汽车电动助力转向的系统仿真与控制器设计（可编辑）

1、 西华大学硕士学位毕业论文题目:汽车电动助力转向的系统仿真与控制器设计研究 生:姬广斌指导教师: 唐 岚专 业:车辆工程研究方向: 汽车电子控制技术培养单位:西华大学论文起止日期:年月?年月西华大学硕士学位论文汽车电动助力转向的系统仿真与控制器设计车辆工程专业研究生姬广斌 指导教师唐岚汽车转向系统的发展经历了机械转向系统、机械液压动力转向系统、电控液压动力转向系统和更为节能、操纵性更好的电动助力转向系统简称等几个阶段。电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上,增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等。它是使用电动执行机构在不同的驾驶条件下为驾驶员提供合适的助力。采用电动机直接提供助力

2、、助力大小及方向由控制器控制。它具有体积小、重量轻、结构简单、安装和维修方便、节能环保的优点,更重要的是它具有优越的性能,并可随车速变化调整转向助力大小从而可获得不同的转向路感,可广泛应用于轿车、货车等众多车型,是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。本文对电动助力转向系统结构进行了简化,对系统各部件进行了动力学分析,提出了评价与汽车综合系统操纵性能的指标如转向灵敏度、路感,并通过对汽车横向动力学模型、前轮侧偏力矩模型和系统动力学模型的综合分析,推导了转向灵敏度和转向路感的表达式,然后讨论了系统各参数包括电动机转动惯量、扭矩传感器刚度、助力增益、助力机构传动比等对这两个性能指标的影响;基于

3、不同的控制策略,分析了控制参数对于系统性能的影响。本文的目的是设计电动助力转向系统的控制器。主要设计了控制系统微处理器模块及其周围电路、电动机驱动与保护电路、电流、扭矩等传感器输入信号的处理电路、电磁离合器与显示电路以及系统供电电源电路等;在完成硬件西华大学硕士学位论文电路的前提下,设计了主程序及各子程序流程图,并以语言为开发工具进行了代码实现,实现系统的控制策略和软件,为电动助力转向系统的进步完善提供实验基础和借鉴。在论文的写作过程中,首先对直流电机、微控制器和传感器等进行了深入的研究,在理论基础上,设计了系统的控制电路。通过对电路的仿真和电路板的检测,证明了硬件电路的可靠性。随后进行了控制

4、策略和控制软件的设计,完成了助力表、电机电流的控制。之后,利用完成的软硬件模型,进行了台架试验。关键词:电动助力转向系统,控制器,仿真,台架试验西华大学硕士学位论文订 : 、: , 、牝 , 唱?. , . :. 儿, ,曲, , .: 色 ? 加“, ., .,., 西华大学硕士学位论文 刑 ., . ., , ., , .,., , . 哆.曲 弘, 曲 .册:,西华大学硕士学位论文绪论。汽车转向系统概述转向系统的功能大体可以分为两部分。其一是驾驶员通过转向盘控制前轮绕主销的转角来操纵汽车运动的方向。其二是凭借方向盘反作用力,将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员。转向系统是影响汽车操纵

5、稳定性、舒适性和行驶安全性的关键系统之一。最初汽车采用的都是机械转向系统,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。汽车动力转向系统是在机械转向系统的基础上增设了一套转向动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,电动助力转向系统中的助力电机、离合器等,它兼用驾驶员的体力和发动机或电动机的动力作为转向能源。在正常情况下,汽车转向所需要的力大部分由发动机或电动机通过转向助力装置提供,只有一部分由驾驶员提供。在动力转向失效时,驾驶员仍能够通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。二十一世纪将

6、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、节省空问、降低重量出发,上世纪八十年代动力转向系统家族又推出了新的成员?电动助力转向系统或称电动转向系统,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。.动力转向系统的发展历程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。下面分别对各种动力转向系统进行讨论。常规液压动力转向系统 ,这类动力转向系统是靠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

7、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。西华大学硕士学位论文一般由转向油罐、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。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。英中滑阀式装黄结构简单,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,且工作可靠、结构紧

8、凑、工作压力高,代表着整体式动力转向系统的发展方向。有待改进的方面:因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大下降;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: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,解决的方法就是卜面将提到的电子控制式动力转向系统。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,汽车在原地转向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

