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畢業(yè)設(shè)計（論文） 論文題目：汽車電動助力轉(zhuǎn)向電動控制系統(tǒng)設(shè)計 班級 學(xué)號： 姓 名： 專 業(yè) 名 稱： 年 06 月 10 日 畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 畢業(yè)設(shè)計題目：汽車電動助力轉(zhuǎn)向電動控制系統(tǒng)設(shè)計 作者： 陳作超 指 導(dǎo) 教 師： 單位： 協(xié)助指導(dǎo)教師： 單位： 單位： 完成日期： 年 06 月 10 日 - 3 - 摘 要 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，是汽車動力轉(zhuǎn)向發(fā)展的必然趨勢。電動助力轉(zhuǎn)向采用電動機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元(ECU)控制。它能節(jié)約能量，提高安全性，且有利于環(huán)保，是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)。本文在借鑒國內(nèi)外電動助力轉(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)計三方面對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究， 研制出電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實驗平臺，并在其基礎(chǔ)上開發(fā)出系統(tǒng)的電控單元。本文對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)助力特性和控制策略進(jìn)行了研究。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。進(jìn)一步的仿真表明，采用簡單的直線型助力特性曲線無法同時滿足轉(zhuǎn)向輕便性和防止路面沖擊的要求，提出了對直線型助力特性進(jìn)行補償?shù)谋匾?。在此基礎(chǔ)上，確定了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略，并設(shè)計了電動機(jī)電流的閉環(huán)控制算法。本文設(shè)計的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)動電路、通訊電路等組成?？刂齐娐泛诵牟捎?16 位單片機(jī) 80C196KC。為了實現(xiàn)控制策略，對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計和編制，以實現(xiàn)在不同工況和不同模式下對直流電機(jī)的精確控制。 關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向；助力特性；控制策略；軟硬件設(shè)計 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 high-tech which follows modern vehicle development topic closely .In the foundation of the newest accomplishment 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 characteristic and control strategy，are studied. Assist characteristic is analyzed theoretically and the feature parameters of straight-line assist characteristic curve are studied. The simulation indicates the easy straight- line assist characteristic can’t generate desired static torque boost and avoid road disturbance at the same time. So it is necessary that compensation control should be used. And，based on the assist characteristic， the control strategy of EPS is described in detail and the algorithms is designed to control the motor current also. The EPS control system consists of the controller ， sensors and the signal processing circuits ， the electric motor nag its driving circuits ， communication circuit. 16-bit named 80C196KC is the core of controller. For the purpose to realize the control strategy，software design and code compiling are completed. Under different operation condition and different control modes，motor can be controlled precisely. Key Words：electric power steering，assist characteristic，control strategy， software and hardware design 目 錄 - 3 - 摘 要 1 Abstract 3 引 言 1 1 緒論 2 1.1 幾種動力轉(zhuǎn)向的比較 2 1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 3 1.2.1 國內(nèi)外EPS 系統(tǒng)發(fā)展歷程 3 1.2.2 各國對EPS 的評價及EPS 發(fā)展前景 4 1.3 本文的研究內(nèi)容 5 1.3.1 課題研究意義 5 1.3.2 研究內(nèi)容 5 1.4 小結(jié) 5 2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 6 2.1 EPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6 2.1.1 EPS 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 6 2.1.2 EPS 系統(tǒng)的分類 7 2.2 EPS 系統(tǒng)的主要部件及工作原理 7 2.2.1 電動機(jī) 7 2.2.2 車速傳感器 7 2.2.3 減速機(jī)構(gòu) 7 2.2.4 方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩傳感器 7 2.2.5 電子控制單元(EUC) 10 2.3 本章小結(jié) 10 3 EPS 系統(tǒng)助力特性分析和控制策略研究 11 3.1 助力特性分析 11 3.1.1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的受力分析 12 3.1.2 