【正文】 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(chē)中，由輪胎偏轉(zhuǎn)角所引 起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷(xiāo)后傾角增大而增大的。不過(guò)，車(chē)輛如以更高車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)向阻力矩指對(duì)行駛時(shí)的汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的阻力矩。通常 “繞主銷(xiāo)的阻力矩 ”按汽車(chē)不 同的行車(chē)方式分成 “原地轉(zhuǎn)向阻力矩 ”和 “行車(chē)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(guò)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(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速、輪胎偏轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角 速度和車(chē)輛側(cè)偏角變化而變化。這種在車(chē)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(pán)上的力稱(chēng)為方向盤(pán)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(pán)上的作用力以及電動(dòng)機(jī)作用的助力矩大小與汽車(chē)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。 汽車(chē)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(pán)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(chē)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(jué)汽車(chē)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(guò)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(pán)小轉(zhuǎn)角時(shí)以靈為主，在轉(zhuǎn)向盤(pán)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(chē)停車(chē)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。考慮到直流電機(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(pán)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(wèn)題：一是在某一特定車(chē)速下的輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和助力電機(jī) 力矩的關(guān)系；二是在不同車(chē)速下，輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)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(lèi)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(chē)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(guò)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(pán)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(pán)，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(guò)一個(gè)銷(xiāo)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(guò)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(lèi)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(pán)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(pán)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(chē)速信號(hào)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，通過(guò)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(jiàn)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(chē)速傳感器 EPS 系統(tǒng)需要輸入車(chē)速信號(hào)來(lái)確定助力的系數(shù)，因?yàn)椴煌?chē)速下相同的方向盤(pán)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為轉(zhuǎn)向齒條助力式。 圖 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 不同類(lèi)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(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器開(kāi)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(chē)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) 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(chē)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(xiàn)，即轉(zhuǎn)向盤(pán)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(lái)設(shè)計(jì)；控制單 元根據(jù)助力特性曲線(xiàn)，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(chē)操縱性與路感之間的關(guān)系，使汽車(chē)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(kāi)發(fā)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是與汽車(chē)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(guó)汽車(chē)工業(yè)水平、縮小與汽車(chē)強(qiáng)國(guó)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(kāi)發(fā) EPS 系統(tǒng)的部門(mén)很少公開(kāi)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(guó)外許多家大型汽車(chē)公司的產(chǎn)品己經(jīng)成功裝配微、輕型轎車(chē)。 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(guó) FZ 公司估計(jì)， 2020 年以后，歐洲市場(chǎng) EPS 的供銷(xiāo)量約占 3%。 據(jù)美國(guó)德?tīng)柛９绢A(yù)測(cè)， 2020 年后，頂級(jí)轎車(chē)將全部安裝 EPS。 2020 年 9 月，我國(guó)科技部、財(cái)政部和國(guó)家稅務(wù)總局聯(lián)合公布，將 EPS 列為汽車(chē)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(chē)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，目前轎車(chē)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(kāi)始裝車(chē)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(guó)產(chǎn)化工作還有一個(gè)模索的過(guò)程。 與國(guó)外相比，我國(guó)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向研究在很長(zhǎng)的一段時(shí) 間里是空白，自 2020 年昌河北斗星車(chē)裝備 EPS 之后，掀開(kāi)了國(guó)內(nèi)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器歷史上新的一頁(yè)，帶動(dòng)了國(guó)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(guò)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(chē)向更大型轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展，如本田的 Accord 和菲亞特的 Punt。就目前來(lái)說(shuō)，日本的大發(fā)、三菱、鈴木、本田汽車(chē)公司，美國(guó)的Delphi、 TRW，德國(guó)的 ZF 公司，英國(guó)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(chē)公司的塞爾沃轎車(chē)上。 ：批量生產(chǎn)后總成本比液壓助力轉(zhuǎn)向低。 ：對(duì)于不同車(chē)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(mǎn)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(wú)液壓油泄漏造成直接污染環(huán)境等問(wèn)題。 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一類(lèi)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(chē)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(chē)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(jí)轎車(chē)及運(yùn)動(dòng)型乘用車(chē)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(guò)程由電子控制單元 (Elecrtic Control Unit，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(duì)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(guò)控制閥來(lái)調(diào)整壓力油的流量來(lái)控制轉(zhuǎn)向助力的大小。若用于載重質(zhì)量特大的貨車(chē)，將會(huì)造成部件尺寸過(guò)大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(guò)這個(gè)數(shù)值時(shí)，就應(yīng)該考慮使用動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)載重的額定噸位和舒適性要求不斷提高，使汽車(chē)的 前軸負(fù)荷不斷增加，操縱方向盤(pán)的力也就相應(yīng)增大，因此，只用增加傳動(dòng)比的辦法來(lái)減少操縱力顯然是不合適的。但 “靈 ”的范圍只在方向盤(pán)中間位置附近，僅對(duì)高速行駛有意義，并且傳動(dòng)比不能隨車(chē)速變化，所以這種方法不能根本解決這一矛盾。 汽車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)向所需要的力大部分由發(fā)動(dòng)機(jī)或蓄電池通過(guò)轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有一小部分由駕駛員提供 。汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (Power Steering System)，亦可稱(chēng)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(chē)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(lèi)。輪式汽車(chē)行駛是通過(guò)轉(zhuǎn)向輪 (一般是前輪 )對(duì)汽車(chē)縱向軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)一定角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)控制策略，對(duì)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(duì)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(hào)處理電路、助力電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路等組成。對(duì)助力特性進(jìn)行了理論上的分析，探討了初步確定直線(xiàn)型助力特性的特征參數(shù)的過(guò)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(chē)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(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 I 摘 要 汽車(chē)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(guó)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(duì) 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(kāi)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?？刂齐娐泛诵牟捎?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 characte