汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(eps)的設計[含cad圖紙和文檔資料],含cad圖紙和文檔資料,汽車,電動,助力,轉(zhuǎn)向,系統(tǒng),eps,設計,cad,圖紙,以及,文檔,資料 本科學生畢業(yè)設計（論文）附件 附件C：譯文 附件C：譯文 采用輔助電機的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 邏輯控制 摘要 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）與傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比在發(fā)動機能源利用率，空間利用率，與環(huán)境的相容性方面有很多有點。這篇論文研究的目的在于發(fā)展提高EPS的邏輯控制，以達到減小由駕駛員提供的轉(zhuǎn)向力矩并且保持各種工況的路感，提高轉(zhuǎn)向回正性能的目的。另外，力矩傳感器能夠測量轉(zhuǎn)向力矩并計算車輪的轉(zhuǎn)角，能夠計算出一種實際負載轉(zhuǎn)矩并提供給轉(zhuǎn)向柱的回路仿真系統(tǒng)硬件也得到一定的發(fā)展。使用我們所介紹的EPS邏輯控制，駕駛員能夠使用由轉(zhuǎn)矩發(fā)生器提供的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向發(fā)生器發(fā)出的轉(zhuǎn)矩隨著駕駛員提供給轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩的變化而變化，但是兩個相互對立的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)驗研究表明，我們研究的EPS邏輯控制能夠控制輔助電機來提高轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向回正性。 2002年Elsevier科學有限公司；保留所有權。 關鍵詞： 電動助力轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向力矩；轉(zhuǎn)矩傳感器；輔助電機；主動阻尼 1. 引言 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車控制主要子系統(tǒng)之一。它按照駕駛員的輸入以相同的方向轉(zhuǎn)動前輪。當汽車前輪轉(zhuǎn)向過后，會產(chǎn)生一個回正力矩，它意圖將轉(zhuǎn)向輪恢復到原來的位置。雖然回正力矩能夠提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，但駕駛員必須提供更打的轉(zhuǎn)向力矩來克服它以使汽車轉(zhuǎn)向。 * 通訊作者。電話：+82-2-3290-3363；傳真：+82-2-3290-3757。 電子郵箱：jbsong@korea.ac.kr (J.-B. Song). 0957-4158/02/$ - 見前面相關事宜 2002年Elsevier科學有限公司；保留所有權。 PII: S09 5 7-4 1 58 (01)00004- 6 對于大車來說，轉(zhuǎn)向效率是一個非常需要考慮的問題，尤其在低速的情況之下。因此我們引進了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來幫助駕駛員實現(xiàn)這種情況下的轉(zhuǎn)向。很多動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一個由發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵和一些管路執(zhí)行器件組成[1]。 因為傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)由發(fā)動機驅(qū)動，它不但不能降低發(fā)動機的能源消耗，而且其運轉(zhuǎn)還需要一些復雜的液壓器件如液壓泵，傳動帶，軟管等。對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)來說，它由一個獨立與發(fā)動機的電機提供能量，減少了復雜的液壓器件，正因如此，它提高了發(fā)動機和空間利用率，即使在發(fā)動機停止工作時它也能獨立提供轉(zhuǎn)向能量。