轉(zhuǎn)向阻力和路感 13 3.1.3 EPS 助力特性曲線確定 14 3.2 EPS 系統(tǒng)控制策略的研究 17 3.2.1 EPS 系統(tǒng)控制方法的選擇 17 3.2.2 電動機(jī)電流的控制方式 18 3.2.3 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 19 3.2.4 電動機(jī)電流的閉環(huán)控制算法 22 3.3 本章小結(jié) 24 4 EPS 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計 26 4.1 EPS 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 26 4.1.1 EPS 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 26 4.1.2 傳感器 26 4.1.3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 26 4.2 信號處理電路 28 4.2.1 I/O 轉(zhuǎn)換電路 28 4.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路 28 4.2.3 I/O 電動機(jī)電流轉(zhuǎn)換電路 29 4.3 EPS 控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 30 4.3.1 系統(tǒng)初始化模塊 30 4.3.2 主循環(huán)控制 30 4.3.3 信號處理模塊 30 4.3.4 控制功能模塊 31 4.3.5 主程序流程圖 31 4.4 本章小結(jié) 31 5 系統(tǒng)仿真建模及分析 32 5.1 EPS 系統(tǒng)的Simulink 模型 32 5.2 EPS 助力特性仿真研究 37 5.3 小結(jié) 42 參 考 文 獻(xiàn) 44 附錄A EPS 轉(zhuǎn)向力特性試驗紀(jì)錄表 45 附錄B EPS 控制系統(tǒng)程序流程圖 50 附錄C EPS 控制系統(tǒng)電路圖 56 致 謝 59 引 言 汽車在行駛的過程中，經(jīng)常需要改變行駛的方向，稱為轉(zhuǎn)向。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)一定角度來實現(xiàn)的。駕駛操縱用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專用機(jī)構(gòu)稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。常用的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為非動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。非動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又稱機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是以人的體力為動力源，其中所有的傳力器件都是機(jī)械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三部分組成，其中轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件，其性能的好壞直接影響汽車行駛的安全性和可靠性。汽車動力轉(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)。它是在駕駛員的操縱或控制下，借助于汽車發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的動力，將其轉(zhuǎn)換為液體壓力或氣體壓力并驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)；或者借助于電力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能進(jìn)行助力，從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向運動。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需要的力大部分由發(fā)動機(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;但在動力轉(zhuǎn)向失效時，駕駛員仍能通過機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向操縱。 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在輕便與靈活的矛盾，即“輕”與“靈”。為緩和這一矛盾，過去人們常將轉(zhuǎn)向器設(shè)計成可變速比，即在方向盤小轉(zhuǎn)角時以“靈”為主，在方向盤大轉(zhuǎn)角時以“輕”為主。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，并且傳動比不能隨車速變化，所以這種方法不能根本解決這一矛盾。 - 9 - 1 緒論 1.1 幾種動力轉(zhuǎn)向的比較 一般汽車在停車及車速很低時，方向盤的操縱感覺很沉重，中速時較輕快，車速增高時更加輕快，即所謂“方向發(fā)飄”，易出現(xiàn)方向失控?，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，只用增加傳動比的辦法來減少操縱力顯然是不合適的。一般認(rèn)為，方向盤的轉(zhuǎn)動圈數(shù)應(yīng)小于 5 圈，行駛時的操縱力矩不宜大于 20～29Nm，超過這個數(shù)值時，就應(yīng)該考慮使用動力轉(zhuǎn)向裝置。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照提供的動力方式的不同可以為以下三類：氣壓式、液壓式(又進(jìn)一步分為機(jī)械液壓式和電子液壓式)和機(jī)電式(又稱為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))。 氣壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的動力源為壓縮空氣(壓力一般為 0.6-0.SMPa)。由于其工作壓力較低，動力缸的體積大，工作靈敏性差，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，所以主要用于一部分前軸最大軸載重質(zhì)量為 3-7 噸，采用氣壓制動的客車和載貨車上。若用于載重質(zhì)量特大的貨車，將會造成部件尺寸過大而無法實現(xiàn)汽車的設(shè)計和安裝。此外，采用這種裝置的汽車，在高寒地區(qū)使用時，其輸氣管還易結(jié)冰而被堵塞，工作不夠可靠，而且，汽車下長坡進(jìn)行制動時，產(chǎn)壓波動大，工作不穩(wěn)定，故這種氣壓動力轉(zhuǎn)向裝置被采用的很少，有被淘汰的趨勢。 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓作為動力，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。