系统，从五十年代开始液压助力转向系统在汽车和汽车起重 机上获得了成功的应用，随后发展的是全液压转向助力系统，目前，液压助力 系统是汽车助力转向系统中使用最为广泛的一种助力系统。 液压助力转向( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gc o n t r 0 1 ) 系统是在机械转向系统的 基础上加设一套转向加力装置而形成了液压助力转向系统，转向加力装置是由转 4 武汉理上大学硕士学位论文 向油泵、转向油管、转向油罐以及位于整体式转向器内部的转向控制阊及转向动 力缸等组成，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸 产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。这样，为了克服地面作用于转向轮上的 转向阻力矩，驾驶员需要施加在转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需 的转向力矩小得多。转向油泵是助力转向系统的动力源。转向油泵经转向控制阀 向转向助力缸提供一定压力和流量的工作油液。这种转向系统只需要驾驶员提供 很小的一部分转向力矩，而大部分力矩是通过发动机的动力来提供的。这种液压 助力转向系统是目前使用晟为广泛的一种，不仅仅在轻型车上广泛的使用，同时 在大吨位货车上广泛的使用。动力转向器一般做成总成件，安装过程中只需要接 进油口、出油i ：q 和机械输入和输出。以下图13 为供应东风公司的一种整体式助 力转向器。 圈1 3 液压助力转向器 1 2 3 液压助力转向系统的优点和缺陷 采用液压助力形式的转向系统，在发动机运转的时候，汽车均能获得良好 的助力转向，转向灵敏、操纵轻便，f 而且对使用要求不高，原理简单。但是， 随着使用中对车辆性能要求的不断提高，液压助力转向系统自身具有的缺陷也 逐渐显现 5 武汉理工大学硕士学位论文 l 助力大小不能改变。为满足低速时所需的足够助力，设计时保证了系统 任何条件下都有助力输出，但当车辆处于高速行驶状态，液压系统仍然提供相 同的助力，这样就造成汽车高速行驶时的操纵性变差，车辆发飘、路感不强， 结果影响了高速行驶的安全性。 2 只要发动机处于运转状态，无论车辆是否有转向操纵，为保持压力满足 转向时所需的助力，特别是大转向、较低车速时需要获得更大的助力，转向系 统总要处于工作状态，不论是常压式动力转向器或是常流式动力转向器，转向 器、管路和油罐组成的回路中总是不断的有液压油流过，都有不同程度的能量 损失。 3 当发动机熄火、停止运转时，助力系统无压力输出，整个系统就成为机 械转向，并且还需要克服转向器内的液压油的阻力。所以，这种情况转向异常 困难。 4 从转向助力泵出来的高压高温液压油在管路中流过时，有不同程度的渗 漏，油罐中需要定期的加油。液压油在温度不同的时候，其粘度不一样，造成 了工作压力因温度的变换而有明显的差异。此外，液压油和油管均是不可回收 利用的，同时，在液压油温度升高及压力过大的条件下，管路中会出现液压油 泄露的情况。 随着汽车国家和汽车行业对转向操控性和安全性的提高，对环保和节能的 更进一步的重视，液压助力转向不再成为重点发展对象，电动助力转向能够克 服液压助力转向的众多缺点，并将在不久的将来逐渐替代液压助力转向。 1 2 4 电动助力转向 电动助力转向系统自2 0 世纪8 0 年代中期初提出以来，作为今后汽车转向 系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制 液压助力转向系统。和传统转向系统相比，电动助力转向系统e p s ( e l e c t r i c a l p o w e rs t e e r i n g ) 在电控单元的控制下，通过对电机电流大小的变化进行控制， 实现不同的转向助力，能精确地实现人们预先设置在不同车速、不同转弯角度 所需要的最佳转向助力，即在车速高时系统提供的辅助力度小，使方向盘操纵 沉稳，增强汽车高速行驶时的安全性；在车速低时提供的辅助力度大，使方向 盘操纵起来轻便。因此，e p s 被称为可以实现“精确转向 的新型转向器。 电动助力转向系统是一种全电动，且与发动机无关的动力转向系统。一个 典型的e p s 系统如图1 - 4 ，由四个基本部分组成其核心，即：来自车辆速度传感 器的读数；来自方向盘转动力矩、转动方向、转动角度传感器的读数；信号与 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 系统处理单元；助力电机。信号与系统处理单元，接收来自车辆速度传感器的 读数，和来自方向盘转动力矩、转动方向、转动角度传感器的读数后，按预先 编制好的算法程序，由其中的中央处理器对它们进行复杂的控制运算与处理后， 由控制单元向“动力单元 送出相应的控制指令，然后动力单元再向电机供应 相应的电流，使带动方向柱的电机力矩和方向得到控制，实现需要大小的转向 助力。 电动助力转向系统由控制单元和动力单元组成，控制单元根据车速信号、扭 矩传感器信号确定转向助力扭矩值，通过动力单元对电机电流进行控制，实现转 向。e p s 相对于传统的液压转向系统具有一些突出的优点口引： 1 e p s 台g 在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向 系统的扰动，改善汽车的转向特性，减少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： 2 提高了汽车的燃油经济性。