（车辆工程专业论文）汽车电动助力转向系统试验台设计研究.pdf

武汉理： 大学硕士学位论文 摘要 汽车电动助力转向系统是汽车助力转向方式之一，近年来在汽车特别是乘 用车上得到越来越广泛的应用，其工作性能优劣直接影响到汽车的操纵稳定性 和安全性。而汽车电动助力转向系统试验台是目前汽车电动助力转向系统性能 测试最广泛的一种专用设备。准确、高精、高效、稳定的的汽车电动助力转向 试验台是电动助力转向系统的生产和检验重要装备。 本文在分析汽车电动助力转向系统工作原理的基础上，依据中华人民共和 国汽车行业标准( 汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法) ，研究了电 动助力转向系统性能测试技术和方法，研制了以微机控制为核心的汽车电动助 力转向系统试验台。 根据试验台需要，选择了试验台用转矩传感器、电流传感器、继电器、数 据采集卡、编码器计数卡等电子器件和板卡；在w i n d o w s 操作系统下基于v i s u a l c + + 6 0 平台下开发了测试软件。软件采用模块化的设计方法，设计了实验建立 模块、参数设置模块和性能测试模块。参数设置模块根据不同类型的转向器进 行参数设置。性能测试模块主要对转向器进行性能试验，具有数据采集、处理、 显示、存储和特性曲线显示功能。 由于工业现场的恶劣环境，除有用信号外，还往往带有现场和过程通道中 的电场、磁场等各种干扰信号。本文结合汽车电动助力转系统的测试要求，分 析了试验台的主要干扰来源，并分别提出了系统的硬件和软件采取的抗干扰措 施。 最后，本文结合汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法和本系统 的功能，分析了试验台数据采集系统的应用和试验方法。 关键词：电动助力转向系统，试验台，传感器，数据采集，抗干扰措施 武汉理工大学硕+ 学位论文 a b s t r c t a u t o m o b i l ee l e c t r i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e mw h i c hi so n eo ft h ea s s i s t e d p o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ，h a sg o t t e nm o r e a n dm o r ea p p l i c a t i o n o na u t o m o b i l e ， e s p e c i a l l yo nt h ep a s s e n g e rv e h i c l ei nr e c e n ty e a r s t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fe p s h a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ea u t o m o b i l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y m e a n w h i l e ，t h e p l a t f o r mo fe p s i sm o s te x t e n s i v eu s e ds p e c i a le q u i p m e n tt o t e s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee p s a c c u r a t e ，h i g hp e r f o r m a n c ea n ds t a b l et e s t - b e di st h ei m p o r t a n te q u i p m e n t o ft h ee p s d u r i n gm a n u f a c t u r i n ga n dt e s t i n g i nt h et h e s i s ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fe p sw o r k i n gp r i n c i p l e ，a c c o r d i n gt ot h e a u t o m o b i l ei n d u s t r ys t a n d a r d ( t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta n dt e s tm e t h o do f a u t o m o b i l ee l e c t r i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e m ) ，e p sp e r f o r m a n c et e s t i n g t e c h n o l o g ya n dm e t h o di sr e s e a r c h e da n d t e s t - b e di sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt o t h et e s t - b e dr e q u i r e m e n t ，t o r q u es e n s o r , c u r r e n ts e n s o r , g l o s s a r y , d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，e n c o d e r & c o u n t e rc a r da r es e l e c t e d ；t e s t i n gs o f t w a r ei s d e v e l o p e db a s e do nv cu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h