（车辆工程专业论文）基于无刷直流电动机的电动助力转向系统的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 电动助力转向系统是近些年出现的新型动力转向系统。本文以转向轴式电动助 力转向系统为研究对象，对电动助力转向系统的物理模型和数学模型进行了分析， 针对简化的物理模型提出了电动助力转向系统的控制方法，建立以t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心的电动助力转向系统。 本文建立了电动助力转向系统的数学模型，深入研究了用于电动助力转向控制 的三种控制策略( 助力控制，回正控制和阻尼控制) ，使得系统在提供相应助力的同 时，能够提高电动助力转向系统的性能。 本文在电动助力转向系统中用无刷直流电动机取代普通直流电动机，建立了无 刷直流电动机的数学模型，研究了无刷直流电动机的控制方式及控制策略。建立了 含有电力功率模块的无刷直流电动机控制仿真系统，通过仿真验证了无刷直流电动 机控制方法的正确性。 本文采用电流负反馈控制方式实现助力电动机在转向过程中的电流和助力转 矩；为了满足无超调、抗负载扰动能力强、实时性和快速响应性好的要求，系统采 用p i d 控制策略。 本文构建了以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 微处理器作为控制核心的无刷直流机 控制系统，设计了系统的硬件电路，编写调试了相应的控制程序，设计了无刷直流 电机的控制系统。 本文搭建了电动助力转向系统的试验台架，为今后深入研究电动助力转向系统 的性能奠定了基础。 关键词：电动助力转向；p i d 控制；无刷直流电动机；d s p 控制器 a b s t r a c t e l e c t r i cp o 、e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) ，w h i c he m e r g e di nr e c e n ty e a r s ，i san e wt y p eo f v e h i c l es t e e r i n gs y s t e m t h i sp a p e r 锄a l y 2 r e dt h ep h y s i c a li n o d e l sa n dm a t l l e m a t i c a lm o d e l s o ft 1 1 ee p sf o rt h e 咖d yo fc o l l l m ne p s ，p r e s e n t e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fe p sa g a i n s tt h e s i m p l i f i e dp h y s i c 2 l lm o d e la n de s t l b l i s h e de p sm a i n l yc o n 虹o l e db yt i st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f i r s t l y ，t h i sp a p e re 虹b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe s p ，r e s e a r c h e d 恤e 也r e e c o n t r o ls 仃a t e g yo ft h ee l e c 仃i cp o 、v e rs t e e r i n gc o n t 】l ：a s s i s tc o 砷的l ，r e t u mc o i l n o la i l d d 觚1 pc o m r 0 1 1 1 1 i sh e l p st oi r n p r o v et 1 1 ec 印a c 埘o fe p s 砌l ep r 0 v i d i n g 印p r o p r i a t e a s s i s t a n c e s e c o n d l y ，t h i sp a p e rr e p l a c e dt 1 1 ed cm o t o r 埘t l lb r u s l l l e s sd c ( b l d c ) m o t o r ， e s t a b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb l d cm o t o ra n dr e s e a r c h e dt h ec o n t r o lm e t b o d s a 1 1 dc o n 昀ls t r a t e g i e so fi t t l l i sp a p e ra l s ob u i l tb l d cm o t o rc o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e m w i mae l e c t r i cp o w e rm o d u l ea n dc e i r t i f i e dt h ec o n e c t i o no ft l l ec o n 仃o lm e 也o do ft 1 1 e b l d c m t h r o u 曲t h es i m u l a t i o n t l l i r d l y ，“sp 印e ru t i l i z e d c u r r e n tn e g a t i v ef e e d b a c kc o n t r o lm e a i l st oh e l p 恤 a s s i s t 甜l c em o t o ri na c h i e v i n gt h ee l e c t r i c a lc u r r e n ta r l dp o w e ro ft o r q u ew h i l es t e e r i n g ；t h e s y s t e mu s e dp i dc o n t r o ls t r a t e g yt om e e tt l l e s t r i c tr e q u i r e m e n t so fn oo v e r s h o o t ，觚t i 。 