汽车电动助力转向系统的设计.pdf

第22卷第4期 2009年8月 常 州 工 学 院 学 报 Journal of Changzhou Institute of Technology V ol 22 N o 4 A ug 2009 收稿日期 2008212212 基金项目 江苏省苏北技术创新引导基金 BN 2008010 2008江苏省 青蓝工程 基金资助 作者简介 胡春花 1972 女 讲师 汽车电动助力转向系统的设计 胡春花 镇江高等专科学校电子信息系 江苏 镇江212003 摘要 文章研究了电动助力转向系统的基本组成及工作原理 建立了系统模型 推导出系统的 状态方程 助力转向系统的电机转矩采用电流控制策略 并结合系统模型进行仿真 仿真结果表 明 控制系统反映了电动助力转向系统的工作情况 并具有良好的转向助力效果 关键词 车辆工程 电动助力转向系统 数学模型 控制策略 仿真 中图分类号 U463 4 文献标识码 A文章编号 1671 0436 2009 04 0053 05 The Design of Electric Power Steering System HU Chun2hua Department of Electronics and Information Science Zhenjiang College Zhenjiang212003 Abstract This paper introduces the theory of electric pow er steering system and how to create its m ath2 em atic m odel and how to derive the state equation It also si m ulates the m odel in MA TLAB and the result indicates that the steering w heel is easy to control and returns quickly w ith good steering feeling by using the m odel of electric pow er steering system Key words vehicle engineering electric pow er steering m athem atic m odel control strategy si m ulation 电动助力转向系统EPS Electric Pow er Steer2 ing 是在传统的机械式转向系统的基础上 利用 直流电动机作为动力源 电子控制单元根据转向 参数和车速等信号控制电动机转矩的大小和转动 方向 与传统的液压转向系统相比 电动助力转 向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助 力 电动机只有在转向时才工作 在不进行转向时 几乎没有动力消耗 使汽车具有更好的燃油经济 性 同时具有轻型小巧 装配迅速 易于调整 噪声 及废油 废气污染小等优点 目前没有标准的 EPS模型 1 本文提出EPS模型强调轻巧 易于 调整 适用于小型汽车 该模型结合实验和仿真 验证了其精确性和实用性 1 EPS组成及其工作原理 电动助力转向系统主要由车速传感器 转向盘 转动传感器 包括扭矩传感器和转速传感器 电子 控制单元 功率驱动电路 离合器和直流电动机等 组成 2 工作原理 电子控制单元 ECU 根据各传感 器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力 转矩 向电动机和离合器发出控制信号 通过功率 驱动电路控制直流电动机的转动 电动机的输出经 过减速机构减速增扭后 驱动齿轮齿条机构 产生 相应的转向助力 其控制系统的基本结构如图1 所示 常州工学院学报2009年 图1 EPS结构框图 2 EPS数学模型建立 为了研究EPS系统的动态特性及EPS系统 对汽车操纵性的影响 EPS数学模型的建立是进 行理论研究必不可少的一个环节 如图2所示 EPS的机械部分主要可分为转向盘和转向轴 电 动机 减速结构和齿轮齿条4个主要部分 根据系 统的使用条件和研究对象 忽略一些次要因素 对 EPS部件进行简化 在简化的基础上 根据牛顿运 