电动转向系统试验台设计

长春工业大学毕业论文摘 要电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，其核心部件电控单元能根据车速和方向盘操控力矩的不同决定是否助力以及助力的大小。电动助力转向技术已日趋成熟，且有取代液压动力转向的趋势，它是一项紧扣当今汽车发展主题，符合未来汽车发展趋势的高新技术。本文简单介绍EPS系统背景及发展现状，通过对电动助力系统的工作原理和特点、整体性能技术要求的分析，设计了转向系统阻力矩、电动机的各项参数和试验台各部件，并对电动助力转向试验台进行结构设计。(1)检测试验简单，结构紧凑(2)装夹控制方便(3)改进方便，便于升级改装关键词：EPS；试验台；AutoCAD；液压滑台Automotive electric power steering system test benchABSTRACTElectric power steering system is a new type of vehicle steering system, has the past does not have any power steering system of effect and speed sensor, electronic control unit (ECU) for the core components can depending on the speed and the steering wheel control moment deciding whether or not the size of the power and dynamical. Electric power steering technology is mature, and has a tendency to replace hydraulic power steering, it is a theme, stick to the current auto industry development in line with the future development trend of high and new technology.This paper mainly introduces the background and current situation of the development of EPS system, based on the working principle and characteristics of electric power system, the overall performance, the analysis of the technical requirements, design the steering resistance moment, the parameters of the motor and each component of a test rig and structure design of electric power steering test rig.The advantages of my design are as follows:(1)Testing simple, structure compacted(2)Easy to clamping and control(3) Easy to be improved and updated.Keywords：EPS；test platform；AutoCAD；hydraulic slider目录摘 要1Automotive electric power steering system test bench2ABSTRACT21绪论51.1选题背景与意义51.2 电动助力转向系统介绍61.3 电动助力转向的发展现状91.3.1国内电动助力转向的发展现状91.3.2 国外电动助力转向的发展现状101.4 本文的主要研究内容112 电动助力转向试验台的总体组成122.1 电动助力转向系统的工作原理122.1.1工作原理122.1.2工作特点122.2 电动助力转向系统的分类132.3 电动助力转向系统试验台的核心部件132.3.1 扭矩传感器182.3.2 车速传感器202.3.4 电子控制单元202.3.5 阻力模拟装置212.4 本章小结233 EPS系统匹配分析243.1 EPS助力电机的匹配243.1.1电机的布置形式243.1.2助力电机类型匹配243.1.3助力电机参数匹配253.2 减速机构的匹配283.3扭矩传感器的匹配293.4 匹配结果303.5 本章小结304 试验台的结构设计314.1 试验台的整体布置314.2联轴器的选择与校核314.3普通平键的选择与校核344.4转向阻力模拟机构的设计354.5试验台固定支架的结构设计35总 结37致 谢38参考文献391绪论1.1选题背景与意义汽车电动助力转向系统(EPS)在日本最先获得实际应用。