（机械设计及理论专业论文）电动助力转向系统的控制及试验研究.pdf

摘要 摘要 汽车电动转向系统 e p s 是近年来出现的新一代智能化助力转向系统 与 传统的转向系统相比 电动助力转向系统具有智能 节能 环保 主动安全性高 结构简单 安装方便等显著特点 电动助力转向系统主要由机械转向器 电子控制单元 助力电机 减速机构 转矩转角传感器 车速传感器等部分组成 它通过控制策略和控制算法给助力电 机指令实现助力大小随车速变化而调整 比较好地解决了在助力转向中 驾驶员获 得不同转向路感的问题 论文首先分析和研究了电动助力转向系统的的机械部分 和电气部分的各构成环节和作用 介绍了本文应用的研究方法多体系统运动学理 论以及在此基础上应用的多体动力学分析软件a d a m s 并在a d a m s v i e w 中建 立了电动助力转向系统的动力学模型和简单的助力和回正控制策略 为了更好的研究电动助力转向系统的动态特性 在a d a m s v i e w 中建立含 有电动助力转向系统的整车模型 并研究了无助力情况下整车转向力矩和回正的 情况 为研助力曲线提供基础 论文在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了电动助力转向系统控制策略 电机电流 p i d 控制器等控制模块 并建立了助力电机的仿真模型 利用a d a m s 和 m a t l a b 的接口进行了电动助力转向系统的动态转向的联合仿真试验 研究了 电动转向系统动态转向过程中的助力特性和回正特性 本文的仿真试验研究为以 后的电动助力转向系统的研究提供了一种方便有效的研究方法和途径 本文研究中 以工业控制计算机为核心 以m a t l a b s i m u l i n k 为软件控制 程序和接口程序 以工业控制采集卡为控制硬件接口建立了电动助力转向系统的 静态半物理模型试验台 发现并解决了在仿真试验中出现的硬件问题 本论文试 验台的搭建为电动助力转向系统的模拟试验研究提供验证依据 并为深入研究电 动助力转向系统提供了试验基础 关键词 电动助力转向系统 多体运动学 虚拟样机 助力特性 回正特性 控制策略 半物理模型试验台 广东工业大学工学硕士论文 a b s t r c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m e p s a p p e a r e dr e c e n t l yi san e wg e n e r a t i o no f i n t e l l i g e n tp o w e rs t e e r i n gs y s t e m c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp o w e rs t e e r i n g s y s t e m t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha s m o r e i n t e l l i g e n t e n g i n ee f f i c i e n c y e n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t y s a f ei n i t i a t i v e s i m p l ei n s t r u c t u r e e a s yf o ri n s t a l l a t i o n e t c n o w i ti sw i d e l yu s e di na d d i t i o nt ol a r g e p a s s e n g e rv e h i c l e so t h e rt h a np a s s e n g e rc a r si na 1 1 e p si sm a i n l yc o n s i s t e do fm e c h a n i c a ls t e e r i n gp a r t s t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t a s s i s tm o t o r r e d u c t i o nm e c h a n i s m t o r q u es e n s o r s t e e r i n gw h e e la n g l es e n s o r s p e e ds e n s o r a n do t h e rc o m p o n e n t s i ta d o p t e dc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o l a l g o r i t h mt oc o n t r o la s s i s tm o t o rw h i c hg e n e r a t ea s s i s tt o r q u ea c c o r d i n gt ot h e s t e e r i n gt o r q u ef r o mt o r q u es e n s o ra n dt os t e e r i n ga n g l ef r o ms t e e r i n ga n g l es e n s o r i to f f e r sab e t t e rs o l u t i o ni nt h ep o w e rs t e e r i n gt h a