（车辆工程专业论文）电动助力转向系统的仿真分析与控制研究.pdf

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n g s y s t e mr e p r e s e n t st h er u t u r e m r e c t i o no ft h es t e e r i n gs y s t e m i ti so f g r e a ti m p o r t a n c et oh i g h l i g h tt h es t u d vo ft h e e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m f h l sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g i e so ft h ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g s y s t e m i no r d e rt of u l l yt a k eu s eo ft h ep i dc o n t r o l sa d v a n t a g e ss u c ha sh a v i n g m a t u r et e c h n o l o g ya n dg o o dr o b u s t n e s sa n dt h ef u z z yc o n t r o l s a d v a n t a g e ss u c ha u s n o tr e q u m n gt h ea c c u r a c yo f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l st oc o n t r o lt h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，t h e r ei sac o m b i n a t i o no ft h ep i dc o n t r o la n dt h ef u z z vc o n t r 0 1 f i r s t l y ，t h i sa r t i c l eb r i e f l yd e s c r i b e st h eo r g a n i z a t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l e so f t n e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ，t h e nt h e r ei sa l li n t r o d u c t i o nt ot h ec o m m o n s t r a t e g i e s o ft h e e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n l y i n c l u d et h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l s t m t e g y ，t h ei n t e l l i g e n tp i dc o n t r o ls t r a t e g y ，i n t e l l i g e n t c o n t r o lm e t h o da n dt h eh8c o n t r o ls t r a t e g y ；。 s e c o n d l y ，t h e r ei saf o r c ea n a l y s i st ot h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m w h i c h m a i n l yi n c l u d ea n a l y z i n gt h et o r q u eo ft h es t e e r i n gw h e e la n dt h er e s i s i t 锄c eo ft h e f r o n tw h e e l o nt h eb a s i so ft h ef o r c ea n a l y s i s ，t h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m s d y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d t h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m