（电力电子与电力传动专业论文）电动转向（eps）控制系统研究及实现.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 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 i st h ei n e v i t a b l e d e v e l o p i n g d i r e c t i o nf o r a u t o m o b i l ep o w e rs t e e r i n g ，w h i c hi sm u c hs u p e r i o rt o h y d r a u l i cp o w e rs t e 丽n g s y s t e m t h ec o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o ls y s t e md e s i g na r ep a r t i c u l a r l ys t u d i e di nt h i s p a p e rt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p i n g & e x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r mi sm a d e a n d b a s e do n i t t h es y s t e r nc o r e e l e c t r i cc e n t r e lu n i t ( c o n t r o l l e r ) i sd e v e l o p e d t h ec o m b i n a t i o n o fm o d e r ne l e c t r i cd f i v i n g & c o m p u t e rc o n t r o lw i t hm e c h a n i s ma n da u t o m o b i l e p r o j e c ti sf u l l ys h o w e d i nt h i ss u b j e c t t h ed y n a m i cm a t h e m a t i t sm o d e li se s t a b l i s h e df r o mt h ea c t u a lp h y s i e so b j e c t si n t h i sp a d e r t h eb a s i cs t e e r i n gs y s t e me q u a t i o n sa r eg a i n e dt h ec o n t r e lt h e o r yo f t h r e e t y p e so f c o n t r o l sa n dt w ot y p e so f c o m p e n s a t i o n sa r ed i s c u s s e d ，w h i c ha r eb a s e do n t h ea n a l y s i s0 ft h e “s t e mm o d e l a n d t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fc o m p l e xc o n t r o l s t r a t e g i e so f c u r r e n tf o r w a r df e e d b a c ki sc o n s t r u c t e d i nt h i sp a p e r , e p s s y s t e mk e y 1 h e a s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e da n ds t u d i e d b a s e do nt h em a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，t h ea r i t h m e t i ct o c a l c u l a t et h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t e e r i n gw h e e lt o r q u ea n d m o t o r t o r q u e a t a n yv e h i c l es p e e di sw o r k e do u tc o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a ra s s i s tc h a r a c t e r i s t i c i 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 m , s u c ha ss t e e r i n g d e a dz o n e ，s t e e r i n ga s s i s tz o n e ， s t e e r i n gs a t u r a t i o nz o n e ，a n dt h eb l i n dz o n ec a u s e db yd i s c r e t ev e h i c l