9、液压动力转向系统。丰田于年首先丌发了车速感应式转向系统,本田和五十铃也分别于年和年相继开发了类似装置,德国的公司开发了和型电子控制的液压动力转向系统。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、电子控制单元及电磁阀组成。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。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西华

10、大学硕士学位论文量,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。存在着由于油泵的持续工作所造成的多余能量消耗,整个液压系统占用空问大、容易泄露、噪声大等缺点:而且增加了车速检测控制装置及阀的结构较复杂而成本较高,目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。电动助力转向系统目 ,或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,与相比,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

11、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。完整的系统还包括了故障渗断与安全保护系统。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扭矩传感器本身异常、车速传感器异常以及电动机工作异常、蓄电池异常等等。.电动助力转向系统简介.电动助力转向系统的类型电动助力转向系统根据助力机构安装位置的不同可以分为三类图.所示:转向柱助力式、齿条助力式和小齿轮助力式。转向柱助力式的电动机固定在转向柱一侧,通过减速机构与转向轴相连。电动机、离合器、扭矩传感器和转向助力机构组成一体,安装在转向柱上,其结

12、构紧凑。这种类型般在轿车上使用。齿条助力式系统的电动机和减速机构安装在齿条处,直接驱动齿条提供助力,扭矩传感器安装在小齿轮处,电动机与转向助力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处,用以给齿条助力。小齿轮助力式系统的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮转向。小齿轮助力式转向系统的扭矩传感器、电动机、离合器和助力机构整体安装在转向齿轮处,直接给齿轮助力,可获得较大的转向力,各部件布置更方西华大学硕士学位论文便。但当转向盘与转向器之间装有万向传动装置时,转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上,其助力控制特性难以保证准确。. 蛐图.电动助力转向系统的类型.屺叨明力转向系统的特点与其他转向系统相

13、比,电动助力转向系统的优点体现在【?她捌:降低了燃油消耗。液压动力转向系统需要电动机带动液压油泵,使液压油不停地流动,浪费了部分能量。而电动助力转向系统仅在需要转向时才提供助力。电动助力转向系统不依赖于发动机,系统即使在一时也能工作,可以提供快速的冷起动。对比试验表明,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.%,使用转向情况下,燃油消耗降低了.%。增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中,电动机与助力机构直接作用于车轮的转向,因此转向系统的抗扰动能力大大增强,改善了转向系统的跟随性。提供可变的转向助力。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮,系统结构简单,占用空间小,布置方便,更易

14、于生产线装配。.国内外电动助力转向系统的研究与应用现状系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于年首次在其生西华大学硕士学位论文产的车上装备了系统,随后用在车上】。此后,电动助力转向技术得到了迅速的发展。日本的大发汽车公司、美国的汽车公司、公司】德国的公司”,都相继研制出各自的系统。其中技术发展最快、应用较为成熟的当属【转向系统和萨吉诺转向系统,而西萨吉诺转向系统又代表着电动转向系统发展的前沿。公司从年开始便投入大量的人力、物力用于系统的开发。最初针对客车转向柱助力式系统,其后的小齿轮助力式系统开发也获得成功。年,公司的系统已经装备在轿车上,如 和等。汽车系统公司已经为大众的、欧宝以及菲亚特的

15、开发出系统。经过近年的发展,技术日趋成熟。其应用范围已经从最初的微型轿车向大型轿车和商用客车方向发展。电动助力转向系统的助力方式也从低速助力型向全速助力型发展,并且其控制方式和功能也进一步强化。日本早期的仅仅在低速和停车时提供助力,高速时将停止工作。新一代的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,如铃木公司装备在车上的是一个负载路面车速感应型助力转向系统。由为车开发的属全速范围助力型,并且首次设置了两个丌关,其中一个用于郊区,另一个用于市区和停车。当车速大于/后,这两乖,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。我国同样对电动助力转向系统的研究与开发

