（机械设计及理论专业论文）汽车电动式动力转向器的动力学建模和控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1h 堙2 、工 眭弛6 3 岵 摘要 l 汽车动力转向器( p s ) 可以减轻驾驶员的转向操作，使转向变得轻便灵活， 因此大部分轿车都安装了动力转向系统。目前液压动力转向系统受到广泛的应用， 但液压动力系统存在耗能多污染重、安装尺寸大等缺点，制约了动力转向系统 朝着智能化的方向发展 电动助力转向系统( e p s ) 是近些年出现的新型动力转向系统，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部分组成。 哒种转向系统结合了最新的处理器和功率驱动技术，克服液压动力转向的诸多缺 点，已经成为现代转向系统的研究热点，并应用于电动汽车及智能汽车嗥文对 e p s 系统进行建模和算法分析，研制了控制系统的硬件和软件。 e p s 是一个多输入多输出的被控系统，包含了快速响应驾驶员操作信号，最 优路感，降低路面冲击和传感器噪声等设计目标。为了实现以上目标，控制器必 须具有较强的鲁棒性。本文采用助力曲线来设计前馈控制器，并通过。最优反 馈控制器来使系统得到指定的性能指标。 本文对汽车转向路感的形成进行了深入的分析与研究，得出了路感的定义并 对转向路感进行了量化，将路感强度作为评价控制系统的一项性能指标，用来解 决了驾驶中的平稳性问题。通过对e p s 系统动力学模型进行简化，分析影响电动 式动力转向器路感的主要因素，为e p s 的控制器的设计提供了有价值的理论依据。 本文对软件、硬件以及控制算法之间相互协调性进行了分析，对e p s 的控制 器的硬件和软件进行模块化的设计，并在此基础上建立了e p s 动态性能试验台， 对e p s 样机进行了性能测试，验证系统的合理性和可靠性。 关键词：汽车，电动助力转向系统，转向路感，片。控制器 功率驱动模块，性能指标 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rs t e e r i n g s y s t e m s f o ra u t o m o b i l e sa r e u n i v e r s a l l y u t i l i z e dd u et ot h e i r e r e c t i v er e d u c t i o no ft h ed r i v e r s e n d e a v o r st o s t e e r a m o n gm e m h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gh a se x i s t e df o rm a n yy e a r sa n dn o w a d a y sb e e ni ng r e a tp o p u l a r i t y b u ts u c ha s y s t e m i s i n e f f i c i e n t ，p o l l u t i o n c a u s i n g a n d s p a c e c o n s u m i n g ，a s r e s t r i c t si t s d e v e l o p m e n t i nt h ei n t e l l i g e n td i r e c t i o n an e we l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) ，w h i c he m e r g e di nr e c e n ty e a r s ，n s c s a ne l e c t r i cm o t o rt op r o v i d ea s s i s t a n c e i tc o m b i n e st h el a t e s tp o w e r e l e c t r i c sa n dh i 曲 p o w e rm o t o rt e c h n o l o g i e sa n dn o wg e t si n t ot h es p o t l i g h t n d ss y s t e mw a sa i m e da t e n h a n c i n gt h ee x i s t i n gh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m se f f i c i e n c yo fu s i n ge n e r g y , i m p r o v i n g t h ed r i v e r sc o r n f o r ta sw e l la si n c r e a s i n gt h ea c t i v es t a b i l i t y t 1 l i sp a p e r p r e s e n t sa no v e r a l lc o n c e d to f e p s a n do u t l i n e st