（光学工程专业论文）汽车电动助力转向的系统仿真与控制器设计.pdf

西华大学硕士学位论文 汽车电动助力转向的系统仿真与控制器设计 车辆工程专业 研究生姬广斌指导教师唐岚 汽车转向系统的发展经历了机械转向系统、机械液压动力转向系统、电控 液压动力转向系统和更为节能、操纵性更好的电动助力转向系统( 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 ) 等几个阶段。电动助力转向系统是在传统机 械转向系统的基础上，增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等。 它是使用电动执行机构在不同的驾驶条件下为驾驶员提供合适的助力。采用电 动机直接提供助力、助力大小及方向由控制器控制。它具有体积小、重量轻、 结构简单、安装和维修方便、节能环保的优点，更重要的是它具有优越的性能， 并可随车速变化调整转向助力大小从而可获得不同的转向路感，可广泛应用于 轿车、货车等众多车型，是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。 本文对电动助力转向系统结构进行了简化，对系统各部件进行了动力学分 析，提出了评价e p s 与汽车综合系统操纵性能的指标如转向灵敏度、路感，并 通过对汽车横向动力学模型、前轮侧偏力矩模型和e p s 系统动力学模型的综合 分析，推导了转向灵敏度和转向路感的表达式，然后讨论了e p s 系统各参数( 包 括电动机转动惯量、扭矩传感器刚度、助力增益、助力机构传动比等) 对这两 个性能指标的影响；基于不同的控制策略，分析了控制参数对于系统性能的影 响。 本文的目的是设计电动助力转向系统的控制器。主要设计了控制系统微处 理器模块及其周围电路、电动机驱动与保护电路、电流、扭矩等传感器输入信 号的处理电路、电磁离合器与显示电路以及系统供电电源电路等；在完成硬件 t 西华大学硕士学位论文 电路的前提下，设计了主程序及各子程序流程图，并以c 语言为开发工具进行 了代码实现，实现系统的控制策略和软件，为电动助力转向系统的进步完善 提供实验基础和借鉴。 在论文的写作过程中，首先对直流电机、微控制器和传感器等进行了深入 的研究，在理论基础上，设计了系统的控制电路。通过对电路的仿真和电路板 的检测，证明了硬件电路的可靠性。随后进行了控制策略和控制软件的设计， 完成了助力表、电机电流的控制。之后，利用完成的软硬件模型，进行了台架 试验。 关键词：电动助力转向系统，控制器，仿真，台架试验 西华大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o na n dc o n t r o l l e rd e s i g no ft h e e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m v e h i c l ee n g i n e e r i n g p o s 蟾r a d u a t e ：j ig u a n g b i nt u t o r ：t a n gl a n t h ea u t o m o b i l et u r n i n gs y s t e mh a st u r n e df r o ms i m p l e m a c h i n e r ys y s t e m ， m e c h a n i c a l h y d r a u l i cp r e s s u r ep o w e rs y s t e m ，e l e c t r o n i c c o n t r o l l e d h y d r a u l i c p r e s s u r ep o w e rs y s t e m t oe l e c t r i c p o w e rs t c e r i n gs y s t e m ，w h i c h i s e n e r g y c o n s e r v a t i o n e v e nm o r ea n db e t t e rp e r f o r m a n c e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e ma d d ss e n s o rd e v i c e ，e l e c t r o nc o n t r o l l e dd e v i c ea n dt u r n i n ga s s i s t i n gp o w e r d e v i c eb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm a c h i n e r ys t e e r i n gs y s t e m i ta d o p t se l e c t r o m o t i o n i m p l e m e n t a lm a c h i n et oo f f e ra p p r o p r i a t ea s s i s t i n gp o w e ru n d e rd i f f e r e n td r i v i n g c o n d i t i o n i ta d o p t st h em o t o rt oo f f e ra s s i s t i n gp o w e rd i r e c t l y , t h es i z eo fa s s i s t i n g p o w e ra n dt h ed i r e c t i o n sa r