EPS系統(tǒng)組成部分和結(jié)構(gòu)原理分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u28984EPS系統(tǒng)組成部分和結(jié)構(gòu)原理分析綜述 1255341.1EPS系統(tǒng)組成部分 1185681.2EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 190921.3EPS系統(tǒng)模型建立 2315401.3.1EPS系統(tǒng)模型 2276891.3.2模型檢驗(yàn) 51.1EPS系統(tǒng)組成部分該系統(tǒng)由力矩傳感器、速度傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)及電磁離合器等組成。它使用馬達(dá)產(chǎn)生的能量來幫助駕駛員做轉(zhuǎn)向助力。1.2EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理雖然每輛車的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，但其基本原理是相同的。從圖2-1可以看出，EPS系統(tǒng)主要由傳感器（包括扭矩傳感器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等）、電子控制單元ECU、電機(jī)、傳動裝置等組成。1輸出軸2減速器3扭桿4傳感器5方向盤6輸入軸7車速信號8電動機(jī)9控制電流10開關(guān)電流11離合器12小齒輪13齒條14拉桿15輪胎圖2-1EPS系統(tǒng)組成圖轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)向軸(小齒輪)相連。扭矩傳感器在轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時開始工作。在扭力桿作用下，輸入和輸出軸的相對轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)化為電子信號，發(fā)送給ECU。汽車速度傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)向電流，從而實(shí)現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)向的實(shí)時控制。方便實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不同車速下的不同輔助作用，在低速轉(zhuǎn)彎時能靈活轉(zhuǎn)向車輛，在高速轉(zhuǎn)彎時能穩(wěn)定可靠地轉(zhuǎn)向。本系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)的。汽車速度傳感器檢測到汽車速度信號，然后由控制器檢測電壓信號和汽車速度信號。馬達(dá)執(zhí)行指令控制來獲得所需要的操縱輔助。EPS可方便地在全速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)輔助控制，使汽車低速時轉(zhuǎn)向靈活、輕便、高速時穩(wěn)定可靠。在系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時，可將電磁離合器斷開，使助力器與機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分離，并同時驅(qū)動故障指示器，保證行車安全。1.3EPS系統(tǒng)模型建立建模是研究和建立控制理論的基礎(chǔ)，其質(zhì)量取決于模型響應(yīng)與實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)的一致性?？紤]到系統(tǒng)的復(fù)雜性，模型需要適當(dāng)簡化。盡管簡化模型與實(shí)際系統(tǒng)有一定的差異或誤差，但仍是大多數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。盡管研究系統(tǒng)的復(fù)雜性，對研究系統(tǒng)的理解以及數(shù)學(xué)描述方法的選擇等因素會導(dǎo)致模型與實(shí)際系統(tǒng)之間出現(xiàn)錯誤，但是建立研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以幫助我們分析其內(nèi)部機(jī)制以及各種投入和產(chǎn)出之間的關(guān)系，尤其是系統(tǒng)穩(wěn)定性問題或構(gòu)建合理，可靠的EPS系統(tǒng)模型是EPS系統(tǒng)動態(tài)性能分析與控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。1.3.1EPS系統(tǒng)模型（1）EPS系統(tǒng)模型的簡化根據(jù)EPS系統(tǒng)中助力電機(jī)安裝位置的不同，EPS系統(tǒng)一般可分為轉(zhuǎn)向管柱C-EPs(Column-type)、小齒輪P-EPS(Pinion-type)和齒條式C-EPs(Rack-type)。為了便于研究，采用轉(zhuǎn)向管柱式C-EPS系統(tǒng)模型。通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成中通常含有許多質(zhì)量或慣量元件，并具有彈性和阻尼特性。在建模過程中，考慮了各個部分的特點(diǎn)，雖然能更全面地反映系統(tǒng)的特點(diǎn)，但會使模型變得復(fù)雜，甚至不能求解。