h ec o m p o n e n t sa n dc o n t r o l s t r a t e g i e su s i n ge l e c t r o n i c s e p ss y s t e m sa r en o n l i n e a rm i m o s y s t e m sw i t hm u l t i p l eo b j e c t i v e s ，i n c l u d i n g f a s tr e s p o n s e st ot h ed r i v e r st o r q u ec o m m a n d ，p r o m o t i o no f g o o dd r i v i n gf e e l s ，a n d a t t e n u a t i o no fl o a dd i s t u r b a n c ea n ds e n s o rn o i s e s c o n s e q u e n t l y , e p sc o n t r o l l e r sm u s t p r o v i d es u b s t a n t i a lr o b u s t n e s s i nt i f f sp a l ) e r ac o n 订0 1d e s i g nm e t h o di s i n 仃o d u c e d t h i sm e t h o d e m p l o y s t l l eb o o s tc u r v et of o r maf e e d f o r w a r dc o n 仃o la n da n m i s o 日。o p t i m a lf e e d b a c k t oe n s u r et h er e f i n e d p e r f o r m a n c e ，r o b u s t n e s s ，a n d d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o n t l l i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo ft h es t e e r i n gf e e l a n dq u a n t i f i e st h e s t e e r i n gf e e li n t e n s i t y , w h i c hi sc o n s i d e r e da sa r ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es t e e r i n gf e e lo ft h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e ma r ep r o p o s e d i na d d i t i o n ，i dl i k et oi n t r o d u c et h es y s t e mc o m p o s i t i o n o 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 b a s e do nt h em o d e l i n go ft h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，t h es t e e r i n gf e e lc u i w - e ，w h i c hp r o v i d e st h ed e s i g nf o u n d a t i o no ft h e p r o p o r t i o n - p i n s d e r i v a t i v ec o n t r o l l e r , w a so b t a i n e d a tl a s t ，i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ea l g o r i t h m s ，w ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e o f t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e8 0 c 1 9 6 m c w ea l s ob u i l dad y n a m i c st e s t - b e dt o v e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee p s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，s t e e r i n gf e e l ， h 。c o n t r o l l e r , p o w e r d r i v em o d u l e ，p e r f o r m a n c ei n d e x i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的、意义 汽车在行驶过程中改变或恢复其行驶方向是由汽车转向系统完成的。