ec o n t r o l l e db yt h ea u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e r e p sh a st h e a d v a n t a g eo fs m a l l e rv o l u m e ，l i g h t e rw e i g h t ，s i m p l e rs t r u c t u r e ，e a s i e ri n s t a l l a t i o n a n dm a i n t e n a n c e ，l o w e rc o n s u m p t i o n ，b e t t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a d d i t i o n a l l y , i tp 6 s s e s s e sh i g h l e v e lp e r f o r m a n c es u c ha se n s u r i n gd i f f e r e n ts t e e r i n gf e e lo w i n gt o a d j u s t i n gs t e e r i n ga s s i s t i n gf o r c ea c c o r d i n gt ov e h i c l es p e e d ，w h i c he n a b l e si tf i t s f o rm a n yk i n d so fv e h i c l es u c ha sc a r , t r u c ke r e i ti so n eo ft h et e c h n o l o g yo f r 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 fp r e s e n ta u t o m o b i l e i n t h i sp a p e r ，t h e c o n f i g u r a t i o no 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 mi s p r e d i g e s t e d ，a n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ep a r t so ft h es y s t e m a r ed o n e s e v e r a l i i i 西华大学硕士学位论文 i n d i c e ss u c ha ss 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 lt oe v a l u a t et h eh a n d l i n g p e r f o r m a n c eo ft h ec o m b i n a t i o ns y s t e mi n c l u d i n ge p ss y s t e ma n dv e h i c l eh a n d l i n g s y s t e mw e r ep u tf o r w a r da n dt h e i re x p r e s s i o n sw e r ed e d u c e da f t e rt h ei n t e g r a l a n a l y s i so fv e h i d e sh a n d l i n gd y n a m i c sa n de p s d y n a m i c s h a v i n gi n v e s t i g a t e dt h e e f f e c t so fs e v e r a l f a c t o r ss u c ha sr o t a t i o n a li n e r t i ao ft h em o t o r , g e a rr a t i oo ft h e a s s i s t i n gm e c h a n i s m s ，t o r q u es e b s o rs t i f f n e s sa n da s s i s tg a i n t h ei n f l u e n c eo ft h e c o n t r o l l i n gp a r a m e t e r st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e db a s e do nt h e d i f f e r e n tc o n t r o l l i n gs t r a t e g y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ， t h ea i mi st od e s i g nc o n t r o lc i r c u i to ft h ew h o l es y s t e m t h em i c r o p r o c e s s o ra n dt h e s u r r o u n dc i r c u i to ft h es y s t e m ，t h em o t o rd r i v ea n dt h ep r o t e c tc i r c u i t ，t h ei n p u t s i g n a l sd i s p o s mc i r c u i ts u c ha sc u r r e n ta