汽车电动助力转向系统(EPS)的设计[12张cad图纸+文档全套资料]
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12张cad图纸+文档全套资料
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本科学生毕业设计（论文）附件 附件C：译文附件C：译文 采用辅助电机的电动转向系统的逻辑控制摘要电动助力转向系统（EPS）与传统的液压转向系统相比在发动机能源利用率，空间利用率，与环境的相容性方面有很多有点。这篇论文研究的目的在于发展提高EPS的逻辑控制，以达到减小由驾驶员提供的转向力矩并且保持各种工况的路感，提高转向回正性能的目的。另外，力矩传感器能够测量转向力矩并计算车轮的转角，能够计算出一种实际负载转矩并提供给转向柱的回路仿真系统硬件也得到一定的发展。使用我们所介绍的EPS逻辑控制，驾驶员能够使用由转矩发生器提供的转矩转动转向轮，转向发生器发出的转矩随着驾驶员提供给转向盘的转矩的变化而变化，但是两个相互对立的转矩。经验研究表明，我们研究的EPS逻辑控制能够控制辅助电机来提高转向轮的转向回正性。 2002年Elsevier科学有限公司；保留所有权。关键词： 电动助力转向；转向力矩；转矩传感器；辅助电机；主动阻尼1. 引言电动助力转向系统是汽车控制主要子系统之一。它按照驾驶员的输入以相同的方向转动前轮。当汽车前轮转向过后，会产生一个回正力矩，它意图将转向轮恢复到原来的位置。虽然回正力矩能够提高转向稳定性，但驾驶员必须提供更打的转向力矩来克服它以使汽车转向。* 通讯作者。电话：+82-2-3290-3363；传真：+82-2-3290-3757。电子邮箱：jbsongkorea.ac.kr (J.-B. Song).0957-4158/02/$ - 见前面相关事宜 2002年Elsevier科学有限公司；保留所有权。 PII: S09 5 7-4 1 58 (01)00004- 6对于大车来说，转向效率是一个非常需要考虑的问题，尤其在低速的情况之下。因此我们引进了动力转向系统来帮助驾驶员实现这种情况下的转向。很多动力转向系统由一个由发动机驱动的液压泵和一些管路执行器件组成1。因为传统的液压转向系统(HPS)由发动机驱动，它不但不能降低发动机的能源消耗，而且其运转还需要一些复杂的液压器件如液压泵，传动带，软管等。对于电动助力转向系统(EPS)来说，它由一个独立与发动机的电机提供能量，减少了复杂的液压器件，正因如此，它提高了发动机和空间利用率，即使在发动机停止工作时它也能独立提供转向能量。另外，因为它不使用液压油，因此相当环保。由于它与液压系统相比有这些优点，EPS已经开始取代HPS用于一些高档轿车上，在不远的将来，它还将运用到其他类型的轿车上 2。EPS有如下两种功能。第一，它能减少驾驶员提供的转向力矩并且保持各种工况的路感。这里的转向力矩定义为汽车转向时驾驶员感觉到的力矩。当EPS系统发出的辅助力矩与驾驶员的的转向力矩作用方向一致时，驾驶员所需要提供的转向力矩就会有很大程度的降低。另外，调整转向助力特性，驾驶员会感到不同路况的路感。第二，当车轮转向后，它能提高车轮的转向回正性能。当转向轮发生偏转后，驾驶员放开转向盘，车轮能够在自调力矩的作用下回到中间位置，这个自调力矩是由地面施加给转向车轮的。因为回正力矩随着车速的增加而增加，因此在高速情况下，由于回正力矩过大而使汽车发生连续的摆动。