（车辆工程专业论文）基于快速控制原型的汽车电动助力转向系统研究和开发.pdf

c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： x i nj i l l g y _ 吼h a i t a o a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e r o fe n g i l l e e 血g s p e c i a l 锣： v e m c l ee n g 徊e e r 砸g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 01o u n i v e r s i 姆：q 吨d a ot e c l l l l 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s 毋 j 字位论又谷辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 盗盔遗： 笙照 迸 型氐 j 塾垒l 望 2 1 1e p s 直流电机数学模型的建立6 2 1 2e 】峪动力学模型的建立9 2 1 3 车辆转向阻力数学模型1 l 2 1 4e p s 空间状态模型描述：12 2 2e p s 助力特性分析13 2 2 1 电动助力转向基本助力特性1 3 2 2 2 电动助力转向助力特征参数确定方法1 6 2 2 3 电动助力转向基本助力稳定性仿真1 7 2 3 电机目标电流的确定2 0 2 3 1 电机目标电流确定方案2 1 2 3 2 原地转向目标电流曲线预测2 2 2 3 2 电机目标电流转矩p d 控制2 3 2 4 本章小结。2 6 第3 章助力转向系统关键部分设计选型j 2 7 3 1 电动助力转向的关键部件简介2 7 3 2 电动助力转向各部分设计选型2 8 3 2 1 扭矩传感器2 8 3 2 2 车速传感器3 0 i 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 3 电机3 0 3 2 4 减速机构3 3 3 3 电动助力转向的三维建模3 3 3 4 本章总结t 3 6 第4 章电动助力转向系统硬件实现3 7 4 1 电动助力转向的控制系统3 7 4 2 电控单元的开发方案- 3 8 4 3 控制器输入电路设计3 9 4 3 1 车速信号处理电路3 9 4 3 2 扭矩传感器电路4 0 4 3 3 电流采集电路4 0 4 4 电机驱动及控制电路设计：4 0 4 4 1 电机的p w m 控制4 0 4 4 2 开关器件的选择4 4 4 4 3m o s 管的栅极驱动：。“ 4 4 4 电机的控制电路实现：4 6 4 5 本章总结4 7 第5 章电动助力转向实验台的建立一4 8 5 1e p s 实验台的组成j 4 8 5 2 实验使用的软件介绍5 2 5 3 直线型助力特性实验结果分析5 5 5 4 本章小结5 8 第6 章总结和展望5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作6 4 致 射6 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 汽车电动助力转向系统是一种全新的汽车转向系统，它与以前的汽车转向系 统相比较具有主动安全性高、质量轻、路感好、节能环保、转向轻便等诸多优点。 非常符合现代汽车电子发展的电子化，智能化要求，正在逐步取代传统的液压助 力转向系统，成为汽车发展技术的热点。 课题首先深入分析了e p s 系统的基本结构形式，建立了电动助力转向系统 的数学模型，在模型基础上完成了对电动助力转向系统助力特性的分析，确定了 目标电流的控制方案，并对助力特性进行了仿真。然后根据设计参数要求，对电 动助力转向系统的电机，扭矩传感器，车速传感器，减速机构等主要部分进行了 分析和选型，针对e p s 系统的控制电路进行研究，设计了电机的驱动控制电路， 并利用c 眦对系统进行了三维建模。最后以m i c r 0 a u t o b o x 为控制器建立了实 验台，基于m a = 兀。a b s i m _ u 】i n k 开发了助力转向控制策略，建立了快速控制模型， 在实验台上进行了原地转向实验，对控制策略进行了验证。 