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摘要 摘要 e p s 动态特性与控制策略的研究 机械制造及其自动化专业 研究生许晓燕指导教师赵武 汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、行驶安全性和驾驶舒适性的关键部 件。在追求高效节能、高舒适性和高安全性的今天，与传统的转向系统相比， 电动助力转向系统( e p s ) 作为一种全新的汽车动力转向系统，以其结构简单、 操纵灵活、转向轻便、良好的转向路感和节能环保等特性成为动力转向技术研 究的焦点。 本文以国家科技型中小企业创新基金“基于冗余容错的汽车电动助力转向 系统的研发”( 0 5 c 2 6 1 1 5 1 0 1 3 7 4 ) 为背景，应用汽车操纵动力学、经典控制理 论、鲁棒控制和容错控制理论等，以m a t l a b 作为主要的仿真计算工具，围绕 e p s 控制策略这一关键技术，运用动态特性仿真分析，制定了系统动态特性的 评价指标；以助力特性、转向跟随性和转向路感为控制目标研究了e p s 控制策 略；研究了在e p s 中采用鲁棒容错控制的可行性与方法；最后建立了e p s 台架 试验总体方案。 1 、分析了e p s 的工作原理和关键部件及其实现的关键技术，建立了e p s 各个部分的数学模型和状态空间模型。进而依据状态空间模型，通过m a t l a b 对系统进行了详细的动态特性仿真分析，从而制定出系统动态特性的评价指标 转向跟随性、转向路感、系统的稳定性，为评价e p s 的动态特性和确定e p s 四川大学硕士学位论文 控制策略提供可靠的依据。 2 、良好的控制策略是保证e p s 达到各个评价指标的关键技术，本文以助力特 性、转向跟随性和转向路感为控制目标研究e p s 的控制策略。首先，助力特性 的研究以助力特性曲线的分类、设计原则为基础，对昌河北斗星汽车的助力特 性曲线进行了详细的研究，给出了其完整的设计过程及其仿真结果，得出了任 意车速下的方向盘转向力矩和助力电流的对应关系曲线以及助力特性曲线梯度 与车速的多项式拟合结果；其次，研究了以角跟随性来表示的转向跟随性，在 动态过程中采用p i d 参数模糊自整定的控制算法来提高系统的转向跟随性；然 后研究了状态反馈控制下系统的转向路感；最后在介绍冗余容错技术的基础上， 研究了在e p s 中采用鲁棒容错控制的可行性与方法。 3 、通过分析系统台架试验的设计原则和功能，结合具体的试验情况，给出 试验台的主要构件、试验装置的控制策略、工作流程和试验的内容，为后续的 试验奠定了基础。 关键词：e p s 动态特性控制策略仿真 i i 摘要 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no f e p sd y a n m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o ls t r a t e g y a b s t r a c t ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga 1 1 da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：x ux i a o y a n s u p e n ，i s o r ： z h a ow u a u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e mi st h ek e yc o m p o n e n t sw h i c ha f f e c tt h eh a n d l i n g s t a b i l i t ya 1 1 dt h es a f e t ya n dc o m f o no fd r i v i n g n o w ，i nt h ep u r s u i to fe m c i e n t e n e r g y s a v i n g ，h i g hc o m f o r ta n dh i 曲s a f e t y ，a sab r a n m e wp 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 i cp o w e rs t e e r i n g ) h a sb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c ho fp o w e rs t e e r i n g t e c h n i cf o ri t sc h a r a c t e r i s t i co fs a m p l es t m c t u r e ，y a r a g e ，p o r t a b l ec o n t r o l ，n i c er o a d f e e la n de n e 昭y s a v i n ga n df r i e n d l ye n v i r o n m e n t i nt h e b a c k g r o u n do fn a t i o n a ls m ei 姗o v a t i o nf u n