（机械设计及理论专业论文）汽车电动助力转向系统动态特性分析及控制策略的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、主动安全性和舒适性的关键部件。电动助 力转向( e p s ) 是一种全新的汽车动力转向技术，它能节约燃料，提高主动安全性，可控 转向感觉，且有利于环保。它符合现代汽车电子化、智能化发展的要求，成为现在动 力转向技术研究的焦点。 本文在e p s 系统动力学模型的基础上，分析了e p s 系统的助力特性、转向随从性 和“路感”特性，并提出了h 。( s ) 、h 。b ) 和h 。( s ) 三个传递函数作为其量化的指标。 在对系统进行稳定性分析之后，得到了电动机扭矩一转速关系和刚度一转动惯量关系。 为e p s 系统的参数设计、控制策略的确定提供了理论依据。 针对电动助力转向的结构特点，本文分析了电动助力转向对汽车转向性能的影响， 提出从转向轻便性、转向回正性、转向盘中间位置区域性能、转向盘振动、随动灵敏 度和助力特性等方面进行电动助力转向系统转向性能的客观评价，并探讨了相应的评 价指标，对e p s 系统的设计以及相关试验标准的确定有一定的指导意义。 本文对系统的稳定性控制进行了研究。通过鲁棒控制方法，采用日。最优控制器有 效地抑制了系统不确定因素和外部干扰，达到了系统控制目标。并对助力控制策略和 回正控制策略进行了研究，使得系统更加稳定。 本文提出了高效的e p s 系统设计方法。采用硬件在环仿真技术、虚拟设计技术和 基于虚拟现实的人一车一环境闭环仿真能有效的缩短设计周期，节约成本，并能达到 系统的性能要求。 关键词：电动助力转向动态特性性能评价稳定性控制硬件在环 人一车一环境闭环系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev e h i c l es t e e r i n gs y s t e mi sc r i t i c a lt ot h eh a n d l i n gs t a b i l i t y , i n i t i a t i v es e c u r i t y a n d c o m f o r to ft h ev e h i c l e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) i san e wt e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v e p o w e rs t e e r i n g , w h i c hc a nb eu s e dt o s a v ef u e l ，i m p r o v ei n i t i a t i v es e c u r i t y ，c o n t r o lt h e s t e e r i n g f e e l ，a n d p r o t e c t t h ee n v i r o n m e n t t h i s t e c h n o l o g y m e e t st h ed e m a n dt o e l e c t r o n i c a l i z ea n di n t e l l i g e n t i z em o d e mv e h i c l e s ，a n di th a sb e c o m et h er e s e a r c hf o e l l so f t h ep o w e r s t e e r i n gt e c h n o l o g y b a s e do ne p sd y n a m i cm o d e l ，t h ea s s i s t c h a r a c t e r i s t i c s ，s t e e r i n gc o m p l i a n c e ，a n d d r i v i n g f e e lo fe p ss y s t e ma r ea n a l y z e di n p r e s e n ts t u d y ；f u r t h e r m o r e ，t h r e e t r a n s f e r f u n c t i o n s h 0 ) ，h cs ) a n d d0 ) a r ep r o p o s e da st h eq u a n t i t i v ei n d e x e s a f t e rt h e a n a l y s i so nt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h ea c t u a t o ra s s i s tt o r q u e s p e e dr e q u i r e m e n t sa n d a s s i s ts t i f f n e s s i n e r t i ar e q u i r e m e n t sh a v eb e e ng e n e r a t e d t h e ya r es e r v e da st h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ep a r a m e t e ra n dc o n t r o ls t r a t e g yo fe p s s y s t e m t h e p r e s e n tp a p e ra n a l y z e s t h ee f f e c to fe p so ns t e e r i n gp e r f o r m a n c e t h en e ws y s t e m o fe v a l u a t i o ni n c l u d e ss t e e r i n gm a n e u v e r a b i l i t y ，s t e e r i n gr e t u r n a b i l i t y , o n 。