16、给予了很大的关注。国内的一些大学、研究机构和一些汽车系统公司也在这方面作了很多工作。吉林大学“、清华大学【 、华中科技大学【 和江苏大学【】等院校纷纷开展了电动助力转向系统的建模、动念分析等工作;合肥工业大学】、湖北汽车工业学校 等院校也对汽车电动助力转向系统进行了仿真分析。据公司预言,到年全世界生产的汽车中每三辆就有辆装备系统,特别是低排放汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车四大汽车将构成未来汽车发展的主体,这给系统的发展带来了更加广阔的应用前景和巨大的商机。当前,电动助力转向系统在中小型车上得到了很好的应用,电动助力转向西华大学硕士学位论文系统在操纵舒适性、安全性和节能等方面也充分显

17、示了其优越性。随着直流电机性能的改进,系统助力能力的提高,其应用范围将进一步拓宽,现在升级的运动型跑车也有安装系统。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重要地位。.论文的主要工作课题的内容主要由以下几个方面构成:电动助力转向系统的总体构架、系统的仿真分析与控制策略探讨、系统的硬件实现、系统的软件实现以及台架试验验证。电动助力转向系统的总体构架主要是电动助力转向系统的主要组成部件的选取;系统的仿真分析部分与控制策略探讨部分主要是根据系统的具体部件建立系统的数学模型,讨论不同的参数对系统转向性能指标和助力策略的影响;系统的硬件实现主要是依据系统的各部分的

18、功能,绘制其电路图,选取合适的电子元器件搭建电路板;系统的软件实现是基于系统的控制策略编制能够实现预期功能的软件。论文研究的重点是完成电动助力转向控制系统实验室初级阶段的工作,包括硬件电路的绘制及其电路板制作、调试与功能改进,同时在控制策略方面进行研究,以及控制软件的流程设计及其具体代码实现;通过台架试验检验其实际功能是否能够满足设计要求。.西华大学硕士学位论文电动助力转向系统的总体构架.电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上,增加了传感器装置、电子控制装置和转向助力机构等。它是使用电动执行机构在不同的驾驶条件下为驾驶员提供合适的助力。系统主要由电子控制单元、扭

19、矩传感器和车速传感器、电动机、离合器和转向柱总成等组成,。其工作原理如图.所示。. 幽.电动助力转向系统的原理其工作原理是:驾驶员操纵方向盘转向时,传感器将驾驶员作用于方向盘上的扭矩信号、车速信号、发动机转速信号输入,对输入信号进行运算,查询助力表格,确定目标电流的大小和方向,从而控制电动机的电流和方向,电动机经减速机构及离合器将扭矩传递给转向机构,从而为驾驶员提供合适的助力;当转向系统出现故障时,系统不助力。不转向的情况下,电动机不工作。电动助力转向系统可以实时地在不同的车速下为汽车转向提供不同的助力,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。电动助力转向系统总体上包括两大部分。其一

20、是机械部分;其二是控制部分。西华大学硕士学位论文机械部分主要包括传动单元离合器、转向柱总成和执行单元电机等。控制部分主要是根据传感器测得的车速和扭矩信号进行运算处理发出控制指令,驱动电机从而为转向提供助力。电动助力转向系统的总体框架如图.。图.包括了传感器信号引入模块、电动机控制模块、离合器控制模块、存储扩展单元以及微控制器等组成模块。. 图.电动助力转向系统的总体框图.电动助力转向系统的关键部件控制系统的传感器信号主要包括转向盘扭矩信号、车速信号、电机电流信号,前两者用于确定助力电机的目标电流,后者用于电机的闭环控制。电动助力转向系统的控制策略的执行主要取决于车速传感器信号和扭矩传感器信号,

21、其性能的优劣、寿命的长短,直接影响着电动助力转向系统。.电位器式扭矩传感器电位器式扭矩传感器脚,】结构及工作原理如图.所示,主要由控制臂、电位器、刚球、滑块、输入轴、输出轴、扭杆等组成。当转向系统工作时,输入轴和输出轴的旋转方向产生偏移,扭杆因弹性形西华大学硕士学位论文变而产生转矩,与此同时滑块根据扭杆变形的方向和大小沿轴向产生成比例垂.;毛崔馨制臂豫筐沿块 向,钢球 向输出轴扭杆输入轴扭矩传感器结构方向盘顺时针旋转方向盘在中间位置方向盘逆时针旋转 图.扭矩传感器结构输出电压副。/ 。逆时针转向扭矩嗄时针.图.士矩传感器输出特性直移动,控制臂将滑块的轴向垂直移动转化为电位器的旋转角度,将转矩值

