电动助力转向系的设计.doc

山东建筑大学毕业论文1前 言1.1 选题背景及意义电动助力转向系统（EPS,Electric Power Steering）是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种工况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属TRW转向系统和Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统，而Delphi Sagiaw （萨吉诺）转向系统又代表着转向系统发展的前沿1。她是一个于20世纪50年代把液压助力转向系统推向市场的，从此以后，Delphi转向发展了技术更加成熟的液压助力系统，使大部分的商用汽车和约50%的轿车装备有该系统。现在,Delphi转向系统又领导了汽车转向系统的一次新革命-电动助力转向系统。电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想，该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成2。 该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。1.2 电动助力转向系统的发展现状及优势作为汽车的一个重要组成部分，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的重要研究课题。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。汽车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统3个基本发展阶段。机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，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，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、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。1953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。80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(Variable Displacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS)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。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。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。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。相反电动助力转向系统（EPS）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（on-demand）系统。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-40时也能工作，所以提供了快速的冷起动。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国辆燃油消耗降低2.5%，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5.5%3。 （2）增强了转向跟随性。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用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减水4。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。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5。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机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。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（100km/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）提供可变的转向助力。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6。可变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。该系统由于它没有液压油，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，而且更易于生产线装配。由于没有油泵、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7。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。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。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53%，如软管漏油和油泵漏油等8。 （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。 电动助力转向系统自20世纪80年代中期初提出以来，作为今后汽车转向系统的发展方向，必将取代现有的机械转向系统、液压助力转向系统和电控制液压助力转向系统。 1.3 电动助力转向系统研究目的（1）汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后,EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展,它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一,所以它具有广泛的应用前景。 （2）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大类。 （3）传统转向系统就是由简单的机械来传递动力,主要的组成是有方向盘、转向器总成、以及转向拉杆等零件组成。 （4）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就是管内压力和油的泄露9。替液压动力转向系统的趋势。