另外，因為它不使用液壓油，因此相當環(huán)保。由于它與液壓系統(tǒng)相比有這些優(yōu)點，EPS已經(jīng)開始取代HPS用于一些高檔轎車上，在不遠的將來，它還將運用到其他類型的轎車上 [2]。 EPS有如下兩種功能。第一，它能減少駕駛員提供的轉(zhuǎn)向力矩并且保持各種工況的路感。這里的轉(zhuǎn)向力矩定義為汽車轉(zhuǎn)向時駕駛員感覺到的力矩。當EPS系統(tǒng)發(fā)出的輔助力矩與駕駛員的的轉(zhuǎn)向力矩作用方向一致時，駕駛員所需要提供的轉(zhuǎn)向力矩就會有很大程度的降低。另外，調(diào)整轉(zhuǎn)向助力特性，駕駛員會感到不同路況的路感。第二，當車輪轉(zhuǎn)向后，它能提高車輪的轉(zhuǎn)向回正性能。當轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，駕駛員放開轉(zhuǎn)向盤，車輪能夠在自調(diào)力矩的作用下回到中間位置，這個自調(diào)力矩是由地面施加給轉(zhuǎn)向車輪的。因為回正力矩隨著車速的增加而增加，因此在高速情況下，由于回正力矩過大而使汽車發(fā)生連續(xù)的擺動。EPS 能夠提供主動阻尼來減小這種現(xiàn)象，因此能提高回正性能 。 雖然有關邏輯控制的細節(jié)還未發(fā)表，但一些關于EPS的研究已經(jīng)完成。在商業(yè)上，德爾福汽車和TRW汽車已經(jīng)為實車設計了EPS系統(tǒng)模型，本田已經(jīng)將其開發(fā)的EPS系統(tǒng)用于阿庫拉 NSX實車上[3]。大多數(shù)的EPS控制系統(tǒng)框圖如圖1，目標電流發(fā)生器根據(jù)行使條件來確定供給電機的參考電流[4 ,5 ]由控制器計算控制信號，它能利用和實際電流將錯誤減少到最低。這種方案的一個不足之處在于它實間接的控制轉(zhuǎn)矩，真正的控制參數(shù)是電機電流。 圖1. 典型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制框圖 這篇研究的主要目的是開發(fā)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制邏輯。 這篇研究構造的邏輯控制目的在于測量轉(zhuǎn)向力矩本身，并且將它反饋會控制器中，控制器產(chǎn)生控制信號使參考力矩和轉(zhuǎn)向力矩的誤差達到最小。參考力矩由力矩規(guī)律圖參照汽車速度信號和轉(zhuǎn)向輪狀態(tài)產(chǎn)生。這種方法的好處在于它能直接控制駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩因此能改善各種工況的路感。 為了測量轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向輪的角度，我們設計了由兩個光電編碼器組成的力矩傳感器。為了驗證所提出的邏輯控制，我們建立了回路仿真硬件系統(tǒng)，在這個回路仿真系統(tǒng)里面的負載電機附加到一組齒輪齒條機構上，電機產(chǎn)生不同的附加力矩傳遞到轉(zhuǎn)向軸上。 2. EPS系統(tǒng)的構建與造型 這項研究的主要工作是開發(fā)EPS系統(tǒng)的邏輯控制（而不是EPS硬件設計）。因此這篇論文研究的EPS系統(tǒng)用簡單的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系進行改裝來進行建模。圖2為回路仿真硬件系統(tǒng)的試驗裝置，其中一些因數(shù)如汽車動力和回正力矩通過計算機進行仿真，否則，這個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就只有在真實的硬件上進行完成。 圖2 所示的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為一轉(zhuǎn)向柱式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，輔助電機連接在轉(zhuǎn)向柱上通過齒輪機構傳遞力矩給轉(zhuǎn)向柱。連接到機架和齒輪機構中的負載電機提供等效的負載力矩，其中包括地面與車輪的摩擦力矩。輔助電機和負載電機由電機驅(qū)動器控制，它們的控制信號來自裝有邏輯控制的電腦。輔助電機和負載電機都是使用的無刷直流電機(BLDS)。雖然兩種電機在結構上有所不同，但它們在建模方面卻由相同的性能。轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角由我們上面提到的扭矩傳感器測量。 圖2.用于實現(xiàn)EPS邏輯控制的試驗裝置 2.1. 扭矩傳感器 為了測量由司機施加在轉(zhuǎn)向軸上的力矩Ts，我們設計了如圖3所示的力矩傳感器。在這個傳感器當中，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)角作用于扭桿兩端，扭桿安裝在轉(zhuǎn)向保護套管里面，和分別由光電編碼器1、2分別測量。因為細長的扭桿發(fā)生相對較大的角位移后Δθ，同步皮帶和滑輪機構能夠?qū)⑦@個角位移放大，所以即使在小扭矩的情況下光電編碼器也能測量出這個角位移。我們知道，作用在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向力矩Ts與這個相對位移Δθ有如下比例關系： （1） ktorsion為扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度。EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)邏輯控制需要的轉(zhuǎn)向盤的角度不需要其他傳感器而只需要我們所設計的扭矩傳感器就能夠獲得。 圖3.力矩傳感器結構圖 2.2. 系統(tǒng)建模 EPS系統(tǒng)的物理模型分為轉(zhuǎn)向軸部分和轉(zhuǎn)向輔助電機部分，如圖4。在圖里Ta和Tl分別代表傳遞給轉(zhuǎn)向軸的輔助力矩和負載轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩來自車輪與地面的摩擦、傳動系的效率等。輔助電機的運動方程表示為： (2) 這里的和分別代表輔助電機的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，代表電機的力矩，N代表齒輪機構的傳動比，它與轉(zhuǎn)向軸的運動關系有這永磁無刷直流電機的電動方程如下，它與直流電機的方程相同。 (3) 和分別代表電樞電壓和電流，和分別代表電樞電阻和反電勢常數(shù)輪。電機的轉(zhuǎn)矩為： (4) KT是電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 為了運行設計的回路仿真硬件系統(tǒng)，必須測量路面作用在車輪上的力矩。為了測量這個力矩，我們運用了Dugoff輪胎模型[7]，其縱向力和橫向力分別為： 圖4. 轉(zhuǎn)向軸的自由結構示意圖 (5) 其中和分別代表輪胎縱向和橫向剛度，A, s,α分別表示車輪與地面的接觸面積，滑移率，側(cè)偏角。 如圖5所示，輪胎受到的縱向和橫向的力傳遞到機架上后為： (6) 轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角δ的關系為：，n為轉(zhuǎn)向系的傳動比，路面的負載力矩傳遞到轉(zhuǎn)向盤上后變?yōu)椋? (7) 圖6所示為路面施加與車輪的力矩于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關系，負載電機根據(jù)方程式來產(chǎn)生負載轉(zhuǎn)矩（7）。駕駛員按照正旋規(guī)律輸入。我們常用滑移率和側(cè)偏角參數(shù)評價系統(tǒng)的好壞。施通過圖我們可以看出：路面產(chǎn)生的力矩與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角成比例。雖然在計算路面力矩的時候我們應該考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率，但我們這里假設我們所的的值近似等于真實的路面力矩。 圖5.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒輪齒條的簡化模型 圖6.路面力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關系（試驗數(shù)據(jù)） 3. EPS控制邏輯 EPS系統(tǒng)的主要作用是減小轉(zhuǎn)向力矩與提高轉(zhuǎn)向回正性能。這兩項功能不需要同時起作用，在某一個瞬間只需要一個功能。例如，在J形轉(zhuǎn)向試驗中，輔助電機產(chǎn)生輔助力矩來減小駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩，通常，轉(zhuǎn)向盤會平滑的回到起始位置而不會引起回正力矩過大造成汽車發(fā)生連續(xù)振動，最終汽車將恢復直線行使。