动定律建立各部分的力学模型 然后再根据各部 件之间的相互约束关系 联立各模型 得到整个系 统的模型 3 图2 EPS动态模型 对转向盘和输入轴受力分析 这里考虑了转 向盘的转动惯量 并且把输入轴的黏性阻尼考虑 在内 可以得到如下运动方程 Js d 2 s dt 2 Bs d s dt Th Tsen 1 式 1 中 Js为转向盘输入轴的转动惯量 Bs 为输入轴的黏性阻尼系数 s为输入轴的旋转角 Th为作用在转向盘上的转向转矩 Tsen为转矩传 感器信号 由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生 扭转变形 扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成 正比 即有 Tsen Ks s e 2 式 2 中 Ks为扭杆的刚性系数 e为输出轴 的旋转角 系统采用永磁式直流电动机 电动机的端电 压U与电感L 电枢电阻R 反电动势常数Kb 转 速 d m dt 电流I和时间t之间的关系为 U L dI dt RI Kb d m dt 3 电动机产生的电磁转矩为 Tm KaI 其中Ka 为电动机的转矩系数 对电动机机械部分受力分析 可以得到 Jm d 2 m dt 2 Bm d m dt Tm Ta 4 式 4 中 Jm为电动机和离合器的转动惯量 Bm为电动机黏性阻尼系数 m为电动机的转角 Tm电动机电磁转矩 Ta为电动机输出转矩 在实际的控制系统中 电动机助力转矩Ta可以 表示为 Ta Km m G e 其中Km为电动机的减 速机构的输出轴刚性系数 对转向柱输出轴及电机 输出轴进行动力学分析 得到运动学方程 Je d 2 e dt 2 Be d e dt Tsen GTa Tw 5 式 5 中 Je为输出轴的转动惯量 Be为输出 轴的阻尼系数 G为蜗轮 蜗杆减速机构的减速 比 Tw为作用在输出轴上的反作用转矩 对齿条和小齿轮进行动力学建模 可以得到 mr d 2 xr dt 2 br dxr dt Tw rp FTR 6 式 6 中 mr为齿条及小齿轮的等效质量 br 为齿条的阻尼系数 xr为齿条的位移 rp为小齿轮 半径 FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿 条上的轴向力 转向阻力FTR主要受转向时车轮与地面的摩 擦 回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的 影响 同时它还与车速 路况 转弯半径 风阻以及 转向盘的转速等有关 对于常规助力控制过程该 模型的简化对控制策略的影响不大 这里给出简 化的计算公式 FTR krxr F 7 45 第4期胡春花 汽车电动助力转向系统的设计 式 7 中 kr为等效弹簧的弹性系数 F 为路 面的随机信号 其中 e xr rp 联立上面所建的动力学方程 可以得到 Js d 2 s dt 2 Bs d s dt Ks s Th Ks xr rp 8 Jm d 2 m dt 2 Bm d m dt Km m Tm GKm xr rp 9 Mr d 2 xr dt 2 Br dxr dt Krxr GKm rp m Ks rp s Fd 10 式 10 中 Mr mr Je rp 2为减速机构 小齿轮 和齿条等的当量质量 Br br Be rp 2为减速机构 小 齿轮 和 齿 条 等 的 当 量 阻 尼 系 数 Kr kr Ks G 2 Km rp 2 为小齿轮 齿条和轮胎的等效弹簧的弹 性系数 根据上述动力学方程建立系统的状态方程 dx dt Ax Bu y Cx D u 其中状态变量为 x s d s dt xr dx r dt m d m dt T 控制输入量为 u Th Tm Fd T 输出量为 y Ta Tsen m d m dt xr T A 010000 Ks Js Bs Js Ks Jsrp 000 000100 Ks Mrrp 0 Kr Mrrp 2 Br Mr KmG Mrrp 0 000001 00 KmG Jmrp 0 Km Jm Bm Jm B 000 1 Js 00 000 00 1 Mr 000 0 1 Jm 0 C Ks0 Kr rp 000 00 KmG rp 0Km0 000010 000001 