EPS选型报告.doc

项目编号 报告编号ASCL201009 002 保密级别 秘 密 吉吉 林林 大大 学学 汽车动态模拟国家重点实验室汽车动态模拟国家重点实验室 技技 术术 报报 告告 报告名称 EPS 选型报告 撰 稿 王 祥 邢海涛 审 核 李绍松 批 准 宗长富 项目名称 乘用车电动助力转向系统的研发 2 委托单位 重庆长安汽车有限责任公司 二二 一零年十一月三十日一零年十一月三十日 目目 录录 长安悦翔 1 5L 电动助力转向系统匹配 1 1 助力特性的匹配 1 2 助力电机的匹配 2 2 1 电机的布置形式 2 2 2 助力电机类型匹配 3 2 3 助力电机参数匹配 4 2 3 1 助力电机的尺寸匹配 4 2 3 2 助力电机的转矩匹配 4 2 3 3 助力电机的转速匹配 6 2 3 4 助力电机的功率匹配及验算 7 2 3 5 助力电机 PWM 驱动频率及转动惯量的匹配 8 3 减速机构的匹配 9 4 扭矩传感器的匹配 10 5 匹配结果 11 长安悦翔长安悦翔 1 5L 电动助力转向系统匹配电动助力转向系统匹配 电动助力转向 EPS 系统取代了传统的液压助力转向系统 能节约能量 提高主动安全性 且有利于环保 是汽车电控技术发 展的方向 电动助力转向直接依靠电动机来提供辅助转向力矩 电 子控制单元 ECU 通过对采集的车速信号和方向盘扭矩信号进行 分析 控制电机输出助力大小 对于长安悦翔 1 5L 车型的电动助力转向系统的开发 需要对整 个系统进行合理匹配 其中助力特性 电动机 减速机构和扭矩传 感器是 EPS 系统匹配的主要内容 1 助力特性的匹配助力特性的匹配 对于 EPS 系统 助力特性曲线是电动助力转向的控制目标 由 软件来设置 可以设计成车速感应型特性曲线 并可方便地进行调 节 对于永磁直流电动机 电磁转矩与电枢电流成比例 因此 EPS 的助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩之间的关系曲线表示 助力特性曲线主要包括三种类型 直线型 折线型和曲线型助 力特性曲线 根据悦翔 1 5L 版的整车参数 可以选择曲线型助力特 性曲线 如图 1 所示 曲线型助力特性对于方向盘主力要求较大时 描述的助力特性更加准确 2 I A Td Nm V 0 V Vmax I max Td0Tdmax 图 1 曲线型助力特性曲线 2 助力电机的匹配助力电机的匹配 助力电机是电动助力转向系统的核心部件 系统就是依靠助力 电机提供转向助力 从而改善轿车在低速行驶时的转向轻便性和高 速行驶时的路感信息 它的性能决定着整个系统的性能 所以电机 的匹配十分重要 助力电机的匹配问题包括结构选择和参数匹配两 大问题 结构选择问题包括 电机的布置形式 助力形式 和电机 类型的选择 参数匹配包括 电机尺寸 电机输出扭矩 电机转速 电机转子的转动惯量 电机的阻尼 电机轴的刚度 2 1 电机的布置形式电机的布置形式 电动助力转向系统根据电动机布置位置不同 分为轴助力式 齿轮助力式 齿条助力式三种 具体车型采用何种形式主要依据汽 车前轴的空间大小 前轴荷 电动机的特性等来确定 一般来说 从整车排量考虑 1 5L 以下的中小车型可以选择轴助力式电动助力 3 转向系统 2L 以上的大型轿车可以选择齿条助力式电动助力转向系 统 从转向器的齿条输出力考虑 8000N 以下的可以选择轴助力或 者小齿轮助力式电动助力转向系统 8000N 以上的可以选择齿条助 力式电动助力转向系统 从整车前轴轴荷考虑 9000N 以下的可以 选择轴助力或者小齿轮助力式电动助力转向系统 9000N 以下的可 以选择齿条助力式电动助力转向系统 本车型基本参数如表 1 所示 表 1 电机布置形式选型 排量齿条输出力 N 前轴轴荷 N 电机布置形式 1 5L最大 7000 8000满载 7800转向轴助力式 因此 选择转向轴助力式电动助力转向系统 这种 EPS 的电动 机固定在转向柱上 并通过减速机构与转向轴相连 直接驱动转向 轴实现转向助力 该方案的助力输入将经过转向器传递 所以对电 动机的最大输出力矩的要求相对较小 电动机布置在驾驶室内 工 作环境较好 另外由于电机的安装位置离驾驶员比较近 需要注意 电动机的噪声 2 2 助力电机类型匹配助力电机类型匹配 助力电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 