摘要 與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，并將逐漸取代 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展的必然趨勢(shì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī) 直接提供助力，有效地解決了傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)輕便性與“路感”不能兼顧的矛 盾，改善了車輛的操縱穩(wěn)定性能，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛時(shí) 的良好路感性要求。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e p s ) 主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、無刷 直流電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等部分組成。在相應(yīng)的軟件及控制算法的協(xié)助下， 共同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力的功能。本文在介紹了e p s 的組成和工作原理后，從e p s 的助力特 性入手，在e p s 受力分析的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行的 分析，比較了比例控制和比例加微分控制對(duì)系統(tǒng)助力的影響，確立了以模糊p i d 電流閉 環(huán)控制算法為主的控制方式。 e p s 必須有足夠的帶寬，用來滿足轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時(shí)助力電機(jī)的跟隨性，同時(shí)還 應(yīng)體現(xiàn)充分的“轉(zhuǎn)向路感 。轉(zhuǎn)向傳感器測(cè)量輸出信號(hào)的滯后、易受干擾而產(chǎn)生信號(hào)瞬 時(shí)畸變，使系統(tǒng)跟隨性及穩(wěn)定性降低的問題，應(yīng)用根軌跡法設(shè)計(jì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳感器的滯后 超前校正動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，以改善系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明加入補(bǔ)償器后， 系統(tǒng)的暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能滿足實(shí)際使用要求，同時(shí)也明顯減小了系統(tǒng)的振蕩，驗(yàn)證了 所設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的性能。設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器對(duì)轉(zhuǎn)向傳感器在工程上的應(yīng)用有一定的指 導(dǎo)意義。 本文還對(duì)三種不同形式的e p s 助力特性進(jìn)行了理論上的分析，在離散助力特性研 究的基礎(chǔ)上，探討了初步確立曲線型助力特性的方法，在此基礎(chǔ)上，本文通過 m a n a b s i m u l i n k 建立了帶理想助力特性的e p s 控制仿真模型，并將電流控制方法應(yīng) 用于電動(dòng)機(jī)電學(xué)模型中，依據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性將力矩形式的助力特性轉(zhuǎn)化為電流 形式的助力特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)電流的p i d 閉環(huán)控制。并從電動(dòng)機(jī)模型中引入角速度信 號(hào)，用于確定阻尼控制的補(bǔ)償電流。通過仿真表明，曲線型的助力特性基本能滿足原地 轉(zhuǎn)向、低速行駛的輕便性和高速行駛的路感性要求。 關(guān)鍵詞：汽車，電控助力轉(zhuǎn)向，助力特性，仿真，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，控制策略 a b s t r a c t c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a ls t e e r i n gs y s t e m ，t h ee l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a s m o r ea d v a n t a g ea n d 、們l lt a k et h ep l a c e0 ft h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gi nt h ef b t u f e - t h e e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mt a k ea d v a n t a g eo fm o t o rt op r o v i d e st h ep o w e rd i r e c t l y s oi t g i v e sa t t e n t i o nt of a c i l i t ya n dr o a ds e n s e ，i m p r o v e st h eo p e r a t i o ns t a b i l i t ya n d r e a l i z e st h e f 砬i l i t ya t1 0 ws p e e d 鋤dp r o m p tf o a ds e n s e a th i g hs p e e d t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) c o n s i s t so ft h et o r q u es e n s o f t h es p e e ds e n s o r ， t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，n 0b n l s hd i r e c tc u 玎e n tm o t o r e l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h 卸d d e c e l e r a t i o ns y s t e me t c t h e yp e 面冊(cè)t h ef u n c t i o nt o g e t h e rw i t ht h eh e l po ft h ea c c o r d i n gt h e s o f 咐a r e 觚dc o n t r o la r i t h m e t i c 1 1 l et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n s t m c t i o na i l dt h e o r yo ft h ee p s ， s e tu pt h ep o w e rm o d e lo nt h eb a s e0 ft h ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c 觚dt h ef o r c ea n a l y s i so ft h e e p s ，c o m p a r e st h ei n f l u e n c e st h a tt h ep c o n t r o la i l dp dc o n t r o lh a v eo nt h es y s t e mp o w e r ， e s 詘l i s h e st h ec o n t r o ls t y l ew h i c hi s m a i n l yf u z z y p i dc i l l l r e n tc l o s e d l o o p c o n t r o l a r i t h m e t i c t 1 l ee p sm u s tb ee q u i p p e dw i t ha d e q u a t eb a l l d w i d t ht 0f h l f i l lt h ef o l l o wp c r | o 咖a l l c eo f 硒s i s tm o t o rw h e nt h es t e c r i n gw h e e l t u m sq u i c k l y 觚ds h o u l dh a sr o a ds e n s ea tt h es 鋤e t i i i l e n e l a go ft h es i 印a lf r o mt h et u m i i l gs e n s o r 觚dt l l es i 印a li n s t a n t a l l e o u sa b e r r a t i o n r e d u c et l i