這一現(xiàn)象需要EPS系統(tǒng)提供兩個獨立的控制算法來滿足每一個行使狀況。 3.1. 減小轉(zhuǎn)向力矩的控制邏輯 當汽車轉(zhuǎn)向的時候由電機產(chǎn)生足夠而又適量的輔助力矩來幫助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。圖7為產(chǎn)生這種輔助力矩的轉(zhuǎn)向系控制系統(tǒng)方框圖。在力矩規(guī)律圖上（下面將要討論）首先通過行使條件來確定參考力矩。輔助電機然后產(chǎn)生合適的輔助力矩使得轉(zhuǎn)向力矩接近。例如，當路面輸入力矩為20Nm時設定為3Nm，駕駛員將提供3Nm的轉(zhuǎn)向力矩，輔助電機提供17Nm的輔助力矩到轉(zhuǎn)向軸上。如沒有動力轉(zhuǎn)向，駕駛員將提供20Nm的轉(zhuǎn)向力矩在轉(zhuǎn)向盤上。當然，在實際的行使條件下，負載轉(zhuǎn)矩無法測量，但是轉(zhuǎn)向力矩能夠由轉(zhuǎn)矩傳感器測量。因此用這種方式調(diào)節(jié)輔助電機使和之間的誤差達到最小。為了達到這個目的，我們使用了下面的PI控制方式： (8) K1和K2是PI控制增益。以這種方式產(chǎn)生的輔助力矩按照與駕駛員發(fā)出的力矩方向施加到轉(zhuǎn)向軸上。 圖7.減小轉(zhuǎn)矩的邏輯控制方框圖 這個系統(tǒng)最大的好處之一是引入了力矩規(guī)律圖，它根據(jù)車速V和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角來確定參考力矩。車速起著很重要的作用，因為駕駛員提供的轉(zhuǎn)向力矩隨著車速的不同而不同。比如說在低速情況下（停車時），為了方便轉(zhuǎn)向，助力系統(tǒng)要提供很大的力矩。在高速時，轉(zhuǎn)向力矩越大路感越強行使的安全性就越好。方向盤的轉(zhuǎn)角也很重要，因為它與負載力矩由如圖6所示的關系。 圖8為我們在試驗中所采用的力矩規(guī)律圖。在圖a中，在速度為0時為了轉(zhuǎn)向輕便將參考力矩T0設計的相當?shù)?，為了高速駕駛的安全性，參考力矩隨速度的增加而增大。因此駕駛員的轉(zhuǎn)向路感隨著車速的增加而增強。當車速到達極限車速時，參考力矩達到飽和值而不再增加，因此在高速時也能保持某些時候的轉(zhuǎn)向輕便；圖b所示為參考力矩隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，參考力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角成正比。參考力矩，車速，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的三維關系構成了力矩規(guī)律圖，它儲存在存儲器了以供使用。如圖9所示。使用力矩規(guī)律圖的一個好處在于參考力矩能夠隨著行使狀況和駕駛員的需求隨時修改。 3.2. 轉(zhuǎn)向回正性的控制邏輯 在行使過程中，當轉(zhuǎn)向盤發(fā)生轉(zhuǎn)向時，自動回正力矩能夠自然的使轉(zhuǎn)向盤回到中間位置。這種性能能夠為駕駛員回正方向提供方便，但如果其值過大又會破壞汽車的行使穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠依靠系統(tǒng)的慣性和摩擦提供一些阻尼，但是是處于被動的不是主動的提供阻尼。對于EPS系統(tǒng)來說，電機通過一定的控制能夠產(chǎn)生主動抑制阻尼。 (a) (b) 圖8.（a）依據(jù)車速確定參考力矩（b）依據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角確定參考力矩 圖9.推薦的力矩規(guī)律三維曲線 回正性能的控制策略被分為2個運算部分。一個是使車輪回到中間位置的回正過程的運算。這個過程的主要作用是使車輪快速準確的回到中間位置，因此在車輪受到恒定的摩擦阻力而使回正受阻是這項功能就相當有用。另一種算法是主動抑制算法，它使車輪在適當?shù)淖枘嶂禄氐街虚g位置，避免了經(jīng)常在高速情況下產(chǎn)生的振動。因此，將兩種算法加在一起就顯得比較理想。為了達到這個目的，在這篇研究中我們引入了PDI控制器： (9) K3,K4和K5為控制器增益。請注意方程式（9）里的PI部分，它為大方向轉(zhuǎn)角提供了很大的轉(zhuǎn)矩以供轉(zhuǎn)向控制，微分部分則提供主動阻尼，它隨著方向盤的角速度的增加而增加。