1988年日本铃木公司首次开发出电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国Lueas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大。电动助力转向系统的优势主要体现在：(1) 提高了汽车的操纵性能。EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。(2) 提高了汽车的燃油经济性，减少了对环境的污染。电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力，电动机只有在转向时才工作，在不进行转向时几乎没有动力消耗，提高了汽车的燃油经济性；同时由于不需要转向油泵，油管及控制阀等液压元件，不会发生液压油的泄露和损耗，减少了对环境的污染。(3) 增强了转向跟随性和可靠性。在EPS系统中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向，增加了系统的转动惯量，减小了车轮的反转和转向前轮摆振，增强了转向系统的抗扰动能力；EPS旋转力矩产生于助力电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能；电动助力转向系统还可有各种安全保护措施和故障自诊断功能，使用可靠，维修方便。(4) 能够提供可变的转向助力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件；电动助力转向系统的转向力来自于助力电机，可变转向力矩写入控制模块中，通过对软件的重新编写即可获得，所需费用很小。(5) 占用空间更小，质量更轻，结构更紧凑。电动机和减速机构在转向柱或转向系内，直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、油管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等部件，因而其所占空间更小，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高。1.2 电动助力转向系统介绍英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向。EPS的构成，不同的车尽管结构部件不一样，但大体是雷同。一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。 主要工作原理：汽车在转向时，转矩(转向)传感器会“感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了助力转向。如果不转向，则本套系统就不工作，处于standby(休眠)状态等待调用。由于电动电动助力转向的工作特性，你会感觉到开这样的车，方向感更好，高速时更稳，俗话说方向不发飘。又由于它不转向时不工作，所以，也多少程度上节省了能源。一般高档轿车使用这样的助力转向系统的比较多。汽车转向系统可按转向的能源不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。机械转向系统是依靠驾驶员操纵转向盘的转向力来实现车轮转向；动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。所以动力转向系统也称为转向动力放大装置。 动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各国的汽车制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点是：如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的动力转向系统会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的固定放大倍率的动力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使汽车的驾驶性能达到令人满意的程度。电子控制动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电子控制动力转向系统（简称EPS-Electronic Control Power Steering），根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统（液压式EPS）和电动式电子控制动力转向系统（电动式EPS）。