关键词汽车电动助力转向系统；匹配设计；实验台；快速控制原型 m a 也e m 撕c a lm o d e l b a s i n g0 n 也em a 廿1 e i n a t i c 甜m o d e l ，妇1 ep a p e ra n a l y s e s 廿1 e c h a r a c t l 斑s t i c so fe l e c t r i cp o 、盯s t e e 血gs y s t 锄a n di d e n t 王哆日1 et a r g e tc u 玳舶t c o n t r o ls c h e m e ，c o n ( 1 u c t sas i m u l a t i o no f 也ep o w 钉c b a 朋- c 1 耐s t i c s s e c o n m y ， a c c o r 曲唱t ot 1 1 ed e s i g np a r a m e t e r sr e q u i r e ，e l e c t r i cp o w c rs t e e 而1 9s y s t e mo fm o t o r ， t o r q u es e i l s o r ，s p e e ds e i l s o r ，g e a rb o xp a r t sw e r ea n a l y z e da n ds e l e c t e 也t 1 1 e n 缸e e 也n e 璐i o n a lm o d e lo f s y s t e mi s c r e a t e dl l s 堍c 矧队f 砌1 y ，也ep a p e r r e s e a 记h e s 吐忙c o n _ 乜0 1c i r c l l j to fe p sa n de s t a b l i s h e sal 批r 咖巧b e n c hb a s i l 玛0 n m i c r 0 a u t o b o x a n d 也e n 也ep o w e rs t e e 血gc 0 n t r o ls t r a t e g yi s d e v e l o p e du s i n g 脚l a b s m d i n k ，r 印i dc o n 加lp r o t o 咖吨i sc r e a t e d a t 也ee 她c o n 们1 蛐百e so f e p si s p r o v e db ye x p e r i m e n t o n 廿1 el a b o 咖b e n c h k e y w o r d s ：e p s ，s l 眦c t i l r a ld e s i g n ，l 籼n 加i yt 2 l b l e ，r a p i dc o n t r o lp r o t o 勺l ，p i n g i i 汽车转向系统从开始到现在，经历了这几个阶段，第一阶段是机械式转向系 统( m a i l u a ls t e 耐n g ，简称m s ) ，后来发展为液压助力转向系统( h y 出a u l i cp o 、v e r s t e e 血g ，简称 p s ) ，然后出现了电控液压助力转向系统( e l e c 仃dh y 妇l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称e h p s ) ，到电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e 舐n g ，简称e p s ) ， 未来线性的转向系统也可能很快实现。 目前，在转向系统中普及率较高的有液压助力转向( h p s ) 、电控液压助力 转向( e 肿s ) 和电动助力转向( e p s ) 。这其中，h p s 已发展了近一个世纪， 技术成熟、成本低廉，普及率也最高。但是这种助力转向缺点也很明显，它会消 耗发动机功率，并且结构复杂，泵、管路、液压缸都需要定期维护保养，液压泵 转子与液压油之间的损耗会产生很大的能量损失，而液压泵在不转向时也会消耗 能量，因此目前在小型轿车中已开始慢慢被淘汰。电控液压助力转向( e h p s ) 虽比传统的液压助力转向先进一些，引入了电控装置，可随速度调节助力力度， 不过它的开发成本高，并且依旧靠发动机驱动，这就意味着它的能耗并未降低。 电动助力转向( e p s ) 是在上述两种助力机构的基础上发展起来的，它采用 独立电机直接提供助力，助力的大小由电控单元根据车速快慢进行控制。它具有 节能、环保( 可相应降低排放) 、高安全性等特点，目前正逐步取代液压动力转 向，像时下热卖的雨燕、飞度、s x 4 、速腾等车型都采用的是这种助力机构，而 它也是未来动力转向技术的发展方向之一【3 】。 e p s 当前已经较多应用在排量在1 3 l 1 6 l 的各类轻型轿车上，其性能已 经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和4 2 v 电源在汽车组件上的应用， 其应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全 世界汽车行业中，e p s 系统每年正以9 1 0 的增长速度发展，年增长量达1 3 0 万1 5 0 万套。据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的轿车中每3 辆就有1 辆装 备e p s ，到2 0 l o 年，全球e p s 产量将达到2 5 0 0 万套。因而，e p s 将具有十分广阔 的发展和应用前景。 青岛理工大学工学硕士学位论文 现在全球汽车工业发展迅速，尽管2 0 0 8 年受经济危机影响行业短暂受阻， 但是汽车产业长远的繁荣趋势被普遍看好。