es p e e d ，an e w m e t h o dt od e s c r i b ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i cw h i c hu t i l i z e sn e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t t h ea n a l y s i sr e s u l t sc o i n c i d ew i t he x p e r i m e n tr e s u k s q u i t ew e l l t h en o n l i n e a rs t e e r i n ga s s i s ti nf u l ls p e e dr a n g ei sr e a l i z e da n dt h eb l i n d z o n ei se l i m i n a t e d t h ee f f e c ti sv e r i f i e d n ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sm o t o r o l ad s p5 6 f 8 x xa st h ec e n t r a ic e n t r e lu n i t t h ed cm o t o ri ne p ss y s t e ma st h ea c t u a t o r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe l e c t r i e c e n t r e lu n i ta r ed e s i g n e da n dt h ef u l ls o l u t i o no fe m b e d d e de p sc o n t r o ls y s t e mi s p r e s e n t c d t h ed e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t sa r e a l l a c c o m p l i s h e do nt h e d e p l a t f o f n l ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e i lw h i c hv e r i f yt h a tt h es c h e m e a b o v ei s v a l i da n di t sd y n a m i ca n ds t a r i o n a r yp e r f o r m a n c ei sv e r yg o o d t oe n l ! k u e d e v e l o p i n g a n d e x p e r i m e n t i n g t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p i n g & e x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r mf o re p ss v s t e mi sd e s i g n e da l o n e i nt l i i s s u b j e c t t h e e x p e r i m e n te q u i p m e n ti ss e tu p ，t h es i g n a lp r o c e s sm o d u l e i sm a d ea n dt h ei n t e g r a t e d c e n t r e ls o f t w a r e0 np ci sd e v e l o p e d ，t h e ya r et h en e c e s s a r yf a c t o r st oc a r r yt h r o u g h e p ss v s t e m , w h i c hp r o m o t et h ed e v e l o p m e n tm o s t f i n a l l y , t h ep r o j e c te n g i n e e r i n gn o t i o ni sp r o p o s e di n t h i sp a p e rt o l i n kt h e l a b o r a t o r yf r u i ta n dp r o d u c t i v i t yu pa n dt oe m p l o yt h er e s e a r c hi n t op r a c t i c e t h e s y s t e me n g i n e e r i n g a n dt h e e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y a r er e a l i z e d t h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ti s m e tw i t hh i g h e rs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , a n da n t i - j a m m i n g ， w h i c hs a t i s f i e st h ea u t o m o t i v ei n d u s t r i a ll e v e l k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e mt h r e ec o n t r o ls t r a t e g i e s & t w o c o m p e n s a t i o n s n e u r a ln e t w o r k c o m p l e x c o n t r o l e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ( e c t o d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r r d s p ) i n t e g r a t e dd e v e l o p i n g & e x p e r i m e n t a t i o n p l a t f o r m 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘查盘堂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了谢意。 学位论文作者签名：、为娃 签字日期：，m f 年f 月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘凄盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权2 垦建盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 南差毛 导师签名 研泛一 签字日期：如。千年1 月7 日签字日期：，略手年月7 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 汽车。百多年的发展历史中，其转向系统经历了机械转向到动力转向的过 渡。随着汽车、电子、机械等产业的飞速发展，电动转向( e l e c t r i cp o w e rs t e 耐鹕， 简称e p s ) 作为最新型的动力转向系统，将替代传统的液压动力转向( h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) 成为转向系统的发展方向【2 】【3 】 4 l 眺6 】 7 l 。e p s 系统通过 控制附加在系统中的助力电机，在驾驶员转动转向盘时使电机输出适当的转矩， 协助驾驶员完成转向，使转向过程更加安全、轻便、舒适【4 j p j 【6 l f 7 j ( s j 【9 j ( j o j 【l i j 。 1 1 电动转向系统概述 1 1 1 电动转向系统简介 图1 1c - - e p s 系统结构图 e p s 系统的结构图如图1 一l 所示。它由转矩传感器( t o r q u es e n s o r ) ，转 角传感器( r o t a t i o ns p e e ds e n s o r ) ，电子控制单元( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ， 简称e c u ) ，电动机( m o t o r ) 及转向盘( s t e e r i n gw h e e l ) 、减速箱等组成。系统工 作时，转向传感器把转向盘的输入信号( 转向力矩和旋转角度) 送入e c u 。同时 e c u 采集汽车的车速信号以及发动机转速信号。e c u 根据这些信号值，判断助力 时机，依据助力特性计算出所需的助力力矩，按照一定的控制策略控制助力电机 输出转矩完成转向助力f 8 1 “】。 根据电机装配位置不同，e p s 系统分为转向轴式e p s ( c 0 1 u n m - - e p s ，简称c - - e p s ) ，多应用于微型汽车；齿轮式e p s ( p i n i o n e p s ，简称p - - e p s ) ，多用于 小型汽车：齿条式e p s ( r a c k - - e p s ，简称r - - e p s ) 。多应用在中型车辆及高档轿 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 车中。针对目前国内汽车发展状况4 】【l l 】，本课题选用c e p s 作为研究对象，c - e p s 主要用于小排量的轿车。该系统在车上的布嚣位置如图l 一2 所示【1 3 】。 ! i p 俗控制模块 5 转向齿轮箱 2 - 组台仪表内的v s s3 - 扭矩传感器4 电机和离台器 6 蓄电池7 - 抑噪器( 发动机转速信号) 图l 一2e p s 系统车内装配位置图 1 1 2 电动转向系统的发展现状和动向 目前大多数商用汽车及约5 0 的轿车都采用动力转向，微型轿车也开始安装 动力转向装置。液压助力转向系统经过半个世纪己经发展成为目前应用最广泛的 系统，但其本身存在着诸多缺陷；而电控液压助力系统只是对液压助力装置添加 电子装置，并没有从根本上解决液压助力装置存在的不足。