【文章內(nèi)容簡介】 市場上的 A、 B、 C 級轎車安裝 EPS 的比例將由 35%增加到 70%。 目前， EPS 系統(tǒng)每年正以 9%10%的增長率在 快速發(fā)展。 2020 年， EPS 的產(chǎn)量由2020 年的 150 萬套增加到 800 萬套，到 2020 年將達到 1140 萬套，即產(chǎn)量正以 130150萬套 /年的速度在增加，按此增長速度發(fā)展下去，用不了幾年 EPS 將完全占領(lǐng)轎車市場。 本文的研究內(nèi)容 課題研究意義 目前國外許多家大型汽車公司的產(chǎn)品己經(jīng)成功裝配微、輕型轎車。近年來 ,現(xiàn)代控制理論、電子技術(shù)、計算機仿真技術(shù)的發(fā)展使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)設(shè)計還是在產(chǎn)品性能方面都有進一步的提高。出于對潛在市場的保護，各研究開發(fā) EPS 系統(tǒng)的部門很少公開發(fā)表自己的具體 研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，因此可供參考的文獻資料很少。國內(nèi)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究己經(jīng)取得了一定的成果，但仍處在初級階段，還沒有研制成功能夠裝車的產(chǎn)品。研究與開發(fā)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是與汽車發(fā)展中的安全、環(huán)保、節(jié)能三大主題相吻合的，對提高我國汽車工業(yè)水平、縮小與汽車強國的差距，具有一定的現(xiàn)實和長遠意義。 第一章 緒論 5 研究內(nèi)容 研究內(nèi)容包括： 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性和控制策略的確定。 EPS 系統(tǒng)的關(guān)鍵是獲得助力特性曲線，即轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩與電機輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，它決定了控制系統(tǒng)按照什么樣的力學(xué)模型來設(shè)計；控制單 元根據(jù)助力特性曲線，由預(yù)定的控制策略決策出電機的電流實現(xiàn)對電機的控制，本系統(tǒng)控制策略將選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗约皡?shù)，協(xié)調(diào)汽車操縱性與路感之間的關(guān)系，使汽車在低速行駛時具有良好的操縱輕便性，高速時具有良好的操縱穩(wěn)定性，在一定程度上解決 “輕 ”與 “靈 ”的矛盾。 根據(jù)控制策略對 EPS 系統(tǒng)進行軟硬件的實現(xiàn)。 采用 80C196KC 單片機、鎖相環(huán)濾波電路、復(fù)位電路、晶振電路、串行通訊電路等等構(gòu)成系統(tǒng)硬件控制。 小結(jié) 本章首先介紹了課題提出的背景及意義，介紹了不同幾種汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類以及國內(nèi)外發(fā)展概況，最 后明確了本文的主要研究內(nèi)容。 第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 6 第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) EPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) EPS 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) EPS 主要由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構(gòu)和電子控制單元 (ECU)成。它是一種直接依靠電機提供轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 不同類型的 EPS 基本原理是一樣的：不轉(zhuǎn)向時，電動機停止工作；開始轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對位移轉(zhuǎn)變成電信號傳給 ECU， ECU 根據(jù)車速傳 感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號決定電動機的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實時控制助力轉(zhuǎn)向。 EPS 系統(tǒng)的分類 根據(jù)汽車前軸負荷的不同，助力電機的安裝位置也不同。當(dāng)前軸負荷較小時，電機第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 7 及減速裝置與轉(zhuǎn)向軸相連，稱為轉(zhuǎn)向軸助力式；當(dāng)前軸負荷中等時，電機及轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向小齒輪相連，稱為轉(zhuǎn)向齒輪助力式；當(dāng)前軸負荷較大時，電機及減速器則與轉(zhuǎn)向器齒條軸相連，稱為轉(zhuǎn)向齒條助力式。 EPS 系統(tǒng)的主要部件及工作原理 圖 EPS 系統(tǒng)框圖 電動機 電動助力轉(zhuǎn) 向的助力電動機早期曾用過有刷電動機，但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)行的 EPS 系統(tǒng)幾乎都使用永磁無刷直流電動機。電動機的選擇和助力機構(gòu)的減速比、前軸載荷、蓄電池電壓有關(guān)。此外，在選擇電動機時，必須考慮其噪聲和振動對駕駛員蓄電池電器模塊 扭距傳感器信號 車速傳感器信號 軸重傳感器信號 電源開關(guān) 接口電路 電子控制單元 驅(qū)動電路 電池離合器 故障診斷輸出 電動機 電流電壓反饋信號 第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 8 的影響。 車速傳感器 EPS 系統(tǒng)需要輸入車速信號來確定助力的系數(shù)，因為不同車速下相同的方向盤轉(zhuǎn)角時的側(cè)向加速度并不相等，駕駛員的手感力矩也不相等。要使得駕駛員有合適的路感，就必須使助力系數(shù)隨車速而改變。這一點我們將在后面詳細論述?，F(xiàn)有的 EPS 系統(tǒng)的車速信號來自 ABS 系統(tǒng)所采集的信號，通 過 CAN 總線等方式傳送給 EPS 系統(tǒng)的控制器供后者使用。 減速機構(gòu) 常見的減速方式包括齒輪減速、蝸輪蝸桿機構(gòu)減速、球螺旋減速機構(gòu)、雙排行星輪減速等。值得注意的是，為了降低 EPS 噪聲，可以考慮使用樹脂等非金屬材料做成的減速機構(gòu)。