EPS 能够提供主动阻尼来减小这种现象，因此能提高回正性能 。虽然有关逻辑控制的细节还未发表，但一些关于EPS的研究已经完成。在商业上，德尔福汽车和TRW汽车已经为实车设计了EPS系统模型，本田已经将其开发的EPS系统用于阿库拉 NSX实车上3。大多数的EPS控制系统框图如图1，目标电流发生器根据行使条件来确定供给电机的参考电流4 ,5 由控制器计算控制信号，它能利用和实际电流将错误减少到最低。这种方案的一个不足之处在于它实间接的控制转矩，真正的控制参数是电机电流。图1. 典型的电动助力转向系统控制框图这篇研究的主要目的是开发电动助力转向系统的控制逻辑。这篇研究构造的逻辑控制目的在于测量转向力矩本身，并且将它反馈会控制器中，控制器产生控制信号使参考力矩和转向力矩的误差达到最小。参考力矩由力矩规律图参照汽车速度信号和转向轮状态产生。这种方法的好处在于它能直接控制驾驶员的转向力矩因此能改善各种工况的路感。为了测量转向力矩和转向轮的角度，我们设计了由两个光电编码器组成的力矩传感器。为了验证所提出的逻辑控制，我们建立了回路仿真硬件系统，在这个回路仿真系统里面的负载电机附加到一组齿轮齿条机构上，电机产生不同的附加力矩传递到转向轴上。2. EPS系统的构建与造型这项研究的主要工作是开发EPS系统的逻辑控制（而不是EPS硬件设计）。因此这篇论文研究的EPS系统用简单的传统转向系进行改装来进行建模。图2为回路仿真硬件系统的试验装置，其中一些因数如汽车动力和回正力矩通过计算机进行仿真，否则，这个转向系统的性能就只有在真实的硬件上进行完成。图2 所示的电动转向系统为一转向柱式电动转向系统，辅助电机连接在转向柱上通过齿轮机构传递力矩给转向柱。连接到机架和齿轮机构中的负载电机提供等效的负载力矩，其中包括地面与车轮的摩擦力矩。辅助电机和负载电机由电机驱动器控制，它们的控制信号来自装有逻辑控制的电脑。辅助电机和负载电机都是使用的无刷直流电机(BLDS)。虽然两种电机在结构上有所不同，但它们在建模方面却由相同的性能。转向力矩和转向轮转角由我们上面提到的扭矩传感器测量。图2.用于实现EPS逻辑控制的试验装置2.1. 扭矩传感器为了测量由司机施加在转向轴上的力矩Ts，我们设计了如图3所示的力矩传感器。在这个传感器当中，转向轮的转角和转向轴的转角作用于扭杆两端，扭杆安装在转向保护套管里面，和分别由光电编码器1、2分别测量。因为细长的扭杆发生相对较大的角位移后，同步皮带和滑轮机构能够将这个角位移放大，所以即使在小扭矩的情况下光电编码器也能测量出这个角位移。我们知道，作用在转向轴上的转向力矩Ts与这个相对位移有如下比例关系：（1）ktorsion为扭杆的扭转刚度。EPS转向系统逻辑控制需要的转向盘的角度不需要其他传感器而只需要我们所设计的扭矩传感器就能够获得。图3.力矩传感器结构图2.2. 系统建模EPS系统的物理模型分为转向轴部分和转向辅助电机部分，如图4。在图里Ta和Tl分别代表传递给转向轴的辅助力矩和负载转矩，负载转矩来自车轮与地面的摩擦、传动系的效率等。辅助电机的运动方程表示为： (2)这里的和分别代表辅助电机的转动惯量和阻尼系数，代表电机的力矩，N代表齿轮机构的传动比，它与转向轴的运动关系有这永磁无刷直流电机的电动方程如下，它与直流电机的方程相同。 (3)和分别代表电枢电压和电流，和分别代表电枢电阻和反电势常数轮。电机的转矩为： (4)KT是电机的转矩常数。为了运行设计的回路仿真硬件系统，必须测量路面作用在车轮上的力矩。