1.4 本文的研究内容（1）对转向系统机械部分的结构及受力分析；（2）对电动助力转向系统对汽车操纵稳定性评价指标分析；（3）选择合适的助力特性曲线，并使用MATLAB进行电动助力转向系统对汽车操纵稳定性仿真分析；（4）通过MATLAB仿真分析电动助力转向系统对汽车操作稳定性的影响，从转向轻便性、转向回正性、随机灵敏度和助力特性等方面进行电动助力转向性能的客观评价。2转向系统机械部分的结构及工作条件进行分析2.1引言汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮（一般是前轮）相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。驾驶操纵用来改变或回复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。汽车转向系统根据转向能源的不同可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械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。动力转向系统是在机械转向系统的基础上曾设了一套转向加力装置所构成的转向系，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常情况下，汽车转向所需的大部分力通过转向加力装置提供，只有小部分由驾驶员提供。同时在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。汽车转向系统一直存在着轻与灵的矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在方向盘小转角时以灵为主，在方向盘大转角时以轻为主。但灵的范围只在方向盘中间位置附近，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。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。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节和控制。因此传统的液压动力转向系统协调转向力与操纵路感关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻，路感差，甚至感觉发飘，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。电动助力转向系统（Electric Power Steering System，简称EPS），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（ECU）实时调节与控制，可以较好的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。2.2转向系统机械部分的结构电动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。 硬件技术主要涉及传感器、电机和ECU。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。 软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂（或转向节臂）。它所受的力既有拉力，也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。直拉杆的典型结构如图2-1所示。在转向偏转或因悬架弹性变形而向相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。图2-1 转向系统的结构简图3左转向横拉杆 4又转向横拉杆 5左梯形臂 6右梯形臂 10齿轮齿条式转向器电助力转向系统的工作原理如下：首先，转矩传感器测出驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。电动助力转向系统（EPS）作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域。与先前的预测相反，EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。EPS系统包含下列组件：转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；电控单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小； 电机，根据电控单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高电机产生的转动力，并将其传送至转向机构。车辆系统控制算法输入信息是由汽车CAN总线提供的(例如转向角和汽车速度等等)。电机驱动还需要其它信息，例如电机转子位置(电机传感器提供)和相电流(电流传感器提供)。电机由四个MOSFET控制。由于微控制器无法直接驱动MOSFET的大型栅电容，因此需要采用驱动IC形式的接口。出于安全考虑，完整的电机控制系统必须实施监控。将电机控制系统集成在PCB上，通常包含一个继电器，该继电器可作为主开关使用，在检测出故障的情况下，断开电机与电控单元。 微控器(C)必须控制EPS系统的直流有刷电机。微控器根据转矩传感器提供的转向轮所需转矩信息，形成一个电流控制回路。为了提高系统的安全水平，该微控器应有一个板载振荡器，这样即使在外部振荡器出现故障的情况下，亦可确保微控器的性能，同时还应具备片上看门狗。英飞凌公司的XC886集成了所有重要的微控器组件，其它安全特性可通过软件实现，如果必须执行IEC61508等行业安全标准规范，就不得不完成各种诊断和自检任务，因而会增加微控器的工作负荷。目前不同客户采用的转矩传感器与转子位置传感器差别很大。他们采用不同的测量原理，如分解器、电磁共振器、基于传感器的集成巨磁阻(IGMR)。 功率级的作用是开关电机电流。该功率级具有两个功能：驱动IC控制和保护MOSFET，MOSFET本身又可负责开关电流。MOSFET和分区(例如驱动IC与MOSFET结合在一个器件或多个器件内)由电机功率决定。 微控器的PWM输出端口提供的驱动电流和电压太低，无法直接与MOSFET栅极实现连接。驱动IC的作用是提供充足的电流，为MOSFET的栅极进行充电和放电，使其在20kHz的条件下正常实现开关，同时保证为高低侧MOSFET提供高栅源电压Vgs，确保获得低导通电阻。如果高侧MOSFET处于开通状态，源极电位就接近电池电平。要想使MOSFET到达标称导通电阻，栅源电压需高于8V。MOSFET完全导通所需的最理想的电压是10V或以上，因此所需的栅极电位就比电池电压高出10V。电荷泵是确保该功能最大程度降低MOSFET功耗(即使低电池电压条件下)的电路。图2说明，英飞凌驱动IC即使在8V电池电压条件下，其低高侧MOSFET的栅源电压也可达到11V。这将确保在低电池电压条件下，获得低功耗和高系统效率。 电荷泵设计的其它关键特性是可以根据不同PWM模式的要求，实现极低(低至1%)和极高的占空比(高至100%)。驱动IC的另一个重要功能是检测短路情况，避免损坏MOSFET。受影响的MOSFET将关闭，诊断结果提交给微控器。电流水平可实现调节。 MOSFET通常应用在一个多半桥拓扑结构内，由驱动IC控制。根据ISO7637规定，在12V电网中，电池电压通常可高达16V。