（机械制造及其自动化专业论文）汽车电动助力转向系统的控制研究.pdf

摘要 摘要 汽车转向系统的发展经历了从简单的纯机械转向系统 机械液压动力转向 系统 到电控液压动力转向系统 直到更为节能 操纵性能更好的电子控制式 电动助力转向系统等几个阶段 电动助力转向系统采用电动机直接提供助力 助力大小由电控单元控制 具有助力大小可调 路感良好 环保 耗能低和维 修方便等优点 具有传统液压动力转向系统无法比拟的优势 采用了动力转向的 新技术和新结构是汽车动力转向发展的必然趋势 由于传统液压助力转向的分析方法已不能完全适用于电动助力转向系统 有必要对电动助力转向系统的模型及其软硬件实现进行深入的研究 以往的研 究者要么专门研究系统模型的建立 要么将工作重心单纯放在软硬件的实现上 导致系统模型的思想不能在具体实现中得到充分体现 该文从系统建模到软硬 件实现对电动助力转向系统进行了细致的研究 对将系统建模思想融入到软硬 件实现 做了有益的尝试 完成了关键部件的硬件搭建工作 本文围绕汽车电动助力转向系统仿真实验台的研究与开发 论述了电动助 力转向系统的工作原理 结构组成 特点 国内外的研究现状 并展望了其发 展趋势 建立了汽车转向系统动力学模型和考虑侧倾自由度时电动助力转向系 统的角输入和力输入模型并进行了计算 对电动助力转向系统的关键部件如电 动机 转矩传感器 车速传感器 离合器和减速机构 内部控制器 e c u 进行了 设计和选用 为系统的开发和各部件的选择提供了依据 对电动助力转向控制 策略进行了初步的研究 并设计了e p s 系统台架试验装置 为电动助力转向系 统仿真研究和性能测试提供了理论依据 关键词汽车 电动助力转向系统 硬件设计 控制策略 山东大学硕士学位论文 s t u d yo f t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ea u t o m o b i l e se l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g a b s t r a c t t h es t e e r i n gs y s t e mh a se x p e r i e n c e dm a n yt y p e ss u c ha sm e c h a n i c a ls t e e r i n g h y d r a u l i cc o n t r o ls t e e r i n ga n dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gp r o v i d e sp o w e rd i r e c t l yb ye l e c t r i cm o t o r t h ep o w e ri sc o n t r o l l e db y e c u w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h ea d j m t e dp o w e r t h eg o o dr o a df e e l s t h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c f i o n t h el o wp o w e rc o n s o u m e sa n dt h ec o n v e n i e n c em a i n t a i n i n g a n ds oo i li th a st h ea d v a n t a g ew h i c ht h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gi s i m p o s s i b l e a n du s i n gt h eh t e s tp o w e rs t e e r i n gt e c h n i q u ea n ds t r u c t u r ei st h ei n e v i t a b l e t r e n do f a u t o m o b i l ep o w e rc h a n g e st h ed e v e l o p m e n t b e c a u s et h ea n a l y t i c a lm e t h o do ft h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gh a sn o t a b l et oa d a p tt ot h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s oi ti sn e c e s s a r yt om a k oae m b e d d e d r e s e a r c hi ns y s t e mm o d a la n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft 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 m t h ee m p h a s e so f t h ef o r m e rr e s e a r c he i t h e ro nd e v e l o p m e n to f s y s t e m m o d a lo fo nt h er e a l i z a t i o no fs o r w a r ea n dh a r d w a r e a sar e s u l t t h ei d e ao fs y s t e m m o d a lc a nn