液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前汽車上主要采用的轉(zhuǎn)向加力方式，其中較典型的有凌志、皇冠等高檔轎車上使用“漸進(jìn)式”動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Progressive Power Steering，簡稱PPS)；國內(nèi)桑塔納、富康和奧迪等幾種主要轎車也采用了液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓動力轉(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。 液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方式有機(jī)械液壓式和電子控制式兩種，其中電子控制式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electrie Hydraulie Power Steering，簡稱EHPS)是目前比較成熟的產(chǎn)品， 它利用電子傳感器把汽車運行中的各種非電量轉(zhuǎn)為電信號，采用微機(jī)精確的控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的壓力油流量，再由壓力油控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作。這個復(fù)雜的過程由電子控制單元(Elecrtic Control Unit，簡稱ECU)完成。EHPS 一般有機(jī)械裝置和電氣裝置兩部分組成。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。電氣部 分則有車速傳感器、電子控制單元ECU 以及安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)上的電磁閥組成。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)用于高級轎車及運動型乘用車上。在技術(shù)上電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計較普通液壓動力轉(zhuǎn)向器復(fù)雜一些，需考慮電氣部分如傳感器選型及布置、電磁閥特性、電液系統(tǒng)的藕合、轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng)及其算法設(shè)計以滿足不同車速下行駛穩(wěn)定性要求。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一類近些年出現(xiàn)的新型動力轉(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、電動機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時，扭矩傳感器測出施加在轉(zhuǎn)向軸的扭矩，并產(chǎn)生一個電壓信號，與此同時，速度傳感器測出汽車的速度，也產(chǎn)生一個電壓信號，這兩個信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后被送往控制器，經(jīng)過控制器運算處理后，傳動給電動機(jī)一個合適的電流以產(chǎn)生扭矩，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速以增加扭矩，施加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上得到一個與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS 相比，它具更突出的點： 1. 節(jié)能環(huán)保：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。 2. 高性能化：具有在各種不同的使用條件(路面和車速)下能獲得最佳路感、高速行駛穩(wěn)定性、低速轉(zhuǎn)向輕便性、抗干擾性強等優(yōu)點。 3. 可控性高：對于不同車型和使用要求，在基本上不變動硬件的條件下，只要改變軟件，就能滿足性能要求。 4. 重量輕：比液壓助力轉(zhuǎn)向輕 20%左右。 5. 成本低：批量生產(chǎn)后總成本比液壓助力轉(zhuǎn)向低。 1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)外EPS 系統(tǒng)發(fā)展歷程 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最早是由日本研制成功的。1988 年 2 月首次安裝在日本鈴木汽車公司的塞爾沃轎車上。此后世界各大汽車公司投入大量的人力、物力，開展電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究。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。德國的FZ 公司在第五屆和第六屆國際汽車博覽會上展出了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，韓國的萬都公司在 2003 年上海國際汽車博覽會上也展出了自己的EPS。 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。等中型轎車己經(jīng)安 裝EPS，本田甚至還在其AcuraNXS 賽車上裝備了EPS。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。新一代的EPS 則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提供汽車的操縱穩(wěn)定性。 與國外相比，我國的電動轉(zhuǎn)向研究在很長的一段時間里是空白，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，帶動了國內(nèi)電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)的熱潮。目前國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)十家大專院校和國營、民營企業(yè)開發(fā)該產(chǎn)品，并取得了一定的進(jìn)展。雖然各方面對電動轉(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，仍處在探討實踐中，尚需進(jìn)行試驗確認(rèn)，EPS 的批量國產(chǎn)化工作還有一個模索的過程。 1.2.2 各國對EPS 的評價及EPS 發(fā)展前景 美國德爾福公司宣稱，“EPS 系統(tǒng)表明我們有能力向全世界的用戶提供尖端的先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是德爾福下一代精品的代表作?！? 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。 英國的盧卡斯公司認(rèn)為：EPS 是轎車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)未來的發(fā)展方向，對于HPS 來說無疑是一場技術(shù)革命。 日本本田公司認(rèn)為:EPS 完全具備了作為二十一世紀(jì)汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的必要條件。電子控制是汽車各個系統(tǒng)信息交換不可缺少的手段，由此車輛的各個系統(tǒng)才能向高度集成的綜合性控制性方向發(fā)展。 2000 年 9 月，我國科技部、財政部和國家稅務(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。 