（控制科学与工程专业论文）电动助力转向系统设计.pdf

m i ip 7 11 1111 f ir iti j i r i i j y 18 7 9 8 7 3 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学或其它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 明并表示了谢意。 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： ： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究等签名) ：托l 杉导师( 签名) ：气碡f 日期口l l g ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 电动助力转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e r a s s i s t e ds t e e r i n g ) 是近几年迅速 发展的一项汽车性能提升的新技术。与传统机械和液压助力转向系统对比，电 动助力转向系统是根据作用在方向盘上的转矩信号和汽车的车速信号，通过电 子控制器控制连接在传动轴上的助力电机产生相应方向和大小的辅助动力，协 助驾驶员安全轻松转弯的伺服系统。电动助力转向系统由于采用了电子式控制 的方式，因此响应速度快，可以按照行驶需要随时迅速的改变助力方式，使车 辆在行驶过程中能获得最佳的转向特性。 本文从具体的项目实际出发，分析了目前应用较广泛的柱式电动助力转向 系统的结构和工作原理，通过对e p s 系统的动力学建模，确定了助力电机的助 力特性，并通过计算机仿真，验证控制方法和控制策略对系统特性的作用。详 细分析了电动助力转向系统的性能要求和评价试验方法，并依此为标准研究开 发了以f r e e s c a l e 的m c 9 s d g l 2 8 b 为主控核心的电子控制器及助力电机驱动电路。 控制单元通过实时采集车速信号和扭矩传感器信号，经过控制算法分析确定并 输出目标电流，通过h 桥电路控制助力电机的转速和转矩，从而实现助力转向 功能。同时，对系统的软件方法也予以介绍。 最后，本文结合实际研究中出现的试验数据和现象，总结了相关影响助力 电动助力转向系统性能和稳定性的因素，并给出了消除或降低这些因素影响的 方法，进一步提高e p s 的助力特性。 关键词：电动助力转向系统，直流电机，扭矩传感器，模糊控制，p i d ，p 1 】l m a b s t r a c t e j e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ) i sar a 【p i d a e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r san e wt e c h n o l o g yt oe n h a n c ev e h i c l ep e r f o r m a n c e w i t h t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mc o m p a r i s o n ，e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sb a s e do nt h er o l eo ft h es t e e r i n gw h e e lt o r q u es i g n a l a n d v e h i c l es p e e ds i g n a l ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e rc o n n e c t e dt ot h ep o w e r g e n e r a t e db v t h em o t o rs h a f td i r e c t i o na n dt h es i z eo ft h ec o r r e s p o n d i n g a u x i l i a r yp o w e rt oh e l p m 1 1 lt h es e r v od r i v e rs a f e t ys y s t e me a s i l y e l e c t r o n i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m c o n t r o l t l l eu s eo fe l e c t r o n i cm e a n s ，s of a s tr e s p o n s ec a nf o l l o w r a p i d l yc h a n g i n