（机械电子工程专业论文）电动助力转身系统建模仿真及电控单元的研究.pdf

电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 摘要 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 ) 是汽车电子化、智 能化的产品，是汽车转向技术的一次重大突破，它比传统的动力转向系统有很大 的优越之处。电动助力转向系统效率高、路感好、节能环保、安装方便，是国内 外汽车转向的研究焦点，并成功应用于某些车型上，具有广阔的市场前景。 本课题充分利用了汽车工程、自动控制理论、机电一体化等学科内知识，从 电动助力转向系统的建模仿真和电控单元两方面进行了深入细致的研究。 课题首先论述了e p s 系统的类型特点、基本结构及工作原理，对e p s 系统关 键零部件做了详细的分析并选型。接着以e p s 为研究对象，建立了转向系统动力 学模型、直流电动机模型以及整车二自由度动力学模型。在此基础上，对助力特 性和控制策略进行了研究，设计了助力目标电流的模糊决策控制器，得到了不同 方向盘力矩输入和车速下的助力特性曲线，曲线表明是符合e p s 系统转向的助力 要求的；在对目标电流的跟踪策略方面，设计了p i d 控制器和模糊p i 复合控制器， 同时对转向回正控制策略和阻尼控制策略进行了探讨。仿真结果表明，电机实际 电流能很好的跟踪助力目标电流，具备较高的响应速度，所制定的电流控制方法 是有效可行的，并利用整车仿真平台，讨论了e p s 系统对汽车横摆角速度的影响。 最后，充分考虑了电动助力转向系统电控单元( e c u ，e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ) 的功能，针对e c u 的输入和输出信号的特点，设计了主要的硬件电路。详细介绍 了直流电动机和继电器的驱动电路，信号输入处理电路以及电源转换电路，并从 安全角度出发，设计了故障处理电路。 关键词：电动助力转向；模糊控制；建模；仿真；电控单元 硕士学位论文 l _ _ _ _ _ _ _ _ 自目l _ 目l 自_ _ 目- _ _ _ l _ i _ _ _ _ - _ _ e _ _ - _ l _ _ _ _ - _ i _ _ _ ，l _ _ a b s t r a c t 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 ) i sa na u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n d i n t e l l i g e n t p r o d u c t s ，a n di ti st h et e c h n i c a lb r e a k t h r o u g ho nt h ea u t o m o b i l es t e e r i n gt e c h n o l o g y , e p sh a sm a n ya d v a n t a g e so v e rt h ep a s ts 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 g s y s t e mh a sh i g he f f i c i e n c y , g o o di nr o a d f e e ! ，e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y a n d e n e r g y s a v i n g ，c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n ，a n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di ns o m em o d e l s ，i t h a sb r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h i s p a p e rf u l l y s h o w st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a t c o m b i n a t i o n o fa u t o n l o b i l e e n g i n e e r i n g ，a u t o m a t i c c o n t r o l t h e o r y a n dm e c h a t r o n i c s ，f r o mt h e m o d e l i n g s i m u l a t i o na n de c u ，e p sw a ss t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，b a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe p s s y s t e mw e r ee l a b o r a t e di n t h i s p a p e r , a n dh a v em a d et h ed e t a i l e da n a l y s i sa n d s e l