EPS 的前景是可觀的，首先在注重環(huán)保和石油資源的國家，如日本和歐洲各國將獲得快速推廣。 據(jù)美國德爾福公司預(yù)測，2001 年后，頂級轎車將全部安裝EPS。TRW 公司估計， 到 2010 年，全世界轎車的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，EPS 占 1/3。 德國FZ 公司估計，2001 年以后，歐洲市場EPS 的供銷量約占 3%。 英國盧卡斯公司認(rèn)為，EPS 在轎車上正在成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是選裝件，自 1996 至 2006 年，歐洲市場上的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。2005 年，EPS 的產(chǎn)量由 2001 年的 150 萬套增加到 800 萬套，到 2007 年將達(dá)到 1140 萬套，即產(chǎn)量正以 130-150 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。 1.3 本文的研究內(nèi)容 1.3.1 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(jī)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(jìn)一步的提高。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。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(yuǎn)意義。 1.3.2 研究內(nèi)容 研究內(nèi)容包括： 1、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(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；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。 2、根據(jù)控制策略對EPS 系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的實現(xiàn)。 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。 1.4 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。 2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu) 2.1 EPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 2.1.1 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(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU) 成。它是一種直接依靠電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 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(jī)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(jī)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。 2.1.2 EPS 系統(tǒng)的分類 根據(jù)汽車前軸負(fù)荷的不同，助力電機(jī)的安裝位置也不同。當(dāng)前軸負(fù)荷較小時，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，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，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。 2.2 EPS 系統(tǒng)的主要部件及工作原理 2.2.1 電動機(jī) 電動助力轉(zhuǎn)向的助力電動機(jī)早期曾用過有刷電動機(jī)，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(jī)。電動機(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)。此外，在選擇電動機(jī)時，必須考慮其噪聲和振動對駕駛員的影響。 2.2.2 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(xì)論述。現(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。 2.2.3 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。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(jī)構(gòu)。必須注意，減速比的大小和電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)動慣量和前橋載荷有關(guān)。 2.2.4 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(jī)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(jìn)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(jìn)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 2-2 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。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓魉偷娇刂破鱁CU。 (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 2.2 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 送到控制器的轉(zhuǎn)矩信號分為主、副兩路。位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性如圖 2-3 示。 當(dāng)方向盤處于中間位置時，主、副兩路輸出的信號都為 2.5 V；當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn) 矩信號大于 2.5 V，副轉(zhuǎn)矩信號小于 2.5 V；當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時，主轉(zhuǎn)矩信號小于 2.5 V， 副轉(zhuǎn)矩信號大于 2.5 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. 3 電位式轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出特性 2.2.5 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(jìn)行邏輯分析與計算后，發(fā)出指令，控制電動機(jī)和電磁離合器的動作。