gt r a 【v e ln e e d n e l pa ta n yw a y , s ot h a tt h ev e h i c l ei nm o t i o nt h ep r o c e s st og e tt h eb e s ts t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i e s t h i ss p e c i f i cp r o j e c tf r o mt h er e a l i t yo ft h ec u r r e n ta p p l i c a t i o no ft h eb r o a d e r e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gc o l u m ns t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ：t h r o u g l l t h ee p ss y s t e md y n a m i c sm o d e l i n gt od e t e r m i n et h ep o w e rc h 啪c t e r i s t i c so f t h e m o t o rp o w a n dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o n t r o lm e t h o da n dc o n t r o l s t r a t e g v v a l i d a t i o no ft h er o l eo fs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s d e t a i l e da n a l y s i so f t 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 mp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sa n de v a l u a t i o no ft e s tm e t l l o d s a n d s t a n d a r d so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts oa st of r e e s c a l e t h em c 9 s d g12 8 b am a s t e rc o n t r o l l e ra n dt h ep o w e rc o r eo ft h ee l e c t r o n i cm o t o rd r i v ec i r c u i t c o n t r o l u n i tt h r o u g hr e a l - t i m es i g n a la c q u i s i t i o ns p e e da n dt o r q u es e n s o rs i g n a l ，t l 啪u 曲m e c o n 仃o la l g o r i t h ma n a l y s i st oi d e n t i f ya n dt a r g e tc u r r e n to u t p u tt h r o u g ht h eh b r i d g e c 1 r c u i tt oc o n t r o lp o w e ro ft h em o t o rs p e e da n dt o r q u e ，i no r d e rt o a 出e v ep o w e r s t e e r i n gf u n c t i o n a l s o ，m e t h o d so fs y s t e ms o f t w a r et ob ei n t l o d u c e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ea c t u a lt e s td a t aa n d p h e n o m e n ao c c u r , s u m m e du p t h e1 m p a c to fp o w e rr e l a t e dt oe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mp e r f o m l 觚c ea n d s t a b i l i t yf a c t o r s ，a n dg i v e st h ef a c t o r st oe l i m i n a t eo rr e d u c et h e s ew a y st o 如r t h e r i m p r