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江苏大学 硕士学位论文 汽车电动助力转向系统的模糊神经网络控制及优化设计 姓名：毛建伟 申请学位级别：硕士 专业：载运工具运用工程 指导教师：陈龙 20070501 江苏大学硕士学位论文 摘要 电动助力转向( E P S ) 是近年来发展起来的汽车工程领域的高新技术，代表着汽 车动力转向技术的发展方向。E P S 是一个机械装置和电气装置紧密结合的系统，要使 E P S 系统按所设计的控制方法实现优良的转向操纵性能，必须深入研究E P S 子系统 与整车大系统之间的性能匹配问题，其中，E P S 助力特性的匹配以及E P S 助力电机转 动惯量、减速机构传动比、扭矩传感器刚度的匹配设计是决定E P S 及整车转向操纵 性能的关键问题。本文主要对电动助力转向系统的控制方法和E P S 主要参数的匹配 及试验技术进行了研究和探讨。 首先，对汽车电动助力转向系统的结构及其动力学特性进行分析，建立了三自由度 汽车模型与E P S 系统集成的数学模型。在此基础上，通过对E P S 助力特性的分析，给出 了装有E P S 系统的汽车转向操纵性能的评价标准，对转向灵敏度和转向路感这两个重要 指标进行了深入研究，并建立了E P S 主要设计参数和控制参数的稳定性判别准则。 其次，在分析常用的三种助力特性曲线的基础上，提出了助力特性的设计原则。 通过对常规助力控制和阻尼控制模式的分析，提出了基于模糊T - S 模型的模糊神经 网络方法来确定助力电机的目标电流，用单神经元自适应控制器跟踪目标电流的E P S 控制策略，将常规助力控制和阻尼控制集成到一个控制算法中。仿真结果表明，该 控制策略对抑制汽车高速行驶时转向盘回正时的摆振现象有一定的效果，并能较好 地满足助力要求。 然后，从结构选择和参数匹配两个方面分别研究了助力电机、减速机构及扭矩传 感器的匹配问题。通过仿真计算，分析了E P S 主要参数对汽车的转向灵敏度、路感、 转向盘把持力矩及整车动态性能的影响，给出了E P S 主要参数的设计原则。从理论 上分析了E P S 助力电机与减速机构传动比、转向系传动比以及转向盘转速之间的匹 配关系，以转向灵敏度和转向路感为目标函数，建立了E P S 系统参数的多目标优化 设计模型，并采用遗传算法对E P S 系统的主要参数进行了优化设计。 最后，设计开发了以A R M S 3 C 4 4 B O X 单片机为核心的E P S 控制器及相应的控制软 件。为了验证所设计的E P S 控制系统的实际效果，设计了采用微型客车轮胎及悬架零部 件的1 4 车辆E P S 试验台，进行了相关的试验。试验结果表明，在原地和车速为5 k m h 的工况下，转向轻便性分别提高了6 9 5 和5 6 3 。电机电流能够很好的跟踪转向阻力 矩的变化。在车速为5 k m h 的工况下，路面的随机输入对转向盘的把持力矩峰值影响降 低了4 0 9 9 6 ，转向手感较好。试验结果与仿真结果基本吻合，表明采用本文设计的电动 助力转向系统及其控制方法和优化匹配方法正确，具有较好的应用效果。 关键词：电动助力转向；模糊神经网络；自适应控制；优化设计；台架试验 江苏大学硕士学位论文 T h ee l e c t r i cp o w e r 蜘g ( E P S ) i san e wh i g h - t e c h p r o d u c t o fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g , w h i c hi sc o n s i d e r e da st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fp o w e rs t e e r i n gi nt h e f u t u r e T h eE P Si sas y s t e mi n c o r p o r a t i n gm e c h a n i c sa n de l e c t r i c s s u b s y s t e m ，t o a c c u r a t e l yc o n t r o li ta n da c h i e v ee x c e l l e n th a n d l i n gb e h a v i o u r , i ti sv e r yn e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nE P Sa n dt h ew h o l ev e h i c l e O fw h i c ht h e m a t c h i n go fa s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek e yp a r a m e t e r so fE P Ss u c ha sm o m e n to f i n e r t i ao fm o t o r , g e a rb o xg a i no ft h ea s s i s t i n gm e c h a n i s ma n dt o r s i o n a ls t i f 血e s so ft h e t o r q u es e n s o ra r et h ek e yq u e s t i o n s T h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h em a t c h i n go ft h eE P Sk e y p a r a m e t e r sa n d t e s tb e dd e s i g nw e r ed i s c u s s e da n ds t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n