汽车电子作为提升汽车性能的高科技 产品，被称为汽车技术提升的一次革命，多数汽车部件已经实现了电子化。转向 系统作为汽车的必要组成部件，已经经历机械转向和液压转向两个阶段，电子化 将成为今后必然趋势。目前日本小车电动助力转向系统的安装率达到8 0 ，而我 国乘用车市场这一比例还不到2 0 ，这一市场空间引起国内众多企业关注，已 有很多企业在进行该方面的开发研究【1 0 1 。据了解，美系的德尔福、天合，日系 的恩斯克都准备扩大或开始e p s 的大规模量产，且配套车型延伸到自主品牌车 型。加上韩系e p s 供应商万都，这些将对国内e p s 研发生产企业构成威胁。本 土e p s 研发生产企业拥有技术知识产权，产品达到高稳定性是目前国内e p s 行 业发展的关键。这样才能在市场还有很大空间的情况下，和外资企业有一搏之力。 国外电动转向的研究己经体现出实际的应用价值，在部分中档轿车和高级轿 车上已经得到应用，在中型车辆和重型车辆的应用也己处于研究阶段与国外相比， 国内的电动转向研究还刚刚起步。自2 0 0 0 年昌河北斗星汽车车装备e p s 之后，掀 开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮，国 内近年研究电动助力转向系统的高校【4 5 1 ，研究所和企业也逐年增多，吉林大学， 清华大学，华中科技大学，合肥工业大学等高校在e p s 的研究方面起步较早，提 出了一些颇有价值的e p s 控制策略的研究思路，并进行了相关的理论研究和试 验。这些研究的重点一般为e p s 的基本控制策略，即助力控制策略的设计和试验。 研究的内容主要是e p s 助力特性的研究和实现方法。 目前国内已有多家的研制工作取得实效，有5 6 家控制器研制基本成功，有 3 5 家电动转向机械部分研制基本成功，有2 3 家控制器和电动转向机械部分研制 都基本成功，再加上电机和传感器成功投放市场，以南方公司为首已有3 5 家企 业开始投放市场，为汽车厂家配套。控制器和电机、传感器一样开始形成专业生 产。总的来说，基本的台架试验的验证工作还不充分；特别是电磁兼容、环境 试验和工作寿命试验还很不够，急于投放市场会给企业带来隐忧。不过在国内各 家企业和多家研究单位、大专院校的共同努力下，我们国内的e p s 事业必将一步 一个脚印的稳步发展，必将取得丰硕的成果。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 汽车电动助力转向系统简介 1 2 1 汽车电动助力转向的分类和原理 ( 1 ) 电动助力转向系统分类；电动助力转向系统按照助力位置的不同有， 有转向轴式助力式，转向器小齿轮式，和齿轮齿条助力式三种形式。由于助力的 位置可以提供不同大小的转向助力，由于转向轴式提供的转向力相比比较小j 适 合微型车。转向器小齿轮式提供的辅助力较转向轴助力式大，适合中型车。齿条 助力式提供的力最大，比较适合大型车选择使用【1 翻。三种不同助力形式的如图 1 1 所示： 齿条助力式转向柱助力式齿轮助力式 图1 1 助力形式图 f l g u r e l 一lh e l pf - 0 咖p l a i l s ( 2 ) e p s 系统的主要组成和工作原理；e p s 系统主要由转矩传感器，车速 传感器，控制单元( e c u ) ，电动机，减速机构等组成。转矩传感器用来测量转 向盘转角及驾驶员作用在转向盘上力矩，车速传感器用以测量车辆行驶速度。助 力电动机根据e c u 指令输出适宜的辅助扭矩，是e p s 动力源。电动机的性能对 e p s 性能有很大影响，所以需要电机不仅要求低转速，大扭矩、波动小、转动惯 量小、尺寸小、质量轻而且要求可靠性比较高、容易控制。减速机构与电动机相 连，起减速增扭作用，常采用蜗轮蜗杆机构或行星齿轮结构。控制器( e c u ) 是 整个控制系统的中心部分，它的功能是根据扭矩传感器和车速传感器传来的信 青岛理工大学工学硕士学位论文 号，进行逻辑分析与计算，并发出指令控制电动机和离合器动作。使汽车得到一 个与工况相适应的转向作用力，从而实现助力。电动助力转向结构如图1 2 所示： 图卜2e p s 结构简图 f i g 1 - 2e l e c 仃i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma r c t l i t e c t u 豫d i 砸弘m 电动助力转向的关键技术是控制软件和基础硬件设备，两者关系紧密，互相 影响。软件技术主要包括控制策略、电机控制算法、故障诊断与保护程序四个部 分。电机、扭矩传感器和e c u 是e p s 的基础硬件，电机是整个系统的执行者， 它的性能好坏决定了系统的好坏3 4 ，5 1 。扭矩传感器是整个系统的信号源，它的精 度和可靠性是非常重要的；e c u 是整个系统的控制中心，所有的软件都必须依 托于e c u 的正常工作来运行，进而控制电机的运行，因此e c u 的性能与可靠性 是最为重要的部分。 