对于重 型汽车，由于转向阻力和汽车车轮上负载成一定比例，前轮负载2 0 k n 以上，驾 驶员很难原地转向，因此国家规定8 吨以上的货车必须采用动力转向，有关部门 建议操舵力5 0 n ，对于轿车为1 5 2 0 n ，另一方面，当车速较高时，操纵力减小， 系统的阻尼减小，会出现漂浮状态，造成操纵不稳定，引发事故。现代汽车设计， 以安全，舒适，高效为主题，因此，在汽车转向系统中，必须安装动力转向装置。 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，而在高速行驶时，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：气压式、液压式( 又 可进一步分为机械一液压式和电一液式) 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一部分载重量为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，载货量大的货车不宣采用此种转向 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加力方式，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 ( p r o g r e s s i v e p o w e r s t e e r i n g ) 。国内桑 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，电子控制液压动力转向器e h p s ( e l e c t r o n i ch y d r a u i c 华中科技大学硕士学位论文 p o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 是目前比较成熟的产品，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，采用微机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。它除了可应用于普通的液压式动力转 向器适用场合外，还可应用于高级轿车。它根据汽车的运行状态控制动力转向辅助 系统的工作如根据车速、转向工作量( 方向盘的转角、扭矩) 以及车轮侧滑量等因 素控制转向过程中的油流量。这个复杂的工作过程由电子控制器完成。e h p s 一般 有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 以及安装 。 在转向机上的电磁阀组成。 电子控制式由于增加了车速电子控制装置而且其阀的结构较常规阀复杂，因 而成本高昂。目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。在技术上电子控制液 压动力转向器的设计较普通液压动力转向器复杂一些，须考虑电气部分如传感器 选型及布置、电磁阀的特性、电液系统的耦合、转向电子控制系统及其算法设计 2 以满足不同车速下行驶稳定性要求。另外，无论是普通的液压动力转向器还是电 子控制液压转向器，液压油都是由转向泵提供的，而转向泵是由发动机带动不间 断地运转。当发动机高速运转时，泵的转速也相当高，其产生流量也相当大，远 大于转向系统所需流量。大量液流在泵内部循环，浪费了发动机的能源，所以还 1 要考虑泵的驱动方式和阀的工作特性，以尽量避免流量造成的压力和能力损失。： 液压传动具有噪声大的缺点。液压动力转向系统其噪声主要来源于两个方面： 一是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，使得 液压动力转向系统具有不可克服的液压噪声，这种转向噪声使得转向舒适性大大 下降；二是液体流动的流动噪声。因此液压动力转向技术上的一个难点就是如何 减小液压噪声。这可通过对油泵和高压油管进行改进设计如研制低噪声液压泵及 管道消声器等措施。另外，液压式动力转向系统还存在着液压管路的泄漏以及迸 气造成的转向沉重。尽管存在上述问题，液压转向系统以其提供转向力大、工作 滞后时间短、可吸收来自不平路面的冲击因而获得广泛的应用，它仍是目前动力 转向主要的助力方式。l 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 ) 是一类近些年出现 ! 的新型动力转向系统，它一般由扭矩传感器、车速传感器、电控单元( 控制器) 、 电动机、离合器和减速机构组成。当转动方向盘时，扭矩传感器测出旄加于转向， 华中科技大学硕士学位论文 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。 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。 电动助力转向系统具有以下突出的优点： 1 ) 电动机和减速机构安装在转向柱或装在转向系统内，所占空间小。 