d i s t u 】巾a n c ec a p a c i t y l o a d ，r e a l - t i m ea i l dr a p i dr e s p o n s e a tl a s t ，t h i sp a p e rc o n s t u c t e dt h eb l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e mw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 m i c r o p r o c e s s o r c o n t r 0 1a st h ec o r e ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，p r o 铲觚吼e da n d d e b u g g e dt l l ec o 玎e s p o n d i n gc o n t r o lp r o c e d u r e s ，d e s i g i l e dt h ec o n _ c r o ls y s t e mo f b l d c n l o t o r k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i i l g ； p i dc o 船o lm i c r o c o m o l l e r ；b l d cn 1 0 i t o r ；d s p c o n n o u e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东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。 研究生签名：泡迄燕 时间：硼年月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：，魃洒氨 导师签名： 时间：硼3 年月日 时间：年月日 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着现代汽车技术的迅猛发展，社会生活汽车化，汽车的保有量不断增加。由此造 成交通错综复杂，使得转向盘的操作频率增大，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益 提高，特别需要减轻驾驶疲劳，提高操纵的轻便性和灵活性l l j 。 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，例如车辆在 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及电控液压动力转向 系统，直至如今的更为节能、操纵性能更优的电动助力转向( e l e c t r i cp o 、e rs t e 耐n g ，简 称e p s ) 系统。 汽车转向系统发展简史 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。按转向的动 力来源，汽车的转向系统可分为机械式转向和动力转向。机械式转向系统是以人的体力 为能源的，所用的力传递部件都是机械的，它主要由操纵机构、转向器和转向传动机构 组成，转向器的好坏直接影响到汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机 械转向系的基础上增设了一套转向助力机构，它兼用驾驶员的体力和其它动力作为转向 能源。 到目前为止，汽车动力转向装置的发展历程主要经历了三个阶段：机械助力转向装 置；液压助力转向装置；电动助力转向装置。 液压助力转向是由油泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整压力油的流量，根据 汽车的行驶状态，控制转向系统。在汽车转向过程中，转向动作仍然由驾驶员完成，动 力转向系统的油压只对转向起辅助作用。液压助力转向所起的作用大小主要取决于油压 的高低，因此系统中对油的流量控制最为重要。其控制方式有机械控制式和电控式。 机械控制式是根据车速或发动机转速进行控制，最早使用的是在油压系统中用螺线 管改变油路通道面积，以此控制动力转向系统中油的压力。 电子控制式是根据汽车的运行状态控制动力转向辅助系统的工作。例如根据行驶车 速、转向工作量( 方向盘转角、方向盘转向速度) 以及车轮侧滑量等因素，控制转向过程 中辅助系统的油流量。 但是，不论是机械控制式还是电子控制式的液压助力，转向系统工作时，液压泵持 续运转，由于驱动液压泵工作的动力源是发动机，这样就要消耗发动机的一部分有效功 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 率。 为了降低燃油消耗、解决环保方面的问题，提出了不以发动机作为直接动力源，而 是用电机控制的助力转向方式，这种助力方式被称为电动助力转向。它具有传统转向系 统不可比拟的优点：没有液体渗漏和再循环；没有泵、输液软管、驱动皮带、液体储存 箱；便于安装，附加损耗低，无需维护；体积小、结构紧凑、易于装配；路感可调；回 正性能好；能耗少、几乎无污染；低温工作性能佳；可在各种工况下提供最佳助力；可 以与汽车其它电子控制系统结合f 2 】【3 】。 