o tb ec o m p l e t e l ye x h i b i t e di nt h er e a l i z a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs e r i o u s l yf r o ms y s t e mm o d a lt or e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i n s e r t st h ei d e so fs y s t e mm o d a li n t or e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e m a k e sa h e l p f u la r e m p t a n db u i l d saf i a m ew o r ko f t h ep i v o t a lh a r d w a l 他 t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew o r kp r i n c i p i u m c o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c t h e r e s e a r c ha c t u a l i t yo f h o m ea n da b r o a da n dd e v e l o p m e n t a lc u r r e n to 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 me m u l a t i o nt e s t b e d n o to n l yb u i l d st h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m m o d a lw i t ha n g l ea n dp o w e ri n p u tb u ta l s oc o m p u t e st h e m t h e n t h ep a p e rd e s i g n st h e p i v o t a lp a r to f t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs u c ha se l e c t r o m o t o r t o r q u et r a n s d u c e r s p e e d t r a l l s d u c e r c l u t c h r e d u c t i o ng e a r s e n t r a i l sc o n t r o l l e ra n dp r o v i d e sf o u n d a t i o nf o r t h e e x p l o i t a t i o no fs y s t e ma n dc h o i c eo fc o m p o n e n t s m a k e sae l e m e n t a r ys t u d yo fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dd e s i g n st h et a b l et e s t e ro f t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m p r o v i d e sat h e o r yf o u n d a t i o nf o re m u l a t i o ns t u d ya n dc a p a b i l i t yt e s to ft h e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m k e yw o r d sa u t o m o b i l e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs t r e a m d e s i g no f h a r d w a r e 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签轹衅一日期 冱李塑竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或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 本人授权山东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 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 幽导师签名 毋锌日期 碰印 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 汽车在行驶过程中改变或恢复其行驶方向是由汽车转向系统完成的 轮式 汽车行驶是通过转向轮 一般是前轮 对汽车纵向轴线摆动一定角度来实现的 对于重型汽车 由于转向阻力和汽车车轮上的负载成一定比例关系 前轮 负载在2 0 k n 以上 驾驶员很难转向 因此国家规定8 吨以上的货车必须采用 动力转向 建议操舵力不超过1 2 0 n 对于装有动力转向的轿车建议操舵力为 1 0 2 0 n 不使用动力转向的为5 0 1 0 0 n 1 1 但在高速行驶时 适当减小转向 助力力矩则可以提高行驶的稳定性与安全性 动力转向系统是在驾驶员的控制 下 