ef o l l o wp e r f b 咖a n c e 鋤dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t 唧w ea p p l yt h e 瑚t1 0 c l l s m e t h o dt 0d e s i g nt h ed y n 鋤i cc o m p e n s a t o fo ft h et u m i n gs e n s o ft 0i m p r o v et h ed y n 鋤i c 鋤d s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c t 1 l er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n 鋤dt h ee x a m i 衄t i o np r o v et h a tt h et r a n s i e n t 卸ds t a t i cc h a r a 砹e r i s t i ca r es a t i s f i e d ，m ev i b r a t i o n0 ft h es y s t e mi sr e d u c e da p p a r e n t l ya f t e r t l l ec o m p e n s a t o ri se q u i p p e d s ot h ec o m p e n s a t o ri sv a l i d a t e d t 1 l ed y n a m i cc o m p e n s a t o rh a s g r e a ts i 印i f i c a t i o no nt h ea p p l i c a t i o no ft u m i n gs e n s o ri np r o j e c t s t 1 l et h e s i s 鋤a l y z e sm et h r e ed i 骶r e n tt y p e so ft h ee p st h e o r e t i c a l l ya n dd i s c u s s e st h e m e t h o do fe s t a b l i s h i n gt h ec u r v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i cp r i m a r i l y 明t h eb a s eo fw h i c ht h e t h e s i ss e tu pt h ee p ss i m u l a t i o nm o d e lw i t hp o w e rc h a r a c t e r i s t i cb ym a t l a b s i m u l i n l ( ，卸d a p p l i e st h ec u l l f e n tc o n t r o lm e t h o dt ot h em o t o re l e c t r i c sm o d e l ，r e a l i z e dt h ep l dd o s e d1 0 0 p c o n t r o lo ft h eo b j e c t i v ec u r r e n to nt h eb a s e o ft h ef a c t t h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e l e c t r o m a 印e t i cc h a r a c t e r i s t i co fm o t o rt r a n s f o m st h em o m e n tt y p ep o w e f c h a r a c t e r i s t i ct 0 t h ec u l l r e n t t y p ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c t h e 柚舀ef a t es i g i l a lh o mm o t o rm o d e li s 印p l i e dt o m a k es u 托t h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n to fd a m p e dc o n t r 0 1 n es i m u l a t i o np r 0 v e si n d i c a t e st h a t t h ec u r v ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft u m i n gf i x e d l y f a c i l i t ya t 1 0 w s p e e da n dt h er o a ds e n s ea th i g hs p e e d k e yw o r d s ： a u t o m o b i l e ，e l e c t cc o n t r o lp o w e rs t e e 血g ，舡s i s tc h a r a c t e r i s t i c ， s i m u l a t i o n ，d y n a m i cc o m p e n s a t e ， c o n t r o ls t r a t e g y 論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工 作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對(duì)論文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本論文中不包含任何 未加明確注明的其他個(gè)人或集體己經(jīng)公開發(fā)表的成果。 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：楊榭 鉚7 年f 月f 日 論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬學(xué) 校。學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開閱覽、借閱以及申請(qǐng)專利等權(quán) 利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成 果時(shí)，署名單位仍然為長(zhǎng)安大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：徹嬲 導(dǎo)師簽名：乞氣、_ 加7 年j 月衫日 m 7 年廠月7 日 長(zhǎng)安人學(xué)頂上學(xué)位論文 第一章緒論 1 1引言 隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也同益提高。為了 保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即使車輛在停車情況 下，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)也能夠輕松自如；而在高速行駛時(shí)又不會(huì)感到方向“發(fā)飄”。汽車轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)展到機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，簡(jiǎn)稱h p s ) 、到電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，簡(jiǎn) 稱e h p s ) ，直至如今的更為節(jié)能、操縱性能更優(yōu)的電子控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ，簡(jiǎn)稱e p s ) 階段。 由于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有使轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、能吸收路面對(duì)前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu) 點(diǎn)，因此在汽車制造業(yè)中已普遍采用。電子控制技術(shù)在汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用，使汽 車的駕駛性能達(dá)到令人滿意的程度。e p s 在低速時(shí)可使轉(zhuǎn)向輕便、靈活；當(dāng)汽車在中高 速區(qū)域轉(zhuǎn)向時(shí)，又能保證提供最優(yōu)的助力放大倍率和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向手感，從而提高了高速 行駛的操縱穩(wěn)定性。 e p s 是一種直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅需要控制電 動(dòng)機(jī)電流的方向和幅值，不需要復(fù)雜的機(jī)械、液壓機(jī)構(gòu)。