F i r s t ，t h es t r u c t u r ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa nE P SW a sa n a l y z e d , a n da3D O F s l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fv e h i c l ec o m b i n e dw i t hE P SW a ss e tu p T h r o u g ha n a l y s i s a s s i s t i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fE P Ss y s t e m ，s e v e r a li n d i c e st oe v a l u a t et h e h a n d l i n g p e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l em o u n t e dE P Sw e r ep r e s e n t e d , a n dt w oo fw h i c ht h es t e e r i n g s e n s i t i v i t ya n ds t e e r i n gf e e lw e r es t u d i e di nd e t a i l B a s e do nt h i s ，as t a b i l i t yc r i t e r i o no f E P Ss y s t e mW a sb u i l t S e c o n d ，T h e3t y p i c 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 l V es t r a i g h t - l i n et y p e ，b r o k e n l i n e t y p ea n dC u l N e l i n et y p ew e r ed i s c u s s e d , a n dt h ed e s i g np r i n c i p l ea b o u ta s s i s t i n g c h a r a c t e r i s t i c sO 1 l N ew a sp r e s e n t e d b ya n a l y z i n gt h ep o w e ra s s i s t i n gc o n t r o lm o d ea n d d a m pc o n t r o lm o d e , ac o n t r o ls t r a t e g yt h a tt h eo b j e c t i v ec u r r e n to fE P Sa s s i s t i n gm o t o ro f E P Ss y s t e mu n d e ra n yd r i v i n gc o n d i t i o n sW a sd e t e r m i n e d b yA N F I S ，a n dt r a c k e db yu s i n g a d a p t i v es i n g l en e u r o l lP I Dc o n t r o l l e rW a sp u tf o r w a r d ，t h e r e f o r e ，t h ep o w e ra s s i s t i n ga n d t h ed a m pc o n t r o lm o d ew e r ei n t e g r a t e di nt h es a m ec o n t r o ls t r a t e g y T h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yc a nw e a k e nt h eo s c i l l a t i o no fs t e e r i n gw h e e lw h e ni t r e t u r n st oc e n t e ra tI l i g I ls p e e d ，a n dm e e tt h er e q u e s to fp o w e ra s s i s t i n go fE P S s y s t e m B a s e do nt h e s e ，t h em a t c h i n gr e s e a r c ho fE P Sk e yp a r t ss u c ha sm o t o r , t o r q u es e n s o r , g e a rb o xW a sc a r r i e do u t T h ei n f l u e n c e so ft h eE P Sk e yp a r a m e t e r so nt h es t e e r i n g s e n s i t i v i t y , s t e e r i n gf e e l ，t h eh o l d i n gp e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gw h e e la n dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ev e h i c l ew e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l yb ys i m u l a t i o n , a n dt h e d e s i g nr u l e so ft h eE P Sk e yp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d