c e n t e rh a n d l i n g p e r f o r m a n c e ，s t e e r i n g h a n d w h e e l v i b r a t i o n ，s e w o m o t i o n s e n s i t i v i t y a n da s s i s t c h a r a c t e r i s t i c s s o m er e l e v a n te v a l u a t i o ni n d e x e sa r ca l s od i s c u s s e dh e r e t h er e s u l t sw i l l s h e dl i g h to nt h ed e s i g no fe p ss y s t e ma n dc r i t e r i ao fr e l a t e de x p e r i m e n t s b a s e do nr o b u s tc o n t r o lm e t h o d ，u n c e r t a i nf a c t o r sa n dd i s t u r b a l i c e a r ee f f e c t i v e l y r e s t r i c t e db yh - i n f i n i t yo p t i m a lc o n t r o l l e r i nt h i sw a y , t h eg o a lo fs y s t e mc o n t r o lh a sb e e n a c h i e v e d i no r d e rt om a k et h es y s t e mm o r es t a b l e ，a s s i s ts t r a t e g ya n dr e t u r n a b i l i t ys t r a t e g y a r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep r e s e n t p a p e rp r o p o s e s a ne f f i c i e n t d e s i g n m e t h o do fe p ss y s t e m w i t ht h e t e c h n o l o g yo fh a r d w a r e i n t h e l o o p ，v i r t u a ld e s i g na n dd r i v e r - v e h i c l e - e n v i r o n m e n tc l o s e d l o o ps i m u l a t i o nb a s e do n v i r t u a lr e a l i t y , w ec a ne f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ed e s i g np e r i o da n d s a v ec o s t ，a sw e l la sm e e tt h es y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t 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 g d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n s t a b i l i t y c o n t r o l h a r d w a r e i n t h e l o o p d r i v e r - v e h i c l e - e n v i r o n m e n tc l o s e d l o o ps y s t e m i i 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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：气岛匣 日期：7 秒饥p 年r 碉知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：1 炮 日期：聊年月加日 指剥币签名秽毵毕 日期：沙阵i r 月，d 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 汽车工业作为我国的支柱产业，在国民经济中起着重要的作用。