n dt o r q u es e n s o r , t h ec l u t c ha n dt h ed i s p l a y c i r c u i ta n dt h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ta r ed e s i g n e d t h ef l o wc h a r to fm a i np r o c e d u r e a n dt h es u b p r o g r a ma r ed e s i g n e da n dt h ec o d ei sa c h i e v e dt ou s ec l a n g u a g ea s e x p l o i t a t i o nt 0 0 1 t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n ds o f t w a r ea r ec o m p l e t e dw h i c ha r e s u i t a b l ef o rt h eh a r d w a r e t op r o v i d ef o u n d a t i o na n dr e f e r e n c ef o rt h ee p ss y s t e m s p e r f e c t i o n i nt h ep r o c e s so fw r i t i n gt h i st h e s i s ，f i r s t , b a s e do nt h et h e o r yo ft h ed cm o t o r , c o n t r o l l e ra n ds e n s o r s ，t h ec o n t r o lc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d t h er e l i a b i l i t yo ft h e c i r c u i th a sb e e ne x a m i n e dt h r o u g ht h ei m i t a t i o na n dc h e c kt ot h ec i r c u i tb o a r d l a t e r , t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h es o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e d ，t h ep r i m a r yd e s t i n a t i o ni s t og e tt h ea s s i s t i n gt a b l ea n dp i dc o n t r o lo ft h ec u r r e n t f i n a l l y , t h ee x a m i n a t i o no n t h ep l a t f o r mh a sb e e nc a r r i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，c o n t r o l l e r , s i m u l a t i o n ，f r a m et e s t 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 汽车转向系统概述 转向系统的功能大体可以分为两部分。其一是驾驶员通过转向盘控制前轮 绕主销的转角来操纵汽车运动的方向。其二是凭借方向盘( 反作用) 力，将整 车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员。转向系统是影响汽车操纵稳定性、 舒适性和行驶安全性的关键系统之一。最初汽车采用的都是机械转向系统，机 械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都是机械的，它 主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车动力转向系统 是在机械转向系统的基础上增设了一套转向动力装置所构成的转向系( 如液压 动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、动力缸等，电动助力转向系统中 的助力电机、离合器等) ，它兼用驾驶员的体力和发动机或电动机的动力作为 转向能源。在正常情况下，汽车转向所需要的力大部分由发动机或电动机通过 转向助力装置提供，只有一部分由驾驶员提供。在动力转向失效时，驾驶员仍 能够通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。 二十一世纪将面临的能源危机，对汽车的性能提出了更高的要求，从减少 整车油耗、节省空问、降低重量出发，上世纪八十年代动力转向系统家族又推 出了新的成员电动助力转向系统( 或称电动转向系统) ，并且转向系统继 续向与汽车其它系统集成化和智能化的方向发展，如目前正在研究中的电子转 向系统( 或称电线转向系统) 与智能转向系统。 1 2 动力转向系统的发展历程 动力转向系统经过了常规液压动力转向系统、电子控制液压动力转向系 统、电动助力转向系统三个发展阶段，并有继续向电子化和智能化发展的趋势。 下面分别对各种动力转向系统进行讨论。 ( 1 ) 常规液压动力转向系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 这类动力转向系统是靠方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的 通道面积来提供可变的助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向角 度有关。转向盘转过的角度越大，液压系统提供的助力也越大。国内生产的奥 迪和桑塔纳轿车采用这类转向系统。 西华大学硕士学位论文 h p s 一般由转向油罐、转向油泵、液压管路、机械转向系统组成，有分离 式、组合式和整体式三种结构。其中分离式装置在结构紧凑、位置狭窄的轻型 载货汽车和轿车上有所采用，组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和公 共汽车上，整体式在高级轿车上应用广泛。 整体式动力转向系统又分为滑阀式和转阀式两种类型。英中滑阀式装黄结 构简单，制造工艺要求较低，且易于布置，便于操纵但不能调整转向特性。而 转阀式装置结构难于加工但可按照用户要求调整转向系统的转向特性，且工作 可靠、结构紧凑、工作压力高，代表着整体式动力转向系统的发展方向。 h p s 有待改进的方面：h p s 因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大下 降；转向油泵由发动机持续驱动，即使没有转向动作也消耗能量：h p s 最 大的缺陷是转向助力特性不可调，高速和低速时助力特性相同，解决的方法就 是1 卜面将提到的电子控制式动力转向系统。 ( 2 ) 电子控制式液压动力转向系统( e l e c t r o n i c h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 为了获得理想的汽车操纵稳定性，要求转向性能可动态地适应汽车行驶状 态的变化。理想情况下，汽车在原地转向时要求转向尽量轻便：而在汽车以不 同的速度运行时，能实时提供相应的转向助力以克服该运行速度下的转向阻 力，并使驾驶员既能轻便地操纵方向盘，又有足够的路感。满足上述条件的是 车速感应式动力转向系统即电子控制液压动力转向系统。丰田于1 9 7 3 年首先 丌发了车速感应式转向系统，本田和五十铃也分别于1 9 8 0 年和1 9 8 2 年相继开 发了类似装置，德国的z f 公司开发了s e r v o t r o n i c 和s e r v o c o m 型电子控制的 液压动力转向系统。 e h p s 一般由机械装置和电气装置两部分组成。机械装置包括转向机( 包 括控制阀、压力腔及助力缸) 、油泵及管路。电气部分则由车速传感器、电子 控制单元e c u 及电磁阀组成。它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号 如车速转变为电信号，由e c u 判别汽车的运行状态以此来控制电磁阀线圈的 电流进而控制动力转向系统中压力油的流量，再由压力油控制执行机构进行转 向动作。 e h p s 按照控制方式可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度可调式。 流量控制式是通过检测车速的大小，调节向动力转向装置提供压力油液的流 2 西华大学硕士学位论文 量，从而控制转向力。反力控制式是利用车速的大小控制反力室油压，改变 压力油输入输出的增益幅度以控制转向力。阀灵敏度可调式是根据车速操纵 电磁阀，直接改变转向控制阀的油压增益( 阀灵敏度) 以控制油压。 e h p s 存在着由于油泵的持续工作所造成的多余能量消耗，整个液压系统 占用空问大、容易泄露、噪声大等缺点：而且增加了车速检测控制装置及阀的 结构较h p s 复杂而成本较高，目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。 ( 3 ) 电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e r a s s i s t e ds t e e r i n g ，e p a s 或e p s ) e p s 是在机械转向系统基础上加入电机作为动力源，电动助力代替了液压 助力，与h p s 相比，除节省能源外，由于取消了液压系统而提高了环保性能， 很好的解决了由于液压传动带来的种种弊端；整套系统由生产厂家一起提供给 整车生产厂家，可以直接安装；对不同车型、不同工况以及不同驾驶员所需的 不同转向助力特性通过软件修改，方便快捷。完整的e p s 系统还包括了故障渗 断与安全保护系统。当发生故障时，能停止助力，自动恢复到手动控制方式， 并发出警报信号，显示所记忆的异常内容如扭矩传感器本身异常、车速传感器 异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。 1 3 电动助力转向系统简介 1 3 1 电动助力转向系统的类型 电动助力转向系统根据助力机构安装位置的不同可以分为三类( 图1 1 所 示) ：转向柱助力式、齿条助力式和小齿轮助力式。 转向柱助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向轴相 连。电动机、离合器、扭矩传感器和转向助力机构组成一体，安装在转向柱上， 其结构紧凑。这种类型般在轿车上使用。 齿条助力式e p s 系统的电动机和减速机构安装在齿条处，直接驱动齿条提 供助力，扭矩传感器安装在小齿轮处，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。 