o v et h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fe p s k e yw o r d s ：e p s ，d c - m o t o r ，t o r q u e s e n s o r ，f u z z yc o n t r o l ，p i d ，p w m 2 2 传感器7 2 3 助力特性7 2 4 控制方法矗8 2 5 故障诊断和系统稳定性8 2 6 整车性能匹配1 0 第3 章电动助力转向系统动力学方程1 l 3 1 机械部分建模n 3 2 电控部分建模1 3 3 2 1 扭矩传感器的传递函数1 3 3 2 2 阻尼控制1 4 3 2 3 回正控制1 1 4 3 2 4e p s 系统控制建模。1 5 3 3 稳定性分析_ 1 6 第4 章e c u 电路结构、功能和控制策略1 8 4 1e c u 工作原理1 8 4 2 硬件电路的设计1 9 4 2 1e c u 控制芯片的选择2 0 4 2 2 电源电路2 0 4 2 3e c u 控制电路2 2 4 2 4 电机驱动电路2 4 4 2 5 电压反馈电路2 7 4 2 6 故障检测及报警电路2 8 4 3 控制策略与软件设计2 9 4 3 1p i d 控制策略3 0 4 3 2 模糊控制3 2 4 3 3 基于模糊p i d 控制的自适应控制算法3 3 4 3 4 仿真分析3 6 4 3 5 软件设计3 8 第5 章f p s 功能试验方法分析4 2 5 1 试验台架的组成4 2 5 2 试验要求4 2 5 3 试验方法4 3 j，2 4 6 6 t _ 4 4 4 7 4 7 4 7 4 9 5 0 5 l 5 3 5 4 5 7 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 电动助力转向系统是于2 0 世纪8 0 年代中期提出来的。目前汽车电动助力 转向技术在国外已趋完善，几家国际著名的大型汽车公司如：梅赛德斯一奔驰公 司、德尔福公司、铃木公司、t r w 公司以及采埃孚( z f ) 公司都在此方面做了大 量的研究并己推出了商品，安装在微型汽车和轿车上使用。根据助力电机在汽 车转向系统中提供助力的位置的不同，可将e p s 分为柱式电动转向系统、小齿 轮式电动转向系统、齿条式电动转向系统，其中齿条式转向系统又可以分为直 齿条式电动转向和差齿条式电动转向。 1 1 e p s 系统的结构和工作原理 电动助力转向系统是一种全电动，与发动机无关的动力转向系统。一个典 型的e p s 系统由四个基本部分组成，即：扭矩传感器( 角度传感器) 、助力转向电 控单元( e c u ) 、带动方向柱的助力电机( 含电磁离合器) 以及机械转向装置。图1 1 是典型的电动助力转向系统的结构图。 图1 1e p s 系统结构图 武汉理工人学硕十学位论文 电动助力转向系统在传统转向机构的基础上增加了传感检测装置、助力动 力机构和主控单元。e p s 的转向轴由通过扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输入 轴经齿轮减速机构与助力电动机相连，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车 轮转向。在汽车驾驶过程中，操作转向盘给输入轴输入一个角位移，相对角位 移造成扭杆的形变。扭矩传感器将扭杆所受到的扭矩转换为电压信号输入到 e c u ，同时，e c u 检测车速信号并综合数据分析是否需要助力预计助力的大小 和方向。判断需要助力的情况下，依照设定的助力控制算法计算助力力矩的大 小，输出相应的驱动电流给电机。电动机输出转矩通过涡轮蜗杆减速机构，放 大扭矩再施加给转向轴，从而实现助力转向。若不需要助力，助力系统关闭， 转为手动转向。 1 2 国内外研究现状 二十世纪五十年代，美国t r w 等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方 向盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，德国的 k a s s e l m a n n 等也设计了与此类似的主动转向系统，即电子转向系统 ( s t e e r i n g - b y - w i r es y s t e m ) 。但由于当时电子技术和计算机计算能力的制约，电子 转向系统一直无法在实车上实现，对它的研究也没有得到深入。奔驰公司在进 行后桥电子转向和多桥汽车的第三桥电子转向系统研究之后，于1 9 9 0 年开始了 前轮电子转向系统的深入研究，并将其开发的电子转向系统安装于f 4 0 0 c a r v i n g 的概念车上。