1 2 汽车电动助力转向系统国内外发展现状 电动助力转向装置( e 1 e c t r i cp o 、 ，盯s t e e 血gs y s t e r n ，简称e p s ) 是在纯机械助力转 向装置和液压助力转向系统( h p s ) 之后新发展起来的一种新型高性能汽车助力转向装 置。 在欧美、日本等汽车工业发达的国家，汽车电动助力转向系统的研究己经趋于成熟 和完善。自1 9 9 6 年以来，采用电动助力转向的车型不断增加，并开始向大排量的车型普 及。到2 0 0 6 年安装电动助力转向系统的装车率已超过4 0 ，特别是在非常注意环境保护 的欧洲超过了5 0 。在日本，许多车型尤其是微型车都采用了电动助力转向，例如铃木 的m rw a g o n 、本田的f i t 、大发的m a x 以及丰田的混合动力车舢s 等。世界各大汽车 厂商对e p s 的开发都极度重视。 国内在这方面的研究刚刚起步，并且都处于实验室研究阶段，仅有为数不多的院校 开展了电动助力转向系统的研究。1 9 9 2 年，清华大学率先对e p s 进行了探索性的研 究；随后，同济大学、吉林大学、华中科技大学、合肥工业大学、东南大学等高校相继 开展了这一方面的研究，并且取得了一系列成果。在电动助力转向装置的控制策略上进 行了不同研究，提出了各种控制方法，如：p d 控制、b p 网络、模糊控制、自适应模 糊神经控制等 4 】【5 】【6 】用。陕西、吉林、安徽等省都已明确将电动助力转向系统的开发列入 其科技攻关项目。 电动助力转向系统的特点 汽车电动动力转向系统是在机械转向系统的基础上加入电动机为动力源，用电动动 力代替液压动力转向系统。并以其环保、节能、成本低、工作可靠等优点越来越来受到 汽车行业的重视。 1 、降低了燃油消耗。液压动力转向系统需要电动机带动液压油泵，使液压油不停 地流动，浪费了部分能量。而电子控制助力转向系统采用了电动机代替发动机驱动机械 液压泵，这在一定程度上降低了发动机的负荷，电动助力转向系统仅在需要转向操作时 2 厶 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 才需要电动机提供的能量，该能量可以来自蓄电池，也可以来自发电机。而且，能量的 消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘转向时，电动机在控制模块的作用下 开始工作，输出相应大小及方向的转矩作为助力扭矩，而且该系统在汽车原地转向时输 出最大转向力矩，随着汽车速度的变化，输出的力矩也跟随变化。该系统真正实现了 “按需供能”，是真正的“按需供能型”系统。汽车在较冷的冬季起动时，传统的液压 系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系统设计时不依赖 于发动机而且没有液压油管，对寒冷天气不敏感，系统即使在_ 4 0 0 c 时也能工作，所以 提供了快速的冷起动；由于该系统不需要起动预热，节省了能量；不使用液压油泵，避 免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性。装有电动转向系统的车辆和有液压助 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 ，使用转向情况下，燃油消耗降低了5 5 。 2 、增强了转向跟随性。在电动转向系统中，电动机与助力机构直接相连可以使其 能量直接用于车轮的转向，该系统利用惯性减振器的作用，使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。和液压助力转向系统相比，旋转力 矩产生于电动机，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。 3 、改善了转向回正特性。时至今日，动力转向系统性能的发展已经到了极限，电 动转向系统的回正特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度然后松开时，该系 统能够自动调整使车轮回到正中。该系统还可让工程师们利用软件在最大限度内调整设 计参数以获得最佳的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到一簇回正特性曲线。通 过灵活的软件编程，容易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，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而 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 、提高了操纵稳定性。通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法，测试汽车的稳 定特性。采用该方法，给正在高速行驶( 1 0 0 k 删h ) 的汽车一个过度的转角迫使它侧倾， 在短时间的自回正过程中，由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高稳定性，驾驶员 有更舒适的感觉。 5 、提供可变的转向助力。电动转向系统的转向力来自于电动机。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。通过修改转向控制单元内存储的软件，可以很容易地按照行驶需要设定或修改转向 助力的特性，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， 而且更易于停车场操作。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。但在电动转向系统 中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对软件的重新编写就可获得，并且所需费 3 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 用很少。 