（机械设计及理论专业论文）电动助力转向系统的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统、机械液压动力转向系 统，到电控液压动力转向系统，直到更为节能、操纵性能更好的电子控制式电动 助力转向系统e p 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 ) 等几个阶段。电动助力转向采用 电动机直接提供助力，助力大小由电控单元控制，具有助力大小可调、路感良好、 环保、耗能低和维修方便等优点，是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之 一a 本文论述了电动助力转向系统的特点、工作原理、结构组成、国内外的研究 现状。分析了电动助力转向系统的关键技术，根据e p s 系统对扭矩传感器的要求， 对传感器的信号输出进行改进，设计了新的传感器结构；对e p s 系统进行了受力 分析，建立了数学模型；对e p s 系统进行助力特性分析，针对电动转向系统的助 力特性存在转向死区、转向助力区和转向饱和区的非线性特点以及车速离散化形 成助力盲区，本文提出基于神经网络对助力特性曲线进行拟合的思想并进行了仿 真研究，系统实现了全车速范围的非线性转向助力，克服了转向助力盲区，证实 此方法的正确性；最后，提出了e p s 系统电子控制单元( e c u ) 的可靠性设计措施 和系统机械传动部分的可靠性设计的原则和方法。 关键词电动助力转向系统；扭矩传感器；神经网络；可靠性设计： 童曼堡三查耋三耋堡圭耋堡篁圣 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l eh a st u r n e dt ot h es y s t e m a t i ce x p e r i e n c ea n dt u r n e df r o ms i m p l e p u r em a c h i n e r ys y s t e m ，m e c h a n i c a lh y d r a u l i cp r e s s u r ep o w e rs y s t e m ，g e ta u t o m a t i c a l l y c o n t r o l l e dh y d r a u l i cp r e s s u r ep o w e rt h es y s t e m ，i ti st h ee n e r g y - c o n s e r v a t i o ne v e nm o r e ， h a n d l ep e r f o r m a n c ef i n ee l e c t r o np e r s o nw h oc o n t r o le l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( 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 e l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n ga d o p t st h em o t o rt o o f f e rh e l p i n gh a n dd i r e c t l y , t h es i z eo fh e l p i n gh a n di sc o n t r o l l e db yt h ea u t o m a t i c a l l y c o n t r o l l e du n i th a v eh e l p i n gh a n ds i z ea d j u s t a b l e ，w a ys e n s eg o o d ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，c o n s u m ee n e r g yl o wm a i n t a i n i n ga d v a n t a g i n gs u c ha sb e i n gc o n v e n i e n t ，i ti s o n eo ft h et e c h n o l o g yo fr e s e a r c hf o c u sa n df r o n to ft h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to f p r e s e n ta u t o m o b i l e t h i st e x td i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s 、o p e r a t i n gp r i n c i p l e 、s t r u c t u r a lc o m p o s i t i o n a n d s t u d yp r e s e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a do 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 i s t e x ta n a l y z e dt h ek e yt e c h n i q u eo ft h ee l e c t r o m o t i o np o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gs y s