电动转向系统将最新 的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，省去了液压转向 系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮 是动力转向发展的必然趋势h 7 】【1 4 】。e p s 系统与传统液压助力转向系统相比 1 5 1 1 6 j f i 7 j 口8 j 【l 钉： ( 1 ) 降低燃油消耗。实验对比表明，在不使用转向情况下，装有电动转向 系统的车辆的燃油消耗降低了2 5 在使用转向情况下，燃油消耗降低了55 ； ( 2 ) 实现“按需供能”，是真正的“按需供能型”( o n - d e m a n d ) 系统。e p s 系统仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量来自蓄电池或发电机； ( 3 ) 提供可变的转向力。通过软件编程和硬件控制，得到覆盖整个车速范 围的可变转向力，提高转向舒适性、安全性； ( 4 ) 增强转向跟随性。在e p s 系统中，电动机与助力机构直接相连可以 使其能量直接用于车轮的转向，和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电机， 没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了车轮对转向盘的跟随性能； ( 5 ) 改善转向回正特性。通过灵活的软件编程，得到电机在不同车速及不 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 同车况下的转矩特性，这种转矩的特性使得该系统能显著地提高转向能力，提供 了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性； ( 6 ) 提高操纵稳定性。采用该方法，给正在高速行驶的汽车过度的转角 来迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用微机控制，使得汽车具有更 高稳定性； ( 7 ) 采用“绿色能源”，适应现代汽车的要求。电动转向系统应用“最干 净”的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液压助力转向系统中液态油 的泄露问题，顺应“绿色化”的时代趋势，避免环境污染； ( 8 ) 系统结构简单，占用空间小布置方便，性能优越。由于该系统具有 良好的模块化设计，节省了费用，为设计不同的系统提供了极大的灵活性； ( 9 ) 生产线装配性好。电动转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、 流量控制阕、储油罐等部件，零件数目大大减少，减小了装配的工作量，节省了 装配时间，提高了装配效率。 早在十九世纪八十年代中期，t r w 公司已经开始电动转向系统的研究，并 取得了些成果。日本于九十年代初制造出了真正意义上的电动转向系统，当时 只装于小型汽车上，如s u z u k i , a d t o ，主要是因为该传统转向系统所用空间较大 适合于体积较小的电动转向系统。装有该系统的其它车型如h o n d a 的n s x c o u p e ，该车采用四轮转向，后轮的驱动采用电机驱动。此后，欧洲，日本，美 国的许多汽车部件供应商都开发出了自己的电动转向系统，装于不同的车辆中。 目前，国外各大汽车公司如d e l p h i 的s a g i n a w ，t r w ，l u c a s ，z f ，m i t s u b i s h i ， b e n z ，b o s c h ，h o n d a ，k o y o 等，都投入了大量的人力财力进行e p s 系统的研发， 竞相推出各种类型的电动转向系统用于装车，发展前景十分看好。l u c a s 公司称： e p s 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于t i p s 来说无疑是一场技术革命。 z f 公司的皮特博士也宣称：在未来4 5 年内，西欧将有半数以上的新汽车配备 电动转向系统。国外的e p s 系统研究正向着安全( e m b r a c et h es a f e t y ) 、高效( h i g h e f f i c i e n c y ) 、通用( e n g i n e e r i n gv e r s a t i l i t y ) 及舒适( s t e e r i n ge a s e ) 的“4 e ”方 向发展【2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 】1 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 。 我国电动转向系统的研究还处于初期阶段，但已经引起足够的关注，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。目前已有部分高校及科研单位投入到e p s 系统的研发中， 但都未能推出成熟的产品。我国的e p s 研究起步较晚，由于国外e p s 系统控制核 心部分的控制策略和控制器都处于保密，需自舒开发。