汽车转向器作为 汽车的重要零部件，其性能的好坏直接影响着汽车行驶的安全性和可靠性。我国在发 展汽车零部件的政策规划中，己将转向器列为优先发展的2 5 种汽车关键零部件之一。 继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统上得到广泛应用之后，汽车 电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 在国外已部分取代传统液压动力转 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 ) ，e p s 已成为世界现代汽车技术新的研究热点。 e p s 采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元( e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) 控制。它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主 题的高新技术，所以经出现就受到高度重视。国外各大汽车公司对e p s 的研究已经 有2 0 多年的历史，但是很长一段时间一直都没有取得大的进展，其主要原因是e p s 的 成本太高。然而近几年来，随着电子技术的突飞猛进。电予元器件价格的不断降低， 大幅度降低e p s 的成本已成为可能，加上e p s 具有一系列较之传统转向系统不可比 拟的优点，使得它越来越受到人们的青睐。本文将对e p s 系统的动态特性及其性能展 开研究，并如何对其有效地设计进行讨论。 1 1课题来源 本课题来源于东风汽车传动轴有限公司与华中科技大学合作开发“电子控制式汽 车电动动力转向器”研究项目。 1 2 课题研究的目的、意义 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使 汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车生产厂家和科研机构研究的重要课题。特别 是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶 人群，汽车的操纵设计显得尤为重要。 在转向系统的设计当中，始终存在着转向轻便性和转向灵敏性之问的矛盾。最初 为解决这个矛盾，采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力转向系统。从文献1 4 1 中可知，从有效降低转向力矩来讲，采用变传动比的机械转向系统无法同后者相比， 华中科技大学硕士学位论文 而且加工工艺也较为复杂。另外，变传动比的机械转向系统的机械效率比定传动比的 机械转向系统低，因此大多数商用汽车及5 0 的轿车都采用动力转向系统【5 1 【酣。常规液 压动力转向系统采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力，并由方向盘转动时带 动扭杆直接改变液压系统油路的控制阀来调整可变的助力，助力的大小与车速没有关 系，只与转向角度有关。h p s 系统由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。 近年来，由于电子技术的发展，传统液压转向系统中越来越多地采用电子部件。 电液助力转向系统( e h p s ) 是在常规液压助力转向系统基础上发展起来的，它利用电 子传感器把汽车运行中的各种非电量信号转变为电信号，通过e c u 控制电磁阀精确地 控制动力转向系统中压力油的流量，再由压力油控制执行机构进行转向动作。因而助 力特性可根据转向速率、车速等设计为可变助力特性。 但是由于油泵振动以及由此导致的压力软管、控制阀、动力缸和转向柱的振动， 使得液压助力转向系统具有不可克服的液压噪声，大大影响了转向的舒适性。另外流 体流动也可带来液压噪声。因此液压动力转向技术研究的重点就在于如何减小液压噪 声。目前一般采用对油泵和高压油管进行改进设计，如研制低噪声液压泵以及管道消 声器等措施来减小噪声。另外，液压式动力转向系统还存在着由于液压管路泄漏进气 造成的转向沉重等缺点。这些液压传动的固有特性带来的弊病成为了阻挠液压动力转 向系统发展的巨大障碍。 e p s 是在机械转向系统基础上加入电机作为动力源，电动助力代替了液压助力，与 h p s , i f l 比，除节省能源外，由于取消了液压系统而提高了环保性能，很好的解决了由 于液压传动带来的种种弊端；整套系统由生产厂家一起提供给整车生产厂家，可以直 接安装；对不同车型、不同工况以及不同驾驶员所需的不同转向助力特性通过软件修 改，方便快捷。完燕的e p s 系统还包括了故障诊断与安全保护系统。当发生故障时， 能停止助力，自动恢复到手动控制方式，并发出警报信号，显示所记忆的异常内容如 传感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。 