液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。电动式EPS是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。电子控制动力转向系统（EPS）可以在低速时减轻转向力以提高转向系统的操纵性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。（1）流量控制式EPSTO 凌志牌轿车采用的流量控制式动力转向系统。该系统主要由车速传感器、电磁阀、整体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控制单元等组成。电磁阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电磁阀的阀针完全开启时，两油道就被电磁阀旁路。流量控制式动力转向系统就是根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀针的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大，电磁阀阀针的开启程度越大，旁路液压油流量越大，液压助力作用越小，使转动转向盘的力也随之增加。这就是流量控制式动力转向系统的工作原理。电磁阀的结构。驱动电磁阀电磁线圈的脉冲电流信号频率基本不变，但随着车速增大，脉冲电流信号的占空比将逐渐增大，使流过电磁线圈的平均电流值随车速的升高而增大。（2）反力控制式EPSTOP 反力控制式动力转向系统，系统主要由转向控制阀、分流阀、电磁阀、转向动力缸、转向油泵、储油箱、车速传感器及电子控制单元等组成。 转向控制阀是在传统的整体转阀式动力转向控制阀的基础上增设了油压反力室而构成。扭力杆的上端通过销子与转阀阀杆相连，下端与小齿轮轴用销子连接。小齿轮轴的上端部通过销子与控制阀阀体相连。转向时，转向盘上的转向力通过扭力杆传递给小齿轮轴。当转向力增大，扭力杆发生扭转变形时，控制阀体和转阀阀杆之间将发生相对转动，于是就改变了阀体和阀杆之间油道的通、断关系和工作油液的流动方向，从而实现转向助力作用。 分流阀是把来自转向油泵的机油向控制阀一侧和电磁阀一侧进行分流的阀。按照车速和转向要求，改变控制阀一侧与电磁阀一侧的油压，确保电磁阀一侧具有稳定的机油流量。 固定小孔的作用是把供给转向控制阀的一部分流量分配到油压反力室一侧。电磁阀的作用是根据需要将油压反力室一侧的机油流回储油箱电子控制单元（ECU）根据车速的高低线性控制电磁阀的开口面积。当车辆停驶或速度较低时，ECU使电磁线圈的通电电流增大，电磁阀开口面积增大，经分流阀分流的机油，通过电磁阀重新回流到储油箱中，所以作用于柱塞的背压（油压反力室压力）降低。于是柱塞推动控制阀转阀阀杆的力（反力）较小，因此只需要较小的转向力就可使扭力杆扭转变形，使阀体与阀杆发生相对转动而实现转向助力作用。 当车辆在中高速区域转向时，ECU使电磁线圈的通电电流减小，电磁阀开口面积减小，所以油压反力室的油压升高，作用于柱塞的背压增大，于是柱塞推动转阀阀杆的力增大，此时需要较大的转向力才能使阀体与阀杆之间作相对转（相当于增加了扭力杆的扭转刚度），而实现转向助力作用，所以在中高速时可使驾驶员获得良好的转向手感和转向特性。（3）阀灵敏度控制式EPSTOP 阀灵敏度控制式EPS是根据车速控制电磁阀，直接改变动力转向控制阀的油压增益（阀灵敏度）来控制油压的方法。这种转向系统结构简单、部件少、价格便宜，而且具有较大的选择转向力的自由度，可以获得自然的转向手感和良好的转向特性。 89型地平线牌轿车所采用的阀灵敏度控制式动力转向系统。该系统在转向控制阀的转子阀作了局部改进，并增加了电磁阀、车速传感器和电子控制单元等。 转子阀的可变小孔分为低速专用小孔（lR、1L、2R、2L）和高速专用小孔（3R、3L）两种，在高速专用可变孔的下边设有旁通电磁阀回路。该系统的阀部等效液压回路，其工作过程如下： 当车辆停止时，电磁阀完全关闭，如果此时向右转动转向盘，则高灵敏度低速专用小孔1R及2R在较小的转向扭矩作用下即可关闭，转向油泵的高压油液经lL流向转向动力缸右腔室，其左腔室的油液经3L、2L流回储油箱。所以此时具有轻便的转向特性。而且施加在转向盘上的转向力矩越大，可变小孔lL、2L的开口面积越大，节流作用越小，转向助力作用越明显。 随着车辆行驶速度的提高，在电子控制单元的作用下，电磁阀的开度也线性增加，如果向右转动转向盘，则转向油泵的高压油液经lL、3R旁通电磁阀流回储油箱。此时，转向动力缸右腔室的转向助力油压就取决于旁通电磁阀和灵敏度低的高速专用可变孔3R的开度。车速越高，在电子控制单元的控制下，电磁阀的开度越大，旁路流量越大，转向助力作用越小；在车速不变的情况下，施加在转向盘上的转向力越小，高速专用小孔3R的开度越大，转向助力作用也越小，当转向力增大时，3R的开度逐渐减小，转向助力作用也随之增大。