目前国内主要应用8 位单 片机对助力电机进行控制，效果并不理想2 9 1 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 本课题研究意义 电动转向系统的研究领域涉及传感器、微电子控制、计算机控制、电力传动 控制技术、非线性控制理论、智能控制理论、汽车工程及机械设计等，是多学科 技术的综合应用，真正体现出了未来汽车的机电一体化设计思想【2 7 1 1 2 8 1 1 2 ”。本课 题的控制器核心选用m o t o r o l a 公司的1 6 位d s p ，不但有较强的运算能力，还集 成了专用电机驱动电路，应用于电机的控制。控制策略主要采用传统的经典控制 方法以及智能控制理论。对该系统的控制策略和控制系统进行了深入、细致的研 究。这对于拓展电气传动技术的应用、推动机械、传感器技术、电子器件制造业， 加快国产汽车的电子化发展以及提供未来电动汽车、智能汽车自动驾驶技术支 持，将会有深远的意义田l t 2 9 1 。本研究涉及领域广，应用到最新的相关技术，与 实际生产结合紧密，国内市场潜力巨大。 1 2 本课题研究的主要内容与任务 本课题在仅能查阅到有限的参考文献基础上，作者与本课题其他研究人员吸 取和借鉴了国外研究的一些概念与思想，从零起步进行课题的研究。在控制策略 研究中，通过物理模型建立了系统数学模型，计算和描绘出关键的助力特性曲线； 并创造性的提出应用神经网络对离散助力特性曲线进行拟合，实验证明了理论的 正确性。提出三种控制两种补偿的完整控制策略对电机进行闭环电流控制，具有 独创性并取得良好效果。在控制系统设计方面，控制器核心微处理器选用 d s p ，可以保障系统具有更高的实时响应性能并且能够对复杂的控制算法加以实 现。完成了综合开发实验平台的设计与开发，用于本课题的研究，进行各种实验 与测试，为最终实车实验做好必要准备。 本课题的研究中，作者主要完成的工作如下； ( 1 ) 建立e p s 系统的三自由度数学模型。由于系统是多变量、强耦合的非 线性系统，同时系统存在未建模动态以及外部的干扰和参数的变化等未知因素， 建立适合于实际控制的e p s 数学模型是控制设计的基础； ( 2 ) 转向助力特性研究。该控制系统的关键是获得助力曲线，即转向盘输 入与电机输出之间的非线性关系，此项研究为关键技术之一； ( 3 ) 基于b p 神经网络的助力特性描述与计算。神经网络可以较好地处理 多输入一单输出( m i s 0 ) 非线性映射系统。在本系统中，应用神经网络有效解决 转向特性盲区的计算，减小控制误差。将此系统看作一个m i s 0 系统，可以得出 任意车速下的助力值，从而获得更为合理的助力特性曲线； ( 4 ) 控制策略与算法的研究。e c u 依据转向助力特性，通过特定的控制算 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪沦 法，计算出所需电流进而控制助力电机。该系统控制算法包括常规控制、回正控 制及阻尼控制以及摩擦补偿、惯性补偿，助力采用电流不完全微分增量式p i d 复 合控制，电机输出的转矩控制性能更佳，增大了助力转矩并解决抖动问题； ( 5 ) 控制器的设计与制作。依据转向助力特性研究以及相应控制策略研究 的结果，设计电路并制作了控制器，并在综合开发实验平台上进行了相应的实验， 取得了较好的实验结果； ( 6 ) 传感器的二次开发与应用。目前使用的传感器为国外进口，其专门应 用于电动转向系统，但该传感器在系统使用中还必须与扭杆配合，即对该传感器 进行二次设计，使之与c e p s 系统协调工作。依据c e p s 系统的要求，设计了 扭杆，并结合传感器设计了接口电路，使之在系统中正常工作； ( 7 ) 实验台架的设计与制作。该实验台架能够满足系统的动态和静态实验 要求。现已完成的实验有转向助力特性实验、车速与助力特性关系实验、转向盘 力与负载力关系实验、电机的助力力矩与负载力关系实验、助力特性曲线的动态 拟合实验。 ( 8 ) 上位机控制软件及信号处理模块设计。信号处理模块进行e c u 各种 信号的采集，并产生使其运转所需必要各个信号。上位机操作界面包括各种参数 如车速、发动机转速、调节器参数等的设定以及c a n 总线控制；助力特性曲线、 输出力特性等波形的显示。上、下位机通讯接口采用r s 2 3 2 通信方式，需要完成 上位机和下位机的通信程序编写。上位机控制软件、信号处理模块与实验台架共 同构成了e p s 系统的综合开发实验平台。 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 第二章电动转向系统模型 2 1e p s 系统的组成 e p s 系统是机械与电子相互配合，高度体现机电一体化的动力转向系统。完 整的e p s 系统机械部分包括转向轴，与传感器结合使用的扭杆，助力电动机，蜗 轮蜗杆传动机构，减速齿轮以及齿条轴；电子部分包括转向传感器，用于测量转 向盘转矩、转速信号；e c u ，用于根据输入的检测信号实施闭环电机控制。系统 采用车内1 2 伏电瓶供电，同时e c u 还需具备采集车速、发动机转速信号的接口 电路f 8 j 2 5 1 1 2 9 l 。 2 1 1 机械传动机构0 0 1 1 3 1 l e p s 系统机械传机构与传感器装配图如图2 1 所示。 转向轴 扭杆 转向传感器 蜗轮 蜗杆 齿轮轴 齿条 图2 一l 机械传动机构及传感器装配图 转向轴一端连接转向盘，另一端同扭杆相连，扭杆的另一端时连接到齿轮轴。 转向盘转动时，转向轴同时转动，带动扭杆转动并产生扭转变形，测量转向轴转 国角度以及扭杆变形量完成转向信号采集过程。