e c t i o na b o u tk e yp a r t so fe p s t h e nt a k i n ge p sa s r e s e a r c ho b j e c t i v e ，h a s e s t a b l i s h e dt h es t e e r i n gs y s t e md y n a m i c sm o d e l ，d cm o t o rm o d e l a sw e l la st w o d e g r e e so ff r e e d o mv e h i c l ed y n a m i c sm o d e l o nt h eb a s i so ft h a t a n a l y s i so fa s s i s t c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ls t r a t e g yw e r em a d e ，a n dt h em o t o r st a r g e tc u r r e n to nt h e b a s i soff u z z yc o n t r olw a sw o r k e do u t ，i t g o tt h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa t d i f f e r e n tt o r q u ei n p u to f s t e e r i n gw h e e la n dv e l o c i t y , w h i c hs h o w e dt h a tf u z z yc o n t r o l s t r a t e g y , c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe p ss y s t e m i nt h et a r g e tc u r r e n tt r a c k i n g s t r a t e g y , p i dc o n t r o l l e ra n df u z z y - p ic o m p o u n dc o n t r o l l e r , w h i l et h es t e e r i n gr e t u r n c o n t r o ls t r a t e g ya n dd a m p i n gc o n t r q ls t r a t e g yw e r ed i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ，t h ea c t u a lm o t o rc u r r e n tc a nt r a c kt a r g e tc u r r e n tw e l l ，w i t hh i g hr e s p o n s e s p e e d ，t h ec u r r e n te o n t r o lm e t h o dw a se f f e c t i v ea n df e a s i b l e m o r e o v e r , t h ev e h i c l e y a wv e l o c i t ye f f e c to fe p ss y s t e mw a sd i s c u s s e dw i t ht h eu s eo fv e h i c l es i m u l a t i o n p l a t f o r m a tl a s t ，e l e c t r i cc o n t r o lu n i tf u n c t i o nw a s g i v e nf u l lc o n s i d e r a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe c u si n p u ts i g n a la n do u t p u ts i g n a l ，t h eh a r d w a r ec i r c u i tw a s d e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed r i v i n gc i r c u i to fd i r e c t c u r r e n t m o t o ra n dr e l a y , i n p u ts i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n ds w i t c h i n gc i r c u i ti nd e t a i l s a l s o i nt h eb a s eo fs a f e ，t h ef a u l tp r o c e s s i n gc i r c u i tw a s d e s i g n e d k e y w o r d s ：e p s ；f u z z yc o n t r o l ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；e c u i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车转向系统发展概述 随着经济的发展和社会的进步，汽车在日常生活中的作用无可替代，人们对 汽车性能的要求也不断提高。