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵， 使液压油不停地流动，浪费了部分能量。装有电动转向系统的车辆和装有液压助 力转向系统的车辆对比试验表明，在不转向情况下、装有电动转向系统的车辆燃 油消耗降低2 5 ；在使用转向情况下，燃油消耗降低了5 5 ； 3 增强了转向跟随性。在e p s 中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直 接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得车轮的 反转和转向前轮摆振大大减小。因此转向系统的抗扰动能力大大增强。矛i h p s 相 比，旋转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮 对转向盘的跟随性能； 4 该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可获得最大的转向动力。 同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、 传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件t ：卜, h p s 大大减少，因而其质量更轻、 结构更紧凑，在安装位置的选取方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简 单； ， 5 e p s 没有液压回路，不存在渗油的问题，减少了对环境的污染。同时由于 液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须加温的过程，而e p s 可以在零下4 0 很好的工作，基本上不存在受温度影响的问题： ( 6 ) 电动转向还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能。使用可靠，维修 方便。 7 图l 一4 电动助力转向整套装置 电动助力转向控制策略的研究方面较多，以下是从电动助力转向所需要达 到的目标来考虑需要研究的若干部分。 1 电动转向的跟踪性：在电动助力转向系统中，在一定车速条件下，电机助 力大小的变化是随驾驶员的转向力矩变化的，最终的转向力矩是转向盘力与转 向助力合成的。虽然转向助力电机与助力机构直接相连可使其能量直接用于车 轮的转向，相比于液压助力系统提高了转向车轮对转向盘的跟随性能，但是， 助力环节的惯性、摩擦等将会导致助力滞后，也会影响电动助力转向的跟踪性。 因此，如何在控制策略中增强电动助力转向的跟踪性能是需要研究的一个问题。 2 电动转向的轻便性：实际上就是电动助力转向系统的助力特性，针对车辆 不同运行状态下，应该给出多少的助力才能使驾驶员获得满意转向操作，这是 电动助力转向系统的个核心问题。如果助力过大，可能出现“打手”或过转 向，驾驶员对“路感”的雀失，失去对车辆的控制，如果助力过小，达不到转 向轻便性的要求，不能减轻驾驶员的劳动强度，助力就没有意义了。所以确定 一个恰当的助力大小是很重要的，它涉及到车辆状态、路面状态、转向系状态、 驾驶者感受等多方面的因素。 3 转向回正特性：当驾驶员使转向盘转动个角度后松开时，系统能够自动 调整使车轮回到原位。从虽低车速到摄高车速，可得到一系列的回正特性曲线。 如何在控制中，调整设计参数得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性， 这种转矩特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供与车辆动态性能相匹配 武汉理工大学硕士学位论文 的最佳的转向回正特性。这在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改 造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。 4 可变的转向助力：电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程 和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。可变转向力的大小取决于转 向力矩和车速。无论是停车，低速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性 好的感觉，而且更易于车场操作。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非 常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它 硬件。而在电动助力转向系统中，通常通过在控制模块中重写控制软件来获得 可变转向力矩，所需费用很小。 5 “路感”研究：在高速行驶时，方向盘过轻，会造成驾驶员“发飘”( 方向 盘只需很小的转向力就能够有较大的转向动作) 的感觉。新型的转向油泵虽然 可以做到高速转向时油泵流量泄压下降，但在高速行驶时并不能精确解决“发 飘”的问题，至多只能是有所改善。