22、变换为电压量,并将其输入电子控制单元。电位器扭矩传感器的工作机理比较简西华太学硕士学位论文单,它将电位器电阻值的变化作为反映扭矩变化的手段,是一种接触式传感器。工作时传感器将负载力矩引起的扭杆转角位移测出,并转换为电位计电阻的变化,经主、副扭矩传输通道将扭矩信号传递到转换装置进行处理。两路信号的输出特性如图.所示。当转向盘处于中间位置时,电位器的输出电压为.;当转向盘顺时针方向旋转时,主扭矩传感器的电位器的输出电压大于.,副扭矩传感器的电位器的输出电压小于.;当转向盘逆时针方向旋转时,主扭矩传感器的电位器的输出电压小于.,副扭矩传感器的电位器的输出电压大于.;因此,可以根据两路输入电压的大小来

23、判断转向盘扭矩的大小和方向。电位器式扭矩传感器由于其原理简单;成本较低;采用主、副通道进行扭矩信号采样,差值输入有利于消除外部干扰。因此在电动助力转向系统中得到了应用。.直流水磁电动机电动机的功能是根据控制器的控制信号输出合适的助力扭矩,电动机对的性能有很大影响,是电动助力转向系统的关键部件之一,担负着系统控制指令执行功能。所以的电动机不仅要求低速大扭矩、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。为此,设计时常根据的特点,对电动机的结构作一些特殊的处理,如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽,定子磁铁设计成不等厚等。考虑到汽车电控系统的电源等方面的因素,系统电机采用直流永磁电机。永

24、磁式电动机有直流伺服电动机、无刷直流电动机和直流力矩电动机三种选择方案,扪。直流伺服电动机的启动转矩大,调速范围广,机械特性和调节特性的线性度好,控制系统和控制方案简单。但是直流电动机的转子是带铁心的,加之铁心有齿槽,如果电动机的转动惯量大,机电时间常数较大,灵敏度较差:转矩波动较大,低速运转不够平稳;电动机换向时易产生火花,不够安全,并影响电动机的寿命。电动机结构做了特殊处理之后,可以保证转矩波动小,转动惯量小,电动机采取全封闭的形式,从而去除了因换向火花带来的不良影响。西华大学硕士学位论文无刷直流电动机是把电子技术融入电机领域,将电子线路和电机融为一体的产物。无刷直流电动机是由电动机、转子

25、位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子所处的位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而控制哪些绕组通电,哪些绕组断电,实现了电子换向。其中转子是由永磁材料制造,具有一定磁极对数的永磁体。无刷直流电动机是采用电子换向开关元件进行换向,它既具有直流电动机的优点,又具有交流电动机的没有换向器和电枢、维护方便、无火花、无电磁干扰、能在恶劣环境下工作的诸多优点,但无刷直流电动机的价格较高,且控制系统和控制方案复杂。直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同。只是在结构和外形尺寸的比例有所不同。直流力矩电机结构上采用扁平

26、电枢,可增加电枢槽数、元件数和换向器片数,而且适当加大电机气隙,所以力矩波动小,从而保证了低速下能够稳定运行。直流力矩电机由于结构的特殊设计,因此其机械特性和调节的线性度好。直流力矩电机的电磁时间常数小,电机响应迅速,动态特性好。直流力矩电动机虽具有诸多优点,但价格比较高。实验室中电动助力转向系统采用了直流伺服电动机。伺服电机输出的转矩、转速和功率,能够满足负载运动要求,控制特性能够保证所需的调速范围和转矩变化范围。.电磁离合器电磁离合器的作用是传递电动机的助力转矩,电磁离合器安装在电动机和减速机构之间。电磁离合器是为了使电动机和减速机构快速的结合和分离。即当低速转向时,电子控制单元输出控制信