e s o f t w a r ew h i c hi n c l u d i n ge x p e r i m e n ts e t t i n gu pm o d u l e ，p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l a r a n dp e r f o r m a n c e t e s t i n gm o d u l a r , a d o p t e d m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n i n g m e t h o d p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l a ri su s e dt os e tu pp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h et y p eo ft h e s t e e r i n gs y s t e m p e r f o r m a n c et e s t i n g m o d u l a ri s m a i n l yu s e d t o t e s t i n g t h e p e r f o r m a n c e o ft h es t e e r i n gs y s t e m ，a n dh a st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i n g ， p r o c e s s i n g ，s h o w i n g ，s t o r a g e ，c u r v es h o w i n g b e c a u s eo ft h eh a r s he n v i r o n m e n ti ni n d u s t r ya c t u a l i t y , b e s i d e sw a n t e ds i g n a l ， s o m ei n t e r f e r i n g s i g n a lm a yb e c o l l e c t e d i nt h i s p a p e r , c o m b i n i n gw i t h t h e r e q u i r e m e n to fe p st e s t i n g ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c e m e a s u r e sa r e r e s e a r c h e d k e y w o r d ： e l e c t r i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e m ，t e s t b e d ，s e n s o r , d a t a c o l l e c t i o n ，a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e s i l 武汉理工人学硕一l ：学位论文 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。 弛率嗍刎：参 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) 弛苹聊躲邓 t 4 期：。l o 谚5 古 武汉理t 大学硕士学位论文 1 汽车转向系统概述 第1 章绪论 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽 车在行驶过程中能按照驾驶员的操作要求而适当的改变其行驶方向，并在受到 路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保 持汽车的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总 成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生 产厂家和科研机构的重要研究课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、 车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的操纵设计显得尤为 重要。 1 1 1 汽车转向系统发展历程 按时间顺序，汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、 电动助力转向系统三基本个发展阶段，线控转向技术为其发展趋势。 1 机械式的转向系统 由于采用纯机械解决方案，为了产生足够人的转向扭矩需要使用大直径的 转向盘，这样一来占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负 担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现 转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目 前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有 使用。 2 液压助力转向系统 1 9 5 3 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展， 使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。八十 年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。