d”i b s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fv e h i c l ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mb a s e do nr e d u n d a n t f a u l t - t o l e r a n t ”( 0 5 c 2 6 11510 13 7 4 ) ，谢t ht h ea p p l i c a t i o no fv e h i c l es t e e r i n gd y n 锄i c s ， c l a s s i f c a lc o n t r o lt h e o r o b u s tc o n 仃d ia n df a u l t t o l e r 觚tc o n t r o l t h e o 吼u s i n g m a t l a ba sam a jo rs i m u l a t i o nt o o l ，a r o u n do ft h ek e yt e c h i l o l o g yo fe p s c o n t r o l s t r a t e g ya 1 1 du s i n gc i y n 锄i cs i m u 】a t i o ns n a l y s i s ，t h et h e s i sc o n s t i t u t e sm ee v a l u a t i o n t a ：唱e t s oo ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；r e s e a r c h e st h ee p sc o n t r o ls t r a t e g yw h o s e t a r g e t sa r ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，t u m i n gf o l l o w i n gn a t u r ea n dr o a df e e l ：r e s e a r c h e st h e f - e a s i b i l i t ya n dm e t h o do fi o b u s tf a u l t t 0 1 e r a n tc o n t l - 0 l t e c h n o l o g yi ne p s ；f i n a n y b u i l d st h ep r o j e c tf o re p st e s t b e d 1 t h et h e s i sa n a l y s e se p s s 、o r k i n gp r i n c i p l ea n di t sk e yc o m p o n e n t sa n d k e y i i i 四川大学硕士学位论文 _ 一一_ 一 t e c h n o l o g i e s ，b u i l d se p sm a t l l e m a t i c a lm o d e la n ds t a t es p a c em o d e l s t h e r e b y ， t h r o u 曲m a t l a bt o o l s ，t h ep a p e ra n a i y s e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i nd e t a i l t h e r e f o r e ，i tm a k e so u tt h ee c a l u a t i o nt a r g e t s ，p r o v i d sr e l i a b l eb a s i sf o re v a l u a t i o no f e p s sd y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n f i n n a t i o no fe p sc o n t r o ls t r a t e g y 2 an i c ec o n t r o ls t r a t e g yi st h ek e yt e c h n o l o g yf o rt h ee p s t oa c h i e v ee v e r ) ， e v a l u a t i o nt a r g e t s t h ep 印e rm a i n l yr e s e a r c h e st h em a i nt h r e ec o n t r 0 1t a r g e t sw h i c h a r ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，r o a df e e la n dt u m i n gf o l l o w i n gn a t u r e f i r s t ，a r e rap r i n c i p a l o fs t e e r i n ga s s i s tc u r v ed e s i g na n di t ss o r t sa r ep r o p o s e d ，ad e s i g nm e t h o da b o u tt h e c a ro fc h a n g h e w a i n sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sp u tf o 刑a r da n dc a l c u l a t e da n d s i m u l a t e dd e t a i l e d l y t h e ni te d u c e st h er e l a t i o n s l l = i po ft o r q u eo fs t e e r i n gw h e e la i l d p o w e re l e c t r i c i t ya n de d u c e st h er e s u l to f m u l t i n o m i a lf l t t i n ga b o u tt h ec u r v e ss l o p a i l dt h es p e e do fc 孔s e c o n d ，i nt h ea s p e c to ft u m i n gf o l l o w i n gn a t u r e ，t h et h e s i sh a s ad e e pa n a l y s i so nm ec o n s t r a i n tp a r a m e t e r a n g l et r a c k i n gp e r o p e r t y u s i n gt h e a l g o r i t h mw i t ha u t o - a d a p t a t i o np i dp a r a m e t e ri nd y n 锄i cp r o c e d u r ec a ni m p r o v e t h e t u m i n gf o l l o w i n gn a t u r eo f t h es y s t e m t h e ni tr e s e a r c h e st h er o a df e e lu 1 1 d e rt h e s t a t ef e e d b a c kc o n t r 0 1 f i n a l l y ，o nt h eb a s eo fr e d u n d a n c ya n df a u l t t o l e r a mc o n t r 0 1 t e c h n i c ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ef e a s i b i l i t y a n dm e t h o do fr o b u s tf a u l t t o l e r a n t c o n t r o l t e c l l l l o l o g yi ne p s 3 a r e rt h ei n t r o d u c a t i o nt op r i n c i p l ea 1 1 d 如n c t i o no fs y s t e mt e s t b e d ，t h ep a p e r p r e s e n t st h em a i nc o m p o n e n t so f t e s t - b e da n di t sc o n t r o ls t r a t e g y s ，w o r kn o wa n dt h e n n a lt a r g e t so ft h ee x a m a i n a t i o n ，e s t a b l i s h e sg o o df o u n d a t i o nf o rt h ef l l o w i n g e x p e r i m e n t a i o n k e y w o r d s ：e p s ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， c o n t r 0 1s t r a t e g y i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 包含为获得四川大学或其他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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得 的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 研究生：孑和艟日期：硼_ 7 罗 指剥币：劾认 魄j 7 川7 第一章绪论 1绪论 1 1 研究背景和意义 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研究的重 要课题。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。 