sd v n a i n i cm o d e l m a i n l yi n c l u d et h et o r q u es e n s o r sm o d e l ，t i r e sm o d e la n dm o t o r sm o d e l ，i n0 r d e r t o a i l a i y z et h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i m p a c to nt h ev e h i c l ey a wr a t e t h e v e h i c l e st w od e g r e e s f r e e d o mm o d e li sb u i l t f i n a l l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，sm a t h e m a t i c a l m o d e l ，t h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d o nt h eb a s i s0 ff u l l i i s t u d yo ft h ea s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h e r e q u i r e m e n t sw h i c ht h ei d e a la s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c sc u r v es h o u l d s a t i s f y a r e a c q u i r e d t h e nt h r o u g hu s i n gf u z z yc o n t r o lt od e s i g nt h ea s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c s c u r v e ，t h ea s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c sc u r v ei sd r a w e d o nt h eb a s i so ft h i s t h i sp a p e r t a k e su s eo ft h ep i dc o n t r o la n dt h ef u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o lt oc o n t r o lt h e a s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cp o w e rs e e i n gs y s t e m t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n s t u d yo ft h et w oc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e s ，i ti se a s yt of i n do u tt h a tt h ef u z z y s e l f - a d j u s t i n gp i d c o n t r o lh a sa d v a n t a g eo v e rt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r 0 1 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 g , d y n a m i c s m o d e l ，s i m u l a t i o n ，f u z z y c o n t r o l i i 中文摘要 随着电子技术在汽车上越来越广泛的应用，汽车的安全性、舒适性以及操纵性等 多项性能都得到了显著的提高，电动助力转向系统的出现，确保了汽车低速转向时的 轻便性以及高速转向是的操纵稳定性，由于电动助力转向系统所具备的各种明显的优 势，它正在逐渐地取代传统的液压助力转向系统，代表着汽车转向系统未来的发展方 向，因此加强对电动助力转向系统的研究具有非常重要的现实意义。 本为围绕电动助力转向系统的控制策略进行了研究，将传统的比例积分微分控制 与模糊控制相结合，充分发挥比例积分微分控制技术成熟、鲁棒性强以及模糊控制对 数学模型的精确度要求不高的优势，来对电动助力转向系统进行控制。 