2 ) 以电动机为动力，不需要传统的液压元件转向油泵、油管及控制阀等， 也不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗。 3 ) 电动机只在需要时才启动，耗用电能较少。 4 ) 零部件结构简单、安装方便、无须维护保养。 5 ) 低速停车入库时转向助力器对转向力的降低非常显著。 6 ) 改善汽车的转向特性，灵敏度高。 7 ) 更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反映路面信息。 由于电动助力转向系统具有以上突出的性能特点，据估计到2 0 0 5 年，4 0 一 6 0 的小轿车将装备此类转向系统，而且，随着电动汽车和四轮转向技术的逐步 推广应用，电动助力转向系统将得到越来越广泛的应用。 可见，电动助力转向系统具有广阔的前景，其设计的优劣，将直接影响到整 车运动稳定性，因此它己成为现代汽车转向系统的研究焦点。 1 2 课题来源 本课题是东风汽车传动轴有限公司与华中科技大学合作开发“电子控制式汽 车电动动力转向器”项目的子课题。 1 3 国内外研究动向 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 月日本铃木公司首先 华中科技大学硕士学位论文 在其c e r v o 车上装备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。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 。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 【i j ，本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ， $ 2 0 0 0 轿车的动力转向也将倾向于选择e p s 【2 1 ，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 。t r w 从1 9 9 8 年开始，便 投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他们最初针对客车开发出转向柱 助力式e p s ，如今小齿轮助力方式e p s 开发已获成功。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1 3 1 。m e r e 酣e s - - b e n i z 和 s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司正共同投资了6 5 0 0 万英镑用于开发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a 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 n 。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。 根据电动机布置位置的不同，e p s 可分为转向柱助力方式、齿轮助力方式、 齿条助力方式。下面对三种助力方式下各公司相应产品作简要的介绍： 1 ) 转向柱助力方式 ( i ) d e l p h i 公司的e s t e e r 系统：由转向系统、助力机构、电子控制单元、 电动机、传感器等组成。所采用的电动机是1 2 v 的永磁直流无刷电机，使得系统 尺寸和质量最小。电动机由车用蓄电池供电，可独立于发动机工作。传感器测试 两个主要输入量：转向扭矩和转向角。电子控制单元对转向扭矩、转向角和车速 等信息进行运算处理后输出相应的电流去驱动电动机提供助力扭矩。助力扭矩与 转向手力之间的比例由电子控制单元按照车速的高低提供相应的助力。在行驶过 程中，电子控制单元一直监测着助力机构的运行，一旦发现故障，离合器断开助 4 华中科技大学硕士学位论文 力机构，转向由手动方式控制1 5 j 。 此系统可提供两种助力效果：一种适于乡村，另一种适于城市。将在菲亚特 的p u n t o 车上作为标准设备首次使用。 ( 2 ) 英国的l u c a s 公司的e a s 系统：由无刷直流电动机、扭矩传感器、电 子控制单元、助力机构等组成。其扭矩传感器采用双通道光电式传感器，在转向 盘与转向柱间扭杆的两端各装有一个光电码盘和一个光电传感器。当在转向盘上 施加扭矩时，在两个码盘之间产生相对扭转角。光电接收器接收的光强与扭矩大 。 小成比例。由于任一个检测器都可检测光强从而检测出扭矩大小，因而这套光电 测试系统是冗余的，从而通过比较两个光电传感器的输出信号计算出转向角和转 向角速度。l u c a s 通过一个三相逆变器来控制电机的相电流从而控制扭矩大小。 驱动电路采用一组m o s f e t s 功耗管组成，由p w m 方式来控制m o s f e t 的开关 时间和顺序。 2 ) 转向小齿轮处助力方式 ( 1 ) z f 公司的e p s 系统：由扭矩传感器、速度传感器、控制器、电动机、 离合器和减速机构等组成。