tt h ed r i v e rc a nh a v eav a r i o u s s t e e r i n gf e e l si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s f i r s t l yt h ea u t h o rd i v e di n t ot h ea n a l y s i sa n d s t u d yo fe v e r yp a r t o fe p s s e c o n d l y m u l t i b o d yd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r e a d a m sw a si n t r o d u c e dw h i c hi sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h e o r yo fm u l t i b o d y s y s t e mi n t h i sk i n e m a t i c s t h e nas i m p l ek i n e t i cm o d e lo fe p se s t a b l i s h e di n a d a m s v i e w t o ws i m p l ec o n t r o ls t r a t e g i e sw e r et e s t e db a s e do nt h ee p sm o d e l i no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe p s t h ev e h i c l em o d e li s e s t a b l i s h e di na d a m s v i e w w h i c hc o n t a i ne p s a s s i s t t o r q u ea n dr e t u r n t o c e n t e r p e r f o r m a n c ew a ss t u d i e db a s e do nt h ev e h i c l em o d e l t h ed a t ag o tf r o ms i m u l a t i o n t e s tw i t h o u ta s s i s tt o r q u ew o u l dp r o v i d eab a s i sf o ri d e a la s s i s tc u r r e n tt a b l e i nt h em a t l a b s i m u l i n k e p sc o n t r o l s t r a t e g ym o d u l ea n dt h ee l e c t r i c a l c u r r e n tp i dc o n t r o l l e rm o d u l ew a se s t a b l i s h e d a sw e l la st h em o d e lo fa s s i s tm o t o r t h r o u g ht h ec o s i m u l a t i o no fa d a m s v i e wa n dm a t l a b s i m u l i n k t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fa s s i s tp e r f o r m a n c ea n dr e t u r n t o c e n t e rp e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d t h e p a p e rp r o v i d e dac o n v e n i e n ta n d e f f i c i e n tw a yf o rt h es t u d yo fe p s 1 1 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r s e m i p h y s i c a lm o d e lt e s tb e n c hw a sb u i l tu pw h o s eh e a r ti s i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r t r o u g hm a t l a b s i m u l i n k c o n t r o ls o f t w a r ei n t e r f a c e i sm a d ep o s s i b l ea n di n d u s t r i a lc o n t r o lb o a r di su s e da sh a r d w a r ei n t e r f a c e d u r i n g m o c k u pt e s t s o m ep r o b l e m si nt h eh a r d w a r ew a sd i s c o v e r e da n ds o l v e dp e r f e c t l y t h i ss e m i p h y s i c a lm o d e lt e s tb e n c ho f f e r e dag o o dm e t