S o m em a i np a r a m e t e r so fE P S s y s t e mw e r ea l s oa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y b a s e do nt h er e s t r i c t i o no fs t a b i l i t yc r i t e r i o na n d m a x i m i z et h eo b j e c tf u n c t i o no fs t e e r i n gs e n s i t i v i t ya n ds t e e r i n gf e e l ，a nm u l t i - o b j e c t o p t i m i z a t i o nm o d e lo fE P Ss y s t e mw a sb u i l t , a n dt h ek e yp a r a m e t e r so fE P Sw e r e o p t i m i z e db yu s i n gG e n e t i cA l g o r i t h m F i n a l l y , t h eh a r d w a r eE C UW a sd e v e l o p e db a s e do nA R MS 3 C 4 4 B O X s i n g l e c h i p ，a n d 江苏大学硕士学位论文 t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a mw a sa l s od e v e l o p e d T ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n e dp a r a m e t e r so fh a r d w a r ea n dc o n t r o ls t r a t e g y , as p e c i a lt e s tb e dc o n s i s t so fa t y r ea n ds u s p e n s i o ns y s t e mo fm i n i c a rw a sd e s i g n e d ，w h i c hi s1 4v e h i d em o d e E x p e r i m e n t a l s t u d i e ss h o w e dt h a ti tW a sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t a p p r o x i m a t e l y T h es t e e r i n gm a n e u v e r a b i l i t yW a sm c r e a s e db y6 9 5 a n d5 6 3 w h e nt h e s p e e do fv e h i c l ew a s0 k m ha n d5 k m hr e s p e c t i v e l y 1 1 l eo b j e c t i v ec u r r e n to fE P S a s s i s t i n gm o t o rc a n b ec h a n g e da l o n gw i t ht h et o r q u eo fs t e e r i n g 1 1 l em a x i m u mo fo u t p u t o fs t e e r i n gm o m e n tr e d u c e db y4 0 9 u n d e rt h er a n d o mi n p u to fr o a da tt h es p e e do f 5 k m h T h ed e s i g n e dE P Ss y s t e mc a na c q u i r ep r e f e r a b l er o a df e e l I tt u r n e do u tt h a tt h e d e s i g n e dE P Ss y s t e ma n di t sc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h em a t c h i n go p t i m i z a t i o nm e t h o dw e r e v a l i d a t e d K e yw o r d ：E P S ；A N F I S ；a d a p t i v ec o n t r o l ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；T e s t I R 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密留。 学位论文作者签名；毛碰石 1 7 - 7 年占月J 7 日 指导教师签名：沙垂危P z 一7 年b 月r 日 独创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名翻夕多囊乡易 1 日期：叫年6 月j 7 L J 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车动力转向系统概述“1 汽车转向系统作用是根据驾驶员的操作指令，改变或保持汽车的行驶方向。转 向性是汽车的主要性能之一，它直接影响到汽车的操纵稳定性，对于确保汽车的安 全行驶改善驾驶员的工作条件等起着重要的作用。 目前，汽车上采用的转向系统按照转向能源的不同可分为机械转向系和动力转 向系。机械转向系是完全靠驾驶员的体力操纵的转向系，动力转向系是借助动力来 操纵的转向系。动力转向系统又分为两种：全动力转向系统和助力转向系统。