27、号起动电动机,并输出控制信号使离合器吸合,从而将电动机的输出扭矩通过离合器传递到减速机构上。而当车速超过预置车速时,电子控制单元输出控制信号使离合器断开,离合器失去励磁电流而分离。此外,电动机出现故障时,可使离合器分离,令电动机与减速机构脱开,转向系统便从电动助力方式切换为机械转向方式,从而保证了转向系统的安全性能。西华大学硕士学位论文.减速机构减速机构的作用是将电动机输出轴的输出转矩放大后作用于转向输出轴。减速机构主要有两种形式:双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。如图.不。窖蓦莸氯星轮台器叠辞慧轮螺缱蝴吨 轮磁杆动 离机转向齿条转向齿轮图双行星齿轮碱速机构图蜗轮蜗杆减速机构也 图.减速机

28、构结构示意图双行星齿轮减速机构采用了双行星齿轮和传动齿轮驱动组合式。因为是多级减速,可提供较大的助力扭矩。为了降低噪声和提高使用寿命,减速机构部分采用树脂材料齿轮。双行星齿轮减速机构因为可提供较大的助力,通常用在小齿轮助力式和齿条助力式系统。蜗轮蜗杆减速机构简单,体积小,噪声低,成本较双行星齿轮减速机构低。其提供的助力虽不及双行星齿轮减速机构,但已能满足轿车的助力要求,因此,蜗轮蜗杆减速机构通常用在转向柱助力式的轿车转向系统中,本系统即是采用蜗轮蜗杆减速机构。.本章小结本章介绍了电动助力转向系统的基本工作原理及其类型,探讨了电动助力转向系统的总体功能框架以及电动助力转向系统传感器、电动机、离合

29、器、减速机构的功能类型及结构。西华大学硕士学位论文电动助力转向系统的转向操纵性能仿真分析.电动助力转向系统转向操纵性能的主要评价指标对于一个操纵性能良好的转向系统,应满足以下要求:转向轻便性;转向灵敏;路感合适。为方便后面分析问题,在讨论系统参数对转向操纵性能的影响前,首先必须对上述转向操纵性能指标【”瑚以”棚】进行定义。.转向轻便性转向轻便性主要是指汽车在低速或原地转向时驾驶员操舵方向盘所用的作用力或作用功。良好的转向轻便性能够确保驾驶员转向不致沉重。对于电动助力转向系统,它主要用不同车速下的助力特性曲线的助力斜率来表示。助力斜率大,则转向轻便。电动助力转向系统的助力特性曲线”删可以有多种形

30、式,图.分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。特性曲线都有三个区域,当乃瓦。为无助力区域,当兄。瓦一为助力变化区域,当巧,瓦。;为助力不变区域。厂、一一、 飞:/丝,式: 纭.转向盘输入力矩/转向盘输入力矩/ 转向盘输入力矩/。曲线型直线型折线型, . 图.三种助力特性曲线。直线型助力特性:在助力变化区域中,转向盘输入力矩与助力力矩按线性变化规律。其函数表达为:西华大学硕士学位论文瓦.。瓦一。 瓦。? 瓦苫乃。;式.中,为电动机助力力矩;力为斜率函数,是速度的函数;为转向盘输入力矩;。为电动助力转向系统电动机开始作用时的转向盘输入力矩;乃一为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。.折线

31、型助力特性在助力变化区域中,特性曲线呈分段线性变化。以图.示中的两段折线为例,函数表达为:死,瓦一瓦。 瓦 瓦:瓦一瓦。瓦一瓦。疋,疋瓦一。 瓦一式中,和:分别为两段直线的斜率函数,仍然是速度的函数;是斜率由足。变为:时的转向盘输入力矩。.曲线型助力特性在助力变化区域中,助力力矩和转向盘输入力矩呈非线性变化,函数表达为:乃疋。?, 瓦 瓦疋?瓦疋。:直线型助力特性曲线简单、便于控制系统设计,调整也简便。缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化,但对于输入的高、低区域却不能区别对应,输出为线性、路感单一,故无法很好协调路感和轻便性的关系;非线性曲线在感应速度的同时,每条曲线自身又感应

32、高、低输入区域进行变化,是十分理想的特性曲线,但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特性信息,故确定和调整都不容易;折线型的优、缺点则介于二者之间。根据实际装备控制器车辆的试验结果显示,在助力特性曲线的起点问题上,随车速增加有逐步增加的趋势,也就是电动机开始助力时的转向盘力矩乃随车速增加而增加。此次确定的助力特性曲线也采用此种方式,对应的乃的西华大学硕士学位论文值按车速从【/至蛐其变化范围是至。同样的,在电动机提供恒定助力时的转向盘输入力矩一也对应变化,范围是至。将此曲线的起始点写成随车速变化的函数为:疋.如;乃一.其中:表.不同车速下的助力斜率车速油.助力斜率 . . . . .将离散