另外，該系統(tǒng)由于利用微機(jī)控 制，為轉(zhuǎn)向特性的設(shè)置提供了較高的自由度，因此有著非常廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。 1 2 汽車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)概述 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分，是完成控制汽車行駛路線和方向的主要 裝置，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、駕駛員的操縱手感和汽車行駛的安 全性。為提高汽車轉(zhuǎn)向性能，目前普遍采用了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為此，汽車助力轉(zhuǎn)向技術(shù) 也向著更高、更新的方向發(fā)展。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程，可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)兩大類。 機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是依靠駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力來實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向中一個(gè)重 要性能參數(shù)是傳動(dòng)效率，即輸出功率和輸入功率的比值。一般應(yīng)要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正效率高 而逆效率適當(dāng)。逆效率為駕駛員提供“路感”，若逆效率太高，在路面上行駛時(shí)，汽車 前輪受到的沖擊力很大部分都會(huì)傳給駕駛員，造成“打手”現(xiàn)象；反之，若逆效率太低， 則“路感”就會(huì)很差，且不能保證車輪自動(dòng)回正。由于每臺(tái)機(jī)械轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)都是固定 第一章緒論 的，所以其傳動(dòng)效率也是固定的，很難在不同的路況下都獲得良好的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)效率。 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的液壓力或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。 出于采用助力轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩，改善汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和汽車的操縱 穩(wěn)定性，因此，在國(guó)外不僅在中高級(jí)轎車上，而且在商用車和輕型車上也逐漸普遍應(yīng)用 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照提供助力方式的不同可分為氣動(dòng)助力式、液壓助力式 ( 又可進(jìn)一步分為機(jī)械液壓助力式和電子控制的液壓助力式) 和電動(dòng)助力式。氣壓助力 式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要應(yīng)用在載重量3 7 噸，并且采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的商用車上，因?yàn)槠?工作效率較低，所以現(xiàn)在很少采用。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向 油泵提供液壓油，由轉(zhuǎn)向控制閥來控制液壓油的流向以實(shí)現(xiàn)助力。但這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助 力特性與汽車的實(shí)際要求不一致，因?yàn)槠嚥煌俣刃旭倳r(shí)對(duì)助力特性的要求不同，而 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法做到這一點(diǎn)。后來，把電子技術(shù)引進(jìn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由控制 單元根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)來控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，就形成了e h p s ，它符合 當(dāng)代節(jié)能與環(huán)保的要求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向油泵不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，但真正 轉(zhuǎn)向的時(shí)間卻不多，這樣存在很大的寄生損失；在e h p s 中，正常轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)向 動(dòng)作不快，其電動(dòng)機(jī)可以低速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)需要快速轉(zhuǎn)向時(shí)，電動(dòng)機(jī)加速，以提供足夠的液 壓油：不需要轉(zhuǎn)向動(dòng)作的時(shí)候，可以讓電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而大大節(jié)約能量。 e h p s 由于增加了電子控制裝置，且控制閥的結(jié)構(gòu)較常規(guī)閥復(fù)雜，因而成本較高。 目前主要應(yīng)用于高級(jí)轎車及運(yùn)動(dòng)型車上，在技術(shù)上電子控制液壓助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)也比 普通液壓助力轉(zhuǎn)向器要復(fù)雜，須考慮電氣部分，如傳感器的選型及布置、電磁閥的特性、 電、液控制系統(tǒng)的藕合、轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)及其算法設(shè)計(jì)，以滿足不同車速下行駛穩(wěn)定 性要求。雖然，e h p s 在駕駛舒適性上較傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有很大的提高，但是 沒能從根本上解決工作時(shí)大量的液流在泵內(nèi)循環(huán)而造成的能源的浪費(fèi)問題。 此外，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有噪聲大的缺點(diǎn)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲主要來自于 兩個(gè)方面：一方面是油泵振動(dòng)及由此引起的壓力軟管、控制閥、助力缸和轉(zhuǎn)向柱的振動(dòng)， 使得液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有不可克服的液壓噪聲；另一方面是來自液體流動(dòng)的流動(dòng)噪 聲。這些噪聲使得轉(zhuǎn)向的舒適性大大降低。此外，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在著液壓管路 泄漏以及進(jìn)入氣體造成的轉(zhuǎn)向沉重。盡管存在上述問題，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其轉(zhuǎn)向助 力大、工作滯后時(shí)i 日j 短、可以很好的吸收來自不平路面的沖擊，因而獲得廣泛的應(yīng)用， 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍是目前助力轉(zhuǎn)向主要的轉(zhuǎn)向助力方式之一。 目前，e p s 是近年來出現(xiàn)的新型助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根 2 長(zhǎng)安人學(xué)碩l 學(xué)位論文 據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方 向的轉(zhuǎn)向輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱，并獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。e p s 由機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、 助力轉(zhuǎn)向控制器( 包括控制單元和驅(qū)動(dòng)單元兩部分) 等組成。