综上所述，e p s 相对于传统的液压转向系统具有以下突出的优点： 1 ) 电动机和减速机构安装t f ：l 聋矧u 杜或在转向系内，所占空哪小，零部件结构简单、 安装方便、无须维护保养； 2 ) 以电动机为动力，不需要传统的液压元件转向油泵、油管及控制阀等，也 不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗，电动机只在需要时才启动， 耗用电能较少： 3 ) 低速停车入库时转向助力器对转向力的降低非常显著； 4 ) 更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反映路面信息，改善汽车的转向特性， 灵敏度高； 华中科技大学硕士学位论文 从上面的分析可以知道，e p s 是新一代的智能转向系统的基础，它具有许多独特 的优势和广阔的市场，特别是低排放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池 汽车( f c e v ) 、电动汽车( e v ) 四大e v 汽车将构成未来汽车发展的主体，这给e p s 带来了更加广阔的应用前景。e p s 代表未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件 装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。 1 3 国内外研究动向 1 3 1 国外e p s 产品介绍 e p s 最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首先在其c e r v o 车上装备e p s ，随后还用在了a l t o 车上【”。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋 般的得到迅速发展，在日本、欧洲、美国各大汽车公司的汽车中得到应用。 在日本，大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，都相继研制出各自的 e p s 。比如，大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车 上装备了e p s i ，本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转 向也将倾向于选择e p s 。 美国的d e l p h i 汽车公司已经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开 发出e p s 。t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他 们最初针对客车开发出转向助力式e p s ，如今小齿轮助力方式e p s 开发已获成功。 1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等【1 0 1 。 在德国，m e r c e d e s - - b e n i z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司正共同投资了6 5 0 0 万英镑用于丌发e p s ，2 0 0 2 年达到年产3 0 0 万套，成为全球e p s 最大的制造商。他 们计划开发出适合于汽车前桥负载超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标1 “j 。 经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善其应用范围已经从最初的微型轿车向 更大型轿车和商用客车方向发展，如本用的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型轿车已 经安装e p s ，本田还甚至在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 。e p s 的助力形式也从低 速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。 根据电动机布置位置的不同，e p s 可分为转向柱助力方式、齿轮助力方式和齿条 助力方式。下面对三种助力方式下各公司相应产品作简要的介绍： 1 1 转向柱助力方式：转向柱助力式e p s 的电动机固定在转向柱一侧，通过减速 机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) d e l p h i 公司的e _ s t e e r o m 系统：由转向系统、助力机构、电子控制单元、电 动机、传感器等组成。所采用的电动机是1 2 v 的永磁直流无刷电机，系统尺寸和质量 较小。电动机由车用蓄电池供电，可独立于发动机工作。传感器测量转向扭矩、转向 角和车速。电子控制单元对转向扭矩、转向角和车速等信息进行运算处理后输出相应 的电流去驱动电动机提供助力扭矩。在电机和转向柱之间装有电子离合器，在行驶过 程中，电子控制单元一直监测着助力机构的运行，一旦发现故障，离合器断开助力机 构，转向由手动方式控制。 该系统可提供两种助力效果：一种适于乡村，另一种适于城市。将在菲亚特的 p u n t o 车上作为标准设备首次使用。 ( 2 ) 英国的l u c a s 公司的e p s 系统：由无刷直流电动机、扭矩传感器、电子控 制单元、助力机构等组成。其扭矩传感器采用双通道光电式传感器。