此外，EUC 還有安全保護(hù)和自我診斷功能，ECU 通過采集電動機(jī)的電流、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)動機(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，助力將自動取消，同時EUC 將進(jìn)行故障自診斷分析。ECU 通常是一個 8 位單片機(jī)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。控制算法應(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。 2.3 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。 - 19 - 3 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(jī)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(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。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(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(jìn)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(jī)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?？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。控制過程如下：首先由控制參數(shù)決定控制模式，進(jìn)一步由控制模式的特性曲線決定電動機(jī)目標(biāo)電流，然后對電機(jī)實際輸出的電流進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)對目標(biāo)電流的跟蹤。 3.1 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(jìn)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(jī)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(jìn)行控制。 3.1.1 汽車電動助力轉(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、電動機(jī)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(jī)助力下，通過轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)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(jìn)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?！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?！稗D(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?！稗D(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(fù)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?！袄@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(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的阻力矩。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。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)形成自動回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進(jìn)方向趨向一致。這樣行車轉(zhuǎn)向中所受轉(zhuǎn)向阻力矩就大致和原地轉(zhuǎn)向時相仿。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。因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦系數(shù)、車速和車輪偏轉(zhuǎn)角等。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。同時輪胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將增大。 3) “電動機(jī)助力矩”是由電動機(jī)為了提高汽車操縱的輕便性而對轉(zhuǎn)向系外加的力矩。它的大小由EPS 的ECU 根據(jù)傳感器傳來的車速和力矩信號來決定。 3.1.2 轉(zhuǎn)向阻力和路感 汽車轉(zhuǎn)彎時，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。這回正力矩除以傳動比，就是駕駛員為了使汽車轉(zhuǎn)彎所經(jīng)常需要克服的力矩。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)、各個球頭的摩擦力矩以及原地轉(zhuǎn)向時輪胎與地面的摩擦力矩等。 駕駛員在轉(zhuǎn)向時所需克服的阻力矩包括兩個主要部分：一是回正力矩；二是摩擦力矩。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?！鞭D(zhuǎn)向輕意味著減少駕駛員的體力消耗，從這個意義上說，當(dāng)然是越輕越好。但是轉(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車的運動狀態(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應(yīng)關(guān)系，這就是所謂的“路感”。如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到，“心中有數(shù)”。如果轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力太小了，“路感”也就沒有了。所以從這個意義上說，“轉(zhuǎn)向力又不能太小”。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。然而各種摩擦力矩的大小也存在另一方面的制約。通常，如果逆?zhèn)鬟f的摩擦力太小，也會增大不平路面對轉(zhuǎn)向盤的沖擊。為了減小所謂的“反沖”，有時故意追求較低的轉(zhuǎn)向機(jī)的“逆效率”，這種做法肯定要以減少“路感”為代價。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦的存在，對轉(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”。理想的設(shè)計應(yīng)該是盡量降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干摩擦，以盡量提高“信噪比”；而為了減小路面沖擊的傳遞，靠裝設(shè)與速度成比例的液力阻尼器。