在选择MOSFET电压级别时，必须针对二极管恢复过程中所出现的感应瞬变现象提供足够的安全边际(Ls x dl/dt，Ls代表杂散电感，dl/dt代表开关时的电流斜率)。在低dl/dt和低杂散电感的系统中，可使用30V MOSFET，但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全边际。最新的40V MOSFET技术采用D2PAK(TO263)封装在2mm和180A条件下，以及采用较小的DPAK(TO252)装封在低于4mm和90A的条件，可提供极低的导通电阻，使EPS系统设计具备极高的功率密度和效率。2.3 电动助力转向系统的类型根据助力电动机助力位置不同，可分为转向轴式电动助力转向系统（C-EPS：Column-EPS）、齿轮轴式电动助力转向系统（P-EPS:Pinion-EPS）及齿条轴式电动助力转向系统（R-EPS：Rack-EPS）10。转向轴助力式EPS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，如图2-2所示。图2-2 转向轴助力式EPS 齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向，如图2-3所示。与转向轴助力式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车11。其助力控制特性方面增加了难度。图2-3 齿轮助力式EPS齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力，如图2-4所示。与转向器小齿轮助力式相比，齿条助力式可以提供更大的转向力，适用于大型车。对原有的转向传动机构有较大的改变。图2-4 齿条助力式EPS2.4 转向系统机械部分工作条件电动助力转向系统的基本组成包括扭距传感器、车速传感器、控制单元（ECU）、电动机、减速机构和离合器等，如图2-5所示。图2-5电动助力转向系统结构图在EPS系统中，传感器主要应用了扭距传感器、转速传感器、速度传感器。扭距传感器时刻检测转向盘的运动状况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度、信息传送给控制单元作输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量车辆的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元作为输入。控制单元是EPS系统的核心部分，也是EPS系统研究的重点。目前普遍将控制单元设计为数字化，一般以一个八位或十六位微处理器为核心，外围集成A/D电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。要求具有简单计算、查表、故障诊断处理、储存、报警、驱动等功能。电动机的功能是根据控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机很重要。不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。在现有设计中电动机主要采用直流电动机和无刷永磁式电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。EPS的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用涡轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。EPS的离合器，装在减速机构的一侧，是为了保证EPS只有在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。另外，当电动机发生故障时离合器将自动分离。由图2-5可见，电动助力转向系统是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。EPS的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成。输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构离合器与主力电动机相连。驾驶者在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，扭距传感器将扭杆所受到的扭矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号页输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转向方向以及车速等信号，判断是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，则依照既定的助力控制策略来计算电动机助力转矩的大小并输出相应的信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出相应的转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或超出设定值则停止给电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器切断，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响。系统转为人工手动助力。工作过程如图2-6所示。图2-6电动助力转向系统工作过程图2.5 本章小结本章主要介绍了电动助力转向系统的结构、工作原理和类型。电动助力转向系统通常由扭距传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机、减速机构等组成。当转动转向盘时，扭距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电机而蓄电池提供动力，不受发动机工作的影响。依据助力电动机助力位置不同，可分为转向轴式电动助力转向系统、齿轮轴式电动助力转向系统及齿条轴式电动助力转向系统。电动助力转向系统在改善转向路感的同时，降低了油耗，提高了车辆的环保性能。3 电动助力转向系统对汽车操纵稳定性评价指标分析3.1 引言配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽量不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。转向驱动力矩与助力矩之间的理想关系应具备以下几点：（1）在转向驱动力矩很小的区域内希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持较好的路感和节约能源。（2）在低速行驶低速转向过程中，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力效果应当明显。（3）原地转向时的转向阻力矩相当大，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果，且助力矩增幅应较大。（4）随着车速的增升高，转向驱动力矩很小时不助力的区域应增大。