随后世界各大汽车厂家、研发机构如欧美的d a i m l e r c h r y s l e r 、 宝马、z f 、d e l p h i ，以及日本的光洋精工技术研究所、日本国立大学、本田汽 车公司等都对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己 的电子转向系统，一些国际著名汽车公司已在其概念车上安装了该系统。在2 0 0 1 年的第7 1 届日内瓦国际汽车展览会上同本k o y o 技术研究所开发的电子转向系 统采用一个主控制器、一个力矩电机、一个转向电机的方案，同时以机械系统 作为故障应急设备，以确保电子部件出现故障后，汽车的基本转向功能得以实 现。 日本光洋精工株式会社是世界上最早对电动助力转向系统进行研究和开发 的厂家，目前生产的转向系统在世界上的市场占有率为世界第一。2 0 0 5 年1 月 与海沧台商投资区合资建立的光洋转向系统( 厦门) 有限公司是第一家在中国生 2 武汉理t 大学硕士学位论文 产汽车电动助力转向系统的公司，2 0 0 7 年已投产。日本大学和本田汽车公司在汽 车电子转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们从人一车闭 环系统特性出发，设计了理想的转向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速 变化，这样就可以充分利用电子转向系统的特点，最大限度的降低驾驶员的负 担。 美国的德尔福公司继成功推出了e p s 系统后，又开发出了自己的前轮和四 轮电子转向系统，并应用于加州的自动高速公路系统a h s ( a u t o m a t e dh i g h w a y s y s t e m ) 中。9 7 年德尔福公司与意大利菲亚特公司签订了应用于小型车的电子转 向系统研制合同，到2 0 0 0 年上半年德尔福公司己经与欧美等地的汽车生产厂家 签订了关于开发电子转向系统的合同。 在欧洲，以d a i m l e rc h r y s l e r 、f i a t 、f o r de u r o p e 和v o l v o 等汽车公司、b o s c h 等电子公司和c h a l m e r s 、v i e n n a 等大学联合发起了“b r i t e e u r a m x b y w i r e 计划”进行电子转向系统的实现以及安全性和可靠性方面的研。d a i m l e rc h r y s l e r 己经开发出电子驱动概念车，“r 1 2 9 ”。它取消了方向盘、加速踏板和制动踏板， 完全采用操纵杆控制，实现了d r i y e b y - w i r e 技术。此项技术被列为2 0 0 0 年 汽车十大新技术之一。z f 公司在9 8 年开发出电动助力转向系统( e p s ) 之后也积 极进行了电子转向系统的开发研究。宝马汽车公司在巴黎车展上参展的概念车 一b 2 2 2 ，应用了s t e e r - - b y w i r e ( 全助力转向方式) 和b r a k e b y w i r e 技术。 整个概念车的开发计划始于1 9 9 5 年，根据公司的规划，计划在2 0 0 5 年时正式 付诸批量生产。虽然在2 2 2 上驾驶员仍然使用方向盘与制动踏板来操作车辆， 但是没有了如转向柱、脚踏板连杆等机械结构，可以减少在车辆发生撞击时机 械部件对驾驶员的伤害。该车仍然保留了传统的方向盘作为人车接口，但方向 盘的转动范围减少到了1 6 0 度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程 度的降低，而且操纵机构可以布置得更为合理，提高了乘坐舒适性，并扩大了 座椅位置的调整范围。第5 9 届法兰克福汽车展的雪铁龙越野概念车“c c r o s s e r ”，也采用了电子转向系统。 2 0 0 0 年，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。此后清华大学、天津大学、北京科技大学等十几所 高校也参与到e p s 的研究中来，2 0 0 1 年国内的昌河汽车厂率先开始将电动转向 器装在北斗星高档微型箱式车上，我国汽车电动助力转向器应用由此拉开序幕。 目前已经知道的有1 3 家企业和科研院校j 下在研制中。从汽车市场上调查得知： 武汉理i j 大学硕士学位论文 目前只有南方摩托股份有限公司生产的转向柱式e p s 产品，能小批量生产用于 汽车装配。在昌河公司产的爱迪尔轿车、南京菲亚特公司产的新雅途轿车上使 用。株洲易力达、浙江福林国润等一些内资企业所生产的e p s 产品也占有一定 的市场份额。 