全动 力转向系统是只由专用机构提供转向动力的转向，一般只用于低速行驶的车辆，如 工程机械等；助力转向是由驾驶员体力和专用机构两者共同提供转向动力的转向， 一般是在机械转向系的基础上加设转向加力装置组成，这样不仅可以保证在助力转 向系统中的助力部件部分或全部失效后，转向系统仍然具有控制汽车行驶的能力。 汽车转向系统一直存在着“轻”和“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们 常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时 以“轻”为主”1 。但采用变传动比的转向器只能部分地缓和二者之间的矛盾，并不能 从根本上解决问题，所以必须采用动力转向系统。按照传统的汽车设计观点o 】，当转 向轴质量超过2 5 t 时就可以采用动力转向，但是随着汽车行驶速度的提高以及驾驶 员对工作环境要求的提高，为了进一步减轻劳动强度，改善工作条件，助力转向系 统已经成为不少车型的基本配置；在一些发达国家，甚至在发动机排量只有7 0 0 m l 8 0 0m l 的微型车也安装了动力转向系统0 1 。高级轿车为了提高操纵轻便性和保证 高速行驶的安全性，也大多安装动力转向系统。 汽车转向系统的发展经历了从传统的机械转向系统( M a n u a lS t e e r i n gS y s t e m ， 简称M S ) 到液压助力转向系统( H y d r a u l i cP o w e rS t e e r i n gS y s t e m ，简称H P S ) 的 转变，并随着电子技术的发展，通过采用新型传感器和电子元器件控制液压系统开 发出电液助力转向系统( E l e t r i c - - H y d r a u l i cP o w e rS t e e r i n gS y s t e m ，简称E H P S ) ， 目前发展到了更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转向系统( 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 ，简称E P S ) ，还有处于实验室研究阶段线控电动转向系统 ( S t e e r B y W i r e ，简称S B W ) “1 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 电动助力转向系统的简介 1 2 1 电动助力转向系统的组成和工作原理 电动助力转向系统，是继液压动力转向系统后的一种动力转向系统。它是在原 有的机械转向系统的基础上，根据车速传感器和转矩传感器检测的信号，由电子控 制单元( E C U ) 计算确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电 动机经离合器及减速机构将扭矩传递给牵引自口轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人 员提供辅助转向力的功效。 在电子控制单元中还有安全保护措施和故障诊断功能，当电动机电流过大或温 度过高，系统将会切断或者限制电动机的电流，避免故障的发生；当车速超过一定 的临界值或系统发生故障，如蓄电池电压过低、转矩传感器失效等，这时系统可以 自动断开离合器，驾驶员仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时系统将显 示故障并存储故障代码。不转向的情况下，电动机不工作。电动助力转向系统很容 易实现在不同的车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果。 E P S 系统主要由机械转向装置、转矩传感器、车速传感器、助力电动机、减速机 构、电子控制单元( E C U ) 组成，如图1 1 所示。 图1 1 转向轴助力式电动助力转向系统 其各部分的主要结构和工作原理如下； 1 扭矩传感器 扭矩传感器的功能是测肇驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向 盘转角的大小和方向。这些信号都是E P S 的控制信号。扭矩测鼍系统比较复杂。目 前的E P S 一般采用电位计式传感器，其结构图如图1 2 所示，转向轴从中间断歼，上 部分为输入轴，下部分为输出轴，扭杆连接输入轴和输出轴，固定在扭杆上的导向销 插入传感器滑套的斜槽中，导向销既可随扭杆一起转动，又可随滑奁轴向移动。当输 入轴相对于输出轴转动时，扭杆发生扭转变形，同时，带动导向销转动，导向销带动 2 江苏大学硕士学位论文 滑套沿轴向移动。这样，输入轴和输出轴的相对转动，就可转换成滑套的直线运动。 滑套沿输出轴的轴向运动，带动电位计摆臂摆动，电位计就输出一个相应的电压信号。 由此转矩传感器将转向盘的力矩和方向信号转换成电位计的电压信号，并传送给E c U 。 为保证转矩传感器信号的可靠性，接触式转矩传感器里设计了2 套电位计，向E c u 同 时输送主、辅两路信号，E C U 将主、辅信号进行对比，判断转矩信号的正确性。扭杆 的扭转角度上限设定为4 0 左右，当超过这个角度时，限位机构起到保护作用“1 。 图1 3 控制电机总成 3 图l - 4 电磁离合器结构图 l 一滑环2 一电磁线圈3 一压板4 一花键 5 一从动轴6 - - 主动轮7 一滚珠轴承 江苏大学硕士学位论文 工作时，电流通过滑环进入电磁线圈，主动轮便产生电磁吸力，带有花键的压 板就被吸引，并与主动轮压紧，于是电动机的输出转矩便经过电机输出轴、主动轮、 压板、花键和从动轴传递给减速机构。如果超过规定速度，离合器可以分离，不再 传递电动机的动力。 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。 