t e m ； a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fe p ss y s t e mt ot h et o r q u et r a n s d u c e r ，i m p r o v e ds i g n a lo u t p u t o ft h et r a n s d u c e ra n dd e s i g n e dt h en e wc o n s t r u c t i o n ；a n a l y z e dt h ep o w e ra s s i s t e d c h a r a c t e ro ft h ee p ss y s t e m p o i n t i n gt oe x i s t e n t i a ls w a yd e a ds p a c e 、s w a yp o w e r a s s i s t e ds p a c ea n ds w a ys a t u r a t i o nr e g i o no ft h ee l e c t r o m o t i o np o w e ra s s i s t e ds t e e r i n g s y s t e ma n dp o w e ra s s i s t e dd e a dz o n eb e c a u s eo ft h ed i s c r e t ec a rs p e e d ，t h i st e x tp u t t e d f o r w a r dt oa n ds i m u l a t er e s e a r c h e dt h et h o u g h tb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r kt h a t m a t c h i n gt h ep o w e ra s s i s t e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e t h es y s t e mr e a l i z e dn o n l i n e a rp o w e r a s s i s t e ds w a yf o rt h ew h o l es p e e do fc a r , o v e r c a m ep o w e ra s s i s t e dd e a dz o n e ，c o n f i r m e d t h ea c c u r a c yo ft h i sm e t h o d ；f i n a l l y , t h i st e x tp u t t e df o r w a r dt o r e l i a b i l i t yd e s i g n m e a s u r ef o rt h ee p ss y s t e me l e c t r o n i c sc o n t r o lu n i t ( e c u ) d e p e n d a b l ed e s i g nm e a s u r e a n dt h ep r i n c i p l ea n dm e a s u r eo fr e l i a b i l i t yd e s i g nf o rt h ed r i v i n gm o t i o np a r to ft h e s y s t e mm e c h a n i s m k e yw o r d ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ；t o r q u et r a n s d u c e r ；n e u r a ln e t w o r k ； r e l i a b i l i t yd e s i g n 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车转向系统简介 汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的重要装置，它直接影响汽车的操纵 性和稳定性。对于汽车转向系统，除了要求其工作安全可靠、操纵轻便、机动性 好、高效节能外，还要求它能够在各种工况( 包括直线行驶、正常转向、快速转 向、原地转向等) 下，根据不同的行驶速度和路面状况，提供最佳的路感。 汽车转向系统根据能源的不同可以分为机械转向和动力转向两大类。机械转 向系统以驾驶员的体力为转向能源，其中所有的传力部件都是机械的，其可靠性 较高，受外界干扰较小。但由于驾驶员自身力量的限制，机械转向系统输出的转 向力矩较小，应用范围受限制，目前在汽车行业单独应用机械转向的很少。动力 转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，正常情况下汽 车转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供，其余部分由助力机构提供，增加转 向力矩。动力转向系可较好地解决转向轻便与转向灵敏之间的矛盾，提高行驶的 安全性和舒适性。所以大多数载重汽车及5 0 的轿车采用动力转向系统，微型轿 车也准备安装动力转向装置。 动力转向系统按照提供动力方式的不同可分为以下三类【l 】：气压式、液压式( 又 可进一步分为机械一液压式和电控一液压式) 和机电式( 简称为电动助力转向系 统) 。气压式动力转向系统主要应用于部分载重量为3 7 吨，并采用气压制动 系统的客车和货车，因为气压系统的工作压力较低，载货量大的货车不宜采用此 种转向系统。