为了测量这个力矩，我们运用了Dugoff轮胎模型7，其纵向力和横向力分别为：图4. 转向轴的自由结构示意图(5)其中和分别代表轮胎纵向和横向刚度，A, s,分别表示车轮与地面的接触面积，滑移率，侧偏角。如图5所示，轮胎受到的纵向和横向的力传递到机架上后为： (6)转向盘的转角和车轮转角的关系为：，n为转向系的传动比，路面的负载力矩传递到转向盘上后变为：(7)图6所示为路面施加与车轮的力矩于转向盘转角的关系，负载电机根据方程式来产生负载转矩（7）。驾驶员按照正旋规律输入。我们常用滑移率和侧偏角参数评价系统的好坏。施通过图我们可以看出：路面产生的力矩与转向盘的转角成比例。虽然在计算路面力矩的时候我们应该考虑转向系统的效率，但我们这里假设我们所的的值近似等于真实的路面力矩。图5.转向系统齿轮齿条的简化模型图6.路面力矩与转向盘转角的关系（试验数据）3. EPS控制逻辑EPS系统的主要作用是减小转向力矩与提高转向回正性能。这两项功能不需要同时起作用，在某一个瞬间只需要一个功能。例如，在J形转向试验中，辅助电机产生辅助力矩来减小驾驶员作用在转向盘上的力矩，通常，转向盘会平滑的回到起始位置而不会引起回正力矩过大造成汽车发生连续振动，最终汽车将恢复直线行使。这一现象需要EPS系统提供两个独立的控制算法来满足每一个行使状况。3.1. 减小转向力矩的控制逻辑当汽车转向的时候由电机产生足够而又适量的辅助力矩来帮助驾驶员完成转向操作。图7为产生这种辅助力矩的转向系控制系统方框图。在力矩规律图上（下面将要讨论）首先通过行使条件来确定参考力矩。辅助电机然后产生合适的辅助力矩使得转向力矩接近。例如，当路面输入力矩为20Nm时设定为3Nm，驾驶员将提供3Nm的转向力矩，辅助电机提供17Nm的辅助力矩到转向轴上。如没有动力转向，驾驶员将提供20Nm的转向力矩在转向盘上。当然，在实际的行使条件下，负载转矩无法测量，但是转向力矩能够由转矩传感器测量。因此用这种方式调节辅助电机使和之间的误差达到最小。为了达到这个目的，我们使用了下面的PI控制方式：(8)K1和K2是PI控制增益。以这种方式产生的辅助力矩按照与驾驶员发出的力矩方向施加到转向轴上。 图7.减小转矩的逻辑控制方框图这个系统最大的好处之一是引入了力矩规律图，它根据车速V和转向盘转角来确定参考力矩。车速起着很重要的作用，因为驾驶员提供的转向力矩随着车速的不同而不同。比如说在低速情况下（停车时），为了方便转向，助力系统要提供很大的力矩。在高速时，转向力矩越大路感越强行使的安全性就越好。方向盘的转角也很重要，因为它与负载力矩由如图6所示的关系。图8为我们在试验中所采用的力矩规律图。在图a中，在速度为0时为了转向轻便将参考力矩T0设计的相当的，为了高速驾驶的安全性，参考力矩随速度的增加而增大。因此驾驶员的转向路感随着车速的增加而增强。当车速到达极限车速时，参考力矩达到饱和值而不再增加，因此在高速时也能保持某些时候的转向轻便；图b所示为参考力矩随着转向盘转角的变化而变化，参考力矩与转向盘转角成正比。参考力矩，车速，转向盘转角的三维关系构成了力矩规律图，它储存在存储器了以供使用。如图9所示。使用力矩规律图的一个好处在于参考力矩能够随着行使状况和驾驶员的需求随时修改。3.2. 转向回正性的控制逻辑在行使过程中，当转向盘发生转向时，自动回正力矩能够自然的使转向盘回到中间位置。这种性能能够为驾驶员回正方向提供方便，但如果其值过大又会破坏汽车的行使稳定性。