继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统上得到广泛应用之后， 汽车电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 在国外已部分取代传统 液压动力转向( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ，e p s 已成为世界现代汽 车技术新的研究热点。e p s 采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元 ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 控制。它能节约燃料，提高主动安全性，且 有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到 高度重视。国外汽车公司对e p s 的研究已经有2 0 年的历史，相比之下，在我国， 电动助力转向的开发还处于初级阶段，国产电动助力转向尚属空白，大部分文 献只是介绍国外电动助力转向系统状况以及电动转向系统基本组成和特点。国 内一些高校也只是进行了理论性的研究，还没有定型的产品。因此，对e p s 的 深入研究具有重要意义。 首先，在转向系统的设计当中，始终存在着转向轻便性和转向灵敏性之间 的矛盾。最初为解决这个矛盾，采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力 转向系统。从文献1 1 4 j 中可知，从有效降低转向力矩来讲，采用变传动比的机械 转向系统无法同后者相比，而且加工工艺也较为复杂。另外，变传动比的机械 转向系统的机械效率比定传动比的机械转向系统低，因此大多数商用汽车及 5 0 的轿车都采用动力转向系统【5 。8 】。常规液压动力转向系统采用液压作为动力， 助力的大小与车速没有关系，只与转向角度有关。由于其工作可靠、技术成熟 至今仍被广泛应用。近年来，由于电子技术的发展，出现了电液助力转向系统 ( e h p s ) ，它利用电子传感器把汽车运行中的各种非电量信号转变为电信号， 四川大学硕士学位论文 通过电子控制单元( e c u ) 控制电磁阀精确地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。因而助力特性可根据转向速率、 车速等设计为可变助力特性。但是由于油泵振动以及由此导致的压力软管、控 制阀、动力缸和转向柱的振动和流体本身的振动，使其具有不可克服的液压噪 声，大大影响了转向的舒适性。另外，液压式动力转向系统还存在着由于液压 管路泄漏进气造成的转向沉重等缺点。这些液压传动的固有特性带来的弊病成 为了阻挠液压动力转向系统发展的巨大障碍。 电动助力转向系统( 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。通过适当的 软件控制策略，可以提高系统的转向跟随性、路感等控制指标，保证系统满足 驾驶员的各项要求。 其次，在控制系统中，实现控制的核心是准确求出助力特性，即转向盘力 矩和电机助力力矩之间的关系。不同车速时的助力特性不同。在实现助力转向 过程中，当转向盘力矩已知时，助力电机提供多大的力矩才是最合适，这是实 现该控制系统的核心，亦即准确求出助力特性曲线。目前，国内外对该系统的 控制策略研究较多，而对助力特性的详细研究却较少。 再次，完整的e p s 还应包括故障诊断与安全保护系统。汽车电动助力转向 系统是汽车上高可靠性部件，其电控系统的结构和控制算法日趋复杂，控制范 围日益扩大，控制精度逐步提高，并向集中控制方向发展。控制器、传感器和 助力电机( 执行器) 在这些复杂的控制系统的运行过程中，往往出现一些无法 预料的故障，这些故障一般在运行过程中难以维修，因此，人们迫切需要提高 系统的可靠性与安全性。为了提高汽车的可靠性与安全性，我们在系统设计时 采取容错控制。容错控制系统不是一般的控制系统【9 1 1 j ，它不仅具有鲁棒性，而 且可以适应其环境的显著变化。因此在电动助力转向系统中引入冗余容错控制 方法，当有些部件失效时，它们在系统中的功能可用系统中的其他相同或相似 的部件完全或部分代替，使系统能继续保持规定的性能或不丧失最基本的功能 引，保证系统安全稳定的运行，减少汽车事故发生，使汽车返回维修点后再维 2 第一章绪论 修。 本文将在介绍e p s 的工作原理与特点昀基础上，分析论述e p s 开发技术的 研究现状与发展趋势，建立e p s 的动力学模型，分析e p s 的动态特性并进行仿 真分析，对e p s 的控制策略展开研究，重点研究e p s 的助力特性、转向跟随性 和转向路惑，并对系统控制策略进行仿真分析。 1 2 国内外e p s 的发展现状及发展趋势 。2 。1 国外p s 的发糕现状 由于电动助力转向是项采用现代控制方法的高新技术，与传统液压动力 转向相比，具有诸多优点，国外许多汽车及零郝件生产厂裔纷纷致力于该技术 的研究与产品的开发【1 4 1 【1 5 】。1 9 8 8 年2 月日本铃本公司首次在c e 掰。车上 装备了e p s ，随后还用在了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。1 9 9 3 年本田汽车公司首次将e p s 系统装备于大批量生 产酶、在国际市场上同法拉利和波尔舍竞争的n s x 跑车上。同时在欧美市场 上，美国的d e l p h i 汽车公司( 图l 。