1 2 2 汽车电动助力转向系统的优势 电动助力转向系统与其它的转向系统相比有如下优势和特点； ( 1 ) 节能降耗。e p s 只在转向时电动机才提供助力，因而能减少燃料消耗， 一般e p s 能够节省4 的能耗。在各种工况下可以节省8 0 9 6 9 0 的能量，不存在渗 油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。 ( 2 ) 结构简单，轻量化显著。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e 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，并且能降低噪声。 4 青岛理工大学工学硕土学位论文 ( 3 ) 优化助力策略特性。e p s 系统具有软件可编程控制性，对系统已经开 发和即将开发的各种性能都具有良好的可变性，并且对于设计者和使用者来说简 单，增加了汽车的随动性和跟随性。 ( 4 ) 系统安全可靠，可控性高。e p s 系统的可靠性可以分为机械部分和电 器部分两个方面可靠性问题机械部分的可靠性均按照汽车其它部分部件相同标 准进行考核。而电器部分( 包括传感器、控制器和电机中的电磁部分) 采用了无故 障设计和失效保护设计措施，自我诊断和故障保护特性提高了系统的可靠性和安 全性。即使电器部分失效，亦可以迅速转化为人工一机械转向状态，进而增加安 全性。 ( 5 ) 有较好的“路感”，由于可以根据不同的驾驶状况控制器可以输出不 同工况下助力的大小，因而对驾驶员来说可以获得更好的路感。 1 3 本文研究的主要内容 本文在查阅大量文献和学习的基础上，对电动助力转向的结构和性能进行分 析和研究，建立了实验台，进行了实验。课题主要研究的内容如下； 第一部分，介绍电动助力转向系统的原理以及电动助力转向在国内外的发展 情况，探究汽车电动助力转向系统的发展前景和市场潜力。 第二部分，主要是对电动助力转向系统的进行建模，对助力特性进行分析， 对助力控制策略进行简单的分析确定。 第三部分，对系统电机，扭矩传感器，车速传感器，减速机构进行选型，为 e p s 实验台建立所需要的实验器材进行准备。 第四部分，以d s p a c e 的m i c r o a u t o b o x 的为控制器对电动助力转向的输入电 路进行设计分析，重点对电机的驱动电路进行了设计。 第五部分，在建模和对系统进行选型的基础上建立实验台，并进行实验。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统特性分析 在e p s 研究和开发中电动助力转向的助力特性是非常重要的部分。助力电 机的助力大小随驾驶员的输入力矩和车速变化而变化的就是电动助力转向的助 力特性。为了从理论上深入地研究电动助力转向系统，并且出于缩短开发周期、 加快开发进度、节约开发费用、实现同步开发以及降低试验风险等方面的考虑， 必须建立电动助力转向系统的数学模型，利用仿真的手段进行初步的研究、开发 与匹配。 2 1e p s 数学模型的建立 2 1 1e p s 直流电机数学模型的建立 在e p s 系统中电机是一个重要的部分，系统最终控制的就是电机扭矩的输 出，对电机建立模型可以更好分析电动助力转向的助力特性，对系统的设计和研 究有重要的意义。因此对电机的建模是非常重要的一步 6 ，7 ，8 。 首先对电机结构进行了解，电机结构简图如图2 1 所示； 图2 一l 电机结构简图 f i 9 2 - 1m o t o r 咖l c t l 鹏d i 孵锄 从2 1 图中可以看到，电机电枢两端的电压是u ，电路中的总电阻是r ，总的 电感为l ，电机的磁通量设为，在电压u 的作用下，产生总的电路电流为i ，从 而使电机产生电磁转矩t ，负载的阻力转矩设为t 1 。 由图2 1 可得电机的电枢电压平衡方程： u ：肼+ 望! + e( 2 1 ) 绪 其中e 为电路的反电动势： 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 电机的转矩平衡方程为： e = 疋加 丁= n + 月i ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中t o 为电机的空载转矩，t 1 为电机的负载组转矩： r o ：，塑( 2 4 ) 班 采用的电机为直流永磁电机，磁通量为是不变的所以电机的电磁转矩t 为： 丁= k ， ( 2 5 ) 由上面的式子2 1 ，2 2 ，2 4 ，2 5 联立方程，进行l a p l a c e 变换；可以得 到以下的方程： u ( s ) 一e ( j ) = u ( j ) + ，( s ) ( 2 6 ) e ( s ) = k 国( j ) 丁= 矗缈( s ) + 丁1 ( s ) 丁= k ，( s ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由上面的方程式可以得出电机的开环控制的结构图和传递函数图，函数传递 示为2 2 图： 图2 2 传递函数流程图 f i g2 2 i r a n s f e rf 岫c n o nf l o wc h a r t 通过简化上面传递过程中的函数，最终可以得到输入电压和输出角速度之间 函数关系为： 丛堕： ：墨! ( 2 1 0 ) 一= ：- - - - - ：- - - 一 厶工v ， u ( j ) l 居2 + 兄居+ k 。