汽车试验论文-李子轩

1、（研究生课程论文 ） 汽车试验系统与试验方法论文题目：电动助力转向系统对最优转 向力的控制策略和方法 指导老师：何耀华学院班级：汽研122班学生姓名：李子轩学 号：1049721202186 2013年 1 月 电动助力转向系统对最优转向力的控制策略和方法摘要：电子控制助力转向系统（EPS），利用电动机产生的动力，根据车速和转向参数等，由电子控制单元（ECU）完成助力控制，协助驾车者进行动力转向。 ESP系统能提供最优化的转向作用力、转向回正特性，提高了汽车的转向能力和转向响应特性，同时能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。本文对电动助力转向系统工作原

2、理进行简要的介绍，重点对其电子控制系统进行分析，并针对系统对最优转向助力的控制方法和策略进行探讨。关键词：EPS，电动机，电子控制单元，最优转向助力1. 引言 汽车一百多年的发展历史中，其转向系统经历了机械转向到动力转向的过渡。随着汽车、电子、机械等产业的飞速发展，电动转向(Electric Power Steering，简称EPS)作为最新型的动力转向系统，将替代传统的液压动力转向(Hydraulic Power Steering，简称HPS)成为转向系统的发展方向。EPS系统通过控制附加在系统中的助力电机，在驾驶员转动转向盘时使电机输出适当的转矩，协助驾驶员完成转向，使转向过程更加安全、轻

3、便、舒适。1.1电动助力转向系统简介C-EPS系统结构图EPS系统的结构图如上图所示。它由转矩传感器(Torque Sensor)，转角传感器(Rotation Speed Sensor)，电子控制单元(Electric Control Unit，简称ECU)，电动机(Motor)及转向盘(Steering Wheel)、减速箱等组成。系统工作时，转向传感器把转向盘的输入信号(转向力矩和旋转角度)送入ECU。同时ECU采集汽车的车速信号以及发动机转速信号。ECU根据这些信号值，判断助力时机，依据助力特性计算出所需的助力力矩，按照一定的控制策略控制助力电机输出转矩完成转向助力。 根据电机装配位置

4、不同，EPS系统分为转向轴式EPS(Column-EPS，简称C-EPS)，多应用于微型汽车；齿轮式EPS(PinionEPS，简称P-EPS)，多用于小型汽车；齿条式EPS(Rack-EPS，简称R-EPS)。多应用在中型车辆及高档轿车中。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、

5、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，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。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

6、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。 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

7、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

8、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。电动助力转向系统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。 （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少。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

9、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。（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。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

10、觉，而且更易于车场操作。 （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。（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。 （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

11、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。2. EPS系统组成及工作原理 EPS是现代汽车转向系统的发展方向，其工作过程是：汽车处于转向状态时，驾驶员操纵方向盘转向，装在转向柱上的方向盘扭矩转角传感器实时检测出作用于转向柱扭杆上的扭矩和方向盘位置，并将这些信号同车速信号一起送到电子控制单元。电子控制单元对这些输入信号进行运算处理，根据存储在内部ROM中的助力特性MAP图确定合适的助力扭矩。电动机经离合器及减速增扭机构将扭矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶员提供转向助力的目的。当车速超过一定

12、的临界值或者出现故障时，EPS系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。 电动助力转向系统主要是在机械式转向系统的基础上安装传感器包括车速传感器、扭矩传感器和小齿轮位置传感器、ECU、助力电机、电磁离合器和减速机构构成。3. 主要元件3.1转矩传感器 EPS的传感器作用是探测驾驶员转向时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向，然后将其转换为相应的电压信号传送给控制器ECU，ECU根据这个信号连同车速信号产生相应的助力，协助驾驶员转向。3.2车速传感器 车速信号也是系统