l u c a s 通过一个 三相逆变器来控制电机的相电流从而控制扭矩大小。驱动电路采用一组m o s f e t s 功 耗管组成，由p w m 方式来控制m o s f e t 的开关时间和顺序。 2 ) 转向小齿轮处助力方式：电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力 转向 ( 1 ) z f 公司的e p s 系统：由电动机、离合器、减速机构扭矩、控制器、传感器 和速度传感器等组成。驾驶员用手转动方向盘，方向盘输入扭矩经由安全转向柱、中 间轴和万向连轴节传递给伺服机构。电动机、蜗轮、电子控制单元e c u 和传感器组 成的伺服机构直接安装在转向小齿轮处。这种助力方式适于转向轴最大负荷为9 0 0 k g 的中级轿车。 ( 2 ) d e l p h i 的e s t e e r 系统也有转向小齿轮处助力方式，结构同上类似。 3 ) 转向齿条处助力方式：电动机通过减速机构直接驱动齿条提供助力 h o n d a 汽车公司开发的e p s 由齿轮一齿条式转向齿轮箱、两个速度传感器、继电 器、熔断器盒、故障指示灯等组成。其中齿轮箱包括转向传感器、控制单元、功率单 元和助力机构。其中电气部分如控制单元和功率单元等都装于转向齿轮箱内以起到保 护作用并简化了系统的结构。转向传感器分别由测试转向角速度的转向传感器和测试 扭矩的扭矩传感器组成。 1 3 2 国内外研究现状 国内对e p s 的研究刚刚处于起步阶段。文献1 1 5 】【1 2 1 5 1 介绍了国外e p s 转向系统的 发展概况和特点，并对e p s 系统的关键技术做了简要的分析。文献【“18 】对e p s 系统 的动态特性进行了初步的分析，提出了简化的e p s 动力学模型，但并不能客观实用地 4 华中科技大学硕士学位论文 反映汽车实际行驶运动要求。文献1 1 9 j 提出了评价e p s 客观性能的评价指标，改进了 部分原先传统转向系统评价指标中不适合e p s 的部分。文献1 2 0 l 提出了一种基于鲁棒 控制的e p s 系统控制方法，以提高系统的稳定性。文献【2 1 】在鲁棒控制的基础上增加 了灵敏度控制，力求使得e p s 的控制方法更加稳定，更加完善。吉林大学的郭孔辉院 士在汽车操纵稳定性上作了较为深入的研究，并提出了人一车一路闭环仿真系统，为 e p s 系统的研究提供了指导【2 ”。然而，国内汽车生产厂家却还没有成熟的e p s 产品， 目前只处于产品预研阶段。 国外对e p s 系统的研究也开始不久。文献【冽中米奇克在严密推导的基础上，得 到了作用在转向主销的转向力矩统一表达式，并且对某些车速下的转向力矩表达式进 行了简化得到了低速、快速曲线行驶条件下的转向力矩表达式。文献1 2 4 1 为了考察不同 控制方法对e p s 动力特性的影响，提出了一个十分简单的单自由度二阶系统动力学模 型，然后讨论了不同控制方法对e p s 动特性的影响，最后确定p d 控制是一种合适的 选择。文献【2 5 】提出了对复杂e p s 动力学模型进行简化的方法，并利用简化的模型分 析了e p s 的闭环系统性能如路感与稳定性等，但其中没有给出明确的e p s 系统动力 学模型。文献【2 6 1 分析了电动机的电阻、磁场强度和汽车轮胎侧偏刚度对车辆操纵稳定 性的影响，但没有充分考虑e p s 其它参数如助力机构传动比、扭矩传感器刚度等对车 辆操纵稳定性的影响，也没有考虑这些参数对汽车其它操纵性能如转向路感、灵敏度 的影响。文献【27 j 中提出了转向系统刚度和转向路感定义，针对电动助力转向系统推导 了代表电动助力转向系统性能的转向路感、转向柔顺性和电机助力响应三个函数，并 根据原地转向等条件下对电机扭矩一转速的要求和系统稳定性分析，提出了满足上述 条件的最大化转向路感的优化设计模型。最后根据优化模型，得到了电机刚度、转动 惯量和助力增益应满足的条件。文献【2 8 j 提出了针对获取最佳路感问题，基于广义被控 对象设计了一种e p s 的h 。控制器。文献1 2 9 1 1 3 0 j 针讨一些转向性能指标如路感、响应的 快慢和对传感器与负载干扰的衰减提出了一种改善上述性能指标的h 。控制方法，并 提出了一种估计驾驶员手力大小的估计器，并讨论了引入估计器对系统鲁棒性的影 响。s u g i t a n i 提出转向系统操纵的手感取决于控制系统获取路面环境的信息的多少，并 给出了hi n f i n i t y 控制器1 3 1 i 。b u r t o n 对电动助力转向系统中驱动电路的m a t l a b 模型 进行了仿真i 捌。s e o u l s g 对e p s 的控制策略进行了研究，并设计了一个硬件仿真系 统【3 3 1 。j e h ar y u 研究了电线式电动转向系统，并对仿真虚拟环境进行了研究【3 4 】。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3 3 e p s 研究中的关键技术 总结国内外研究情况，可以看出e p s 研究中有待解决的关键技术是： ( 1 ) 电动机选择：e p s 的助力是由电动机提供的，电动机的好坏是影响转向系 统性能的重要因素。在选择电动机时要从驾驶员转向稳定性的角度出发尽量减小电动 机的质量、转动惯量并兼顾降低电磁干扰水平。 ( 2 ) 控制系统设计：目前e p s 的控制策略是在一定车速下按照助力控制、回正 控制和阻尼控制分别设计不同的算法和控制器，因此算法通用性不强。