液压式动力转向系统采用液压作为动力，利用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。液压 式动力转向系统作为一种辅助系统，它所起的作用主要取决于油压的高低，因此 系统中对油压的流量控制最为重要。液压式动力转向系统控制方式有机械一液压 式和电子控制式两种，其中电子控制式液压动力转向系统通过电控单元e c u 自 动调整转向盘的操作力，提高了操纵舒适性和转向灵敏度，保证了高速行驶的稳 定性，工作时无噪声，工作滞后时间短，可吸收来自不同路面的冲击。液压式动 力转向系统是目前汽车上主要采用的转向助力方式，其中较典型的有凌志、皇冠 等高档轿车上使用的“渐进式”动力转向系统p p s 佃r o g r e s s i v ep o w e rs t e e r i n g ) 。国 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液压式动力转向系统。在液压式 动力转向中，电控液压动力转向器e h p s ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 是目 前比较成熟的产品，它是应用电力电子技术对液压助力转向系统进行改进后开发 的一种新型节能液压式动力转向系统。e h p s 系统虽然与传统l i p s 系统相比有了 较大得改进，也使得液压动力转向系统日趋成熟和完善。但与此同时，也使得该 系统结构更复杂、价格更昂贵，而且仍然不能克服液压动力转向系统的一些固有 缺点，如液压传动噪声大、效率低、耗能大、转向盘中间位置路感差等。 现代汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性等三大目标。前一项目标 与环境保护密切相关，是当代全球性最热门的话题，后两项目标是汽车朝着高性 能化方向发展必须研究和解决的重要课题。转向系统的高性能化是指该系统能够 根据车辆的运行状况和驾驶者的要求实行多目标控制，以获得较强的路感、较轻 的回正稳定性、较高的抗干扰能力和较快的响应性，而且这些控制是在基本不改 变硬件的条件下通过改写软件便可实现。液压动力转向系统由于其固有的那些缺 陷，不能满足现代汽车高性能的要求。为此，世界各国的专家学者们利用具有高 控制性、高判断功能的电子技术大力研究开发一种新型的动力转向系统。 电动助力转向系统e p 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 ) 是一类近些年来出现 的新型动力转向系统。它使用电动机的动力帮助驾驶员进行转向。它的研究领域 涉及微电子控制、电力传动控制技术、计算机控制技术、经典控制理论、现代控 制理论以及智能控制理论、汽车工程学等，它是多学科技术的综合应用。它一般 由扭矩传感器、车速传感器、电控单元( 控制器) 、电动机、离合器和减速机构等 组成。当转动转向盘时，扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩，并产生一个电压 信号。与此同时，速度传感器测出汽车的速度，也产生一个电压信号。这两个信 号经a d 转换后被送往控制器，经过控制器运算处理后，传送给电动机一个合适 的电流以产生助力扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上 得到一个与工况相适应的转向作用力。该系统与液压助力转向系统相比，能显著 改善汽车动态性能和静态性能、降低能源消耗、提高行驶中驾驶员的舒适性和安 全性、减少环境污染；同时该系统结构简单，占用空间小，布置方便。此外，电 动助力转向系统独立于汽车发动机由蓄电池提供动力，不受发动机工作的影响。 一个完整的电动助力转向系统还应包括故障诊断与安全保护系统。当发生故障时， 能停止助力，并发出报警信号，显示所记忆的异常内容如传感器本身异常、车速 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 传感器异常以及电动机工作是否正常，蓄电池是否正常工作等等，并在出现故障 后，自动恢复到手动控制方式转向。所有这些突出优点是液压转向系统所无法比 拟的，所以e p s 是动力转向发展的必然趋势1 2 , 3 , 4 1 。 1 2 电动助力转向系统的特点 e p s 系统一般由机械式转向器( 轿车多为齿轮齿条式) 和电子控制伺服系统 等组成。该伺服系统由传感器( 转向传感器、车速传感器) 、控制器( 控制单元、 动力单元) 和执行机构( 电机及减速器) 等构成。电机的能源来自车载蓄电池， 其工作电流的大小与方向受转向传感器和车速传感器等控制。减速器把电机所产 生的动力，经过降速增扭后传递给转向器。控制器根据各传感器的信号，按照一 定的控制策略和车辆工作状态，发出控制指令，仅在车辆进行转向和回正时，把 电流输送给电机，实施助力和回正等控制，当转向盘处于中间位置时，将电机断 开，进行阻尼控制。e p s 系统有如下特点1 5 。1 2 l ： 1 1 节能并有利于环保 据有关资料报道，e p s 的燃料消耗率仅为h p s 的1 6 2 0 ，例如：一辆采用 1 3 升汽油机的轿车，h p s 的燃料消耗率比e p s 高出8 0 ，占整车平均总燃料消耗 率的3 4 。据统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中有7 5 ( 即3 7 0 0 万辆轿车) 采 用了h p s 系统，为了维持h p s 正常工作，一年之中需要消耗大约几亿升的燃油。 