借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向 随着发动机前置前轮驱动型轿车日益增多 因汽车前轴负荷的增加使得转 向轻便性成为人们普遍关注的问题 由于动力转向系统不仅能很好地解决转向 轻便与转向灵活的矛盾 还能提高行驶安全性和舒适性 所以目前动力转向系 统不仅在中型载货汽车 尤其在重型载货汽车上得到广泛使用 而且逐步被应 用到轿车上 传统的液压动力转向系统不论系统是否工作都需消耗一定的能 量 因此会额外增加汽车的燃油消耗量 装置液压动力转向系统所引起的燃料 消耗量约占整车燃料消耗量的3 8 随着电子技术的发展 电子控制式机 械 液压动力转向系统应运而生 该系统在某些性能方面优于传统的液压动 力转向系统 但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺憾 而且其结构更加 复杂 使用成本更加高昂 电子控制式电动助力转向系统 属另一种动力转向系统 它完全取消液压 装置 用电能取代液压能 减少了发动机的能量消耗 研究与开发电动助力转 向系统 是与汽车发展中的安全 环保 节能三大主题相吻合的 因而非常具 有现实和长远的意义 1 2 汽车转向系统的概述 1 2 1 汽车转向系统的发展 转向系统是影响汽车操纵稳定性 舒适性和行驶安全性的关键系统之一 按转向动力能源不同 汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系统两 山东大学硕士学位论文 大类 机械式转向系统是以人的体力为转向能源的 其中所有的传力件都是机械 的 它主要由转向操纵机构 转向器和转向传动机构三部分组成 汽车转向器 作为汽车转向系统的重要零部件 其性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性 和可靠性 汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装 置所构成的转向系 如液压动力转向系统中的转向油罐 油泵 控制阀 动力缸 等 它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源 在正常的情况下 汽车 转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供 只有一小部分由驾驶员 提供 但在动力转向失效时 驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操 纵 随着动力转向系统的产生 液压动力转向系统以其具有的转向操纵灵活 轻便 设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大 并可吸收路面对前轮 产生的冲击等优点 自2 0 世纪5 0 年代以来 在各国汽车上得到普遍采用 但 传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量 增加了汽车的燃油消耗量 液压 动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约3 在转向系统的设计当中 汽车转向系统一直存在着 轻 与 灵 的矛盾 为缓和这一矛盾 采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力转向系统 采 用变传动比的机械转向系统 在转向盘小转角时以 灵 为主 在转向盘大转 角时以 轻 为主 但 灵 的范围只在转向盘中间位置附近 仅对高速行驶 有意义 并且传动比不能随车速变化 所以这种方法不能根本解决这一矛盾 而且变传动比的机械转向系统加工较复杂且机械效率比定传动比低 从有效地 减小转向力来看 无法同后者相比 放大多数商用汽车及5 0 的轿车都采用动 力转向系统 从2 0 世纪5 0 年代以来 动力转向系统经过了常规液压动力转向 系统 电子控制液压动力转向系统 电动助力转向系统三个发展阶段 并有继 续向电子化和智能化发展的趋势 下面对各种动力转向系统进行归纳总结 最初汽车采用的都是机械转向系统 但机械转向系统在前轮负荷过大时往 往导致转向沉重 为达到转向轻便灵活的目的 重型载货汽车和大型客车都需 要采用动力转向系统 高级轿车为了操纵灵活轻便和提高行车的安全性 也广 泛采用动力转向系统 早期动力转向装置主要采用液压和气压作动力 液压式 动力转向装置和气压式相比 由于工作压力高 灵敏性好 不需润滑 可吸收 路面对前轮的冲击而成为目前应用最为广泛的助力方式 而气压式动力转向系 2 第l 章绪论 统已很少使用 但常规液压动力转向系统的能耗大 不能随车速变化调整助力 大小 随着电子和微机技术的发展 出现了具有可随车速变化调整助力大小功 能的电子控制式液压动力转向系统 并在一些高级轿车上得到了应用 二十一 世纪由于即将面临的能源危机 对汽车的性能提出了更高的要求 从减少整车 油耗 节省空间 降低质量出发 上世纪八十年代动力转向系统家族又推出了 新的成员 电动助力转向系统 并且转向系统继续向与汽车其它系统集成化 和智能化的方向发展 如目前正在研究中的电子转向系统 或称电线转向系统 与智能转向系统 1 2 2 汽车动力转向系统的特点 回顾上述转向系统的发展历程 基本可把它分为四类 机械转向式 常规 液压式 电子控制液压式和电动助力转向系统 机械转向系统在此不用赘述 常规液压式动力转向系统利用发动机带动液压油泵工作建立一定的压力 并通 过动力缸对转向提供助力f 2 1 电子控制式液压动力转向系统则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 根据车速等信号采用电脑精确地控制动力转向系统中 压力油的流量 再由压力油驱动执行机构进行转向动作 