我们需要设计 一种稍做修改即可应用于不同转向特性和不同车型的转向控制：另一反面e p s 系统是 一个非线性多输入多输出系统，包含了快速响应驾驶员操作信号，最佳的转向感觉和 降低路面干扰和传感器噪声等设计目标，因此控制器必须具有较强的鲁棒性。 ( 3 ) 稳定性控制策略：目前国内外一般只是对助力镱略、回正性力矩控制策略 和动态阻尼策略有一定的研究。但是e p s 系统还需要故障诊断策略、自适应策略和自 我学习的策略等，以满足以后智能汽车的要求。 ( 4 ) 有效的设计方法：目前e p s 系统的设计一般多采用传统的设计方法，即设 计人员设计出样机，然后经过大量的试验来检验其性能，然后再做修改。人们亟需一 种高效率的设计方法，以节约成本和时间。 1 4 本文研究的主要内容 本文首先对e p s 工作原理以及国内外研究现状做了简要的概述，然后具体分析 了e p s 系统的动态特性，分析了其系统稳定性的几个必要条件。针对e p s 系统的自 身特点，提出了一套适合于评价e p s 系统客观性能的评价体系，用来指导e p s 系统 的设计，也为后面讨论虚拟环境下e p s 系统的设计的性能评价做好准备。接下来本文 研究了e p s 系统的稳定性控制方法以及控制策略，详细讨论了助力策略，回正力矩控 制策略以及动态阻尼控制策略及其对e p s 系统的影响。本文还提出了硬件在环仿真的 e p s 系统设计方法，详细分析了其软、硬件构成，使得e p s 系统地设计更为为快速、 高效。最后，本文探讨了虚拟环境下e p s 系统地设计，对e p s 地虚拟设计以及人一 车一环境闭环仿真系统进行了研究。本文的主要内容如下： 第一章回顾了动力转向器的发展，分析了e p s 的特点以及国内外研究的现状， 并且指出了e p s 研究的关键技术。 第二章分析了e p s 系统的工作原理以及动态特性，提出了三个传递函数，分别作 为对e p s 系统的助力特性、转向随从性和“路感”特性的量化指标。并且基于操纵稳 华中科技大学硕士学位论文 定性，提出了电动机扭矩一转速必要条件和电机刚度一转动惯量必要条件。 第三章提出了一套适合于e p s 系统的客观性能评价标准。改进了原有的机械式转 向或液压式动力转向性能评价中不适合e p s 系统的试验指标，增添了适合于e p s 系 统的方向盘中间位置区域性能、转向盘振动、随动灵敏度和助力特性等试验，并提出 了相应的评价指标。 第四章讨论了e p s 系统稳定性控制的稳定性控制方法。并且详细讨论了e p s 系 统的稳定性控制策略：助力策略和回正力矩控制策略。 第五章研究了硬件在环仿真系统的系统总体构成及其特点，分析了其软、硬件构 成，并对仿真系统的动态模型进行了分析。 第六章探讨了虚拟环境下e p s 系统的设计。分析了虚拟现实技术的特点，讨论虚 拟设计在e p s 系统中的应用，并且对人车一环境闭环仿真系统的系统构成以及关键 技术作了详细的分析。 第七章对本文的研究工作进行了总结与展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 e p s 系统的动态特性分析 对e p s 系统进行设计，需要我们清楚地了解系统的动态特性。本章将对e p s 系 统的助力特性、转向顺从性和转向“路感”特性进行动态分析，确定系统稳定所需的 必要条件，从而为设计e c u 、助力机构和选用助力电机提供理论依据。 2 1e p s 系统结构及其工作原理 e p s 系统主要由扭矩传感器、车速传感器、电控单元、电动机以及带有离合器的 减速机构等组成( 如图2 1 所示) 。扭矩传感器用来测量驾驶员作用在方向盘上的力矩 大小和方向。光电编码盘的功能是测量转向柱的转角和转速以及车速。电动机用来提 供辅助力矩，当方向盘转动时，电控单元根据转角传感器、车速传感器和扭矩传感器 提供的信号，通过控制电机电流的幅值和方向，决定电动机的旋转方向和助力大小， 从而完成实时控制助力转向。因此它可以方便地实现在车速不同时提供不同的助力效 果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。 + t 一力向髓 转i ：| i 辅( 输入辅矗 c = ! 盎 ， 扭钮传睇器( i ) i l 山蛙离奇器 藏述磊7 输j h 鞠 车轮琏辕 | 掘翱传蒜器( 2 ) 转l 智_ 【l i 轮孳向幽条 图2 1e p s 系统结构示意圈 另外，其中减速机构是e p s 系统中不可忽视的一部分。它应该不对整车机构作太 大的改动，且其精度也直接影响了系统响应的叫间。如果精度较低，会造成助力滞后， 使驾驶员的转向操作发生障碍。目前，一般采用两种减速机构：蜗轮蜗杆机构和行星 轮机构。蜗轮蜗杆机构结构简单，体积小，传动比大，便于安装，但需要通过离合器 与转向器相连。当停车或车速低于设定值，接合离合器，电机提供助力。当车速超过设 华中科技大学硕士学位论文 定车速时，切断离合器，转向系统不受电机惯性力矩的影响。行星轮机构不需要离合器， 但机构复杂，体积较大，安装时需要较大空间。 2 2e p s 系统的动力学模型 如图2 2 所示，根据牛顿运动定理，e p s 系统可建立如下动力学方程： jc i c + b 毋c + k c e c ；坠x r + t d + f ：婶c ，曲 0 即，2 钟一身等( 吒一纠- g + l ， i ，。