电机根据e c u 发出的控制信号转 动，与电机相连的蜗杆作完全相同的转动，带动与之啮合的蜗轮，将旋转力矩传 递到齿轮上，它的转动引起齿条的横向移动，齿条两端是连接车轮的拉杆，完成 从电机输出转矩到车轮摆动的过程，助力机构使旋转力矩转化为使齿条轴做高频 6 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 率的往复运动的横向力，也就达到了电机助力的目的。 2 1 2 转向传感器p 2 1 3 3 1 e c u 根据转向传感器信号以及车速、发动机转速信号控制助力电机，得到正 确、稳定的信号至关重要。考虑到汽车行驶中电磁干扰、车辆振动、温度、灰尘 等扰动因素，对传感器的可靠性、灵敏度要求很高，尤其是转向传感器。转向传 感器测量转向盘的转矩以及转角，需要扭杆与传感器协同工作。汽车转向时，在 转向盘旌加的转矩与来自地面的反馈转向阻力矩共同作用下，扭杆发生扭转变形 并得到一个大小与转向盘转矩成比例的扭转角( 角度范围根据扭杆材料不同变 化，一般最大为6 8 0 ，对应最大转矩不超过7 l o n m ) 。本课题采用外国进口的 转向传感器，将扭杆的两端分别固定到传感器的两个转子上，其扭转角就反映为 两个转子间的相对转动角，这个相对转动角度引起滑变电阻值的改变，转化为变 化电压输出，就可以得至i 被测的转向盘转矩值。测量上述两个转子中的一个转过 的绝对角度值，就可以得到转向盘转过的角度。对这个角度值求微分，可得到转 向盘旋转的速度值。下图2 2 为转矩传感器的输出特性。当扭杆的转角在正负 8 度之间变化时，传感器输出的电压信号为其输入电压的l o 9 0 。例如，传 感器输入电压通5 伏电源，则当由扭杆引起的传感器转子间相对角度为2 度时， 输出电压为5 x 0 6 即3 伏。同时，传感器输出互补的另一路信号作为故障诊断 信号以保障系统的高可靠性。 输 出 电 压 ，、 。 l o _ 8 _ 6 _ 4 _ 20 24681 0 扭杆转角( 度) 图2 2 传感器输出特性图 7 暑；踟砷田加m o 天津大学硕士学位论文 第二章电动转向系统模型 2 1 3 助力电机1 2 9 1 1 3 4 1 助力电机提供的最大助力可达整个转矩的8 0 以上。目前轿车提供的电源为 1 2 v ，助力电机的额定电压也为1 2 v ，由于助力电机的功率一般较大，此时额定 电流也较大，易造成电机发热，一般该型电机为特制。依据所选取的微型汽车的 前轮负荷，计算出所需最大齿条力，再结合减速机构的减速比，得出电机的功率， 以此再选取合适的电机。为使电机输出转矩达到最大，电机的设计应尽可能大， 如，电机的外部尺寸可达9 4 r a m 有6 个铁氧化磁极，但同时因为车内空间及其 有限，电机的尺寸及安放部位受到很大的限制，所以应在允许的范围内设计电机 尺寸。最初，由于无刷电动机维护方便将其作为e p s 系统助力电机的首选，但同 样尺寸的无刷电机产生的转矩是有刷电机的2 3 ，同时有刷电机具有更好的控制 性能，所以选用有刷电机作为最终的选择。满足e p s 系统所需的电机要求： ( 1 ) 低转速时高转矩输出 ( 2 ) 低转矩波动 ( 3 ) 低摩擦、低转动惯量 电机电流过大会损坏控制器的电子器件，其他故障发生时也会使系统不能正 常工作而造成事故，因此要求电机必须安装电磁离合器，在发生故障时能够自动 断开，避免蜗轮带动蜗杆和电机，产生发电动势阻碍转向盘的转动，使系统进入 手动转向操作，避免事故的发生。电磁离合器安装在电机与蜗轮蜗杆之间，要求 能瞬间断开电机与离合器的连接。 2 1 4b c u e p s 系统的e c u 根据传感器输入信号进行计算，并驱动电机助力，是控制系 统设计的关键。e c u 包括信号模块，包括信号采集、放大、转换的接口电路，将 上述各个不同的电信号统一为微处理器可以识别的信号送入a d ；电流采样模块， 采集电机电流用于闭环控制；微处理器及其扩展电路，用于计算助力值，输出 p 硼信号，是e c u 的核心；电机驱动模块，根据微处理器输出的p 删信号驱动电 机转动；故障保护及显示模块，用于处理故障并显故障代码，保障系统安全性； 电源模块，给各个子系统提供稳定的电压和电流；c a n 通信模块，用于实现车内 信息共享。 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 图2 - - 3e c u 结构图 e c u 结构如图2 3 所示。e c u 选用m o t o r o l a 公司的d s p 芯片，进行信号的 采集与处理，按照编译的控制算法程序，完成例如对电源管理、故障代码的保存 与显示、电机驱动等功能。d s p 已经集成了a d c 模块，包括两个带有内置采保电 路的a d c 单元，每个a d c 单元有一个8 1 多路开关提供的8 个模拟输入通道，其 精度、采样频率均满足要求，可以直接与各路传感器相连。驱动单元根据d s p 输 出的p v f l 信号完成对电机的控制。故障显示通过液晶显示屏给出不同情况下的故 障代码。电源管理功能根据电池电压传感器的信号判断电池电压是否低于设定 值，若低于就通过故障代码显示报警并断开电磁离合器；若不低于设定值则直接 控制电源输入到功率单元进行电机控制。 2 1 5 故障保护及c a n 总线通讯1 a 4 1 1 3 5 】 转向系是汽车行驶安全性要求最高的车内系统之一，e p s 系统安全性能要求 是很高的，系统在实际运行中不可避免的会出现一些问题，这些问题可能直接导 致事故的发生。