k ， 在电机的控制中： 青岛理工大学工学硕士学位论文 令乙= 妄为电机的电磁时间常数： 乙2 去为电机的机电时间常数： 将t ，乙带入式子2 1 0 可以得到如下的： 国( j ) 1 一= = 一 u ( s )乙乙s 2 + 乙j + 1 ( 2 1 1 ) 在课题中所选的直流电机额定电压为u = 1 2 v ，额定功率为p = 1 7 0 w ，额定电 流为i 一3 0 a ，额定转速n _ 1 0 5 0 r a d s ，输出转矩为2 5 m ，转动惯量为 j _ 0 0 2 4 姆肌2 a 根据以上给定的参数，和以下电机的基本公式可以得到电机的各个参数： k = ；，乏= 妄，乙= 最好k 参数表如表2 - 1 ： 表2 1 电机参数表 1 a b l e2 1m o t o rp a 均m e t e r s 参数的名称符号数值 额定电压 u1 2 v 额定电流 i1 2 a 额定功率 p1 7 0 w 额定转速 n 1 0 5 0 r a d s 输出转矩 t1 6 m 额定电阻 ro 0 4 0q 转动惯量】 o 0 2 4k g s 2 反电动势系数 k e o 0 5 3 3y s m d 电磁转矩系数 k 0 0 5 3 3 m 4 电磁时间常数 疋 1 8 7 5 m s 电机系数 丁。 3 4 1 7 2 m s 电枢电感 l 0 7 5 肘乃 8 将2 1 表中的数字带入公式2 1 2 可以得到电压和转速之间的传递函数为： 旦盟： 1 8 7 6 0 u ( s ) 6 4 0 7 s 2 + 3 4 1 7 2 s + 1 0 0 0 ( 2 1 2 ) 式子2 1 2 就是以电压为输入信号，电机转速为输出信号的传递函数公式。 式子中的各个字母代表的参数量含义为： i 一电机额定电流r 一电枢额定电阻，l 一电磁电感常数j 一电机转动惯量， 矽一电机电枢磁通量，缈一电机角速度，n 一电机的额定转速，p 一电机的额定功 率，托一电动机反电动势系数，( 只与电机本身结构有关) k 一电磁转矩系数； t 一电磁时间常数，丁，一电机系数，t 一电机电磁转矩u 一电机的额定电压。 2 1 2e p s 动力学模型的建立 要分析系统的动力学特性，就要对电动助力转向的整个系统进行建模。根据 建立的动力学模型就可以对电动助力转向的助力特性，路感，滞后等问题进行分 析，并完成相应的控制p ，1 0 ，1 1 ，1 2 1 。电动助力转向系统计算简图如2 3 所示： 方向盘 转向柱 图2 3e p s 系统计算简图 f i 醇3e l e 确cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mt 0c a l c u l 疵舭d i 赠狮 根据e p s 输入轴的力矩平衡方程可以得到： j 。莎+ c 矽，+ k ( 口，一孚) ：l 根据齿条力矩平衡可以得到下面等式： 坍j ，+ c ，j ，+ 足，x ，：茎土( 口，一2 1 ) + 选( 9 ，一生兰上) 电机力矩平衡可樽如下公式： 厶虎+ c 。虎+ k 。( 吒一立) ：乙 9 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 电机给转向轴的助力力矩为： l 叱“”孚) 采用比例控制，扭矩传感器测得转向转矩为： 丁。：k ，( p ，一生) 则助力电机的输出力矩： 乙：疋k ( 珐一互) 这里k 是增益系数。 对上面的式子进行lapl ace 变换，可以的到下面的传递函数： 聃器= 焉( 以墨一半一燮学丛) 在式子中通过对上面的式子的代换可以得到以下的等式： 彳( s ) = 。( j ) + ( 噍一k ) 主竺号箬兰堕 荆= 吒以一等一等 d s = js s 2 + cs s + ks 以= 聊s 2 + e s + ! 兰。= ；竺盖+ 墨 ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 在上面的公式中各个参数的含义是，k ，k ，如分别表示齿条推动前轴时的 线刚度，转向轴扭转刚度，电机扭转刚度，互，乙，瓦，分别表示转向盘输入扭矩， 助力电机输入扭矩，电机的助力扭矩，扭矩传感器测得的助力力矩。名，万，五，朋 分别表示电机的减速器减速比，前轮转角，小齿轮半径，齿轮齿条位移，转向横 拉杆质量。c ，c 。，c ，以，l 分别表示转向轴阻尼系数，电机旋转阻尼系数，齿条 往复运动阻尼系数，转向轴转动惯量，助力电机转动惯量。吒，见，z ，杰分别表示， 电机的电枢转角，电机的转向盘转角，电机的电枢角速度，电机的转向盘角速度。