小齿轮助力式e p s 系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮 转向。小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和助力机构整体 安装在转向齿轮处，直接给齿轮助力，可获得较大的转向力，各部件布置更方 西华大学硕士学位论文 便。但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时，转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。 f i g1 1t h es t y l eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 图1 1 电动助力转向系统的类型 1 3 z 屺叨明力转向系统的特点 与其他转向系统相比，电动助力转向系统的优点体现在【1 她4 捌： a ) 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。而电动助力转向系统仅在需要转向时才提供 助力。电动助力转向系统不依赖于发动机，系统即使在一4 0 时也能工作，可 以提供快速的冷起动。对比试验表明，在不转向情况下，装有电动助力转向系 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 。 b ) 增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中，电动机与助力机构直接作 用于车轮的转向，因此转向系统的抗扰动能力大大增强，改善了转向系统的跟 随性。 c ) 提供可变的转向助力。 d ) m 于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，系统结构简单，占用空间小， 布置方便，更易于生产线装配。 1 3 3 国内外电动助力转向系统的研究与应用现状 e p s 系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于1 9 8 8 年首次在其生 4 西华大学硕士学位论文 产的c e r v o 车上装备了e p s 系统，随后用在a l t o 车上1 6 】。此后，电动助力转向 技术得到了迅速的发展。日本的大发汽车公司、美国的d e l p h i 汽车公司m l 、 t r w 公司 9 】德国的z f 公司1 1 0 j ”，都相继研制出各自的e p s 系统。其中技术 发展最快、应用较为成熟的当属t r w 转向系统和d e l p h is a g i n a w ( 萨吉诺1 转向 系统，而d e l p h is a g i n a w ( 1 笋吉诺谇9 向系统又代表着电动转向系统发展的前沿。 t r w 公司从1 9 9 8 年开始便投入大量的人力、物力用于e p s 系统的开发。最初 针对客车转向柱助力式e p s 系统，其后的小齿轮助力式e p s 系统开发也获得 成功。1 9 9 9 年，t r w 公司的e p s 系统已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和 m a z d a3 2 3 f 等。d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o 、欧宝3 1 8 i 以及菲亚 特的p u n t o 开发出e p s 系统。 经过近2 0 年的发展，e p s 技术日趋成熟。其应用范围已经从最初的微型 轿车向大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向系统的助力方式也从低速 助力型向全速助力型发展，并且其控制方式和功能也进一步强化。日本早期的 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 则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， 如铃木公司装备在w a g o n r 车上的e p s 是一个负载路面车速感应型助力转向系 统。由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围助力型，并且首次设置了两个 丌关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m h 后， 这两乖| ，开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。 我国同样对电动助力转向系统的研究与开发给予了很大的关注。国内的一 些大学、研究机构和一些汽车系统公司也在这方面作了很多工作。吉林大学i l 2 1 3 “4 1 、清华大学【1 5 t 16 1 、华中科技大学【1 7 1 8 1 和江苏大学【1 9 】等院校纷纷开展了电 动助力转向系统的建模、动念分析等工作；合肥工业大学1 2 0 】、湖北汽车工业学 校m2 2 1 2 3 l 等院校也对汽车电动助力转向系统进行了仿真分析。 据t r w 公司预言，到2 0 1 0 年全世界生产的汽车中每三辆就有辆装备 e p s 系统，特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车四大 汽车将构成未来汽车发展的主体，这给e p s 系统的发展带来了更加广阔的应用 前景和巨大的商机。 