电动助力转向系统分析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,车辆系统动力学,EPS系统概述及EPS系统模型的建立,车辆系统动力学EPS系统概述及EPS系统模型的建立,电动助力转向系统(Electric Power,Assisted Steering，EPAS或EPS),电动助力转向系统(Electric Powe,内容简介,1,、动力转向系统的发展历程,2、EPS,系统的国内外研究状况,及关键技术,3、EPS系统的发展趋势,4、EPS,系统组成及模型,的,建立,（重点）,内容简介,1,、,动力转向系统的发展历程,动力转向系统的发展大致经历了常规液压动力转向系统、电子控制液压动力转向系统、电动助力转向系统三个发展阶段，并且有继续向电子化和智能化方向发展的趋势。,(1)常规液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering,HPS),HPS一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件组成。它依靠转向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道面积来提供可变助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向盘角度有关。转向盘转过的角度越大，液压系统提供的助力也就越大。,这类动力转向系统无论汽车是否有转向操作，系统总要处于工作状态，所以能耗较,高，而且在转向盘大转向、低车速时，需要液压泵输出更大的功率以获得较大的助力。而由于液压泵的压力较大，这样就比较容易损害助力系统。另外，这类动力转向系统结构复杂、容易产生泄露，而且不易安装与维护，转向力也不易有效控制。,1、动力转向系统的发展历程 动力转向系统的发,1,、,动力转向系统的发展历程,图,1,1,常规液压转向系统,1、动力转向系统的发展历程 图11常规液压转向系统,1,、,动力转向系统的发展历程,(2)电子控制式液压动力转向系统(Electronic Hydraulic Power Steering，EHPS),EHPS一般由机械装置与电气装置两部分组成。机械装置由转向器(包括控制阀、压力腔及助力缸)、油泵及管路组成。电气装置部分则由车速传感器、电子控制单元ECU及电磁阀组成。该系统通过传感器将汽车运行过程中的各种非电量信号，比如车速信号转变成电信号，并由ECU判别汽车的运行状态，以此来控制电磁阀线圈的电流，从而控制动力转向系统中压力油的流量，再由液压油控制执行机构进行转向动作。,然而，EHPS存在着油泵持续工作造成多余能量消耗、整个液压系统占用空间大、容易泄露、噪声大等缺陷，而且增加的车速检测控制装置以及阀的结构要比lIPS系统更复杂，致使成本较高，所以目前主要应用于高级轿车及运动型车辆上。,1、动力转向系统的发展历程,1,、,动力转向系统的发展历程,图,1,2,电子控制式液压动力转向系统,1、动力转向系统的发展历程 图12电子控制式液压动力转向,1,、,动力转向系统的发展历程,(3)电动助力转向系统(Electric Power Assisted Steering，EPAS或EPS),电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上增加了信号传感器装置、电子控制装置及转向助力机构等装置。电动助力转向系统的主要功能是使用电力驱动执行机构，在不同的驾驶条件下为驾驶员提供适宜的辅助转向力。,经过多年的探索，电动助力转向系统作为一种全新的动力转向技术进入了业界的视野，并且很快便成为动力转向系统研究和开发的热点。,电动助力转向系统将最新的电力电子技术与高性能的电机控制等技术应用于汽车转向系统，该系统能显著改善汽车动态性能与静态性能、提高驾驶员的舒适性和安全性，而且能减少环境污染。因此，该系统必将成为未来转向系统的主流，与其他转向系统相比，该系统具有如下优势：,(1)降低了燃油消耗,；,1、动力转向系统的发展历程,1,、,动力转向系统的发展历程,图,1,3,电动助力转向系统,1、动力转向系统的发展历程 图13电动助力,1,、,动力转向系统的发展历程,(2)增强了转向跟随性,；,(3)改善了转向回正特性；,(4)提供可变的转向助力；,(5)提高了车辆的操纵稳定性；,(6)能源“绿色”、环保，符合现代汽车的发展要求；,(7)系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越；,(8)生产线装配性好。,近几年来，随着电子技术和传感器技术的发展和硬件成本的大幅度下降，加之电动助力转向系统本身的诸多优点，电动助力转向系统及其相配套部件的研究和开发愈来愈备受到各主要汽车生产企业的重视。,1、动力转向系统的发展历程,2、EPS,系统的国内外研究状况,及关键技术,2.1、EPS,系统的国内外研究状况,2.2,、EPS,系统的关键技术,2、EPS系统的国内外研究状况及关键技术,2.1、EPS,系统的国内外研究状况,2.1、EPS,系统的国内外研究状况,在国外，EPS系统首先是在小排量轿车上发展起来的。上世纪80年代初期，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统，随后还应用在其Alto车上。此后，EPS在日本得到迅速发展。出于节能环保的考虑，欧、美等国的汽车公司也相继对EPS进行了开发和研究。虽然比日本晚了10年时间，但是欧美国家的开发力度比较大，所选择的产品类型也有所不同。,在此之后，电动助力转向系统得到迅猛发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、NSK和Koyo公司、美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司，德国的ZF公司、英国的Lucas公司都相继研制出各自的EPS。在世界汽车行业中，EPS的年增长量达到130万,150万套。目前，国外中型以上的货车和中级以上的轿车上几乎都广泛采用这一技术装置。,2.1、EPS系统的国内外研究状况 2.1、EPS系统的,2.1、EPS,系统的国内外研究状况,EPS技术研究经过二十多年的发展，已经日趋完善，研究方法和研究手段不断进步，控制方法和控制策略更加完善,。,目前国外的研究主要集中在细节上对助力特性、操纵性能等的进一步优化，而且设计出了操作模拟器来对EPS系统的控制策略进行评估。