【正文】 ....................................... 59 外文資料翻譯 ..................................................................................... 66 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 1 前 言 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分，其性能的好壞將直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性、穩(wěn)定性和行駛安全性。汽車助力轉(zhuǎn)向依次經(jīng)歷了機械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等階段，國際上已有一些大的汽車公司在探討開發(fā)的下一代線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在國外，各大汽車公司對汽車電動助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)（ Electric Power Steering System— EPS，或稱 Electric Assisted Steering— EAS）的研究有二十多年的歷史。隨著近年來電子控制技術的成熟和成本的降低， EPS 越來越受到人們的重視，并以其具有傳統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點，迅速邁向了應用領域，部分取代了傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ Hydraulic Power Steering，簡稱 HPS）。實踐證明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS）具有節(jié)能、成本低和便于控制，易于裝車，提高操縱穩(wěn)定性和輕便性以及符合機電一體化的要 求等優(yōu)點，正迎合了時代的要求。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應用前景廣闊，研制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵，在于電子控制技術，包括確立適宜的助力特性，還有采集主要參數(shù)的傳感技術。此外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與汽車的安全性、操縱穩(wěn)定性之間的關系，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性等將成為重要的研究課題。 隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，轎車的普及率將會越來越高，轎車的駕駛轉(zhuǎn)向的輕便性將成為購車者考慮因素之一。因此該系統(tǒng)的研制與開發(fā)對滿足社會需求、跟上世界汽車技術發(fā)展進程，具有十分重要的意義。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 2 第 1 章 緒論 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點 由于動力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱靈活、輕便、并可吸收路面對前輪產(chǎn)生的沖擊等優(yōu)點，自 20 世紀 50 年代以來在各國汽車上開始普遍應用?，F(xiàn)今液壓助力轉(zhuǎn)向器 (HPS)是以內(nèi)燃機作為動力的汽車助力轉(zhuǎn)向器的主流。但是傳統(tǒng)的 HPS 需要持續(xù)的能量消耗，降低了汽車的燃油經(jīng)濟性。同時其復雜的液壓系統(tǒng)具有助力特性不可調(diào)整、污染環(huán)境、維修不便等缺點。 20世紀 80 年代開始研究的汽車上電能為動力的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (EPS)。和HPS 相比，它具有更為突出的優(yōu)點 : 能在各種行駛工況下提供最佳助力，減少由路面不平所引起的對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽 車的轉(zhuǎn)向特性，減少汽車低速行駛時的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，進而提高汽車的主動安全性。并且可通過設置不同的轉(zhuǎn)向手力特性來滿足不同對象使用的需要。 。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費了部分能量。相反電動轉(zhuǎn)向系的 EPS 需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機提供的能量，是真正的 ―按需供能型 ‖(on demand)系統(tǒng)。裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實驗表明，在不轉(zhuǎn)向情況下、裝有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛燃油消耗降低 %。在使用轉(zhuǎn)向情 況下，燃油消耗降低了 % 。 ]1[ 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 3 。在 EPS 中，電動機與助力機構直接相連以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。這樣增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，電機部分的阻尼也使得車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減小。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強。和 HPS 相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應，增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。 ，在停車時，也可獲得最大的轉(zhuǎn)向動力。