3 电子控制单元( E C U ) 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、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，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，也有采用数字 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 1 车速传感器( V S S ) 2 里程表3 E P S 统应有较强抗干扰能力，以适应汽车翠杂的控篙薯二辜羞鬈等8 行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实行理想的助 力规律与特性。 4 车速传感器 车速传感器位于变速器输出轴上，为磁感应式，如图1 5 所示。它能产生频率 与车速成正比的正弦脉冲信号，该信号经罩程表电路处理后，形成方波信号，该方 波信号一方面给里程表使用，一方面通过导线送E P S 控制器，向E P S 控制器提供车 速信号。 t 2 2 电动助力转向系统的类型 电动助力转向系统( E P S ) 的机械结构有很多形式。根据电动机驱动部位的小同， E P S 分为：转向轴助力式( C o l u m nD r i v e ) 、转向器小齿轮助力式( P i n i o nD r i v e ) 和齿条助力式( R a c kD r i v e ) 三种，如图1 6 所示”1 。 4 江苏大学硕士学位论文 a 转向柱助力式b 小齿轮助力式c 齿条助力式 图1 6 电机啦王布置不同的B P S 的类型 转向轴助力式E P S 的电动机固定在转向轴的一侧，通过减速机构与转向轴相连， 直接驱动转向轴助力转向。该方案的助力输入将经过转向器传递，因此要求电动机 的最大输出扭矩相对小；电动机常布置在驾驶室内，工作环境较好，对密封要求低； 但是安装位置离驾驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动易直接传到转向 盘上。 齿轮助力式E P S 的电动机和减速结构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。 该方案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出扭矩也要相对 小；电动机安装在地板的下方，工作环境差、对密封要求高；其力矩波动也易传到 转向盘上。由于离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小。 齿条助力式E P S 的电动机和减速机构与齿条相连，直接驱动齿条助力转向。该 方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大；电动机工作环境 差，对密封要求高；安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小，且力 矩波动不易传到转向盘上。 1 2 3 电动助力转向系统的特点 与传统的液压助力转向相比，它具有一系列的优点“1 ： ( 1 ) 安全：E P S 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小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，减轻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。并且可通过设置不 同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。同时利用电机质量的惯性阻尼效应， 可使转向轴的颤动和反冲降到最小。 ( 2 ) 节能。E P S 只在转向时电动机才提供助力( 不像H P S ，即使在不转向时， 油泵也一直运转) ，因而能减少燃料消耗。在不转向情况下，装有E P S 的车辆燃油 消耗降低2 5 ，在使用转向情况下。降低了5 5 。 ( 3 ) 路感和回正性好。E P S 结构简单，内阻小、回正性好改善了汽车操纵稳定 5 江苏大学硕士学位论丈 性。 ( 4 ) 可以独立于发动机工作。由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供 电，因此E P S 能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也 能提供助力。 ( 5 ) 有利于环保。首先，节能的本身就是环保；其次不使用液压油，避免了污 染，采用电能作为能源，适应当酶开发电动汽车的发展潮流；而且E P S 还降低噪声， 因为它没有转向油泵，而转向油泵是一个噪声源。 ( 6 ) 效率高。H P S 系统为机械和液压连接，效率较低，一般为6 0 一7 0 ； 而E P S 系统为机械和电气连接，效率较高，有的可高达9 0 以上。 ( 7 ) 增强了随动性。在E P S 中，电动机产生助力转矩，通过适当的控制方法， 可以消除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随动性能。 ( 8 ) 易于包装和装配，易于维护与保养。E P S 取消了油泵、皮带、皮带轮、液 压软管、液压油及密封件等，其零件比H P S 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧 凑，在安装位置选择方面也更容易，此外，E P S 具有自我诊断的功能。有助于维修。 ( 9 ) 易于调整。对助力特性有不同的要求，E P S 助力特性的调整在很大程度 上可以通过软件实现，比如D E L P H I 的E P S 性能的调节可以现场进行，把笔记本电 脑与E P S 的E C U 相连，只需要一个小时左右就可以完成调整工作f 1 1 】。 