碗+ 曰。舀。= 乙一l + ，卅如。，舀。) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) i 屿b r o xxx r 图2 2e p s 动力学模型 其中，疋、l 和l 是方向盘输入扭矩、助力扭矩和电动机输入扭矩；扭矩传感器 所测得的扭矩为疋；口。，0 ，分别是转向柱的转角、齿条的位移和助力电机的转角； 9 华中科技大学硕士学位论文 j 。、k 。和曰。分别是转向柱转动惯量、刚度和阻尼；m ，、b ，为齿条的质量、阻尼；0 ， 分别是转向小齿轮和电机助力齿轮的半径；g 是电机到转向柱的减速比。0 、j m 和氐 分别是电机轴的刚度、转动惯量和阻尼；，c 、f 、，卅是非线性摩擦部分。 在这里，为了研究问题的方便，假设助力轴是扭力杆，驾驶员获得的助力力矩l 与助力轴的弹性变形成正比，因此可以表示为： l _ g k 。卜专) c z a ， 假设转向柱也是扭力杆，而助力电机的输出力矩l 与这个杆的弹性变形成i e l v ， 因而可以表示为： l = k 。( 吼一专) s k 。s k ， c z s ， 式中，疋为助力增益系数。由于助力电机轴的强度所限，k 必须小于电机轴达到许 用弹性变形时，系统达到的最大助力增益k 。 另外，式( 2 2 ) 中，b 表示转向系统横拉杆所受的力，在静止的情况下为轮胎 与地面之间的摩擦，可以表示为： b 一s n l ( 2 6 ) ：雩 ( 2 7 ) 3 p 2 式中，k 是主要阻力矩，k 为路面固有的摩擦系数，是一个车轮的重量，p 是 轮胎的压强，5 是参与转向的车轮个数，h 是传递主要阻力矩到齿条的悬挂系统几何 依赖因素，f 是超载因素。该式只在汽车行驶方向零偏离角附近时有效，因为这里横 拉杆受力是线性变化的，它的非线性变化从定义刚度系数k ，获得。 在汽车行驶的情况下，横拉车下力可模型化为车速的函数： 毋= k ，妒k ， ( 2 8 ) 1 0 华中科技大学硕士学位论文 这里k ，是刚度系数，矿是汽车速度。 2 3e p s 系统的动态特性分析 e p s 系统中存在着非线性的干摩擦，它的大小跟转向柱的转速和方向有关，但是 在工作点附近，其对整个系统的动态特性影响较小，且分析起来比较困难和复杂，因 此，本文为研究方便，忽略了非线性摩擦因素。对式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 分别进彳亍 拉式变换，忽略非线性摩擦，并设初始状态为零，可得： j 。s 2 + b c s + k 。生工，+ 瓦 ( 2 9 ) r p p 坤+ 等+ 等+ 日卜 + 等吒c z 埘 j ，s 2 + b ，s = l l ( 2 1 1 ) 把式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 1 1 ) ，并且有g = 形，由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) ，。m 可以解出： 其中， 挣。 e 。 ：竺：釜( 兰：釜) i7 pj 15，lac d 。堡+ k 。一k m 矿昔乃矿矿乃 兰：釜【兰：型 r p r pr m 一 a c b ) d 。g ) = j c s 2 + b c 5 + k 。 d x ( s ) 圳r s 2 + 耶+ 专+ 鼍+ f t d m ( s ) - j 。s 2 + b m s + k 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1 助力特性分析 州吐州。也等以等 4 b ) 。d g ) + d 。坠一e 竖坠 ( 2 1 1 5 ) r ，pr m r p e p s 控制系统的核心是准确确定助力特性，即得出l 一乃关系，用来应用实现 e c u 控制。我们定义传递函数日g ) ： h g ) 专 泣 式中l 为方向盘输入力矩，t 为助力力矩。 乩2 南 g k l 口一! i 该传递函数描述了e p s 系统助力特性的动态特性。该函数的值越小，说明系统提 h 胤矿壶 分析上式可知，影响该助力特性稳态值的参数为g 和e 。设计大的g 时，可增 加助力力矩，减小电机惯量，但增加了整个装簧的尺寸；设计小的g ，可减小传动装 置的尺寸，减小摩擦，改善汽车的回正特性，却削弱了助力力矩。因此，设计g 时一 般按整个系统需要的助力比例来确定。另外，式中k 。描述了驾驶员的转向“路感”， k 。值越大，电机提供的助力值相应增加。但是k 。值的选取必须满足式( 2 5 ) 的要求。 华中科技大学硕士学位论文 比值不同再选k o 值。 由式( 2 8 ) 可知，汽车行驶时日与矿有关。因此，l 不仅可表示为式( 2 4 ) 的 形式，而且也和车速y 相关，因此瓦可以用下式表示： 瓦一厂也，矿) ( 2 1 7 ) 式中乃表示方向盘输入力矩，矿表示车速。在不同的车速下，乃一l 为一族非线性曲 线。 由式( 2 5 ) 可知，电机助力力矩与助力增益k 。有关，该助力增益反映了系统 在不同的车速下的助力水平。k 。与车速矿的关系，可以由下面的表达式表示： k 。= n “”( 0 s 矿，) ( 2 1 8 ) 式中，k ，r 为系数，不同的车型有不同的值。