综合起来看，目前电动助力转向系统可以分为四类： 1 液压电动转向系统e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 2 电动转向助力系统e p s ( e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ) 3 主动前轮电动转向系统a f s ( a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ) 4 线控电动转向系统s b w ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gb yw i r ee ps b yw i r e 或 s t e e r i n gb yw i r e ) 这四类系统也反应了汽车电动转向系统不同的发展阶段，线控电动转向系 统是目前最为先进和前沿的转向技术。在未来，汽车转向技术将进入了电动助 力时代，随着传感器、控制方式、助力电动机等关键技术的不断进步和完善， 以线控技术的应用为标志的全助力转向系统将成为未来汽车转向技术的焦点。 随着电子技术的发展和计算机技术的不断进步，更高效的功率m o s 管的出现为 重型卡车和机械车的电动助力转向提供了保证。新的技术也为汽车控制的各个 组成部分实现联合工作提供了方法。例如，恩智浦在2 0 0 9 年就提出了使用其 f l e x r a y 收发器系列产品确保在e p s 和a b s 系统之间建立可靠及时的通信，根 据速度优化助力转向的解决方案。未来我们将从以下几个方面进一步优化电动 助力转向系统：1 ) 设计使用新型无刷电机使电机工作效率更高，效果更好；2 ) 开 发新型传感器，提高系统信息的感知效率和精度；3 ) 进一步优化控制策略，使系统 更加智能；4 ) 运用线控技术实现线控转向，进一步提高系统的效率和精度。电动 助力转向系统将向着进一步减轻重量、节约空间、降低功率的方向发展。 1 3 本文的研究内容 本文基于实际项目，构建了以飞思卡尔1 6 位单片机m c 9 s d g l 2 8 汽车级芯 片为主控核心的e c u 单元及其外围电路，并通过了武汉理工大学与山东德州中 控联合开发的试验台架平台的试验。成功实现了低成本，高性能的e p s 控制器 的硬件电路设计和软件方法设计。 4 武汉理= 人学硕十学位论文 本文研究的主要内容有： 1 ) 对e p s 系统的结构进行分析，建立了助力转向系统的动力学模型。 2 ) 分析了电动助力转向系统的性能要求和试验方法。 3 ) 基于m c 9 s d g l 2 8 单片机的主控核心电路和驱动电路等硬件电路的实现。 4 ) 控制策略的选择和软件实现。 5 ) 分析了试验过程中遇到的影响e p s 性能的因素，并给出试验结果。 s 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章电动助力转向系统的关键技术 电动助力转向系统这一课题的研究综合了控制科学与理论、汽车电子、机 械设计、传感检测和电机学等多门学科知识，属于机电一体化系统。设计电动 助力转向系统，首先需要考虑的就是系统应用中的转向轻便性、操控舒适性以 及安全性。电动助力转向系统f 1 2 0 世纪8 0 年代提出时，起先由于受到电子技术， 电机技术以及机械制造工艺的限制，发展十分缓慢。直到近几年，随着工业水 平的大幅度提高，电子技术突飞猛进的发展以及新的控制理论的不断提出，汽 车助力转向才正式开始向电动助力转向的方向上迈进。各项新技术、新理论也 在不断的提出。根据e p s 的结构可以看出，e p s 系统技术的关键可以分为硬件和 软件两个方面。硬件方面要求传感器和电机必须满足要求；软件方面则要求能 实现助力特性，并且能监测系统的工作状况。具体分为以下几类： 2 1 电机驱动 e p s 系统最终的动力来源是助力电机，因此，助力电机的合理匹配和可靠运 行是决定e p s 性能的最重要因素。由于直流电动机有良好的启动性能和调速性 能，且助力电机的电源来自汽车蓄电池的直流供电，因此电动助力转向系统中 采用的一般是直流电动机。直流电动机工作时，直流电压通过电刷和换向器加 载到转子线圈，转子线圈受到电磁力的做应用将产生电磁转矩。直流电机的电 磁转矩具有良好的控制特性，只要调节电动机的输入电压或励磁电流，便可以 在宽范围内实现调速。但普通直流电机的特性难以满足e p s 设计用电机的要求， 因此发展出了一些专门针对e p s 系统的助力电机。对普通电机的结构进行改进， 将转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚，加装减速机构等， 使得这类电机噪声低、扭矩大、波动小、转矩波动小、尺寸小质量轻，并且可 靠性高，控制简单。能够满足e p s 系统的功能要求，也解决了电动机对转向手 力特性、转向路感、汽车动态响应等参数的影响。 同时，电机驱动电路设计中存在的缺陷也会影响助力电机的工作状态，导致 e p s 系统的整体性能下降。 6 武汉理一r 大学硕士学位论文 2 2 传感器 e p s 系统中主要用到的传感器是扭矩传感器和车速传感器。后者多数已经集 成在汽车本身零部件上，只需要通过总线技术读取数据即可。因此，相对来说， 扭矩传感器是e p s 系统组成中必不可少的部件。