汽车转向系统是保证汽车行驶的主要车辆子系统之 一，它的性能很大程度上决定了对汽车操纵的轻便舒适性和安全驾驶的稳定平顺 性，也是减少交通事故和提高道路通行能力的重要因素。因此，对汽车转向系统 的研究一直是国内外科研机构和汽车生产厂商的重点课题。 汽车转向系统经历了以下几个发展阶段n 幻口1 ( 1 ) 机械式转向系统 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。 它主要由操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。图1 1 所示为一种机械 转向系统的组成和布置示意图。根据转向器结构的不同，可以分为：齿轮齿条式、 循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。最早的汽车转向系统就是没有助力的纯机 械式转向系统。 机械转向系统不依靠外力，转向力直接由驾驶员手动，所以转向时比较费力， 尤其是大型客车和卡车。但其结构简单、便于维修、转向性能可靠，在助力转向 研发前期也得到广泛应用。无论汽车在何种工况下，驾驶员施加的转向力矩保持 在合理范围，保证合适的转向操控灵敏性，是机械式转向器的设计目标。为了协 调转向轻便性和转向灵敏性的矛盾，可以最大限度的提高转向器传递转矩的效率， 或者将转向器的传动比设计成为变速比等，但这些方法并不能从本质上解决汽车 不同工况下的转向矛盾。 ( 2 ) 机械液压动力转向系统 机械液压助力是我们最常见的一种助力方式，它诞生于1 9 0 2 年，由英国人 f r e d e r i c kw l a n c h e s t e r 发明，而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后，1 9 51 年克莱斯勒把成熟的液压转向助力系统应用在i m p e r i a l 车系上。由于技术成熟可 靠，而且成本低廉，得以被广泛普及。液压助力转向系统是以机械式转向器为基 础并做出改进，增加了压力流体控制阀、油泵、动力缸、储油罐以及油管等一系 列液压方面的装置，如图1 2 所示。这种助力方式是将部分发动机动力输出转化 为液压泵压力，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向。根据系统内流方 式的不同可以分为常压式液压助力和长流式液压助力。常压式液压助力系统的特 点是无论方向盘处于正中位置还是转向位置，静止还是转动，系统管路中的油液 总是保持高压状态；而长流式液压转向助力系统的转向油泵虽然一直工作，但液 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 压助力系统不工作时， 转向横拉杆 图1 1 机械转向系统的组成和布置示意图 油泵处于空转状态，管路的负荷比常压小，现在大多数液压转向助力系统都是采 用长流式。 转向节臂 图1 2 机械液压助力转向结构简图 机械液压助力的方向盘和转向轮之间全部是机械部件链接，操控精准，路感 直接，液压泵由发动机驱动，转向动力充沛，技术成熟，可靠性高，平均制造成 本低。但是依靠发动机动力驱动油泵，能耗比较高，导致车辆的行驶动力无形中 被消费一部分；液压管路的结构复杂，各种控制油液的阀门数目繁多，后期的保 养维护成本高；整套油路经常保持高压，使用寿命受到限制。 ( 3 ) 电子液压助力转向系统 2 硕士学位论文 j l _ - _ - _ _ _ - - i q l 自l _ l _ - _ _ _ _ i - _ l i _ i _ - - - - - _ _ i l - _ l - _ _ l _ - _ _ i - 1 日l - 目_ - _ - i _ - _ - - 由于机械液压助力需要大幅消耗发动机动力，所以人们在机械液压助力的基 础上加以改进，开发出了能耗更低的电子液压助力转向系统。它的转向油泵不再 由发动机直接驱动，而是由电动机驱动，并在之前的基础上加装了电控系统，使 得转向角度和车速能共同对转向助力的大小产生影响。机械装置上增加了液压反 应装置和液流分配阀，新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向e c u 等。 电子液压助力的基本原理大致上和机械液压助力类似，不同的是电动机对油泵进 行驱动，同时汽车行驶速度由车速传感器监控，电控单元根据传感器输入进行运 算分析，通过指令改变转向控制阀的开启程度改变油液压力，从而能够达到转向 助力大小的调节效果。如图1 3 所示。 机 器 图1 3 电子液压助力转向系统结构简图 电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点，同时还降低了能耗，反应也 更灵敏，转向助力大小能根据转角、车速等参数自行调节，更加人性化。不过引 入很多电子单元，其制造、维修成本也相应增加，使用稳定性也不如机械液压式 的牢靠，随着技术的不断成熟，这些缺点正被逐渐克服，电子液压助力已称为很 多家用车型的选择。 ( 4 ) 电动助力转向系统 e p s 就是e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 的缩写，即电动助力转向系统。