本文首先简单介绍了电动助力转向系统的机构和工作原理，然后对常见的电动助 力转向系统的控制策略进行了分析，主要包括常规p i d 控制、智能p i d 控制、智能 控制方法以及h 8 控制 其次，对电动助力转向系统进行受力分析，主要是对转向盘力矩以及转向阻力矩 进行分析，在此基础之上，建立了电动助力转向系统的动力学模型，主要包括转矩传 感器模型、轮胎模型以及电动机模型等，为了分析电动助力转向系统对汽车横摆角速 度的影响，还建立了汽车的二自由度模型。 最后，通过对电动助力转向系统数学模型的分析，建立了相应的仿真模型，通过 对电动助力转向系统助力特性的深入分析，得出了理想的助力特性曲线应该满足的条 件，然后将模糊控制理论运用到助力特性曲线的设计当中，建立了基于模糊控制的助 力特性曲线，以此为基础，分别采用p i d 控制策略以及模糊自适应p i d 控制策略对 电动助力转向系统的助力控制进行了对比研究，研究结果表明模糊自适应p i d 控制策 略能够更好地对电动助力转向系统进行控制。 关键词：电动助力转向系统，动力学模型，仿真，模糊控制 目录 第l 章概论1 1 1 汽车转向系概述的发展趋势1 1 2 电动助力转向系统研究的目的和意义2 1 3 电动助力转向系统的研究现状3 1 4 本论文的研究内容5 1 5 小结6 第2 章电动助力转向系统的介绍7 2 1 电动助力转向系统概述7 2 2 电动助力转向系统的分类8 2 3 电动助力转向系统的组成部件1 0 2 4 电动助力转向系统的助力控制1 2 2 5 电动助力转向系统的回正控制1 2 2 6 电动助力转向系统的阻尼控制1 3 2 7 电动助力转向系统的控制策略1 4 2 7 1 常规p i d 控制1 4 2 7 2 智能p i d 控制1 5 2 7 - 3 智能控制方法1 5 2 7 4h o o 控制1 6 2 8 小结1 6 第3 章电动助力转向系统模型的搭建1 7 3 1 线性二自由度汽车模型的搭建1 7 3 2 电动助力转向系统的受力分析2 1 3 2 1 转向阻力的构成2 1 3 2 1 转向盘力矩2 3 3 3 电动助力转向系统的建模2 4 3 4 小结2 7 第4 章e p s 助力控制策略的仿真分析2 8 4 1 助力特性的概述2 8 4 2 常见的转向助力特性曲线2 9 4 2 1 直线型助力特性曲线2 9 4 2 2 折线型助力特性曲线2 9 4 2 3 曲线型助力特性曲线3 1 4 3 助力特性曲线的设计3 2 4 3 1 助力电机目标电流的模糊控制器的设计3 2 4 3 2 助力电机目标电流的模糊控制器的仿真分析3 6 4 4 基于p i d 控制的e p s 助力控制的研究3 9 4 4 1 助力电流的p i d 控制器的仿真模型3 9 4 4 2 电动助力转向系统仿真模型的建立4 l 4 5 基于模糊自适应p i d 控制的e p s 助力控制的研究4 3 4 5 1 模糊自适应p i d 控制的工作原理4 3 4 5 2 模糊自适应p i d 控制器的设计方法4 3 4 5 3 模糊白适应p i d 控制器的设计4 4 4 5 4 模糊自适应p i d 控制器的仿真模型5 0 4 6 电动助力转向系统仿真模型参数的确定5 l 4 7 仿真结果的分析5 l 4 7 1 电动助力转向系统助力控制的仿真分析5 l 4 7 2 电动助力转向系统阶跃响应的仿真分析5 2 4 8 小结5 3 第5 章全文总结与展望5 4 5 1 总结5 4 5 2 展望5 4 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章概论 随着我国经济实力的快速增长，人们生活水平得到了迅速的提高，越来越 多的人有能力购买汽车来满足自己的生活工作需要，我国也逐渐地进入了汽车 社会，目前汽车工业在我国正处于快速增长期，据统计，2 0 1 0 年我国汽车产销 量双双突破1 8 0 0 万辆，创造了汽车产销量的世界新纪录。同时，由此引发的汽 车交通事故造成的人员伤亡数量呈逐年上升的趋势，汽车安全越来越成为人们 购车时的的首要关注焦点。汽车转向系统性能的好坏直接影响着汽车的安全性。 正因为这样，许多的汽车研发机构展开了对汽车转向系统的研究。目前，电动 助力转向系统正是汽车转向系统研究的重点。 1 1 汽车转向系统的发展趋势 一般来说，汽车转向是指汽车在驾驶者的操控下以使其运动方向发生变化。 对于普通汽车来说，必须进行以下的操作才能使汽车转向：即驾驶者施加作用 力于一组传动机构上从而使得汽车前轮会向左或向右发生一定角度的偏转。另 外，当车辆在道路上沿直线方向前进时，路面往往会将侧向力作用在汽车转向 轮上，从而使得转向轮向左或者向右发生转动导致汽车前进方向发生变化。在 这种情况下，驾驶者就必须通过这组传动机构使汽车转向轮产生反方向的运动， 以便汽车仍沿原方向运动。这组传动机构就叫做汽车转向系。 