33、的斜率值拟合成车速的函数,拟合结果如图.所示,拟合函数为.一.?.一.?将助力特性写成函数表达式为:数系应感率斜车速/ 。.图.助力特性拟合曲线西华大学硕士学位论文:.瓦一乃。 疋乃乃一,乃。【李中:.一.?.一.一.如;瓦一;.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,反应了汽车对转向动作的响应快慢。由于汽车等速行驶时,在前轮角阶跃输入下进入的稳态响应就是等速圆周行驶。常用输出与输入的比值,如稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳态响应。这个比值称为稳态横摆角速度增益,也称为横摆角速度增益或转向灵敏度。它也可采用汽车的侧向加速度对转角的微分来表示,或从转向盘转角

34、到汽车的横摆角速度的传递函数。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,因为它更能直接体现电动助力转向系统和汽车系统的综合性能。对于汽车横摆角速度频响函数,可以用其频响函数上的五个参数如图来评价转向灵敏度,它们是:频率为零时的幅值比,即稳态增益用表示:共振峰频率,.厂值越高,操纵稳定性越好。共振时的增幅比,为共振时的幅值。,的值应该小些。”,.沈时的相位滞后角中,它表示缓慢转动方向盘时响应的快慢,这个数值应该接近于零。,;.上如时的相位滞后角巾,它表示快速转动方向盘时响应的快慢,其数值应该小些。此外,对于随动系统,要求系统响应的快速性好,这可以通过横摆角速度频响函数的带

35、宽来表示。系统的带宽表征系统允许工作的最高频率范围。带宽越大,响应的快速性越好,即过渡过程的上升时间越小,系统的动态性能也就越好。西华大学硕士学位论文已。写黾芏吕咎眷.“ 。图评价横摆角速度频率特性的五个参数.转向路感对于路感有许多定义,本文选择把路感定义为从负载到手力的传递特性。.电动机及其它各部件的动力学模型为分析问题方便,把前轮及转向机构向转向柱简化,得到简化后的电动助力转向系统模型如图.所示。设方向盘上施加的扭矩、等效到转向柱的转向阻力、电动机的电磁转矩和电动机作用到转向柱的助力分别为瓦,乙,方向盘的转角、电动机的转角与前轮等效到转向柱的转角分别为吼,如,吼,方向盘的转动惯量、前轮及转

36、向机构向转向柱等效后的转动惯量、电动机的转动惯量分别为。,。,。,转向盘与支承之间、等效到转向柱的转向机构和前轮、电动机转轴与支承之间的粘性摩擦系数分别为玩,口。,口。,扭矩传感器刚度为。,可得到如下各部件的模型。转向盘模型.簪巩鲁制巩训前轮模型西华大学硕士学位论文吼瓦:;.图.电动助力转向系统模型告幔警?州吼卅电动机模型。删。哮托警其中,女。分别为电动机电枢电阻、电感和反电动势常数。.,。争州。鲁一罟为了简化问题假设电动机为刚性的,故不考虑电动机的扭转刚度,考虑电动机与转向柱之间的速度匹配,有%。眭 .招矩传感器模型:;七。臼.一日, .汽车横向动力学模型如图.所示,假定汽车车厢只做平行于地

37、面的平面运动,即汽车沿轴的位移,绕轴的俯仰角与绕轴的侧倾角为零,而且假定汽车沿轴的前西华大学硕士学位论文 . 珊圈.汽车二自由度模型进进度“视为不变,不考虑大幅度急转方向盘的情形。因此,汽车只有沿轴的侧向运动与绕轴的横摆运动这样两个自由度。并且汽车以小转角行驶,因此轮胎的侧偏模型可认为是线性的,这样,汽车便简化为一个两轮摩托车模型。那么可以采用线性二自由度的单轨模型对汽车动力学进行分析”。有以下方程成立:。女:卢三口七。一:,一。:“。卢三 女女,一七:,匆由于汽车以小转角行驶,卢。兰,因而:“声。.“筹邓。咄卢“一一三吨一%也.:口七础.一龇:卢,兰三女。上式中,:分别为汽车质量和绕重心垂直