（5）原地转向时，助力矩增加到一定值时应保持恒定，以免助力电动机因负荷过大而出现故障。（6）形式转向时，助力矩增加到一定值时也应保持恒定，以便驾驶员驾驶时可以明显感到路面反力的增加，知道安全驾驶。（7)高速行驶时停止助力，以便驾驶员获得良好的路感，保证行车安全。（8）助力矩不能大于同工矿下无助力时的转向驱动，即助力矩应小于转向阻力局，否则将出现“打手”现象。（9）各区段过度要平滑，以避免操舵力出现跳跃感。3.2 EPS典型助力曲线EPS的助力特性具有多种曲线形式，图3-1为三种典型的EPS助力特性曲线。这里将图中助力曲线分为三个区，0TdTd0区为无助力区，Td0TdTdmax区为助力变化区12。图3-1 EPS典型助力曲线3.2.1 直线型助力特性图3-1-a为直线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成线性关系。该助力特性曲线可以用下列函数表示式中，I为电机的目标电流；Imax为电机工作的最大电流；Td为方向盘的输入扭矩；K（V）为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；Td0为转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩，Tdmax为转向系统提供最大助力时的方向盘输入扭矩。3.2.2 折线型助力特性图3-1-b所示为典型的折线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成分段型关系，该助力特性曲线可以用下列函数表示。式中，K1（V），K2（V）分别为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；Td1为助力特性曲线梯度由K1（V）变为K2（V）时的方向盘输入扭矩。3.2.3 曲线型助力特性图3-1-c为典型曲线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘输入扭矩成非线性关系，该助力特性曲线用以下函数表示。比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性曲线有利于实现连续、均匀助力，但控制复杂、调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间，从设计、调整和实用的角度看，采用直线型助力特性可以基本满足实际需要。3.3 转向系统受力分析EPS系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、点击的助力矩和整个转向系统所受的阻力矩。驾驶员在转向时作用在方向盘上的操纵力，同时在EPS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。（1）驾驶员的操纵力驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：一、改变汽车行驶方向是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于东)时驾驶员保持方向盘不动的力13。这种在车轮转向角位置保持不变，行车时驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。（2）EPS的阻力矩按产生的来源不同，EPS的阻力矩大体上可分为“绕主销的主力矩”和“转向系的阻力矩”两大部分14。这些转向阻力距的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏离角、转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。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、内橡胶衬套等弹性变形引起的回复力产生的15。“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。“绕主销的阻力矩”大部分是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受路面状态、轮胎特性、车轮定位参数和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏离角的变化而变化。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“行车转向阻力局”两种。原地转向：指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。目前常用的经验公式如下16： 行车转向阻力矩指对行驶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，车辆如以更高的车速转向行驶，由于轮胎发生偏离形成自动回正力矩，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距就大致和原地转向时相仿。高速行车中，由轮胎偏离角所引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。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）“电动机阻力矩”是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系施加的力矩。它的大小由EPS的ECU根据传感器传来的车速和力矩信号来决定。4 使用MATLAB进行电动助力转向系统对汽车操纵稳定性仿真分析4.1 MATLAB仿真软件介绍系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，尤其是指利用计算机去研究数学模型行为方法，即数值仿真。数值仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序及仿真结果显示、分析与验证等环节。MATLAB语言是由美国墨西哥大学计算及科学系主任Cleve Moler教授于1980年开始开发的，它的两个显著的特点（强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能）使得它成为国际控制界最广泛应用的计算机工具17。同时MATLAB所具备的强有力的各种工具箱所提供的丰富专用函数为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程，更快、更好、更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大地帮助。4.2 使用MATLAB对汽车操纵稳定性仿真分析4.2.1 建立数学模型图4-1转向轴式EPS系统组成图 EPS系统结构如图4-1所示，主要包括转向柱、减速机构、齿轮齿条和助力电动机以及ECU控制单元，其动力学模型是： 式中： Th为转向盘输入转矩 Js为转向盘、转向输入轴总成转动惯量 Bs为转向传感器刚度系数 Ks为扭距传感器刚度系数 Tm为助力电动机输出扭矩 Km为助力电动机及其减速机构的刚度系数 Jm为助力电动机转动惯量 Bm为助力电机阻尼系数 M为齿条质量 Br为齿条和转向轮粘性阻尼系数 Kr为齿条当量刚度 G为为助力机构传动比 rp为转向齿轮半径 s为转向轴转角 s为转向轴角速度 xr为转向齿条位移 xr为齿条速度 m为助力电机转角 m为助力电动机角速度 Fr为系统负载 将4-5代入4-6中，得 4.2.2 建立系统状态空间模型定义状态变量x各分量为：把各变量代入微分方程得则EPS系统状态模型为：4.2.3 EPS系统稳定性分析本文考虑EPS简化结构模型，忽略系统的非线性因素影响，由扭矩传感器扭杆转矩，即公式4-8。 