1 3 电动助力转向系统的关键技术及发展现状 1 3 1 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、回币控制、阻尼模式和惯性控制) 以及E P S 系统与整车性能匹配 等多方面的难题。 ( 1 ) 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 机的性能足影响系统性能的主要因素，电机本身及其与E P S 的匹配都将影响转向手 力特性、转向路感、汽车动态响应等莺要问题。 ( 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 6 江苏大学硕士学位论文 可靠，价格便宜，精度适中。考虑到可靠性问题，目前国外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。这是E P S 系统研究开发的关键技术之二。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“”。 ( 4 ) E 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 比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“。 1 3 2 电动助力转向系统国内外发展情况 电动助力转向系统最早应用在日本的微型轿车上，欧、美等国的汽车公司对E P S 的开发研究比日本晚1 0 年时问“”。1 9 8 8 年2 月日本铃木首次在其C e r v o 车上装备 E P S ，随后用在其A l t o 车上。接着，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 都相继研制出自己的 E P S 。比如：大发汽车公司在其M i r a 车上装备了E P S ，三菱汽车公司则在其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 车目盼已经选装E P S ，$ 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 汽车系统公司已经为大众的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 。M e r c e d e s B e n z 和S i e m e n sA u t o m o t i r e 两大公司共同投 7 江苏大学硕士学位论文 资6 5 0 0h 英镑用于开发E P S ，他们的目标是年产3 0 0h 套，成为全球E P S 制造商“”。 E P S 经过二十多年的发展，其技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车 向更大型轿车和商用轿车方向发展，如本田的A c c o r d 和菲亚特的P u n t o 及新上市的 一汽大众速腾等中型轿车已经安装E P S ，本田甚至在它的赛车上安装了E P S 。日本早 期的E P S 只在低速和停车转向时助力，后来发展的E P S 不仅在低速和停车时助力， 在高速行驶时还能提高汽车的操纵稳定性。在世界汽车行业中，E P S 的年增长量达 1 3 0 万1 5 0h 套，2 0 0 7 年将达到1 1 4 0h 套。T R W 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产 的每3 辆轿车中就有l 辆装备E P S “。按此速度发展，电动转向将会完全占领轿车市 场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。 在国内，随着2 0 0 0 年昌河北斗星厢式车安装进口电动助力转向器，汽车转向器 历史上掀开了新的一页“”。由于国内的E P S 起步比较晚，目前正处于技术开发和产 业转化的初期。E P S 以它的一系列优点以及它不断扩大的市场吸引了国内越来越多的 专家、学者以及有关企业的关注，在2 0 0 5 年1 2 月的上海零部件展上，1 8 家国内有 成就的E P S 相关企业联合展出，组织了电动转向联合展台。0 5 年国内电动助力转向 器装车已达6 万台( 4 个厂家) ，预计0 6 年将达到1 2 1 5 力台( 厂家将达到8 1 0 家) 。国内生产的昌河北斗星、上海大众途安、广州本同飞度、吉利豪情等轿车上已 经安装了E P S 系统。国内很多高校( 如吉林大学、清华大学、江苏大学等) 也在这 方面做了一系列的研究工作，在实验室台架试验上取得了一些进展，但是在试验车 上转向的效果有待改进，如转向盘抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方 面，整车企业在电控技术及E P S 的行业标准方面存在滞后性。 由于E P S 系统的复杂性及与整车性能的相互制约，目前的研究大部还是局部的， 没有全面考虑E P S 与汽车性能的相互协调及匹配，对E P S 助力特性与整车动力学性 能之间的关系及匹配尚缺乏系统的研究；采用的控制算法和控制策略以及实际应用 大都不能很好满足汽车低速与高速时的性能要求。这就需要深入研究E P S 与汽车性 能协调系统的理论及综合控制的优化，研究E P S 助力特性曲线的匹配以及E P S 关键 部件的主要参数与整车之间相互制约、相互影响的匹配问题，优化E P S 的主要参数。 为汽车的转向操纵性能的提高打下基础，从而来获得优良的转向操纵性能。 在国内电动助力转向研究领域，对E P S 控制策略的研究主要集中在常规助力控 制，随着对E P S 性能要求的不断提高，E P S 控制策略的研究也向更深层次发展，其中 就包括以提高汽车高速行驶稳定性为目标的阻尼控制。