汽车要实现助力转向，首先就 必须采集扭矩传感器的数据，判断转向的方向和驾驶员转向力矩的大小，从而 决定助力的大小。 精确可靠的扭矩测量传感器是决定e p s 性能的又一个重要因素。目前，国外 的e p s 系统中使用的扭矩传感器多为电磁感应式或光电式的。这类传感器结构 简单，工作可靠，精度较高，但是对工作环境的要求较高。国内的e p s 系统中 则多数使用接触式的传感器。在转向轴位置加上扭杆，通过扭杆的变形量来确 定扭矩值。这类传感器精度不高，但成本很低。 2 3 助力特性 助力特性是指助力转矩随车辆运动状况的变化而变化的规律。在电动助力 转向系统中，助力转矩与助力电机的电流成正比，因此，采用电机电流与方向 盘转矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。助力特性是e p s 系统的控制目 标，反应了转向的轻便性和路感之间的矛盾。 按照助力车速范围的不同，e p s 系统的助力特性曲线可分为全速范围助力型 和低速范围助力型。按照曲线形状分，常用的助力特性有三种，分别是直线型 助力特性、折线型助力特性和曲线型助力特性。助力特性曲线分为无助力区、 助力变化区和恒助力区三个区间。如图2 1 所示： 脚 广一 划 ， p 仁 纡y 三iv = 0 | 劣鼍v = o f 习硅 飞逡 纺y ： o 一 r ，。l kk c a ) 直线型助力特性( b ) 折镜疆助力特经 c ) t n 线型助力特挂 图2 1e p s 系统理想的助力特性曲线 7 武汉理r 大学硕士学位论文 ( a ) 为直线型助力特性曲线，在助力变化区内，助力的大小与转向盘输入力 矩成线性关系。( b ) 为折线型助力特性曲线，在助力变化区内，助力的大小与转 向盘输入力矩成分段线性关系。( a ) 和( b ) 同属于线性助力特性，其特点是模型简 单，助力大小在固定车速下是不变的，因此控制方法更简单。缺点是在转向阻 力迅速上升时，系统的响应速度无法达到要求的助力增益。( c ) 为典型的曲线型 助力特性曲线，在助力变化区内，助力大小与转向盘输入力矩成非线性关系， 如抛物线型。非线性的特性曲线，在一定车速下，助力随输入力矩增大而迅速 增加，提高了系统的响应速度，但模型较复杂，不易控制。助力特性是否合理 决定了e p s 系统的性能，理想的助力特性要充分协调好转向轻便性与路感的关 系，为机械转向系统和驾驶员提供尽可能相同的转向特性。 2 4 控制方法 e p s 系统是以电控单元为核心，采集工作状态数据，发出控制指令，确定助 力电机的工作方式和助力大小。因此，e c u 单元的硬件抗干扰性和软件设计及 优化也成为衡量一个e p s 系统性能的重要指标。这其中最重要的就是控制方法 的选择。快速准确的控制算法可以在满足操控轻便性、实时性的同时，符合驾 驶路感的需要。能够根据各种路况及时调整助力模式，有效的实现理想的助力 特性，为汽车驾驶带来最大的轻松和安全性。汽车的行驶路况复杂，e p s 系统工 作时不但受到来自路面的随机干扰的影响，还有发动机发出的热辐射和电磁干 扰对系统也会有很大影响。这些因素在e p s 系统设计时都要考虑到控制策略上 去，通过软件修正的方法消除干扰。p i d 控制技术、动态补偿技术、自适应控制 技术、模糊控制技术、鲁棒控制技术、神经网络理论的发展为e p s 系统的控制 算法开发提供了有力的保障。 2 5 故障诊断和系统稳定性 在生产和研究e p s 产品时还有一个重要的部分就是对于故障的检测和故障 的输出及处理。故障诊断系统不仅要对诊断对象的故障进行报警，还要对故障 进行定位，确定故障发生的位置和原因，即输出对象的故障代码，所以在设计 一个产品的故障诊断系统时，首先必须确定系统的故障点，再根据故障编码原 8 武汉理工人学硕十学位论文 则对系统的故障点进行编码。 e p s 系统可能存在故障的位置及原因主要有七类，分别是扭矩传感器故障、 车速传感器故障、点火信号故障、助力电机故障、电磁离合器故障、电子控制 单元故障、电源故障。各部分的故障又分为许多种类，因此必须有统一的故障 代码和相关标准才能有效识别故障种类，便于维修。在s a e j l 5 8 7 标准中给出了 编码原则，后来的s a e j l 9 3 9 加入了应用于c a n 总线系统的编码方法，i s 0 1 4 2 3 0 标准也基本上采用了s a e j l9 3 9 和s a e j15 8 7 的标准格式故障代码。 参考丰田汽车公司电动助力转向系统故障诊断编码，对应与s a e j l 9 3 9 和 s a e j l 5 8 7 标准，表2 1 给出了规范的e p s 故障代码，包括发生故障的部件和故 障形式。 