同時省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓 油、密封件、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪等，其零件比 HPS 大大減少，因而其質(zhì)量更輕、結構更緊湊，在安裝位置的選擇方面也更容易，裝配自動化程度更高，維修更簡單。 沒有液壓回路，不存在滲油的問題，減少了對環(huán)境的污染。同時由于液壓油在低溫時的粘度很大，存在低溫時必須有個加溫的過程，而EPS 可以在零下 40℃ 很好的工作，基本 上不存在受溫度影響的問題。 1015 年推出的純電動汽車或者燃料電池汽車等汽車上由于沒有的傳統(tǒng)意義上 的內(nèi)燃機，因此必須考慮安裝 EPS。 措施和故障自診斷功能。使用可靠，維修方便。 由此可見， EPS 和 HPS 相比，是一項緊扣現(xiàn)代汽車時代發(fā)展主題的高新技術，必將逐步取代現(xiàn)有的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國外從 1979 年就開始研究電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 1988 年日本鈴木公司首先在其 CER 車上裝備了電動式 EPS。同年，美國通用公司也在某些型號的汽車上裝備了電動式 EPS。 1993 年，本田汽車公司首次將電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克 NSX 跑車上 。同年，在歐洲市場銷售的一種經(jīng)濟型轎車 菲亞特幫托也將美國德爾福公司生產(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為標準裝備。隨后，國外很多公司和機構介入了電動式 EPS 的研究和開發(fā)工作。美國的 TRW 公司，日本的三菱公司、 KOYO 公司，德國的 ZF 公司都相繼研制出了電動式 EPS。經(jīng)過 三十 年 來 的發(fā)展， EPS 技術已日趨完善，其應用范圍正從最初的微型轎車向普通轎車和商用客車方向發(fā)展。 EPS 產(chǎn)品在 20xx 年才有國內(nèi)企業(yè)進行研制開發(fā)，目前已經(jīng)知道的有10 多家科研院校正在研制中，如清華大學、吉林大學、江蘇大學、天津大學、合肥工業(yè)大學等， 另外還有 10 多家轉(zhuǎn)向企業(yè)和 10 多家配套企業(yè)也在研制中。從市場應用來看，國內(nèi)已裝有 EPS 產(chǎn)品的汽車主要為 的轎車 (主要是電動機的功率所致 )。如重慶長安的奧拓、安徽的奇瑞、南京菲亞特、廣州本田飛度、昌河北斗星等。但是，由于國產(chǎn)汽車各車型技術的實際情況以及使用條件的特殊性，國外的 EPS 與國產(chǎn)汽車的匹配以及實用性還存在問題，至今還沒有與國產(chǎn)汽車相協(xié)調(diào)匹配的、且具有自主知識產(chǎn)權的 EPS，僅僅在近幾年才開展 EPS 的技術研究，可獲得的技術資料電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 5 較少，目前尚處于技術攻關階段。 EPS 的發(fā)展趨勢和急待 解決的核心技術 首先， EPS 的應用范圍將會進一步拓寬，將作為標準件裝備在汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向領域占據(jù)主導地位。目前，在全世界汽車行業(yè)中，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每年正以 9%10%的增長速度發(fā)展，年增長量達 130 萬至 150 萬套，按此速度發(fā)展，用不了幾年的時間，電動轉(zhuǎn)向?qū)耆碱I轎車市場，并向微型車、輕型車和中型車擴展。 盡管 EPS 已達到了其最初的設計目的，但仍然存在一些問題急待解決，比如提高現(xiàn)有應用的 EPS 系統(tǒng)性能的可靠性、降低生產(chǎn)成本等。其中，進一步改善電動機的性能是下一步努力的一個主要方向。電動機本身的性能及其 與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配都將影響到轉(zhuǎn)向操縱力、轉(zhuǎn)向、路感等問題。概括地說，今后電動助力轉(zhuǎn)向技術的發(fā)展方向主要為 :改進控制系統(tǒng)的性能、提高系統(tǒng)可靠性和降低控制系統(tǒng)的制造成本。只有進一步改進控制系統(tǒng)的性能，才能滿足更高檔車的使用要求。另外， EPS 的控制信號將不再僅僅依靠車速、扭矩和方向盤轉(zhuǎn)角，還包括轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以獲得更好的轉(zhuǎn)向和路感。未來的 EPS 將向電子四輪轉(zhuǎn)向的方向發(fā)展，并與通過總線技術電子懸架、發(fā)動機電子控制等一起統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運動。隨著電子技 術的發(fā)展，今后有可能取消轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械部分而采用所謂的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 6 這將是 EPS 的未來 10 年的發(fā)展方向 。 對于我國來說，由于在這方面和國外的差距很大，所以在今后相當長的一段時間內(nèi)，仍須集中精力解決傳感器、電機、和電子控制器方面的研究工作。 本課題研究的目的與意義 汽車電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著 “ 輕 ” 與 “ 靈 ” 的矛盾，即汽車低速時需要 “ 輕 ” 的轉(zhuǎn)向力，高速時需要 “ 靈 ” 的轉(zhuǎn)向效果。同時，轉(zhuǎn)向力與路感也相互制約 。 ]2[ 本課題將通過合適的綜合控制方法，設計合適的控制 系統(tǒng)，以提高汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和路感，并為以后的深入研究 EPS 的工作打下良好的基礎。從中汽轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)委員會第十一屆學術年會傳來的信息表明 :電動轉(zhuǎn)向是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。因此我們必須大力對電動轉(zhuǎn)向技術進行研究。