【文章內容簡介】 S系統(tǒng)的基本目標是提高汽車停車泊位和低速行駛時的轉向輕便性，高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。汽車轉向系一直存在著輕與靈的矛盾。為此，人們常將轉向器設計成變傳動比，在轉向盤小轉角時以靈為主，在轉向盤大轉角時以輕為主。但是靈的范圍只在轉向盤中間位置附近，僅對高速行駛有意義，并且傳動比不能隨車速變化，所以這種方法不能從根本上解決這一矛盾。另外，轉向力與路感也是相互制約的，轉向力小意味著轉向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉向力過小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓動力轉向由于不能對助力進行實時調節(jié)與控制。所以協(xié)調轉向力與路感的關系困難，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。由于EPS系統(tǒng)由電機提供助力，助力大小由我們預定的助力特性曲線調節(jié)和控制，可以較好的進行控制。 汽車電動助力轉向系統(tǒng)的受力分析EPS系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤的操縱力、電動機的助力矩和整個轉向系統(tǒng)所受的轉向阻力矩。駕駛員在轉向時作用在方向盤的操縱力，同時在EPS系統(tǒng)的電動機助力下，通過轉向機構克服轉向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉向。轉向時駕駛員作用在方向盤上的作用力以及電動機作用的助力矩大小與汽車整個轉向系統(tǒng)所受的阻力矩有關。(1) 駕駛員的操縱力在汽車曲線運動中，由駕駛員通過作用在方向盤的切向力對汽車進行操縱。一般駕駛員都希望轉向時能操作輕便，在高速時仍能保持穩(wěn)定，且具有良好的“路感”。因此駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況：一、改變汽車行駛方向時駕駛員作用在轉向盤上的切向力；二、保持汽車行駛方向不變(包括直線運動和固定某個方向的運動)時駕駛員保持方向盤不動的力。這種在車輪轉向角位置保持不變行駛時，駕駛員作用在轉向盤上的力稱為方向盤把持力。(2) EPS的阻力矩按產生的來源不同，EPS的阻力矩大體上可分為“繞主銷的阻力矩”和“轉向系的阻力矩”兩大部分組成。這些轉向阻力矩的各組成部分都隨轉向盤轉角、車速、輪胎偏轉角，轉向盤轉動角速度和車輛側偏角變化而變化。1) 轉向系阻力矩主要包括“轉向系摩擦力矩”，“轉向系復原力矩”和“轉向系慣性力矩”三部分?！稗D向系摩擦力矩”主要指轉向系的各部分之間的干摩擦阻力矩的總和?！稗D向系復原力矩”主要由轉向系內回位彈簧、內橡膠襯套等的彈性變形引起的回復力產生的?！稗D向系慣性力矩”主要由轉向系內各部分在運動過程轉速的變化所形成的。2) “繞主銷的阻力矩”大部是由路面和輪胎間的轉矩形成的，它受路面狀態(tài)、輪胎特性、車輪定位和負荷等的影響，隨著車速和轉向輪偏轉角的變化而變化。通常“繞主銷的阻力矩”按汽車不同的行車方式分成“原地轉向阻力矩”和“行車轉向阻力矩”兩種。原地轉向:指對靜止不動的汽車進行轉向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉變形，繼之以輪胎和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產生的轉向阻力矩為原地轉向阻力矩。行車轉向阻力矩指對行駛時的汽車進行轉向時產生的阻力矩。行車轉向比原地轉向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉向阻力矩也突然減小。不過，車輛如以更高車速轉向行駛，將由于輪胎發(fā)生偏轉形成自動回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進方向趨向一致。這樣行車轉向中所受轉向阻力矩就大致和原地轉向時相仿。高速行車中，由輪胎偏轉角所引起的轉向阻力矩是隨主銷后傾角增大而增大的。因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦系數(shù)、車速和車輪偏轉角等。顯然，負荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉向阻力矩也將愈大。同時輪胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉向阻力矩也將增大。