其基本工作原理是：當(dāng)操 縱轉(zhuǎn)向盤，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷地測(cè)量出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，該信號(hào)與 車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)這些輸入信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算處理后， 控制電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)由電磁離合器通過減速 器減速增扭后，加到汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向助力的作用。如圖1 1 所示。 圖1 1e p s 不意圖 1 扭矩傳感器；2 控制單元；3 減速機(jī)構(gòu)；4 電動(dòng)機(jī)；5 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，e p s 具有如下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 效率高：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中機(jī)械與液壓連接的效率較低，一般為6 0 7 0 ；而e p s 為機(jī)械與電機(jī)相連接，效率較高，可達(dá)到9 0 。 ( 2 ) 能耗少：汽車在實(shí)際行駛過程中，處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)的時(shí)間約占總行駛時(shí)間的 5 。對(duì)于e p s 系統(tǒng)來說，電動(dòng)機(jī)只有在需要時(shí)才工作，所以消耗的能量要比液壓助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)少得多，應(yīng)用e p s 的汽車燃油消耗率僅增加0 5 左右。 ( 3 ) 重量輕：將電動(dòng)機(jī)、離合器、減速裝置和轉(zhuǎn)向桿等部件裝配成一個(gè)整體，這 既無管道也無控制閥，使其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量減輕，而且為整車布置帶來了很大的方便。 一般e p s 比液壓助力轉(zhuǎn)向質(zhì)量輕2 0 左右。 ( 4 ) 可控性高：對(duì)于不同車型和使用要求，在基本上不變動(dòng)硬件的條件下，只要 改變軟件，就能滿足性能要求?？梢员容^容易地按照汽車性能的需要設(shè)置和修改轉(zhuǎn)向助 3 第一章緒論 力特性。另外它容易與目前國(guó)外f 在發(fā)展的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成和 匹配，提高整車綜合性能。 ( 5 ) 有較好的“路感”：e p s 可通過軟件編寫，很容易獲得不同轉(zhuǎn)向工作狀況下 更優(yōu)的“路感”。 ( 6 ) “轉(zhuǎn)向回正”性好：e p s 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)部阻力小、轉(zhuǎn)向回正性能好，從而可 以得到最佳的“轉(zhuǎn)向回正”特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性。 ( 7 ) 工作可靠性好，維修方便：e p s 零部件數(shù)目少，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中 常有的液壓油泄漏問題，故其故障率低，維修方便。 ( 8 ) 制造成本低，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)：因其機(jī)械部分與機(jī)械轉(zhuǎn)向器相同，整個(gè)e p s 零部件 不僅數(shù)目少，而且制造工藝與液壓零件制造工藝相比要簡(jiǎn)便，設(shè)備投資少，制造費(fèi)用低。 批量生產(chǎn)后總成本比液壓助力轉(zhuǎn)向低1 0 1 5 。 傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、e h p s 以及e p s 都是以機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來 的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，改變了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性，有效地降低了駕駛員體力負(fù)擔(dān)，提高 了汽車穩(wěn)定性，但卻無法改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性，即無法控制汽車的轉(zhuǎn)向特性，更 無法實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的主動(dòng)控制。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了開發(fā)下一代電動(dòng)轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)，即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( s t e e r i n g b y w h ，簡(jiǎn)稱s b w ) 。 但是由于s b w 的轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪直接取消了傳統(tǒng)的機(jī)械連接，使得如何讓駕駛 員感知汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的“路感”變的困難；同時(shí)目前電子部件還不可能 像機(jī)械部件那樣可靠，如何保證在電子元件出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)其基本的轉(zhuǎn)向功 能，也是需要面對(duì)的問題，因此將s b w 應(yīng)用到實(shí)車上還面臨許多問題。 1 3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向( e p s ) 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 e p s 是在2 0 世紀(jì)8 0 年代中期提出來的，它是將最新的電子控制技術(shù)和高性能的 電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從而能顯著改善汽車動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行 駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少對(duì)環(huán)境的污染等等，并有效解決了液壓助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)在能耗、環(huán)保等方面的不足，滿足時(shí)代發(fā)展的要求。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到 許多汽車公司的重視，并進(jìn)行了丌發(fā)和研究，今后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中e p s 將成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 主流。 近些年來，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上丌發(fā)的。即 便是e h p s 也無法根除液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整體布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能 4 長(zhǎng)安人學(xué)碩士學(xué)位論文 量消耗、磨損與噪聲等方面的固有缺憾。直到1 9 8 8 年3 月，同本鈴木公司開發(fā)出一種 全新的e p s 【1 1 ，才真正擺脫了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的束縛。1 9 9 3 年，本田汽車公司首次將 e p s 裝備于大批量生產(chǎn)的、在國(guó)際市場(chǎng)上同法拉利和波爾舍有競(jìng)爭(zhēng)的愛克n s x 跑車上。 