h o dt o t e s ty o u rc o n t r o l s t r a t e g ya n dc o n t r o la l g o r i t h m a sw e l la saa g r e e a b l ew a yt of u r t h e rs t u d ye p s 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 gs y s t e m m u l t i b o d yk i n e m a t i c s v i r t u a l p r o t o t y p e p o w e r a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c s r e t u r n t o c e n t r e c h a r a c t e r i s t i c c o n t r o l s t r a t e g y s e m i p h y s i c a lm o d e lt e s tb e n c h i i l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 除论文中已标明引用的内容外 本论文不包含任何其它 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集 体 均已在文中以明确的方式标明 并表示谢意 本人完全意识到 本声明的法 律结果由本人承担 7 5 指导老师签名 论文作者签名 2 0 0 8 年5 月 钟哨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 理论及意义 1 1 1 研究背景 汽车在行驶的过程中 经常需要改变行驶的方向 称为转向 轮式汽车是通 过转向轮 一般是前轮 对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的 驾驶者用来改变 或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统 乜 自汽车诞生以来 随着汽车工业的不断发展 为了保证车辆在任何工况下转 动方向盘时 都有较理想的操纵稳定性和转向轻便性 即使在车低速行驶或原地 转向情况下转动方向盘也能轻便灵敏 而高速行驶时又不会感到轻飘不稳 人们 对转向统进行了不断地改进 汽车转向系统经历了机械式转向系统 液压助力转 向系统 电液控制助力转向系统 到目前转向系统发展的新趋势一电动助力转向 系统 机械式转向系统应用最早 由于采用纯粹的机械解决方案 并单纯以人力为 转向力源 为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘 这样一来 占 用驾驶室的空间很大 整个机构显得比较笨拙 驾驶员负担较重 特别是重型汽 车 由于转向阻力较大 很难实现转向 这就大大限制了其使用范围 但机械式 转向系统因结构简单 工作可靠 造价低廉 目前在一部分转向操纵力不大 对 操控性能要求不高的微型轿车 农用车上仍有使用 1 9 5 3 年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统 此后该技术迅速发展 使得动力转向系统在体积 功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步 8 0 年 代后期 又出现了变减速比的液压动力转向系统 在接下来的数年内 动力转向 系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统 比较有代表性的是变流量泵液压 动力转向系统 v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp o w e rs t e e r i n gp u m p 和电动液压助力转向 e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 简称e h p s 系统 变流量泵助力转向系统在 汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下 泵的流量会相应地减少 从而有利于减少不必要的功耗 电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵 由于 广东工业大学工学硕士学位论文 电机的转速可调 可以即时关闭 所以也能够起到降低功耗的功效 液压助力转 向系统使驾驶室变得宽敞 布置更方便 降低了转向操纵力 也使转向系统更为 灵敏 由于该类转向系统技术成熟 能提供大的转向操纵助力 目前在部分乘用 车 大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用 经过几十年技术革新 出现了电 液控制助力转向系统 然而 基于液压动力的助力转向系统 无论怎样的技术革 新 都不能克服其自身在布置 安装 密封性 操作灵敏度 能量消耗 噪声等 方面的问题 随着汽车工业的发展和人们对汽车的操纵性和安全性要求的进一步提高 原 有的转向系统已经渐渐不能满足消费者的需求 电动助力转向系统 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 简称e p s 应运而生n 电动助力转向系统中已经没有液 压系统 原来由液压系统产生的转向助力由电动机来完成 