6 、采用“绿色能源，适应现代汽车的要求。电动转向系统应用“最干净 的电 力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油的泄露问题，可 以说该系统顺应了“绿色化”的时代趋势。该系统由于它没有液压油，没有软管、油泵 和密封件，可对构成材料进行再加工，避免了污染。而液压转向系统油管使用的聚合物 不能回收，易对环境造成污染。 7 、系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。由于该系统具有良好的模 块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、加工等，不但节省了费用， 也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产线装配。 由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得设计该系统时有更大的余地，而且 该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的空间利用率极 高。该系统省去了装于发动机上的皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安装其它部件。 许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动转向系统的汽车没有油 泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。 8 、生产线装配性好。电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量 控制阀、储油罐等部件，零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间， 提高了装配效率。 9 、采用转向控制单元，系统出现故障时可以使用故障诊断仪辅助故障的检修。 1 4 课题的意义 电动助力转向系统是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外己经由研 究、开发和试用阶段，转入批量生产阶段，并成为现代汽车零部件生产的“高新技术产 品。“高 是指其技术含量高，包括电子、电力驱动、控制器、传感器、计算机、机械 和安全工程等八个技术领域；所谓“新”是指其应用现代电力电子和信息技术以后，创 造出传统的液压助力转向系统无可比拟的节能环保、高性能、低成本、高效率等特点的 新产品。随着电力电子技术和控制技术的发展，电动助力转向系统取代液压助力转向系 统己经成为必然。 2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将电动助力转向系统 列为汽车零部件“高新技术产品”之一。目前国内在本领域的研究才是刚刚起步，因此 本研究具有重要的理论意义和实践指导价值。 1 、研究内容 1 ) 研究电动助力转向系统的工作原理。 2 ) 建立电动助力转向系统的动力学模型。系统动力学模型可分两步完成：首先依 据电动助力转向系统实物建立转向系统的物理模型，然后根据物理模型列出转向系统的 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 动力学微分方程。 3 ) 研究控制策略。电动助力转向系统一般都采用微机控制，控制方式应简单可 靠，控制精度要高且成本低，重量轻。因此对控制策略做细致的研究是必要的。 4 ) 重点研究p i d 控制方法在系统中的应用，并进行仿真分析。 2 、研究成果及创新点 1 ) 在分析国内外电动助力转向系统数学建模的基础上，建立了以控制方向盘转矩 为输入、受控车辆转向柱转角为输出的线性系统模型。运用p i d 控制器对电动助力转向 系统进行控制，可有效克服系统存在的摩擦、间隙等非线性因素对系统的不良影响，以 提高系统的控制精度。 2 ) 助力电机目标电流值的确定。为了满足车辆低速行驶时转向轻便以及高速行驶 时有良好路感的要求，引入横摆角速度的补偿电流以及阻尼补偿电流，以获得满意的转 向性能。 其基本原理如下：方向盘与角位移传感器连接在一起。当人操纵方向盘转动时，角 位移传感器开始工作，它所产生的电信号通过通信模块等，传送到受控车辆的控制单 元，受控车辆上的角位移传感器时时监测转向系统的输出转角，并将输出转角信号送到 控制单元，控制单元根据接收到的这些信号决定电动机的旋转方向和电枢电压的大小， 进而控制电机的输出转矩，电机与蜗轮蜗杆减速机构相连，以达到增加扭矩的目的。从 而产生所需的转向力，要求该系统响应时间短，跟随精度高。 5 山东理t 大学硕士学位论文第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 2 1 电动助力转向系统的工作原理 电动助力转向系统是利用电动机提供转向助力，一旦有转向动作发生，转矩传感器 可以根据转向轴的扭转变形量迅速测出转向阻力矩的大小，并将该扭矩信号传递给电子 控制单元，同时电子控制单元也会接收到来自车速传感器的车速信号；根据这两个信 号，电子控制单元中的控制程序会按预先设计好的助力特性确定电动机电流的大小，进 而确定电动机的输出力矩，实现助力转向。在汽车低速行驶情况下，提供助力，减少驾 驶员的出力，得到一种轻便的效果；而在汽车高速行驶情况下，电机处于阻尼状态，提 供给驾驶员一种稳定的感觉，从而保证了驾驶的安全性。 图2 1 电动助力转向系统示意图 2 2 电动助力转向系统的总体构造 电动助力转向系统主要由转矩传感器、车速传感器、电动机、电子控制单元 a e c d ，离合器和减速机构等组成，其结构如图2 - 1 所示。 