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 3 车辆转向阻力数学模型 首先来分析汽车转向阻力的形成机理，转向阻力矩可以分为两大部分【1 0 】： 第一是来自转向系统内部的阻力矩，主要包括转向系统的摩擦力矩、转向系 统的阻尼力矩以及转向系统的惯性力矩。 第二是轮胎和路面之间的阻力矩，主要包括由纵向力引起的回正力矩、由侧 向力引起的回正力矩、由垂向力引起的回正力矩和静态转向力矩。转向系统内部 的阻力矩和车辆的行驶速度无关，在车辆行驶时和原地转向时，该部分阻力矩均 存在。而轮胎和路面之间的阻力矩则和车辆的行驶状态密切相关，当车辆行驶时， 轮胎和路面之间存在着由纵向力、侧向力和垂向力引起的三部分回正力矩；当原 地转向时，轮胎和路面之间存在着静态转向力矩和由垂向力引起的回正力矩。 汽车一般来说转向阻力为： 膨阻= ( 甜，t ，r ，r ，汐) ( 2 2 4 ) 其中u 为汽车车速，毋为滚动阻力，e 为空气阻力，r 为转向半径，萨为 转向盘的转速。 在上面建立的运动学模型中已经对汽车的内部转向力矩考虑进去但是在台 架试验中原地转向力矩也是不可忽略的一项，因而对汽车进行原地转向的建模。 在一般情况下，车辆在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩m ，可以采 用下面的传统经验公式计算： ”等 协2 5 ， 其中，m ，为原地转向阻力矩，单位朋； 厂为轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取o 7 左右； 乃为前轴负荷，单位n ； p 一轮胎气压，单位m p a 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 4e p s 空间状态模型描述 通过上面的进行的建模分析，电动助力转向的在运行时主要的输入是驾驶员 的转向力矩也就是转向盘的转向力矩互和电机的输入力矩已。主要的输出量为 电机的助力力矩乙，齿条的位移五，电机的转速吉，也是输出量。对e p s 系统的 状态描述是； 设定系统状态变量为： 五= e ；恐= 五；玛= 醌 ( 2 2 6 ) = 秒s ；砖= x ，；= 秒肼 输出变量为) ，= 【瓦乙五匆，】，输入量为u = 互u 】。结合电机模型，系 统动力学模型这样可以对系统进行如下描述： 弘曼h 兰“ ( 2 - 2 7 ) i 少= c 工+ d y 根据式子( 2 2 6 ) 可以确定参数a ，b ，c ，d 的值是 a = o00 luu 000o1 o 00ooo 1 一生 堕 。一goo j cj ， 3 c 笠一! 笠笠：鱼垒选。一生。 朋，朋，朋，历 。 墨 一生oo 一生 jj j 啊 j 。 电动助力转向的助力特性一般来说要求要增强驾驶员的路感，因而要求随着 车速的增加助力要逐渐减小，同时为了助力电机的不至于频繁启动，增加驾驶员 中间位置感，要求有一个死区存在，也就是当驾驶员输入力矩很小，助力为零。 【1 3 ，1 4 ，1 5 ，l6 ，1 7 1 。 目前来说主要研究的助力曲线主要存在以下三种； 第一是直线型的助力曲线，如图2 - 4 所示： 图2 4 直线型助力图 f i g 2 4l 沁a r b o o s tf i g 陀 图2 _ 4 横坐标表示的是电机的目标电流，纵坐标表示的是操纵力矩的大小， 从图中可以看出，这种助力特性的特点是在助力区间助力的大小和操纵力矩的大 小成线性关系，可以用下面的方程表示这种操纵关系； 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 foo z 互 ，= 七( v ) ( i 一互)巧t 互 ( 2 2 8 ) 【k乃正 式子2 2 8 中，i 为电动机的目标电流；i n l a x 为电动机的最大工作电流；t s 为转向盘输入力矩；k ( v ) 为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；五为转向 系统开始助力时的转向盘输入力矩；瓦为转向系统提供的最大助力时的转向盘输 入力矩。 第二种是曲线型： 五夏五工 图2 5 折线型助力图 f i g 2 5 b r o k e i l h e l p m 印 该图表示的是横坐标是电机的目标电流，纵坐标表示的是方向盘操纵力矩的 大小，从图2 5 中可以看到这种助力的特点是，操纵力矩和助力力矩在助力区间 成分段线性关系。可以用下面的关系式表示： j = 0 毛( 1 ，) 。( 正一石) 乞( v ) ( 五一五) + j | l ( 互一五) 岛( v ) ( c 一乃) + 屯( 力( 五一互) + 毛( y ) ( 互一互) k o i 互 五互 互 互z 巧 ( 2 2 9 ) 互互 瓦 l 瓦 在此方程中，八z ) 为刚开始时有助力时的输入操作力矩，疋和己为操作力 矩斜率有变化时的操纵力矩，五为助力饱和时的操纵力矩，毛( v ) ，乞( w ，毛( v ) 为各个阶段的斜率。 