液压助力转向系统使驾驶 室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于 该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目自i 在部分乘用车车、大 部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。 武汉理工大学硕士学位论文 但是液压动力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消 耗、磨损与噪声等方面存在不足。 3 电动助力转向系统 汽车电动助力转向系统( e p s ) 在日本最先获得实际应用。1 9 8 8 年日本铃木 公司首次开发出电动助力转向系统，并装在其生产的c e r v o 车上，随后又配备在 a l t o 上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向 大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本用汽车公 司，美国的d e l p h i 公司，英国的l u e a s 公司，德国的z f 公司，都研制出了各自的 e p s 。 e p s 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形 式与功能也进一步加强。日本早期开发的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高 速时e p s 将停止工作。新一代的e p s 贝u 不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在 高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，e p s 技术日趋完善，并且其 成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大。电动助力转向系统的优势主要体 现在g ( 1 ) 提高了汽车的操纵性能。e p s 日 匕t a 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，减小汽车低速行 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，减少了对环境的污染。电动助力转向系统直 接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进 行转向时几乎没有动力消耗，提高了汽车的燃油经济性；同时由于不需要转向 油泵，油管及控制阀等液压元件，不会发生液压油的泄露和损耗，减少了对环 境的污染。 ( 3 ) 增强了转向跟随性和可靠性。在e p s 系统中，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，增加了系统的转动惯量，减小了车轮的反转 和转向前轮摆振，增强了转向系统的抗扰动能力；e p s 旋转力矩产生于助力电机， 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；电 动助力转向系统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。 ( 4 )能够提供可变的转向助力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非 武汉理工大学硕士学位论文 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；电动助力转向系统的转向力来自于助力电机，可变转向力矩写入控制模 块中，通过对软件的重新编写即可获得，所需费用很小。 ( 5 ) 占用空间更小，质量更轻，结构更紧凑。电动机和减速机构在转向柱或转 向系内，直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、 油管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等部件，因而其所占 空间更小，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自 动化程度更高。 1 1 2 电动助力转向系统分类 e p s 的类型通常可以按其助力转向机构位置不同或电动机的减速机构的形 式而有良种不同的分类方法。 1 按照助力转向机构位置不同，将电动助力转向系统分为三类：转向轴助力 式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式。 ( 1 ) 转向轴助力式：如图1 - 1 所示，助力转向机构安装在转向轴的一侧，当 驾驶员转动转向盘时，控制单元控制直流电动机，输出目标助力，电动机的动 力经离合器、电动机齿轮传给转向轴的齿轮，然后经万向节及中间轴传给转向 器。因该方案的助力输入经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩小； 电动机布置在驾驶室内，工作环境较好，对电动机的密封要求低。但是，因电 动机安装位置距驾驶员近，所以要求电动机的噪声一定要小：电动机的力矩波 动直接传到转向盘上，导致转向盘振动，使驾驶员手感变坏。 ( 2 ) 转向器小齿轮助力式：如图1 - 2 所示，转向助力结构安装在转向器小 齿轮处。与转向轴助力相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。其在助 力控制特性方面增加了难度。 ( 3 ) 齿条助力式：如图1 - 3 所示，助力机构安装在转向齿条处。电动机通 过减速机构直接驱动转向齿条处。因该方案的助力输入在齿条上，要求电动机 输出最大力矩相对要大些；与转向器小齿轮助力式相比，可以提供更大的转向 力，适用于大型车。对原有的转向机构有较大的改变。 2 根据电动机力矩采用的减速机构的形式不同，可将电动助力转向系统分 为三类：环球螺母式、蜗轮蜗杆式、齿轮齿条式。 循环球螺母式e p s 电动机力矩的传递路线为：电动机一循环球螺母一齿轮条。 