2 2 1 传感器 1 、车速传感器 6 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 车速传感器常采用电磁感应式。 电磁感应式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，在铁芯和衔铁之间留有空气 隙，被测物和衔铁相连。当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化，改变磁路的磁阻， 使线圈电感量变化，电感量的变化通过测量电路转化为电压、电流或频率的变化，从而 实现对被测物位移的检测。 当汽车行驶时，固定在变速箱内侧的测速齿盘转动，与固定在变速箱壳体上的车速 传感器产生相对移动，车速传感器获得连续的正弦信号，信号频率与车速成正比。另 外，车速也可以从仪表盘中获得。 2 、扭矩传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小和方向，以及转向盘转 角的大小和方向。为了实现上述目的，该装置使用一个电位计，这种电位计输出两个彼 此独立的系统扭矩信号，即主信号和副信号，控制器同时监控两个信号，并用副信号来 检查主信号是否正确。 电动助力转向系统的扭矩传感器主要有三种形式：摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆 式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向扭矩 的；双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向扭矩信号 值，拉杆位于转向输入轴和输出轴之间，行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。扭 杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移，从而测得转向扭矩。 扭矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定 电动助力转向系统能否占领市场的关键因素之一。目前在实际中用得较多的是在转向轴 上加一拉杆，通过拉杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到扭矩。非接触式扭矩传 感器的结构如图2 2 所示。扭矩传感器感应部分包括两个线圈和一个滑套( 铁芯) ；转向轴 助力式转向系统的转向轴从中间断开，上段为输入轴，下段为输出轴，输入轴与输出轴 之间用扭杆连接；传感器滑套被套在输出轴外，固定在扭杆上的导向销插入传感器滑套 的斜槽中，导向销既可随输出轴一同转动，也能沿传感器滑套的斜槽作上下移动。当转 向阻力较小时，转动转向盘后，滑套和转向输出轴一起转动，滑套不做上下运动；当转 向阻力较大时，转向力矩增大，扭杆发生扭转，输入轴和输出轴的转角不同，相应的导 向销和滑套的转角也不同，导向销将迫使滑套上下移动。这时滑套( 铁芯) 外围的两个线 圈可检测到运动的大小和方向，从而获得转矩的大小和方向。 另外也有采用体积小、精度高的非接触式扭矩传感器。非接触式扭矩传感器中有一 对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之间的空气 间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器的优点是体积小，精 度高，缺点是成本较高。 7 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 2 2 2 电子控制单元 - )b ) 图2 2 非接触式扭矩传感器结构图 电子控制单元( e c 功的功能是： 1 、根据扭矩传感器和车速传感器的信号，进行逻辑分析与计算，发出指令，控制 电动机和离合器的动作。因此，控制系统与控制算法是电动助力转向系统的关键之一。 控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境；控制算法应快速准确，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。此外，控制单元还应该具有 安全保护和自我诊断功能。控制单元通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况 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，同时进行 故障诊断分析。电控单元的一个典型的控制电路基本结构如图2 3 所示。控制电路的组 成主要有：中心是一个8 b i t 的单片机，其内设有2 5 6 字节的r a m ，4 k 字节的r o m ，8 b i t 的a d 转换器。 2 、当系统存在故障时，转向控制单元会存储故障码并点亮仪表板上的助力转向警 告灯。当监测到系统内电动机等部件出现严重故障时，转向控制单元会切断助力转向系 统，此时机械转向系统仍然正常。为了保护电动机等部件，转向控制单元在适当的时候 会起动临界状态控制程序。例如当转向器转动至极限位置时，由于此时助力转向系统的 电动机不能转动，所以通过电动机的电流就会达到最大值，为了避免持续大电流导致电 动机和控制单元损坏，所以当较大电流连续通过3 0 s 后，转向控制单元就会控制电流逐 渐减小。当这种状态消失后，转向控制单元就会根据需要控制电流逐渐增大，直到达到 正常工作电流值。 8 山东理工大学硕士学位论文第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i ll 2 2 3 执行机构 图2 3电控单元基本结构 1 、电动机 无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的、具有一定磁极对数的永磁体。