38、轴的转动惯量;“为车速;七。,:为别为前轮和后轮的侧偏刚度:卢.,分别是汽车质心侧偏角、横摆角速度和前轮的转向角;口,分别是前后轮中心到汽车质心的距离。对上式进行零初始条件的拉氏变换,可得:.雕怒郧西华大学硕士学位论文.删器喇其中邱咄协警?足硎“腩;历,:淞:陋 后,:七,七:世一“口七。一酞:.前轮侧偏力矩模型由轮胎的侧偏特性可知,当轮胎侧偏角口不超过。时,侧偏力。与口成线性关系。汽车正常行驶时,侧向加速度不超过.,侧偏角不超过。,可以认为俱偏角与侧偏力成线性关系,即只,因此侧偏力矩。;出,口。其中是前轮拖矩。由前轮转向几何学分析,知前轮的侧偏角一兰,一卢,则等效到转向柱的前轮侧偏力矩为,是

39、转向器传动比:.鲁”詈钠考虑到眭;:,则经过零初始条件的拉氏变换的侧偏力矩为:.、驰器蹦其中彳础。陋矿一一】;口“;矿。.转向灵敏度与转向路感表达式推导.转向灵敏度表达式若采用电压控制方法,即电动机两端的电压与扭矩传感器测试值成比例,扭矩传感器的测试值为,吼一吼,其中%,是扭矩传感器的扭转剐度。那么.。肚,吼一日。西华大学硕士学位论文其中为助力增益。把式.代入式.,根据式.和式.,经推导可得到以 吼 七,尺七。荆【。小吼皿尝,等胁即器固根据转向灵敏度的定义,最终可得到转向灵敏度函数为:盟:盟盟业:幽丝尘四、 。吼 眭吼 :.转向路感表达式假定转向盘固定相当于等转角转向,此时驾驶员的转向手力为:

40、.瓦。吼一以;越,臼。根据式.和式.?.、.、.有,驰【“炉即鬻砂等巾。根据转向路感的定义有:“;婴;矣 、其中,邢,小。”筹静.中各参数对转向操纵性能的影响分析.各参数对转向灵敏度的影响从式.可以看出,影响转向灵敏度的参数有电动机的转动惯量和电气参数、助力机构传动比、扭矩传感器刚度、前轮转动惯量、整车参数等。考虑到电动机的电气参数是不能任意选择的,故只考虑了下列因素对转向灵敏度的西华太学硕士学位论文影响,计算得到如图.?.所示的波德图。计算所用的参数见表.。表.列出了相应汽车横摆角速度频响函数上的参数,其中;为幅值裕度,“相位交界频率,增幅比/,厶为截止频率,为共振峰频率,叭、中为相位滞后角

41、。表.仿真所用的参数值 .汽车总质量堍汽车绕重心轴转动惯量, 口 .前轮中心至汽车重心距离.后轮中心至汽车重心距离“,车速,前后轮侧偏刚度足七.电动机电枢电阻电动机电枢电感 .,反电势常数七。七. .?电磁转矩常数电动机转动惯量, .电动机阻尼系数 .?,。前轮等效转动惯量。 .,前轮等效阻尼系数助力机构传动比机械转向器传动比.前轮拖距扭矩传感器刚度:由图.和表可以看出,扭矩传感器刚度增加,相位滞后垂和工中减小,增幅比/减小。扭矩传感器刚度小于某个定值增西华大学硕士学位论文加时,共振峰频率,增大,带宽变宽;当它超过某个定值增加时共振峰频率,减小,带宽降低,并将最终引起系统失去稳定。电动机转动惯

42、量:由图.和表.可以看出,电动机转动惯量的增加将引起相位滞后西和中的增加,扭矩传感器刚度小于某个定值增加时,共振峰频率,增大,带宽变宽:当它超过某个定值增大时共振峰频率减小,带宽变窄。而且当它超过某个定值时,幅值裕度世。为负值,并将最终引起系统失去稳定。助力增益:由图.和表.可以看出,控制器助力增益的增大将使增幅比/减小,相位滞后函和中减少,扭矩传感器刚度小于某个定值增加时,共振峰频率增大,带宽增加;但是当它足够大的时候将最终引起系统失去稳定。助力机构传动比:由图.和表.可以看出,传动比的增加使得相位滞后中和增加,共振峰频率厂减小,带宽变窄;扭矩传感器刚度小于某个定值增加时,增幅比/增大,当它