如此之多的油料被燃烧，散发到空气中的尾气对生态环境造成的污染是可想而知 的。此外，e p s 系统中没有油泵、液压控制阀、动力缸和油罐( 箱) 等液压部件， 故而不存在因上述部件受到意外损坏造成工作油液泄漏等直接污染环境的问题。 2 1 高度的控制性能 高度的控制性能是指系统对已经开发和将要开发的各种性能都具有良好的可 变性，并且该变化对于设计者和使用者来说简单易行。 3 1 高性能化 高性能化是指系统的各种性能在不同条件下均能达到最佳水平。在高度控制 性的前提下，采用优化设计或渐次逼近的方法，可以达到比较理想的目标。高性 能大致包括以下内容。 较好的路感：主要指车辆在高速运行时把车轮与路面的接触状态以反力和位 移的形式通过转向系统及时而准确地传递给方向盘，使驾驶员明显地感觉到此种 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 力和位移的反馈及其差别，因此路感也称作手感或操纵感。 高抗干扰性：主要指车辆在直线行驶过程中，当受到来自外界干扰力( 不平 路面等) 的作用或因车辆本身自激振动( 车轮不平衡等) 而引起方向盘或车轮摆 振时，转向系统具有自动地削弱或吸收该种摆振、维持方向盘具有良好稳定感的 能力。 高稳定性：汽车行驶稳定性的影响因素很多，转向系统是其重要影响因素之 一。所谓稳定性主要是指汽车在行驶过程中，当突然受到外界横向力作用而发生 自动转向等不稳定现象时，转向系统应该具有使车辆在相当短的时间内迅速地回 复正常行驶状态的能力。例如，当车辆在高速直线行驶过程中，突然受到强劲的 横向风作用或某一轮胎突然地爆裂而失去平衡时，车轮便在瞬间内急速地向某一 方向偏摆，迫使车辆出现自动转弯等失控现象，或者在车辆高速直线行驶中，驾 驶员反复快速转向或转向后突然回正等错误操作时，则会导致车辆处于左右摇摆 ( 蛇行) 等不稳定状态。 4 、组件少、节省装配时间 e p s 各个部分已经高度集成或模块化，电机总成( 带减速器) 、传感器、控制 装置均可安装在转向管柱或转向器上。例如，英国l u c a s 公司的e p s 系统只有四 个组件( 转向管柱及伺服系统总成、方向盘、传动轴和转向器) ，而h p s 有4 0 5 0 个不同功能的零部件，如此多的零部件，必然影响安装时问。法国雷诺公司的试 测表明，h p s 装配需要3 0 - 3 5 分钟，而e p s 装配只需要4 - 6 分钟，减少了2 5 3 0 分钟，即e p s 系统的装配时间仅为h p s 的1 7 1 6 。 5 1 重量轻 据意大利菲亚特公司测定，h p s 的重量为1 3 1 4 k g ，而e p s 系统仅为1 0 3 k g ， 减轻了2 8 4 k g 即轻2 2 。美国t r w 公司的测试结果表明，h p s 的重量为1 7 k g ， 而e p s 系统为1 3 6 k g ，减少了3 k g ，即轻2 5 。 6 1 成本低、效益高 2 5 年前，有人曾用电机助力机构代替传统的h p s 系统，其中没有成功的原因 之一是控制系统的成本太高。如今，电力电子技术获得了惊人的发展，使得电子 器件的价格有了大幅的下降，所以美国t r w 公司认为，e p s 系统的成本有可能下 降到h p s 成本的9 0 ，目前的成本约2 5 0 美元左右。德尔福公司则认为2 0 0 2 年以 后e p s 的成本绝对不会高于h p s ，有可能每套下降3 5 美元。此外，据德尔福公 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 司统计，1 9 9 5 年全世界轿车销售量中，有3 7 0 0 万辆采用h p s ，共用去4 j d 0 0 万升 的液压油。如改用e p s 系统，仅此一项制造厂家便获得了很大的经济效益。 7 ) 与汽车其它电子控制系统的集成 随着汽车电子控制技术的发展，各种功能的汽车电子控制系统的数量不断增多， 各系统间的集成已成为必然。电动助力转向技术的发展方向主要为：改进控制系 统性能和降低控制系统的制造成本。只有进一步改进控制系统性能，才能满足更 高档轿车的使用要求。另外，e p s 的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩，而是 根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻 合的综合控制，以获得更好的转向路感。e f s 将朝着与防抱制动“心s ) 及车轮驱动 力控制、电子四轮转向的方向发展，并与电子主动悬架统一协调控制。共享其电 子装置的功能，如车速传感器、控制单元等。未来汽车的各种控制系统必然沿着 高密集化和高智能化向着高性能化、多功能化的方向发展。 8 1 不需要特殊保养 e p s 系统不需要像l a p s 系统那样注油和放气等，使用费用很低，颇受用户欢 迎。 1 3 国内外的研究现状 由于电动助力转向系统具有以上诸多特点，国外许多汽车厂商和汽车零配件 供应商纷纷致力于这一系统的开发研究。电动助力转向最先应用在日本的微型轿 车上。1 9 8 8 年2 月铃木公司首先在c e r v o 车上装备e p s l l 3 l ，随后还用在a l t o 车上。 在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的 z f 公司，都相继研制出各自的e p s 。