电动助力转向系统不 采用液压作动力 而采用电动机对转向进行助力 并采用微机对助力大小进行 控制 下面分别对动力各种转向系统进行详细探讨 1 常规液压动力转向系统这类动力转向系统中的转向助力是由方向 盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变的助力 助力 的大小与车速的高低没有关系 只与转向角度有关 转向盘转过的角度越大 液压系统提供的助力也越大 国内生产的奥迪和桑塔纳轿车采用这类转向系 统 下文把这种常规液压动力转向系统简称为h p s h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g h p s h p s 一般由转向油罐 转向油泵 液压管路 机械转向系统组成 有分离 式 组合式和整体式三种结构 3 其中分离式装置在结构紧凑 位置狭窄的轻 型载货汽车和轿车上有所采用 组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和 公共汽车上 整体式在高级轿车上应用广泛 整体式动力转向系统又分为滑阀式和转阀式两种类型 其中滑阀式装置结 构简单 制造工艺要求较低 且易于布置 便于操纵但不能调整转向特性 而 转阀式装置结构难于加工但可按照用户要求调整转向系统的转向特性 转向操 山东大学硕士学位论文 舵力要大大小于滑阀式结构 且工作可靠 结构紧凑 工作压力高 代表着整 体式动力转向系统的发展方向 4 h p s 有待改进的方面f 5 6 1 转向油泵由发动机持续驱动 即使没有转向 动作也消耗能量 可采用电动机驱动方式和中位闭式转阀来降低能耗 并尽可 能提高各部件的效率 2 h p s 因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大下降 可通过对油泵和高压油管进行改进设计来减小液压噪声 3 h p s 最大的缺陷 是转向助力特性不可调 高速和低速时助力特性相同 解决的方法就是下面将 提到的电子控制式动力转向系统 2 电子控制式液压动力转向系统为了获得理想的汽车操纵稳定性 要求转向性能可动态地适应汽车行驶状态的变化 理想情况下 汽车在停车入 库时要求转向尽量轻便 而在汽车以不同的速度运行时 能实时提供相应的转 向助力以克服该运行速度下的转向阻力 并使驾驶员既能轻便地操纵方向盘 又有足够的路感 满足上述条件的是车速感应式动力转向系统即电子控制液压 动力转向系统 e l e c 缸 i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g e h p s 丰田于1 9 7 3 年 首先开发了车速感应式转向系统 本田和五十铃也分别于1 9 8 0 年和1 9 8 2 年相 继开发了类似装置 德国的z f 公司开发了s e r v o t r o n i c 和s e r v o c o m 型电子控 制的液压动力转向系统 7 e h p s 一般由机械装置和电气装置两部分组成 机械装置包括转向机 包括 控制阀 压力腔及助力缸 油泵及管路 电气部分则由车速传感器 电子控 制单元e c u 及电磁溷组成 它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号如 车速转变为电信号 由e c u 判别汽车的运行状态以此来控制电磁阀线圈的电流 进而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 e h p s 按照控制方式可分为流量控制式 反力控制式和阀灵敏度可调式 流量控制式是通过检测车速的大小 调节向动力转向装置提供压力油液的流 量 从而控制转向力 反力控制式是利用车速的大小控制反力室油压 改变 压力油输入输出的增益幅度以控制转向力 阀灵敏度可调式是根据车速操纵 电磁阀 直接改变转向控制阀的油压增益 阀灵敏度 以控制油压 第一种控 制方式已很少采用 第二种控制方式在凌志 皇冠轿车上可见到 第三种控制 方式已用于 8 9 地平线 牌轿车 4 第1 章绪论 e h p s 因增加了车速检测控制装置及阀的结构较h p s 复杂而成本较高 目 前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上 e h p s 的设计除了需要考虑h p s 的 一些关键技术外 还须考虑电气部分如传感器选型及布置 电磁阀的特性 转 向电子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求 3 电动助力转向系统 e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 简称e p s e p s 是继液压动力转向系统后产生的一种动力转向系统 电动助力转向系统由电动 机提供助力 助力大小由电控单元 e c u 实时调节与控制 可以较好地解决上 述液压动力转向系统所不能解决的矛盾 目前 电动助力转向系统有代替液压 动力转向系统的趋势 1 3电动助力转向系统的发展与研究现状 1 3 1电动助力转向系统的基本构造 一个e p s 系统通常由扭矩传感器 车速传感器 电子控制单元e c u 电 动机 减速机构等组成 见图1 1 图1 1e p s 系统组成示意图 当转动方向盘时 扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩 并产生一个电信 号 与此同时 车速传感器测出汽车的车速 也产生一个电信号 这两个信号 被送往电子控制单元 经过电子控制单元分析处理后 输出给电动机一个合适 的电流以产生相应的扭矩 经减速机构施加在转向机构上 得到一个与工况相 适应的转向作用力 电动助力转向系统独立于汽车发动机而由蓄电池提供动 