电动助力转向系统最 先应用于日本的微型轿车上 1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车装备 e p s 随后将其应用于a l t o 等车型上 在此之后日本的大发汽车公司 三菱 汽车公司 本田汽车公司均研制出适合各自车型的e p s 并在大发m i r a 三菱 m i n i c a 本田a c c o r d 等车型上批量应用 而目前e p s 技术发展最快 应用较成 熟的当属t r w 转向系统和d e l p h is a g i n a w 萨吉诺 转向系统 d e l p h is a g i a w 萨 吉诺 转向系统又代表着转向系统技术发展的前沿 目前d e l p h i 公司已为大众公 司的p o l o 欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 等车型开发出e p s t 钉 t r w 己经为 f o r d m a z d a 等公司开发出e p s 系统 并由此带来各大汽车厂开发使用e p s 系 统的狂潮 大大促进了e p s 技术的发展 经过近二十年的发展 e p s 技术日趋 完善 其应用范围从最初的前轴负荷较小的转向柱助力式e p s 微型轿车向前轴 负荷较大的大型轿车 商用客车 货车方向发展 e p s 系统的助力形式也由低速 转向柱助力型向全速 齿条助力型发展 新一代的e p s 不仅克服了以往只能在 低速范围内助力的缺点 还能在高速时助力并提高汽车的操纵稳定性 1 1 2 电动助力转向系统 随着微电子技术的发展及其在汽车领域的广泛应用 电动助力转向系统成为 世界汽车技术研究的重点及热点 e p s 由于具有使汽车的经济性 动力性和机动 性均大大提高的诸多优势 紧扣了当今世界节能和环保两大主题 适应了现代汽 2 第一章绪论 车的要求 受到国内外各汽车生产企业的广泛重视 并越来越受到消费者的青睐 s l 图i i 是转向系统在汽车中的安装状态 电动助力转向系统就是在现有的机 械转向系统上加上助力控制系统 电动助力转向系统与液压助力转向系统相比较有以下优点 m m 1 突出的节能特性 电动助力转向系统为 按需供能力 即当汽车需要转向 时才提供助力 根据不同的路面情况提供不同的转向助力 与液压助力转向系统 相比 其取消了液压元件 减少了寄生能量的损失 2 良好的环保特性 采用 绿色能源 电能 适应现代汽车发展要求 由 于不使用液压系统 因而不存在油液泄漏造成的污染和安全隐患 图1 1 汽车转向系统安装状态 f i g 1 1m o u t i n gs t a t eo fs t e e r i n gs y s t e m 3 设计新颖 结构紧凑 安装体积小 质量轻 安装位置选择容易 装配 自动化程度高 调整 检测 维修方便 通过设置不同控制策略程序与不同车型 匹配 大大缩短开发和生产周期 4 工作可靠 该系统取消了油泵 皮带 皮带轮 液压软管 液压油及密 封件等 故其零部件比液压转向系统大大减少 从而提高了整个系统的可靠性 使汽车的安全性也得到加强 3 广东工业大学工学硕士学位论文 5 稳定性好 通过软件控制 本系统减小汽车低速行驶时的转向操纵力 提高汽车高速行驶时的转向稳定性 提高汽车主动安全性 并能通过电子控制器 设置不同的转向回力特性来满足不同使用对象的需求 6 高抗干扰性能 对汽车行驶时的侧向力和侧风带来的影响有很好的校正 作用 7 提高了转向跟随性 电机直接作用于转向机构 克服了液压助力系统的 迟滞效应 同时 由于利用了惯性减震器来减少车轮的反转和转向前轮摆振 因 而提高了转向盘的跟随性能 8 转向回正性好 在电动助力转向装置中 可以充分发挥软件编程的优势 根据不同的车速和不同的车况 控制电机提供不同的助力特性和与车辆动态性能 相匹配的转向回正特性 1 1 3 研究的目的和意义 汽车业是推动科学技术发展的龙头产业 也是推动国民经济发展的支柱产 业 自我国 十五 计划中提出 鼓励轿车进入家庭 的政策以来 我国汽车保 有量持续以超过1 0 的年增长率激增 2 0 0 7 年1 6 月份 全国汽车产量达到 4 4 5 6 7 万辆 其中轿车产量为2 3 5 8 9 万辆 估计全年汽车产量将有可能突破8 0 0 万辆 在未来几年 我国汽车产量仍将保持较快的发展速度 按国家发改委的 十 一五 规划 至2 0 1 0 年 我国汽车产量将达到1 0 0 0 万辆 我国汽车产销量的高 速增长 为我国汽车配件企业提供了广阔的市场需求空间 面对国内广阔的市场前景和国外领先的技术水平 在国外的技术封锁下 国 内在这方面的研究刚起步 但仅有一些院校开展了电动助力转向系统的研究 并 且都处于实验室研究阶段 清华大学汽车系在e p s 领域进行了研究 并取得了 很大的进展 在控制策略 电动助力转向硬件及台架方面 目前处于国内的研究 的前列 1 9 9 3 年 清华大学汽车工程系教授指导硕士研究生进行了e p s 系统的 探索性研究 清华大学的季学武教授还申请了 一种车用光电式扭矩传感器 的 专利n 钉 因为扭矩传感器是电动助力转向的核心部件 清华大学通过与南京汽车 集团有限公司进行e p s 的合作 并获得国家 清华大学和江苏省等各类基金的 资助 吉林大学也进行e p s 的研究 并制作了试验台架 取得许多的试验数据 4 第一章绪论 为下一步的研究开发提供有用的试验数据 华中科技大学 江苏理工大学和天津 大学也对e p s 的转向特性和转向盘力等进行了理论方面的研究 这些研究都对 下一步的电动助力转向的研究打下了一定的基础 