由此可见，阀灵敏度控制式动力转向系统可使驾驶员获得非常自然的转向手感和良好的速度转向特性。液压式动力转向系统由于工作压力和工作灵敏度较高，外廓尺寸较小，因而获得了广泛的应用。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压动力转向的。但这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。近年来随着微机在汽车上的广泛应用，出现了电动式电子控制动力转向系统，简称电动式EPS。1.3 电动助力转向的发展现状电动助力转向系统自生产至今，经过几十年的应用与发展，已取得了较大的进步。如今，在国外己大规模采用EPS，其应用范围也将进一步拓宽，将作为标准件装备在汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。目前，在全世界汽车行业中，电动助力转向系统每年正以90%10%的增长速度发展，年增长量达130万150万套，2008年将超过1000万套。按此速度发展，用不了几年的时间，电动助力转向系统将逐渐占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。EPS是汽车关键零部件之一，其质量对汽车转向有着重要的影响。实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的，同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。汽车EPS试验台就是针对这一情况研制的，它采用微机为控制核心，采用传感器对EPS系统输入端的扭矩、输入端的转角、输出端的扭矩进行检测，实现EPS性能和可靠性试验的自动测量和图形的动态显示，数据及特性曲线的自动记录输出。同时具有储存、打印和再处理功能。汽车EPS试验台的使用将会大大提高产品的装配质量和检测精度，为质量管理提供了统计资料，且使产品的装配、调试、检测工作变得十分简单，生产效率大幅度提高。1.3.1国内电动助力转向的发展现状从国内外的研究来看，EPS今后的研究主要集中在以下几方面：(1)EPS助力控制策略。助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把助力电机的力矩作用到机械转向系上的一种基本控制模式。助力控制策略的主要目的是根据转向助力特性曲线确定助力电动机的助力大小，辅助驾驶员实现汽车转向。控制策略是EPS研究的重点。(2)系统匹配技术。助力特性的匹配、电机及减速机构的匹配、传感器的匹配以及EPS系统与其它子系统进行匹配，是使整车性能达到最优的关键。(3)可靠性。转向系统是驾乘人员的“生命线”之一，必须保证高度可靠性。EPS除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑，因此对 EPS的可靠性提出了很高的要求。电动助力转向系统经过近二十多年的发展，技术日趋成熟，其应用范围从最初的前轴负荷较小的转向柱助力式EPS微型轿车向前轴负荷较大的大型轿车、商用客车、货车方向发展，EPS系统的助力形式也由低速、转向柱助力型向全速、齿条助力型发展。由于技术、制造和维修成本等原因，目前汽车转向系统仍以液压助力的HPS(包括 ECHPS、EHPS)为主。线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因，在近期很难在车辆上装配。EPS具有节能与环保等诸多优点，EPS取代HPS是今后一段时间内汽车转向系统发展的趋势。1.3.2 国外电动助力转向的发展现状虽然EPS系统在操作轻便、节能等一些方面呈现了优越性，它已经得到人们的广泛认可，可是还有一些问题需要解决，如以下几点。（1）电动机的性能与ERS系统能否匹配电动机的性能及其与EPS系统的匹配是影响控制系统性能、转向操纵力、转向路感等问题的主要原因，所以改善电动机的性能和整个EPS系统的匹配是主要的问题1112。 （2）助力特性是否合理 助力特性的好坏关键在于转向的轻便性和路感。然而在目前国内对于路感问题并没有成熟的理论研究成果，研究手段依然在以试验为主，所以需要确定合理的助力特性； （3）抗干扰度的问题 EPS不但要有良好的硬件保证外，还需要良好的软件控制做支撑，EPS的安装一般在发动机附近，所以还会有热辐射与电磁干扰的影响，所以对EPS的控制策略提出了很高的要求。相比于国内EPS的研发落后，国外近些年来开始针对于电动助力系统的不足，开始探索其他助力转向系统。电磁助力转向系统： 电磁助力转向系统主要就是由车速传感器、扭矩传感器、控制单元、电磁力发生装置这些组成的。电磁助力转向系统与简便的电动助力转向系统最大的不同就是产生助力的装置不一样：电动助力转向系统的助力由电动机所给予的，然而电磁助力转向系统的助力是通过电磁力发生装置。