如：大发汽车公司在m i r a 车上装备了e p s l l 4 l ， 三菱汽车公司在m i n i c a 车上装备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装 e p s 坫l ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向也将倾向于选择e p s ；d e l p h i 汽车公司已经为大众 的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。 t r w 从1 9 9 8 年开始，投入了大量的人力、物力和财力用于e p s 的开发。他 们最初针对客车开发转向轴助力式e p s ，目前小齿轮助力式和齿条助力式e p s 的 开发也获得成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和 m a z d a3 2 3 f 等u 。m e r c e d e s b e n z 和s i e m e n s a u t o m o t i v e 两大公司正共同投资开发 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 e p s ，他们的目标是到2 0 0 2 年装车，年产3 0 0 万套，成为全球e p s 制造商。他们 计划开发出适用于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿 车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型 轿车已经安装e p s ，本田还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 1 7 1 。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。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车是提供助力，高速时e p s 将停止工 作。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提供汽车 的操纵稳定性。 美国德尔福公司宣称，“e p s 系统表明我们有能力向全世界的用户提供尖端 的先进的转向系统，它是德尔福下一代精品的代表作。 t r w 1 9 】公司认为：从长远 发展看，目前轿车上广泛使用的h p s 将被逐渐淘汰，取而代之的是e p s 。英国卢 卡斯公司认为：e p s 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于h p s 来说无疑是 一场技术革命。日本本田公司认为：e p s 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转 向系统的必要条件。 e p s 的前景是可观的，首先在注重环保和无石油资源的国家，如日本和欧洲 各国将获得快速推广。据美国德尔福公司预测，2 0 0 1 年后，顶级轿车将全部安装 e p s 。t r w 公司估计，到2 0 1 0 年，全世界轿车的动力转向系统中，e p s 占1 3 。 德国z f 公司估计，2 0 0 1 年以后，欧洲市场e p s 的供销量约占3 。英国卢卡斯公 司认为，e p s 在轿车上正在成为标准配置，而不是选装件。自1 9 9 6 至2 0 0 6 年， 欧洲市场上的a 、b 、c 级轿车安装e p s 的比例将由3 5 增加到7 0 。有消息说， e p s 系统每年正以9 - 1 0 的增长率在快速发展。据报道，到2 0 0 5 年，e p s 的产量 由目前的1 5 0 万套增加到8 0 0 万套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0 万套，即产量正以1 3 0 1 5 0 万套年的速度在增加，按此增长速度发展下去，用不了几年e p s 将完全占领轿 车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。 同国外相比，我国的电动助力转向系统的开发还处于初级阶段，国产电动助 力转向还属空白。1 9 9 2 年清华大学的学生在导师的指导下进行了探索性的研究： 其后几年同济大学、吉林大学、华中科技大学、武汉理工大学和合肥工业大学相 继开展了这项研究 2 0 - 2 6 1 。由于专业方面的限制，高校对实用型产品的开发模式和 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 项目管理认识不清以及转向行业对可靠性设计中所采用的余度技术、容错控制技 术等的认识非常有限。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e p s 列为汽车零部件“高新技术产品”之一。但我国对e p s 的研究主要集 中在几个高校，电动助力转向器的研发方式也存在问题，比较分散，每个单位都 想自己掌握所有技术，没有形成合力，且没有资金支持。尤其是电力驱动技术、 非接触式传感器技术、转向控制技术、e p s 系统与整车性能的匹配技术等关键的 技术问题还未解决。 1 4 电动助力转向系统的发展趋势 当前，电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用。e p s 系统在降低 系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、内部摩擦，与整车进行匹 配获得合理的助力特性，以及保证良好的路感等方面取得了重大的进步。