因此设计时所考虑的第一点就是它的故障显示以及失效保护，要 求必须建立故障保护模块，使驾驶员能够第一时间了解所出现的故障以便及时排 除。系统需要考虑的故障保护因素有： ( 1 ) 机械设计的强度、精度。机械传动机构如齿轮齿条机构的输入输出 轴，丝杠和转向传感器机构，必须保证高强度以及精密配合； ( 2 ) 电子器件的额定值以及使用寿命。如m o s f e t 管的功率和电机必须按 标准选择以保证高安全性。同时考虑车内的恶劣工作环境，要求其有足够的使用 9 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 寿命； ( 3 ) 误操作处理能力。如果发生对e p s 系统误操作，控制必须考虑到足够 自控性能； ( 4 ) 信号故障。保障采集信号的正确性，即使采集不到信号，系统也应有 能够避免事故发生的设计； ( 5 ) e p s 失效时的手动操作。当e p s 系统失效时，应立即由电动转向转换 为手动转向操作； ( 6 ) 故障显示。任何一部分出现故障时，显示屏应能将对应故障代码显示 出来。 引起系统故障的因素主要有以下几个：电源( 即车载电池) 的电压，如果电 压低于指定值，就无法得到所需要的电机转矩，- ；电机电枢电流，电机电流不 能过大，否则会烧毁e c t j 中的电子器件；转向盘转矩转角等信号，这是计算t 的 基础信号，必须保证正确。这些信号对于系统安全性都是至关重要的，必须进行 故障检测，例如转向盘转矩信号采有两路，一路用于计算l ，另一路用于监测 传感器是否工作正常。一旦c p u 发现了出现异常值的检测信号，立即将对应的故 障代码发送到c h n 总线上，经过总线传送到故障显示屏将代码显示出来，这样驾 驶员可以及时发现问题并采取相应的解决方法，大大提高了行驶的安全性。 8 0 年代以来，基于提高汽车安全、舒适、方便等性能的汽车电子控制系统 的开发研制越来越普及，例如防抱死刹车系统( a b s ) ，自动巡航系统( c c s ) ，电 动转向系统( e p s ) 等都已经投入了实际的应用中。由于汽车越来越广泛的采用 电子装置，汽车的电子化程度也被看作是一个国家汽车工业发展水平的标志。而 对这些控制系统实施有效、有序、集中的控制成为将电子技术应用于汽车中所需 解决的最大问题。首要的是对众多电子信号进行采集、传输与共享。将控制器局 域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t ，简称c a n ) 作为各个功能控制系统交换信号的 通道应用于汽车中，能够很好的解决这个问题。电动转向系统中汽车速度信号， 发动机转速信号，电源的电压信号由传感器检测到后送到c a n 总线上，通过总线 送到e p s 系统的d s p 进行处理。同时，e p s 系统将采集到的转向盘转矩信号发送 到c a n 总线上，实现与其他车内电子系统的信息共享。 2 2e p s 系统数学模型 由于系统是多变量、强耦合的非线性系统，同时系统存在未建模动态以及外 部的干扰和参数的变化等未知因素，因此建立适合于实际控制的e p s 数学模型是 控制设计的基础【3 6 】【3 7 】1 3 8 】。根据物理模型，可得至u e p s 系统的三自由度动态数学模 型，如图2 4 所示。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 lx 一 图2 - - 4e p s 系统数学模型图 根据牛顿运动定理，简化该非线性系统的转向轴、齿条轴、电机的线性运动 方程如下所示： ，。豉= 乃一k ，( b 一兰) 一允馥 气 ( 2 1 ) 树= 等 一旁一撕一+ 警c 六一等，( 2 - - 2 )c l ，。吃：乙一k 。( 以一生) 一k 六 ( 2 3 ) 式中乃为转向盘转矩；x ，埘，b 分别为齿条的位移量、质量和阻尼系数； 以，。，k 。，b ，分别为转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数、阻尼系数；为 齿轮半径： 巩，j 。，k 。，b m 分别为电机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻 尼系数；g 为电机至齿轮轴的减速比；e 。为轮胎转向阻力及回正力矩等作用 于齿条上的转向阻力。 式( 2 1 ) 为转向轴的动态方程。其中占。为转向盘转过的角度，三为小齿 t 轮转过的角度，k ，( 眭一与为转向传感器的输出，表现为测量到的转向盘转矩信 号，疋为转向盘的转矩输入。 式( 2 - - 2 ) 为齿条轴的动态方程。其中生( 或一三) 、堡坠( 氏一与分别 r tr sr l 7 5 天津大学硕士学位论文第二章电动转向系统模型 为转向轴力与助力电机经减速机构后引起的齿条位移。 式( 2 3 ) 为电机的动态方程。：其q h k 。( 氏鱼) 为电机的输出转矩，l 为 t 电机的给定电磁转矩。疋值的大小决定于电机的给定电流大小可表示如下： 乙= k k 旺一与( o k 。足) ( 2 4 ) 式中置。是转向助力增益。该值定义了转向“路感”1 3 9 o 即汽车在不同的行驶速 度时，在相同的转向角情况下，由于电机提供的助力值大小不同，使转向盘转矩 的大小发生变化，驾驶员不但感到转向轻便，同时又能充分感受到路面的信息。 因此，合理选择k 。可得到不同的转向“路感”。 