武汉理i 人学硕十学位论文 蜗轮蜗杆式e e s 力矩的传递路线为：电动机一蜗轮一齿条。齿轮齿条式的电动机力 矩的传递路线为：电动机行星齿轮副齿轮一齿条a 图1 一l 转向轴助力式 113 电动助力转向系统的组成 电动助力转向系统主要有助力电机、电磁离合器、助力电机减速机构、扭 矩传感器、车速传感器和电子控制单元等部件组成。 图卜d 电动助力转向系统机构 】助力电机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令，输i 合适的助力扭矩。电动机 是e p s 的动力源。目自口在电动助力转向系统中采用的电动机0 ：要有：直流电动机、 伺服电动机、力矩电动机、开关磁阻电动机和感应电动机。 2l u 磁离合器和助力i e t t 减速机构 武汉理工大学硕士学位论文 电磁离合器主要起着保证行车安全和保护电动机的作用。当e p s 系统出现故 障时，立刻切断离合器，使得转向系统脱离助力电机作用，防止由于误动作而 发生意外。当检测到电动机超载时，切断离合器以保护电动机。在e p s 正常工作 时，根据不同的上况还可以分离或者结合离合器，比如当车速比较高不需要助 力时，可以切断离合器；当停车或车速低于设定值且e c u 判断系统需要助力时， 离合器闭合，电动机提供助力。 电磁离合器的工作过程是，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电 磁吸力吸引压板，与主动轮压紧，于是电动机的输出扭矩便经过输出轴一主动轮 一压板一从动轴传递给执行机构( 涡轮蜗杆减速机构) ，实现助力过程。 e p s 助力电动机减速机构用于放大助力电机力矩，起到降速增扭的作用，通 常采用蜗轮蜗杆机构。 3 扭矩传感器和车速传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的转向力矩大小与方向， 车速传感器的功能是测量汽车行驶速度，它们是e p s 实现控制的输入信号。扭矩 测量统常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e p s 能否占领市场的关键因素之一。目前采用较多的是在转向轴位置加一扭杆，通 过测量扭杆的变形得到扭矩。另外也有采用非接触式扭矩传感器。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。 4 电子控制单元 e c u 的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，控制电动机和离合器 的动作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采集电动机的电流、 电动机电压、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，e p s 停止工作，转变为手动转向状况，同时e c u 将进行故障诊断分析。e c u 根据转向盘转矩信号t s 和车速信号v s s 确定电动机的目标电流，由于电动机输出 转矩的大小和电动机电枢电流基本成正比，因此也就确定了助力转矩的大小。 e p s 的助力控制过程如图卜5 所示，在实施控制的过程中，有两个关键问题 需要解决：一是确定电动机目标电流；二是跟踪目标电流。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图卜5e p s 助力控制过程 1 1 4e p s 控制系统的总体框架 e p s 的控制系统基本结构如图1 - 6 所示，该电路由电动机驱动电路、扭矩信 号输入电路、车速信号输入电路、角度输入电路和报警指示灯驱动电路等组成。 转矩传感器 呻 直流电机 车速传感器 斗 驱 输 电子 动 l i 。入 控制及 p 电磁离合器 角传感器 r 处 保 理 单元 电 电 1 e p s 指示 发动机转速卜 路 t 路 车载电源r 图1 - 6 控制器构成单元 控制器接传感器送来的车速脉冲信号、角度脉冲信号及转向盘扭矩信号， 经输入处理电路处理后传给控制器。系统采用p i d 双闭环控制方法，控制电动机 的工作电流，从而实现实时提供转向助力及优化回正力矩。且该控制器还增加 了安全保证和诊断功能，一旦整个系统在异常情况下工作，动力转向将自动被 取消，系统转化为手动操纵控制。可见该方案不但满足了整车系统性能，同时 还能有足够的安全保障。 6 武汉理工人学硕十学位论文 图卜7 控制器主程序流程图 1 1 5 电动助力转向系统的关键技术 e p s 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控 制技术( 包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制) 以及e p s 与整车性能匹 配等多方面的难题。 l 电动机驱动技术：e p s 的助力是由电动机提供的，电动机的好坏是影响转向 系统性能的重要因素。e p s 对电动机有很高要求，不仅要求低转速、大扭矩、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。e p s 系统中 电动机端电压低，而功率相对较高，所以电动机电流较大，这给驱动单元的电 子器件选择和电路设计带来一定的困难，为此，设计时常针对e p s 的特点，对电 动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁 设计成不等厚等。此外，电动机的性能是影响系统性能的主要因素，电动机本 身及其与e p s 的匹配都影响转向手力特性、转向路感、汽车动态响应等重要问题。 2 非接触传感器技术：e p s 系统中的转向盘转矩传感器要求结构简单，工作 7 武汉理工大学硕士学位论文 可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国# b e p s 系统中的转矩传 感器多为非接触式( 如电磁感应式，光电式等) ，而接触式转矩传感器( 如滑动电 阻式) 应用较少。