但足常规助力控制、阻尼控 制所对应的转向工况不一样，因此在实际汽车行驶中，根据不同转向工况选择不同 的控制目标，E P S 应迅速执行相应的控制算法，从而保证转向操纵的稳定性。而目前 国内外在这方面的研究还比较少，因此开展该方面的研究，使设计的E P S 性能更适 8 江苏大学硕士学位论文 合汽车实际行驶需要。 1 5 本文的主要研究内容 本课题是在综合国内外已有研究成果的基础上，结合国家自然科学基金 ( N S F C 5 0 4 7 5 1 2 1 ) 、江苏省高新技术项目( B G 2 0 0 4 0 2 5 ) 及市产学研项目对电动助力 转向系统作进一步的研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析电动助力转向系统的物理结构及其动力学特性，并进行合理简化后， 建立三自由度汽车模型与E P S 系统集成的数学模型。 ( 2 ) 分析E P S 助力特性，研究衡量装配E P S 系统汽车转向操纵性能的评价标准， 着重研究转向灵敏度和转向路感这两个重要指标函数的表达式。在此基础上，讨论 E P S 主要设计参数和控制参数所必须满足的稳定性条件，即稳定性的判别准则。 ( 3 ) 对E P S 常规助力控制和阻尼控制模式进行分析，设计基于模糊T - S 模型的 模糊神经网络控制来确定助力电机的目标电流，用单神经元自适应控制器跟踪目标 电流的E P S 控制策略，将常规助力控制和阻尼控制集成到同一个控制算法中，根据 车速信号的不同，实现对E P S 的常规助力控制和阻尼控制。 ( 4 ) 在此基础上，首先从结构选择和参数匹配两个方面分别探讨助力电机、减 速机构及扭矩传感器的匹配问题。采用仿真软件M a t l a b S i m ili n k ，详细分析E P S 的 主要参数对汽车转向操纵性能及对整车动态性能和转向盘把持力矩的影响，然后， 分析E P S 的引入对汽车的稳态横摆角速度增益和特征车速的影响。最后，从理论上 分析E P S 系统各参数的相互制约、相互影响的匹配关系。在此基础上，建立汽车系 统和电动助力转向系统的综合系统的多目标优化设计模型，并采用遗传算法对E P S 系统的上述三个主要参数进行优化设计。 ( 5 ) 设计采用微型客车轮胎及悬架零部件的1 4 车辆E P S 试验台，模拟一定的 车速和道路行驶条件，满足E P S 在不同工况下的常规控制、回正控制和阻尼控制的 研究。开发基于A R MS 3 C 4 4 B O X 单片机的控制电路和E C U ，并进行安装调试。 ( 6 ) 对E P S 进行台架试验，检验本文所设计的E P S 硬件参数及控制算法的有效 性和可行性。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章电动助力转向系统数学模型与其特性研究 2 1 电动助力转向系统的建模 E P S 数学模型的建立是进行理论研究与仿真分析的一个十分重要的环节。从机械 系统的观点来看，E P S 是由许多质量、惯性元件以及弹簧、阻尼( 或摩擦) 元件组成的。 是一个多自由度动力学系统。在推导数学模型过程中通常要考虑在模型的简化和准 确性之间作出折衷。如果把所有影响因素都考虑在内，模型往往太复杂，它的可用 性也就成问题了，而且会使主要因素不能够突出，同时也很难精确地得到模型中所 需要的所有参数，这样反而使系统模型精度下降，变得不准确了。 为了研究E P S 系统的动态特性及其与整车之间相互制约、相互影响的匹配关系， 必须引入汽车的转向模型，本论文考虑到车辆转弯时侧倾效应的影响，采用了线性 三自由度的车辆简化模型，并通过其与E P S 系统模型之间的变量耦合关系建立了集 成的数学模型，从而来分析E P S 对整车的侧向运动和横摆运动以及侧倾运动的影响。 2 1 1 线性三自由度汽车转向模型 在研究汽车转向模型之静，首先引入汽车的车辆坐标系“”。汽车的运动是借固 定于运动着的汽车上的动坐标系一车辆坐标系来描述的。如图2 1 所示固定于汽车 上的o x y z 直角动坐标系就是车辆坐标系。X O Z 处于汽车左右对称的平面内。当汽车 在水平路面上静止状态下，X 轴平行于地面指向前方。Z 轴通过质心指向上方，y 轴 指向驾驶员的左侧，坐标系的原点常可令其与质心重合。 图2 1 车辆坐标系 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，一般将汽车简化为线性二自由度的汽车 模型进行研究“。在侧倾转向效应较小的情况下，这样的简化模型可以得到较好的 仿真效果。但是，在侧倾转向效应较大时，这样的简化模型就不够精确了。这时， 就必须计入侧倾自由度对角输入操纵运动的影响。包含侧倾自由度的三自由度角输 江苏大学硕士学位论文 入运动的基本理论的最初成果，出现于1 9 5 6 年( 美国康乃尔实验室，L S e g e l ) 。后 来由于计算机的发展，使得用更加精确的模型来研究操纵动力学和进行数字计算机 仿真也得到很大的发展“。 本研究直接以前轮转角作为输入，认为汽车作平行于地面的平面运动和绕X 轴 的侧倾运动，即汽车沿z 轴的位移，绕Y 轴的俯仰角均为零。另外，假设汽车沿x 轴的前进速度E 不变。因此，汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕Z 轴的横摆运动和侧 倾运动。此外，汽车的侧向加速度限定在0 4 9 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。 在建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的 影响，没有空气动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的 变化力矩的作用。这样，实际汽车便简化一个由前后四个有侧向弹性的轮胎支承于 地面、具有侧向、侧倾及横摆运动的三自由度汽车模型。 采用固定于汽车上的相对坐标系( 图2 1 ) ，以汽车静止时的重心铅垂线与侧倾轴 (