汽车转向系统从最初的机械转向系发展为液压助力转向系统，然后又发展 为最近的电动助力转向系统，其中电子技术、计算机技术以及自动控制理论的 发展对汽车转向系统的发展起到了直接的推动作用。 机械转向系转向时所需的转向能源全部来自于驾驶者的体力，它是由各个 机械零部件相互连接而形成的。机械转向系统的组成部分主要包括：转向传动 机构、转向器和转向操纵机构。 与机械转向系统完全使用驾驶者体力动力作为转向能源不同，液压助力转 向系统驾驶者以及发动机共同为动力转向系统提供转向能源，其中，驾驶者提 供小部分的转向能源，而发动机提供大部分的转向能源。但是当动力转向系因 武汉理工大学硕士学位论文 为出现故障而无法提供转向能源时，驾驶者就要提供所有的转向能源。所以， 将转向加力装置与机械转向系进行组合就可以得到液压助力转向系统。 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 ) 是一种直接依靠电动机 提供辅助转向力矩的动力转向系统，它的产生满足了人们对驾驶轻便性的要求。 该系统能够根据汽车转向时的不同工况控制电动机输出相应的辅助转向力矩， 电动助力转向系统主要包括：机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、离合 器、电动机、减速机构以及电控单元( e c u ) 等。 主动转向系统可以在没有驾驶者进行操作的情况下对转向来进行控制，也 就能够主动地对前轮的转向角进行修正。主动转向系统的传动比是可以变化的。 当车辆处于高速行驶状态时可以将传动比设计的比较大，这就可以保证行驶的 安全性以及稳定性；当车辆处于低速行驶状态时可以将传动比设计的比较小， 这样做可以转向盘的转角值，从而可以是车辆的灵活性得到改善。 未来汽车转向系统将朝着线控转向系统进行发展，线控转向系统与传统的 机械式转向系统有着很大的区别，因为在线控转向系统当中转向盘与转向轮之 间不再存在机械连接，只要利用控制算法就可以使车辆实现智能化转向，大大 地提高了汽车的操纵安全性。而且它安装空间小、布置灵活、重量更小。线控 转向系统主要是由电控子系统、转向轮子系统以及转向盘子系统三部分所构成 的。 1 2 电动助力转向系统研究的目的和意义 电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。与传统的机械转向系统相 比较，电动助力转向系统具有如下的优势：结构紧凑、占用空间小、重量减轻、 维护简单、节能环保等。更重要的是它具有机械转向系统所不能比拟的转向助 力以及回正性能。例如电动助力转向系统可根据车速的变化来对转向助力的大 小进行适当的调整从而获得驾驶者满意的转向路感，它可广泛应用于轿车以及 货车等众多车型。国外已有多家汽车公司开始批量在多种车型上装备这种先进 的转向系统，我国汽车行业急需研究开发这种高新技术产品，因此对这种转向 系统进行研究和开发是十分必要的。 电动助力转向系统本身蕴含着极高的技术含量，它集成了机械、电子、计 算机、自动控制以及传感器等多方面的技术。相较于传统的液压助力转向系统， 它具有十分突出的优势，可以说，电动助力转向系统取代传统的液压助力转向 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统将是一件不用怀疑的事情。近十几年以来，国内许多单位先后开展了电动 助力转向系统方面的研究工作，也取得了一定的成绩，但我国在这方面与国际 先进水平之间依然存在着相当大的差距。随着全球汽车产量的逐年提高，汽车 转向系统市场存在着巨大的潜力，同时随着入世后关税的降低，国外的汽车厂 商纷纷进入中国汽车市场。由于多数中国自主汽车企业发展时间短、技术水平 不高等多种原因，自主汽车品牌在与世界著名汽车品牌的竞争中处于明显的劣 势。只有持续加强对汽车核心技术的研发力度，才能扭转这种局面，因此开发 电动助力转向系统，对于提高我国自主汽车企业的国际竞争力有着重大的意义。 本学位论文重点针对电动助力转向系统的助力控制策略进行研究，首先建 立汽车的二自由度汽车模型，然后通过对电动助力转向系统进行受力分析，建 立了电动助力转向系统的动力学模型及其子系统模型，从而实现了从整车角度 来对电动助力转向系统进行分析，而目前国内大部分研究集中于对助力电动机 的控制策略进行研究，这样容易出现理论与实际不相符合的情况，而从整车角 度对电动助力转向系统进行分析则可以克服这一不足；另外本文通过使用模糊 控制方法来获得电动助力转向系统的助力特性曲线图，即助力电流与转向盘力 矩以及车速的变化关系图，使用模糊控制方式来设计助力特性曲线图非常的简 单实用，它不需要繁琐的理论计算和分析，非常适合于工程应用；最后本文分 别采用了传统的p i d 控制方法和模糊控制与p i d 控制相结合的方法来对助力电流 进行跟踪控制，分析结果表明模糊控制与p i d 控制相结合的方式能够更有效地对 助力电流进行控制，为电动助力转向系统控制策略的研究提出了另外的一条思 路。 