当然非接触式传感器比如光电式传感器有一个缺点是要考虑防 尘措施和使用温度的限制。国内非接触式传感器价格较高，不适合用于e p s 系统 中，必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。目前清华大学的季学武教授 发明了一种车用光电式扭矩传感器，并申请了中国专利，这在国内非接触式扭 矩传感器领域迈开了可喜的一步。 3 转向控制技术：由于e p s 系统在原有的机械式转向系统中增加了电动机和 减速器，使得转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制， 避免在电动机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。同时，为了得到更 好的路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。 这是e p s 系统研究开发的关键技术之三。而且，e p s 的安装位置一般在发动机附 近，发动机发出的热辐射与电磁干扰对e p s 有很大影响。这些都对e p s 的控制策 略提出很高的要求。 4e p s 系统与整车性能相匹配：汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互 制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。 随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子产品应用到汽车上，汽车也越来越 智能化，e p s 作为汽车底盘系统重要组成部分。因此，必须对e p s 系统与其它子 系统进行匹配，使整车性能达到最优。这是e p s 系统开发的关键技术之四。而且 e p s 各个部件的设计要考虑与整车性能的协调问题。 5 故障诊断与可靠性：e p s 通过采用电动机和计算机控制系统，部分的将转 向操作独立于驾驶员的控制，因此e p s l g 液压系统会有更多不同的故障模式。并 且e p s 是一项新技术，它没有传统转向系统那么长的历史，所以e p s 的故障诊断 与可靠性更应受到重视。在研究故障诊断与可靠性方面，要深入研究冗余设计 技术及容错控制技术。 1 2 本文研究的意义 电动助力转向系统自生产至今，经过几十年的应用与发展，已取得了较大 的进步。如今，在国外己大规模采用e p s ，其应用范围也将进一步拓宽，将作为 标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目自订，在全世界汽 车行业中，电动助力转向系统每年正以9 一1 0 的增长速度发展，年增长量达1 3 0 武汉理1 人学硕十学位论文 万一1 5 0 万套，2 0 0 8 年将超过1 0 0 0 月套。按此速度发展，用不了几年的时间，电 动助力转向系统将逐渐占领轿车市场并向微犁车、轻型车和中犁车扩展。 e p 5e - 所存地转器的比例( o 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0“ 仝球小北戈欧洲 口2 1 ) o l r 2 0 0 4 年口2 ( j 0 h 行! “ 图卜8e p s 占所在地转向器的比率( ) e p s 是汽车关键零部件之一，其质量对汽车转向有着重要的影响。实车试验 需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之自d 进行必要的台架试验， 为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的，同时也可阻降低直 接装车进行路试的危险性和研究成本。 汽车e p s 试验台就是针对这情况研制的，它采用微机为控制核心采用传 感器对e p s 系统输入端的扭矩、输入端的转角、输出端的扭矩进行检测，实现e p s 性能和可靠性试验的自动测量和图形的动态显示，数据及特性曲线的自动记录 输出。同时具有储存、打印和再处理功能。汽车e p $ 试验台的使用将会大大提高 产品的装配质量和检测精度，为质量管理提供了统计资料，且使产品的装配、 调试、检测工作变得十分简单，生产效率大幅度提商。 13 本文的研究目标 l 通过分析，确定电动助力转向系统试验的试验台功能与结构方案 2 电动助力转向试验台用传感器的研究与选型： 3 设计研究试验台测控系统硬件电路： 4 分析数赫l ：处理方法、测试系统的误差肝发数据处理分析软仆。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统试验台的总体设计 2 1 电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统主要由传感器、电子控制器e c u 、执行器三个部分组成。 其中传感器主要包括车速传感器、转矩传感器、转向角传感器；执行器主要包 括电动机、电磁离合器和减速机构。 其工作原理为：电子控制单元( e c u ) 根据车速传感器和转向盘转矩传感器 的信号计算所需的转向助力的大小，通过功率放大模块控制直流电动机的转动， 助力电动机的转矩经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条转向机构，产生相 应的转向助力。e p s 系统还设有故障诊断模块和保护措施，当e p s 发生故障时， 故障诊断及代码显示模块发出报警信号，并且以故障代码的形式指示故障类型； 同时，e p s 系统断开电磁离合器，转为手动纯机械转向状态。 电动助力转向系统能够实现不同车速下实时地为汽车转向提供不同的助力 效果，减轻了汽车低速时的转向盘操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的 稳定性。 