e p s 系统是 汽车转向系统的发展方向。该系统由电动机在汽车转向过程中直接输出转向助力， 减少了液压动力转向系统必备的一些动力装置，包括动力转向油泵、软管、液压 油、传送带以及皮带轮等，节省能量，保护环境。同时还具有调节容易、装置灵 活，在汽车运行的不同工况下都能够输出转向助力的特点。e p s 系统如图1 4 所示。 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 p 、 图1 4 电动助力转向系统 驾驶员在转动方向盘的时候，转矩传感器对方向盘转动的方向和提供转矩的 大小进行检测，把检测的信号输入到电控单元，电控单元综合分析转矩传感器检 测到的转矩信号和车速传感器检测的车速信号等，通过运算发出控制指令，驱动 助力电机输出适当大小和正确方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不 转向时，电控单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。 e p s 的技术优势主要体现在以下几个方面h 儿引： ( 1 ) 节能环保，安装方便。由于发动机运转时，液压泵始终处于工作状态， 液压转向系统使整个发动机燃油消耗量增加了3 5 ，而e p s 以蓄电池为能源， 以电动机为动力元件，能独立于发动机工作，几乎不消耗发动机燃油。e p s 通过 电子控制，不存在燃油泄漏问题，对环境几乎没有污染，更降低了油耗。而且e p s 的主要部件集成在一起，易于布置，元件数目少，装配方便。 ( 2 ) 效率高，路感好。液压动力转系统效率一般在6 0 7 0 ，而e p s 效率 可高达9 0 以上。传统液压动力转向系大多采用固定放大倍数，工作驱动力大， 但却不能实现汽车在各种车速下驾驶的轻便性和路感，而e p s 的滞后特性能够通 过控制器的软件加以补偿，在不同的汽车行驶工况下提供适应外界条件变化的最 佳助力，减小路面冲击对转向系统所造成的扰动，显著地改善汽车的转向特性。 ( 3 ) 改善了转向回正特性。汽车行驶的自动回正作用是由转向轮的定位参 数来保证的，但对转向回正性能的影响毕竟有限。液压助力由于其结构的制约， 改善的空间不大。唯有e p s 可以通过电控单元的良好回正特性设计，控制电机在 不同方向盘转角和车速下提供合适的回正力矩。 当然，由于使用电动机和减速机构等部件，增加了系统的成本；另外，减速 结构、电动机等部件产生的摩擦力和惯性力也可能影响转向特性，或者改变了转 硕士学位论文 向盘的自动回正作用以及它的阻尼特性等。 1 2e p s 国内外技术现状 由于e p s 元件少，质量轻，装配方便，尤其适合使用在小排量发动机的微型 车上。因为在国外，e p s 系统最先在微型轿车上发展起来的。1 9 8 8 年2 月，日本 铃木公司首次在c e r v o 轿车装备了e p s 系统，随后应用于a l t o 轿车。此后，e p s 在日本得到迅速发展。1 9 3 3 年，本田汽车公司在爱克n s x 跑车上装备了e p s ，市 场效果反应良好。大发公司的m i r a 汽车，三菱公司的m i n i e a 汽车也都搭载了e p s 系统。欧美国家紧随其后，各大汽车厂商也对e p s 的研发投入了巨大的资金和人 力。美国的d e l p h i 汽车公司成功为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发了e p s 。t r w 从1 9 9 8 年开始，研发的e p s 最初应用于客车上，后来又运用 在f o r df i e s t a 和m a z d a 3 2 3 f 等轿车上，到2 0 0 0 年，t r w 和d e l p h i 两大汽车公司 e p s 的产能己达4 0 万套，并在全球汽车零部件市场销售。德国的m e r c e d e s b e n i z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑，研发出来前桥超过1 2 t 的 e p s 系统，并且运用在货车上阳儿7 1 。近年来，国外开发出技术更加成熟的e p s ，综 合考虑了反应汽车行驶工况的信号作为电控信号的输入，助力形式也从低速范围 助力型向全速范围助力型发展，应用范围从最初的微型轿车向中高档轿车甚至商 务客车和货车扩展，不断的提高汽车转向操控性能。 从上世纪8 0 年代开始，美国、德国、日本、韩国等零部件企业已经开始研发 并生产出e p s 产品，经过2 0 多年的发展，国外的e p s 技术日趋成熟。为了进一 步扩大市场份额，美国德尔福、德国采埃孚、日本捷太格特、日本精工、韩国万 都等相继在中国成立了e p s 生产企业，这些具有外资背景的企业占据并垄断着国 产车型e p s 的配套市场。由于国内汽车电子行业的总体发展相对滞后，国内e p s 起步较晚，加上国外技术的垄断和封锁，技术成熟且能实现批量生产的内资生产 企业较少，导致装配率较低。有数据显示，2 0 0 9 年国内汽车产销量均超过1 3 0 0 万辆，其中安装e p s 的乘用车仅1 8 0 万辆，装配率只有1 4 ，且外方独资或中外 合资企业占据了e p s 约8 1 的市场，而本土企业的市场份额仅有大约9 。