当前，电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用，电动助力转向 西华大学硕士学位论文 系统在操纵舒适性、安全性和节能等方面也充分显示了其优越性。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。 1 4 论文的主要工作 课题的内容主要由以下几个方面构成：电动助力转向系统的总体构架、系 统的仿真分析与控制策略探讨、系统的硬件实现、系统的软件实现以及台架试 验验证。电动助力转向系统的总体构架主要是电动助力转向系统的主要组成部 件的选取；系统的仿真分析部分与控制策略探讨部分主要是根据系统的具体部 件建立系统的数学模型，讨论不同的参数对系统转向性能指标和助力策略的影 响；系统的硬件实现主要是依据系统的各部分的功能，绘制其电路图，选取合 适的电子元器件搭建电路板；系统的软件实现是基于系统的控制策略编制能够 实现预期功能的软件。 论文研究的重点是完成电动助力转向控制系统实验室初级阶段的工作，包 括硬件电路的绘制及其电路板制作、调试与功能改进，同时在控制策略方面进 行研究，以及控制软件的流程设计及其具体代码实现；通过台架试验检验其实 际功能是否能够满足设计要求。 6 西华大学硕士学位论文 2 电动助力转向系统的总体构架 2 1 电动助力转向系统的工作原理 电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上，增加了传感器装置、 电子控制装置和转向助力机构等。它是使用电动执行机构在不同的驾驶条件下 为驾驶员提供合适的助力。系统主要由电子控制单元( e c u ) 、扭矩传感器和 车速传感器、电动机、离合器和转向柱总成等组成f 2 4 , 2 5 , 2 6 ，2 7 1 。其工作原理如图 2 1 所示。 f i g2 1t h ep r i n c i p l eo fe p s 幽2 1 电动助力转向系统的原理 其工作原理是：驾驶员操纵方向盘转向时，传感器将驾驶员作用于方向盘 上的扭矩信号、车速信号、发动机转速信号输入e c u ，e c u 对输入信号进行 运算，查询助力表格，确定目标电流的大小和方向，从而控制电动机的电流和 方向，电动机经减速机构及离合器将扭矩传递给转向机构，从而为驾驶员提供 合适的助力；当转向系统出现故障时，e p s 系统不助力。不转向的情况下，电 动机不工作。电动助力转向系统可以实时地在不同的车速下为汽车转向提供不 同的助力，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。 电动助力转向系统总体上包括两大部分。其一是机械部分；其二是控制部 分。 7 西华大学硕士学位论文 机械部分主要包括传动单元( 离合器、转向柱总成) 和执行单元( 电机) 等。 控制部分主要是根据传感器测得的车速和扭矩信号进行运算处理发出控 制指令，驱动电机从而为转向提供助力。电动助力转向系统的总体框架如图 2 2 。 图2 2 包括了传感器信号引入模块、电动机控制模块、离合器控制模块、 存储扩展单元以及微控制器等组成模块。 f i g2 2t h ef r a m ec h a r to fe p s 图2 2 电动助力转向系统的总体框图 2 2 电动助力转向系统的关键部件 e p s 控制系统的传感器信号主要包括转向盘扭矩信号、车速信号、电机电 流信号，前两者用于确定助力电机的目标电流，后者用于电机的闭环控制。电 动助力转向系统的控制策略的执行主要取决于车速传感器信号和扭矩传感器 信号，其性能的优劣、寿命的长短，直接影响着电动助力转向系统。 2 2 1 电位器式扭矩传感器 电位器式扭矩传感器脚, 2 9 , 3 0 l 结构及工作原理如图2 3 所示，主要由控制臂、 电位器、刚球、滑块、输入轴、输出轴、扭杆等组成。 当转向系统工作时，输入轴和输出轴的旋转方向产生偏移，扭杆因弹性形 8 西华大学硕士学位论文 变而产生转矩，与此同时滑块根据扭杆变形的方向和大小沿轴向产生成比例垂 ；毛崔馨制臂 2 豫筐沿块 5 ，1 3 钢球 6 输出轴 t 扭杆 8 输入轴 ( a ) 扭矩传感器结构 向 向 ( b ) 方向盘顺时针旋转( c ) 方向盘在中间位置( d ) 方向盘逆时针旋转 f i g2 3t h es t r u c t u r eo ft o r q u es e n s o r 图2 3 扭矩传感器结构 输 出 电 副 压 j i j 。 j t r 逆时针0转向扭矩l 嗄时针 f i g2 4t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft o r q u es e n s o r 图2 4 士h 矩传感器输出特性 直移动，控制臂将滑块的轴向垂直移动转化为电位器的旋转角度，将转矩值变 换为电压量，并将其输入电子控制单元。电位器扭矩传感器的工作机理比较简 西华太学硕士学位论文 单，它将电位器电阻值的变化作为反映扭矩变化的手段，是一种接触式传感器。 工作时传感器将负载力矩引起的扭杆转角位移测出，并转换为电位计电阻的变 化，经主、副扭矩传输通道将扭矩信号传递到a d 转换装置进行处理。两路信 号的输出特性如图2 4 所示。当转向盘处于中间位置时，电位器的输出电压为 2 5 v ；当转向盘顺时针方向旋转时，主扭矩传感器的电位器的输出电压大于 2 5 v ，副扭矩传感器的电位器的输出电压小于2 5 v ；当转向盘逆时针方向旋转 时，主扭矩传感器的电位器的输出电压小于2 5 v ，副扭矩传感器的电位器的输 出电压大于2 5 v ；因此，可以根据两路输入电压的大小来判断转向盘扭矩的大 小和方向。 