而电动转向系统则可通过控制助力电机， 降低高速行驶时的转向助力，增大转向手力，解决高速“发飘”问题。 1 3 本论文主要研究内容 本文主要根据课题中存在的具体问题，从以下几个方面来对电动助力转向 控制策略进行研究： 1 电动助力转向系统模型的建立和对模型的分析，提出合理的应用方案； 2 针对电动助力转向目前存在着一些问题，提出了在原有车速传感器和扭 矩传感器的基础上增设转角传感器的控制方案，并设计了目前可行的基于霍尔 原理的转角传感器。并在试验室对转角传感器进行独立测试。 3 提出模糊控制的策略。在对系统机械模型的基础上推导出传递函数，并 用m a t l a b 软件建立控制模型，实施模糊控制，通过在仿真环境分析电动助力转 向的回正特性和阻尼特性，为试验室试验和实际道路测试提供相应的参考。 4 分析对电动助力转向控制系统性能产生影响的若干因素，利于在设、仿 真和试验中提高系统的控制精度和整体性能。 5 对电动助力转向进行回正和响应进行仿真，在试验室通过台架试验对其 中的两项回正效果和响应时间进行实际测试，并对试验结果做出分析，验证系 统建模的优劣。 9 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章电动助力转向系统模型分析 2 1 机械传动机构模型建立 电动助力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增加了电动机以及其 它一些辅助装置，如信号传感装置、电子控制装置和转向助力机构等。典型的电 动助力转向系统主要由以下部件组成：扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元 ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t 简称e c u ) 、电动机、带离合器的减速机构及传统机械转 向部分。其中机械系统的模型如图2 1 所示，选取齿轮齿条式建立模型。要研究 电动助力转向必须建立系统的机械模型u 钔。 x r j m e m 图2 1电动助力转向机械系统模型 2 1 1 转向盘和转向管柱输入轴模型 转向盘是驾驶员员转向力的输入端，对转向盘和转向柱受力分析，考虑转向 盘的转动惯量，输入轴的粘性阻尼，同时把转向柱看成刚性杆，可以得到如下运 动方程： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 j 。e 。+ b 。0 。= th t 。e n 式中j 。一转向盘、输入轴的转动惯量，k g m 2 ； e 确入轴的旋转角，r a d ： t 。一作用在转向盘上的转向转矩，n m ； b s - 输入轴的粘性阻尼系数，n m ( r a d s ) ； t 。1 _ 扭杆的反作用转矩，n m 。 其中转矩传感器的变形可以反应转矩输入的大小，且扭杆受到的转矩与扭杆 的扭转角度成正比，即 t s e = i 怎( 0 s - 0 e ) ( 2 - 1 ) 式中e 。一输出轴的旋转角，r a d ： k s _ 扭杆的刚性系数，n m r a d 。 2 1 2 转向管柱模型 对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析，得到下面的运动学方程： j e e + b e 0 = t s e n + g t a t w ( 2 2 ) 式中b e _ 输出轴的阻尼系数，n m ( r a d s ) ； t ，作用在输出轴上的反作用转矩，n m ； t 。一电动机输出转矩，n m ； j 确出轴的转动惯量，k g m 2 ； g 一蜗轮、蜗杆减速机构的减速比。 2 1 3 齿轮齿条模型 对齿条和小齿轮进行分析，可以得到： 1 1 m 赫4 - b ，丸+ k = 竺一f 6 r p ( 2 3 ) 式中k r - 等效弹簧的弹性系数，n m ； b r - 齿条、齿轮的等效阻尼系数，n ( m s ) ； i l l ，一齿条、齿轮的等效质量，k g ； x ，一齿条的位移，m ； r d - 小齿轮半径，m ； f 。一路面的随机作用力，n ；且e 。= 竺 r p 武汉理工大学硕十学位论文 2 1 4 电机模型 电动助力转向系统的电动机是在已经大批量生产的汽车用电动机的基础上 进一步改进而成的，功能是根据电子控制单元的指令输出合适的助力扭矩，是电 动助力转向系统的动力源，多采用永磁式直流电动机。电动机对系统的性能有很 大影响，是系统的关键部件之一，所以电动助力转向系统对电动机有很高要求， 不仅要求转矩大、转矩波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、而且要求可靠性 高，易控制。 直流电动机由两个子系统构成，一个是电网络系统，由电网络得到电能，产 生电磁转矩。另一个是机械运动系统，转动机械能带动负载转动。根据电动机运 行过程的物理规律( 包括机和电两个方面) ，可列出输入量输出量和中间变量间的 数学关系式如下： 电动机电枢回路的电势平衡方程为陋3 | ： j ! l a 一( 1 l a + i 此+ e a = u a 图2 2 电机模型图 式中，l 8 ，r 。分别为电枢回路的电感和电阻，i 。为电机电流，e 。为电机反电 动势，u a 为电枢电压。 电动机的反电动势方程为： e a = k b ( 1 ) 。 