【正文】 統(tǒng)在進(jìn)行助力控制時(shí)。 EPS系統(tǒng)各種控制模式下的電機(jī)目標(biāo)電流的確定方法轉(zhuǎn)向助力控制助力控制是在轉(zhuǎn)向過程(不包括回正)中為了減輕方向盤的操縱力，通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向軸上的一種基本控制模式。這種工作方式上下橋臂沒有直通的危險(xiǎn)，工作可靠性比較高。單極方式的四M控制是這樣的：要正轉(zhuǎn)時(shí)，將VF4導(dǎo)通，V1和V2交替開關(guān)，由占空比決定正轉(zhuǎn)平均電壓；要反轉(zhuǎn)時(shí)，將V2導(dǎo)通，V3和V4交替開關(guān)，由占空比決定反轉(zhuǎn)平均電壓；在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作情況下，電動(dòng)機(jī)端電壓的極性不變，因此成為單極方式。由兩種狀態(tài)所占的時(shí)間份額多少?zèng)Q定平均電壓是正還是負(fù)，平均電流是正向還是負(fù)向。 H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng) H型受限單極可逆PWM驅(qū)動(dòng)雙極方式的特點(diǎn)是四橋臂對(duì)角線兩組開關(guān)分別控制，V1和V4為一組同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，V2和V3為一組，也同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，在任時(shí)刻最多只允許有一組是導(dǎo)通的。從H橋PWM控制的角度看，通常按照四橋臂功率開關(guān)在正向和反相驅(qū)動(dòng)時(shí)的通斷組合方式不同，分為雙極方式、單極方式、受限單極方式。 電動(dòng)機(jī)電流的控制方式在控制電路中，電動(dòng)機(jī)的電流的調(diào)節(jié)是利用PWM控制技術(shù)通過調(diào)節(jié)電樞電壓實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用電機(jī)電樞電流控制方法實(shí)現(xiàn)助力控制。將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)向角信號(hào)和車速信號(hào)輸入控制器中，根據(jù)預(yù)制的“轉(zhuǎn)向角一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩表”確定出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩傳感器將實(shí)際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)反饋到控制器中并與轉(zhuǎn)向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)矩相比較，利用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行助力。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩直接控制法上述兩種方法是通過對(duì)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的控制，控制量是電機(jī)電壓和電機(jī)電流，是一種間接的控制方法。PID調(diào)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該控制方法為開環(huán)控制，其特點(diǎn)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是控制精度不高，電機(jī)助力僅隨提供的電樞電壓而改變，控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。對(duì)于EPS系統(tǒng)第一個(gè)控制目的的實(shí)現(xiàn)有三種控制方法：電機(jī)電樞電壓控制法電機(jī)電樞電壓控制方法早在1990年日本本田NKS車上得到首次應(yīng)用。這兩種控制目的不是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，EPS系統(tǒng)根據(jù)不同的行駛條件，選擇控制算法實(shí)現(xiàn)不同的控制目的。同時(shí)控制算法應(yīng)該快速準(zhǔn)確，滿足實(shí)時(shí)控制的要求，能夠有效的實(shí)現(xiàn)理想的助力特性和控制規(guī)律。(4)當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩達(dá)到某一值時(shí)，助力轉(zhuǎn)矩將保持不變，形成轉(zhuǎn)向飽和區(qū)，保證不致因電機(jī)電流過大而燒毀電機(jī)和控制器中的功率器件。(3)提供不同助力比的轉(zhuǎn)向助力區(qū)。車速越低，提供的轉(zhuǎn)向助力越大，低車速轉(zhuǎn)向時(shí)提高轉(zhuǎn)向輕便性。針對(duì)EPS的特點(diǎn)，輸入力矩與助力力矩之間的理想特形曲線應(yīng)滿足以下要求。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。文獻(xiàn)[18]提供了汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向最大助力矩，結(jié)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。助力特性曲線梯度K關(guān)系到EPS系統(tǒng)的靜態(tài)特性。助力裝置提供最大助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩Mmxa，助力特性曲線梯度K。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(diǎn)坐標(biāo)Mimid的確定。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，用直線代替助力曲線。對(duì)于曲線2，Mio表示助力裝置開始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤操舵力矩，Mimax表示助力裝置提供最大助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。Mu與Mso和Mzu呈單調(diào)增函數(shù)關(guān)系；其輸入輸出特性是Mso和Mzu的疊加。其輸入輸出特性如圖所示，圖中實(shí)線為正向傳動(dòng)的特性；虛線為反向傳動(dòng)的特性。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員施加在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向阻力矩)之間存在線性關(guān)系。