2 2 典型试验介绍 2 2 1 名词定义 国家标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法中对循环和 损坏有如下定义： 循环：转向器输入端由中间位置向一个方向旋转至规定的角度后，返回中间 位置再向另外一个方向旋转之规定角度后，再回到中间位置为1 个循环。 损坏：被试总成按规定的可靠性试验项目完成试验后，有下列情况之一出 现，则认为已损坏。 做功能试验时未满足功能技术要求。 试验后的输入、输出特性曲线未满足输入、输出特性技术要求。 试验后的助力电流特性曲线未满足设计技术要求。 做反向冲击试验，丧失反向接通能力，并未满足反向冲击指标技术要求。 回f 试验时转向器回不到中间位置，并未满回f 特性技术要求。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 做噪声试验时未满足噪音指标的要求。 做电磁特性试验未满足电磁特性技术要求。 单个电器元器件损坏。 任何零件出裂纹和变形。 2 2 2 特性试验的性能技术要求 国家标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法中对电动助 力转向系统性能技术条件有如下： l 功能要求 模拟不同车速转动转向盘的过程中感觉在转动转向盘的过程中应平滑、无 卡滞；转向盘无明显振动，转动转向盘至任意角度停下时转向器输出端不应有 惯性延时现象。 2 输入、输出特性 按照不同的车速测量输入、输出力矩力并绘制力矩特性曲线，电动助力装 置的助力特性应符合设计要求，各车速下的曲线对称度不小于8 5 。 3 助力电流特性 按照不同的车速，测量输入轴力矩并绘制助力电流特性曲线，该特性应符 合设计要求。 4 反向冲击指标 在转向器输出端施加冲击力，电动机应迅速反应制止转向盘转动，冲击时 电流响应时间不超过1 0 毫秒，在转向盘上不能产生大于3 。的转动角度。 5 空载转动力矩 检查电动助力转向装置在电源关闭和接通状态下转动的机械摩擦以及任何 可能的机械阻力，转动阻力矩及其波动应符合设计要求。 6 回正特性 ( 1 ) 低速行驶回正时，回正特性曲线应通过原点； ( 2 ) 高速行驶回j 下时，回正特性曲线允许有残留角，该值不大于5 。 7 报警要求 任一元件及线路损坏，故障代码或故障报警显示灯应立即显示。 2 3 试验台整体介绍 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 试验台总体设计框图 整个试验台主要有三个部分：1 是机械部分，包括e p s 转向机械系统和驱动电 动机；2 是控制部分，包括电子控制系统以及程序调试系统；3 是数据采集分析 系统。 汽车电动助力转向试验台的组成： 1 转向机构； 2 直流电动机，额定电压1 2 v ，额定转矩0 7 8 n m ，额定输出功率3 5 0 w ，通 过减速机构和转向柱连接； 3 试验台架，用于安装固定各个部件； 4 模拟转向负载的阻尼器，安装在转向轴径上； 5 转矩传感器，电压测量范围0 5 v ； 6 车速信号模拟装置和控制电路板： 7 电源，为系统提供所需电压； 8 多功能数据采集卡：p c i 一8 3 1 0 数据采集卡 试验台系统总体结构框图如图2 1 所示，通过传感器来测鼍一些电量和非电 量，这些量为：车速、e p s 装置中转向盘的主扭矩、转向盘的转向角度和制动器 武汉理f 大学硕士学位论文 阻力矩，助力电动机的电流、电压和转矩等。把这些量以及e c u ( 电子控制器) 中 的一些控制量一起，通过p c i 一8 3 1 0 多功能板传送到工业控制计算机上，并适时 显示系统运行各项数据及主要参数曲线，并最终存到数据库系统中，据此来分 析e p s 的性能，然后通过改变e p s 装置中e c u ( 电子控制器) 硬件和软件的某些方 面，从而能使该装置达到最佳的工作状态，为以后汽车电动助力转向装置的研 制提供可借鉴的数据和经验。 2 4 试验台测试项目 2 4 1 车速 由于车速传感器的信号经过整形后发出的是脉冲信号，每个脉冲表示磁电 式车速传感器的被测齿盘轮齿转过一齿，那么汽车的行驶速度就可以用单位时 间内的脉冲数、被测齿盘齿轮齿数与车轮的行驶半径计算出来。 其计算公式如下： y = 幼二匕 z 眩。 ( 2 1 ) 其中：v 一汽车行驶速度 n - n 量的脉冲数 z 一被测齿盘的齿轮齿数 t 一测量时间周期 r 。一车轮的滚动半径 2 4 2 系统的阻力矩 驾驶员在转向时所需克服的阻力矩包括两个主要部分：一是回正力矩，二是 摩擦力矩。汽车转弯时，前轮上作用着与转向力相应的“绕主销的阻力矩”，通 常笼统地称为回正力矩。回正力矩除以传动比，就是驾驶员为了使汽车转弯所 经常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，驾驶员还需要克服主销的摩擦阻力 矩，转向机构的摩擦力矩( 其大小取决于转向机效率) ，各个球头的摩擦力矩以 及原地转向时轮胎与地面的摩擦力矩等。 通常“转向阻力矩”按汽车不同的行车方式分成“原地转向阻力矩”和“行 车转向阻力矩”两种。原地转向：指对静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎 发生扭转变形，继之以路面和路而之1 8 j 发生滑移，称这一情况所产生的转向阻 1 3 武汉理丁大学硕十学位论文 力矩为原地转向阻力矩。行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向时产生的 阻力矩。行车转向比原地转向车速增加了，接地面积滚动成分增加，转向阻力 矩也突然减小。 因此影响“阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦 系数等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮 胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。 2 4 3 电动机各项参数 电动机助力转矩是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力 矩，其大小由e p s 的e c u 根据传感器传来的车速信号、转向盘扭矩等参数决定。 