山东大学硕士学位论文 力 不受发动机工作的影响 目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转 向器 根据电动机助力位置的不同 有三种结构形式 转向柱助力 转向小齿 轮助力和齿条助力 一个完整的e p s 还包括故障诊断与安全保护系统 当发 生故障时能自动停止助力 并发出报警信号 显示所记忆的异常内容如传感器 本身异常以及电动机和蓄电池是否正常工作等等 并在出现故障后 自动恢复 到手动方式转向 电动助力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 能显著改善汽车动态性能和静态性能 提高行驶中驾驶员的舒 适性和安全性 减少环境的污染等 因此 该系统一经提出 就受到许多大汽 车公司的重视 并进行开发和研究 未来的转向系统中电动助力转向将成为转 向系统主流 与其它转向系统相比 该系统突出的优势体现在 1 降低了燃油消耗和材料消耗液压动力转向系统需要发动机带动液压 油泵 使液压油不停地流动 浪费了部分能量 以1 9 9 5 年全世界轿车销售量 中7 5 即3 7 0 0 万辆 为例 引 为了维持h p s 正常工作 共用去了4 0 0 0 万 升液压油 由于e p s 系统中电动机只在需要时才启动 它是现有的各种动力 转向系统中燃料消耗最低的转向系统 据有关资料报导 e p s 的燃料消耗率仅 为h p s 的1 6 2 0 9 此外e p s 不需要传统的油泵 动力缸等液压部件 因 此也不会发生液压油泄漏及由此产生的污染问题 相反电动助力转向系统 e p s 仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量 该能量可以来自蓄电池 也可来自发动机 而且 能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关 当转 向盘不转向时 电机不工作 需要转向时 电机在控制模块的作用下开始工作 输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩 而且 该系统在汽车原地转 向时输出最大转向力矩 随着汽车速度的改变 输出的力矩也跟随改变 该系 统真正实现了 按需供能 是真正的 按需供能型 系统 由于该系统没有 起动时的预热 节省了能量 不使用液压泵 避免了发动机的寄生能量损失 提高了燃油经济性 装有电动助力转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的 车辆对比实验表明 在不转向情况下 装有电动助力转向系统的车辆燃油消耗 降低2 5 在使用转向情况下 燃油消耗降低了6 5 2 增强了转向跟随性 l o 在电动助力转向系统中 电动助力机与助力 机构直接相连可以使其能量直接用于车轮的转向 该系统利用惯性减振器的作 6 第1 章绪论 用 使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小 因此转向系统的抗扰动能力大大 增强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 增强了转向车轮对转向盘的跟随性能 3 改善了转向回正特性 儿 直到今天 动力转向系统性能的发展已经 到了极限 电动助力转向系统的回正特性改变了这一切 当驾驶员使转向盘转 动一角度后松开时 该系统能够自动调整使车轮回到正中 该系统还可以让工 程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性 从最低车 速到最高车速 可得到一簇回正特性曲线 通过灵活的软件编程 容易得到电 机在不同车速及不同车况下的转矩特性 这种转矩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 而在传统的液压 控制系统中 要改善这种特性必须改造底盘的机械结构 实现起来有一定困难 4 提高了操纵稳定性 1 2 通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测 试汽车的稳定特性 采用该方法 给正在高速行驶 1 0 0 k m h 的汽车一个过 度的转角迫使它侧倾 在短时间的自回正过程中 由于采用了微电脑控制 使 得汽车具有更高的稳定性 驾驶员有更舒适的感觉 5 提供可交的转向助力电动助力转向系统的转向力来自于电机 通过 软件编程和硬件控制 可得到覆盖整个车速的可变转向力 可交转向力的大小 取决于转向力矩和车速 无论是停车 低速或高速行驶时 它都能提供可靠的 可控性好的感觉 而且更易于车场操作 对于传统的液压系统 可变转向力矩 获得非常困难而且费用很高 要想获得可变转向力矩 必须增加额外的控制器 和其它硬件 但在电动助力转向系统中 可变转向力矩通常写入控制模块中 通过对软件的重新编写就可获得 并且所需费用很小 6 采用 绿色能源 适应现代汽车的要求电动助力转向系统应用 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 态油的泄漏问题 可以说该系统顺应了 绿色化 的时代趋势 该系统由于没 有液压油 没有软管 油泵和密封件 避免了污染 而液压转向系统油管使用 的聚合物不能回收 易对环境造成污染 7 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 所以不需要对不同的系统重新进行设计 试验 加工 等 不但节省了费用 也为设计不同的系统提供了极大的灵活性 由于没有油 山东大学硕士学位论文 泵 油管和发动机上的皮带轮 使得工程师们设计该系统时有更大的余地 而 