电动助 力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面也充分显示了其优越性，其性能 也得到用户的普遍认同。随着直流电机性能的改进，e p s 系统助力能力的提高， 其应用范围将进一步拓宽，现在3 升级的运动型跑车也有安装e p s 系统。e p s 代表未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件装备到汽车上，并将在动力转 向领域占据重要地位。 尽管e p s 已达到了其最初的设计日的，但仍然存在一些问题需要解决。就目 前的电动助力转向系统而言，其发展方向主要为：改进控制系统性能和降低控制 系统的制造成本。e p s 系统将进一步简化系统，减少控制单元和驱动单元的体积， 控制生产成本，降低价格，使其具有价格竞争力。在改进控制系统性能方面，进 一步改善电动机的性能是关键问题。因为电动机的性能是影响控制系统性能的关 键因素，电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵 力、转向路感等问题，消除由于电动机较大惯性、摩擦力所带来的转向路感不足 等缺点，使e p s 系统也能批量使用在重型货车上。并且，也只有进一步改进控制 系统性能，才能满足更高档轿车的使用要求。e p s 系统将进一步提高系统的可靠 性，主要从提高系统各部件的可靠性入手，如采用非接触式扭矩传感器等。另外。 e p s 系统的控制信号将不再仅仅局限与车速与扭矩，而是根据转向角、转向速度、 横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以获得更 好的转向路感。另外从车载电源的角度分析，现有的1 2 v 电源供给方式也很难满 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 足将来电子化的汽车的能量供给要求，欧洲现今倡导的4 2 v 供给电源就是其中的 一个尝试，标准电源电压调整一方面使电动助力转向系统的应用领域拓宽的难度 降低，可应用于重型汽车；另一方面也要求对新开发的电动助力转向系统的相关 部件进行必要的调整，或者对现有的系统进行前瞻性设计，以适应将来发展的需 要。 未来的电动助力转向系统还将向电子四轮转向的方向发展，并与电子悬架统 一、协调控制，从而实现电动助力转向系统与汽车上的其它控制单元的通讯联系， 实现控制系统的集约化。 应该说以上电动助力转向系统的发展的总体趋势就本质而言，并没有大幅度 的改变电动助力转向系统的基本框架结构，其机械部分的比重都比较大。放眼未 来，电动转向系统将向着更纯粹的电子化和智能化的动力转向系统发展。 电子转向控制系统( e l e c t r i cs t e e r i n g ，也即s t e e r - b y w i r e ) 的方向盘仅提供转 向数位信号输入，而这些转向信号通过信号线直接传输、控制每个车轮上的转向 电动机，在这样的系统中产生、传输机械转向力的所有机械连接机构都将消失， 取而代之的是纯粹的电动控制系统，系统包括用于感测驾驶人员作用于方向盘的 操作力以及汽车的运行状况的一些测试的监测传感器，并且包括集成的电机。由 于省去了中间的连接机构，占用空间更小，同时也能够改善汽车内部的振动特性 【2 7 1 。 更加智能化的电动助力转向系统，将会引入先进的、智能化的控制思想，模 糊控制和神经网络等思想将使得所设计的电动助力转向系统更加智能化、人性化。 需要说明的是，智能化的电动助力转向系统以先进控制理论的研究、先进、新型 传感器的开发和先进的控制器的出现与应用为前提。 8 第2 章e p s 的构成及关键技术 2 1 电动助力转向系统( e p s ) 的基本结构 如图2 - - 1 所示，电动助力转向系统( e p s ) 由下列零部件组成： 夺机械转肉系细e c h a n i s ms t e e r i n gs y s t e m ) 夺车速传感器：( v e l o c i t ys e n s o r s ) 夺方向盘扭矩传感器( t o r q u es c d s o r s ) 夺电子控制单元征c u ) 夺电动机和离合器( e l e c t r i cm o t o ra n dd u t c h ) 夺减速机构f w d ng e a t ) 其中，方向盘转速传感器和电磁离合器只在早期的e p s 系统中出现，而在最 近开发出的e p s 系统中已不采用。 图2 - 1 电动助力转向系统 e p s 系统的基本工作原理如下：转向时，控制单元根据检测到的转向扭矩传感 器、车速传感器的信号以及电机的电流，电压信号，判断汽车的转向状态( 转向或 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 回正) ，向驱动单元发出控制指令，使驱动单元h 桥某对角线位置上的两个 m o s f e t 按一定的占空比导通，使电机按方向盘转动的速度和方向产生所需要的 助力扭矩，协助驾驶员进行转向操纵。 e p s 控制器中还应有安全保护装置，当电机电流过大或温度过高时，安全保 护装置将切断或限制电流大小，避免发生故障；当系统发生故障时( 此时仍然可 以依靠机械转向系统进行转向) ，显示并存储故障代码。 2 2 电动助力转向系统( e p s ) 的关键技术 1 电动机和离合器( 图2 2 ) 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扭矩， 是e p s 的动力源。多采用无刷永磁 式直流电动机。电动机对e p s 的性 能有很大影响，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， 图2 2 电动机和离合器 而且要求可靠性高、易控制。