在本测试系统中除了对转向盘的主扭矩、电动机的助力转矩和整个转向装 置所受的阻力矩的采集以外，还对车速和转向盘转角进行采集，对车速进行采 集是因为一般的汽车电动助力转向装置e p s 中的电子控制单元e c u 需要车速这个 量；而采集汽车转向盘角这个量是为了测量助力转矩和转向盘转角的关系。同 时也对助力电动机的电流、电压、输出转矩这些量进行采集，以此来检测电动 机的工作状态。 2 4 4 转向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系 助力特性对电动助力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要 影响。在传统液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调整困难，且设计 完成助力特性便确定，不随车速变化；而e p s 不同，助力特性曲线是电动助力转向 的控制目标，由软件来设置，可以设计成车速感应型特性曲线，并可方便地进行 调节。图2 - 2 所示为传统液压动力转向的助力特性曲线，俗称盆形曲线。图2 3 为 几种典型e p s 助力特性曲线。对于永磁直流电动机，电磁转矩与电枢电流成比例， 因此e p s 的助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩之间的关系曲线表示。 l | 。 箩 0 t d ，n m 图2 2 传统液压动力转向助力特性曲线 武汉理丁大学硕士学位论文 m a , , 磋二 7 钿丁虹m 一f l n n m j | j l j 赫 v l 色 v色1歹 t o o t dt 甑二 n n - 啊 j j ji“ 勘 一” 彳 m 一 力n m j l |j | l -_， ( a ) 直线型( b ) 折线型( c ) 曲线型 图2 - 3 助力特性曲线 助力特性曲线有以下几种类型。 1 直线型助力特性 图2 4 ( a ) 为典型直线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 o 0 s 乃 乃o ，= k ( v ) p ( t d 一瓦o ) 乃os 疋 l m 娃 ( 2 2 ) i i m 强乃m 缸s 乃 r， 式中，为电动机目标电流；上m 取为电动机最大工作电流；1 。为转向盘输入力 矩；k ( v ) 为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；乃。为系统开始助力时的 转向盘输入力矩；乙为系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。 2 折线型助力特性 图2 4 ( b ) 所示为典型折线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 i = 00 s 乃 乃o k 1 ( y ) 口 乃一乃o )乃os 乃s 乃m 强 k 2 ) 叹乙一乃) + 乃，s 乃 乃一 ( 2 3 ) k 。0 ) 口( 乃。一乃o ) ，一 乃m 戕乃 式中，墨( 川、k z p ) 分别为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；乃为助 力特性曲线梯度增大为k z ( v ) 时的转向盘输入力矩。 3 曲线型助力特性 图2 4 ( c ) 所示为典型曲线型助力特性。该助力特性曲线可用下式函数表示 武汉理一厂大学硕士学f i z 论文 f o 0 s 乃 乃o i = k ( v ) m f ( t a ) 乃os 乙 乃m 勰 ( 2 - 4 ) l ， 乃一乃 比较上述3 种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，数据量小，存储方 便，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，数据 存储量大，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。助力特性曲线特征 与参数的确定要与车型、驾驶员的要求相匹配。一般直线型助力特性适用于前 轴负荷较小的车型，曲线型助力特性适用于前轴负荷较大的车型，折线型助力 特性则介于两者之间。 我们根据采集的电动机电流、转向盘主扭矩和车速的数据画成与助力特性 类似的曲线，然后和助力特性曲线比较，如果与之比较相符的话，就说明汽车 电动助力转向装置的性能比较好；反之，就说明性能不是很好，针对这些就应 该对电子控制器进行硬件和软件上的修改。所以本测试系统既可以用于研究开 发人员对自己设计的e p s 系统进行检测；也可以用于成品的检查，这样可以使不 符合要求的产品从性能良好的产品中分离出去。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验台测控系统硬件设计 3 1 试验台总体结构图 试验台结构如图3 - 1 所示，信号发生器用来产生车速及发动机转速信号，汽 车转向时系统阻力矩则由磁粉制动器来模拟，通过调节磁粉制动器的输入电压 或电流来改变负载的大小，磁粉制动器与转向器之间安装有转矩传感器，电动 助力转向系统的工作电压有1 2 v 电源提供，计算机数据采集系统可实时采集转向 盘转矩、车速、电动机电流、电动机电压、负载转矩等信号，并可实现数据处 理、显示、存储和实验曲线的显示等功能。 图3 - 1 试验台总体结构图 。 卜蓄电池2 一转向盘3 一模拟车速信号4 一模拟发动机信号5 一数据采集系统 6 一转矩传感器7 - e p s 控制器8 一电动机9 一转矩传感器1 0 - 磁粉制动器 3 2 系统主要部件 测控系统主要有电子控制单元( e c u ) ，电动机，减速机构，电磁离合器， 武汉理1 二大学硕士学位论文 磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。 