1 3 电动助力转向系统的研究现状 自从上世纪八十年代电动助力转向系统产生以来，各个国家的汽车制造企 业就围绕它进行了大量的研究工作，并且在相关领域取得了丰硕的成果。 目前国外企业对电动助力转向系统的研究已经相当成熟，某些知名的汽车 制造商例如梅赛德斯一奔驰公司、日本铃木公司、t r w 公司等已经率先将该系统 应用在了微型汽车和轿车上。从上世纪五十年代起，t r w 公司就设想将转向盘 与转向轮之间的机械连接替换为控制信号，十年之后，德国的k a s s e l m a n 公司也 开发出了类似的主动转向系统，受制于当时的电子技术以及计算机水平，该系 统一直无法在汽车上得到实际的应用。随后，梅赛德斯- 奔驰公司于上世纪九十 3 武汉理工大学硕士学位论文 年代开始对前轮电子转向系统进行研究，并且将研究成果应用在f 4 0 0 c a r v i n g 概 念车型上。在这之后，国外的各种主流汽车研究机构比如戴姆勒克莱斯勒公司、 宝马汽车公司、z f 公司、德尔福公司以及日本的丰田汽车公司、光洋精工技术 研究所等纷纷投入大量人员和资金开始深入研究汽车电子转向系统。如今，很 多汽车公司都已经开发出了自己的电动助力转向系统并将其应用在了本公司的 概念车上。日本光洋精工技术研究所在一次汽车展览会上演示了一套由主控制 器、转向电机和力矩电机组成的电子转向系统，在系统中还配置了机械转向系 统作为应急设备，确保电子转向系统失效后，由机械转向系统代替完成转向功 能。日本大学和本田公司对汽车电子转向系统也进行了理论上的研究。在研究 过程当中，它们得出了理想的转向系传动比，并且充分发挥电子转向系统的优 势，使得汽车的稳态增益与车速无关，降低了驾驶者得负担。美国的德尔福公 司向市场推出了前轮和四轮电子转向系统，并与菲亚特汽车公司就研究应用于 微型汽车上的电子转向系统达成了相关协议。德国z f 公司在开发出电动助力转 向系统的研究以后也转入到电子转向系统的相关研究当中。在法兰克福汽车展 上，标致雪铁龙公司也将电子转向系统应用在了越野概念车“c c r o s s e r 上。 目前国内电动助力转向系统的研究尚处于起步研究阶段，与国外的差距较 明显。国内相关汽车生产企业近几年才开始对电动助力转向系统进行研究。通 过对汽车市场的调查研究，我们发现只有昌河汽车、南京菲亚特汽车的部分车 型上使用了转向柱式电动助力转向系统。此外，齿轮齿条式电动助力转向器在 紧凑型轿车上的应用占据着一定的市场份额。目前有大约2 0 余家汽车企业的约 5 0 种车上安装了电动助力转向器。由此可以看出：电动助力转向器有着巨大的 市场前景，其应用范围将会进一步扩大到中高档汽车上。 通过查阅国内外公开的各种文献资料，得知电动助力转向系统目前的研究 重点是：电动助力转向系统的整车试验分析、电动助力转向系统控制策略的分 析、电动助力转向系统控制算法的研究、电动助力转向系统模型的建立以及电 动助力转向系统动力学特性的分析等等。 国内学者王豪首先对电动助力转向系统进行了动态模型的建立，在此基础 之上研究了转向速比以及助力增益对电动助力转向系统性能如跟随性、助力性 等的影响。他还针对齿轮轴式电动助力转向系统展开了研究，建立了相关的三 自由度车辆模型，得出了转向阻力的简化计算方法，对与转向助力特性由密切 联系的变量进行了分析。学者林逸、施国标重点分析了直线型的电动助力转向 特性以及利用p i d 控制算法对电动机转速进行控制。他们还对电动助力转向系 4 武汉理工大学硕士学位论文 统如何在不同汽车类型上实现匹配进行了分析研究。他们还利用a d a m s 以及 m a t l a b 来对使用e p s 的车辆进行联合仿真以便对其转向特性进行分析，在此基 础之上，通过计算机仿真分析了阻尼补偿以及横摆角速度补偿。学者朱德军等 人采用鲁棒控制理论来对电动助力转向系统的性能进行研究以此来获得汽车的 整车稳定性。学者施淑洪等人建立了转向盘转角与转向轴输出扭矩之间的线性 系统的数学模型，对转向轻便性以及跟踪性的影响参数进行了定量分析。学者 唐新蓬等人提出了电动助力转向系统的传递函数，在对电动助力转向系统进行 各种计算机分析的基础之上，准确地分析了电动助力转向系统的各种控制方法 以及结构参数对汽车转向特性的影响。学者何仁等人首先对电动助力转向系统 进行了模型建立，在此基础之上，提出了有关系统稳定性的约束性条件，得出 了以下的结论：要向实现系统的稳定工作，可以在电控单元中使用相对小的助 力增益。学者吴文江设计了包含有h 控制与p d 控制的控制算法的控制器，这 种控制器能够极大地提高电动助力转向系统的稳定性，降低地面干扰对电动助 力转向系统稳定性的影响。