【正文】 了提高汽車操縱的輕便性而對轉(zhuǎn)向系外加的力矩。顯然，負(fù)荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。高速行車中，由輪胎偏轉(zhuǎn)角所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷后傾角增大而增大的。不過，車輛如以更高車速轉(zhuǎn)向行駛，將由于輪胎發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成自動(dòng)回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進(jìn)方向趨向一致。行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對行駛時(shí)的汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的阻力矩。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。 “轉(zhuǎn)向系慣性力矩 ”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運(yùn)動(dòng)過程轉(zhuǎn)速的變化所形成的。 “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。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(dòng)角速度和車輛側(cè)偏角變化而變化。這種在車輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變行駛時(shí)，駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力稱為方向盤把持力。一般駕駛員都希望轉(zhuǎn)向時(shí)能操作輕便，在高速時(shí)仍能保持穩(wěn)定，且具有良好的 “路感 ”。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在方向盤上的作用力以及電動(dòng)機(jī)作用的助力矩大小與汽車整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。 汽車電動(dòng)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(dòng)機(jī)的助力矩 和整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的轉(zhuǎn)向阻力矩。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(shí)，仍然會(huì)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。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。為此，人們常將轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)成變傳動(dòng)比，在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時(shí)以靈為主，在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時(shí)以輕為主。 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(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性?？紤]到直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流 成正比，取電機(jī)電流作控制量。這些因素的存在對 EPS 控制策略的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。助力特性反映的 是轉(zhuǎn)向盤輸入力矩和電動(dòng)機(jī)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(qiáng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性、跟蹤性和抗干擾性能等動(dòng)態(tài)性能，需要對助力特性進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)節(jié)。這包括兩個(gè)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(jī)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(jī)力矩的關(guān)系怎樣變化。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(dòng)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)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動(dòng)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?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)有強(qiáng)抗干擾能力，以適應(yīng)汽車多變的行駛環(huán)境。此外， EUC 還有安全保護(hù)和自我診斷功能， ECU 通過采集電動(dòng)機(jī)的電流、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)取消，同時(shí) EUC 將進(jìn)行故障自診斷分析。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。 電 位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性如圖 23示。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，傳到控?器。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)矩被傳遞到扭力 桿時(shí)，輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向里出現(xiàn)偏差。同時(shí)，滑塊通過一個(gè)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(dòng)。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。因此扭矩傳感器類型的選取根據(jù) EPS 的性能要求進(jìn)行綜合考慮。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(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對轉(zhuǎn)角和角速度的測量。 方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器分為非接觸式和接觸式兩種。因?yàn)榉较虮P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(diǎn)。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。必須注意，減速比的大小和電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和前橋載荷有關(guān)。 減速機(jī)構(gòu) 常見的減速方式包括齒輪減速、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速、球螺旋減速機(jī)構(gòu)、雙排行星輪減速等。這一點(diǎn)我們將在后面詳細(xì)論述。 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?yàn)椴煌囁傧孪嗤姆较虮P轉(zhuǎn)角時(shí)的側(cè)向加速度并不相等，駕駛員的手感力矩也不相等。電動(dòng)機(jī)的選擇和助力機(jī)構(gòu)的減速比、前軸載荷、蓄電池電壓有關(guān) 。當(dāng)前軸負(fù)荷較小時(shí)，電機(jī)第二章 電動(dòng)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(fù)荷中等時(shí)，電機(jī)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(fù)荷較大時(shí)，電機(jī)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。 圖 電動(dòng)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(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作；開始轉(zhuǎn)向時(shí)，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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。 第二章 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 6 第二章 電動(dòng)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(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元 (ECU)成。 采用 80C196KC 單片機(jī)、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。 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(jī)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(jì)；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(jī)的電流實(shí)現(xiàn)對電機(jī)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(shí) 具有良好的操縱輕便性，高速時(shí)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。研究與開發(fā)電動(dòng)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(qiáng)國的差距，具有一定的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。