自主 品牌中，除荣威系列、奇瑞a 3 、夏利n 5 、吉利豪情、吉利美人豹等车型的部分 高端车款标配e p s 外，其他自主品牌均很少装配e p s ，而荣威系列和奇瑞a 3 是 自主车的高端产品，价格偏高，消费群体有限容易偏向同价位的合资车：豪华版 夏利n 5 的销量不大；吉利豪情和吉利美人豹已经停产。合资车中的标配e p s 的 车型主要有：一汽大众的迈腾、一汽丰田的皇冠、一汽丰田的锐志、一汽丰田的 r a v 4 、上海大众的斯柯达明锐、东风本田排量为2 o 升的c r v 、广汽丰田的汉 兰达、上海大众的途观等。这些高档车型的市场销量很大，且价格均在1 5 万以上。 当然，国内的部分院校、相关科研机构和企业对e p s 技术的研发也取得了一 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 定成果，一些有实力的e p s 生产企业继续瞄准主机配套市场，实现产品的产业化 发展。像清华大学对e p s 控制策略的研究，吉林大学就e p s 助力特性与车型的匹 配以及对汽车转向性能的影响等，华中科技大学对e p s 动力学建模仿真等都取得 了阶段性的研究成果；中国航空工业集团组建的国内第一家e p s 研究院将加快e p s 先进技术的研发；株洲易力达机电有限公司也成功研制出技术难度更高的p - e p s 产品，打破了国外企业垄断的局面；中国太平洋世纪汽车系统有限公司通过收购 通用公司旗下n e x t e e r 汽车转向系统业务，有望获得e p s 的核心技术哺1 。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 在查阅了电动助力转向系统的国内外相关资料的基础上，对e p s 系统 的基本结构、工作原理及类型进行了分析，并且对扭矩传感器、车速传感器、助 力电机、减速机构、电磁离合器及电控单元等关键零部件做了研究和选型。 ( 2 ) 在对电动助力转向系统做了受力分析的基础上，搭建了电动助力转向 系统动力学模型，电动机模型以及整车二自由度模型。深入分析了e p s 系统的助 力特性，在传统的确定助力特性曲线的方法上，设计了目标电流模糊决策控制器， 仿真表明，得到的不同车速和方向盘扭矩输入下的助力特性曲线是符合e p s 系统 对转向助力的要求。 ( 3 ) 研究了电动助力转向系统的控制策略，设计了在助力模式下的电流p i d 控制器和模糊p i 复合控制器，并探讨了回正模式和阻尼模式下的控制策略，e p s 系统如何选择控制模式。同时在搭建的仿真平台上进行仿真。仿真实验表明，实 际电流能很好的跟踪目标电流，响应速度较快，助力效果明显，证明了制定的助 力特性和电流控制方法的合理性和正确性，进一步探讨了e p s 系统对汽车横摆角 速度的影响。 一。 ( 4 ) 在对电动助力转向系统总体分析的基础上，选择了m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 为 主控芯片，主要完成直流电动机的驱动电路、输入信号的接口电路、继电器驱动 电路、电源转换电路以及故障检测处理电路的设计工作，为后续的台架试验和道 路试验打下了基础。 6 硕士学位论文 第2 章e p s 系统构成及建模 2 1e p s 系统简介 2 1 1e p s 系统构成及原理 典型的转向轴助力式电动助力转向系统构成如图2 1 所示。它由机械转向器、 电动机、电控单元( e c u ) 、电磁离合器、转矩传感器和减速机构等组成。其工作原 理为9 1 ： 图2 1 转向轴式电动助力转向系统不意图 e p s 的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴构成，输出轴通过传动机构带 动转向拉杆使车轮转向，还经减速机构与助力电机连接。驾驶员操纵方向盘，扭 杆受力变形，扭矩传感器将扭矩信号输入e c u ，同时车速传感器将检测到的车速 信号也输入e c u ，e c u 综合方向盘的扭矩，转动方向和车速等信号，判断助力的 大小和方向。通过一定的助力特性规律，控制电动机输出转矩，由减速机构放大， 施加给转向轴，提供适当的转向助力。当出现故障或车速超过预设值，停止对电 机供电，同时，电磁离合器断开，系统转为人工手动助力。 e p s 系统减轻了汽车在低速行驶方向盘的操纵力，加强了操纵的灵敏性，e c u 还能保证最优控制传动比和良好的转向手感，提高了汽车高速行驶的稳定性。 2 1 2e p s 系统的主要类型 按照助力转向机构位置不同，可以将e p s 分为三类：转向轴助力式、转向器 7 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 小齿轮助力式和齿条助力式n 引。如图2 2 所示。 ( a ) 转向轴助力式 ( b )齿轮助力式 ( c ) 齿条助力式 图2 2 电动机助力转向机构位置不同的e p s 类型 转向轴式电动助力转向系统如图2 2 ( a ) 所示，特点如下： 电机的减速机构传动比小，位置与驾驶室相近，密封要求低 电机力矩波动容易传递到转向盘，导致驾驶员手感变坏 适合用于前轴负荷较小的微型轿车 齿轮式电动助力转向系统如图2 2 ( b ) 所示，特点如下： 电机安装在发动机舱内，工作环境差，密封要求高 助力转矩不通过转向管柱传递，对转向管柱的刚度和强度要求低 适合用于前轴负荷中等的轻型轿车 齿条式电动助力转向系统如图2 2 ( c ) 所示，特点如下： 电机的减速机构具有较大传动比，布置在发动机舱内，密封要求高 电机力矩波动不易传递到转向盘上，驾驶员手感良好 适合用于前轴负荷较大的高级轿车和货车上 2 1 3e p s 系统关键部件及选型 e p s 关键部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构、电磁离合 器和电控单元( e c u ) 等。 