因為轉(zhuǎn)彎運動總是低頻的，而路面沖擊總是以高頻為主的，這種阻尼器對低頻的信息沒有影響，而對瞬時的高頻沖擊卻可產(chǎn)生很大的阻力，從而使路面的沖擊傳不到轉(zhuǎn)向盤上來。此外， 在回正力矩作用小(主要是拖距)的情況下往往會增加高速撒手運動(力輸入運動)的振蕩傾向。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。 根據(jù)以上分析，理想的助力特性應(yīng)包括以下三個方面：一、要使汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的輕便性；二、要使駕駛員能獲得足夠高的“信噪比”；三、要防止路面對方向盤的反向沖擊過大。 3.1.3 EPS 助力特性曲線確定 1. 非助力裝置的輸入輸出特性汽車轉(zhuǎn)向行駛時，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(滾動和滑動的)；主銷后傾角與主銷內(nèi)傾角所形成的回正力矩；轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)中存在的各種類型的摩擦力和力矩。此外，轉(zhuǎn)向阻力還與其它因素有關(guān)，如車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑、風(fēng)阻以及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速等。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，駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤比較輕松；反之則較沉重。由此，可以定性建立轉(zhuǎn)向阻力Mu 與這些影響因素之間的一個函數(shù)關(guān)系 ： Mu = f (u, Ff , Fw , r.zs) （3.1） 式中,U-車速，F(xiàn)f-滾動阻力，F(xiàn)w-空氣阻力，r-轉(zhuǎn)彎半徑，zs-轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)向時駕駛員施加在轉(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。當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力矩增大時，駕駛員相應(yīng)的增加操舵力矩，即增加駕駛員的勞動強度，有：M0=KM1 中K 是由系統(tǒng)傳動比和傳動效率決定的常量，它反映了轉(zhuǎn)向輕便性的程度。其輸入輸出特性如圖所示，圖中實線為正向傳動的特性；虛線為反向傳動的特性。 M1 圖 3.2 輸入輸出特性 2. 帶助力裝置的輸入輸出特性 在系統(tǒng)中采用助力裝置時，用MS0 表示駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上的操舵力矩，MU 表示某一時刻系統(tǒng)克服的轉(zhuǎn)向阻力矩(與系統(tǒng)的輸出力矩等值)，MZU 表示助力系統(tǒng)提供的力矩，則三者應(yīng)有如下關(guān)系： Mu = K (M so + M zu ) （3.2） 式中K 由系統(tǒng)傳動比和傳動效率確定。 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，如圖 3.3 所示。圖中的直線 1 表示無助力裝置的輸入輸出特性；曲線 2 表示助力裝置的助力特性；曲線 3 表示帶助力裝置的輸入輸出特性，即直線 1 與曲線 2 的疊加。對于曲線2，Mio 表示助力裝置開始助力時的轉(zhuǎn)向盤操舵力矩，Mimax 表示助力裝置提供最大助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。 圖 3.3 帶助力裝置的輸入輸出特性 圖 3.3 中曲線 2 呈非線性特性，這將使系統(tǒng)的控制變得復(fù)雜。為簡化系統(tǒng)，用直線代替助力曲線?？梢赃x擇直線型和折線型兩種形式如圖 3.4。 圖 3.4 助力曲線 2 的兩種簡化形式 3. EPS 系統(tǒng)助力特性曲線的確定方法 EPS 系統(tǒng)助力特性曲線的確定包括兩個層面的問題：一是在某一特定車速下輸入轉(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。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坐標(biāo)Mimid 的確定。 直線型助力曲線的確定需要確定三個參數(shù)：助力裝置開始助力時的轉(zhuǎn)向盤操舵力矩 Mio。助力裝置提供最大助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩Mmxa，助力特性曲線梯度K。 Mio 和Mmxa 與駕駛員的主觀感覺有關(guān)，可以根據(jù)設(shè)計者和駕駛員對轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求，通過試驗獲得。 助力特性曲線梯度 K 關(guān)系到 EPS 系統(tǒng)的靜態(tài)特性。因為轉(zhuǎn)向阻力的影響因素眾多，無法精確確定，所以決定了K 最終需要理論分析結(jié)合試驗調(diào)試來確定。文獻(xiàn)[18]提供了汽車原地轉(zhuǎn)向時的轉(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。 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。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。一般來說，裝有助力裝置的系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的不悖于駕駛員原有的駕駛習(xí)慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。針對EPS 的特點，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。 (1) 隨著車速的不同，得到一簇助力曲線。車速越低，提供的轉(zhuǎn)向助力越大，低車速轉(zhuǎn)向時提高轉(zhuǎn)向輕便性。 (2) 助力曲線有轉(zhuǎn)向助力死區(qū)，在轉(zhuǎn)向力矩較小的區(qū)域，提供的轉(zhuǎn)向助力為零，且在不同車速時，開始助力的時機(jī)不同，以保證具有足夠的路感。 (3) 提供不同助力比的轉(zhuǎn)向助力區(qū)。不同車速轉(zhuǎn)向時，助力電機(jī)提供不同助力比，高車速轉(zhuǎn)向時的助力比小，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。 (4) 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩達(dá)到某一值時，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。 圖 3.5 理想的助力特性曲線 3.2 EPS 系統(tǒng)控制策略的研究 3.2.1 EPS 系統(tǒng)控制方法的選擇 轉(zhuǎn)向過程中，汽車車速和方向盤轉(zhuǎn)矩變化范圍很大，不同的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，需要不同的控制模式和控制方法。同時控制算法應(yīng)該快速準(zhǔn)確，滿足實時控制的要求，能夠有效的實現(xiàn)理想的助力特性和控制規(guī)律。