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。在电动机设计时，应着重考虑如何提高磁感、降低噪音和振动。离合器采用 电磁式离合器，其由控制单元根据车速的快慢来控制。当车速在设定车速以上时， 电磁离合器切断，电动机不再提供助力，此时，系统不受电动机惯性力矩的影响， 转入人工转向状态；在设定车速之下，电磁离合器接合，转入助力转向状态。为 了改善转向特性，离合器设计要让它具有一定的滞后特性。但目前有的车型已不 采用离合器。 2 减速机构 e p s 的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆机构，也 有采用行星齿轮机构。有的e p s 还配用离合器，装在减速机构一侧，是为了保证 e p s 只在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离， 电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时，离合器 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 将自动分离。 3 电子控制单元 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，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、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 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。控制系统与控制算 法是e p s 的关键技术之一。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶 环境。控制算法应快速正确，并具有满足智能控制、实时控制的要求，能有效地 实现理想的助力规律与特性。图2 3 为铃木公司开发的e c u 电路原理图。 图2 3e c u 电路原理图 4 方向盘扭矩传感器 扭矩传感器具有检测方向盘的操纵方向和操纵力的功能。在任何情况下，采 用电位表就可以检测出主传感器和辅助传感器的信号。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。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。 童垒矍三奎茎三耋堡圭兰堡堡圣 5 车速传感器 车速传感器为磁电式传感器。当汽车行驶时，固定在变速箱内的测速齿盘转 动，与固定在变速箱壳体上的车速传感器产生相对移动，车速传感器便获得一个 连续的正弦波信号，信号频率与车速成正比。 2 3 电动助力转向系统( e p s ) 主要形式 根据电动机驱动部位的不同，将 电动助力转向系统分为三类【冽：转向 轴助力式( 图2 4 ) 、转向器小齿轮 助力式( 图2 5 ) 和齿条助力式( 图 2 6 ) 。 1 1 转向轴助力式转向系统由扭 矩传感器、电动机、离合器和转向助 力机构组成一体，安装在转向柱上。 其特点是结构紧凑、所测取的扭矩信 号与控制直流电机助力的响应性较 好。这种类型一般在轿车上使用。 2 1 小齿轮助力式转向系统的扭 矩传感器、电动机、离合器和转向助 力机构仍为一体，只是整体安装在转 向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可 获得较大的转向力。该型式可使各部 件布鼍更方便，但当转向盘与转向器 之间装有万向传动装置时，扭矩信号 的取得与助力车轮部分不在同一直 线上，其助力控制特性难以保证准 确。 图2 4 转向轴助力式 信号 3 ) 齿条助力式转向系统的扭矩传 图2 - - 5 转向器小齿轮助力式 感器单独地安装在小齿轮处，电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的 齿条处，用以给齿条助力。该类型又根据减速传动机构的不同可分为两种：一种 1 2 号 青岛理工大学工学硕士学位论文 是电动机作成中空的，齿条从中 穿过，电动机动力经一对斜齿轮 和螺杆螺母传动副以及与螺母 制成一体的铰接块传给齿条。这 种结构是第一代电动助力转向 系统，由于电动机位于齿条壳体 内，结构复杂、价格高、维修也 很困难。另种是电动机与齿条 的壳体相互独立，电动机动力经 另- d , 齿轮传给齿条，由于易于 制造和维修，成本低，已取代了图2 6 齿条助力式 号 第一代产品。因为齿条由一个独立的齿轮驱动，可给系统系统较大的助力，主要 用于重型汽车。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章e p s 的扭矩传感器设计 3 1e p s 对扭矩传感器的要求 电动助力转向系统的控制决策的执行主要取决于车速传感器信号和扭矩传感 器信号，它们是整个e p s 控制系统的神经末梢，其性能的优劣、寿命的长短，直 接影响着转向系统各部分的控制和监测质量，影响着控制策略的效果，所以各国 对它们的研究与开发都非常重视。 一般来讲传感器的选用与以下几个方面密切相关1 2 9 j ：a 、控制方面的要求：涉 及测定的目的、测量的对象、测量的范围以及精度要求等；b 、传感器的性质：包 括精度等级、稳定性、对象的特性影响等：c 、使用条件：主要涉及应用现场的环 境因素；d 、供求水平和维护：也即经济性和良好的维护性。