2 1 3 1 扭矩传感器 扭矩传感器的作用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。扭矩传感器信号是e p s 关键的输入控制信号。扭矩传感 器要求精确可靠，抗干扰能力强。 ( 1 ) 电磁式扭矩传感器 该传感器测量方法的基础就是电磁感应原理。使用时在转向柱上安装齿形转 硕士学位论文 轮和感应式脉冲发生器，转轮旋转时，两个脉冲发生器产生正弦信号，正弦信号 的相位差与扭矩成正比，只需检测到相位差，就能测量出扭矩。它是一种非接触 式的传感器，测量精度高，结构简单、可靠，对工作环境要求低，但电磁兼容性 差，一般在汽车e p s 系统中应用较少n u 。 ( 2 ) 光电式扭矩传感器 目前e p s 系统采用的光电传感器主要是光电编码器。使用时在光电编码盘的 一侧放上光源，向盘投射可见光，盘的另一面有光电器件。方向盘转动时，带动 圆盘转动，光电器件就能把光信号转换成电信号，放大整形后就能传递给电控单 元，从而得到转向轴上扭矩的大小。这种扭矩传感器也是非接触式测量，数字化， 测量精度高，结构简单，寿命长，但可靠性差，价格较高，应用前景广泛。 ( 3 ) 电位器式扭矩传感器 电位器式扭矩传感器主要结构如图2 4 所示。转向轴和转向齿轮中间装有扭 杆，当转向系统工作时，输入轴和输出轴的旋转方向发生偏移，扭转杆由于弹性 变形而产生扭矩，测量出输入轴和输出轴的相对位移，就能得到转向力矩。电位 器式扭矩传感器的工作原理比较简单，扭矩变化通过电位器的电阻值变化来反映。 t i 转仟 图2 4 扭杆式传感器结构简图 电位器式扭矩传感器由主、副两路扭矩传感器构成，两路信号相互独立，能 保证e p s 的安全性和可靠性m 1 。本系统采用的扭矩传感器输出特性如图2 5 所示。 当方向盘处于中间位置时，传感器两个输出端电压均为2 5 v ；当方向盘向左转时， 主扭矩传感器输出端电压小于2 5 v ，副扭矩传感器输出端电压大于2 5 v ；方向盘 向右转时，主扭矩传感器输出端电压大于2 5 v ，副扭矩传感器输出端电压小于 2 5 v 。因此，电控单元可以根据两路扭矩传感器的输出电压来判断方向盘扭矩的 苫 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 大小和方向。 图2 5 扭矩传感器输出特性图 2 1 3 2 车速传感器 车速传感器主要是得到车辆具体行驶速度。目前，应用最为广泛的是电磁原 理的车速传感器，主要是电磁感应线圈和永久性的磁铁构成。它安装在变速器输 出轴旁边的壳体上，感应转子是由变速器输出轴上的停车锁定齿轮所构成，当变 速器输出轴转动时，感应转子持续地与车速传感器产生相对运动，切割感应线圈 磁力线，从而引起闭合线圈磁通量的变化，变化的磁场产生感应电流。车速的变 化就由感应电流的电压脉冲频率来体现，此信号送入车速里程表，经过电路处理 后变成方波脉冲信号输入电控单元，经过运算处理就可以得到车辆行驶速度n 射。 车速传感器具体工作方式如图2 6 所示。 转子 c a ) 车速传感器结构 l o 硕士学位论文 + u 转速波形 ； 八八八八。 0 vvv t 7 - u ( b ) 转速- 感应电动势关系 图2 6 车速传感器工作方式 2 1 3 3 助力电机 电动机的作用是根据e c u 的指令输出合适的助力转矩，是e p s 的动力源，对 e p s 的性能有很大的影响。和普通电机进行对比，e p s 使用的助力电机特点如下n 鲥： ( 1 ) 由于大多数车载电源为1 2 v 直流电，所以要求电动机工作电压低，且 电动机的额定电流和额定功率要大到一定的程度。 ( 2 ) 助力电机转动惯量小，调速范围大，比较好控制，在低速时能平稳运转， 且产生的波动力矩小。 ( 3 ) 为减小电机的惯性力矩，要求电机的尺寸小，质量轻。 e p s 电机一般采用有刷或无刷永磁直流电动机。有刷直流电机采用电刷和机 械换向器换向，技术成熟，应用广泛，且价格较便宜，但电刷和换向器的摩擦影 响了电机的效率和转速。无刷直流电动机的电子装置取代了机械电刷与换向装置， 效率高，体积小，具有优良的调速和控制特性，但使用的成本也较高。考虑到e p s 助力电机一般工作在低转速范围内，本课题采用有刷直流电机还是可行的。所选 择的电动机参数如表2 1 所示。 表2 1 直流电动机参数 2 1 3 4 减速传动机构 e p s 的减速结构与助力电机相连，起到减速增扭的作用。减速机构的设计应 充分考虑汽车转向机构安装空间的大小，结构要尽量简单紧凑，传动效率要高， 并且能保证适当的转动惯量和摩擦。常采用涡轮蜗杆机构，也有循环球螺母机构 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 和行星齿轮机构。涡轮蜗杆结构简单、传动平稳、便于安装，但需要通过离合器 与转向柱连接，主要用于转向轴助力式e p s ，如图2 7 所示。循环球螺母减速机构 多应用于齿条助力式e p s ，而行星齿轮减速机构则多应用在齿条助力式和齿轮助 力式e p s 上。