EPS 系統(tǒng)的控制目的主要有： ①能有效的減小轉(zhuǎn)向操縱力，并提供與手動轉(zhuǎn)向一致的、可控的轉(zhuǎn)向感覺； ②提高轉(zhuǎn)向盤回正特性，低速轉(zhuǎn)向后方向盤能迅速準(zhǔn)確的回到中位，高速回到中位時避免震蕩和擺振。 這兩種控制目的不是同時實現(xiàn)的，EPS 系統(tǒng)根據(jù)不同的行駛條件，選擇控制算法實現(xiàn)不同的控制目的。如車輛進(jìn)行“J”字型轉(zhuǎn)向行駛時，先需要電機(jī)提供助力減輕駕駛員員操縱力；再重新回到直線行駛時需要方向盤平滑的、無震蕩的回到中間位置。 對于EPS 系統(tǒng)第一個控制目的的實現(xiàn)有三種控制方法： 1、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。該方法利用電機(jī)電壓開環(huán)控制原理，將轉(zhuǎn)矩傳感器檢測的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)速傳感器檢測的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速信號以及車速信號經(jīng)過處理后分別輸入到單片機(jī)中，有不同車速下的轉(zhuǎn)矩表和轉(zhuǎn)速表查表得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)過計算后得出最佳PWM 占空比，通過調(diào)整占空比的大小，控制電機(jī)電樞平均電壓，驅(qū)動動力回路中的功率電路實現(xiàn)電機(jī)助力。 該控制方法為開環(huán)控制，其特點是控制系統(tǒng)設(shè)計簡單，容易實現(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)無法實現(xiàn)負(fù)載變化對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響。 2、電機(jī)電樞電流控制法 電機(jī)電樞電流控制方法利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流成比例的特性，由轉(zhuǎn)矩信號和車速信號輸入控制器單片機(jī)中，根據(jù)預(yù)制的“轉(zhuǎn)矩一電動機(jī)助力目標(biāo)電流表”確定出電機(jī)助力的目標(biāo)電流，電流檢測電路將電機(jī)電樞電流反饋到控制器中并與電機(jī)目標(biāo)電流相比較， 利用PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出PWM 信號給驅(qū)動電路進(jìn)行助力。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)。該控制方法可省略方向盤轉(zhuǎn)速傳感器，采用電機(jī)電流閉環(huán)控制，其突出的優(yōu)點是控制精度高，抗干擾性強。 3、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩直接控制法 上述兩種方法是通過對電機(jī)的控制來實現(xiàn)對轉(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。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩控制法就是直接以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩為控制量進(jìn)行控制。將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角傳感器測得的轉(zhuǎn)向角信號和車速信號輸入控制器中，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)矩傳感器將實際轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號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 信號給驅(qū)動電路進(jìn)行助力?？刂七^程與電機(jī)電樞電流控制法類似，但多用了轉(zhuǎn)向角傳感器。本系統(tǒng)采用電機(jī)電樞電流控制方法實現(xiàn)助力控制。對于 EPS 系統(tǒng)第二種控制目 的，限于實驗條件不能很好模擬實際車輛的轉(zhuǎn)向過程，僅僅設(shè)計了簡單的控制方法，回正時減小目標(biāo)電流，方向盤在中位時對電機(jī)制動。 3.2.2 電動機(jī)電流的控制方式 在控制電路中，電動機(jī)的電流的調(diào)節(jié)是利用PWM 控制技術(shù)通過調(diào)節(jié)電樞電壓實現(xiàn)的。由于EPS 系統(tǒng)要求電動機(jī)能夠正反向運轉(zhuǎn)，因此電動機(jī)控制電路中設(shè)計了一個H 橋式斬波電路。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)動時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。圖 3.6 和 3.7 所示的為H 橋結(jié)構(gòu)部分，有四個功率開關(guān)和四個續(xù)流二極管組成。 圖 3.6 H 型雙極可逆PWM 驅(qū)動 圖 3.7 H 型受限單極可逆PWM 驅(qū)動 雙極方式的特點是四橋臂對角線兩組開關(guān)分別控制，V1 和V4 為一組同時導(dǎo)通或關(guān)斷，V2 和V3 為一組，也同時導(dǎo)通和關(guān)斷，在任時刻最多只允許有一組是導(dǎo)通的。最簡單的控制室，在一個開關(guān)周期內(nèi)，首先第一組導(dǎo)通，電動機(jī)兩端A 和B 施加正向電壓，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙M導(dǎo)通，電動機(jī)兩端施加反向電壓。由兩種狀態(tài)所占的時間份額多少決定平均電壓是正還是負(fù)，平均電流是正向還是負(fù)向。當(dāng)兩種狀態(tài)相等時，相當(dāng)于平均電壓為 0，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。 單極方式的四M 控制是這樣的：要正轉(zhuǎn)時，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，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，電動機(jī)端電壓的極性不變，因此成為單極方式。 對于受限單極方式的PWM 控制，在正轉(zhuǎn)時，V4 導(dǎo)通，V2 和V3 截止，僅Vl 受PWM 調(diào)制；在反轉(zhuǎn)時，V2 導(dǎo)通，V1 和V4 截止，僅V3 受PWM 調(diào)制。這種工作方式上下橋臂沒有直通的危險，工作可靠性比較高。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動方式。 3.2.3 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 1、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)把電動機(jī)轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)向軸上的一種基本控制模式。