1 ) 、德国的z f 汽车公司等，都相继推出 了各自的电动助力转向系统。如今，大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽车公司 的m i n i c a 车、大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p 硼t o ( 图l 。2 ) 都装 备了电动勋力转向系统。随着高级轿车对转向器性能的更高要求，近几年国外 开发出了更为成熟的电动式动力转向器( 如凌志、皇冠等高档轿车上使用的转 向器) ，该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过e c u 自动调节方 向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵 活进行转向；愿在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳 定性。德尔福汽车公司，1 9 9 8 年开发了全新的电动式转向器系统，它可分别在 齿条、齿轮或转向轴上施加助力。英国汽车制造商l u c a s 公司，1 9 9 8 年研制的 电动式转向器投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动 的o 。5 ，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2 ，全液压助力系统损耗为 8 。 四j 1 1 人学硕十学位论文 图1 1d e i p h i 汽车公司的e p s图1 2f ia tp u n t o 车所装备的e p s 还有一种双小齿轮e p s 结构1 1 6 】。它在重型车应用中具有特殊的优势，结 构如图1 3 。另外，韩图m e c c a t e c h 公司于2 0 0 2 年2 月开始正式牛产一种结 构新颖的电动助力转向系统e p s t t 【j ( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g w i t ht w o t r a n s m i s s i o n ) ，并已经在美国、欧洲和韩国等地取得专利。e p s t t 比e p s 、 e h p s 、h p s 这三种系统结构更加简洁，整个系统由电动机、离合器( 包括左、 右两个) 、转矩传感器和控制单元三部分构成。e p s t t 系统示意图如图1 4 所示。转矩约束装置保护驱动部件免受路面冲击，动力传输装置由左、有两个 离合器组成，且每次转向只有一个工作。转矩传感器和控制单元将方向盘的转 向和力矩转换为电信号，经放大后驱动电动机。方向微的旋转方向分别对应着 左、右离合器，在离合器的作用下，不论方向盘转向如何，电动机只朝着一个 方向旋转。整个系统非常简单，效率非常高。 图1 3 双小齿轮e p s 1 电机2 方向盘3 扭矩传感器 4 减速机构5 转向小齿轮6 轮胎 4 图1 4e p s t t 系统示意图 1 方向盘2 转向轴3 转矩传感器及 控制部分4 离合器5 转矩缓冲保护 6 电动机7 转向传动机构 第一章绪论 1 2 2 国内e p s 的发展现状 霉内对e p s 系统及箕控制技术的研究起步较晚，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。目前国内的动力转向器还处在机械一液压式动力转向系阶段，对于电动 助力转向系统仅有清华大学1 8 】l 阐、华中科技大学猃o 】【2 ”、吉林大学1 2 2 】瑟3 j 渊、江 苏大学【2 5 】等高校开震了系统结构方案设计、系统建模和动力分析等研究，但处 在研制的理论探索、实验研究阶段。国内也有一些厂家比如重庆长安公司、南 昌昌河公司、东风公司、一汽集团等与高校展开联合研究，也都处在研制的初 级阶段，圈内尚未见到国产e p s 产晶实用化的报道。 髓前图内仅有个别车型如昌河北斗星c h 7 1 0 0 a 季爨广州本圈飞度安装了 e p s 系统，有1 3 家企业和科研院校正在研制中。从汽车市场上调 查得知：南摩股份有限公司能小批量生产转向柱式的e p s 产品用于汽车装配。 清华大学汽车实验室已加工出e p s 样机，正在进行装车实验。合肥天力汽车油 泵有限公司拟招商引资生产电动助力转向器，现已开展电动助力转向系统及传 感器和控制器的前期研究工作，并进行进口样件的实验。合肥工业大学机械汽 车学院已完成了安徽省科技厅下达的十五科技攻关项目汽车电动助力转向系 统的研制与开发，进行了转向系运动学、动力学分析计算，提出了关于e p s 的控制策略，并在汽车转向实验台上对控制策略进行了检验，同时进行了道路 实验证明其合理性，为e p s 的产品化奠定了坚实的基础。 1 2 3 文献分析 文献f 1 _ 5 】瞄l 薅娆霉奔绍了国外醪s 转向系统的发展概况和特点，并对e p s 系统的关键技术做了简要的分析。文献【2 0 】【2 9 3 川对e p s 的动态特性进行了初步的 分析，提出了简化的e p s 动力学模型，但并不能客观实用地反映汽车实际行驶 运动要求。文献p | 】提出了评价e p s 客观性能的评价指标，改进了部分原先传 统转向系统评价指标中不适合e p s 的部分。