同年，在歐洲市場(chǎng)銷售的一種經(jīng)濟(jì)型轎車一菲亞特幫托也將美國(guó)德爾福公司生產(chǎn)的e p s 作為標(biāo)準(zhǔn)裝備：由于e p s 完全取消液壓裝置，用電能取代液壓能，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的能 量消耗；加上其性能的優(yōu)越性，很快在越來越多的國(guó)外轎車上得到應(yīng)用，如本田最新推 出的l n s i 曲t 轎車上就是其中的一例。e p s 無疑是未來助力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的新方向，目前在 中型以上貨車和中級(jí)以上轎車上廣泛采用的機(jī)械一液壓助力轉(zhuǎn)向器將逐漸被效率更高、 適應(yīng)性更強(qiáng)的e p s 所代替1 2 1 。為此，國(guó)外幾家大公司( 如德國(guó)的z f 、英國(guó)盧卡斯一偉 利達(dá)、s a 西n a w 、t r w 、日本的n s k 、k b y o 等) 都竟相推出自己的e p s 。比如：三菱 公司在其m o n i c a 車裝備了e p s ，大發(fā)汽車公司在其m i r a 車裝備了e p s ，本田汽車公司 的a c c o r d 車目前已經(jīng)選裝了e p s ，s 2 0 0 0 轎車的助力轉(zhuǎn)向也將傾向于選擇e p s ，d e l p h i 汽車系統(tǒng)已經(jīng)為大眾的p o l o 、歐寶3 1 8 i 以及菲亞特的p u n t o 開發(fā)出e p s 。刪從1 9 9 8 年開始，便投入了大量人力、物力和財(cái)力用于e p s 的開發(fā)，他們最初是針對(duì)客車開發(fā) 出轉(zhuǎn)向柱助力式e p s ，如今小齒輪助力式e p s 開發(fā)己獲成功，1 9 9 9 年3 月，他們的e p s 已經(jīng)裝備于轎車上，如：f 0 r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 e 等1 3 j 。m e r c e d e s b e 舵和s i e m e 璐 a u t o m o t i v e 兩大公司正共同投資了6 5 0 0 萬英鎊用于開發(fā)e p s ，他們計(jì)劃開發(fā)出用于汽 車前橋負(fù)載超過1 2 0 0 噸的e p s 系統(tǒng)，因此貨車也可能成為e p s 的裝備目標(biāo)。 目前，e p s 技術(shù)日趨完善，其應(yīng)用范圍也在逐漸的擴(kuò)大，其生產(chǎn)成本也在不斷的 降低，e p s 正向低成本、高性能化方向發(fā)展。e p s 的助力形式也從低速范圍助力型向全 速范圍助力型發(fā)展【4 】f 5 1 ，并且其控制實(shí)現(xiàn)形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。 e p s 按電機(jī)布置形式可以分為轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)、小齒輪驅(qū)動(dòng)、齒條驅(qū)動(dòng)等三種形式【6 1 。 下面對(duì)三種助力方式下各公司對(duì)e p s 系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要的介紹： 1 轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)方式英國(guó)的h c a s 公司的e p s ：由無刷直流電機(jī)、扭矩傳感器、電 子控制單元、助力機(jī)構(gòu)等組成。其扭矩傳感器采用雙通道光電傳感器，在方向盤與轉(zhuǎn)向 柱間扭桿的兩端各安裝一個(gè)光電碼盤和一個(gè)光電傳感器，當(dāng)在轉(zhuǎn)向盤上施加扭矩時(shí)，在 兩個(gè)碼盤之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角。光電接受其接收到的光強(qiáng)與扭矩大小成一定的比例。從而 通過比較兩個(gè)光電傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向角速度。h c a s 通過一個(gè)三相 逆變器，根據(jù)電機(jī)的相電流來控制扭矩大小。驅(qū)動(dòng)電路由一組功率場(chǎng)效應(yīng)管( m o s f e t ) 組成，由脈沖寬度調(diào)制器( p w m ) 方式來控制m o s f e t 的丌關(guān)時(shí)問和順序。 5 第一章緒論 d e l p h i 公司的e s t e e r “系統(tǒng)：由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、助力機(jī)構(gòu)、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、傳 感器等組成。所采用的電動(dòng)機(jī)是1 2 v 的無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)由汽車上的蓄電 池供電，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)也可以為汽車轉(zhuǎn)向提供助力。電子控制單元對(duì)轉(zhuǎn)向扭矩、轉(zhuǎn)向 角和車速等信息進(jìn)行運(yùn)算處理后，輸出相應(yīng)的電流來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，為汽車提供轉(zhuǎn)向助力。 助力扭矩與轉(zhuǎn)向手力之間的比例，由電子控制單元按照車速的高低提供相應(yīng)的助力。在 行使的過程中，電子控制單元一直監(jiān)測(cè)著助力機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，一旦發(fā)生故障，電磁離合器 立刻斷丌助力機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向恢復(fù)到傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)【7 】。 2 轉(zhuǎn)向小齒輪驅(qū)動(dòng)方式z f 公司的e p s 由扭矩傳感器、速度傳感器、控制器、 電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。駕駛員手動(dòng)方向盤產(chǎn)生的扭矩經(jīng)轉(zhuǎn)向柱、中間 軸和萬向節(jié)傳遞給伺服機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元e c u 等 伺服機(jī)構(gòu)直接安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪處，這種助力方式適用于前軸最大負(fù)荷為9 0 0 埏的中級(jí) 轎車。 d e l p h i 的e p s 也有轉(zhuǎn)向小齒輪驅(qū)動(dòng)方式的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)同上。 3 轉(zhuǎn)向齒條驅(qū)動(dòng)方式本田汽車公司開發(fā)的e p s 由齒輪一齒條式轉(zhuǎn)向齒輪箱、繼 電器、熔斷器、故障指示燈、兩個(gè)速度傳感器等組成。其中齒輪箱包括：轉(zhuǎn)向傳感器、 電子控制單元e c u 、功率驅(qū)動(dòng)模塊和助力機(jī)構(gòu)。其中電氣部分主控單元和功率模塊都 裝在轉(zhuǎn)向齒輪箱內(nèi)以起到保護(hù)作用，同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向傳感器分別由測(cè)試 轉(zhuǎn)向角速度的轉(zhuǎn)向傳感器和測(cè)試扭矩的扭矩傳感器組成。扭矩傳感器是扭桿式的，即通 過扭桿檢測(cè)輸入與輸出的相對(duì)位移得到轉(zhuǎn)向扭矩。轉(zhuǎn)向傳感器是采用直流測(cè)速電機(jī)來測(cè) 試轉(zhuǎn)向角速度。 國(guó)外汽車公司對(duì)e p s 的研究己經(jīng)有多年的歷史，但是以前一直沒有取得大的進(jìn)展， 其主要原因是e p s 的成本太高。近幾年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和控制方式的改進(jìn)， 大幅度降低e p s 的成本己成為可能。目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，大部分科研 院、所對(duì)e p s 的研究還處在初始階段，基本完成了臺(tái)架性能試驗(yàn)，正準(zhǔn)備臺(tái)架壽命試 驗(yàn)和整車試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)只是對(duì)國(guó)外e p s 產(chǎn)品的組成、工作原理進(jìn)行介紹。清華 大學(xué)的汽車系在e p s 領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究，在控制策略、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向硬件及 臺(tái)架方面，處于國(guó)內(nèi)的研究前列。