驾驶员用手转动方向盘产生的扭矩经由安全转向柱、 中间轴和万向节传递给伺服机构。电动机、蜗轮、电子控制单元e c u 和传感器组 成的伺服机构直接安装在转向小齿轮处。这种助力方式适于转向轴最大负荷为 9 0 0 k g 的中级轿车。 ( 2 ) d e l p h i 的e s t e e r 系统也有转向小齿轮处助力方式，结构同上。 3 ) 转向齿条处助力方式 h o n d a 汽车公司开发的e p s 由齿轮一齿条式转向齿轮箱、两个速度传感器、 继电器、熔断器盒、故障指示灯等组成。其中齿轮箱包括转向传感器、控制单元、 功率单元和助力机构。其中电气部分如控制单元和功率单元都装于转向齿轮箱内 以起到保护作用并简化了系统的结构。转向传感器分别由测试转向角速度的转向 传感器和测试扭矩的传感器组成。扭矩传感器是扭杆式的，即通过扭杆检测到输 入与输出轴的相对位移而得知转向扭矩。转向传感器是采用直流测速发电机来测 试转向角速度。 国内外对电动助力转向系统的理论研究不多，国内大部分文献只介绍了国外 转向系统的发展概况睁】，部分文献从影响汽车系统操纵稳定性的角度分析转向 系的特性，分析中对汽车系统动力学模型进行了简化，忽略了一些因素，不能客 华中科技大学硕士学位论文 观实用地反映汽车实际行驶运动要求。文献【1 2 】【”】分析了车辆基本运动的力学性 质，阐明了作用于轮胎上的力产生的机理与性质，讨论了转向装置对车辆运动的影 响。文献【1 4 j 在对轮胎特性进行线性化假设的前提下，忽略了转向系统的摩擦与间 隙，分别讨论了四轮车辆的单轨和双轨模型：考虑了影响操纵系统稳定性的因素， 并给出了转向力矩与车速、转弯曲率半径、转向系传动比等参数之间的关系。文 献【1 6 】介绍了神经网络在汽车工程中的应用，分析了四轮车辆的主动控制方 案，讨论了车辆动态模型离线与在线辩识。文献【l8 j 介绍了四自由度汽车建模与实 时仿真研究，讨论了汽车操纵稳定性问题与数学模型的建立。近年来，j s c h e n 采取p d 控制，得到理想的稳态扭矩，并避免了扭矩在中频段的高传递率，采用 超前补偿器消除p d 控制器无法解决的噪音问题【l 。s u g i t a n i 提出转向系统操纵的 手感取决于控制系统获取路面环境的信息的多少，并给出了h _ 碰n i t y 控制器【2 0 】。 z a r e m b a , a t 分析了电动助力转向系统开发中的控制和路感问题，按照转向系统 的性能要求，提出了对校正器增益、相位滞后和零极点位置的约束，针对变结构 控制器，提出了一种非线性约束的最优化方法，其控制规律使目标函数( hs u b 2 范数) 取极小值，从而使操纵手感得到改善【2 ”。m c c a n n 分析了电动助力转向系 统中助力电机参数对汽车操纵稳定性的影响，通过采用横摆角速度和横向加速度 反馈，系统获得了良好的稳定性【捌。b u r t o n 对电动助力转向系统中驱动电路的 m a t l a b 模型进行了仿真【2 3 1 。文献口4 1 在对转向系统中存在的振动进行分析后， 提出了一个降低振动和保持路感的校正器。b a d a w y 对e p s 系统进行建模并对模 型进行了简化，验证了简化模型的有效性，在此基础上设计了控制器并讨论了影 响转向性能的因素 2 5 1 。g r e g g ，r d 给出了e p s 完整的系统构成，并利用手动转向 系统的精确模型及m a t r i x x 包，对整车进行计算机模拟，而使e p s 的性能得到 优化【26 1 。 1 4 本文的主要内容 本文对e p s 的工作原理进行简要的介绍，描述了e p s 系统的各个功能模块， 并对其进行了系统动力学建模，得到被控对象的状态空间模型。考虑到e p s 是一 个非线性m i m o 系统，工作的环境恶劣，路面冲击和传感器的噪声将会影响整个 系统的性能，故控制器采用日。方法来设计，用以得到较好的路感和对驾驶员输 入的快速响应。对汽车的转向路感进行了深入的探讨，并将其应用于e p s 控制器 华中科技大学硕士学位论文 的设计中。最后，对e p s 控制器的硬件和软件系统的设计进行了阐述。本文的主 要内容如下： 第一章回顾了动力转向器的发展历程，并对国外各公司的e p s 产品进行了分 类介绍，国内外一些针对e p s 的理论研究成果也得到了总结和概括。 第二章描述了e p s 的总体结构，对组成e p s 系统的关键部件进行探讨，并进 行了动力学建模。为了解决e p s 在运行中不可避免的传感器噪声和路面干扰，提 出了日。设计的方案，基于状态空间模型，对e p s 控制器的控制算法进行了研究。 第三章研究了汽车转向路感的形成机理，定义了路感强度的数学表达式，并 以p d 控制器为例，计算分析了控制器参数对e p s 路感的影响。 第四章对e p s 控制系统的硬件组成进行了综述，扩充外部存储器并组成了单 片机最小应用系统，设计了各传感器和单片机的接口，对功率驱动模块的工作原 理和特点进行了描述。 第五章对e p s 控制系统的软件进行了模块化的设计，整个控制算法的实现在 一个软件定时器中断服务程序中完成，保证了数字控制的精度。对各个子模块也 进行了详尽的介绍。 