文献【3 2 l 提出了一种基于鲁棒控制 的e p s 控制方法，以提高系统的稳定性。文献【3 3 j 在鲁棒控制的基础上增加了灵 敏度控制，力求使得e p s 的控制方法更加稳定，更加完善。吉林大学的郭孔辉 5 四川大学硕士学位论文 院士在汽车操纵稳定性上作了较为深入的研究，并提出了人一车一路闭环仿真 系统，为e p s 的研究提供了指导【3 4 1 。然而，针对e p s 助力特性的详细研究和确 定e p s 转向跟随性和转向路感的具体评价方法，还没有详细的文献分析，而且 在冗余容错控制方面的研究尚属空白，本文将在这几个方面进行详细分析研究 和仿真，为e p s 的深入研究打下基础。 1 - 2 4e p s 的发展趋势 e p s 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。未来的e p s 将朝着电子四轮转向的方向发展，并与电子悬架统一协 调控制。另一个发展方向是针对现有的电动转向系统，在进一步提高其可靠性 设计，改善其制造工艺的同时，尽力控制和降低成本，使其受到广泛的应用。 当前e p s 已在轻型车( 轿车) 上得到应用，其性能已得到人们的普遍认可。 随着直流电机性能的改进，e p s 助力能力的提高，其应用范围将进一步拓宽。 现在升级的运动型跑车也有安装e p s 。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主导地位。据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1 辆装备e p s 。特别是低排放 汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、电动汽车( e v ) 四大 e v 汽车将构成未来汽车发展的主体，这给e p s 带来了更加广阔的应用前景。 1 3e p s 技术基础 1 3 1 基本构造和工作原理 电子控制式电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上，增加信号传 感装置、电子控制装置和转向助力机构。它是利用电动机产生的动力来帮助驾 驶员进行转向。不转向时，电动机不工作；转向时，转矩传感器检测到的方向 6 第一章绪论 盘转矩和旋转方向信号输送给控制单元，控制单元根据转矩大小及其方向和从 车速传感器传来的车速信号向电动机发出指令，电动机输出相应大小及方向的 转矩以产生助力。 其结构图如图1 5 。其 一般的工作过程为：当汽 车保持原有方向时，方向 盘静止，此时转向助力为 零，助力电动机不工作； 改变方向时，人只需要很 小的力转动方向盘，然后 转向助力系统的控制单元 根据扭矩传感器所测方向 盘输入扭矩的大小、方向 信号和车辆速度传感器所 测汽车的速度信号，通过 车轮 图1 5 电动助力转向系统 将信号放大、处理、检测和诊断后，向电动机发出指令，电动机输出相应大小 及方向的助力转矩，通过万向节、转向机中的助力小齿轮送到齿条，为转向轮 提供旋转扭矩，推动汽车转向轮转动。 1 3 2e p s 分类 电动助力转向系统按照辅助电机的布置方式分为以下三种：转向柱助力式 ( c o l u m n a s s i s tt y p ee p s ) 、齿轮助力式( p i i l i o n a s s i s tt ) ，p ee p s ) 、齿条助力式 ( r a c k a s s i s tt y p ee p s ) 。 7 四川大学硕士学位论文 ( a ) 转向柱助力式( b ) 齿轮助力式 。2 、 川力川7 “ 矽。 图1 6 电动助力转向系统的常见助力形式 ( 1 ) 转向柱助力式( c e p s ) 转向柱助力式电动转向系统的动力辅助单元、电控单元和扭矩传感器都安 装在转向柱的位置，如图1 6 ( a ) 所示。这种电动助力转向系统结构紧凑，易 于安装在汽车上。助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定转向柱、 斜度可调式转向柱和其它形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受 到空间布置和噪音的限制，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型 及紧凑型车辆上。 ( 2 ) 齿轮助力式( p e p s ) 如图1 6 ( b ) 所示，齿轮助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单 元安装在齿轮条转向器的齿轮轴上。由于辅助电机不是安装在汽车乘客舱内， 因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太 大产生的噪音。可用于中型车辆，提供较大的助力值。同时，由于辅助电机转 动惯量的增大，也给电机的控制带来了难度。这种转向系统通过控制和传动比 可变的转向器齿轮相连接的电机，可以提供很好的转向操纵特性。 ( 3 ) 齿条助力式( r e p s ) 如图1 6 ( c ) 所示，齿条助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单 元安装在齿轮齿轮式转向器的齿条上，安装于齿条上的具体位置比较自由，因 此在汽车的底盘布置时非常方便，此外，同齿轮助力式相比，可以提供更大的 助力值，用于较大的车辆上。