此外，華中科技大學(xué)的劉兆和楊家軍從穩(wěn)定性和控制 策略兩個(gè)方面對(duì)e p s 進(jìn)行了研究。吉林大學(xué)的林逸和施國(guó)標(biāo)對(duì)e p s 的助力控制策略進(jìn) 行了研究，重點(diǎn)討論了電動(dòng)助力控制的一般過程、電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的決策方法、電動(dòng)機(jī) 電流的控制策略等問題。江蘇大學(xué)的施淑洪和鄭榮良通過對(duì)e p s 結(jié)構(gòu)的分析，建立了 6 k 安大學(xué)碩i ：學(xué)位論文 以方向盤轉(zhuǎn)角為輸入，轉(zhuǎn)向軸扭矩為輸出的線性系統(tǒng)模型，通過分析幅頻特性、相頻特 性，指出系統(tǒng)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性和跟蹤性的影響，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制電路框圖。這些研 究都是下一步的e p s 的實(shí)施和推廣的基礎(chǔ)。 國(guó)內(nèi)大部分文獻(xiàn)只介紹了國(guó)外轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀【8 。1 8 1 ，文獻(xiàn)”2 】介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向、e h p s 和e p s 的發(fā)展動(dòng)態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行 了部分闡述。文獻(xiàn)【1 3 1 5 】分析了汽車運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性，闡明了作用在輪胎上的力產(chǎn)生的 機(jī)理與性質(zhì)，討論了轉(zhuǎn)向裝置對(duì)汽車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)l 幡1 8 l 在對(duì)輪胎特性進(jìn)行線 性化假設(shè)的前提下，忽略了影響操縱系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，并給出了轉(zhuǎn)向力矩與車速、轉(zhuǎn) 彎曲率半徑、轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比等參數(shù)之間的關(guān)系。 1 4 助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 目前助力轉(zhuǎn)向以液壓助力轉(zhuǎn)向?yàn)橹鳎囁俑袘?yīng)型助力轉(zhuǎn)向則以電控液壓助力轉(zhuǎn)向?yàn)?主。但是隨著e p s 在轎車上的應(yīng)用，其性能已得到人們的逐漸認(rèn)可。隨著直流電機(jī)性 能的改進(jìn)，e p s 助力能力的提高，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓寬，現(xiàn)在3 升級(jí)的運(yùn)動(dòng)型跑車 也開始安裝e p s 。e p s 代表未來助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車上， 并將在助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。國(guó)外各大汽車公司都已研制出e p s ，完成了批量生 產(chǎn)e p s 的技術(shù)儲(chǔ)備。人們已普遍認(rèn)識(shí)到了e p s 的優(yōu)越性，所以現(xiàn)在e p s 的市場(chǎng)增長(zhǎng)很 快。在未來十年，e p s 將逐漸替代現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。盡管e p s 已經(jīng)達(dá)到最初的設(shè)計(jì)目 的，但仍然存在一些問題需要解決。其中： ( 1 ) 改善電動(dòng)機(jī)的性能是關(guān)鍵問題：因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的性能是影響控制系統(tǒng)性能的主 要問題，電動(dòng)機(jī)本身的性能，其與e p s 的匹配都將是影響轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向路感的重 要因素。 ( 2 ) 合理助力特性的確定：助力特性的好壞取決于轉(zhuǎn)向的輕便性和路感。對(duì)于路 感問題國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的理論研究結(jié)果，研究手段還主要以試驗(yàn)為主。 ( 3 ) 控制策略：e p s 能否獲得滿意的性能，除了要有好的硬件保證外，還必須有 良好的控制軟件做支撐。汽車行駛工況千差萬別，加上e p s 的安裝位置一般在發(fā)動(dòng)機(jī) 附近，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的熱輻射與電磁干擾對(duì)e p s 都有很大影響。這些都對(duì)e p s 的控制策 略提出很高的要求。p l d 控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、魯棒控制技術(shù)等 控制理論的發(fā)展為e p s 的成功開發(fā)提供了保障。隨著智能控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智 7 第一章緒論 能控制技術(shù)必將應(yīng)用于e p s 的開發(fā)。作為一項(xiàng)新技術(shù)，e p s 的控制策略還需要在發(fā)展 中不斷地加以完善。 ( 4 ) 故障診斷與可靠性：e p s 通過采用電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，部分的將轉(zhuǎn)向 操作獨(dú)立于駕駛員的控制，因此，e p s 比液壓系統(tǒng)會(huì)有更多不同的故障模式。并且e p s 是一項(xiàng)新技術(shù)，它沒有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)那么長(zhǎng)的歷史，所以e p s 的故障診斷與可靠性更 應(yīng)受到重視。e p s 可能有兩種主要故障表，一是系統(tǒng)停止工作，這時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩超過手 動(dòng)轉(zhuǎn)向，引起轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)形式的力大于等價(jià)的手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)汽車在行駛過程中發(fā)生這 種故障時(shí)，容易出現(xiàn)意外交通事故。另一種更嚴(yán)重的故障，是引起系統(tǒng)在沒有駕駛員轉(zhuǎn) 向輸入的情況下改變汽車的方向，出現(xiàn)不希望的轉(zhuǎn)向，結(jié)果導(dǎo)致汽車偏離原有的方向。 這是絕對(duì)不允許發(fā)生的。e p s 中有一些故障可通過采用機(jī)械設(shè)計(jì)方法減少故障的發(fā)生， 這與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向采用的方法沒有本質(zhì)區(qū)別。作為一個(gè)電控系統(tǒng)有些故障模式是不 能通過機(jī)械設(shè)計(jì)方法來加以避免的，而是需要通過故障診斷的方法來有效地加以校正。 概括地說，e p s 轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向主要為：改進(jìn)控制系統(tǒng)性能和降低控制系統(tǒng)的 制造成本。只有進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)性能，才能滿足更高檔轎車的使用要求。另外，e p s 的控制信號(hào)將不再僅僅依靠車速與轉(zhuǎn)矩，而是根據(jù)轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前 軸重力等多種信號(hào)進(jìn)行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的“轉(zhuǎn)向路感”。未 來的e p s 將朝著電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與電子懸架統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，s b w 也將會(huì)逐漸得到人們的認(rèn)可和采用。