第六章对全文进行了总结和展望。 华中科技大学硕士学位论文 2e p s 的动力学建模与控制算法分析 2 ie p s 工作原理 e p s 系统直接依靠电动机来提供辅助转向力矩，其系统框图如图2 1 所示。 e p s 的基本原理是：扭矩传感器与转动柱连接在一起，当转向柱转动时，扭矩传 感器和光学编码器开始工作，产生电信号传给电子控制单元( e c u ) 。e c u 根据 这些信号( 车速、扭矩、转向柱转速和转角) 决定电动机的旋转方向和助力电流 的大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以容易地实现在车速不同时提供 电动机不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠 3 】【4 j 2 5 】【2 6 1 。 ，一 扭矩传感器 ；控制器 一， _ _ _ _ 妄二r 光学编码器 v 。= ，j 釜兰：二鬟篡 横拉杆 ， r 一一， ! ，一，。j ，小齿轮 2 2e p s 的总体结构 图2 1e p s 系统简图 如图2 1 ，e p s 主要由扭矩传感器、光学编码器、减速机构、电子控制单元、 助力电机等几部分组成。 2 2 1 扭矩传感器【2 7 】 扭矩传感器的功能时测量驾驶员作用在转向盘上的力矩和大小。测量原理如 8 华中科技大学硕士学位论文 下：轴在转矩作用下，其表面受力状况与位置有关，在轴线方向成4 5 度的各点受 力最大，有拉伸力和压缩力两种情况。如图2 2 ，转矩m 作用下，沿a a 方向承 受压缩力，沿b b 方向承受拉伸力。因此二，若分别按此方向粘贴应变电阻片a 和b ，转矩m 将使a 的阻值减小，b 的阻值增大。将应变片接入电桥，就可测出 转矩m 。 图2 2 应变电阻测转矩示意图 转矩传感器按信号的引出方式的不同，可分为静态和动态两种。其中，动态 方式的信号引出端与测量轴无接触式连接，内部电路复杂，测量轴的转速可高达 2 0 0 0 转，分，适合各种转速的轴的转矩测量。静态方式的信号引出端子与测量轴 固定，适合轴静止时扭矩的测量。可选用中国航天工业总公司第7 0 1 研究所的a k c - - 3 5 型动态扭矩传感器。 2 2 2 光学编码器 转向柱的转角、转速以及车速由光学编码器来测量。光学编码器可用来测量 一个旋转设备的转角和转速，它的输出是一对脉冲序列，给出增量型的位置计数， 在一个给定的采样周期内测出计数的增量，就可计算出速度和加速度。光学编码 器的脉冲序列的分辨率差别很大，从转动一圈产生2 个脉冲到产生5 0 0 0 个以上的 脉冲，图2 3 是一个8 线编码器以及它所产生的脉冲波形。a 相波形由内圈光阑 产生，b 相波形由外圈光阑产生。当编码器顺时针转动时，b 相脉冲的前沿超前 于a 相；逆时针转动时，a 相前于b 相。 华中科技大学硕士学位论文 埔 厂 厂 嗍厂 厂 攒时针 棚厂 厂 渊厂 厂 图2 3 光学编码器 光学编码器与发动机输出轴或车轮轴直接相连，也可用齿轮减速，如图2 4 。 车轮转速经过软轴1 ( 即外有套管，中央有能转动的芯，经过浸油处理而成的柔 性传动轴) 连轴器2 与光学编码器相连。光学编码器是一种将旋转角度转换成数 字脉冲的设备。转动一圈可产生2 个至5 0 0 0 个以上的脉冲，脉冲数决定了它的分 辨率。在微机中，可通过一个计数器对脉冲数进行计数，在一个给定的采用周期 内测得的计数的增量，就是轴旋转的速度。经过换算可得到车辆行驶的速度a 图2 4 光学编码器与软轴的连接 图中，齿轮：m = 1 5 z 1 = z 2 = 1 9 转速传感器：o m r o n e 6 8 2 r o t r a ye n c o d e r3 6 0 p r i#k 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 助力电机 助力电机的功能是根据电子控制单元的指令输出合适的辅助扭矩，它是e p s 的动力源。可采用无刷永磁直流电动机。电动机对e p s 的性能的影响很大，是 e p s 的关键部件之一，系统不仅要求电动机低转速大扭矩、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。为此，针对e p s 的特点，需对电 动机的结构做一些特殊处理，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。 2 2 4 减速机构 减速机构是e p s 系统中不可忽视的部分。首先，不应对整车机构作太大的改 动，或者说不能影响汽车的基本结构：其次，精度较低将直接影响系统的响应时 间，造成助力滞后，使驾驶员的转向操作发生障碍。目前，减速机构主要有蜗轮 蜗杆机构和行星轮机构两种。蜗轮蜗杆机构结构简单，体积小，传动比大，便于 安装，但需要通过离合器与转向柱相连，可靠性降低。行星轮机构不需离合器， 但效率底，体积较大，安装时需要较大的空间。考虑到东风4 吨车车型，驾驶室 前端的空间较小，故选用蜗轮蜗杆机构。 