利用方向盤轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)矩信號和車速傳感器檢測到的車速信號輸入控制器中，根據(jù)存儲在控制器的“轉(zhuǎn)矩—電動機(jī)助力目標(biāo)電流表”，確定電動機(jī)助力的目標(biāo)電流，通過電動機(jī)電流控制器控制電動機(jī)輸出力矩。EPS 系統(tǒng)在進(jìn)行助力控制時，功率驅(qū)動單元的電路如圖 3.8。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時，V1 導(dǎo)通，V4 進(jìn)行PWM 控制。左轉(zhuǎn)時V3 導(dǎo)通，V2 進(jìn)行PWM 控制。 圖 3.8 助力控制驅(qū)動電路 2、補償控制 為了降低助力增益的增加對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，需要引入微分控制，使得當(dāng)助力增益增加時，相對阻尼系數(shù)不降低較多，保證系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性?？筛鶕?jù)轉(zhuǎn)向作用力的變化率，沿力矩變化的方向產(chǎn)生補償。由于EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較大，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤快速轉(zhuǎn)向時為了增強系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，引入電動機(jī)轉(zhuǎn)速對目標(biāo)電流進(jìn)行補償。 3、回正控制 回正控制是改善轉(zhuǎn)向回正特性，更好地符合汽車動態(tài)特性的一種控制模式。汽車在轉(zhuǎn)向回正時，轉(zhuǎn)向輪主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角使得轉(zhuǎn)向輪具有自動回正的作用。 汽車在低速行駛時，由于側(cè)向加速度比較小，回正力矩也較小，因此必須在低速行駛轉(zhuǎn)向回正過程中進(jìn)行控制，使車輪能迅速回到直線行駛或者中間位置，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的回正性。汽車在高速行駛時，側(cè)向加速度比較大，回正力矩也較大，為了提高汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，必須控制回正速度，使汽車轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)超調(diào)和左右擺動的現(xiàn)象。 在回正過程中，方向盤上的力是逐漸減小的，若仍然按助力控制時的助力特性可能會導(dǎo)致低速不能回到中間位置，高速時出現(xiàn)超調(diào)。因此電動機(jī)目標(biāo)電流需要根據(jù)回正助力特性來確定。低速時迅速衰減助力電流，高速時逐漸衰減助力電流。 - 29 - 圖 3.9 回正助力特性曲線 圖 3.10 回正控制驅(qū)動電路 利用方向盤力矩微分值判斷是否處于回正狀態(tài)。EPS 系統(tǒng)在進(jìn)行回正控制時，電動機(jī)電流由回正助力特性曲線決定。功率驅(qū)動單元的電路與常規(guī)助力控制相同如圖。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)回正時，V1 導(dǎo)通，V4 進(jìn)行PWM 控制。左轉(zhuǎn)回正時V3 導(dǎo)通，V2 進(jìn)行PWM 控制。 4、電動機(jī)中位控制 當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)向回正到中間位置附近時，一方面由于電動機(jī)的慣性使得操縱系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)間操縱系統(tǒng)的慣性大，轉(zhuǎn)向回正時不容易收斂；另一方面，車輛高速行駛時，由于路面的偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大，傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大，為了抑制這種橫擺振動，必須在中位進(jìn)行控制，以提高汽車運行時的高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性。 直流電動機(jī)的等效電路可簡化為U = RI + Kb Nm ，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm = Ka I ，所以有 U = RTm + K N Ka b m  （3.3) 當(dāng)電源短路時則有： T = - Kb Ka N m R m  (3.4) 該式表明當(dāng)電源短路時，電動機(jī)的力矩表現(xiàn)為制動力矩，與電動機(jī)的方向相反，轉(zhuǎn)速成比例。采用電機(jī)中位控制時，只需將電動機(jī)輸出為制動狀態(tài)，就可使電動機(jī)產(chǎn)生阻 尼效果。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)矩較小，進(jìn)入助力死區(qū)(意味著此時轉(zhuǎn)向盤已經(jīng)回到或接近中間位置)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度比根據(jù)當(dāng)前車速得到的某特定值大時，對電機(jī)進(jìn)行中位控制。 EPS 系統(tǒng)在中位進(jìn)行控制時，如圖 3.11 V2 和V4 同時導(dǎo)通，Vl 和V3 關(guān)斷，實現(xiàn)中位控制。當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，制動轉(zhuǎn)矩消失，控制結(jié)束。 在電機(jī)中位控制中需要電動機(jī)轉(zhuǎn)速(或方向盤轉(zhuǎn)速)信號，但一般的EPS 系統(tǒng)沒有這兩個信號，需要利用現(xiàn)有的傳感器信號對其估算。一般有兩種方法。一種是利用角度傳 感器信號的微分運算獲得；另一種是由U = RI + Kb Nm 推出 N = U - RI 。也就是說轉(zhuǎn) m K b 速信號可用電動機(jī)電壓和電流進(jìn)行估算，在本系統(tǒng)中沒有角度傳感器信號，只有采用第二種方法。 圖 3.11 中位控制驅(qū)動電路 對于受限單極方式的PWM 控制，在正轉(zhuǎn)時，V4 導(dǎo)通，V2 和V3 截止，僅Vl 受PWM 調(diào)制；在反轉(zhuǎn)時，V2 導(dǎo)通，V1 和V4 截止，僅V3 受PWM 調(diào)制。這種工作方式上下橋臂沒有直通的危險，工作可靠性比較高。本系統(tǒng)采用這種驅(qū)動方式。 3.2.4 電動機(jī)電流的閉環(huán)控制算法 在目標(biāo)電流決定以后，為了使電動機(jī)的實際工作電流能迅速跟蹤目標(biāo)電流，就必須設(shè)計一個目標(biāo)電流跟蹤器。PID 控制器是成熟的控制策略之一，算法簡單，且易于通過編程實現(xiàn)，大量的工程實踐證明了其可靠性。 1、數(shù)字PID 控制算法 PID(比例、積分、微分)控制由于其原理簡單、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點是不需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型