虽然国内的院校取得了一定的研究成果 国内的企业少量研制了电动助力转 向系统 但是 其成果与实际应用还有一定的差距 理论层次不及国外企业的研 究深入 国内企业与院校合作试制的电动助力转向产品的各方面的性能还不能和 国外同类产品 本论文的研究将实现以下目的 1 建立包含电动助力转向系统的汽车动力学模型 对汽车整车转向过程中 转向系统性能进行分析 通过对建立模型的仿真分析 获得汽车运动过程中的各 种数据 同时可以对控制器进行校验 不断的完善和改进控制策略及控制算法 通过建模仿真的方法 不仅可以节约经费 弥补了院校研究成本的限制 更重要 的是能够缩短研发的时间 为企业的快速响应客户的需求提供了便利的途径 2 建立更为简洁可靠的模拟试验台 本论文所建立的模拟试验台 将克服 由于硬件设计不合理 给控制的实现带来的限制 不再利用单片机作为控制的核 心 而以计算机的接口直接输出控制信号 进行助力控制 此试验台也有助于节 约试验成本 缩短控制程序的开发时间 3 研究 验证控制策略 本论文的研究将为我国打破国外的技术封锁 使 电动助力转向系统真正的国产化做出贡献 同时为研究电动助力转向系统和全助 力转向系统的研制开发提供新的途径和方法 1 2 电动助力转向系统的国内外研究现状 清华大学的陈奎元教授对e p s 的助力控制 回正控制和阻尼控制分别进行 了研究 季学武教授对e p s 采用带有助力和阻尼两种模式的综合控制方式 提 出一种针对占空比和控制模式的修正方法 哈尔滨理工大学的王野依据e p s 系统输入信号 扭矩和车速信号 建立了电 动助力转向的b 氏模型 并进行了控制器的数学建模 为了提高系统的稳定性 采用h 8 控制理论对电动助力转向系统控制器进行设计 并对样机进行了模拟试 验 验证了该系统的合理性和可靠性 5 广东工业大学工学硕士学位论文 吉林大学的沈长富通过对方向盘回正力矩的建模 模拟生成了为驾驶员提供 路感的方向盘回正力矩 利用所提出的前轮转向控制算法 对横摆角速度和侧向 加速度进行反馈控制 提高了汽车的稳定性 合肥工业大学的刘俊对e p s 的单片机控制进行了研究 王其东建立了基于 笛卡儿坐标的e p s 多刚体动力学模型 轮胎模型及整车二自由度转向模型 采 用基于p i d 的模糊神经网络控制方法进行控制u 陈无畏和王启瑞将模糊规则分 为较大把持力矩和较小力矩两种 采用双模糊表的方式对e p s 进行控制 华中科技大学的刘照对电动转向系统中两种辅助转向传动机构方案 蜗轮蜗 杆机构方案和差动轮系机构方案 进行了分析 得出这两种方案对转向灵敏性和 转向路感的影响 唐新蓬定性地说明了e p s 系统的控制方式和结构参数对汽车 转向盘阶跃输入下的稳态 瞬态和频率响应特性的影响 任延对e p s 的硬件在环 仿真系统进行了设计 分析了软硬件构成和动态模型结构 武汉科技大学的宋武强通过仿真表明 采用简单的直线型助力特性曲线无法 同时满足转向轻便性和防止路面冲击的要求 提出了对直线型助力特性进行补 偿 在此基础上 确定了电动助力转向系统的控制策略 并设计了电动机电流的 闭环控制算法 目前国外对e p s 的研究主要如下 三菱公司开发出可用于评估e p s 控制策略的操作模拟器 可方便地对基于 方向盘转角 加速踏板位置 以及制动踏板位置的具有十一个自由度的汽车运动 进行计算同时提出了一种提高e p s 在低附着路面上的操控性的控制策略 通过 使用转向盘转角反馈或评估校正力矩反馈以提供更高的转向盘回正性和路感 此 外在减轻电流波动方面 提出了对扰动电压进行估计和补偿的方法 减少了转向 时的噪声和力矩的波动 在提高回正性方面 开发了一种对轮胎和路面作用产生 的回正力矩进行估算的方法 并通过试验证明其有效性 美国的y g l i a o h i d u 采用a d a m s 动力学分析软件和m a t l a b 仿真软件 对基于多刚体的e p s 整车动力学模型进行了联合仿真 a l yb a d a w y j e f fz u r a s k i 等人提出建立动力学模型简化方法 以及对控制方 法的仿真分析 m o d e l i n ga n da n a l y s i so fa ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 1 1 3 儿1 4 o 韩国的j i n o o nk i m j a e b o ks o n g 提出直接控制方向盘转矩的控制策略 分 6 第一章绪论 别采用助力和回正两种控制方式 通过硬件仿真 证明其提高了方向盘的回正特 性 d e l p h i 公司提出在e p s 系统控制器中入横摆角速度反馈以增加系统的操纵 稳定性 同时建立了 人 车 一体化的仿真模型 结果表明该方法有助于稳定 人一车 闭环控制系统 目前 国外电动助力转向技术正朝向线控式助力转向系统发展n 钉 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于粤港澳关键领域重点突破项目招标项目 精密制造技术及产 品 中的子项目 新型汽车及零部件 招标编号为2 0 0 6 4 9 8 2 3 1 3 2 论文的主要工作和结构 本课题中主要完成以下工作 1 通过对国内外相关文献的学习 型 特点 发展方向等进行分析 2 通过对整车模型的分析 简化 对电动助力转向系统的原理 结构 类 应用多体动力学仿真软件a d a m s 建立 的电动助力转向系统动力学模型 并进行定性分析所建立动力学模型在电动助力 转向控制中的应用有效性 3 建立包含电动助力转向系统的车辆模型 其中包括前悬架模型 