电磁助力转向系统与电动助力转向系统之间的差于是少了电动机、电磁离合器及减速机构，结构比以前更加的简单、价格更加的低，再而就是能较佳地减少地面冲击对系统的作用，所以广泛应用于轻型汽车及普通型轿车上。 线控转向系统： EPS它是根据人力与电机助力两部分去驱动转向轮转向。经过技术的不断创新，汽车转向系统会向全助力电动转向的方向发展，它就是；驱动转向轮转向的力完全用电机提供；转向盘只作为一个控制电机的信号发生器。线控转向系统（Steering ByWire，简称SBW）它作为该技术的典型代表，减去了转向盘与转向轮的机械连接，完全通过电能实现转向。1.4 本文的主要研究内容(1)电动助力转向试验台总体方案设计；(2)电动助力转向试验台总体结构设计；(3)电动助力转向试验台用传感器的研究与选型；(4)零件图设计；(5)试验台的布置。2 电动助力转向试验台的总体组成2.1 电动助力转向系统的工作原理2.1.1工作原理电动助力转向系统主要由传感器、电子控制器ECU、执行器三个部分组成。其中传感器主要包括车速传感器、转矩传感器、转向角传感器；执行器主要包括电动机、电磁离合器和减速机构。其工作原理为：电子控制单元(ECU)根据车速传感器和转向盘转矩传感器的信号计算所需的转向助力的大小，通过功率放大模块控制直流电动机的转动，助力电动机的转矩经过减速机构减速增扭后，驱动齿轮齿条转向机构，产生相应的转向助力。EPS系统还设有故障诊断模块和保护措施，当EPS发生故障时，故障诊断及代码显示模块发出报警信号，并且以故障代码的形式指示故障类型同时，EPS系统断开电磁离合器，转为手动纯机械转向状态。电动助力转向系统能够实现不同车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果，减轻了汽车低速时的转向盘操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳定性。2.1.2工作特点对于电动助力转向机构，电动机仅在汽车转向时才工作并消耗蓄电池能量；而对于常流式液压动力转向机构，因液压泵处于长期工作状态和内泄漏等原因要消耗较多的能量。两者比较，电动助力转向的燃料消耗率仅为液压动力转向的16%20%。液压转向机构内的工作介质是油，任何部位出现漏油，油压将建立不起来，不仅失去助力效能，并对环境造成污染。当发动机出现故障停止工作时，液压泵也不工作，结果也会丧失助力效能，这就降低工作可靠性。电动助力转向机构不存在漏油问题，只要蓄电池内有电提供给电动助力转向机构，就能有助力作用，所以工作可靠。若液压动力转向机构的油路进入空气或者贮油罐油面过低，工作时将产生较大噪声，在排除气体之前会影响助力效果；而电动助力转向仅在电动机工作时有轻微的噪声。电动助力转向与液压动力转向比较，转动转向盘时仅需克服转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧阻力和反应路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用的空间尺寸小、质量比液压式动力转向约轻20%25%以及在车上容易布置等优点。2.2 电动助力转向系统的分类EPS在日本最先获得实际应用。此后,电动助力转向技术得到迅速发展。据统计, 2008年我国汽车市场上EPS 转向器的装车量已经占了19% , 根据助力的施加位置和机械结构不同, EPS分为: 管柱助力式( CEPS ) 、小齿轮助力式( PEPS) 、双小齿轮式(DEPS) 、和滚珠丝杠式(APA2EPS) 。管柱助力电机安装于转向管柱上,助力和驾驶员操纵力矩一同经过中间转向轴作用于转向小齿轮。这种结构的最大优点是电机、ECU、减速机构都安装于驾驶舱内,电机、ECU 的工作环境较好,方便发动机舱布置。缺点是所有助力都通过转向管柱传递到转向小齿轮和齿条,转向管柱部件受力较大,因而助力大小受到限制;同时由于其电机和蜗轮蜗杆减速机构安装于驾驶舱内,更容易引起驾驶室内噪声。因而这种结构的EPS主要适用于车重较轻、发动机舱较小且对噪声要求相对不高的微型轿车。小齿轮式EPS助力电机和蜗轮蜗杆减速器布置在转向小齿轮附近。这种结构的EPS,助力不需要管柱部件传递,因而电机可以提供更大的助力。小齿轮式EPS可以应用到需要助力较大,而布置相对方便的中级轿车上。双小齿轮式EPS能提供的齿条力比小齿轮式EPS略大,由于增加了一对齿轮齿条啮合副,制造成本也比小齿轮助力式略高,但能够满足助力大小和车辆总布置的特别需求。滚珠丝杠式EPS由于滚珠丝杠比齿轮齿条具有更高的承载能力,这种EPS能够提供更大的助力,应用于载荷较大的豪华轿车或商务车领域。各类型的EPS原理基本相似,由电机、传感器、ECU、离合器、减速机构和其它一些辅助机构组成,结构形式的选择很大程度上受需求的助力大小和空间布置的影响。