13、控制重要依据，一方面它与转矩信号结合用以确定系统控制的目标电流，一方面用于保证系统的安全性和可靠性，即当车速超出系统设定的助力范围时，系统将停止助力，改为手动操作。3.3助力电机电动机对EPS的关键部件之一，电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助力矩，是EPS的动力源。3.4电磁离合器电磁离合器安装在电动机和减速齿轮之间，它的作用主要是使电机与减速机构快速地结合和分离，主要是起到安全保护的作用，当EPS系统发生故障、助力电机工作电流过大等情况下，电磁离合器会及时切断，汽车仍可以以传统的机械转向装置进行工作，从而保障整个系统和行车的安全。4. EPS控制系统 EPS控制系统如下图。当

14、点火开关闭合时，微控制器即进行自检，待检测到发动机转速信号后，EPS系统便开始工作。 控制器的核心部件为Motorola公司的HC08系列微控制器及由4个MOSFET 组成的H桥。传感器实时检测驾驶员操纵转向盘的转矩、汽车行驶工况信息（车速、发动机转速、点火开关信号等）以及电机的反馈电流信号；微控制器采集这些信号，并进行运算分析，输出合理的控制信号。 EPS系统控制图5. EPS系统控制策略 EPS系统可以对转向过程中的每个环节（转向、回正、中间位置）进行精确控制，从而提高汽车转向助力性能。微控制器可以根据各种传感器的信号，判断转向状态，选择执行不同控制模式。根据这些要求，制定EPS 的控制策

15、略。5.1最优转向助力控制 助力特性是电动助力转向系统的关键内容。助力特性体现了电动机助力随汽车运动状况(车速和驾驶员的转向盘手力)变化而变化的规律。电动机助力与电动机的电流成比例，而且随着车速的增大而减小同时与转向盘力矩也有关，因此可以用电动机电流、转向盘力矩、车速三者的变化关系曲线来表示助力特性。 对于电动助力转向系统而言，理想的助力特性应使转向轻便性与路感的关系得到很好的平衡，并且能够为驾驶员提供与机械转向系统尽可能一致的、可控的转向特性，既能满足转向轻便性的要求，同时也能保证在整个助力特性区域内都具有良好的路感，这样驾驶员就很容易判定出汽车行驶状况的变化，从而确定所需要的转向操纵力矩的

16、大小。5.1.1助力曲线 EPS系统对助力特性曲线的基本要求： 助力特性对助力转向系统的性能包括转向轻便性、回正性与路感等都有重要影响。电动助力转向系统的助力大小可以根据预定的助力特性曲线进行实时的调节与控制。对于性能良好的电动助力转向系统，其助力特性曲线需满足以下要求：(1)在转向盘输入力矩很小的区域内(一般为0-2Nm)，系统不提供助力，以保持路感及节约能源。(2)在转向盘输入力矩较小的区域内，输出的助力应较小，以保持较好的路感。(3)在转向盘输入力矩较大的区域内，为满足转向轻便的要求，助力效果要明显。(4)随着车速的增大，助力应减小。(5)助力增大到一定值后应保持恒定，以免电动机因负荷过

17、大而出现故障。(6)各区段过渡平滑，以避免转向盘力出现跳跃感。 根据助力目标电流的模糊控制器可以得到EPS系统助力特性曲线，如图所示，三维助力特性曲线可以清晰地反映任意车速与任意转向盘力矩输入下的助力目标电流的值。三维助力特性曲线5.1.2助力控制 助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。 助力控制的驱动方式如下图所示，H桥上桥臂一侧导通，下桥臂另一侧斩波。 该控制是利用电机转矩和电机电流成比例的特性，由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同

18、车速下“转标电流，通过对反馈电流与电机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路以驱动电机产生最优转向助力。5.2回正控制 回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有：低速行驶转向回正过程中，EPS 系统H桥实行断路控制，保持机械系统原有的回正特性；高速行驶转向回正时，为防止回正超调，采用阻尼控制。5.3阻尼控制 阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性，为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。 电机理想模型的基本方程为 式中，分别为电机的端电压和电枢电流， 为电机转速， ，分别为电机等效内阻和电感，为电动势常数. EPS系统中所用电机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。