它是系统的动力源 也是整个转向系统的关键部件之一 对电 机有如下要求 起动迅速 伺服性能好 低速下具有较大扭矩 转 4 动惯量小 噪声低 具有良好的机械特性 易控制 可靠性和安全 性高 维护方便 对其它控制电路的电磁干扰尽量小 尺寸小 质 量轻 尽可能节省空间大小并降低重量 使用 12V 的直流车载电源 因此选择 12V 直流电机作为助力电机 直流电机分为有刷直流电机 和无刷直流电机 对于本车型 属于中小型乘用车 所以选择永磁 有刷直流电机 采用的永磁有刷直流电机包括转动绕组 机械换向 器 电机的技术成熟 控制器结构简单 成本低 对于助力要求较 低的汽车 一般采用永磁有刷直流电机 符合本车型要求 表 2 电机类型匹配 电机类型额定电压 永磁有刷直流电机12V 2 3 助力电机参数匹配助力电机参数匹配 电机参数匹配本报告的重要部分 匹配内容包括电机尺寸 转 矩 转速 功率 PWM 驱动频率及转动惯量等内容 2 3 1 助力电机的尺寸匹配助力电机的尺寸匹配 由于本车型属于发动机前置前驱动乘用车 驾驶室内空间相对 紧张 并且附近有踏板机构及其附件 因此原则上电机的尺寸应尽 可能小 电机长度和直径协调设计使之与整车前轴布置相适应 2 3 2 助力电机的转矩匹配助力电机的转矩匹配 a 对于选定的转向轴助力式电动助力转向系统 主力电机的转 5 矩主要取决于汽车在原地转向时的转向阻力矩 即取决于前轴载荷 的大小 汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩可以按 1 G 下面的半经验公式计算 1 p Gf M R 3 1 3 其中 为轮胎和路面之间的滑动摩擦系数 一般取 0 7 为f 1 G 转向轴负荷 N 为轮胎气压 MPa p 经过验算 此半经验公式误差较大 而且存在未知的机械参数 又因为原有液压机构的参数未知 且即使参数已知液压保护系数的 影响而使存在一定误差 在这里使用一种对比参照的方法 比较一 种成型的同车型乘用车 结合本车参数对电机助力转矩进行匹配 参考车型参数如表 3 所示 表 3 参考车型齿条力参数 满载前轴载荷 1 G齿条力 1 F 974kg9600N 根据转向系统机械结构有 2 LFM R 其中为齿条力 为转向节臂长 FL 而且因为考虑车型与参考车型转向节臂长基本相同 结合 1 2 得所考虑的车型的齿条力 3 6946 974 785 9600 3 1 1 G G FF 转化为助力电机经过减速器减速后在转向柱上的扭矩 为转r 6 向轴齿轮节圆半径 4 m 5 53 2 0154 0 6946 2 d FrFTmax 要求方向盘力矩不超过 考虑电机从方向盘力矩为零开始m4 满足转矩条件 因此 助力电机的转矩匹配如表 4 所示 表 4 助力电机的转矩匹配 满载前轴 载荷 kg 最大齿 条力 N 助力电机经减速机构 输出最大转矩 Nm 785694653 5 2 3 3 助力电机的转速匹配助力电机的转速匹配 对于选定的助力电机类型 永磁有刷直流电机的机械特性曲线 如图 2 所示 为了满足转向轻便性要求 需要使在方向盘转速范围 内 电机减速后都能输出一定的转矩 即 max T 0 T Nm max s 图 2 助力电机机械特性曲线 因此得到电机转速匹配要求 5 mdmax g max 7 其中为方向盘最高转速 为助力电机减速机构的减速比 dmax m g 为电机最高转速 max 在我国 操纵稳定性试验标准规定的方向盘转速不小于 dmax 而美国的 ESV 试验为不小于 实际试验数据表明 s 250 s 250 在驾驶员进行紧急避让时 可以比这个还要大很多 例如 根据美 国国家公路交通安全管理局 NHTSA 的调查 驾驶员在进行紧急避 让的时候 可以达到左右 dmax s1000 这里用到了助力电机减速机构的减速比 它对电机输出转矩起 到放大作用 同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用 因 此影响系统的动态性能 减速比还会影响减速机构的尺寸 布置空 间和传动效率等 因此在减速机构匹配中进行设计 2 3 4 助力电机的功率匹配及验算助力电机的功率匹配及验算 选择助力电机额定功率一般分为三个步骤 一 计算电动机的 负载功率 进行预选 二 