天津大学硕士学位论文第三章电动转向系统控制策略研究 第三章电动转向系统控制策略研究 汽车运行过程中，需要频繁转动转向盘，这也意味着需要在多种情况对电机 进行控制。【s l 即】【4 1j 1 4 2 l 对本系统，采用三种控制两种补偿的控制思想。依据转向时 机的不同，转向中分为三种控制：常规控制，回正控制和阻尼控制。常规控制实 现对转向系统的助力，回正控制改善转向系统的回正性能，阻尼控制可有效抑制 电机的超调。两种补偿为摩擦补偿与惯量补偿，实现了由于该系统的非线性因素 所造成的电机响应慢、助力特性变差等的不利影响。 3 1 b p s 系统控制策略分析 3 1 1 电机模型分析1 4 3 l 为有助于控制策略分析，首先给出电机模型图右如3 一l 1 b 幽3 1 电机模型圈 电机两端电压与电机转运、电枢电流，。有关： = c ，中n + r 。，。 ( 3 一1 ) 式中r 。为电枢回路总电阻，c e 为与电机结构有关的常数，m 为每极磁通量。 电机电磁转矩乙与流过电机的电枢电流成正比，这样，。心可以化为 巧乙( 置，为比例系数) ，设e 西为k ，式( 2 4 ) 可以转化为下面的等式： = k r 乙+ 置( 3 - - 2 ) 由式3 - - 2 ，电机两端电压与电磁转矩l 、电机转速有关，通过求出乙 天津大学硕士学位论文 第三章电动转向系统控制策略研究 与n ，可以得到电机两端的电压。转向盘与电机之间可以看作刚性连接，因此 可以得到n = g 拧，g 为减速比，刀为转向盘转速。 3 1 2 系统控制策略分析 3 1 2 1 三种控制 常规控制：汽车转向时向某个方向转动转向盘，电机输出转矩直接作用在齿条 轴上，以减小施加在转向盘上的力此时处于常规控制。此控制状态下： ( 1 ) 车速信号与发动机转速信号经处理送入e c u ；如果发动机转速信号大 于某规定值，说明系统可阻正常工作； ( 2 ) 转向传感器输出转向盘转矩和转角信号以及其方向经处理送入e c u 的 a d ，得到转矩数据和转角数据，如果转矩方向与转向盘旋转方向相同，则进入常 规控制； ( 3 ) 依据助力特性曲线，对车速数据、转向盘转矩数据进行计算并得到此 时由电磁输出转矩得到的电机电压k r l 。助力特性曲线是不同车速下转向盘 转矩电机输出转矩的关系，由系统动态数学模型以及系统参数得到，不同车型的 助力特性也不相同； ( 4 ) 依据式= g 竹，由转向盘转速胛、减速比g 得到电机转速，并得 到此时由电机转速得出的电机电压k n ； ( 5 ) 将上述( 3 ) ( 4 ) 两部分的电机电压数据相加，得出此时电机两端的 总电压值，并以p w m 形式输出到电机两端。 此时，功率驱动单元的电路如下： d 图3 2 常规控制驱动电路 1 4 天津大学硕士学位论文第三章电动转向系统控制策略研究 首先判断转向盘旋转方向，向右旋转时，f e ta 、c 由e c u 输出的p 脉宽调 制( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 信号驱动导通( 其占空比大于5 0 ) ， 同时b 、d 导通，占空比小于5 0 ，电流从电源正极经过a 流过电机，再由c 流 回电源负极。电机也向右旋转。同理，左转时b 、d 以大于5 0 的占空比导通， a 、c 以小于5 0 的占空比导通。改变p 晰的占空比，即改变f e t 的导通时间， 就可以改变电枢两端电压的大小。 回正控制：当转向盘向右( 或向左) 旋转后需要回原位时，由于存在摩擦等阻力， 会阻碍转向盘自动回位，这就需要电机提供一个与转向盘原来旋转方向相反的力 矩帮助转向盘自动回正。也就是说，当检测到转向盘转矩方向与其旋转方向不同 时，开始实施回正控制。回正到转向盘的中间位置后，回正控制下的电机就不再 输出转矩，如果需要接着转转向盘，则转换为常规控制。 回正控制方式与上述常规控制相同，采集到的转向盘转矩方向与旋转方向不 同则进入回正控制。需要注意的是，此时助力特性曲线与常规控制的不同，助力 值比常规控制小。回正时转向盘在自回正力矩的作用下会自动回正，导致作用于 转向盘上的转矩减小，需要电机的转矩依据转向盘转矩的减小而平滑地减小。 d 图3 3 回正控制驱动电路 转向盘左转向结束后向右回正时，如图3 3 ，a 和c 同时导通其占空比由不 同信号控制，其中a 由电机旋转速度控制的p 删信号驱动，c 则由电机转矩0 控制的p w m 信号驱动，分别调节两路p 嗍信号的占空比以调节a 和c 的通断时间 从而改变了电机两端电压。反之，转向盘向左回正时，这两路信号驱动b 和d 。 阻尼控制：当快速旋转转向盘时，转向盘的瞬时角速度很大，电机输出的转矩也 很大，转向盘不再旋转后，由于惯性作用电机还没有停止转动，带动转向盘易造 成汽车的过多转向，这是极其危险的，尤其在车速较高时。需要阻尼控制使电机 天津大学硕士学位论文第三章电动转向系统控制策略研究 快速停止转动以改善转向稳定性。e p s 系统中，由于电机惯量的存在，转向系统 的惯量比传统转向系的惯量要大。阻尼控制倾向提高转向的收敛性，即当转向盘 停止动作时，电机也要求相应的停止转动，电机这种快速跟随转向盘停转的性能。 也就是说，当电机转矩比某规定值小( 意味着此时转向盘已经减小或停止动作) ， 电机旋转速度比根据当前车速得到的某特定值大时，进入阻尼控制。采用阻尼控 制能够使汽车高速行使时的侧滑角速度迅速收敛，改善高速时的转向稳定性。 图3 - 4 阻尼控制驱动电路 阻尼控制时如图