調(diào)節(jié)控制增益就能獲得不同的控制特性。 4. 結果討論 使用這種控制邏輯能夠?qū)⒉煌男惺範顩r在硬件試驗設備上進行不同的仿真。一些典型的結果如下： 圖10為在方向盤轉(zhuǎn)角和車速恒定的情況下的仿真結果。參考力矩和負載力矩設定為恒定值分別為7.5Nm和30Nm。在有EPS邏輯控制下減小轉(zhuǎn)向力矩的試驗結果為：輔助電機提供22.5Nm的穩(wěn)定力矩，因此駕駛員感覺到的轉(zhuǎn)向力矩為7.5Nm。因此轉(zhuǎn)向力矩與參考力矩精確相符。 圖10.在車速和負載力矩恒定時轉(zhuǎn)向力矩和輔助力矩隨時間的關系 動態(tài)轉(zhuǎn)向的試驗結果如圖11。我們假設駕駛員以180的振幅5s為周期進行正旋輸入。負載電機按照方程（7）的結果發(fā)出負載力矩經(jīng)機架和小齒輪傳遞到轉(zhuǎn)向軸上。為了方便起見，我們設定轉(zhuǎn)向力矩隨時針為正。 在沒有動力輔助的時候，駕駛員需要提供相對較大和連續(xù)變化的轉(zhuǎn)向力矩來達到轉(zhuǎn)向的目的。但是有了動力輔助后，駕駛員提供的轉(zhuǎn)向力矩有很大程度的減小。另外，參考力矩設定的不同轉(zhuǎn)向力矩也不相同。因此產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)向路感。比如說，在參考力矩設定的很小的時候，駕駛員的路感很輕，參考力矩很大時駕駛員的路感很重。 圖11.轉(zhuǎn)向盤正旋輸入下的轉(zhuǎn)向力矩 圖12為有EPS系統(tǒng)下的參考力矩與轉(zhuǎn)向角的對應關系。在圖6我們知道，負載力矩與轉(zhuǎn)向角成比例，因此，在沒有動力轉(zhuǎn)向的情況下轉(zhuǎn)向力矩隨著轉(zhuǎn)向角的變化而發(fā)生很大的改變。但是在有EPS系統(tǒng)參與的情況下，轉(zhuǎn)向力矩在很大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)變化很小，如圖12。 接著，我們對EPS回正控制邏輯進行評價。圖13為在主動阻尼起作用時的回正性能曲線，在沒有阻尼控制時表現(xiàn)出回正過量，在有阻尼控制時沒有觀察到回正過量的情況，因為一些阻尼強加在車輪轉(zhuǎn)動的反方向。如果我們調(diào)節(jié)對方程（9）中微分起作用的阻尼控制增益，將得到不同的回正穩(wěn)定性能。比如在圖13中，曲線A比曲線B有更大的阻尼增益，因此轉(zhuǎn)向更為遲鈍。 圖12.轉(zhuǎn)向力矩隨轉(zhuǎn)向角的變化規(guī)律 圖13.方向盤轉(zhuǎn)角隨主動阻尼變化的響應 圖14.方向盤轉(zhuǎn)角控制輸入隨阻尼和回正控制的響應 雖然在主動阻尼的控制作用下不會出現(xiàn)回正過量的情況，但它使得回正速度減慢。另外，在主動阻尼的作用下，由于系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦使得車輪不能精確的回到中間位置。為了克服這種現(xiàn)象，基于方程（9）的PID控制被引入了，在產(chǎn)生阻尼力的同時產(chǎn)生了恢復力矩。圖14（a）表明與單獨的阻尼控制相比，有PID加入的控制的回正反映更快而起不會引起回正過量。圖14(b)表明在開始時采用恢復力控制后面采用主動阻尼控制時的控制輸入的控制情況。因此由不同比例的阻尼控制和回正控制能夠構成不同的回正特性。 5. 結論； 在這篇論文里，我們推薦了減小轉(zhuǎn)向力矩、保持不同路感以及轉(zhuǎn)向回正性能的控制邏輯。另外，力矩傳感器能夠測量轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，為EPS系統(tǒng)提供足夠準確的力矩值。回路仿真硬件系統(tǒng)HILS的研究能夠根據(jù)行使情況為轉(zhuǎn)向軸提供負載力矩，負載力矩的提供為EPS的邏輯控制的研究起了重要的作用。 EPS控制邏輯能夠減小轉(zhuǎn)向力矩，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤的力矩能夠由很大程度的降低。它也表明：轉(zhuǎn)向力矩也能參照由轉(zhuǎn)向力矩圖決定的參考力矩。 參考文獻 [1] Ribbens WB. 認識汽車電子產(chǎn)品。第四章 Sams,1992. 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