转子的 结构分为两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将 永磁体内嵌到转子铁芯中，称为嵌入式。为了能产生梯形波感应电动势，无刷直流电动 机的转子磁钢的形状呈弧形，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布。定子上有 电枢，这一点与永磁有刷直流电动机正好相反，永磁有刷直流电动机的电枢装在转子 上，而永磁体装在定子上。无刷直流电动机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组。绕组 的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与外部的电子 开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制。 2 、减速机构 电动助力转向系统的助力减速机构与电动机相连，是放大电动机的输出扭矩并将其 传递至转向柱上的重要组成部分，在系统中占有重要位置。助力机构设计应考虑汽车上 转向机构安装空间的大小，结构应尽量简单、紧凑，正向转动效率要高而逆向转动效率 要适当，并要保证转动| 贯量和摩擦、间隙尽可能的小。这样既能保证一定的转向路感和 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章汽车电动转向系统的工作原理和总体构造 轻便性，又能有适当的转向灵敏度。目前，减速机构有助力方式和位置推动方式两种形 式。助力方式主要有蜗轮蜗杆机构和齿轮箱变速机构；位置推动方式主要有差动轮系机 构。蜗轮蜗杆机构结构简单，体积小，传动比大，便于安装，但需要通过离合器与转向 柱相连，主要用于转向轴助力式电动助力转向系统。差动轮系机构不需离合器，但效率 底，体积较大，安装时需要较大的空间。 3 、离合器 一些电动助力转向系统中配备有离合器，其功能是保证助力转向系统只在预先设定 的车辆行驶速度范围内起作用。电动助力转向装置最初设定在车速处于3 0 k m 厢以下时 提供转向助力，后期的车型一般都改为车速在4 5 k 1 1 1 以下时提供助力，车速达到 4 5 l 【1 1 恤以上时自动解除助力转向功能。再后来又发展了一种全域提供助力转向功能的 系统。当行驶速度大于此系统限定的最大速度时，离合器将切断电动机电源，使助力转 向系统不起作用。在这种情况下，转向器的手动操纵依然有效。另外，当电动机发生故 障时，离合器将自动断开。为提高转向性能，这类离合器通常具有磁滞性能，以实现无 级离合。 1 0 山东理工大学硕士学位论文 第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 3 1 电动助力转向系统模型 3 1 1 电动助力转向系统物理模型建立 电动助力转向系统根据电动机布置位置不同，分为三大类。转向轴式电动助力转向 系统( c e p s ) ：电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转 向轴助力转向：齿轮轴式电动助力转向系统( p e p s ) ：电动机和减速机构与小齿轮相 连，直接驱动齿轮助力转向；齿条轴式电动助力转向系统( r - e p s ) ：电动机和减速机 构直接驱动齿条提供助力。三种助力转向系统除物理模型和系统参数有差别外，动态模 型和控制原理基本相同。下面以转向轴式电动助力转向系统为例来分析系统模型【8 j 。 转向轴式电动助力转向系统将助力电动机和助力机构安装于转向轴上，各部件由实 物抽象为物理模型如图3 1 所示。整个系统由转向柱、转向器、转矩传感器、车速传 感器、微电脑控制单元、电机和助力机构等组成。其工作原理是：扭矩传感器开始工 作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给电子控制单元 ( e c u ) ，e c u 根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电 流的大小，从而完成实时控制助力转向。控制单元根据不同的控制策略，在不同的控制 条件和不同车速下提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行 驶时稳定可靠，提高驾驶员的行车“路感”。 齿轮齿条传动机构 图3 1 转向轴式电动助力转向系统物理模型 ll 山东理工大学硕士学位论文第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 3 1 2 转向轴式电动助力转向系统动态数学模型的建立 由图3 1 所示的物理模型【9 】【1 0 1 ，可得到转向轴式电动助力转向系统的动态数学模 型，如图3 2 所示。由于电动助力系统是多变量、强耦合的非线性系统，同时系统存 在未建模动态以及外部的干扰和参数的变化等未知因素，因此建立适合于实际控制的电 动助力转向系统数学模型是控制设计的基础。 f t 图3 2c e p s 系统动态数学模型 由电动助力转向系统的数学模型，依据牛顿运动定理，针对系统的三大部分( 转向 轴，齿条轴和控制电机) 建立如下转向轴式电动助力转向系统的非线性运动方程式： 以见= 疋2 + 乃一6 。眈一k 见+ 以( 见，眈)( 3 - 1 ) ，_ 磁，：盟一垡挚+ 坐矗一6 ，文，一+ 正( 戈，) rp pt p ：堡( 包一生) + 垒坠( 氏一生) 一以戈，一+ ，( x ，戈，)( 3 _ 2 ) r pr pr pi 。p 厶包= 乙一乃一6 。巳+ 厶( 巩，既) ( 3 - 3 ) 上述三个式子中参数说明如下：乃为转向盘力矩q ：x ，朋，6 ，分别为齿条 的位移量、质量 g ) 和阻尼系数甜栅) ；见，以，k 。，6 。分别为转向轴的旋转角 ( r a d ) 、旋转转动惯量0 唾妒) 、刚性系数( 卜聊a d ) 、阻尼系数烈s 伽) ；厶为转向轴齿轮 半径；以，厶，k 。