他还将线性矩阵不等式处理方法引入到最优控制器 的设计当中，通过台架试验以及计算机的仿真分析，该最优控制器能够克服转 向盘力矩所带来的助力电机输出力矩的偏差，装有该最优控制器的电动助力转 向系统拥有优异的跟踪特性。学者王其东对电动助力转向系统的正逆动力学模 型进行了分析，通过模糊神经网络控制器来对电动助力转向系统的目标电流进 行控制，然后采用p d 控制器对目标电流进行跟踪，就可以实现转向时的灵活性 以及轻便性。学者王启瑞、刘照、吴文江等人以获得电动助力转向系统良好的 跟踪特性、充分的路感以及系统出色的鲁棒性为目的，对开发出的多种鲁棒控 制器进行了仿真分析，通过仿真分析得出了如下的结论：采用h 。控制算法的电 动助力转向系统具有优异操纵性能、转向性能以及鲁棒性能。国外学者 m a s a n o r i 建立了电动助力转向系统与主动悬架系统的联合整车动力学模型， 对主动悬架系统与电动助力转向系统的集成控制进行了研究。学者p a t r i c k 、 k u b o t a 等人通过a m e s i m 软件对电动助力转向系统进行了分析。学者n o b u o 以获得出色的转向路感为目的，对电动助力转向系统的控制策略进行了研究。 学者m a s a h i k o 对e p s 的静态转向特性进行了探讨。学者h i n g e 对电动助力 转向系统在客车以及重型货车上的应用进行了分析。 1 5 本论文的研究内容 武汉理工大学硕士学位论文 在对国内外有关电动助力转向系统的研究成果进行分析的基础之上，同时 经过研究生期间对相关课程例如单片机原理、自动控制原理以及电路原理等进 行深入学习以后，在导师的指导之下，对电动助力转向系统的各个方面进行了 一次全面系统的分析和讨论，得出了一些比较有价值的结论。本论文的主要研 究内容是围绕如下几个方面展开的： 第一，对电动助力转向系统的关键组成部件进行了详细的分析，提出了常 用的电动助力转向系统的控制策略。 第二，建立了电动助力转向系统的相关模型，主要包括二自由度的汽车整 车数学模型、轮胎模型以及电动助力转向系统模型。通过对汽车整车模型的建 立和分析讨论，对影响转向操纵稳定性的关键参数进行了理论上的解释，得出 了相关的汽车运动微分方程。通过对电动助力转向系统进行受力分析，建立了 简化的电动助力转向系统动力学模型，主要包括转矩传感器模型、轮胎模型以 及直流电动机模型等。 第三，通过对已经建立的汽车整车模型以及电动助力转向系统模型进行分 析，得出了电动助力转向系统、模糊控制器以及整车的仿真模型，在此基础之 上，详细讨论了电动机的控制策略，其中重点对助力控制策略进行了研究，利 用模糊控制获得的助力电机电流随车速以及转向盘力矩的三维变化关系曲线 图，分别使用了p i d 控制策略以及模糊自适应p i d 控制策略来对助力电流进行 控制，通过对比分析得出了两种控制策略的差异。 1 6 本章小结 本章首先简要地对汽车转向系统进行了介绍，接着分析了电动助力转向系 统研究的目的和意义，最后通过分析近年来国内外公开发表的各种文献资料， 总结了电动助力转向系统的最新研究成果和研究方向，在此基础之上，提出了 本论文在电动助力转向系统方面将要进行的主要研究内容。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统的分析 2 1 电动助力转向系统概述 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 ) 是一种直接依靠电动 机提供辅助转向力矩的动力转向系统，它的产生满足了人们对驾驶轻便性的要 求。该系统能够根据汽车转向时的不同工况控制电动机输出相应的辅助转向力 矩，这完全与当前电控技术和汽车技术相结合的趋势相符合。 电动助力转向系统的组成包括：机械式转向系、转矩传感器、车速传感器、 离合器、电动机、减速机构以及电控单元( e c u ) 等。图2 1 为常见的电动助力转 向系统的结构简图。从图中可以看出，转矩传感器1 借助扭杆连接在转向轴2 图2 1电动助力转向系统的结构简图 1 一转矩传感器2 一转向轴3 一减速机构 4 一齿轮齿条式转向器5 一离合器6 一电 动机7 一电子控制单元( e c u ) 的中间。当驾驶者转动转向轴2 时，转矩传感器1 便开始发挥功能，把上下两 段转向轴在转向力矩作用下产生的相对转角值转化为电信号传递给电控单元 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( e c u ) 7 ，电控单元根据转矩传感器和车速传感器传递的信号控制电动机6 的转 动方向以及电动机助力电流的大小，而且将控制指令输送给电动机，接着通过 离合器5 和减速机构3 将辅助转向力矩施加给转向系统( 也就是转向轴) ，从而 实现对助力转向的实时控制。