3) “電動機助力矩”是由電動機為了提高汽車操縱的輕便性而對轉向系外加的力矩。它的大小由EPS的ECU根據(jù)傳感器傳來的車速和力矩信號來決定。 轉向阻力和路感汽車轉彎時，前輪上作用著與轉向力相應的“繞主銷的阻力矩”，通常籠統(tǒng)地稱為回正力矩。這回正力矩除以傳動比，就是駕駛員為了使汽車轉彎所經常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，駕駛員還需要克服主銷的摩擦阻力矩、轉向機的摩擦力矩(其大小取決于轉向機效率)、各個球頭的摩擦力矩以及原地轉向時輪胎與地面的摩擦力矩等。駕駛員在轉向時所需克服的阻力矩包括兩個主要部分：一是回正力矩；二是摩擦力矩。如果問：“轉向力大好還是小好?可能大部分開過車的人都回答：“當然小些好，但太小也不好?！鞭D向輕意味著減少駕駛員的體力消耗，從這個意義上說，當然是越輕越好。但是轉向力中還包含著前輪側向力的信息，使汽車的運動狀態(tài)(包括車輪與路面的附著狀態(tài))與駕駛員手上的力有一種對應關系，這就是所謂的“路感”。如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到，“心中有數(shù)”。如果轉向盤上的轉向力太小了，“路感”也就沒有了。所以從這個意義上說，“轉向力又不能太小”。不過，更確切地說，原則上是轉向力中與前輪側向力有著對應關系的那一部分(回正力矩部分)不能太小，而與前輪側向力無關的各種摩擦力矩則是越小越好。然而各種摩擦力矩的大小也存在另一方面的制約。通常，如果逆?zhèn)鬟f的摩擦力太小，也會增大不平路面對轉向盤的沖擊。為了減小所謂的“反沖”，有時故意追求較低的轉向機的“逆效率”，這種做法肯定要以減少“路感”為代價。轉向系統(tǒng)干摩擦的存在，對轉向力中的側向力信息來說總是一種“噪聲”從而降低了轉向力中的“信噪比”。理想的設計應該是盡量降低轉向系統(tǒng)的干摩擦，以盡量提高“信噪比”；而為了減小路面沖擊的傳遞，靠裝設與速度成比例的液力阻尼器。因為轉彎運動總是低頻的，而路面沖擊總是以高頻為主的，這種阻尼器對低頻的信息沒有影響，而對瞬時的高頻沖擊卻可產生很大的阻力，從而使路面的沖擊傳不到轉向盤上來。此外，在回正力矩作用小(主要是拖距)的情況下往往會增加高速撒手運動(力輸入運動)的振蕩傾向。這就是為什么駕駛員往往把轉盤輕與“飄”聯(lián)系在一起的原因。根據(jù)以上分析，理想的助力特性應包括以下三個方面：一、要使汽車轉向系統(tǒng)具有良好的輕便性；二、要使駕駛員能獲得足夠高的“信噪比”；三、要防止路面對方向盤的反向沖擊過大。 EPS助力特性曲線確定，駕駛員操縱轉向盤的作用力(亦稱操舵力)克服的主要阻力有：車輪與地面的摩擦(滾動和滑動的)；主銷后傾角與主銷內傾角所形成的回正力矩；轉向傳動系統(tǒng)中存在的各種類型的摩擦力和力矩。此外，轉向阻力還與其它因素有關，如車速、路況、轉彎半徑、風阻以及轉向盤的轉速等。車速高、路況好、轉彎半徑大、風阻小，即轉向阻力較小時，駕駛員操縱轉向盤比較輕松；反之則較沉重。由此，可以定性建立轉向阻力Mu與這些影響因素之間的一個函數(shù)關系 ： （31）式中,U車速，F(xiàn)f滾動阻力，F(xiàn)w空氣阻力，r轉彎半徑，zs轉向盤的轉速。轉向時駕駛員施加在轉向盤上的輸入力矩M1(Nm)與系統(tǒng)的輸出力矩M0(Nm)(系統(tǒng)克服的轉向阻力矩)之間存在線性關系。當轉向阻力矩增大時，駕駛員相應的增加操舵力矩，即增加駕駛員的勞動強度，有：M0=KM1中K是由系統(tǒng)傳動比和傳動效率決定的常量，它反映了轉向輕便性的程度。其輸入輸出特性如圖所示，圖中實線為正向傳動的特性；虛線為反向傳動的特性。M1 M0 輸入輸出特性在系統(tǒng)中采用助力裝置時，用MS0表示駕駛員施加于轉向盤上的操舵力矩，MU表示某一時刻系統(tǒng)克服的轉向阻力矩(與系統(tǒng)的輸出力矩等值)，MZU表示助力系統(tǒng)提供的力矩，則三者應有如下關系： （32）式中K由系統(tǒng)傳動比和傳動效率確定。Mu與Mso和Mzu呈單調增函數(shù)關系；其輸入輸出特性是Mso和Mzu的疊加。圖中的直線1表示無助力裝置的輸入輸出特性；曲線2表示助力裝置的助力特性；曲線3表示帶助力裝置的輸入輸出特性，即直線1與曲線2的疊加。對于曲線2，Mio表示助力裝置開始助力時的轉向盤操舵力矩，Mimax表示助力裝置提供最大助力時的轉向盤輸入力矩。 帶助力裝置的輸入輸出特性，這將使系統(tǒng)的控制變得復雜。為簡化系統(tǒng)，用直線代替助力曲線。 