后悬架 模型 电动助力转向转向系模型 轮胎模型 传动模型及路面谱模型 应用加载 助力的方法 使仿真更加真实 仿真结果更加可靠 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立助力电机的模型以及设计控制器 与a d a m s 中建立的汽车动力学模型相结合 进行联合仿真分析 验证模型及控制算法 5 模拟试验台的建立 包括硬件电路的设计 本论文分为6 章 第一章绪论叙述了文章的研究背景 理论 目的意义及国 内外研究现状 第二章电动助力转向系统的原理和建立电动助力转向系统的动力 学模型 第三章对汽车整车进行简化分析 并利用a d a m s 建立整车 包括电动 助力转向系统 的动力学模型 编制仿真相关文件 第四章在m a t l a b s i m u l i n k 7 广东工业大学工学硕士学位论文 中建立电机的控制模型和控制器 与a d a m s 进行联合仿真 校验模型的可行性 和控制的可行性 第五章进行控制电路的硬件设计和模拟试验台的搭建 第六章 模拟试验中遇到的问题和解决方式的论述 8 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 2 1 电动助力转向系统系统原理 2 1 1 电动助力转向系统的分类 在机械转向系统的基础上 合理地添加助力系统就得到电动助力转向系统 e p s 系统根据其助力电机安装位置的不同 其结构和布置形式是多种多样的 根 据汽车前轴负荷的不同 助力电机的安装位置不同 当前轴负荷较小时 电机及 减速装置与转向轴相连 当前轴负荷中等时 电机及转向器与转向小齿轮相连 当 前轴负荷较大时 电机及减速器则与转向器齿条轴相连 对于转向轴驱动和转向 齿轮驱动的e p s 系统 采用的减速器通常为双级圆柱齿轮式 蜗轮蜗杆式或者 双排行星齿轮式 考虑到可靠性问题 e p s 三种不同的形式n 1 图2 1 转向柱式电动助力转向系统 f i g 2 1c o l u m ne p s 俐 图2 2 齿轮式助力转向系统 f i g 2 2p i n i o ne p s 如图2 1 转向轴驱动 c o l u m nt y p e 方式 e p s 的电动机固定在转向轴的一侧 通过减速机构与转向轴相连 直接驱动转向轴助力转向 其特点是结构紧凑 此 9 广东工业大学工学硕士学位论文 类型一般在前桥载荷较小的轿车上使用 在图2 2 中 转向齿轮助力式转向系统 p i n i o nx y p e 的转矩传感器 电动 机 离合器和转向助力机构体 整体安装在转向齿轮处 直接给小齿轮助力 可 获得较大的转向力 该可使各部件布置更方便 但当转向轴与转向器之间装有万 向节传动装置时 转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上 其助力控制 特性难以保证准确 图2 3 齿条直接驱动式助力转向系统 f i g 2 3r a c kd i r e c td r i v ee p s 转向齿条式 r a c kr y p e e p s 的转矩传感器单独地安装在小齿轮处 电动 机与转向助力一起安装在小齿轮另一端的齿条处 用以给齿条助力 该类型又根 据减速机构的不同可分为两种 如图2 3 一种是电动机做成中空的 齿条从中 穿过 电动机通过一对斜齿轮和螺杆螺母传动副和与螺母制成一体的铰接块传给 齿条 这结构是第一代电动助力转向系统 由于电动机位于齿条壳体内 结构复 杂 价高 维修也很困难 图2 4 齿条斜交式助力转向系统 f i 9 2 4 r a c k c r o s se p s 如图2 4 另一种是电动机与齿条的壳体相互独立 电动机动力通过一小齿 轮传给齿条 由于易于制造和维修 成本低 已取代了第一代产品 因齿条由独 立的齿轮驱动 可给系统较大的助力 主要用于重型汽车 1 0 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 2 1 2 电动助力转向系统的组成 目前 电动助力式转向系统无论其布置 安装形式如何不同 在国际上应用 的电动助力转向系统大多由机械转向器 助力电机 减速机构 方向盘扭矩转角 传感器 车速传感器和电子控制单元组成 特别说明的是在有些电动助力转向系 统中 电动机的扭矩输出还要经过离合器 本论文设计的电动助力转向系统不需 要离合器 直接用软件控制 本论文的研究中将采用管柱式电动转向系统作为研 究对象 如图2 5 为管柱式电动助力转向系统原理图u 7 1 图2 5 电动助力转向系统组成原理图 f i g 2 5p r i n c i p l eo fc o m p o n e n t so fe p s 机械转向器是电动助力转向系统中主体 所有的助力作用都是在机械转向系 统的基础上完成的 助力电动机是电动助力转向系统的动力源 在目前的研究中 通常采用无 刷永磁直流电动机 而实际产品更多应用的是有刷永磁直流电机 其根据电控单 元的指令输出转矩 电动机的性能对整个转向系统的影响非常大 所以 对电机 有多方面的要求 低转速 波动小 转动惯量小 尺寸小 质量轻 而且要求其 性能可靠 控制性能好 针对e p s 的要求 通常对电机结构做一些处理 比如 在电机转子周缘开设不对称或者是螺旋状的环槽 依靠特殊的形状的定子产生不 均匀磁场来提高电机的机动性n 在本论文的研究中将采用有刷直流电机 因为 有刷直流电机结构比较简单 性能可靠 在不需要助力的情况下 电机可以自由 广东工业大学工学硕士学位论文 转动 不会如伺服电机一样在没有输入信号下卡死而对转向造成影响 