本文所進行的工作正是在這一時代背景下展開的。通過查閱國內(nèi)外的文獻，本文詳細介紹了國內(nèi)外的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)并通過仿真提出了一條可供進一步研究的控制策略 。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案確定及工作原理 系統(tǒng)總體方案的確定，是進行系統(tǒng)設計最重要、最關鍵的一步，直 接影響到整個控制系統(tǒng)的性能、安全運行等因素的參數(shù)選定，使設計能夠有序、正確的進行。為更好的擬定一份準確、可靠的總體方案，可以采用 “ 多選一 ” 的形式。 第一方案： 此方案以 80c552 作微處理器。 如圖 21 所示。 80c552 單片機是由Philips 公司生產(chǎn)的一款功能非常強大的 MCS51 系列兼容機。除了提供80C552 的全部功能外，還提供了大量的硬件資源，引入了許多新的功能，是專為儀表控制、工業(yè)過程控制、汽車發(fā)動機與傳動控制等實時應用場合而設計的高性能單片機。但是由于 80C552 沒有片內(nèi)程序存貯器，系統(tǒng)需對程 序存儲器進行外部擴展 。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 8 圖 21 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖 第二方案： 此方案是由 89c52 作為微控制器， 如圖 22 所示。 以扭矩傳感器、車速傳感器、發(fā)動機電流傳感器的輸出信號作為輸入信號，并經(jīng)放大電路、ADC0808 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送到 89c52 單片機，再由 89c52 對輸出電路進行分時控制， 從而 保證系統(tǒng)正常運行。 與 80c552 相比， 89c52 不需對程序存儲器進行外部擴展。 PWM A/D A/D 80c552 80c552 車速信號 發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號 扭 矩信號 74LS373 AT28C64 驅(qū)動電路 光電隔離 離合器 直流電機 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 9 圖 22 電動助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案框圖 與方案 一 相比，此方案的特點是以實際使用性能為出發(fā)點，比較方案一來說更節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存空間，在使用中有較強的隨機應變能力。根據(jù)上述種種分析得出，方案二為本設計中的最佳方案。故本設計中選方案二為設計方案 。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用電機作為助力源，根據(jù)轉(zhuǎn)矩參數(shù)和車速信號，由電子控制裝置來執(zhí)行助力控制的。典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成如圖23 示 : 89C52 扭矩傳感器 車速傳感器 發(fā)動機電流 系統(tǒng)電源 點火開關 輸 入 處 理 電 路 輸 出 監(jiān) 控 電 路 直流電機 顯示電路 離合器 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 10 圖 23 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成 從圖上可以看出 ，所謂的 EPS 系統(tǒng)就是在原機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上，增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器、電子控制器、 直流 電動機及其傳動機構，直接利用 直流電 動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸提供助力轉(zhuǎn) 矩。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器測量轉(zhuǎn)矩與方向盤轉(zhuǎn)角大小并和車速信號一起送入電子控制器?？刂破鞲鶕?jù)得到的信號判斷是否助力以及助力的方向。若需要助力，則依照既定的控制策略計算電機助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應控制信號給驅(qū)動電路。后者提供相應的電壓或者電流給電動機。電動機輸出的轉(zhuǎn)矩通過傳動機構驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)助力作用。 當汽車點火后，方向盤轉(zhuǎn)動時，裝在轉(zhuǎn)向盤輸入軸上的轉(zhuǎn) 矩傳感器不斷的測出轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)向力矩，該信號與車速信號同時輸入給控制器 ECU?？刂破鞲鶕?jù)輸入的這些信號，依據(jù)相應的控制策略，確定助力的大小和方向，即確定電動機的電流大小和方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小。電動機的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)電磁離合器通過減速機構進行減速轉(zhuǎn)矩后，施加給轉(zhuǎn)向桿輸出軸，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與設計 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 11 并經(jīng)過齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機構的作用，使之得到一個與汽車工況相適應的轉(zhuǎn)向作用力。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照其轉(zhuǎn)向助力機構結構和位置的不同，可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向軸小齒輪助力式和齒條助力式三種形式 。 ]3[ 1:轉(zhuǎn)向柱助力式 (