001000 D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 该模型主要有3个输入 转向盘转矩Th 电 动机电磁转矩Tm和路面的随机阻力F 系统的 输出主要包括转矩传感器信号Tsen 实际助力大 小Ta 电动机转角 m和速度 d m dt 齿条位移xr 3 EPS电机控制策略及系统仿真 本设计中电动机转矩采用电流控制策略 电 子控制单元根据输入的转向盘转矩信号和车速信 号 按照预先设定的助力特性曲线 确定电动机的 目标电流IT 同时将电流传感器采集到的电动机 转子电流IF反馈到电子控制单元 电子控制单元 采用PID控制算法 使目标电流IT和反馈电流IF 的误差为零 同时 为了能够精确地提供所需的助力力矩 为 驾驶员提供操纵的轻便型和保证高速行驶时操纵的 稳定性 EPS系统必须对因电动机的摩擦和惯量而 引起的转向过程中的路感消失 回正迟缓和延迟 方 向盘振荡 转向不灵敏等问题进行相应的各个参数 的补偿控制 其控制策略框图如图3所示 4 5 由图3可知 电动机目标电流为基本助力电流 摩擦补偿电流 阻尼补偿电流 回正补偿 惯性补偿 电流的代数和 电动机目标电流经过PI D调整及最 大电动机电流控制后 输出电动机控制信号 55 常州工学院学报2009年 图3 EPS控制策略框图 图4 图5分别为汽车在原地转向和车速为 10km h的工况下 以1rad s的速度转动方向盘 所得到的仿真图 在原地转向工况下 机械式转 向器的最大转矩为2116N m 采用EPS的转向 器最大转矩为714N m 为机械式的34 在车 速为10km h时 机械式转向器的最大转矩为 1113N m 采用EPS的转向器最大转 矩为 516N m 为机械式的48 可以看出采用EPS 的转向系统 转向轻便性得到很好的提高 其助力 增益随着车速的提高不断降低 图4 汽车原地转向工况图 图5 车速为10 km h时转向工况图 图6为汽车静止时 对方向盘作用的大 小分别为10N m和5N m的力阶跃输入得到的 电动机电流响应图 图6 阶跃响应图 从图6可以看出 电动机反应迅速 工作稳 定 符合助力特性要求 图7为模拟转向盘转向 力矩的曲线图 图8为对应于该过程相应的电流 响应图 从图8可以看出采用电流控制策略 电 动机电流响应有较好的跟踪性能 6 图7 模拟转向盘转向力矩的曲线图 4 结论 1 根据电动助力转向系统的结构及工作原 理 采用合理的控制策略 建立电动助力转向系统 模型 65 第4期胡春花 汽车电动助力转向系统的设计 图8 相应的电流变化曲线图 2 该电动助力转向系统模型比目前的传统 模型更为准确 简便 实用 3 用此模型进行仿真计算 仿真结果可以为 电动助力转向系统的优化设计 优化控制 系统调 试等方面提供参考和论证 参考文献 1 陈奎元 马小平 季学武 电动助力转向系统控制技术的研究 J 江苏大学学报 自然科学版 2004 1 22 24 2 胡春花 电动助力转向系统中电动机功率驱动的设计 J 制 造业自动化 2008 29 11 110 113 3 施国标 申荣卫 林逸 电动助力转向系统的建模与仿真技 术 J 吉林大学学报 工学版 2007 37 1 31 36 4 施国标 电动助力转向特性仿真与控制策略研究 D 长春 吉林大学 2002 47 50 5 王元聪 汽车电动助力式转向系统 EPS 控制策略研究 J 交通与计算机 2005 6 75 78 6 何仁 徐建平 电动助力转向系统稳定性分析 J 江苏大学 学报 自然科学版 2004 25 1 294 297 责任编辑 张秀兰 上接第45页 前向逼近法的思路是 一种不等间隔分段的 思路 从测量起点以小步距向前试探 直到满足段 内误差达到最大规定值 则以前一点为分段点 并 开始下一段试探 同样精度下分段数明显小于后 向逼近法 本实验采用后向逼近法 3 对所有分段点进行线性拟合得到直线斜 率Kz Kz n i 1ViD i n V D n i 1D i 2 D 2 5 4 根据式 3 计算Rn并保存各参数 供检测 求值使用 212 2 检测求值 根据传感器的真实输出查找属于哪一段 然 后查表得到Kn Dn Rn 并根据式 4 计算输出传 感器的理想输出R 3 结束语 在单自由度磁悬浮球系统中 运用本文的软 件补偿法对电涡流位移传感器的特性曲线进行