第三种是曲线助力型： 1 4 f i g 2 6 c u e dh e l p m 印 此图为曲线型助力特性曲线。它的特点是在助力可变区，助力力矩与操纵力 矩成光滑的非线性关系，该助力特性曲线可用以下函数表示： ioo t 五 ，= 七( v ) 厂( 乃)互i 互 ( 2 3 0 ) 【kt 互 其中，后( v ) 为曲线斜率，( i ) 为操纵力矩的二次函数。 在这三种形式的助力特性曲线中，直线型比较简单，容易调试；曲线型比较 复杂，难以调试：折线型是二者的折衷，它的形状不太复杂，调试难度也不太高。 因此在e p s 系统的最初研发阶段，由于直线型比较简单，容易调试，大多采用直 线型助力特性曲线。曲线型比较复杂，难以调试。折线型是二者的折衷，它的形 状不太复杂，调试难度也不太高。在开发完成时，主要使用折线型助力特性曲线。 将折线型助力特性曲线用光滑的多项式曲线或样条曲线来进行拟合，就可以得到 相应的曲线型助力特性曲线。 综合上面的结论可以得到下面的要求： ( 1 ) 低速时助力增加，随着车速的增加，助力应该逐渐减小，以增加转向轻 便性和高速时操纵的稳定性。就是说驾驶员要得到一个适合的助力范围，满足驾 驶员对路感的要求。 ( 2 ) 当驾驶员操纵力矩在一定小的范围内的时候，电机不对系统进行助力， 即存在一个无助力区域，这样既可以保证驾驶员对方向盘的控制感觉，又可以 降低消耗，增加电机的寿命。 ( 3 ) 根据曲线图可以知道助力特性曲线的斜率k ( v ) 对于直线型助力特性，斜 率k ( v ) 是常数；对于折线型助力特性，根据分段的多少和取值多少，分别为取 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 不同的值；而曲线型助理特性的梯度是转向盘力矩的增函数。 ( 4 ) 系统的助力比例大小由系统传动比和传递效率决定，由助力系统从方向 盘上得到的输入操纵力矩与输出力矩的大小来决定，它反映了转向轻便性的程 度。 2 2 2 电动助力转向助力特征参数确定方法 ( 1 ) 互，t ，互的确定是根据设计的不同和驾驶员经验和路感来确定的根 据汽车设计机械式转向的技术参数，可以对操纵力进行设定，根据曲线的要求取 值。汽车的操纵力f 可以取1 0 n ，3 0 n ，5 0 n 。由于方向盘的半径r 可以确定因此 可以确定驾驶员的输入的操纵力矩乃； z = f r ( 2 3 1 ) 式中r 为方向盘半径，五，z ，乏的值分别由式确定。 ( 2 ) 转向阻力矩m 、最大助力矩m 一的确定 由第2 1 3 章节公式中( 2 2 4 ) 可以知道汽车阻力m r 的计算方法这里只进 行最大助力力矩的计算。在当前的阻力状态下需要的转向盘提供的力矩为： 鸩：丝 ( 2 _ 3 1 ) 岛i 。7 7 式子中，为转向盘上提供的转矩，厶为转向垂臂长，厶为转向节臂长，为转向 器角传动比；r l 为转向器效率。 最大助力转矩乙应为： 虬= 一m ( 2 3 2 ) ( 3 ) 原地转向时的助力特性曲线斜率后( 0 ) 的确定： 对于直线型助力特性，可根据互，k 确定车速为零时的斜率 邶，。南 c 2 一s s ， 对于折线型助力特性，需要确定几个斜率墨( o ) 、足：( 0 ) 等，同样的方法可 m 量，= 等( 包一争+ 华一学一c ，z k 五 ( 2 3 7 ) rrrr 。 通过变换可以得到以下的转向盘转角和齿条位移的传递函数为： g ( 垆= 竺等南 涵3 8 ) 嬲+ 印+ k + 垒掣 ( 2 3 8 ) 上面的参数除外都是可以直接知道的参数，艺是采用比例控制时的控制 增益，由( 2 1 6 ) ， ( 2 一1 7 ) 知道电机的输出力矩可以由两种表达： 乙= k ( 包一竺)( 2 3 9 ) 乙= 疋墨( 色一垒) ( 2 4 0 ) 其中e 为转向轴的扭转刚度，疋是比例增益。在不同的车型，转向轴刚 度不同，当然比例增益也不同，但是比例增益一般来说和车速有关，根据资料所 得到经验公式： 选取 = 招一 ( 0 1 ，5v 蛐) ( 2 4 1 ) 在式子中t ，k 为系数，不同的车型比例系数不同，在本文中使用微型车， 青岛理工大学工学硕士学位论文 k = 2 3 5 3 e 0 0 1 ( o v 6 0 砌厅)( 2 4 2 ) 在本文设计中采用的设定车速为直线型助力曲线，分别为( o 一1 0 l ( i n h ) ， ( 0 2 0 k m h ) ，( 2 0 3 0 l ( i l l h ) 则根据公式( 2 4 3 ) 疋的取值分别为；2 1 ，1 9 ， 1 6 。将k = 0 ，1 6 ，2 1 分别代入式子( 2 3 9 ) 使用a t l a b 进行仿真分析可 以得到以下的曲线图，从图中可以看到，随着比例的增加，超调量加大，调节的 时间加长但系统仍然可以趋于稳定。因此上述经验公式得到的增益在实际运用中 是可取的。 齿 条 位 移 ； 八 7八 ；_ ，n 。 _ 一_ ， f k 7 器。