且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计 发动机部件的空 间利用率极高 该系统省去了装于发动机上皮带轮和油泵 留出的空间可以用 于安装其它部件 8 生产线装配性好电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵 油 管 流量控制阀 储油罐等部件 零件数目大大减少 减少了装配的工作量 节省了装配时间 提高了装配效率 9 可与汽车其它电子控制系统集成使用 1 4 现代汽车电子控制系统所 占比例越来越大 e p s 系统可以与主动悬架 防抱死制动 a b s 及车轮驱动 力控制等系统结合 共享其电子装置的功能 1 0 有很好的可靠性并且维修方便e p s 的部件 包括传感器 控制器 和电机中的电磁部分 均采用了无故障设计和失效保护设计措施 当这些部件 发生故障时 系统可自动转换为手转向 确保系统安全可靠 装有电动助力转 向系统的汽车没有油泵 没有软管连接 可以减少许多忧虑 实际上 传统的 液压转向系统中 液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的5 3 如软管漏 油和油泵漏油等 汽车在较冷的冬季起动时 传统的液压系统反应缓慢 直至 液压油预热后才能正常工作 由于电动助力转向系统设计时不依赖于发动机而 且没有液压油管 对冷天气不敏感 系统即使在 4 0 时也能工作 所以提供 了快速的冷起动 由于e p a s 具有以上突出的性能特点 它可安装于各类车型 从超小型 汽车到高级轿车 采用汽油机和柴油机的各种轻型商用汽车和电动汽车 据 t r w 公司官员估计 到2 0 1 0 年 1 3 轿车的转向系统将采用此类转向系统 因 此对电动助力转向系统的研究十分迫切和重要 1 3 2电动助力转向系统的发展与研究现状 电动助力转向系统 e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g e p s 正如上文所述 无论 是h p s 还是e h p s 都存在着由于油泵的持续工作所造成的多余能量消耗 而 且整个液压系统占用空间大 容易泄露对环境造成污染及噪声大等缺点 工程 人员一直想用其它的动力来代替液压系统邮l 基于这一想法近年来各大汽车公 司纷纷推出了自己的电动助力转向系统 电动助力转向最先应用在日本的微型 车上 1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备 随后还用在其 第1 章绪论 a l t o 车上 1 5 在此之后 电动助力转向系统得到迅猛发展 日本的大发汽车公 司 三菱汽车公司 本田汽车公司 n s k 和k o y o 公司 1 6 美国的d e l p h i 汽 车系统公司 t r w 公司 1 7 德国的腰公司 英国的l u c a s 公司 1 8 都相继 研制出各自的e p s 经过近二十年的发展 e p s 技术日趋成熟 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 e p s 的助力型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 日本早期的 e p s 仅仅在低速和停车时提供助力 高速时e p s 将停止工作 新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力 而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性 如铃木公司装备在w a g o nr 车上的e p s 是一个负载路面车速感应型助力转向 系统 由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围助力型 且首次设置了 两个开关 其中一个用于郊区 另一个用于市区和停车 当车速大于7 0 k m h 后 这两种开关设置的程序则是一样的 以保证汽车在高速时有合适的路感 这样即使汽车行驶到高速公路时 驾驶员忘记切换开关也不会发生危险 我国在2 0 0 2 年才开始研制开发汽车e p s 产品 目前已经知道的有1 3 家企 业和科研院校正在研制中 其中南摩股份有限公司 生产转向柱式的e p s 产品 在2 0 0 3 年开始进入小批量生产阶段 中日合资的广州昭和汽车零部件公司已在 国内生产 其他厂家和科研院校均在开发阶段中 1 9 1 电动助力转向系统是一项 综合了现代控制技术 机电一体化及现代电子技术等技术的高新技术 与传统 液压动力转向相比有许多优点 其发展前景是非常好的 首先 e p s 的应用范围将会进一步拓宽 将作为标准件装备在汽车上 并 将在动力转向领域占据主导地位 目前 在全世界汽车行业中 电动转向系统 每年正以9 1 0 的增长速度发展 年增长量达1 3 0 万 1 5 0 万套 到2 0 0 8 年e p s 系统的全球销量将增长到3 0 0 0 万套 按此速度发展 用不了几年的时 间 电动转向将会完全占领轿车市场 并向微型车 轻型车和中型车扩展 其次 尽管e p s 己经达到了其最初的设计目的 但仍然存在一些急待解决 的问题 比如提高现在应用的e p s 系统性能的可靠性 降低生产成本等 另外 电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力 转 向路感等问题 因此进一步改善电动机的性能是下一步努力的一个主要方向 第三 未来的e p s 将向电子四轮转向的方向发展 并与通过总线技术电子 9 山东大学硕士学位论文 悬架 发动机电子控制等一起统一协调控制汽车的运动 随着电子技术的发展 今后有可能取消转向系统的机械部分而采用所谓的线控转向系统 这将是e p