作为电动助力转向系 统中的传感器当然也需要满足以上的要求，同时电动助力转向系统的工作环境的 多变性、路况的相对恶劣性、以及来自电动机、功率驱动电路的电磁干扰比较大、 考虑到人身安全要求的高可靠性等，电动助力转向系统也有其自身的特殊要求， 具体体现在以下几个方面：1 、有较好的环境适应性。因为汽车工作环境温度变化 范围较宽( - 4 0 c 8 0 c ) ，道路表面质量相差很大；2 、批量生产，并具有互换性： 3 、高可靠性，稳定性好；4 、尽可能小型、轻量，便于安装。5 、抗电磁干扰能力 强；6 、性能：精度高、响应快，从而满足电动助力转向对实时性的要求。 3 2e p s 扭矩传感器的介绍 从原理上讲，工程测量中回转轴扭矩的测量方法大致可以分为两种类型【如i ： 一类是以回转轴的扭转角为基本检测量，它是利用转轴受扭矩作用，产生扭转变 形，两横截面的相对扭转角与扭矩成正比的原理来测量扭矩的；另一类则利用转 轴受扭矩作用产生的主应力或主应变为基本检测量。 3 2 1 转角测量方式 由于转轴的扭转角测量实际上是角位移测量的编码系统，采用相位测量原理， 即将扭矩产生的角变形通过感应信号的相位差形式输出到测量电路。图3 1 是其 原理图。在弹性轴的两端安装有参数完全一致的齿轮，在齿轮的外侧各安装有接 近( 磁、光) 传感器。比较传感器输出的两组脉冲波信号前后沿的相位差来计算 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 弹性轴的扭矩。该方法的 优点是实现了扭矩非接 触测量，检测信号为数字 信号。 实例1 ：日本日立公司研 制的m r 编码器式扭矩 传感器。其结构和工作原 理是，在驱动轴和负载 几加口_ nn ln 中高速相位差低速信号 图3 1 转角测量式原理图 轴之间固定一个扭力棒，在棒的两端各装一个m r 编码器，这两个编码器尽可能 靠近并规格一致，由每个编码器的两项正弦输出可以计算出扭力棒两端的角度0 l 和0 2 ，再由两角度差计算出扭矩。另外前西德在8 0 年代提出一种方法，在被测轴 上安装两个1 2 0 齿的齿轮，传感器采用差动板式霍尔试探电极，在齿顶触发，通 过测量轴的扭转角，从而测量出附加在一个现成的传动路线的扭矩。 分析：由于扭转角在实际的检测中比较困难( 相位差的精度) ，不适合小扭转 角的测量。为了达到所要求的精度，要求所测轴相对长而细，以产生较大变形。 对e p s 系统中的转向轴来讲，它由方向盘直接驱动，驾驶员作用在方向盘上的初 始转向力矩不会很大，如采用该方式检测扭矩，需转向轴检测段处为相对长而细 的扭力杆，以产生较大变形。 实例2 ：可以实现精确测量扭转角。重庆大学光电精密机械研究所9 7 年提出 一种高精度的全光式扭矩测量原理。其原理为将两个可进行光空间调制的柱面光 栅阵列器件安装在被测轴上，当被测轴承受扭矩时，发生的扭转变形使柱面光栅a 和b 相对位置发生变化，通过光检测器检测出柱面光栅阵列a 和b 的调制信号， 经过光电转换，检测出扭转角。该传感器的特点是非接触式光扭矩测量，可得到 高精密的扭转角。其实验表明，可测量的最小扭转角可达= 0 0 1 0 ，重复精度为= o 0 5 。 分析：对e p s 系统，如考虑用光栅检测，由于光栅系统对环境的敏感性，汽 车的使用环境问题导致的传感器可靠性是重点考虑和麻烦所在。 3 2 2 应变测量方式 此类传感器是国内外应用最多的测扭矩传感器，它采用在旋转轴表面贴应变 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 片的方法，利用适当的电路取得信号，然后进行分析处理。图3 2 所示为这种传 杆器的贴片示意图。根据材料力 学理论，受纯扭矩的的轴，其表 面主应力的方向与轴线成4 5 。 和1 3 5 0 。主应力的绝对值等于 最大剪切力。因此在传感器的扭 转轴上，沿4 5 。和1 3 5 。方向各贴 两片应变片，并把它们接成差动 全桥，其输出电压正比于扭转轴 所受的扭矩。此种传感器因成本 低廉和操作简练仍广泛使用在 静态和低速旋转系统的扭矩测量中。图3 - - 2 应变式传感器贴片示意图 根据旋转体上的桥压输入和测得的应变信号输出处理方法的不同，又分为以下 几种： 1 传统集流环方式：( 图3 3 ) 采用导电滑环来传递。由于导电滑 环属于磨擦接触，摩擦、发热和跳动， 使其触头的磨损和接触点阻的变化，影 响到传感器的测量精度和使用寿命，而 且存在很大的噪声。 2 无线遥测式： f 应变桥 f。二 0 筇 图3 3 传统集流环式示意图 为了克服导电滑环的缺点，将扭矩应变信号在传感器上放大并、佃变换成频 率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴发射到轴外。再用无线电接 收得到扭矩信号。旋转轴上的能源供给用固定在轴上的电池。该方式即遥测扭矩 仪川。它克服了导电滑环的缺点，但也存在3 个不足：易受现场电磁波的干扰： 电池供电，只能短期使用；旋转轴上附加的部件易引起动平衡问题，在小量程及 小直径轴时更明显。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 数字式：( 图3 4 ) 由北京冶金一局超硬材料 研究所研制获国家五项专利： 的数字式扭矩传感器【3 2 l 。其吸 收了前述遥测的思想，规避其 缺点，特殊设计了两组带间隙 的环形旋转变压器( 包含动环 和静环) ，实现了信号及能源： 的非接触传递。并做到扭矩信弛源环形 号的传递与是否旋转无关，与变压器 转速大小无关，与转向无关。 其结构如图3 - - 4 ： 斟口豁嚣吖山黧形 1 5 v 一一。一信号输出 图3 6