在常用转向区间，助力电机提供相应的 助力力矩，当方向盘力矩大于最大助力力矩时，电机提供的助力力矩不再增大，以免 因电流过大而损坏电机。 2 3 2 转向随从性分析 由于e p s 系统中采用了扭矩传感器，降低了系统的刚度，而且系统存在着刚性、 摩擦等其他因素，使得该系统的动态随从性与机械式不同，必须满足一定的要求。系 统的转向随从性可以用转向角6 i 。与方向盘输入力矩l 的关系来定义。我们定义传递函 日。( s ) 。生：t 1 d ( 2 1 9 ) h 。定义了转向系统的随从性，也在一定程度上定义了助力增益水平，它的稳态直流 增益等于： k !k 一生 盥删 一 一 止一 华中科技大学硕士学位论文 日。o ) l 。一 f e i k r i ( 2 2 0 ) 由( 2 2 0 ) 可知，驾驶员在电机的帮助下转向较为轻便。增加g ，k 。，或者减小l 可 以增强转向系统的随从性。另外由式中可知，助力系统的稳态增益与电机轴刚度k 。无 关，这与文献【3 5 】中假设的理想状态的转向系统的直流增益是一致的。 应用m a t l a b 进行仿真计算，可以看到控制器助力增益的增大将使得相位滞后 减少( 见图2 3 ) ，但是当它足够大的时候将导致幅频特性曲线振荡并最终失去稳定； 在助力增益k a 固定为1 0 的前提下，传动比的增加使得相位滞后增加( 见图2 4 ) ，并 且它足够大时将导致幅频特性曲线振荡并最终失去稳定。 b o d ed i a g r a m s 1 矿1 0 1 f r e q u e n c y ( r a d s e c ) 图2 3 助力增益对转向随从性的影响 1 4 一k 些取 i 岛 + 哗o 、i_， 生：o 、， 、 、， 、kx 囊x ” 一 。 h q “一 o k k ! _ ， 蠹竺 品器 面咖蛳晰一 一咖_星咖蛳 一 一 | ：一 ： 一 一 t 。鱼占 m 一p)ap3芒c口m薹一宫p)墨正 i 8 。 华中科技大学硕士学位论文 b o d ed i a g r a m s 1 0 11驴101 f r e q u e r e y ( r a d s e c ) 圈2 4 助力机构传动比对转向随从性的影响( 助力增益k a = 1 0 ) 2 3 3 转向路惑分析 为： e p s 系统的转向路感由方向盘输入力矩与齿条力的关系来定义，其中齿条力最 我们定义传递函数日。b ) b ：c + 艺。至+ 互 r 口r “ - o ( s ) ；孕： 钟一讣等卜0 0j ，m 传递函数h 。g ) 的稳态寅流增益( 幅值) 可以表示为 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) | f h o 岭 毁 ；叶 h h 、。o 、 伽 哪 一p)d曼c哥三一言p)里也 酽咖岬 、ii， 一。 一 。石k 一 + 一l = 扣、l，l pd h 华中科技大学硕士学位论文 由( 2 2 2 ) 可知，在低频率的范围内，电动助力转向系统h 。的幅值比人力转向 系统的幅值要小。这是因为人力转向系统中k 。为0 ，其直流增益总为。而动力转向 系统中，k 。为正，助力转向系统总是相对降低了驾驶员的转向路感。从h 。的直流增 益出发可以定义驾驶员转向路感的测量值 小( 击f i h d ( j t o ) 1 2 d 甜) 眩z s ， 这里m 。是e p s 系统的角频率。在整个频率范围内，低频输入是驾驶员转向路感中晟 主要的构成，表示了动力系统帮助驾驶员所必需的助力，而高频成分则代表了路面噪 声信号。 利用m a t l a b 进行仿真计算，可以看到控制器助力增益的增大将使得相位滞后 减少而幅频曲线衰减( 见图2 5 ) ，但是当它足够大的时候将导致幅频特性曲线振荡： 在助力增益k a 固定为l o 的前提下，传动比的增加使得相位滞后增加而幅频曲线衰减 但不显著( 见图2 6 ) ，当它足够小时将导致幅频特性曲线振荡并最终失去稳定。 一2 0 b o d ed i a g r a m s p 广i g 阁a i n = l 量。卜嘶葩：i、 耋jg a i n = 4 0 雪叽”! i _ 、 墨、。：、 裳一5 0 、j ： 望 一 乱一1 0 0 厂- 百i 藉- - 、 1 5 。卜舅g s i n 篓- - a o1 。 fl“l 图2 5 助力增益对转向路感的影响 华中科技大学硕士学位论文 b o d ed i a g r a m s l o o1 0 1 f r e q u e n c y ( r a d s e c j 图2 6 助力机构传动比对转向路感的影响( 助力增蔬k a = l o ) 传递函数h 。，。，h 。可以作为评价系统性能的量化指标，其中影响系统性能的 一个重要的参数就是k 。助力增益k 。可以通过优化求解的方法获得。在给定的动力 学系统中，找到一个最优的转向增益k 。q ( q 足一个凸集) ，使得驾驶员的转向路 感j 。的范数同时满足助力级别的限制和电机的性能要求，可表示为 m a x p 。：疋q j ：且有l f h 。0 ： 。，f f h 。a h 。j ( 2 2 4 ) 通过求得最优解，可他系统赴给定【_ i j 助儿级别年i u 机性能的条件下，驾驶受能获 得最好的驾驶感觉。 2 4 助力电机稳定性条件 助力电机是e p s 系统中非常关键的部什之一，它直接与助力特性的好坏相关。助 力电机