在对控制策略的研究上，国外侧重于选择基于PID的补偿和回正控制策略，对于模糊控制,、H,控制,也有研究。,国内汽车厂商起步较晚，但开发速度很快，在轿车EPS系统开发上已有成果。,2002年北斗星汽车在国内首次安装进口的EPS带动了电动助力转向系统的研究和开发，国内学者才开始研制开发汽车EPS产品，我国的EPS控制系统的研究与开发工作尚处在起步阶段，少数高校和研究机构从事该课题的研究，主要处于实验室研发阶段。,2.1、EPS系统的国内外研究状况,2.1、EPS,系统的国内外研究状况,国内对于EPS系统的研究主要集中于控制算法上，常见的有常规PID控制、基于PID的补偿和回正控制、基于PID的智能控制(即PID控制结合智能控制如模糊控制、神经网络技术等)、单一的智能控制方法、H,控制等。清华大学、吉林大学、天津大学、合肥工业大学、华南理工大学、华中科技大学、河南科技大学等高校也开展了EPS系统结构方案设计、系统建模、控制策略以及动力学分析等研究。国内在对EPS系统动力学分析与仿真研究方面，虽然已经建立起了理论体系，但是在一些细节方面如对转向阻力的模拟、路面谱及轮胎特性等方面还有待进一步的研究。,总体来说，国内近年来对EPS系统的研究发展很快，特别是在控制策略方面，然而在对具体细节的优化上，与国外还是有相当大的差距。虽然目前国内已有一些具有自主知识产权的EPS产品出现，但是距离EPS系统的批量生产、装备还有很长的路要走。,2.1、EPS系统的国内外研究状况,2.2、EPS,系统的关键技术,2.2、EPS,系统的关键技术,EPS系统研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术(包括助力控制，回正控制，阻尼控制)以及系统与整车性能等多方面的难题。,电动机驱动技术：系统中电机要求端电压低而功率相对较高所以电动机电流较大这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难，这是EPS开发的关键技术之一。,非接触传感器技术：系统中的转矩传感器要求结构简单，工作可靠、价格便宜、精度适中，目前国外EPS系统中的转矩传感器多为非接触式、电磁感应式、光电式等，而接触式转矩传感器应用较少，国内非接触式传感器价格较高，不适合用于系统中必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。,2.2、EPS系统的关键技术 2.2、EPS系统的关,2.2、EPS,系统的关键技术,转向控制技术：系统在原有的机械式，转向系统中增加了电机和减速器使转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响同时为了更好的路感必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力。,系统与整车性能相匹配：汽车是由各系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，汽车某个子系统改变时整车性能也产生了相应变化，因此必须对系统与其它子系统进行配合，使整车性能达到最优。,2.2、EPS系统的关键技术,3、EPS系统的发展趋势,EPS系统的发展趋势:,经过多年的发展，电动助力转向系统在降低自重、降低生产成本、减少电流消耗与内部摩擦、获得合理的助力特性以及保证路感方面都取得了重大的进步。电动助力转向系统在操纵稳定性、行驶安全性、节能环保等方面都充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍认可。随着直流电动机性能的改进与提升，EPS系统得助力能力将得到进一步提高，其应用范围也将继续拓宽。EPS系统代表着未来动力转向技术的发展方向，其将有可能作为标准件装备到汽车上，并将在动力转向技术领域占据重要的地位。,就目前电动助力转向系统的发展情况来看，其未来的发展趋势主要在以下方面：,3、EPS系统的发展趋势 EPS系统的发展趋势:,3、EPS系统的发展趋势,(1)改进控制系统性能及降低控制系统制造成本,。,(2)将迸一步提高系统的可靠性。,(3)EPS系统的控制信号将不再仅仅局限于车速、转矩，而是根据转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合的综合控制，以此获得更好的转向路感。,(4)将实现EPS系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系，以实现整车电子控制系统的一体化。,(5)将进一步提高汽车的安全性。采用电动助力转向系统后，驾驶室将会有更大的空间用于布置被动安全装置，减少了危险发生时对乘员的伤害。,放眼未来，电动助力转向系统将朝着更纯粹的电子化与智能化的方向发展。,3、EPS系统的发展趋势 (1)改进控制系,4、EPS,系统组成及模型,的,建立,4,1,EPS,系统组成及其工作原理,4,2 EPS,系统,的结构类型,4,3 EPS,系统模型,的,建立,4,3.1,汽车动力学模型的简化,4,3.,2,EPS系统物理模型的建立,4、EPS系统组成及模型的建立,4,1,、EPS,系统组成及其工作原理,4,1,EPS,系统组成及其工作原理,电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上增加了信号传感器装置、电子控制装置及转向助力机构等构成的。电动助力转向系统的主要原理是使用电力驱动执行机构，实现在不同驾驶条件下为驾驶员提供适宜的辅助力。系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元(ECU)、车速传感器与转矩传感器、助力电动机、减速机构等。其工作原理如图,4.1,所示。,41、EPS系统组成及其工作原理 41,4,1,、EPS,系统组成及其工作原理,图,4,1,41、EPS系统组成及其工作原理图41,4,1,、EPS,系统组成及其工作原理,具体,工作过程是：,汽车处于转向状态时，驾驶员操纵方向盘转向，装在转向柱上的方向盘扭矩一转角传感器实时检测出作用于转向柱扭杆上的扭矩和方向盘位置，并将这些信号同车速信号一起送到电子控制单元。电子控制单元对这些输入信号进行运算处理，根据存储在内部ROM中的助力特性MAP图确定合适的助力扭矩。电动机经离合器及减速增扭机构将扭矩传递给牵