，6 。分别为电动机的旋转角) 、转动运动惯量、刚性 系数( 删) 及阻尼系数( n 姗栅；g 为电动机至齿轮轴的减速比；为轮胎转向阻 力及回正力矩等作用于齿条上的转向阻力，正，和厶是模型中的非线性项。 1 2 山东理工大学硕士学位论文 第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 式( 3 1 ) 为转向轴的动态方程。其中上为齿条移动的距离转化为齿轮旋转转过的 角度，眈为转向盘转过的角度，k 。见一k ，生为转向轴因为旋转的角度而受到的阻 r p 力，乃为转向盘的力矩输入，再加上六非线性项，成立了关于转向轴的方程式。 式( 3 2 ) 为齿条轴的动态方程。其中盟一竺! 为经过转向轴传递到齿条轴上的 r pr ； 力，旦( 巳一型墨生) 为助力电动机经减速机构后传递到的齿条的作用力。转向阻力 r p l p e 胃主要受转向时车轮与地面的摩擦力、回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的影 响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等有关。本文从理论与 实际应用出发，以简化计算公式= e + c 来表示，k x 为弹性系数；c 为路面对轮 胎产生的随机扰动。 式( 3 3 ) 为电动机的动态方程。其中l ：傩。( 既一堡) 为电动机的输出力矩，乙 ，_ 为电动机的给定电磁力矩，瓦值的大小决定于电动机的给定电流大小。在本系统的计 算中，乙值由力矩传感器给出，可表示为： l ：k 4 k 。( 见一生)( o k k ) 0 ( 3 川 式中畅是转向助力增益。该值定义了转向“路感 。即汽车在不同路况下，即使 是相同的行驶速度，相同的转向角，电动机也会提供不同的助力大小，使驾驶员在舒适 驾驶的同时，能充分感受到路面的信息。 助力力矩由电动机供给，疋为电磁力矩死经过减速机构的输出力矩，它的大小 由车速和转向盘的输入力矩及其它信息控制，瓦= 厂( 艺，1 ，) 式中乃为方向盘力矩；圪 为汽车速度。在不同汽车速度下，疋一乃为一族非线性曲线。由式 乙= k 口k 。( 眈一2 )( o e k ) ( 3 - 5 ) r p 知，电动机提供的助力增益由k 。决定。该助力增益反映了系统在不同车速下的助 力水平。不同车速时助力增益k 。不同。k 口与车速y 的关系表示如下： k 。= 死一k 砌 ( o 圪y 尹戤) ( 3 6 ) 式中r 、k 为系数，不同车型系数取不同的值。式( 3 6 ) 表明了k 。随车速圪的 增大而成指数减小。通过计算和仿真得到助力特性如图3 3 所示。该助力图反映了助 力特性关系。电动机提供了较好的助力，在某一速度情况下，当方向盘没有力矩输入的 时候，电动机也不提供助力；当方向盘上有很小的助力时，电动机仍旧不提供助力；直 到方向盘的转动需要很大力矩的时候，为了减轻驾驶员的出力，电动机开始提供助力力 13 山东理工大学硕士学位论文第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 矩，并且力矩的大小随着方向盘转动角度的增大而增大；而当方向盘力矩大于7 n m 时，电动机提供的助力保持不变，达到一个饱和的程度，避免了因电流过大而使电动机 损坏。当然根据不同车型，不同的驾驶习惯等，得到的助力特性图也是不相同的。 3 1 3 助力特性曲线 方向盘力矩t d m ) 图3 3 不同k a 值助力特性图 电动助力转向系统的助力特性曲线分为三大类：直线型、折线型和曲线型。如图 3 _ 4 所示。无论何种助力特性，都可分为三个区：o 乃 乃。为无助力区，即死区： 当转向盘输入力矩小于某一特定值时助力力矩为零；乃。乃 乃一为助力区：助力力 矩随着转向盘输入力矩的变化而变化，转向盘输入力矩越大，助力力矩也就越大： 乃乃为助力饱和区：不同的车速下限制不同的助力电流最大值，在特定车速下转 向盘输入力矩达到一定值后助力电流应该呈现饱和。 当然，不论何种助力曲线，都必须满足以下几条要求：1 、助力特性应该满足电机 控制的特点，即助力特性应连续。2 、依据转向系统的特点，助力特性应有助力死区、 助力区和助力饱和区三大部分。3 、助力特性是车速感应型，故此特性应是三维的离散 型或是三维连续型。同一车速时，不同转向盘力矩，电机提供不同的助力力矩；不同车 速时，提供不同的助力曲线。4 、随着车速的不同，提供的助力也不同。车速越高，提 供的助力越小；车速越低，提供的助力越大嘲【9 】。 i w 厂 心行 邋 么弋一一 j 勿励 直线型 l ”j ? f 一 飞 律一j t d i t d i - w - 、 兀一 飞 饵过 t 折线型曲线型 图3 4e p s 系统助力特性曲线类型 1 4 山东理工大学硕士学位论文第三苹电动助力转向系统模型及控制策略研究 直线型助力特性曲线的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成线性关系。该助 力特性曲线可用以下函数表示。 i o o 乃 乃o ，= 厂( 圪) ( 乃一乃。) 乃。乃 乃m 戤 ( 3 7 ) 【 ，一乃乃一 式中，为电动机的目标电流；k 为电动机的最大工作电流；乃为转向盘输入力 矩： 厂( 圪) 为助力特性中车速的函数，表示曲线的梯度；圪为车速；乃。为转向系统 开始助力时的转向盘输入力矩；乃一为转向系统提供的最大助力时的转向盘输入力 矩。 折线型助力特性曲线的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩成分段线性关系。 该助力特性曲线可用以下函数表示。 ，= 0 o 乃 乃o 。圪h 0 翌；劣? 。乃一乃。，乏恐 。固 ( 圪) ( 乃一乃。) + 石( 圪) ( 乃一乃。) 乃。