s 的未来1 0 年的发展方向 概括地说 今后电动助力转向技术的发展方向主要是 改进控制系统的性 能 提高系统可靠性和降低控制系统的制造成本 只有进一步改进控制系统的 性能 才能满足更高档车的使用要求 只有降低成本才能在大多数汽车上得到 广泛应用 对于我国来说 由于在这方面和国外的差距很大 所以在今后相当长的一 段时间内 仍须集中精力解决好传感器 电动机和电子控制器e c u 等方面的 研究开发工作 1 4 研究目的 随着现代电力电子和信息技术的发展 电动助力转向是现代汽车转向系统 发展的必然趋势 因此我们必须大力对电动助力转向技术进行研究 本文所进 行的工作正是在这一时代背景下展开的 通过查阅国内外的文献 本文介绍了 国内外的电动转向系统的发展现状 硬件组成 控制算法 控制系统 最后设 计电动助力转向系统试验平台并进行相关实验和仿真 以应用于教学和研究 1 5 课题的研究内容 本文对e p s 的结构组成 工作原理 发展现状及前景等进行了简要介绍 描述了e p s 系统的各个功能模块 并对其进行了系统动力学建模 得到被控对 象的状态空间模型 针对所要建立的试验平台的特性要求 采用半实物仿真技 术 用计算机实现对e p s 系统的控制和监测 将受控对象作为实物直接放置在 仿真回路中 考虑到e p s 是一个非线性的多输入多输出系统 实际工作环境恶 劣 路面冲击和传感器的噪声等都将会影响整个系统的性能 故采用p d 控制 方式 以获得较好的路感和对驾驶员输入的快速相应 最后 对e p s 半实物仿 真试验平台的硬件和软件系统的设计 组建进行了阐述 并且对所进行的试验 结果进行分析 得出结论 本文的主要内容如下 1 对e p s 系统进行动力学建模 2 详细介绍了e p s 系统的设计思想与组建方案 3 对电动助力转向系统0 i p s 的控制策略及控制方法进行了初步的研 1 0 第1 章绪论 究 4 利用我们获得的相关仿真实验数据 进行了相关特性试验 并对试 验结果进行分析 得出结论 5 对电动助力转向系统发展的展望与改进建议 山东大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统的动力学分析和建模 为了研究一个系统的动态特性 除了对其物理性质有一个正确认识外 还 必须推导出它的数学模型 即系统动态特性的数学表达式 同时 系统建模在 控制系统理论研究中 也是一个比较重要的环节 通常建立系统的数学模型是 由基本的物理定律得出所研究变量间的一些关系 并用微分方程加以描述 在 推导数学模型过程中通常要考虑在模型的简化和准确性之间作出折衷 因为影 响系统的因素很多 把它们全部都考虑在内 模型固然很准确很全面 然而往 往太复杂 它的可用性也就成问题了 所以根据系统使用条件和研究对象 忽 略一些次要因素 采用适当简化的模型 2 0 州 图2 i 车辆坐标系 汽车在行驶中的运动是借固定于运动着的汽车上的动坐标系 车辆坐 标系来描述的 如图2 i 所示 固定于汽车上的o x y z 直角动坐标系就是车辆 坐标系 o x z 处于汽车左右对称的平面内 当汽车在水平路面上静止状态下 x 轴平行于地面指向前方 z 轴通过质心指向上方 y 轴指向前方的左侧 令坐标 系的原点0 与质心重合 以此坐标系为基准 汽车运动的自由度可按三维空间 内的刚体运动分为6 个自由度 其中与操纵稳定性有关的主要运动参量为 车 厢绕z 轴转动的角速度 横摆角速度缱 汽车质心速度在y 轴上的分量 侧向速度u 而绕x 轴的转动则是伴随着这两种运动而产生的 2 1汽车电动助力转向系统的受力分析 e p s 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力 电动机的助力矩 和整个转向系统所受的转向阻力矩 驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力 同时在e p s 系统的电动机助力下 通过转向机构克服转向阻力矩 从而实现对 第2 章电动助力转向系统的动力学分析和建模 汽车的转向 转向时驾驶员作用在方向盘上的作用力以及电动机作用的助力矩大小与 汽车整个转向系统所受的阻力矩有关 2 2 j 1 驾驶员的操纵力在汽车曲线运动中 由驾驶员通过作用在方向盘 的切向力对汽车进行操纵 一般驾驶员都希望转向时能操作轻便 在高速时仍 能保持稳定 且具有良好的 路感 因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情 况 一 改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力 二 保持汽车 行驶方向不变 包括直线运动和固定某个方向的运动 时驾驶员保持方向盘不 动的力 这种在车轮转向角位置保持不变行驶时 驾驶员作用在转向盘上的力 称为方向盘把持力 2 e p s 的阻力矩按产生的来源不同 e p s 的阻力矩大体上可分为 绕 主销的阻力矩 和 转向系的阻力矩 两大部分组成 这些转向阻力矩的各组 成部分都随转向盘转角 车速 轮胎偏转角 转向盘转动角速度和车辆侧偏角 变化而变化 1 转向系阻力矩主要包括 转向系摩擦力矩 转向系复原力矩 和 转 向系惯性力矩 三部分 转向系摩擦力矩 主要指转向系的各部分之间的干 摩擦阻力矩的总和 转向系复原力矩 主要由转向系内回位弹簧 内橡胶衬 套等的弹性变形引起的回复力产生的 转向系惯性力矩 主要由转向系内各 部分在运动过程转速的变化所形成的 2 绕主销的阻力矩 大部是由路面和轮胎间的转矩形成的 它受路面状 态 轮胎特性 车轮定位和负荷等的影响 随着车速和转向轮偏转角的变化而 变化 通常 绕主销的阻力矩 按汽车不同的行车方式分成 原地转向阻力矩 和 行车转向阻力矩 两种 原地转向 指对静止不动的汽车进行转向时 首 