通过调节电控单元的控制参数，也可以获得很满 意的转向操纵特性。 睁 p 第一章绪论 1 3 3e p s 的优势 根据上述的分析，e p s 有如下优点： ( 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 。此外，e p s 中没有油泵、液压控制阀、动力缸和油罐等液压 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 ) 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 ) 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，采用优化设计的方法，可以达到比较理想的目标。高性能大致 包括：根据不同车况具有良好的助力特性；根据不同车况具有较好的路感； 根据不同车况具有较好的回正特性；具有高稳定性；具有高抗干扰性。 ( 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。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 的装配时间仅为h p s 的1 7 l 6 。 ( 5 ) 重量轻 据意大利菲亚特公司测定，h p s 的重量为1 2 1 4 k g ，而e p s 仅为1 0 3 埏， 减轻了2 8 4 蚝即轻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 ， 而e p s 为1 2 6 k g ，减少了3 蚝，即轻2 5 。 ( 6 ) 成本低、效益高 装有e p s 和机械转向系统的汽车油耗基本上没有差别。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 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。此外， 9 四川大学硕士学位论文 据德尔福公司统计，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 0 0 0 万升的液压油。如改用聊s ，仅此一项制造厂简便获得了很大的经济 效益。 ( 7 ) 易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。未来的e p s 将朝着与防拖制动( a b 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 ) 不需要特殊保养 e p s 不需要像h p s 那样注油和放气等，使用费用很低，颇受用户欢迎。 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主导地位。 1 3 4e p s 的关键部件及关键技术分析 l ，3 ，4 。1e p s 的关键部件 电动助力转向系统除了本身的机械部件之夕 ，主要包括转矩传感器、车速 传感器、助力电动机、电磁离合器、减速机构和电子控制单元等部件。 1 ) 转矩传感器 测量驾驶员在方向盘的输出力矩的大小和方向，并转换为电压信号传送给 电子控制单元( e c u ) 。e c u 根据转矩传感器检测到信号和车速传感器的信号， 通过给定的控制策略产生助力控制信号。该助力控制信号控制直流驱动电机的 输出电流，从而控制助力转矩。同时，转矩传感器又是助力结果( 控制结果) 的检测反馈元件。因此转矩传感器测得扭矩大小和方向盘转角位嚣对嚣p s 非常 重要。其要符合以下的基本要求：高灵敏性、抗干扰性，线性、容易调节，高 精度、高可靠性、无迟滞性、耐用性、可重复性、抗老化、低成本和尺寸小等。 扭矩传感器分为接触式和非接触式两种f 1 3 】【1 7 】f 3 5 】1 3 6 1 。接触式扭矩传感器有摇 臂式、双行星齿轮式和扭杆式。接触式扭矩传感器成本较低，但受温度与磨损 影响易发生漂移，使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进李亍折中，难以 l o 第一章绪论 实现绝对转角和角速度的测量。非接触式扭矩传感器有光电式和磁电式。非接 触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝对转角和角速度 的测量，但成本较高。由于e p s 的助力力矩控制主要取决于扭矩信号和车速信 号，因此对扭矩传感器要求高。扭矩传感器类型的选取根据e p s 性能要求进行 综合考虑。 本系统中，我们采用意大利b l 公司的传感器【3 。b i 的扭矩、位置复合传 感器，除了提供扭矩信号外，还提供方向盘位置信号，为回正和阻尼逻辑的开 发提供了便利。b i 传感器有5 路信号输出，分别是2 路扭矩信号t 1 、t 2 ，3 路 位置信号p 1 、p 2 、p 3 。安装该传感器只需将原有的转向下轴缩短，后部加上了 传感器轴，并在轴上安装蜗轮及传感器，它们之间用扭杆等部件进行联接。传 感器两端分别和输入、输出轴相连。在传感器轴末端装有调整螺母，用来调整 蜗轮与蜗杆的正确啮合。 