出于對潛在市場的保護(hù)，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(xiàn)資料很少。 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。 目前， EPS 系統(tǒng)每年正以 9%10%的增長率在快速發(fā)展。 德國 FZ 公司估計(jì)， 2020 年以后，歐洲市場 EPS 的供銷量約占 3%。 據(jù)美國德爾福公司預(yù)測， 2020 年后，頂級轎車將全部安裝 EPS。 2020 年 9 月，我國科技部、財(cái)政部和國家稅務(wù)總局聯(lián)合公布，將 EPS 列為汽車零部件 “高新技術(shù)產(chǎn)品 ”之一。 日本本田公司認(rèn)為 :EPS 完全具備了作為二十一世紀(jì)汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的必要條件。 ” 第一章 緒論 4 TRW 公司認(rèn)為 :從長遠(yuǎn)發(fā)展看，目前轎車上廣泛使用的 HPS 將被逐漸淘汰，取而代之的是 EPS。雖然各方面對電動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究大量投入，己有部分產(chǎn)品己經(jīng)開始裝車調(diào)試，但由于對該項(xiàng)技術(shù)的控制理論與控制原理并未完全模透，仍處在探討實(shí)踐中，尚需進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)， EPS 的批量國產(chǎn)化工作還有一個(gè)模索的過程。 與國外相比，我國的電動(dòng)轉(zhuǎn)向研究在很長的一段時(shí)間里是空白，自 2020 年昌河北斗星車裝備 EPS 之后，掀開了國內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁，帶動(dòng)了國內(nèi)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)的熱潮。 EPS 的助力型式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強(qiáng)。 經(jīng)過二十幾年的發(fā)展， EPS 技術(shù)日趨完善，其應(yīng)用范圍已經(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，如本田的 Accord 和菲亞特的 Punt。就目前來說，日本的大發(fā)、三菱、鈴木、本田汽車公司，美國的Delphi、 TRW，德國的 ZF 公司，英國的 Lucas 公司都進(jìn)行了大量的研究并已經(jīng)商品化。 1988 年 2 月首次安裝在日本鈴木汽車公司的塞爾沃轎車上。 ：批量生產(chǎn)后總成本比液壓助力轉(zhuǎn)向低。 ：對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。與傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) HPS 相比，它具更突出的點(diǎn)： 第一章 緒論 3 ：其能量消耗僅為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 20%，且無液壓油泄漏造成直接污染環(huán)境等問題。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一類近些年出現(xiàn)的新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它一般由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元 ECU、電動(dòng)機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)組成。電子控制式由于增加了車速電子控制裝置而且其閥的結(jié)構(gòu)較常規(guī)閥復(fù)雜，因而成本高昂，目前主要應(yīng)用于高級轎車及運(yùn)動(dòng)型乘用車上。機(jī)械裝置包括轉(zhuǎn)向機(jī) (包括控制閥、壓力腔及助力缸 )、油泵及管路。這個(gè)復(fù)雜的過程由電子控制單元 (Elecrtic Control Unit，簡稱 ECU)完成。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種輔助系統(tǒng)，它所起的作用主要取決于油壓的高低，因此系統(tǒng)中對油壓的流量的控制最為重要。 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓作為動(dòng)力，利用油泵建立一定的壓力，再經(jīng)過控制閥來調(diào)整壓力油的流量來控制轉(zhuǎn)向助力的大小。若用于載重質(zhì)量特大的貨車，將會(huì)造成部件尺寸過大而無法實(shí)現(xiàn)汽車的設(shè)計(jì)和安裝。 第一章 緒論 2 氣壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的動(dòng)力源為壓縮空氣 (壓力一般為 )。m，超過這個(gè)數(shù)值時(shí)，就應(yīng)該考慮使用動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置?，F(xiàn)代汽車對載重的額定噸位和舒適性要求不斷提高，使汽車的前軸負(fù)荷不斷增加，操縱方向盤的力也就相應(yīng)增大，因此，只用增加傳動(dòng)比的辦法來減少操縱力顯然是不合適的。但 “靈 ”的范圍只在方向盤中間位置附近，僅對高速行駛有意義，并且傳動(dòng)比不能隨車速變化，所以這種方法不能根本解決這一矛盾。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在輕便與靈活的矛盾，即 “輕 ”與 “靈 ”。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需要的力大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)或蓄電池通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有一小部分由駕駛員提供 。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (Power Steering System)，亦可稱作轉(zhuǎn)向加力系統(tǒng)，是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套轉(zhuǎn)向 加力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。常用的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。輪式汽車行駛是通過轉(zhuǎn)向輪 (一般是前輪 )對汽車縱向軸線偏轉(zhuǎn)一定角度來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)控制策略，對電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)和編制，以實(shí)現(xiàn)在不同工況和不同模式下對直流電機(jī)的控制。本文設(shè)計(jì)的 EPS 控制系統(tǒng)硬件主要由控制器、傳感器及信號處理電路、助力電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路等組成。對助力特性進(jìn)行了理論上的分析，探討了初步確定直線型助力特性的特征參數(shù)的過程。它能節(jié)約能量，提高安全性，且有利于環(huán)保，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： EPS 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 I 摘 要 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，是汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向發(fā)展的必然趨勢。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向采用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元 (ECU)控制。本文在借鑒國內(nèi)外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域研究的最新成果的基礎(chǔ)上，從助力特性、控制策略以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三方面對 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并在其基礎(chǔ)上開發(fā) 出系統(tǒng)的電控單元。在此基礎(chǔ)上，確定了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略。控制電路核心采用 16 位單片機(jī)80C196KC。 關(guān)鍵詞 ：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 , 助力特性 , 控制策略 , 軟硬件設(shè)計(jì) ABSTRACT II ABSTRACT Eclectic power steering system is inevitable developing direction for automobile power steering， which is much superior to hydraulic power steering system. The assist torque is provided by motor directly in EPS system， whose value is controlled by ECU. EPS can save energy， improve vehicle safety， benefit environment protection， and it is a new hightech which follows modern vehicle development topic closely .In the foundation of the newest acplishment of domestic and international EPS ， this paper particularly researches the assist characteristic， control strategy and control system design， constructs the bench for EPS， develops electric control unit. In this paper， the key technique of EPS system， the assist char