转矩转角传感器用于测量方向盘的转角及驾驶者施加在方向盘上的转矩和 转角心 减速机构将电动机输出的转矩传递到机械转向器上 要求减速器的体积小 转动惯量小 在目前管柱式电动助力转向系统中应用较多的减速机构有两种 行 星齿轮式减速机构和蜗轮蜗杆式减速机构 由于蜗轮蜗杆式减速机构的体积更小 而且减速比大 再加上在蜗轮蜗杆表面镀上耐摩擦的纳米材料 使得蜗轮蜗杆式 减速机构更多地得到应用 电子控制单元根据采集的方向盘转角信号 转矩信号和车速信号对电机进行 输出转矩控制 它是电动助力转向系统的控制核心 在目前的研究中电子控制单 元以普通的单片机为控制核心或以d s p 为控制核心 但由于对转向动态响应和 更大的数据处理能力要求 d s p 为核心的电控单元被普遍应用 电动助力转向系统的基本工作原理是当驾驶者转动方向盘带动转向轴转动 时 安装在转动轴上的转矩传感器便将转矩 转角信号转化为电信号并传送至微 处理器单元n 微处理器单元根据转矩信号并结合车速信号等其他车辆运行参 数 按照事先在程序中设定的处理方法 助力表 得出助力电动机助力的方向和 助力的大小 从而获得理想大小的助力 助力表 图2 6 电动助力转向系统工作原理 f i g 2 6p r i n c i p l eo fe p s 2 2 建立动力学模型的意义 助力力矩 电动助力转向系统的核心就是其控制算法 在很多的企业的研究中 为了验 证其控制算法的响应的快速性 准确性和工作的稳定性 往往将控制程序直接写 到电路板的控制芯片中 并装车运行测试 这样要消耗大量的人力物力 当在没 1 2 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 有实际车辆或者硬件可以实现控制系统的实验时 研究工作也就无法进行 所以 作者利用运动学仿真软件a d a m s 建立转向系统机械部分的动力学模型 对控制 算法进行研究和验证可以极大的节约人力和物理 研究方法对缩短开发产品的周 期 提高效率 同时能大大减少研究成本 2 3 建模的理论基础 2 3 1 多体运动学理论 多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统 多体系统动力学 是研究多体系统 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接而组成 运动规律的科 学 多体系统动力学是在由欧拉 拉格朗日等人奠基的经典刚体动力学基础上 发展起来的一个新的力学分支 是研究由若干个刚体及柔性体相连接所组成的多 体系统运动规律的科学 目前己经趋于成熟 多刚体系统动力学中有下述几种研究方法 1 图论方法 2 凯恩方法 3 旋量方法 4 最大数量坐标法 5 变分方法 方法虽各不相同 但它们的共同 点是采用程式化的方法 利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题 这给 多刚体系统动力学理论带来了很多优点 适用对象广泛 可计算大位移运动 模 型精度高 汽车电动助力转向系统 甚至于汽车本身是一个复杂的多体系统 外界载荷 的作用非常复杂 加上人 车 环境的相互作用 给汽车系统动力学研究带来了很 大困难 现在 理论方法与计算手段的突破 力学模型由线性模型发展到非线性 模型 模型的自由度由两自由度发展到数十个甚至数百个自由度 模拟计算由稳 态响应特性模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动模拟研究 由车辆环境构成的开 环控制系统也被具有驾驶员神经网络模型的闭环控制系统取代 研究分析的范围 包括 运动分析 静态 准静态 分析 动态分析 灵敏度分析等 对于汽车系统来 说 多体动力学方法是一种高效率 高精度的分析方法 2 3 2 虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术 是国际上2 0 世 纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程 c a e 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 技术 虚拟样机技术的研究对象是机械系统 研究范围主要是机械系统运动学和 动力学分析 其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学 分析 以确定系统及其各构件在任意时刻的位置 速度和加速度 同时通过求解 代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力乜 工程师在计算机上建立样机模型 对模型进行各种动态性能分析 然后改进 样机设计方案 用数字化形式代替传统的实物样机实验 运用虚拟样机技术 可 以大大简化机械产品的设计开发过程 大幅度缩短产品开发周期 大量减少产品 开发费用和成本 明显提高产品质量 提高产品的系统级性能 获得最优化和创 新的设计产品 论文中将应用了动力学仿真软件a d a m s a d a m s 软件以多刚体运动学理 论为墓础 用户可以方便地使用该软件建立虚拟样机进行机械系统静力学 运动 学和动力学分析 以及线性和非线性动力学分析 包括刚体和柔性体分析 a d a m s a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m 是美国e c h a n i c a l d y n a m i c s i n c m d i 