43、超过某个定值增加时,增幅比,减小,传动比足够大时将最终引起系统失去稳定。汽车性能最后通过试验来进行测定与评价。试验中的性能评价有主观评价和客观评价两种方法。客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定性的方法。主观评价法就是感官评价,其方法是让试验评价人员根据试验时自己的感官来进行评价。并按规定的项目和评价方法来进行评分。确定稳态响应与瞬态响应的转向角阶跃输入试验、确定横摆角速度频率响应特性的转向盘角脉冲输入试验以及转向盘中间位置操纵稳定性试验就是由长期汽车工程实践与专门的主观评价试验所肯定下来的开路系统客观评价方法。如图.所示为无助力增

44、益、助力增益为和时的转向盘角阶跃输入和角脉冲输入时横摆角速度的时域响应试验仿真。西华大学硕士学位论文。四。;瓣麓鬻霪鬃嚣秘黪,繁鬟 。辩 。一.、漾 兰、“ .、尊。、?: . : 一.:?卅;?皿芒哥王.等龄、.,芝一:二。、:、.一日罡正挚涟.鞭、莲. .: 。伯 矧, 蚰陆图.扭矩传感器刚度对转向灵敏度的影响表.扭矩传感器刚度对转向灵敏度参数的影响中 中足 昭 ,/ / / 珊丌/. . . . . . . . . , ?. ?. . . . . . . . . . . .。 . . . . . . . . .西华大学硕士学位论文山口一口,拦固芑一一山. 肿图.电机转动惯量对转向灵敏度的

45、影响表.电机转动惯量对转向灵敏度参数的影响中 中% , / 小,“,. . . . . 一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., . . . . . . . . . . .西华大学硕士学位论文“叠:;:.: .:. 钆蟪鼍: 一一怒一. ;。一、:。.舳 一.;删毋善世最毫一; .黻釜.;:嚣蚪.、弧、量专售瓮七屯黧.。:下.咖 图.助力增益对转向灵敏度的影响表.助力增益对转向灵敏度参数的影响 币甜曙,/ , , /“,. . . . . . . . . ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46、. . . . .西华大学硕士学位论文? .图.助力机构传动比对转向灵敏度的影响表.助力机构传动比对转向灵敏度参数的影响 . 中铝,/ , , /. . . . . . . . . . . . . . . .一. . . . . . . . 一. ,. . . . . . . . . . . . .西华大学硕士学位论文. 柚印仰百 图.助力增益对横摆角速度的时域响应曲线.各种参数对转向路感的影响扭矩传感器刚度:扭矩传感器刚度增加使得相位滞后减少,对幅频特性的影响不明显如图.。当它超过某个值时将最终引起系统失去稳定。电动机转动惯量:电动机转动惯量的增加将引起相位滞后的增加,而对幅频特性的影响不明

47、显如图.,同样,当它超过某个定值时最终引起系统失去稳定。助力增益: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.,但是当它足够大的时候将最终引起系统失去稳定。助力机构传动比:传动比的增加使得相位滞后增加而幅频曲线衰减见图.,当它足够小时将最终引起系统失去稳定。西华大学硕士学位论文:一一;.崩。:.:.一弘:.日已鲁,盖 .一。一.:?:?“ 、寸、 、幅。一:. 、:搿【拈山。筋一筠弋奄 。遮. 【 图.扭矩传感器刚度对转向路感的影响日弓茸矗葺一君盆.图.电动机转动惯量对转向路感的影响西华大学硕士学位论文. 图.助力增益对转向路感的影响一皿廿一。廿世三一口一. 图.助力机构传动比对转向路感的影响西华大学硕士学位论文.电动助力转向助力策略的探讨为了便于研究齿条负荷与转向盘转矩之间的传递函数【舶】,我们将转向盘固定,计算和分析从齿条负荷到把持转向盘不动所需转矩的响应特性。当转向盘固定不动时.对转向小齿轮进行