必須注意，減速比的大小和電動機的功率、轉(zhuǎn)動慣量和前橋載荷有關(guān)。 方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器 電動助力轉(zhuǎn)向器 (EPS 系統(tǒng) )中的方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器測量檢測方向盤的位置和輸入轉(zhuǎn)矩并轉(zhuǎn)換為電信號。電子控制器 (ECU)根據(jù)車速信號和方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的信號，通過給 定的控制策略產(chǎn)生助力控制信號。該助力控制信號控制直流驅(qū)動電機的電樞電流，從而控制助力轉(zhuǎn)矩。因為方向盤的轉(zhuǎn)角位置和扭矩傳感器測得的扭矩大小的準(zhǔn)確性對 EPS 系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的，因此這將是本章論述的重點。 從自動控制的原理來看，方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器既是向控制器提供輸入信號的元件，又是助力結(jié)果 (控制結(jié)果 )的檢測反饋元件。 方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器分為非接觸式和接觸式兩種。目前接觸式用得較多的是電位計式扭矩傳感器，非接觸式用得較多的是電磁感應(yīng)式、光電式和超聲波式扭矩傳感器。接觸式成本較低，但受溫度與磨損影響易發(fā)生漂 移、使用壽命較低、需要對制造精度和扭桿剛度進行折中，難以實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。非接觸式的測量精度高、抗干擾能力強、剛度相對較高、易實現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量；但成本較高。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù) EPS 的性能要求進行綜合考慮。 本課題選用的即為非接觸電位式轉(zhuǎn)矩傳感器，它的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖 示，主要由滑塊、鋼球、環(huán)和電位器組成。鋼球通過螺旋球表面固定在輸入軸外側(cè)的螺旋球槽和滑塊內(nèi)側(cè)的球洞里。滑塊相對于輸入軸可以在螺旋方向移動。同時，滑塊通過一個銷安裝到輸出軸，使它僅可以相對于輸出軸在垂直方向上移 動。因此，當(dāng)輸入軸相對輸出第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 9 軸轉(zhuǎn)動時，滑塊按照輸入軸旋轉(zhuǎn)的方向和輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動 (在軸方向 )， (等于輸入軸相對于輸出軸旋轉(zhuǎn) )。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力桿時，輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。這些偏差使滑塊在軸方向移動，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)換為下圖所示的控 制桿里電位器的旋轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，傳到控?器。 （ a） 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu) 方向盤在順時針旋轉(zhuǎn) 在空檔的方向盤 方向盤在逆時針旋轉(zhuǎn) （ b） 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器工作原理 圖 電位式轉(zhuǎn)矩傳 感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 第二章 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 10 送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號分為主、副兩路。 電 位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性如圖 23示。當(dāng)方向盤處于中間位置時，主、副兩路輸出的信號都為 V；當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn)矩信號大于 V，副轉(zhuǎn)矩信號小于 V；當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn)矩信號小于 V，副轉(zhuǎn)矩信號大于 V。系統(tǒng)利用主、副轉(zhuǎn)矩信號即可判斷方向盤轉(zhuǎn)向的方向和轉(zhuǎn)矩大小。 圖 2. 4 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性 電子控制單元 (EUC) 電子控制單元 (ECU)的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器信號和車速傳感器信號，進行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制電動機和電磁離合器的動作。此外， EUC 還有安全保護和自我診斷功能， ECU 通過采集電動機的電流、發(fā)電機電壓、發(fā)動機工況等信號判斷其系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，一旦系統(tǒng)發(fā)生異常，助力將自動取消，同時 EUC 將進行故障自診斷分析。 ECU 通常是一個 8 位單片機系統(tǒng)，也有采用數(shù)字信號處理器 (Digtial Signal Processing，簡稱 DSP)作為控制單元?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)有強抗干擾能力，以適應(yīng)汽車多變的行駛環(huán)境?？刂扑惴☉?yīng)快速正確，滿足實時控制的要求，并能有效的實現(xiàn)理想的助力規(guī)律與特性。 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)，討論了 EPS 的分類及技術(shù)要求。對課題研究中所用到的 EPS 主要部件的結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹。第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 11 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性和控制策略是該系統(tǒng)能否成功的兩大關(guān)鍵術(shù)。