为了降低噪音和提高耐久性，行星齿轮大多采用树脂材料，有的采 用了特殊齿形。本课题主要研究转向轴式e p s 系统，故减速机构选用了涡轮蜗杆。 图2 7 涡轮蜗杆减速机构 2 1 3 5 电磁离合器 。电磁离合器的作用是控制电动机与减速机构的结合和断开，在传递电动机助 力转矩的同时起到安全保护的作用。它安装在电动机和减速机构中间。如果e p s 系统出现故障，电控单元输出控制信号，通过保护电路使电磁离合器分离，电动 机和减速机构断开，转向系统变为无电动助力转向的模式，从而保证了汽车转向 行驶的安全性。为了满足汽车在各种行驶状态下e p s 对电动机控制助力的要求， 论文采用干式单片电磁离合器。它的主要工作原理如图2 8 所示。电控单元发出控 制命令，若电磁线圈上电的时候，弹簧压缩电动机主轴与从动轴结合，电动机输 出助力转矩；若电磁线圈断电的时候，弹簧把压板弹回，从动轴与主动轴分离， 电动机停止助力，完成离合。 2 1 3 6 电控单元( e c o ) e c u 的作用是根据输入转矩传感器信号和车速传感器信号等，综合分析和运算， 发出指令，控制电动机的输出。此外，e c u 还能够进行自我诊断，且具有安全保 护功能，通过对电机工作电流、电机工作电压、发动机工况等输入信号进行判断， 如果系统工作出现故障，就会停止助力，同时e c u 进入故障诊断的逻辑分析。e c u 通常是一个8 位单片机系统，由微处理器( c p u ) 、存储器( r o m 、r a m ) 、输入 1 2 硕士学位论文 ， 卜1 5 j ， 一 7 弋 圈 o 弋 7 、 ， o z 从动 图 厂、 、型 盯州 图2 8 电磁禹合器工作原理图 输出接口( i o ) 、模数转换器( a d ) 以及整形、驱动等大规模集成电路组成。也有采 用数字信号处理器( d s p ) 作为控制单元。另外e p s 系统存在的摩擦和阻尼、路 面情况的变化、元件的磨损也会给系统带来干扰和不确定性。所以，控制系统和 控制算法也是e p s 系统的关键之一。控制系统应具有较强抗干扰能力，适应汽车 复杂的行驶环境。控制算法应快速准确，满足实时控制的要求，并有效的实现理 想的助力特性n 引。从项目要求出发，希望所设计的控制系统开发周期短，市场上 具有相对应的仿真开发程序，最好能有专门的通讯控制器，方便e p s 系统与汽车 其他系统的通讯。综合考虑选择p h i l i p s 半导体公司推出的m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 单 片机，它也是专门为汽车电子控制器开发的1 6 位单片机。 _ 。2 2e p s 系统及整车建模 ? 。 2 2 1e p s 系统受力分析 为了分析研究e p s 助力特性控制算法，需要得到e p s 系统的动力学模型。而 e p s 是以机械转向系统为基础，通过电动机、传感器、控制器和减速器等部件进 行配合实现助力的效果。因此，首先需要对e p s 系统进行受力分析。 e p s 系统所受到的总助力矩由驾驶员作用在方向盘上的操纵力和电动机的助 力力矩组成，其大小和整个转向系统受到的阻力矩平衡。汽车在行驶过程中，驾 驶员通过作用在方向盘上的切向力对汽车进行操纵，使汽车能实现转向和保持稳 定。驾驶员对方向盘的作用力可以理解为由两种力构成：一、改变汽车行驶方向 时对方向盘的切向力；二、保证汽车按既定行驶方向时对方向盘的把持力。在机 械转向系统分析的基础上，我们可以得知，e p s 系统的阻力矩主要由绕主销的阻 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 力矩和转向系的阻力矩两部分构成。绕主销阻力矩由路面和轮胎间的摩擦形成的。 它受到路况、轮胎侧偏特性、负荷等影响，随车速和转向轮侧偏角变化而变化。 通常汽车静止不动转向时，轮胎发生扭矩变形大，原地转向阻力矩也大；汽车行 驶时，车速提高，轮胎滚动成分增加，转向阻力矩减小，但轮胎在车速提高时发 生偏离形成自动回正力矩促使轮胎平面和轮胎行驶方向趋于一致。从而使汽车行 驶过程中转向阻力矩基本和静止转向时相同。转向系阻力矩主要是由转向系统部 件之间的摩擦阻力构成。电动机的助力转矩由电控单元接收传感器信号通过运算 分析提供，降低驾驶员的手力，提高汽车操纵的轻便性。e p s 系统的受力情况如 图2 9 所示。 图2 9e p s 系统力矩结构图 ； 2 2 2e p s 系统动力学建模 我们研究的电动助力转向系统是转向轴式，采用无刷直流电机驱动。根据受 力分析，为了分析问题的方便，把前轮及转向机构向转向轴简化，简化后的转向 系统模型见图2 1 0 。 设方向盘的转动惯量、前轮及转向机构向输出轴等效后的转动惯量、电动机 的转动惯量分别为以、以、厶；方向盘阻尼系数、前轮及转向机构向输出轴等效后 的阻尼系数、电动机的阻尼系数分别为仇、风、b 胂；方向盘输入转矩、扭矩传感 器输出转矩、等效到输出轴的转向阻力矩、电动机的电磁转矩、电动机的输出转 矩分别为疋、死、取、t o ；方向盘转角、电动机转角、前轮等效到输出轴的转 角分别为巩、如、以；扭矩传感器刚度为岛；电动机到输出轴间减速机构的传动比 为g 。 