表2 1 常用的e p s 故障代码表 故障码故障部位诊断故障说明 ( s a e ) c 1 5 1 l转矩传感器断路 c 1 5 1 2转矩传感器短路 c 1 5 1 3转矩传感器转矩传感器未标定 c 1 5 1 4转矩传感器值不变 c 1 5 1 5转矩传感器自身特性不良 c 1 5 2 1车速传感器断路 c 1 5 2 2车速传感器短路 c 1 5 2 3车速传感器车速传感器未标定 c 1 5 2 4车速传感器值不变 c 1 5 2 5车速传感器自身特性不良 c 1 5 3 1发动机转速传感器断路 c 1 5 3 2发动机转速传感器短路 c 1 5 3 3点火信号发动机转速传感器未标定 c 1 5 3 4发动机转速传感器值不变 9 武汉理r 大学硕士学位论文 c 1 5 3 5发动机转速传感器自身特性不良 c 1 5 4 l助力电动机断路 c 1 5 4 2助力电机助力电动机短路 c 1 5 4 3助力电动机温度异常 c 1 5 4 4 助力电动机内部故障，特性不良 c 1 5 5 1离合器断路 c 1 5 5 2电磁离合器离合器短路 c 1 5 5 3离合器自身特性不良 c 1 5 6 x电子控制单元 控制单元异常( 定义不完全) ( e c u ) c 1 5 7 l电源电源电压不稳定 c 1 5 7 2电源电压低 2 6 整车性能匹配 e p s 系统作为整车提升性能的一个重要组成部分，其系统稳定性和安全性也 会影响到其他电子系统以及整车的性能。因此，必须对e p s 系统与其它子系统 进行匹配，使整车性能达到最优。在设计e p s 系统时必须考虑与汽车其他子系 统的有效配合，这是e p s 系统开发的关键技术之一。 武汉理工人学硕十学位论文 第3 章电动助力转向系统动力学方程 本章以柱式e p s 为对象，依据其控制关系建立控制单元及机械部件的数学 模型，包括路面负载、齿轮齿条、转向轴、减速机构、扭杆、方向盘以及传感 器、e c u 、助力电机等。通过建立各部件的数学模型来分析e p s 的动力学特性。 3 1 机械部分建模 为了简化建模，对某些机械部件的特性做如下理想化假设： ( 1 ) 不考虑力矩传动机构的效率问题； ( 2 ) 扭杆弹簧的转动惯量忽略不计； ( 3 ) 除扭杆弹簧外，其他机械单元的刚度假设为无限大； ( 4 ) 输入机构的转动惯量和摩擦阻力等效到输出轴上； ( 5 ) 假设扭杆弹簧工作在有效弹性范围内。 在上述假设的前提下，对各机械部件建模。方向盘用惯性质量表示与转向 轴主要考虑其粘性和干摩擦；驾驶员的手力由弹簧表示并由伺服电机转矩来驱 动；齿轮齿条的转向模型由齿轮惯量、齿条质量以及传动比来表示；电机机械 部分由一个转动惯性操纵的转矩发生器表示；减速机构的模型由减速比表示； 扭矩传感器由扭杆的刚度表示，转矩由扭转角和扭杆刚度来计算。 如图所示为e p s 的简化模型： r 图3 1e p s 系统的动力学模型 武汉理j ：大学硕十学位论文 根据该模型，建立如下的一l 各机械部件的动力方程： 转向柱：厶以+ 风艮+ k s = + k s o e 、 齿轮齿条：m r 露+ 6 r 辞+ 坼x r = 1 _ + 异 输出轴：儿晚+ b e 以= k s ( 良一以) + g ( o m g o e ) 一 电动机：厶+ o m = 一( 一g 良) 传感器输入转矩：瓦= 瓦+ 厶 上述公式中各个参数的物理含义如下： 厶为转向柱和转向盘的转动惯量； 氏为转向柱的阻尼系数； 坛为扭杆的刚性系数； 良为转向盘的转向角； 瓦为扭杆弹性转矩测量值； 为转向盘上的输入扭矩； ，p 为减速器的转动惯量； 魄为减速器的阻尼系数； 以输出轴的旋转角； g 为减速器的减速比； 为输出轴上的反作用扭矩； m ，齿轮齿条的质量； 巩齿条的等效阻尼； 坼为等效弹簧的弹性系数； 砟为齿条位移量； 序为路面干扰； 为电动机的粘性摩擦系数； k 为电动机的转矩； 为电动机和减速器的刚度； 厶为助力电机的惯性力矩； 为助力电机的转角； 为齿轮半径； 瓦为扭矩传感器输入扭矩； 厂m 为电机摩擦系数。 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 武汉理丁大学硕士学位论文 其中，风，眈，b r ，的值是可以通过试验的方法得出的。设： 输出旋转角与齿轮位移与齿轮半径的比：o e = 皇 p 减速机构和齿轮齿条的当量质量为：m r = m r + 刍 减速机构和齿轮齿条的当量阻尼系数为：毋= “+ 鲁 代入方程中，得到e p s 系统机械部分的动力学方程。 j s 舀s 七b s 苷s + k s = t h + k s 譬b q 坼耳+ 毋+ 群坼= 警( 一g 薏) + 垒r p ，k 日s 一薏) + 二( 3 - 7 ) 一 厶酩+ “= 一( 一g ( 3 8 ) 瓦= m ( e m g 刳( 3 - 9 ) 从方程中可以看出，e p s 机械部分的模型的输入包括转向盘转矩h 、路面干 扰再和助力电机电磁转矩。系统模型的输出包括转向盘的转角以、助力电机助 力转矩l 、扭矩传感器检测的转矩瓦e 、电机速度“以及齿轮齿条的位移姊。 