该套电动助力转向系统能够非常迅速方便地提供 不同车速下所需的辅助转向力矩，确保汽车在低速行驶过程中转向轻便灵活， 在高速行驶过程中稳定可靠。 与传统的液压助力转向系统相比，电动助力转向系统具有下面的几个优势： 第一，电动助力转向系统能够节省空间。这是因为电动机、离合器以及减 速机构集成在了转向柱或者转向器壳体内，此外，电动助力转向系统中也不再 需要布置液压泵和辅助管路。 第二，电动助力转向系统具有质量轻的优势。这主要是因为它只需要在传 统的机械式转向系统的基础上添加电动机以及减速机构。 第三，电动助力转向系统能够节约动力。因为在电动助力转向系统当中的 控制电路使得电动机只需在转向时才工作，然而在传统的液压助力转向系统中， 液压泵一直在不停地工作。 第四，电动助力转向系统在结构上更容易集成，这时因为它所需的部件较 液压助力转向系统少而且不需要加入液体。 不过，因为电动助力转向系统配备了电动机以及减速机构等部件，使得整 个系统的成本增加了；除此之外，电动机和减速机构等部件生成的惯性力以及 摩擦力会对转向特性产生影响( 比如：造成过多转向) ，另外，也可能对转向系 统的自动回正作用及其阻尼特性产生影响。所以，对于配置有电动助力转向系 统的汽车，进行整车性能的正确匹配显得格外地重要。 从上面的分析可以得知，电动助力转向系统在对空间和重量要求较高、装 配小排量发动机的微型汽车上非常适合使用。从1 9 8 8 年开始，日本铃木汽车公 司在c e r v o 微型汽车上配置了电动助力转向系统以后，其他的汽车公司也逐步地 把电动助力转向系统布置在其生产的微型汽车上( 例如：大发汽车公司的m i r o 汽车、三菱汽车公司的m i n i c a 汽车) 。 2 2 电动助力转向系统的分类 依据电动助力转向系统中电动机布置位置的不同，它可以分为下面的几种 8 武汉理工大学硕士学位论文 类型：齿条助力式、齿轮助力式和转向轴助力式等三种类型，见图2 2 。 在齿条助力式电动助力转向系统当中，电动机和减速机构是直接驱动齿条 的从而向其提供动力。比如，在三菱汽车公司的m i n i c a 微型汽车上，将转矩传 感器安装在了转向齿轮附近位置，而把电动机和减速机构集成为一体安装在转 向齿轮另外一侧的转向齿条上，电动机输出的转矩直接传递给齿条。电控单元 则布置在仪表板的后方。 在齿轮助力式电动助力转向系统当中，电动机和转向机构直接与转向齿轮 配合，电动机输出的转向力矩直接驱动带动转向齿轮实现助力转向。比如，在 大发汽车公司的m 曲微型汽车上，电动机、减速机构、转速传感器和离合器集 成为一体，电动机输出的动力经过减速机构直接传递给转向齿轮从而带动转向 齿轮轴进行助力。 3 3 l l a ) 转向辅助力式b ) 齿轮助力式c ) 齿条助力式 图2 2电动助力转向系统的类型 a ) 转向轴助力式b ) 齿轮助力式c ) 齿条助力式 1 一电动机2 - 转向轴3 一转向齿轮4 _ 转向齿条 在转向轴助力式电动助力转向系统当中，电动机安装在转向轴旁边，另外 还安装有一个电磁控制的离合器，它与减速机构相连，在减速机构之后是转向 轴，这样，电动机就可以直接驱动转向轴从而实现助力转向。比如，a l t o 微型 轿车上配置的电动助力转向系统就属于该类型。 电动助力转向系统是通过传感器实时获取汽车的车速而进行控制的，不同 的车速，它提供的转向力矩是不相同的。当汽车的行驶速度逐步增加时，它所 提供的转向力矩就逐渐地减小。按照所提供的辅助转向力矩的车速范围进行分 类，电动助力转向系统有低速助力型和全速助力型两种。例如，a l t o 和m i n i c a 汽车只提供低速范围内的助力，其助力车速上限分别是4 0 k m h 和3 5 k m h ；而 9 武汉理工大学硕士学位论文 m i r o 微型汽车则在所有的车速范围了都提供辅助转向力矩。 低速助力型电动助力转向系统虽然成本较低，然而当汽车的处于不同的行 驶状态时，即不同的车速时汽车的转向路感会有较大的差别。特别是当汽车车 速位于辅助动力系统将要发挥作用的车速附近时，转向手感会有明显的不同。 2 3 电动助力转向系统的组成部件 2 3 1 电动机 电动机是为电动助力转向系统提供动力的，它的主要作用是根据电控单元 发出的控制指令以适当的转速输出合适的辅助转向力矩。目前，电动助力转向 系统中普遍使用的是永磁式直流电机，它又可以分为有刷式和无刷式两种。电 动机性能的好坏对电动助力转向系统功能的发挥有很大的影响，因此，电动助 力转向系统所用的电动机必须具有转矩大、转动惯量小、转矩波动小、质量轻、 尺寸小、可靠性高以及易于控制等优良特性。因此，在对电动机进行选型时， 还必须对电动机的某些结构进行改进，以便与电动助力转向系统相匹配，例如： 沿转子的表面开出斜槽或者螺纹槽，将定子磁铁设计成不等厚等。 2 3 2 减速机构 减速机构在电动助力转向系统中与电动机通过离合器相连接，它的作用是 降低电动机输出的转速同时提高其输出的转向力矩。