硕士学位论文 _ _ - i _ - - _ - _ - _ - _ l - _ l _ _ _ _ i l - _ _ _ _ _ i _ 自_ _ 1 日_ - - e - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ - _ _ l - _ - - i _ _ _ 目l 目_ j _ i j kb k i 南三卜卜圃m 图2 1 0 电动助力转向动力学梗型 2 2 2 1 转向系建模 电动机扭转刚度可以忽略，电动机与输出轴之间的转角有如下关系： 吃= g 包 ( 2 1 ) 对转向盘进行动力学分析，可得： 瓦一乙= 以争+ 羼警 ( 2 2 ) 建模时将扭矩传感器与转向盘合为一体，可得如下方程： 瓦= 屯( 吼一眈) ( 2 3 ) 对输出轴系统进行动力学分析，可得： 乃+ 艺一弓= 如警+ 眈警 ( 2 4 ) 在小转角条件下，轮胎的侧偏特性处于线性范围，故可以认为作用到转向轴 的阻力矩和转向角成一定的比例，即： 0 = 恕眈 ( 2 5 ) 2 2 2 2 直流电机建模 直流电动机等效控制电路如图2 1 1 所示。 电动助力转向系统建模仿真及电控单元的研究 - l _ _ _ _ - _ _ _ i _ _ _ - i _ l _ l - _ - - _ l - - _ - u i _ _ _ l l _ i _ - l l _ _ - l l _ _ l - l _ _ l l i _ _ i l dl 图2 1 1 电机等效控制电路图 根据电压定律，得到电枢回路的微分方程式： u 一 + l d + e d 式中，e 广反电动势； r 广回路电阻； 上广回路电感； b 一回路电流。 又有： = e 刀 由式2 6 和2 7 可得到如下方程式： u 脚 + l d 等+ c c 等 式中，c 广反电势系数； r l 一电机转速。 电动机运行的动力学方程为： 死专= 厶争+ 吃警 对于直流电动机，电磁转矩与电枢电流乃有如下关系式： 乙= c 肼厶 式中，g 一电磁转矩系数。 2 2 3 整车动力学建模 汽车是一个十分复杂的系统，实际车辆是由若干个部件组成的一个非线性动 力学系统。目前比较重要的研究方法是考虑到汽车在大多数情况下其侧向加速度 不超过0 4 9 ，采取某些假设忽略掉一些次要因素，建立一组能表征系统运动特性 1 6 ) ) ) ) ) 们 鼬 ” 吣 拍 躺 抛 m q q 眩 硕士学位论文 的微分方程。本文采用汽车理论中经典的二自由度线性模型，汽车横摆运动和侧 向运动的主要特征在简化模型图中能得到很好的体现。具体的模型简图如2 1 2 所 示。 “。 图2 1 2 汽车二自由度动力学模型 分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入；忽略了悬架的作用， 认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，汽车沿x 轴的前进速度“视为不变： 轮胎侧偏特性处于线性范围；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 性的变化以及轮胎回正力矩的作用n 扪。 由图2 1 2 可知，汽车受到的外力沿y 轴方向的合力与绕质心的力矩和为： 巧= e lc o s 8 + e 2 = m a y i 一 【2 1 1 ) 鸩= 嵋lc o s 一嵋2 = 乞( o rj 式中，f 一前轮侧偏力； f 】i 广后轮侧偏力； 1 7 江前轮转角； 静一整车质量； 易一汽车绕z 轴转动惯量； 扣质心到前轮中心距离； 扣质心到后轮中心距离： ，一横摆角速度； 国，一横摆角加速度。 考虑到前轮转角j 较小，通过取极限，忽略2 阶微量，则有近似的关系式： c o s o = l 。而砌、f y 2 为侧偏力，则有如下关系式： 萎耻坼l + 啦：l ( 2 1 2 ) 坞- - a k l 口i - b k 2 0 t 2j 一 汽车前、后轮侧偏角受到运动参数的影响。如2 9 所示，汽车前、后轴中点的 速度为u l 、眈，侧偏角为a l ，a 2 ，质心的侧偏角为，p = v u 。孝是1 1 1 和x 轴的夹角， 其值为： 善：v + a o ) r ：卢+ 丝 ( 2 1 3 ) i th 根据速度合成的原理和坐标系的规定，前、后轮侧偏角为： 。= 一( 6 一善) = 卢+ 丝一6 i ：兰堕：一堕 i瓯= - = 一一 l “h j 联立( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 4 ) ，整理后得到二自由度汽车运动微分方程式为： 2 3 本章小结 ( 墨+ 屯) 卢+ 三( 口毛一6 也) q 一白6 ：肌( ；+ l 哗) “ ( 口霸一b k 2 ) f l + ! ( 口：毛+ 6 ：乞) q 一口毛6 ：易二， 甜 ( 2 1 5 ) 本章介绍了电动助力转向系统的基本结构和工作原理以及分类，着重分析了 电动助力转向系统的受力情况，并搭建了转向系统动力学模型、直流电动机模型， 整车二自由度模型，为后面控制器的设计和整车e p s 仿真平台的建立打下了基础。 1 8 硕士学位论文 - _ 日j i l _ _ 目l _ - _ _ _ _ _ - i l _ _ _ e _ _ _ - | _ _ _ _ 自_ _ _ _ _ _ - _ - ，i _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ - - _ - l - _ - _ - - _ - - _ _ _ l 第