由EPS系统齿轮齿条的动力学方程 将4-15、4-13分别代入4-14，得 经拉式变换后得到方向盘转角到齿条位移的传递函数 传递函数反应出方向盘转角和齿轮齿条位移的动态关系，现将助力比分别取值，根据公式4-17在MATLAB中建立齿条位移对方向盘单位角阶跃输入的时域响应。随着助力比的提高，齿轮齿条位移瞬态响应的超调量逐渐增大，调节时间逐渐延长，相对稳定性能变差。5汽车电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响5.1 引言关于衡量转向操纵稳定性的指标有不少，有些文献中提到了包括转向灵敏度、转向系统刚度、转向路感和回正性能等。但是这些指标或是针对机械转向系统或液压转向系统，或是针对汽车操纵稳定性来说，对于装有电动助力转向系统的汽车转向操纵性能却没有提出一个明确的评价指标18。还在一些文献中队EPS系统的性能评价进行了探讨，提出了包括转向轻便性、转向回正性、转向盘中间位置性能、随动灵敏性、助力性能在内的评价指标。但是没有从理论上具体推出这些评价指标的表达式。一个操纵性能良好的转向系统，应满足以下要求19：（1）路感合适；（2）转向灵敏；（3）具有较好的操纵稳定性。5.2 转向路感汽车转向的轻便性与路感时相互矛盾的，一般驾驶员都希望车辆转向时力“轻”些好，即在转向时系统提供很大的助力，这样可以减少驾驶员的体力消耗，但转向太“轻”又不好，因为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“路感”20,如果这种“路感”很清晰，驾驶员就会感到“心中有数”，有把握地操纵汽车，所以转向力又不能太小。确切地说，转向力中雨前轮侧向力有对应关系的那部分（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越小越好。汽车转向轻便性是对低速行驶时（如原地转向）提出的要求，而路感则是针对汽车高速行驶时提出。使驾驶员感到此种力反馈及其差别。清晰的路感，对驾驶员非常重要，特别是在高速行驶时，它能够给驾驶员提供一种正确判断车轮与路面附着情况的信息21，让驾驶员心中有数，以便在不同的道路条件下，采用合适的运行方式（高速，转向和制动），确保车辆的行驶安全。因此，在某种意义上说，路感实际上是给与驾驶员操纵汽车的一种安全感，做到心中有数、防患于未然。通常，路感按汽车的行驶状态或转向盘的位置，可与分高速直线行驶、转向和回正过程的路感。5.3 转向灵敏度转向灵敏度对汽车操纵十分重要，它是衡量汽车操纵性能的主要指标，反应了汽车队对转向动作的响应快慢。它可以采用汽车的侧向加速度对转角的微分来表示，也可用汽车的横摆角速度与转角之比来表示。这里选择从转向盘转角到汽车的横摆角速度的传递函数来表示转向灵敏度，因为更能直接体现电动助力转向系统和汽车系统的综合性能。若助力电动机电枢电流与扭矩传感器检测值成比例，即采用电流控制方法。扭距传感器的测试值为，则有式中根据转向灵敏度的定义，可得转向灵敏度函数5.4转向回正能力在汽车行驶中驾驶员进行转向时，回正力矩能够使转向盘自动地回到中间位置，这有助于驾驶员回正方向，但有时回正力矩会带来过多的冲击，使得转向稳定性变差。传统的助力转向系统能通过它的惯性和自身的摩擦产生一些阻尼效果，但却是很被动。相反，在EPS系统中可以通过控制助力电机来获得适当的阻尼效果。另一方面，转向系统内部摩擦损失力矩过大时，又就会阻碍转向盘的回正。就此，提出一种通过控制电机提供回复助力，可以获得良好的回正能力。回正特性控制策略可分为两种算法。一种为回正算法，其主要功能是使转向轮快速而准确的回到中心位置，尤其是当内部摩擦阻碍回正时；另一种是主动阻尼算法，它可使转向轮在阻尼作用下很好的回位而避免出现冲击振动。为达到此目的，研究中采用如下的PID控制器。式中，u2为回正时电机控制信号；是控制器的增益。当方向盘转角大时，式中的P1部分产生较大的回正转矩或回复助力转矩，以便帮助回正，而当回正过急时，微分部分产生主动阻尼控制，避免回正冲击振动和超调，因此，可以通过调整控制器的增益系数来获得不同的回正特性22。下面用具体参数来仿真该控制方法，并得出回正相应的曲线。以转向助力为研究对象，该系统的主要参数为：Kc=139.95Nmrad-1，K=0.0625Vrad-1，r=0.051m，L=0.000269H，R0=0.165，Im=0.000191kgm2，Kr=0.0631NmA-1，Bm=0.00329 Nmrad-1，K1=0.088，K2=1.6，K3=0.225，K4=0.17，K5=3.08，s=0.15，Ky=128000 Nrad-1。由于在试验台上要真正模拟汽车不同的行驶车速比较困难，故采用改变阻尼弹簧刚度和系统摩擦的方式来模拟不同的车速，利用提出的EPS控制策略对系统进行动态仿真分析，仿真逻辑图如下图所示。仿真时使方向盘转角在180时释放，且设定汽车在低速行驶工况。结果如图5-1，图5-2所示。回正算法和模拟不同车速下的回正特性如图5-3、图5-4所示。图5-1仿真结果图1图5-2仿真结果图2图5-3仿真结果图3图5-4仿真结果图4在不同阻尼Ks1=3.25KNsm-1和Ks2=2.90KNsm-1作用下，回正响应特性如图一所示。由图5-1可知，没有主动阻尼控制时，响应出现了超调现象，对于不同的阻尼增益系数，Ks1 、Ks2产生不同的回正特性，如图5-1中的（1）和（2），其中情形（1）具有较大阻尼增益系数，回正响应较迟缓，采用主动阻尼控制后克服了超调现象。但由于阻尼作用使回正缓慢，同时由于内部摩擦转矩的作用，转向盘可能不能精确的回到中心位置。为了克服这一缺点，采用式的控制方法取代单独的主动阻尼控制，即加入回正助力。在主动阻尼和回正助力两者同时作用时，响应特性如图5-2a所示，表明比单独的阻尼控制响应更快且没有超调。图5-2b是分别以主动阻尼控制和回正控制为主的输入特性，即分别取较大的微分增益系数和比例增益系数，积分系数用来调节或消除回正稳态误差。由图5-3可知，利用估计的转向盘转角，构成控制器的反馈信号，使汽车有良好的回正性能，而且估计值与实际值基本一致。图5-4为在不同车速下的回正性能，其回正性稍有差别，但不明显。由此可知，通过不同的阻尼和回正控制可获得各种回正特性。6结 论本文对电动助力转向系统动力学模型及在MATLAB中建模、各可变参数对电动助力转向系统性能的主要评价指标的影响、助力特性曲线的研究以及对电动助力转向系统对操纵稳定性能的影响进行了分析，得到以下主要结论：（1）影响电动助力转向系统性能的主要评价指标：转向路感和转向灵敏度的因素很多，在进行EPS系统设计时，应综合考虑这些影响因素。但是有一些因素（如电动机的电气参数、各部件的粘性摩擦系数等）是不可以任意选择的。因此要想获得较好的转向系统性能，就必须改变EPS各可变参数以获得最佳的转向系统性能。（2）装备有电动助力转向系统的汽车要保持稳定，必须使得电动机转动惯量、扭矩传感器刚度、助力机构传动比、控制器助力增益满足由Louth判据得到的两个稳