图1 7b i 公司复合传感器 在设计的结构时，扭杆角刚度的选取与传感器特性和方向盘操纵力矩大小 相关。测量转动角一扭矩的理论公式推导： 设作用于方向盘上的力矩为m ，则扭杆的角变形量为秒，m 与目的相互关 系为下式： 四川大学硕士学位论文 m ：堑堑秒 3 2 ， g 扭杆剪切模量( 钢为7 7 0 0 k m m 2 ) ； d 扭杆本体直径，聊聊； ，扭杆计算长度，聊耽 o 扭杆两端相对转角，阳d ； m 扭杆两端作用力矩 由于滑块位移量x = 睨，2 巧 上滑块螺旋槽导程 所以滑块位移量x = 器三 测得滑块位移量正则可求出p 、m 。 本传感器是扭矩、位置复合传感器，结构紧凑，安装方便。由于有了位置 传感器，输入轴的位置、转动方向和转动速度就很容易获得，控制策略的制定 变得较为容易，为主动回正控制奠定了基础。 传感器安装结构图如图1 7 。 2 ) 车速传感器 用于检测车轮转速的大小，并把车轮的运动状态转变为电信号送入电子控 制单元。e p s 需要输入车速信号来确定助力的系数，因为不同车速下相同的方 向盘转角时的侧向加速度并不相等，驾驶员的手感力矩也不相等。要使驾驶员 有合适的路感，就必须使助力系数车速而改变。用于检测车辆速度的传感器有 舌簧开头式、电磁感应式、光电式和可变磁阻式车速传感器，本文中车速信号 由仿真程序给出。 3 ) 助力电动机 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，而且要求可靠性高、易控制。 4 ) 电磁离合器 主要对电动机起保护作用。根据电动机的输出转矩随转速的减少而增大的 1 2 第一章绪论 特性，把离合器的工作区域限定在一定的转速区域内。当有故障或者车速超过 设定值时，切断离合器，转向系统不受电机惯性力矩影响；停车或者车速低于 设定值且e c u 判断需要助力时，离合器闭合，电动机提供助力，从而保证系统 的安全和可靠性。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，带花键的压板就被吸引，并与主动轮压紧。于是电动机 的输出转矩便经过输出轴专主动轮专压板花键专从动轮传递给执行机构( 减 速机构) 。电磁离合器的结构图如图1 8 。 5 ) 减速机构 图1 8 电磁离合器结构图 1 滑环2 电磁线圈3 压板4 花键 5 从动轮6 主动轮7 滚珠轴承 i 燃轮 图1 9 电动机、离合器和蜗轮蜗杆减速机构的总成 e p s 的减速机构与电动机相连，起降速增矩作用。目前的减速机构一般采 四川大学硕士学位论文 用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合和行星齿轮与传动齿轮组合的方式。行星齿轮减 速机构能够提供较大的助力，一般用于小齿轮助力和齿条助力式的e p s 。蜗轮 蜗杆减速机构提供的助力虽不如行星齿轮减速机构大，但是已经能够满足微型 车的应用需求，而且其减速机构传动平稳、结构简单、体积小以及成本低，鉴 于本次设计采用的是转向柱助力方式和蜗轮蜗杆减速机构的特点，而且适合在 汽车驾驶室内安装，在本次e p s 设计中，我们选择蜗轮蜗杆减速机构，它是与 电动机及电磁离合器集成为一体的一个总成机构。其基本构造如图1 9 。 6 ) e c u 电子控制单元 e c u 是e p s 系统的控制核心，由微处理器、，d 转换器、i 0 装置等组 成。其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，从而实现e p s 系统的助力转向特性。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系统工作状态是否正常，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。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1 1 0 是控制单元的 原理图。 图1 1 0 控制单元原理图 1 4 亭 1 ， 第一章绪论 1 3 4 2e p s 的关键技术分析 由e p s 的工作原理和上述关键部件的分析可知e p s 的研究开发涉及电动机 的驱动技术、传感器技术、转向控制策略( 包括助力控制、回正控制和阻尼控 制等基本控制) 以及e p s 与整车性能匹配等多方面的问题。 因此，该系统的关键技术应该从以下几个方面进行考虑： 第一，评价方案和指标方面 为了尽量提高汽车的可操控性，包括操作稳定性、转向轻便性，良好的路 感和回正特性等，需要建立完善的评价方案和指标。 第二，控制策略方面 由于e p s 的诸多不确定性，转向操作的控制不仅与路面状况、轮胎类型和 载荷情况有关，还和车速、侧向加速度、车轮转向角及驾驶员状态有关，同时 其一般安装在发动机附近，发动机发出的热辐射与电磁感染对整个系统会产生 很大的影响，这些参数不能精确的建立数学模型，加之控制对象是非线性多变 量时变的机电系统，因此系统的控制技术和策略应具有鲁棒性。 第三，助力特性 助力特性关系到转向轻便性与路感，目前国内外对路感问题的研究手段主 要以试验为主。助力特性是e p s 的控制目标，助力特性是否合理决定着e p s 的 助力性能。e p s 的助力特性属于车速感应型，系统应当保证在不同的车速下提 供相应的助力或者阻尼，保证驾驶的路感和轻便性。目