助力电机的过热验算 三 助力电机的 过载验算 由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同 电动机的工作 负载也表现出不同的负载类型 匹配选择时 应综合考虑各种不同 的负载情况 选择略大的电动机功率 一 电动机负载功率的计算 电动机的负载功率要根据具体的负载功率及效率来进行计算 电动机的负载功率可采用下式来估算 est P 6 maxmaxdest TP 其中 为转向柱转矩 为转向盘最高转速 为考虑 max T maxd 8 电动机 减速器的等效功率系数 一般的取值范围为 1 2 2 5 考虑到电动机的连续工作制运行工况 电动机的额定功率应 N P 满足 7 estN PPmax 考虑到电机功率的利用效率 取为 1 2 则额定功率 8 W5602 1 s500 5 53max estN PP 二 助力电机的过热验算和过载验算 因为要预选电机 所以 暂时无法计算 若预选的电动机过热 过载能力不够 则要重选助力电机及额 定功率 直到满足要求为止 2 3 5 助力电机助力电机 PWM 驱动频率及转动惯量的匹配驱动频率及转动惯量的匹配 1 助力电机 PWM 驱动频率的匹配 电动机端电压由 PWM 方式获得 PWM 频率对电动助力转向系 统的工作具有重要的影响 PWM 的驱动频率要考虑与机械系统固有 频率的关系 对电枢电流纹波的影响及对人的噪声影响 同时还要 考虑开关时电流脉冲峰值对开关管及电动机安全的影响 机械系统的固有频率一般低于 100Hz 应使 PWM 周期远小于 机械系统的固有时间常数 PWM 频率可在 2 20kHz 范围选择 这 种选择在大多数情况下不会影响机械系统的正常工作 随着 PWM 频率的提高 电动机的电枢电流会更加平滑 且易 于电流连续 同时 高的 PWM 频率会减弱噪声影响 当调制频率 超过 15kHz 时 对人的噪声影响消失 但高的 PWM 频率也会引起 9 开关管发热增加 电磁干扰严重和电磁兼容性的要求提高等不利影 响 因此 选取 PWM 频率时 应综合考虑 PWM 频率对机械系统 固有频率的影响 以及电枢电流的平滑要求 通过多次选取比较 选择合适的 PWM 频率 2 助力电机转动惯量的匹配 从转向盘力特性和横摆角速度响应两方面考虑 电机转动惯量 对系统动态性能有很大影响 为保证系统稳定 电机转动惯量应尽 可能小 数量级为 同时电机阻尼应与转动惯量和电机轴 34 10 10 刚度匹配 3 减速机构的匹配减速机构的匹配 对于减速机构而言 减速比是电动助力转向系统匹配设计的重 要参数 它主要从以下几个方面影响着系统的性能 首先 减速机 构的减速比对助力电机的输出扭矩起到放大的作用 这样它就会间 接影响到系统的力特性 其次 减速机构的减速比还对助力电机的 转动惯量等电机参数起到放大的作用 因此 它还会间接的影响到 系统的动态性能 此外 减速比的大小 影响着减速机构的尺寸 布置空间以及传动效率及其逆效率 这些都影响着系统的性能 对 于减速机构减速比的考虑 也就是助力电机与减速机构的匹配问题 在本报告的 2 3 2 节中提及的是电机经过减速机构减速之后 max T 的输出转矩 而本节用表示电机部分的转矩 表示转向盘 Mmax T Dmax T 10 转矩 代表电机减速机构的减速比 那么有 g 9 g TT T Dmaxmax Mmax 减速比的选择应充分考虑与电动机的匹配 越大要求gg 越小 这样可减小电动机尺寸 降低电动机的制造成本 并且 Mmax T 易于在车上布置 但是越大 要求助力电机转速越高 电动机的g 力矩波动也易传到转向盘上 同时减速机构尺寸也越大 减速机构 参数如表 5 所示 表 5 减速机构匹配 减速机构类型减速比与电机最大转矩 涡轮蜗杆 g 56 TMmax 4 扭矩传感器的匹配扭矩传感器的匹配 扭矩传感器是 EPS 的关键传感器 在选择类型时 考虑经济型 与功能性统一的原则 接触式传感器价格便宜 功能性差 主要是 电位计式 非接触式传感器功能性好 但价格贵 主要有电磁感应 式 光电式和超声波式 扭矩传感器输出值决定电动机的助力大小 电动机的最大输出 力矩是有限的 根据助力特性曲线 在最大转向盘力矩输入情况下 电动机的输出力矩将达到最大值 因此扭矩传感器量程应大于助力 电机最大输出力矩时对应的转向盘力矩输入 因此选择扭矩传感器 11 的量程 对应