电位器式扭矩传感器由于其原理简单；成本较低；采用主、副通道进行扭 矩信号采样，差值输入有利于消除外部干扰。因此在电动助力转向系统中得到 了应用。 2 2 2 直流水磁电动机 电动机的功能是根据控制器的控制信号输出合适的助力扭矩，电动机对 e p s 的性能有很大影响，是电动助力转向系统的关键部件之一，担负着系统控 制指令执行功能。所以e p s 的电动机不仅要求低速大扭矩、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。为此，设计时常根据e p s 的特点，对电动机的结构作一些特殊的处理，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。考虑到汽车电控系统的电源等方面的因素，系 统电机采用直流永磁电机。 永磁式电动机有直流伺服电动机、无刷直流电动机和直流力矩电动机三种 选择方案1 3 1 , 3 2 , 3 3 1 。 直流伺服电动机的启动转矩大，调速范围广，机械特性和调节特性的线性 度好，控制系统和控制方案简单。但是直流电动机的转子是带铁心的，加之铁 心有齿槽，如果电动机的转动惯量大，机电时间常数较大，灵敏度较差：转矩 波动较大，低速运转不够平稳；电动机换向时易产生火花，不够安全，并影响 电动机的寿命。电动机结构做了特殊处理之后，可以保证转矩波动小，转动惯 量小，电动机采取全封闭的形式，从而去除了因换向火花带来的不良影响。 西华大学硕士学位论文 无刷直流电动机是把电子技术融入电机领域，将电子线路和电机融为一体 的产物。无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分 组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到 转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控 制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。其中转子是由永磁材料制 造，具有一定磁极对数的永磁体。 无刷直流电动机是采用电子换向开关元件进行换向，它既具有直流电动机 的优点，又具有交流电动机的没有换向器和电枢、维护方便、无火花、无电磁 干扰、能在恶劣环境下工作的诸多优点，但无刷直流电动机的价格较高，且控 制系统和控制方案复杂。 直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同。只是在结构和 外形尺寸的比例有所不同。直流力矩电机结构上采用扁平电枢，可增加电枢槽 数、元件数和换向器片数，而且适当加大电机气隙，所以力矩波动小，从而保 证了低速下能够稳定运行。直流力矩电机由于结构的特殊设计，因此其机械特 性和调节的线性度好。直流力矩电机的电磁时间常数小，电机响应迅速，动态 特性好。直流力矩电动机虽具有诸多优点，但价格比较高。 实验室中电动助力转向系统采用了直流伺服电动机。伺服电机输出的转 矩、转速和功率，能够满足负载运动要求，控制特性能够保证所需的调速范围 和转矩变化范围。 2 2 3 电磁离合器 电磁离合器的作用是传递电动机的助力转矩，电磁离合器安装在电动机和 减速机构之间。电磁离合器是为了使电动机和减速机构快速的结合和分离。即 当低速转向时，电子控制单元输出控制信号起动电动机，并输出控制信号使离 合器吸合，从而将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。而当车速 超过预置车速时，电子控制单元输出控制信号使离合器断开，离合器失去励磁 电流而分离。此外，电动机出现故障时，可使离合器分离，令电动机与减速机 构脱开，转向系统便从电动助力方式切换为机械转向方式，从而保证了转向系 统的安全性能。 西华大学硕士学位论文 2 2 4 减速机构 减速机构的作用是将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。 减速机构主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。如图2 5 不。 ! 窖蓦莸氯星轮 叠辞慧轮 t 转向齿条 8 转向齿轮 图( a ) 双行星齿轮碱速机构 图( b ) 蜗轮蜗杆减速机构 f i g2 5s k e t c hm a po fs p e e d - d o w ns e t u p 图2 5 减速机构结构示意图 台器 双行星齿轮减速机构采用了双行星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多 级减速，可提供较大的助力扭矩。为了降低噪声和提高使用寿命，减速机构部 分采用树脂材料齿轮。双行星齿轮减速机构因为可提供较大的助力，通常用在 小齿轮助力式和齿条助力式系统。蜗轮蜗杆减速机构简单，体积小，噪声低， 成本较双行星齿轮减速机构低。其提供的助力虽不及双行星齿轮减速机构，但 已能满足轿车的助力要求，因此，蜗轮蜗杆减速机构通常用在转向柱助力式的 轿车转向系统中，本系统即是采用蜗轮蜗杆减速机构。 2 3 本章小结 本章介绍了电动助力转向系统的基本工作原理及其类型，探讨了电动助力 转向系统的总体功能框架以及电动助力转向系统传感器、电动机、离合器、减 速机构的功能类型及结构。 1 2 离机轮磁杆动螺缱蝴吨 西华大学硕士学位论文 3 电动助力转向系统的转向操纵性能仿真分析 3 1 电动助力转向系统转向操纵性能的主要评价指标 对于一个操纵性能良好的转向系统，应满足以下要求：( 1 ) 转向轻便性； ( 2 ) 转向灵敏；( 3 ) 路感合适。