助力曲線2的兩種簡化形式EPS系統(tǒng)助力特性曲線的確定包括兩個層面的問題：一是在某一特定車速下輸入轉向盤力矩和助力電機力矩的關系；二是在不同車速下，輸入轉向盤力矩和助力電機力矩的關系怎樣變化。以直線型助力曲線為例分析助力曲線的確定，折線型曲線的分析方法相似，只不過多了中間折點坐標Mimid的確定。直線型助力曲線的確定需要確定三個參數(shù)：助力裝置開始助力時的轉向盤操舵力矩Mio。助力裝置提供最大助力時的轉向盤輸入力矩Mmxa，助力特性曲線梯度K。Mio和Mmxa與駕駛員的主觀感覺有關，可以根據(jù)設計者和駕駛員對轉向輕便性和路感的要求，通過試驗獲得。助力特性曲線梯度K關系到EPS系統(tǒng)的靜態(tài)特性。因為轉向阻力的影響因素眾多，無法精確確定，所以決定了K最終需要理論分析結合試驗調試來確定。文獻[18]提供了汽車原地轉向時的轉向最大助力矩，結合Mmxa，可以確定最大助力矩Momxa，從而獲得零車速的最大助力特性曲線梯度Kmax。在不同車速下，輸入轉向盤力矩和助力電機力矩的關系怎樣變化。本系統(tǒng)的解決辦法是按照車速分段擬合，得到的一族依據(jù)不同車速所形成的曲線。一般來說，裝有助力裝置的系統(tǒng)，應盡可能的不悖于駕駛員原有的駕駛習慣，這樣駕駛員才能在轉向時得心應手。針對EPS的特點，輸入力矩與助力力矩之間的理想特形曲線應滿足以下要求。(1)隨著車速的不同，得到一簇助力曲線。車速越低，提供的轉向助力越大，低車速轉向時提高轉向輕便性。(2)助力曲線有轉向助力死區(qū)，在轉向力矩較小的區(qū)域，提供的轉向助力為零，且在不同車速時，開始助力的時機不同，以保證具有足夠的路感。(3)提供不同助力比的轉向助力區(qū)。不同車速轉向時，助力電機提供不同助力比，高車速轉向時的助力比小，提高轉向穩(wěn)定性。(4)當轉向盤轉矩達到某一值時，助力轉矩將保持不變，形成轉向飽和區(qū)，保證不致因電機電流過大而燒毀電機和控制器中的功率器件。 理想的助力特性曲線 EPS系統(tǒng)控制策略的研究 EPS系統(tǒng)控制方法的選擇轉向過程中，汽車車速和方向盤轉矩變化范圍很大，不同的轉向狀態(tài)，需要不同的控制模式和控制方法。同時控制算法應該快速準確，滿足實時控制的要求，能夠有效的實現(xiàn)理想的助力特性和控制規(guī)律。EPS系統(tǒng)的控制目的主要有：①能有效的減小轉向操縱力，并提供與手動轉向一致的、可控的轉向感覺；②提高轉向盤回正特性，低速轉向后方向盤能迅速準確的回到中位，高速回到中位時避免震蕩和擺振。這兩種控制目的不是同時實現(xiàn)的，EPS系統(tǒng)根據(jù)不同的行駛條件，選擇控制算法實現(xiàn)不同的控制目的。如車輛進行“J”字型轉向行駛時，先需要電機提供助力減輕駕駛員員操縱力；再重新回到直線行駛時需要方向盤平滑的、無震蕩的回到中間位置。對于EPS系統(tǒng)第一個控制目的的實現(xiàn)有三種控制方法：電機電樞電壓控制法電機電樞電壓控制方法早在1990年日本本田NKS車上得到首次應用。該方法利用電機電壓開環(huán)控制原理，將轉矩傳感器檢測的轉向盤轉矩信號、轉速傳感器檢測的轉向盤轉速信號以及車速信號經過處理后分別輸入到單片機中，有不同車速下的轉矩表和轉速表查表得到電機轉矩和轉速，經過計算后得出最佳PWM占空比，通過調整占空比的大小，控制電機電樞平均電壓，驅動動力回路中的功率電路實現(xiàn)電機助力。該控制方法為開環(huán)控制，其特點是控制系統(tǒng)設計簡單，容易實現(xiàn)，但是控制精度不高，電機助力僅隨提供的電樞電壓而改變，控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)負載變化對電機轉矩的影響。電機電樞電流控制法電機電樞電流控制方法利用電機轉矩和電機電流成比例的特性，由轉矩信號和車速信號輸入控制器單片機中，根據(jù)預制的“轉矩一電動機助力目標電流表”確定出電機助力的目標電流，電流檢測電路將電機電樞電流反饋到控制器中并與電機目標電流相比較，利用PID調節(jié)器進行調節(jié)后輸出PWM信號給驅動電路進行助力。PID調節(jié)器使得二者之間的誤差能夠減小到足夠小，系統(tǒng)盡快達到穩(wěn)定狀態(tài)。該控制方法可省略方向盤轉速傳感器，采用電機電流閉環(huán)控制，其突出的優(yōu)點是控制精度高，抗干擾性強。轉向盤轉矩直接控制法上述兩種方法是通過對電機的控制來實現(xiàn)對轉向盤轉矩的控制，控制量是電機電壓和電機電流，是一種間接的控制方法。轉向盤轉矩控制法就是直接以轉向盤轉矩為控制量進行控制。將轉向盤轉向角傳感器測得的轉向角信號和車速信號輸入控制器中，根據(jù)預制的“轉向角一轉向盤轉矩表”確定出目標轉矩，轉