先是轮胎发生扭转变形 继之以轮胎和路面之间发生滑移 称这一情况所产生 的转向阻力矩为原地转向阻力矩 行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向 时产生的阻力矩 行车转向比原地转向车速增加了 接地面积滚动成分增加 转向阻力矩也突然减小 不过 车辆如以更高车速转向行驶 将由于轮胎发生 偏转形成自动回正力矩 促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致 这样行车转 向中所受转向阻力矩就大致和原地转向时相仿 高速行车中 由轮胎偏转角所 引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的 山东大学硕士学位论文 因此影响 绕主销的阻力矩 的因素有轮胎接地的单位面积压力 接地面 积 摩擦系数 车速和车轮偏转角等 显然 负荷愈大 轮胎气压愈低 原地 转向阻力矩也将愈大 同时轮胎和路面间的摩擦系数增大 原地转向阻力矩也 将增大 3 电动机助力矩 是由电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外 加的力矩 它的大小由e p s 的e c u 根据传感器传来的车速和力矩信号来决定 2 2 转向阻力和路感 汽车转弯时 前轮上作用着与转向力相应的 绕主销的阻力矩 通常笼 统地称为回正力矩 这回正力矩除以传动比 就是驾驶员为了使汽车转弯所经 常需要克服的力矩 除了回正力矩以外 驾驶员还需要克服主销的摩擦阻力矩 转向机的摩擦力矩 其大小取决于转向机效率 各个球头的摩擦力矩以及原地 转向时轮胎与地面的摩擦力矩等 驾驶员在转向时所需克服的阻力矩包括两个主要部分 一是回正力矩 二 是摩擦力矩 如果问 转向力大好还是小好 可能大部分开过车的人都回答 当然小些好 但太小也不好 转向轻意味着减少驾驶员的体力消耗 从这 个意义上说 当然是越轻越好 但是转向力中还包含着前轮侧向力的信息 使 汽车的运动状态 包括车轮与路面的附着状态 与驾驶员手上的力有一种对应 关系 这就是所谓的 路感 如果这种 路感 很清晰 驾驶员就会感到 心 中有数 如果转向盘上的转向力太小了 路感 也就没有了 所以从这个意 义上说 转向力又不能太小 不过 更确切地说 原则上是转向力中与前轮 侧向力有着对应关系的那一部分 回正力矩部分 不能太小 而与前轮侧向力无 关的各种摩擦力矩则是越小越好 然而各种摩擦力矩的大小也存在另一方面的 制约 通常 如果逆传递的摩擦力太小 也会增大不平路面对转向盘的冲击 为了减小所谓的 反冲 有时故意追求较低的转向机的 逆效率 这种做法 肯定要以减少 路感 为代价 转向系统干摩擦的存在 对转向力中的侧向力信息来说总是一种 噪声 从而降低了转向力中的 信噪比 理想的设计应该是尽量降低转向系统的干 摩擦 以尽量提高 信噪比 而为了减小路面冲击的传递 靠装设与速度成 比例的液力阻尼器 因为转弯运动总是低频的 而路面冲击总是以高频为主的 这种阻尼器对低频的信息没有影响 而对瞬时的高频冲击却可产生很大的阻 1 4 第2 章电动助力转向系统的动力学分析和建模 力 从而使路面的冲击传不到转向盘上来 此外 在回正力矩作用小 主要是 拖距 的情况下往往会增加高速撒手运动 力输入运动 的振荡倾向 这就是为 什么驾驶员往往把转盘轻与 飘 联系在一起的原斟9 根据以上分析 理想的助力特性应包括以下三个方面 一 要使汽车转向 系统具有良好的轻便性 二 要使驾驶员能获得足够高的 信噪比 三 要 防止路面对方向盘的反向冲击过大 2 3 汽车电动助力系统的数学模型 2 3 1 线性二自由度汽车模型 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性 我们对汽车的运动进行假定 简化 为线性二自由度的汽车模型进行研究 2 3 2 习 分析中直接以前轮转角作为输入 忽略转向系统的影响 忽略悬架的作用 认为汽车只作平行于地面的平面运动 即汽车沿x 轴的位移 绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零 另外在这里 不考虑地面切向力和空气动力的作用 假设汽车沿x 轴的前进速度叱视为不变 即作等速运动 因此汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的横摆运动这样两个一 自由度 此外 汽车正常行驶时 侧向加速度不超过0 4 9 侧偏角不超过4 5 轮胎侧偏力与侧偏角呈线性关系 在建立运动微分方程时还假设 驱动力 不大 不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响 忽略左右车轮轮胎由于载荷 的变化而引起轮胎特性和回正力矩的作用 这样 实际汽车便简化成一个两轮 车的平面模型 如图2 2 所示 它是一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于 地面 具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型 l 嵋 d 售1 生j a i i 节 q 芒 r 乃一前轮上的侧向反作用力 n 易一后轮上的侧向反作用力 n a 一前轮胎侧偏角 r a d q 一后轮胎侧偏角 r a d 图2 2 线性两自由度模型 山东大学硕士学位论文 分析时 令车辆坐标系的原点与汽车质心重合 显然 汽车的质量分布参 数 如转动惯量等 对固结于汽车的这一动坐标系而言为常数 这正是采用车 辆坐标系的方便之处 参看图2 1 与图2 2 x 与y 为车辆坐标系的纵轴与横轴 质心速度 在x 轴上的分量为1 在y 轴上的分量为k 因此 只要将汽车的 绝对 加速度与 绝对 角加速度及外力