3 2 电控部分建模 3 2 1 扭矩传感器的传递函数 扭矩传感器将输入轴的转矩信号转换为电压信号传送至e c u ，在将该电信 号输入到算法模块之前，需要对信号进行相应的滤波处理，以消除路面和其他 因素带来的干扰。由于低通滤波会使信号的相位滞后，同时由于扭矩传感器本 身的信号延迟，在滤波之后必须对其进行相位补偿。下面的等效传递函数表征 了扭矩传感器的电气特性。 图3 2 扭矩传感器等效传递函数 ( 3 - l o ) 与元件结构 向系统相同 的路感。但由于e p s 系统比机械式转向系统多了电机和减速机构，这就使得转 向操纵机构的惯性增大。同时，电机电枢及减速机构的旋转元件都有一定的惯 量和摩擦力，在e p s 系统启动、正常换向和停止时都会产生一定的惯性和摩擦 阻力矩，这些阻力矩也会导致系统的响应滞后，跟踪性变差。因此就需要补偿 机制来弥补这些缺陷。 阻尼控制是e p s 系统在提高汽车高速直线行驶稳定性，减小不平路面对转 向盘的冲击方面提出的一种补偿控制模式。在受到路面的冲击时，在方向盘中 间的位置采用阻尼控制，使助力电机电枢绕组短路，这时将产生与电机转子方 向相反的转矩，阻碍转子的旋转，电动机输出的转矩表现为制动力矩，从而保 持方向盘的稳定状态。这是阻尼控制的一种方式。阻尼控制的另外一种方式是 在转向盘转动速度很高时，为了使转向盘力矩平稳，在目标电流的基础上补偿 阻尼控制电流。 阻尼补偿电流的表达式为：，d = 一心，畅为阻尼补偿的增益。 3 2 3 回正控制 在汽车行驶时，车轮转向后轮胎和路面之间会产生回正力矩。驾驶员减小 施加在方向盘上的转向力之后，转向盘将在回正力矩的作用下回正。当车辆以 较低的速度运行并转向和回正时，车轮的回正能力会比较差，为了提高转向轻 便性，e p s 系统需要实时检测系统的状态，提供合适的回正补偿电流。而当车辆 在高速行驶时，车轮的回正能力较强，为了提高车辆的稳定性和方向盘的稳定 性，e p s 提供回正补偿来保证回正时不会出现超调量和摆振。e c u 利用转向盘 1 4 武汉理t 人学硕士学位论文 力矩的微分值判断车辆是否处于回j 下状态，再根据回正助力特性确定助力电机 的目标电流。 对电机惯性力矩可能引起的干扰转矩，消除所需的回正补偿要求电机的补 偿电流为：厶= 巧( 警) ，式中，巧为回正补偿增益。 3 2 4e p s 系统控制建模 图3 3 是e p s 电流关系的控制原理图，综合了传感器的相位补偿、阻尼控 制和回j 下控制。方向盘的扭矩通过扭矩传感器测量并滤波后，再进行相位补偿， 由控制器计算得到助力电流。阻尼补偿电流、回正补偿电流也将同时作用于电 机。 图3 3e p s 电流关系的控制原理图 由此，得到电机的动力学方程为： ( 七+ j ! + ，c ) = k m l a c j = 如( 七一m + 巧( 专 ) ) ( 3 - 1 1 ) 式中，为电机转矩系数，口为电枢电流，为电机角速度。该式表明， 助力电机的实际助力电流值与电机的转速和转速的变化率有关。在电机启动和 制动时，惯性补偿起作用，而在平稳运行时，阻尼补偿起主要作用。系统的电 流的补偿和控制都是由e c u 来调整。 武汉理f 1 ：人学硕士学位论文 3 3 稳定性分析 以转同盘转矩了k 为输入，齿条的位杉x r 为输出，足义传递凼数采猫述系统明 跟踪性。假设初始条件为零，分别对式( 3 6 ) 和式( 3 7 ) 进行拉式变换，得： 良( s ) = 垫鼍铲r h ( s ) ( 3 - 1 2 ) g a s ) = 坠掣( s ) ( 3 - 1 3 ) 0 m ( s ) = 垫铲驰) ( 3 - 1 4 ) 解上式，得到传递函数h ( s ) 为： h ( s ) =生盟= d m k s + k a k s g k m t h ( s ) a c ( s ) r n ( 3 - 1 5 ) 瓦甲：d s = s s + b s + k 口 咖m r s 2 + 科鲁+ 丁g 2 k , + 耳 d m = 厶s z + s + d ( s ) = d s d x d m - d m k 节2 吨警 似s ) - d ( s ) 地学一蜒半 a c ( s ) 为系统多项式，其特征方程为： a c ( s ) = ( 1 0 s 6 - i - a l s s + a 2 s 4 + a 3 s 3 + a 4 s 2 + a s s + a 6 = 0( 3 1 6 ) 苴中 a l = b r l y n js + m r l 一s + m r b s n 2 = 譬竽+ 学+ 毋b + 鸭厶聪 。口。p i a 6 = k r k m k s 1 6 武汉理工人学硕十学位论文 满足系统稳定的条件是系统特征方程： 4 c ( s ) = a o s 6 + c l i s s - t - a 2 s 4 + a 3 s 3 + 口4 s 2 + a 5 s - t - 口6 20 的全部解的实部为负。r h 赫尔维兹稳定判据可知： 蚝 v p + 1 0 ，即驱动电路必须能够提供高于电源电压1