由于齿轮齿条啮合副所能承受的载荷有限,无论是管柱式、小齿轮式,还是双小齿轮式EPS,所能达到的齿条力都在10 kN 以下;而滚珠丝杠较强的承载特性使滚珠丝杠式EPS的齿条力能够达到14 kN或更大。滚珠丝杠式EPS所适用车型的前轴载荷也由齿轮式EPS的700900 kg增大到1 000 kg或更大。2.3 电动助力转向系统试验台的核心部件系统主要核心部件测控系统主要有电子控制单元(ECU)，电动机，减速机构，磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。检测的主要性能参数为：汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力矩，电动机的电流、电压和转矩。电子控制单元(ECU)ECU的功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能， ECU通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，系统转变为手动转向状态，同时ECU将进行故障诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统或者是16位电动机控制专用微处理器芯片，也可采用数字信号处理器 (Digital Signal Processing，简称DSP)作为控制单元。由于电动助力转向系统存在非线性元件(如摩擦和阻尼)，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制算法也是EPS的关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。它是本系统检测的关键部件。电动机电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是EPS的动力源。电动机对EPS的性能有很大的影响，是EPS的关键部件之一，所以EPS对电动机有很高的要求，这些要求主要有：(1)由于大多车载电源为12V直流电，因此要求助力电动机的工作电压低和具有足够大的额定功率和额定电流；(2)转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小；(3)大的齿轮传动比将增加机械惯量，降低EPS系统的动态性能，所以齿轮传动比较小，因此，电动机转速不能太高；(4)为减小转子的惯性力矩，电动机的体积应尽可能小；(5)在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型的车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。表2-1分析了不同电动机的技术特点及其满足EPS使用要求的情况。这几种电动机不仅在结构方面有各自的特点，而且在效率、功率密度、力矩波动等技术参数也互不相同。考虑到汽车的特点，要求EPS选用的电动机应该具有尺寸小、质量轻、效率高、力矩波动与噪声小，可靠性高、能与汽车使用环境相适应，包括对电源的需求等。表2-1 不同类型电动机技术特点比较 电机类型项目感应电动机永磁有刷电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机结构特点结构简单三相定子铝或铜笼转子无永磁体转动绕组机械换向器三相定子永磁转子电子换向四相定子钢铁转子无转子绕组无永磁体负荷效率(%)90-9285-9785-9778-86系统复杂程度驱动电路复杂控制器简单控制器简单高度复杂使用技术成熟成熟仍在发展仍在发展可靠性一般较好优较好力矩波动小电动机设计时考虑基本通过电磁设计考虑由电磁设计和电子控制考虑功率密度中中高中对助力大小要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电动机是一个好的选择，因为有刷直流电动机技术成熟、控制器结构简单、成本低；对要求助力较大的轿车，应选择永磁无刷直流电动机，因为永磁无刷直流电动机比其它类型电动机更具有优势。虽然也可以用开关磁阻电动机，但是需要进行许多的研究来克服其缺点。减速机构EPS的减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩。主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。前者主要用于转向轴助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。本试验台的测试减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，减速比为16.5。图2-1 蜗轮蜗杆减速机构转向电动机磁粉制动器的阻力矩最大值Tc=100Nm，i=16.5，转向盘所需施加的转矩Td=Tc/i=100/16.5 =6.06NmPW错误！