乃 乃一 、7 k 乃乃一 式中石( 砌) ，厶( 圪) 为助力特性中车速的函数，表示曲线的梯度，随着车速的增 大而减小；乃为助力特性曲线梯度由石( 圪) 变为以( 圪) 时的转向盘输入力矩。 曲线型助力特性的特点是在助力变化区，助力与转向盘成非线性关系。该助力特性 曲线可用下式函数表示。 i o o 乃 乃o ，= 厂( 圪) 厂( 乃) 乃。乃 乃一 ( 3 功 l乙 乃乃一 比较以上三种助力特性曲线，直线型助力特性曲线最简单，但其与该系统中助力电 机的特性相差太大，在应用中需要修相应的修正，修正参数不易确定；折线型助力特性 曲线与助力电机的助力特性相近，但也有误差；曲线型助力特性符合助力电机的助力特 性，曲线光滑，但运算量稍大。 3 2 电动助力转向系统控制策略研究 电动助力转向系统要做到对转向过程中的每个环节( 转向、回正、中间位置) 进行 精确控制，以提高汽车转向助力性能。微控制器可以根据各种传感器的信号，判断转向 状态，选择执行不同控制模式，根据这些要求，制定电动助力转向系统的控制策略，具 体把控制中的策略分为三种：助力控制( 常规控制) ，回正控制和阻尼控制。 1 5 山东理工大学硕士学位论文 第三章电动助力转向系统模型及控制策略研究 3 2 1 助力控制 助力控制( 常规控制) 是在转向角增大的转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过 减速机构把电机提供的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式。通过把转向盘力 矩传感器检测到的力矩信号和由车速传感器检测到的测速信号输入控制器中，控制器根 据助力曲线表确定出电机的助力电流，做为目标电流，电路中设置电流传感器检测控制 电路中的电流，做为实际电流，从而目标电流和实际电流形成控制闭环，进行比较，利 用p d 调节器进行调节，输出p w m 信号到驱动回路以驱动电机产生合适的助力，因 为直流电动机的力矩和电流是成比例关系的，控制了电机的电流，也就控制了电机的输 出力矩，即控制了助力力矩的大小。 3 2 2 回正控制 回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于 转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的 提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性 能提高，根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的 内容有：低速行驶转向回正过程中，保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正 时，为防止回正超调，采用阻尼控制。 3 2 3 阻尼控制 阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。当快速旋转转 向盘时，转向盘的瞬时角速度很大，电动机输出的转矩也很大，转向盘不再旋转后，由 于惯性作用电机还没有停止转动，带动转向盘易造成汽车的过多转向，这是极其危险 的，尤其在车速较高时，需要阻尼控制使电机快速停止转动以改善转向稳定性。 由于电机惯量的存在，电动助力转向系统的惯量比传统转向系的惯量要大。阻尼控 制倾向提高转向的收敛性：即当转向盘停止动作时，电动机也要求相应地停止转动。也 就是说，当电动机转矩比某规定值小，电动机旋转速度比根据当前车速得到的某特定值 大时，进入阻尼控制。采用阻尼控制能够使汽车高速行使时的侧滑角速度迅速收敛，改 善高速时的转向稳定性。阻尼控制可以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象，消 除转向车轮因路面输入引起的摆振现象。 在转向盘力矩相同的情况下，不同车速时助力电流大小不同，车速越低，助力电流 越大，车速越高，助力电流越小，相应的阻尼增加，即在高速行车时增强了转向路感。 1 6 山东理工大学硕士学位论文第四章无刷直流电动机控制策略研究 第四章无刷直流电动机控制策略研究 4 1 无刷直流电动机的基本工作原理 4 1 1 电动机的分类 在控制系统中，常用的执行电动机，按原理分为以下几类： 1 、直流电动机一直流伺服系统； 2 、交流同步电动机一永磁无刷直流电动机和永磁交流伺服电动机； 3 、步进电动机； 4 、开关磁阻电动机； 5 、异步电动机一交流伺服电动机。 近年来，随着电子技术的迅猛发展，一种集交流电动机的结构和直流电动机的特性 于一身的新型永磁无刷直流电动机应运而生。无刷直流电动机的机械特性和调节特性是 具有启动转矩大，启动电流小，调速范围宽等特点。这种电动机效率高，由于其励磁来 源于永磁体，所以不像异步电动机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁 通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量三相异步电动机高1 0 左右。 4 1 2 无刷直流电动机的结构原理 无刷直流电动机的结构原理【i o 】如图4 1 所示：无刷直流电动机主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关电路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似， 但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ， 转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p _ 2 ，4 ) 组成。图4 1 中的电动机本体为三相两 极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图