助力特性決定了控制器 (ECU)控制程序按照什么樣的力學(xué)模型來設(shè)計，即在汽車轉(zhuǎn)向過程中，EUC 根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)矩，由助力特性決定電動機應(yīng)提供多大的助力，以滿足不同行駛路況下的要求。這包括兩個層面的問題：一是在某一特定車速下的輸入轉(zhuǎn)向盤力矩和助力電機 力矩的關(guān)系；二是在不同車速下，輸入轉(zhuǎn)向盤力矩和助力電機力矩的關(guān)系怎樣變化。由于國外對該曲線的研究處于保密狀態(tài)，所以成為 EPS 系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。助力特性反映的是轉(zhuǎn)向盤輸入力矩和電動機助力力矩的變化關(guān)系，反映出的是系統(tǒng)的靜特性；為了增強電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性、跟蹤性和抗干擾性能等動態(tài)性能，需要對助力特性進行補償和調(diào)節(jié)。 EPS 的工作環(huán)境復(fù)雜多變，路面干擾、傳感器噪聲、電壓波動、轉(zhuǎn)矩波動、發(fā)動機的熱輻射與電磁干擾都對系統(tǒng)有很大影響。這些因素的存在對 EPS 控制策略的設(shè)計提出了很高的要求。由于各方面條件和自身能力 的限制，本系統(tǒng)設(shè)計的 EPS 系統(tǒng)的控制策略是建立在系統(tǒng)的簡化模型的基礎(chǔ)之上，沒有考慮系統(tǒng)的非線性因素，并將干擾信號調(diào)整到系統(tǒng)能夠容忍的范圍。考慮到直流電機轉(zhuǎn)矩與電流成正比，取電機電流作控制量?？刂七^程如下：首先由控制參數(shù)決定控制模式，進一步由控制模式的特性曲線決定電動機目標(biāo)電流，然后對電機實際輸出的電流進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)對目標(biāo)電流的跟蹤。 助力特性分析 EPS 系統(tǒng)的基本目標(biāo)是提高汽車停車泊位和低速行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。汽車轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾。為此，人們常將轉(zhuǎn)向器設(shè)計成變傳動比，在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時以靈為主，在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時以輕為主。但是靈的范圍只在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向力與路感也是相互制約的，轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉(zhuǎn)向力過小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向由于不能對助力進行實時調(diào)節(jié)與控制。所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與路感的關(guān)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(yù)定的助力特性曲線調(diào)節(jié)和控制，可以較好的進行控制。 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的受力分析 第三章 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 12 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(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的轉(zhuǎn)向阻力矩。駕駛員在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向機構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。 (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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向角位置保持不變行駛時，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力稱為方向盤把持力。 (2) EPS 的阻力矩按產(chǎn)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(zhuǎn)向系的阻力矩 ”兩大部分組成。這些轉(zhuǎn)向阻力矩的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、輪胎偏轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角 速度和車輛側(cè)偏角變化而變化。 1) 轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括 “轉(zhuǎn)向系摩擦力矩 ”， “轉(zhuǎn)向系復(fù)原力矩 ”和 “轉(zhuǎn)向系慣性力矩 ”三部分。 “轉(zhuǎn)向系摩擦力矩 ”主要指轉(zhuǎn)向系的各部分之間的干摩擦阻力矩的總和。 “轉(zhuǎn)向系復(fù)原力矩 ”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)回位彈簧、內(nèi)橡膠襯套等的彈性變形引起的回復(fù)力產(chǎn)生的。 “轉(zhuǎn)向系慣性力矩 ”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運動過程轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向阻力矩 ”和 “行車轉(zhuǎn)向阻力矩 ”兩種。原地轉(zhuǎn)向 :指對靜止不動的汽車進行轉(zhuǎn)向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，繼之以輪胎和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩為原地轉(zhuǎn)向阻力矩。行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對行駛時的汽車進行轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的阻力矩。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向