合理簡化模型，減少機(jī)械零件數(shù)，可以使主要因素更加突出。因此，建立了一個簡化的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。低頻元件是EPS系統(tǒng)的基本傳輸特性，將EPS系統(tǒng)劃分為轉(zhuǎn)向盤、輸出軸、電機(jī)、齒條、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車輪五個質(zhì)量單元。請看圖（a）（b）。上中軸與管柱通過帶有彈性扭桿的轉(zhuǎn)矩傳感器連接，下中軸與電機(jī)齒條分別通過蝸輪和齒輪連接。按照傳遞路徑和牛頓第二定律，列出系統(tǒng)的動力學(xué)方程和微分方程。系統(tǒng)輸入為手力轉(zhuǎn)矩Th、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm和地面阻力矩Tload，系統(tǒng)的輸出為上管柱與中間軸連接處扭桿上的轉(zhuǎn)矩傳感器所采集的轉(zhuǎn)矩信號Tse。本文的機(jī)械子系統(tǒng)中把電機(jī)部分考慮成系統(tǒng)的外部輸入Tmo只考慮了電機(jī)的慣量以及阻尼，忽略其電氣特性以及控制策略。(a)EPS系統(tǒng)模型簡化圖(b)EPS系統(tǒng)動力學(xué)建模簡圖（2）EPS系統(tǒng)大的動力學(xué)方程描述系統(tǒng)動態(tài)特性的微分方程如下:轉(zhuǎn)向盤及上管柱動力學(xué)方程:（2-1）轉(zhuǎn)矩傳感器動力學(xué)方程:（2-2）轉(zhuǎn)向管柱及中間軸動力學(xué)方程:（2-3）助力電機(jī)動力學(xué)方程:（2-4）齒輪齒條轉(zhuǎn)向器動力學(xué)方程:（2-5）車輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程:（2-6）表2-1為上述動力學(xué)方程中參數(shù)的定義，表2-2為上述動力學(xué)方程信號的定義。建模時，本文忽略助力電機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度，把助力電機(jī)的轉(zhuǎn)角和中間軸轉(zhuǎn)角之間考慮成比例關(guān)系，即:（2-7）表2-1動力學(xué)方程參數(shù)定義符號含義數(shù)值單位Jh轉(zhuǎn)向盤及上管柱的轉(zhuǎn)動慣量0.0404Kg?m2Bh轉(zhuǎn)向盤及上管柱的阻尼系數(shù)0072Nm?s?rad-1Kse管柱扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度183.3Nm?rad-1Jc中間軸的轉(zhuǎn)動慣量1.385×10-4Kg?m2Bc中間軸的阻尼系數(shù)0.361Nm?s?rad-1Kc中間軸的扭轉(zhuǎn)剛度2×104Nm?rad-1Jm電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量1.1×10-4Kg?m2Bm電機(jī)的阻尼系數(shù)3.34×10-3Nm?s?rad-1rp小齒輪半徑7.8mmMr齒條的質(zhì)量4.644KgBr齒輪齒條的阻尼系數(shù)1.2×103N?s?m-1Kr齒輪齒條的剛度5×106Nm?m-1Jfw車輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量2Kg?m2Bfw車輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的阻尼系數(shù)400Nm?s?rad-1Kz車輪轉(zhuǎn)向剛度1.72×106Nm?rad-1G蝸輪蝸桿減速器的減速比20.5-A轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動比0.15-表2-2動力學(xué)方程參數(shù)定義符號含義單位Th轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩NmTse轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩NmTm電機(jī)的助力力矩NmTa作用在轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)向助力力矩NmTload地面作用到車輛的阻力矩NmΘh轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角radΘc中間軸的轉(zhuǎn)角radΘm電機(jī)的轉(zhuǎn)角radΘfw前輪的轉(zhuǎn)角radXr齒條位移m1.3.2模型檢驗(yàn)在建立EPS系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，需要考慮其參數(shù)和模型本身是否與實(shí)際轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相匹配。利用時間域方法進(jìn)行驗(yàn)證，其物理意義是模糊的，并且對具有諧振特性系統(tǒng)的特征參數(shù)難以評價，所以本文采用基于頻率特性測試的系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析方法來驗(yàn)證。1.3.1.1EPS系統(tǒng)頻率特性測試過程EPS閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2-2所示。在無轉(zhuǎn)向盤操縱輸入和汽車靜止的條件下，使用CANape工具向電子控制器發(fā)送目標(biāo)電機(jī)助力力矩