公司生产的机械系统动力学仿真分析软件 a d a m s 软件包 括核心模块a d a m s v i e w 和a d a m s s o l v e r a d a m s v i e w 是以用户为中心的 交互式图形环境 它提供丰富的零件凡图形库 约束库和力库 将便捷的图表操 作 菜单操作 鼠标点取操作与交互图形建模 仿真计算 动画显示 优化设计 x y 曲线图处理 结果分析和数打印等功能集成在一起 a d a m s s o l v e r 是 a d a m s 软件的仿真求解器 自动形成机械系统模型的动力学方程 提供静力学 运动学和动力学的解算 a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选项 以便精确有效 地解决各种工程问题 2 4 转向系统机械模型建立 2 4 1 建模基础 2 4 1 1 建模步骤 本研究中所建立的汽车虚拟样机模型是在a d a m s v i e w 模块中完成 在 a d a m s 中建模 输入描述系统初始位置关系的最基本数据 软件可对系统自动 识别 该过程分为以下几个步骤 1 4 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 1 定义刚体构件是机构内可相互运动的刚体或刚体固定件 当定义刚体 时 需要给出刚体局部坐标系的原点 方向 刚体质心的位置 质量 某参考坐 标系的转动惯量 惯性积等 还要定义一个固定件 g r o u n d 作为参考系 2 定义约束约束是机构内两构件间的联接关系 建模中所定义约束种类 及所限制的自由度 如表2 1 表2 1 相应的约束去掉的自由度 t a b 2 1n u m b e ro ff r e e d o mr e m o v e d 转动自由度 0123 平 0 动 自 1耦合器 由 2 在线铰接圆柱副平移副 度 3球头副万向节转动副固定副 3 模型检查判断机构的奇异构型 排除系统冗余约束和其它定义错误问 题 4 定义运动激励运动激励是机构内一个刚体相对于另一个刚体按约束允 许的运动方式 以给定的规律进行运动 该运动不受刚体运动的影响 2 4 1 2 建模简化 汽车在行使转向的过程中 路面的情况将通过轮胎和传动杆件作用到转向系 统的横拉杆 无论路况怎样 作用在转向横拉杆上的都是力信号 所以在研究中 只建立转向系统的动力学模型 由于在转向系统中 很多的杆件的固有频率比转 向的频率高的多 所以在所建的转向系统的模型中 杆件都作为刚体对于刚体间 连接的柔性和运动副的摩擦力也做相应的简化m 详细简化说明将在第三章中说 明 2 4 1 3 建模参数 建模所用转向系统的机械部分 方向盘 传动杆 齿轮齿条 的参数 各部 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 件的质量 转动惯量等 来源于a d a m s 中自带的模型 电机的建模参数来源于 对实际电机的测量 2 4 2 模型描述及分析 利用a d a m s v i e w 所建立的电动助力系统模型如下图所示 图2 1 电动助力转向系统机械部分模型 f i g 2 1m o d e lo fm e c h n i s mo fe p s o ft h ev e h i c l e 在所建立的模型中弹簧作为负载 同时 还在齿条的轴向添加六分量负载 以便在仿真实验可以对系统添加各种形式的负载 以此来模拟路面的情况 模型 设计关键的部位是转向系统管拄传动轴设置为两部分 中间按照实际情况设置了 扭杆 模型中用的是扭矩弹簧 可以用其测量转向过程中 驾驶者 加载在 管柱传动轴上的力矩 并将其作为控制力矩信号输出 电机的模型由四部分组成 转子 定子 电机前盖 连轴器 连轴器与蜗杆固接 模型的方向盘加载了转向 运动 可将其作为仿真系统的信号输入 在多体动力学中 每个转动副可提供1 个约束 去除5 个自由度 球副可 提供3 个约束 除去3 个自由度 万向节副可提供2 个约束 除去4 个自由度 圆柱副可提供2 个约束方程 去2 个自由度 运动耦合可提供一个约束方程 去 除1 个自由度 运动学驱动可提供1 个约束方程 除去5 个自由度 本系统中共有十四个刚体构件 一个圆柱副 五个转动副 一个滑移副 六 个固接副 两个万向节副 四个运动耦合 一个运动驱动 由a d a m s 软件中自由度计算公式求得 1 6 第二章电动助力转向系统原理及动力学建模 6 n 一 肛t 卜一系统自由度的数目 n 一一运动部件的数目 n i 一一第i 个运动副去除的自由度数 最后的得到本系统的自由度为f 1 2 5 控制系统 2 5 1 在a d a m s 中实现控制 2 1 电动助力转向系统实际中应用的控制模型 如图2 2 电子控制系统接收到 安装在转向盘下方转向轴上的传感器的扭矩信号和车速信号后 根据助力表得到 理想输出电信号 电流或电压 经控制算法得到实际的输出电信号 驱动助力 电机输出助力转矩 2 5 2 数学模型 图2 2 电动助力转向系统控制原理 f i g 2 2f l o wd i a g r a mo fc o n t r o l l i n go fe p s 模型中的转向杆件都是刚体 只是在管拄传动杆上添加了扭矩弹簧 则从方 向盘及上管拄传动轴的动力学方程为 式中 j 口一 忍钆 墨 钆一先 一乙 互 互 乙一乙 1 7 2 2 2 3 广东工业大学工学硕士学位论文 j 一一方向盘和转向柱上传动轴的和转动惯量姑 b 一一卷曲弹簧的阻尼系数 k 一一卷曲弹簧的刚度 钆一一方向盘转过的角度 钆一一管柱下传动轴