圖1 2 為s b w 的 原理圖。系統(tǒng)中有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中一個(gè)與汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連接，作為轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī) 構(gòu)；另一個(gè)電動(dòng)機(jī)直接與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸連接，為駕駛員提供反向力矩。因此這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間沒有機(jī)械連接，是斷開的，故稱電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)【1 4 】。 由于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間是斷開的，易造成駕駛員“心中沒底的感覺，不過該轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 電子轉(zhuǎn)向能消除轉(zhuǎn)向干涉問題，為實(shí)現(xiàn)多功能全方位的自動(dòng)控制，以及汽車 動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)和汽車平順性控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成，提供了顯著的先決條件。 ( 2 ) 對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)轎車，在安裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要考慮剛性轉(zhuǎn)向軸占用空間，轉(zhuǎn)向軸必 須依據(jù)汽車是左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，設(shè)計(jì)人員必須協(xié)調(diào)處理各種需 要安排部件。而s b w 去掉了原來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的剛性機(jī)械連接，大大方 便了系統(tǒng)的總布置。 8 長(zhǎng)安人學(xué)碩士學(xué)位論文 6 v v i m v 1 v 圖1 2電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( s b w ) 6h 轉(zhuǎn)向角；6v 前輪轉(zhuǎn)向角；m h 轉(zhuǎn)向盤力矩；m v 左、右車輪中心的負(fù)荷； p 車輪與地面的摩擦系數(shù)；i h 轉(zhuǎn)向盤電動(dòng)機(jī)電流；i v 左右轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)電流； v 汽車速度；u h 轉(zhuǎn)向盤電動(dòng)機(jī)電壓；u v 轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)電壓；汽車橫擺角速度 ( 3 ) 舒適性得到提高。在剛性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，路面不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡，可以回傳 到轉(zhuǎn)向軸，而電子系統(tǒng)不能。 ( 4 ) 轉(zhuǎn)向回正力矩能夠通過軟件，依據(jù)駕駛員的要求進(jìn)行調(diào)整，因此在不改變?cè)O(shè) 計(jì)的情況下，可以個(gè)性化地適合特定的駕駛者和駕駛環(huán)境，與轉(zhuǎn)向有關(guān)的駕駛行為都可 以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。 ( 5 ) 消除了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱引起傷害駕駛員的可能性，不必設(shè)置轉(zhuǎn)向防傷機(jī)構(gòu)。 ( 6 ) 駕駛員腿部活動(dòng)空間增加，出入更方便自由。 ( 7 ) s b w 將是e p s 的未來發(fā)展方向，是未來的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，它能滿足汽車對(duì) 安全性( 從汽車動(dòng)態(tài)控制到防撞) 和舒適性( 從由電子高速公路控制的導(dǎo)航助手到自動(dòng) 駕駛系統(tǒng)) 的更高要求。 綜上所述，隨著電子技術(shù)的發(fā)展及其在汽車上的廣泛應(yīng)用，以及人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操 縱性能要求的日益提高，傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及后來的e h p s 已經(jīng)不能解決上述 問題，因此迫切需要一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。e p s 能夠滿足當(dāng)前節(jié)能與環(huán)保的要求，并給 汽車的設(shè)計(jì)與制造帶來了新的空間；目前，e p s 每年正以1 0 的速度遞增。據(jù)估算，0 7 年世界己達(dá)到1 1 4 0 萬套的產(chǎn)量，因此e p s 必將得到更加廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，也對(duì)e p s 的設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)格的要求，其性能的優(yōu)劣和成本的高低都直接影響它在汽車上的應(yīng) 9 第一帝緒論 用前景。因此，低成本、高效能的e p s 是現(xiàn)階段汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。 1 5 課題研究的目的、意義 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為改變或保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)，直接影響著汽車的操縱穩(wěn) 定性和安全性。傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制閥的丌度與轉(zhuǎn)向 助力成比例關(guān)系，因此不能很好地兼顧汽車低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的操縱穩(wěn)定 性。e h p s 盡管解決了上述矛盾，但是無法改變液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺憾；無論轉(zhuǎn) 向與否都需要消耗能量。e p s 作為一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺 點(diǎn)，具有節(jié)能、環(huán)保、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。國(guó)外e p s 技 術(shù)己同趨完善，其應(yīng)用范圍己經(jīng)從最初的微型轎車向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展。 在我國(guó)，e p s 的開發(fā)還處于起步階段，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向還沒有產(chǎn)品問世。本項(xiàng) 目具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)e p s 的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。e p s 可以應(yīng)用在轎車、微型面包車、輕型客車和輕型貨車等車型上，這幾種車型在我國(guó)的年 產(chǎn)量超過3 0 0 萬輛，因此應(yīng)用前景廣闊【1 9 】。 e p s 是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，已被我國(guó)列入高新科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目之一。未 來的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步改善控制性能，使之更好地與不同檔次汽車相適應(yīng)，如增加汽車 轉(zhuǎn)向反饋信號(hào)，對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向回正性能進(jìn)行控制等；提高系統(tǒng)的可靠性( 如采用非接觸 式轉(zhuǎn)矩傳感器等) ；降低價(jià)格。 隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，轎車的普及率將會(huì)越來越高，轎車駕駛轉(zhuǎn)向的輕便性將成為 購(gòu)車者考慮因素之一。因此該系統(tǒng)的研制與開發(fā)對(duì)滿足社會(huì)需求、跟上世界汽車技術(shù)發(fā) 展進(jìn)程，具有十分重要的意義。 1 6 課題研究的主要內(nèi)容 本課題首先要熟悉國(guó)內(nèi)外的e p s 轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)之上， 介紹了e p s 的工作原理和主要組成部分，并對(duì)每個(gè)功能單元的原理和設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了 簡(jiǎn)要的描述。在建立以方向盤轉(zhuǎn)角為輸入、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角為輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上， 分析系統(tǒng)助力特性；應(yīng)用仿真軟件m a r l 惦s i m u l i n k ，仿真分析用不同控制方法控制 電動(dòng)機(jī)時(shí)的系統(tǒng)特性，并研究控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)特性的影響規(guī)律；同時(shí)對(duì)助力控制、 轉(zhuǎn)角回詎控制、側(cè)向加速度回證控制、阻尼控制和補(bǔ)償控制等幾大基本控制策略進(jìn)行了 分析，并詳細(xì)闡述了安全功能控制策略。 1 0 長(zhǎng)安人學(xué)碩+ i ：學(xué)位論文 針對(duì)轉(zhuǎn)向傳感器測(cè)量輸出信號(hào)的滯后及易受干擾而產(chǎn)生信號(hào)瞬時(shí)畸變使系統(tǒng)跟隨 性及穩(wěn)定性降低的問題，應(yīng)用根軌跡法設(shè)計(jì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳感器的滯后超f i i 校j 下動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 器，來改善系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明加入補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的暫態(tài)性能和 穩(wěn)態(tài)性能滿足實(shí)際使用要求，同時(shí)也明顯減小了系統(tǒng)的振蕩，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)補(bǔ)償器的性 能。 在分析現(xiàn)有的各種助力控制策略的基礎(chǔ)上，著重討論了基于傳統(tǒng)控制理論設(shè)計(jì)的 電機(jī)控制策略與系統(tǒng)性能的關(guān)系。其中包括電流閉環(huán)p i d 控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)及電流給定 算法設(shè)計(jì)。并從電動(dòng)機(jī)模型中引出角速度信號(hào)用于確定阻尼控制的補(bǔ)償電流。通過仿真 表明，曲線型的助力特性基本能滿足原地轉(zhuǎn)向和低速行駛的輕便性和高速行駛的路感性 要求。 第一章，介紹了國(guó)內(nèi)外助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀，e p s 與其他助力轉(zhuǎn) 向相比的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外各公司e p s 產(chǎn)品進(jìn)行了分類介紹，對(duì)部分國(guó)內(nèi)外e p s 研究 的成果進(jìn)行了概括和總結(jié)。最后指出e p s 的發(fā)展趨勢(shì)，以及本論文對(duì)現(xiàn)代汽車發(fā)展的 重要意義。 第二章，描述了e p s 的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，按功能模塊分類的方式分別對(duì)e p s 的主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹；并詳細(xì)地分析了基本控制策略及安全功能控 制策略。 第三章，在建立以方向盤轉(zhuǎn)角為輸入、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角為輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ) 上，通過對(duì)汽車e p s 理想助力特性的分析，建立了助力學(xué)模型，并在m 棚a b 語言環(huán) 境下對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解。 第四章，進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償分析，e p s 必須有足夠的帶寬來滿足轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn) 向時(shí)電機(jī)的跟隨性，同時(shí)還體現(xiàn)充分的“轉(zhuǎn)向路感。設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，保證控制系 統(tǒng)的穩(wěn)定性、保持定的帶寬，同時(shí)減小系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都能滿 足系統(tǒng)的要求。 第五章，從e p s 的助力特性入手，在e p s 受力分析的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)助力學(xué) 模型。通過對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行的分析，比較了比例控制和比例加微分控制對(duì)系統(tǒng)特性的影 響，確立了以模糊p i d 電流閉環(huán)控制算法為主的控制方式。仿真分析了不同控制方法下 的系統(tǒng)特性，得到了控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)特性的影響規(guī)律。并從電動(dòng)機(jī)模型中引出角速 度信號(hào)用于確定阻尼控制的補(bǔ)償電流。通過仿真表明，曲線型的助力特性基本能滿足原 地轉(zhuǎn)向、低速行駛的輕便性和高速行駛的路感性要求。 第一章緒論 第六章，結(jié)合助力特性和控制系統(tǒng)的兩方面，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了e p s 模型，并將優(yōu)化后的助力特性引入到e p s 模型中，通過仿真分析，基本上滿足了原地 轉(zhuǎn)向、低速行駛的輕便性以及高速行駛的路感性要求。 1 2 長(zhǎng)安大學(xué)碩上學(xué)位論文 第二章e p s 的原理、構(gòu)件以及基本控制策略 2 1e p s 的系統(tǒng)介紹 e p s 是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車速信號(hào)，通 過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，并獲 得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)不使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，而是依靠汽車上蓄電池 作為其電源，也不需要復(fù)雜的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只要控制電動(dòng)機(jī)電流電壓的幅值和方向， 就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 2 1 1e p s 的組成 e p s 由機(jī)械轉(zhuǎn)向器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、方向盤扭矩傳感器、車速傳感器及電 控單元( 包括控制單元和驅(qū)動(dòng)單元) 等組成，如圖2 1 。 l 8 罔2 1 汽車e p s 的組成 1 一轉(zhuǎn)向盤；2 一輸入軸；3 一e c u ；卜電動(dòng)機(jī)；5 一電磁離合器 6 _ 轉(zhuǎn)向齒條；7 l 橫拉桿；8 _ 轉(zhuǎn)向輪；蝴出軸；1 卜扭力桿 1 1 一扭矩傳感