检测的主要性能参数为：汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力 矩，电动机的电流、电压和转矩。 3 2 1 电子控制单元( e c u ) e c u 的功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，进行逻辑分析与计算后，发 出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能， e c u 通过采集电动机的电流、电动机电压、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，系统转变为手动转向状态， 同时e c u 将进行故障诊断分析。 e c u 通常是一个8 位单片机系统或者是1 6 位电动机控制专用微处理器芯片， 也可采用数字信号处理器( 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 ) 作为控制单 元。由于电动助力转向系统存在非线性元件( 如摩擦和阻尼) ，另外元件的磨损、 路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制 算法也是e p s 的关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行 驶环境。控制算法应快速正确，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。它是本系统检测的关键部件。 3 2 2 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是e p s 的动 力源。电动机对e p s 的性能有很大的影响，是e p s 的关键部件之一，所以e p s 对电 动机有很高的要求，这些要求主要有： 1 由于大多车载电源为1 2 v 直流电，因此要求助力电动机的工作电压低和具 有足够大的额定功率和额定电流； 2 转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动 小； 3 大的齿轮传动比将增加机械惯量，降 k 王e p s 系统的动态性能，所以齿轮传 动比较小，因此，电动机转速不能太高； 4 为减小转子的惯性力矩，电动机的体积应尽可能小； 5 在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型的车辆，甚至要求电动机能 够提供与转动方向相反的助力转矩。 表3 1 分析了不同电动机的技术特点及其满足e p s 使用要求的情况。这几种 武汉理1 = 大学硕士学位论文 电动机不仅在结构方面有各自的特点，而且在效率、功率密度、力矩波动等技 术参数也互不相同。考虑到汽车的特点，要求e p s 选用的电动机应该具有尺寸小、 质量轻、效率高、力矩波动与噪声小，可靠性高、能与汽车使用环境相适应， 包括对电源的需求等。 表3 - 1 不同类型电动机技术特点比较 感应电动机永磁有刷电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机 项目 结构特点结构简单三转动绕组机械换三相定子永磁转四相定子钢铁转 相定子铝或向器子电子换向子无转子绕组 铜笼转子无永无永磁体 磁体 负荷效率( )9 0 9 28 5 9 78 5 9 77 8 8 6 功率密度 中中 高 由 力矩波动小电动机设计时考基本通过电磁设由电磁设计和电 虑计考虑子控制考虑 可靠性一般 较好 优 较好 使用技术成熟成熟仍在发展仍在发展 系统复杂程度 驱动电路复杂 控制器简单 控制器简单高度复杂 对助力大小要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电动机是一个好的选择， 因为有刷直流电动机技术成熟、控制器结构简单、成本低；对要求助力较大的 轿车，应选择永磁无刷直流电动机，因为永磁无刷直流电动机比其它类型电动 机更具有优势。虽然也可以用开关磁阻电动机，但是需要进行许多的研究来克 服其缺点。 3 2 3 减速机构 e p s 的减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩。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。前者主要用于转向轴助力式转 向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。 3 2 4 电磁离合器 电磁离合器主要起着保证行车安全和保护电动机的作用。当e p s 系统出现敝 1 9 武汉理l ：人学硕七学位论文 障时，立刻切断离合器，使得转向系统脱离助力电动机作用，防l = 由于误动作 而发生意外。当检测到电动机超载时。切断离合器以保护电动机。在e p s i e 常工 作时，根据不同的上况还可以分离或者结合离合器，比如当车速比较高不需要 助力时，可以切断离合器：当停车或车速低于设定值且e c u 判断系统需要助力时， 离合器闭合，电动机提供助力。 一般电磁离合器的工作过程是，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产 生电磁吸力吸引压板，与主动轮压紧，于是电动机的输出扭矩便经过输出轴一主 动轮一压板一从动轴传递给执行机构( 涡轮蜗杆减速机构) ，实现助力过程。 3 25 磁粉制动器 本系统巾应用磁粉制动器来模拟转向系统的阻力矩。磁粉制动器是利用电 磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系、响 应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用 途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷 绕系统中收卷和放卷的张力控制。在该