通常，减速机构的类型包 括：行星齿轮机构、滚珠螺杆螺母机构和蜗轮蜗杆机构等。其中，行星齿轮减 速机构经常使用在齿轮助力式电动助力转向系统和齿条式电动助力转向系统 上，而蜗轮蜗杆减速机构一般与转向轴助力式电动助力转向系统相配合使用。 2 3 3 转矩传感器 转矩传感器的作用是测得驾驶者作用在方向盘上的转向力矩的方向和大 小，有些功能强大的转矩传感器还可以测得方向盘转角的方向和大小。转向传 感器的设计非常复杂而且生产成本比较高，所以说，电动助力转向系统能否逐 步扩大市场占有率，质优价廉的转矩传感器是关键之一。 转矩传感器分为接触式和非接触式两种。接触式转矩传感器的工作原理是： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 当转向系统工作时，滑环以及电位计测得安装在转向轴和转向齿轮之间的扭杆 的变形量并转化为电信号，通过信号输出端将信号输出并进行转化从而得到作 用在转向轴上的转矩值。非接触式转矩传感器的工作原理是：其中安装有两对 磁极环，当输入轴与输出轴之间发生相对转动时，磁极环之间的空气间隙就会 发生改变，进而使得电磁飞感应系数发生变化，在线圈中产生感应电压，最后， 将电信号转化为转矩信号。这中传感器的优点是测量精度高、体积小，缺点是 成本高。 2 3 4 电控单元 电控单元是电动助力转向系统的核心，它的作用是依据转转矩传感器和车 速传感器测得的数据，在经过分析计算之后向电动机和离合器发出控制指令。 电动助力转向系统的控制原理图如图2 3 所示。 电控单元必须具备安全保护以及自我诊断功能模块。它要能够通过各种传 感器采集到发动机的工况、电动机的工作电流等重要信号，确定系统是否工作 正常。如果系统工作发生异常情况，就必须启动安全保护功能自动的切断助力 图2 3电动助力转向系统控制原理图 1 一报警灯2 一蓄电池3 一车速传感器4 一转矩传感器5 一转速传感器 卜接口电路7 _ 微处理器8 一监控电路卜电控单元l 卜驱动电路 l l 一继电器1 2 - 功率放大器1 3 一电动机1 4 一场效应管桥式电路 1 5 转矩校验电路1 6 一稳压电路 转向功能，保证汽车的安全行驶。另外，当系统发生故障时，电控单元要有故 武汉理工大学硕士学位论文 障诊断分析功能。电控单元通常采用8 位的单片机进行控制，有些电动助力转 向系统的电控单元采用的是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称 d s p ) 进行控制。作为应用在电动助力转向系统上的电控单元，其控制系统必须 具有强大的抗干扰功能来适应汽车复杂的应用工况。而且，控制算法要能够快 速、准确、实时地满足汽车转向控制的要求，尽最大可能地实现理想的助力规 律。 2 4 电动助力转向系统的助力控制 电动助力转向系统的首要功能是实现助力转向，因此助力控制是电动助力 转向系统的核心，助力控制的作用是减轻驾驶者施加在转向盘上的力，保证驾 驶者只需要使用很小的力与转向盘上就可以使汽车转向，实现汽车转向时的轻 便性与灵活性。如何才能实现助力呢? 首先利用车速传感器以及转矩传感器对 车速以及转矩进行监测，然后电控单元采集转矩传感器以及车速传感器传递过 来的信号，并且根据存储与其中的助力特性曲线计算出所需的助力电流，然后 通过控制电动机两端的电压来确定输出的电流，从而得出输出的助力力矩的大 小，同时使用电流传感器监测电动机实际输出的电流，将其与理想的助力电流 进行比较，通过设定的控制策略来对实际输出电流进行调整，使之不断与理想 目标电流相接近。 2 5 电动助力转向系统的回正控制 车辆的回正性能是评价汽车操纵稳定性时的一个非常重要的指标。汽车的 回正性能试验是在平坦的路面上进行的。使汽车绕半径为1 5 m 的圆做圆周运动， 控制汽车车速保证侧向加速度为4 m s 2 , 接着突然放开方向盘，这时前轮在回正力 矩的作用下就会向中间位置发生偏转。将该过程中的车速u 、时间t 、方向盘转 角6 。w 以及横摆角速度嘶记录下来，经过数据分析和整理之后就可以得到横摆角 速度嘶与时间t 的关系曲线。 如果汽车的最高车速大于l o o k m h ，还必须对汽车进行高速回正性能试验， 试验时将车速规定为最高车速的7 0 。方法如下：保证汽车以7 0 的试验车速 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 作直线行驶，之后在方向盘上施加一定的力矩使得汽车的侧向加速度保持在 2 r r d s 2 ，接着就使作用在方向盘上的力矩瞬间移除，将该过程中的车速u 、时间t 、 方向盘转角6 娜以及横摆角速度嘶记录下来，经过数据分析和整理之后就可以得 到横摆角速度嘶与时间t 的关系曲线。 通过调整主销的角度以