传统的液压动力转向系统能够依靠系统的惯性和摩擦提供一些阻尼，但是是处于被动的不是主动的提供阻尼。对于EPS系统来说，电机通过一定的控制能够产生主动抑制阻尼。(a)(b)图8.（a）依据车速确定参考力矩（b）依据方向盘转角确定参考力矩 图9.推荐的力矩规律三维曲线回正性能的控制策略被分为2个运算部分。一个是使车轮回到中间位置的回正过程的运算。这个过程的主要作用是使车轮快速准确的回到中间位置，因此在车轮受到恒定的摩擦阻力而使回正受阻是这项功能就相当有用。另一种算法是主动抑制算法，它使车轮在适当的阻尼之下回到中间位置，避免了经常在高速情况下产生的振动。因此，将两种算法加在一起就显得比较理想。为了达到这个目的，在这篇研究中我们引入了PDI控制器： (9)K3,K4和K5为控制器增益。请注意方程式（9）里的PI部分，它为大方向转角提供了很大的转矩以供转向控制，微分部分则提供主动阻尼，它随着方向盘的角速度的增加而增加。调节控制增益就能获得不同的控制特性。4. 结果讨论使用这种控制逻辑能够将不同的行使状况在硬件试验设备上进行不同的仿真。一些典型的结果如下：图10为在方向盘转角和车速恒定的情况下的仿真结果。参考力矩和负载力矩设定为恒定值分别为7.5Nm和30Nm。在有EPS逻辑控制下减小转向力矩的试验结果为：辅助电机提供22.5Nm的稳定力矩，因此驾驶员感觉到的转向力矩为7.5Nm。因此转向力矩与参考力矩精确相符。图10.在车速和负载力矩恒定时转向力矩和辅助力矩随时间的关系动态转向的试验结果如图11。我们假设驾驶员以180的振幅5s为周期进行正旋输入。负载电机按照方程（7）的结果发出负载力矩经机架和小齿轮传递到转向轴上。为了方便起见，我们设定转向力矩随时针为正。 在没有动力辅助的时候，驾驶员需要提供相对较大和连续变化的转向力矩来达到转向的目的。但是有了动力辅助后，驾驶员提供的转向力矩有很大程度的减小。另外，参考力矩设定的不同转向力矩也不相同。因此产生不同的转向路感。比如说，在参考力矩设定的很小的时候，驾驶员的路感很轻，参考力矩很大时驾驶员的路感很重。图11.转向盘正旋输入下的转向力矩图12为有EPS系统下的参考力矩与转向角的对应关系。在图6我们知道，负载力矩与转向角成比例，因此，在没有动力转向的情况下转向力矩随着转向角的变化而发生很大的改变。但是在有EPS系统参与的情况下，转向力矩在很大转角范围内变化很小，如图12。接着，我们对EPS回正控制逻辑进行评价。图13为在主动阻尼起作用时的回正性能曲线，在没有阻尼控制时表现出回正过量，在有阻尼控制时没有观察到回正过量的情况，因为一些阻尼强加在车轮转动的反方向。如果我们调节对方程（9）中微分起作用的阻尼控制增益，将得到不同的回正稳定性能。比如在图13中，曲线A比曲线B有更大的阻尼增益，因此转向更为迟钝。图12.转向力矩随转向角的变化规律 图13.方向盘转角随主动阻尼变化的响应图14.方向盘转角控制输入随阻尼和回正控制的响应虽然在主动阻尼的控制作用下不会出现回正过量的情况，但它使得回正速度减慢。另外，在主动阻尼的作用下，由于系统内部的摩擦使得车轮不能精确的回到中间位置。为了克服这种现象，基于方程（9）的PID控制被引入了，在产生阻尼力的同时产生了恢复力矩。图14（a）表明与单独的阻尼控制相比，有PID加入的控制的回正反映更快而起不会引起回正过量。图14(b)表明在开始时采用恢复力控制后面采
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