一o 盼褫孳，覆俘，蠡28 西，o 一。鼠鞲雠锐辐，。零磊 时间t s 图2 7 齿条位移对转向盘单位角阶跃响应( k a = o ) f i g 2 - 7r a c kd i s p l a c e m e n t 锄酉eo f 仇es t e e 血gw h e e lu 疵s t e pr e s p o i l s e ( 1 【a = 0 ) 1 8 2 s 童 s 露 口 良 玖 国 。 ，9； g?；毪，；，f，?，蠡；。扩!lf#缎 青岛理工大学工学硕士学位论文 、。j 一! t i j ? j ? jn i ”。争一一 j | 。j i ：j 一。鼍；7 。g 鼍 v v o l f 7 - o 雠s - o o 毒 齿 o 0 3 5 n 轮 j l j 企 、 a q 昭 f 位 移o ，溅 钒漩 v 覆铡5 o o o 5 7 磊， oo a 5o i 耋o 。事5o 20 2 5o 3o ：l so 毒o 毒5 o s ； 时间t s 图2 8 齿条位移对转向盘单位角阶跃响应( k a = 1 6 ) f i g 2 - 8 r a c kd i s p l a c e m e n t 卸舀eo f m es t e e r i n gw h e e lu n i ts t 印r e s p o n ( 1 【a = 1 6 ) 参o s ；哼 隧 厂05八 匿 齿 f f八 。 。、，一一一l - _ - - _ _ - j 磊似 。一- 。 位 移o 昭 乙 f 缓0 2 覆雠 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 表2 - 2 实验仿真参数表 m l e2 - 2e x p e 血1 e n ts i m u l a t i o np a m m e t e rt a 【b l e 参数表示参考取值 转向轴扭转刚度k 0 3 n - m s h 8 d 转向轴线刚度k 9 1 8 5 9 聊 ，小齿轮半径， 0 0 0 7 8 肌 转向轴转动惯量以 1 1 5 朋 电机减速比 1 6 5 齿条往复阻尼系数c ， 6 5 3n m s h n d 助力电机转动惯量厶0 0 2 4 七g m 2 转向很拉杆质量所 3 0 埏 2 3电机目标电流的确定 在电动助力转向的系统中，电机是一个关键部件，因为它是助力的执行者， 动力源，同时在汽车的行驶中需要频繁的启动和关闭电机。因此对于电动助力转 向系统的控制多数情况下是对电机的控制。电动助力转向控制主要有，基本的助 力控制，阻尼控制和回正控制三种控制方式。助力控制是最基本的控制方法，本 课题主要研究的是基本的助力控制1 8 ，1 9 ，2 0 1 。 助力控制最主要的是减轻驾驶员负担，增加驾驶的轻便性。在建立的电动助 力转向系统的模型基础上对助力控制策略进行研究。目前，e p s 的控制器的设计 中常采用的是建立在简化和精确的数学模型的基础之上，模型的简化必然要带来 模型的阶段误差，同时系统受外界的干扰，因此系统的鲁棒性能较差。 电动助力转向的助力控制是减轻驾驶员的驾驶操纵力，通过涡轮蜗杆的减速 机构把电机的助力转矩加载在转向轴上的一种基本助力方法。在本文的实验中采 用的是直流电机，直流电机的转矩和电机的电流成正比。因此采用控制电机电枢 电流的方法来实现助力。控制过程是将转矩传感器测得的转矩信号和车速传感器 测得的车速信号作为输入信号，并且设定一个初始的目标电流，输入电机，然后 青岛理工大学工学硕士学位论文 通过取样，将实际的电流和目标电流进行比较，通过控制器的调节，输出p w m 的信号到驱动电路，最后进行电机助力。通过这样的调节可以使电机的实际电流 和目标电流之间的误差减小，从而使电机稳定的输出。 控制结构图如图2 1 0 下： 目# 由洁 口f 吧饥 l 车速传感器p r 电机电流 1 t 沪。 。厂、。i 电流p f d l i 助力电机 刈 v 1 控制器i 扭矩传感器卜 ， 陆由 佑 控目策略 电流反馈 图2 1 0 控制结构图 f i g 2 一l oc 0 n 仃o ls m 劬i r e 2 3 1 电机目标电流确定方案 在实际的转向过程中，汽车转向助力受多方面的因素影响如汽车行驶速度、 方向盘转角、阻尼控制，回正控制等因素的影响【2 1 ，2 2 筋刀，2 5 捌。因而控制器要精 确的控制电机的运行就必须得到一个和驾驶状况相符的，精确、可靠的转向力矩 的参考值。但是如果根据转向参数对模型助力性能进行分析和建立模型，将十分 复杂，无法在实际应用中实现。这里将采用另一种非线性控制方式，利用台架实 验得出的实验数据建立一组助力特性曲线，曲线将定义各个车速下e p s 控制器 输出的目标电流大小，这样虽然不够准确但是可以满足实验的要求。图2 1 1 是 不同车速下助力特性图； 电 机 电 流 转向盘转矩 图2 1 l 不同车速下电机的助力特性 f i g2 1 1 晰ld i 舵r e ms p e e dc l l a r a c t e r i s t i c s0 f m em o t o