式中，6 0 。为电机角速度，k 。为电动机反电动势常数，单位为v s r a d 。 电动机的电磁转矩方程为： t 。= k 。i 。 式中，t 。为电动机的输出转矩，k 。为电动机的转矩常数，单位为n m a 。 电动机轴上的动力学方程为： 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 j m d o o m + b m ( o m = t m ta d t 式中，j 。为电动机转动惯量， b 。为电动机的阻尼系数， t 。为电动机的实际输出转矩，即负载转矩。 不考虑电机反电动势，及电机处于堵转状态的情况下，式( 2 1 ) 变为如下形 式： l a 竺+ i 水a - - ua d t ( 2 5 ) 其传递函数形式为： ( l 。s + r 。) i 。( s ) - - u 。( s ) 忽略电动机阻尼，在空载状态下负载转矩t 。可以忽略不计，将( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、 ( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 联立得： l a d i a + r a i a + e a = u a d t e a = k b ( o m j m d o ) m = t m ( 2 6 ) d t t m = k a i a 消去中间变量i 。，e 。，t 。得到以下方程式： j m l a d _ 2 0 d m + j m r a d o m + k b ( o m = ua k ad t zd td t ( 2 7 ) 2 1 5 整体模型 对上述转向盘模型、管柱模型、齿轮齿条模型和电机模型进行综合，即可得 到电动助力转向机械系统的整体模型，即： 根据以上各部分模型，可得： j 。谷。+ b 。6 。+ 珞e 。= t h + 磁竺 r o 13 武汉理工大学硕士学位论文 j m 百m + b m 6 m + 1 0 0 m ：t m + g l o 羔 r p m r ) 【r + b ，x r + k x r = 皇垒e m + k s0 。一f 6 r pr p m r ：i i l r + 三 式中，r p 减速机构、小齿轮和齿条等的等效质量，k g ： b ，- b r + 墨 r p 减速机构、小齿轮和齿条等的等效阻尼系数，n ( m s ) ； k ：k r + k s + g _ 2 k m r p 小齿轮、齿条和轮胎的等效刚度系数，n m 。 2 1 6 回正模型 回正时，驾驶员不再控制方向盘，方向盘操纵力矩t h = 0 ，若为自由回正，电 动机不提供助力，此时，电动机助力扭矩t h 一0 ，代入式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) ， 得到回正时力学方程如下： l 0 。+ b 。0 。+ k s ( 0 。一兰) ：0 m f ) ( r + b r x r + f 产垦( q 一兰) + f 6 r pr p 0 。一兰 其中r p ，表示的是扭矩传感器的变形量。 在电动助力转向系统中需要安装电磁离合器，其作用是：当电动机的转速超 过规定速度或系统发生故障时，电磁离合器分离，不再传递电动机的动力，避免 损坏电动机。减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要有两种形式：蜗轮蜗杆 减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要应用于转向轴助力式转向系统，后者 主要应用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。蜗轮蜗杆减速机构传动平稳、结 构简单、体积小以及成本低，应用较广泛。双行星齿轮减速机构体积较大，工作 时噪声也大，考虑到便于安装，一般选用蜗轮蜗杆减速机构。 2 1 7 轮胎对回正系统的影响 由于轮胎结构复杂，是典型的非线性系统。在汽车动力学模型中通常采用 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 的轮胎模型主要有两种：一种模型是基于实际测量数据的经验公式，即通过轮 胎转向过程中的实际测量数据，采用函数拟合来计算轮胎回正力矩和影响因素 的经验模型；另外一种是基于轮胎的物理特性建立的模型，即模拟轮胎本身的 力学和动态响应性能，直接通过计算和仿真的方式获得轮胎回正力矩与影响因 素的关系瞳制。 影响回正力矩的因数有很多，其中轮胎充气气压、垂直载荷、侧偏角、外 倾角和路径曲率、路面附着系数以及汽车在启动和制动过程中引起的载荷分配 变化和轮胎变形等等都会影响回正力矩。以下分别介绍两种对汽车对回正力矩 的影响程度的因素。在系统仿真和计算的工程中，可以对模型和数据结果进行 修正获得更符合实际的结果。 1 侧偏角与回正力矩关系 图2 3 所示为一个典型的侧偏角和垂直载荷对回正力矩影响的网状图。子 午线轮胎和斜交轮胎回正力矩特性均与该图所示相似，只是子午线轮胎的平均 回正力矩更大一些。 鲁 z 鼎 r 出 曰 图2 - 3 侧偏角和垂直载荷对回正力矩影响的网状图 回正力矩对轮胎接触区的大小和滑动区的增长均很敏感。产生力矩的剪应 力和轮胎拖距均与到轮胎中心的距离成正比。因此对回正力矩贡献最大的那些 在接触区最后端的轮胎微元。