为方便后面分析问题，在讨论e p s 系统参数 对转向操纵性能的影响前，首先必须对上述转向操纵性能指标p 4 , 3 5 , 3 6 以3 8 , 3 9 , 4 0 | 4 l 】 进行定义。 3 1 1 转向轻便性 转向轻便性主要是指汽车在低速或原地转向时驾驶员操舵方向盘所用的 作用力或作用功。良好的转向轻便性能够确保驾驶员转向不致沉重。对于电动 助力转向系统，它主要用不同车速下的助力特性曲线的助力斜率来表示。助力 斜率大，则转向轻便。 电动助力转向系统的助力特性曲线h j 4 3 , 4 4 可以有多种形式，图3 1 分别为直 线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。特性曲线都有三个区域，当 0c 乃c 瓦。为无助力区域，当兄。c lc 瓦一为助力变化区域，当巧，瓦。；为 助力不变区域。 l一 l 、- &丝， 转向盘输入力矩n n a ) 直线型 一 厂- 、 飞： 式：纭 转向盘输入力矩h m转向盘输入力矩n m b ) 折线型 。) 曲线型 f i 9 3 1t h r e ek i n do fc h i v eo fa s s i s t i n gp o w e r 图3 1 三种助力特性曲线 a 。直线型助力特性：在助力变化区域中，转向盘输入力矩与助力力矩按 线性变化规律。其函数表达为： 西华大学硕士学位论文 f 0 l 。j k ( v ) ( t d l 。) l7 l 4 0s l 瓦o l os l 瓦。 ( 5 3 ) 瓦苫乃。； 式( 5 3 ) 中，l 为电动机助力力矩；k ( 力为斜率函数，是速度的函数；l 为转向盘输入力矩；l 。为电动助力转向系统电动机开始作用时的转向盘输入 力矩；乃一为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。 b 折线型助力特性在助力变化区域中，特性曲线呈分段线性变化。以图 ( 5 8 b ) 示中的两段折线为例，函数表达为： l = 0 k ，o ) ( 瓦一瓦。) k ：o ) ( 瓦一瓦。) + k 。0 ) ( 瓦一瓦。) l 。 0 s 死 l o 瓦os 瓦 l l 疋，s 疋s 瓦一 l z 瓦一 式中，k ，( v ) 和k ：( v ) 分别为两段直线的斜率函数，仍然是速度的函数；l 是斜率由足。变为k ：时的转向盘输入力矩。 c 曲线型助力特性在助力变化区域中，助力力矩和转向盘输入力矩呈非线 性变化，函数表达为： f 0 l = j k ( v ) ，( l ) i 7 l 4 0 s 乃 疋。 瓦os 瓦 疋 瓦z 疋。： 直线型助力特性曲线简单、便于控制系统设计，调整也简便。缺点在于虽 然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化，但对于输入的高、低区域却 不能区别对应，输出为线性、路感单一，故无法很好协调路感和轻便性的关系； 非线性曲线在感应速度的同时，每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化， 是十分理想的特性曲线，但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特 性信息，故确定和调整都不容易；折线型的优、缺点则介于二者之间。 根据实际装备e p s 控制器车辆的试验结果显示，在助力特性曲线的起点问 题上，随车速增加有逐步增加的趋势，也就是电动机开始助力时的转向盘力矩 乃随车速增加而增加。此次确定的助力特性曲线也采用此种方式，对应的乃的 1 4 西华大学硕士学位论文 值按车速从o k m h 至1 0 0 k m h 其变化范围是1 n m 至2 n m 。同样的，在电动机 提e l 供, s - - 定助力时的转向盘输入力矩l 一也对应变化，范围是5 n m 至6 n m 。将 此曲线的起始点写成随车速变化的函数为： 疋o = 1 + 0 0 1 v ；乃一= 5 + o 0 h , 其中：0s v s l 0 0 表3 1 不同车速下的助力斜率 车速 02 04 06 08 01 0 0 i ( k 油) i 助力斜率5 7 7 53 8 83 3 72 5 81 3 5 0 5 6 将离散的斜率值拟合成车速的函数，拟合结果如图5 9 所示，拟合函数为 k ( v 、= 5 7 8 1 1 9 一o 2 3 1 9 8 v + o 0 0 4 2 4 v 2 3 4 9 3 7 6 e 一5 v 3 + 1 0 2 8 4 4 e 一7 v 4 将助力特性写成函数表达式为： 6 4 2 0 02 0 4 06 0 8 01 0 0 车速k j i h f i 9 3 2t h ec u r v eo fa s s i s t i n gp o w e rc h a r a c t e r i s t i c 图3 2 助力特性拟合曲线 数系应感率斜 西华大学硕士学位论文 f 0 l ：j k ( v ) ( 瓦一乃。) 【4 k ( v ) 0s l l o 疋o5 乃 。筋 一 弋奄 1 0 1 0 。 1 0 1 0 2 f r e q u e r c e ( h z ) f i g3 1 l t h ei n f l u e n c eo ft o r q u es e n s o rs t i f f n e s st os t e e r i n gr o a df e e l i n g 图3 1 1 扭矩传感器刚度对转向路感的影响 f r e q u e n c e ( h z ) f i g3 1 2 t h ei n f l u e n c eo fm