2 2 5 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、车速信号和转向柱转速信号，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、蓄电池电压等信号判断其系统 的工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力方式自动取消，同时e c u 将进行 故障诊断分析。e c u 是一个1 6 位单片机系统。由于电动式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给 系统带来不确定性。因此控制系统采用鲁棒控制，使其具有强干扰能力，以适应 汽车多变的行驶环境，并能满足实时控制的要求，有效的实现理想的助力规律与 特性。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 e p s 系统建模和算法分析 2 3 1 e p s 系统模型的建立【2 5 1 1 2 6 】【2 8 】【2 9 【3 0 1 1 3 8 1 由图2 1 ，e p s 系统的非线性动力模型为 ， d + c 西+ k ，( a 一万) = 瓦+ ( a ，盎) ( 2 1 ) ，。万+ c 。占= k ，( 口占) + k ，g ( o g s ) 一z + 。( 占，占) ( 2 - 2 ) i m o + c 。臼= l r o + 厶( 口，口) ( 2 3 ) 式中：瓦驾驶员操纵扭矩，l 电机的辅助扭矩，z 系统负载，g t ，占，0 分别为 方向盘转角，转向小齿轮转角和助力电机的转角。 被控对象的模型参数有： i 。，c 为方向盘的转动惯量和粘性阻尼，。，c 。为转向柱的转动惯量和粘性阻尼， ，。，c ，为电机的转动惯量和粘性阻尼，k 为转向柱的目度， ，无，厶为模型的非 线性部分，g 为减速机构的减速比。 电机的线性模型为 l = 鲁( ”k 砌 ( 2 4 ) 式中：“为电枢电压，r 为电枢绕组电阻，七。，k ，分别为扭矩系数和反电动势常数。 l 可表示为 瓦= k ，( 9 一g 占) ( 2 5 ) 系统的负载定义成 i = k ，万+ z( 2 6 ) 式中：k ，为名义刚度，0 为路面变化对系统的干扰。 由扭矩传感器的工作原理，其测量值r 可表示为 华中科技大学硕士学位论文 = k ，( o r 一占) ( 2 7 ) e p s 系统的主要外部输入是驾驶员的操纵扭矩瓦和控制信号电机的电压“。 汽车行驶的路况不同，会造成在相同车速的情况下负载的差异，此外，路面的不 平也会产生对系统的冲击；传感器会产生测量误差及测量噪音。因此系统还存在 两个外部干扰输入f 和d ( 传感器噪声) 。 e p s 系统的主要输出为辅助扭矩疋，转向柱扭矩疋，其中瓦不能直接测得， r 可通过扭矩传感器测出。系统的其它输出由选用的传感器的多少来决定，此处 我们选择方向盘转角口和电机转速痧为反馈信号，因此它们也是系统输出的一部 分。 定义系统的状态量为 x l = 口，x 2 = j ，= 0 ， x 4 = t l ，。52 i 2 ，。6 = 童3 。 将系统的非线性部分 ，丘，厶线性化，把对应的线性部分折算到模型参数 中，并将( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式分别带入( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式，表示成状态量形式， 可得 t = - _ ( - k , x i + k , x 2 - c h x 4 + t , ) ( 2 8 ) t r i 。( k x i - k , x 2 - k g2 x 2 - k x 2 + k 。函3 一c ，x 5 一r ) ( 2 9 ) 气= 毒( 联伍z 一如一t k k b x 6 - - c 。x e + 鲁“) ( 2 l 。) 又 膏l = x 4主2 = x 5量3 = x 6 由( 2 5 ) ( 2 7 ) 式，系统的输出量可用状态量表示 瓦= k 。9 3 一以g 工2 ( 2 1 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 疋= k ；x 1 一k ；x 2 ( 2 1 2 ) 万= x 3 0 = 扎 于是，系统的状态方程可表示成矩阵形式 k 一 ， k ， l ： o 0 0 0 k 。 lh k 。+ k 。g + k 输出方程的矩阵形式 l 疋 万 p l ! k 。g im 0 足。 0 o + oo o0 00 土 o ih o 一土 i ， l o o c oo 旦 l 。r k 。g 一足， o o k 。0 00 l o o o o 0 00 o o o1 c 。 ，。 o 一k o k + c r i 。r 纠 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 4 丸加局舢向斯 l 0 o g 毫1 m酗k 衍如如如鼽 x x 工 x x 工 华中科技大学硕士学位论文 令 x = b ，x ：x 3x 。