在侧偏角小于8 度时，回正力矩随着切向力的增 大而增大。侧偏角大于8 度后，端部被滑动区所侵蚀，造成回正力矩减小。当 1 5 o 6 2 4 2 1 1 8 4 o 一 武汉理t 大学硕士学位论文 侧偏角非常大时，滑动区前移的距离可能大到使回正力矩实际上为负值。 从图中可以看到，垂直载荷的影响也非常明显。这种敏感性源于接触区面 积对回正力矩的影响。载荷增加一倍后，虽然接触区名义上也会增大一倍，但 所增加的区域都在接触区的端部那些对回正力矩影响最大的区域，所以结 果就是回正力矩随垂直载荷的增加而加速变化。 2 外倾角与回正力矩的关系 在轮胎滚动时，轮胎的非零外倾角也会产生回正力矩。如图2 4 所示，斜 交轮胎由外倾角产生的回正力矩的大小，大致为由侧偏力产生的回正力矩的1 0 左右。与斜交轮胎相比，子午线轮胎由外倾角产生的回正力矩要明显小许多。 由外倾产生的回正力矩系数，斜交轮胎大致为子午线轮胎的3 倍心4 | 。 图2 - 4 外倾角和垂直载荷对回正力矩影响的网状图 2 2 传感器模型分析 在2 0 世纪6 0 年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感 器，它们与仪表或指示灯连接。进入7 0 年代后，为了治理排放，又增加了一 些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火 和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。8 0 年代，防 抱死制动装置和气囊提高了汽车的安全性。今天，传感器用在汽车的各个部位， 用来侦测汽车的各个零部件的运行状况和获取外部的输入信号，从而达到不断 1 6 7 6 5 4 3 2 1 0 暑z山咻r_h回 武汉理工大学硕十学位论文 提升汽车安全性、舒适性和经济性的重要组成部分。根据“全球信息公司”的 调查报告，全球轻型汽车传感器o e m 市场年均增长率7 4 ，到2 0 1 0 年将达到 1 4 0 亿美元的规模，其增长幅度远远超出汽车本身的年均增长率。在电动助力 转向这一领域，对转角传感器和扭矩传感器性能要求一直在提高，而且应用越 来越广泛口引。 2 2 1 转矩传感器 电动助力转向系统中，通过扭矩传感器探测司机在转向操作时方向盘产生 的扭矩或转角的大小和方向，并将所需信息转化成数字信号输入控制单元，再 由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩，最后发 出指令驱动电动机工作，电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此 扭矩传感器是e p s 系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多，主要 有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器 等，随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现心副。 金属电阻应变片的扭矩传感器是一种应用的较为广泛的一种传感器，其原 理是： 传感器扭矩测量采用应变电测技术，在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥， 当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转 变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换： m ( + o ) ( + r ) 传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏 感元件，在4 5 度和1 3 5 度的方向上产生最大压应力和拉应力，这个时候承受的 主应力和剪应力相等，其计算公式为： 式中t 一主应力，此时与。相等； w d - 轴截面极矩。 m o = t = w p 测量电桥可以采用半导体电阻应变片，并将它们接成差动全桥，其输出电 压正比于扭转轴所受的扭矩。应变片的电阻r i = r 2 = r 3 = r 4 = r 0 ，可以得到下面 的式子： v o - 一a r u ：璺兰! m r oe w o 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 其中e 一轴材料的弹性模量； u 一电桥的供电电压； s 一电阻应变片的灵敏度系数。 放大电路采用仪器用放大电路，它由专用仪器用放大电路构成，也有三只 单运放电路组合而成，放大倍数为k ，放大后的电压v 为： v ：! ! 鉴! ! e w p 为了使一起具有高精度，必须使灵敏度系数为常数。在金属电阻应变片 的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是： 1 弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的1 3 ，且取初始段。为了将迟滞误 差减低到昂底，按照超载能力指数选取最大的轴径； 2 采用l m 型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度； 3 采用高精度的稳压电源。 2 2 2 转角转