車速高、路況好、轉(zhuǎn)彎半徑大、風(fēng)阻小，即轉(zhuǎn)向阻力較小時(shí)，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤比較輕松；反之則較沉重。 EPS助力特性曲線確定，駕駛員操縱轉(zhuǎn)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(dòng)和滑動(dòng)的)；主銷后傾角與主銷內(nèi)傾角所形成的回正力矩；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的各種類型的摩擦力和力矩。這就是為什么駕駛員往往把轉(zhuǎn)盤輕與“飄”聯(lián)系在一起的原因。因?yàn)檗D(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)總是低頻的，而路面沖擊總是以高頻為主的，這種阻尼器對(duì)低頻的信息沒有影響，而對(duì)瞬時(shí)的高頻沖擊卻可產(chǎn)生很大的阻力，從而使路面的沖擊傳不到轉(zhuǎn)向盤上來。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦的存在，對(duì)轉(zhuǎn)向力中的側(cè)向力信息來說總是一種“噪聲”從而降低了轉(zhuǎn)向力中的“信噪比”。通常，如果逆?zhèn)鬟f的摩擦力太小，也會(huì)增大不平路面對(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊。不過，更確切地說，原則上是轉(zhuǎn)向力中與前輪側(cè)向力有著對(duì)應(yīng)關(guān)系的那一部分(回正力矩部分)不能太小，而與前輪側(cè)向力無關(guān)的各種摩擦力矩則是越小越好。如果轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力太小了，“路感”也就沒有了。但是轉(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車的運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是所謂的“路感”。如果問：“轉(zhuǎn)向力大好還是小好?可能大部分開過車的人都回答：“當(dāng)然小些好，但太小也不好。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(zhuǎn)向機(jī)的摩擦力矩(其大小取決于轉(zhuǎn)向機(jī)效率)、各個(gè)球頭的摩擦力矩以及原地轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎與地面的摩擦力矩等。 轉(zhuǎn)向阻力和路感汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪上作用著與轉(zhuǎn)向力相應(yīng)的“繞主銷的阻力矩”，通?；\統(tǒng)地稱為回正力矩。3) “電動(dòng)機(jī)助力矩”是由電動(dòng)機(jī)為了提高汽車操縱的輕便性而對(duì)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(duì)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?！稗D(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?！稗D(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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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瑐鞯娇刂破?。?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(duì)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(duì)制造精度和扭桿剛度進(jìn)行折中，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)轉(zhuǎn)角和角速度的測(cè)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(cè)得的扭矩大小的準(zhǔn)確性對(duì)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(hào)和方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，通過給定的控制策略產(chǎn)生助力控制信號(hào)。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(hào)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)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。 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(duì)位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號(hào)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)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(duì)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(duì)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(zhǎng)遠(yuǎn)意義。出于對(duì)潛在市場(chǎng)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?jī)?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?jī)?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(zhǎng)率在快速發(fā)展。德國FZ公司估計(jì)，2001年以后，歐洲市場(chǎng)EPS的供銷量約占3%。據(jù)美國德爾福公司預(yù)測(cè)，2001年后，頂級(jí)轎車將全部安裝EPS。2000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?！盩RW公司認(rèn)為:從長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)的一段時(shí)間里是空白，自2000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)