曩k 】7 u = 阮t “r y = 阮瓦万矽r e p s 系统的状杰窄间表达式为 x = a x - b b u( 2 1 5 ) y=cx+du ( 2 1 6 ) 式中：矩阵爿，b ，c ，d 分别于( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 式中各部分相对应，其中d = 0 。 将系统表示成传递函数形式 即 其中 丁口 t 占 口 g l lg 1 2 g 2 l g 2 2 g 3 1g 3 2 g 4 lg 4 2 y = g ( j ) u g ( s ) = c ( s i 一爿) _ 1 口 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 2 3 2e p s 控制系统设计的性能指标 e p s 系统根据驾驶员的操纵扭矩瓦，控制电动机电压“，提供恰当的助力值 l 。助力值l 与瓦的关系可用助力曲线来描述。又系统还受到外部的干扰以 及扭矩传感器的测量噪声d ，及光学编码器的测量噪声以和以。 故e p s 控制系统的设计目标可定义如下： 1 ) 助力误差 e p s 的理想助力可以用助力曲线来描述，助力曲线反映了电动机的理想辅助 扭矩值与驾驶员操纵扭矩之间的关系，可用如下公式来表示 巧= f ( 瓦，v ) ( 2 1 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 式中v 为汽车的车速。 由于控制系统对力矩瓦的输入会产生时滞，实际的瓦值与理想值巧会存在 差异。e p s 控制系统的第一个控制目标是设计一个控制器，使实际的l 值与理想 值巧之间的误差达到最小。 2 ) 操纵路感 随着路况的变化，作用在转向柱上的干扰力矩r 会相应的发生变化，为了使 驾驶员能感受到这种作用的存在，我们可以定义r 与疋之间的关系 t = k r t( 2 2 0 ) 式中k ，为常数，取k ，= 0 2 3 ) 鲁棒性能 e p s 系统存在许多非线性部分，如非线性摩擦和阻尼等，此外建模对模型参 数也会发生误差，因此以上建立的动力学模型存在着不确定性。其次，路况的变 化和传感器的噪声也引入了e p s 系统的不确定性。控制系统的最后一个设计目标 就是设计一个控制器是这些不确定性对系统性能的影响达到最小。 2 3 3 控制器的设计 e p s 控制系统的核心问题是电动机能输出合适的助力扭矩，下面将根据助力 曲线设计一个前馈控制来加以实现，并利用一个m i s o 的日。反馈控制来达到上 述的三个设计目标。 1 ) 前馈控制 设瓦以知，并用其估计值磊来代替，在此可以近似为疋。假设系统无干扰 t = 0 ，各传感器的测量误差d ，= d 。= d ，= 0 。e p s 系统模型可变形如下 阱匮删对 华中科技大学硕士学位论文 即 瓦= 只。瓦+ 只：u 式中_ ) ) = 阢5 毋r ，p i i , 只：，p 2 p 2 ：与式( 2 1 7 ) d p 蛳g n g g ( j ) 各项相对应。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 设输入扭矩的名义值为四，由助力曲线，可得到在一定车速值下，理想的电 动机助力值为碍= f ( 露) 。 又由式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) ，在稳态下有 譬= 只。( o ) 碍+ 曷：( o ) “o ( 2 2 3 ) 于是，我们可以根据助力曲线设计一个前馈控制器，来得到电动机的助力值，即 同理 “o =巧一只、( o ) r o f ( 露) 一只，( 0 ) 砑 鼻：( 0 )鼻：( o ) y o = p 2 1 ( o ) 群+ p 2 2 ( o ) “o 类似，设x o 为状态变量的名义值，则有定义 x = 工o + 舅，瓦= 群+ ，“= “o + 荇，疋= 贮+ ，y = y o + 萝 于是，e p s 系统的扰动方程为 宝= 4 z + 且磊+ b + 马万 歹= c l 譬+ d l 元+ d 2 r + d ，历 2 ) h 。反馈控制【3 0 1 【3 1 1 反馈控制的目标就是要设计一个反馈 万= c ( s ) y 使干扰元，t ，d ，d 。，d 。对的影响达到最小。 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 为了设计控制器c ，我们将对e p s 的状态空间模型进行扩充，根据设计目标 引入评价向量，得到广义受控对象，并转化成标准的h 。控制问题，如图2 5 。 图2 5 标准日。控制器 控制系统的设计目标可以定量的描述为 ( 1 ) 减小0 形0 ：以获得最佳的电动助力。式中= l c ，1 h 1 2 为h 2 范数， 睨为权函数，并设 哪) c 。筹 ( 2 2 8 ) ( 2 ) 减小l ( t k t ) | i ：以获得最佳的转向路感a 设町为 叶筹 ( 2 2 9 ) ( 3 ) 减小l i k 。“l i ：以获得最小能耗 由于权函数，r 为一阶的动态系统，必须增加状态变量，并加入到原受 控对象模型中。 令p 。= 呒，引入状态量k ，并