未找到引用源。选择Y90L-4电动机，将其有关参数带入验算错误！未找到引用源。取0.98，n=1400 r/minT=1.5错误！未找到引用源。9550错误！未找到引用源。0.98错误！未找到引用源。=10NmT错误！未找到引用源。Td所以转向电动机选Y90L-4。传感器的选择传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般来讲传感器的选用与以下几个方面密切相关：u 控制方面的要求：涉及测定的目的、测量的对象、测量的范围以及精度要求等；u 今传感器的性质：包括精度等级、稳定性、对象的特性影响等；u 使用条件：主要涉及应用现场的环境因素；u 供求水平和维护：也即经济性和良好的维护性。同时试验台系统的工作环境的多变性，以及来自电动机和功率驱动电路的电磁干扰比较大，考虑到人身安全要求的高可靠性等。表2-2 现场信号清单序号信号名称信号类型信号源路数信号标准1车速信号模拟量输入波形发生器1方波2角度信号数字量输入角度传感器1方波3转向转矩模拟量输入扭矩传感器1方波4电动机转矩模拟量输入扭矩传感器1方波5转向阻力矩模拟量输入扭矩传感器1方波6电动机电流模拟量输入电动机输出端子1-5+5v7电动机电压模拟量输入电动机输出端子1-5+5v试验台用传感器也有其自身的特殊要求。具体体现在以下几个方面：(1)有较好的环境适应性；(2)批量生产，并具有互换性；(3)高可靠性，稳定性好；(4)尽可能小型、轻量，便于安装；(5)抗电磁干扰能力强；(6)性能:精度高、响应快，从而满足试验台实时采集数据的要求。从表3-3中可以看出，本系统中待检测的信号比较多，而且信号的种类又不同，主要有转矩信号、速度信号、转角信号、电流信号、电压信号等。在该系统中，最主要的性能参数为汽车的车速，转向盘的主扭矩和电动机目标电流，下面对这三者所用的传感器和检测方法加以详细的说明。转速传感器(1)转速传感器的分类及特点速度传感器是将机械运动速度这个非电量变换成电量信号的传感器，如果按输出信号的模式可分为模拟式和数字式两种，按工作原理又可分为电容式、光电式、磁电式等，其分类方法如图3-6所示。1)模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为测速发电机。测速发电机的构造简单可靠，耐振动冲击，速度范围小，但温漂较大，不适于高温环境。2)数字式传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号，按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 直流测速机 模拟式转速传感器 同步型转速传感器 交流测速机 电涡流式 数字式转速传感器 光电式 异步型 磁电式图2-2 车速传感器的分类汽车上的速度传感器一般用的是数字式传感器，它以集电极开路形式输出的脉冲表示车速，在本测试系统中可以用基本输入输出系统输出的脉冲来模拟，把这脉冲分别传送给ECU和测试微机系统。2.3.1 扭矩传感器转矩传感器是测量各种电动机、内燃机以及旋转动力设备的输出扭矩及功率的必备设备，从上世纪三四十年代发展至今己有数十种产品，从最初的光学机械变形类发展到电磁感应类、相位差类，到现在应用最广泛的应变测量类。随着低功耗微电子技术的发展，各类转矩传感器被赋予了新的生命，其性能也越来越好可测的精度与转速也越来越高。传递法转矩传感器 平衡力法 能量转换法图2-3 转矩传感器的分类从传感器的分类来说，以往所有的转矩传感器都属于结构型传感器，由于都要利用弹性元件的机械变形，因此转矩传感器具有体积大、耗材多等缺点。但由于上艺成熟、牢固、可靠、价格低廉，与微电子技术和计算机技术结合后易实现数字化、自动化，所以仍有十分广阔的应用前景。在本系统中主要用于测量转向盘的主扭矩，转向阻力矩和助力电机力矩。转矩传感器按测量原理的分类如下所示:(1)传递法(扭轴法)是根据弹性元件在传递转矩时由于弹性元件的变形、应力或应变而引起机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电、振弦等物理参数的变化而形成的转矩传感器，目前此类传感器占转矩测量的绝大部分。(2)平衡力法(反力法)对于任何一种匀速工作动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩作用时，在它的机壳上必定同时作用着一个方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)，测量支座上的反力矩就.用以确定机器主轴上作用转矩的大小与方向。此种测量方法就是平人衡力法。也称反力法。常用这种方法的有电力测功机、水力测功机和空气、磁粉等测功机类。(3)能量转换法是根据能量转换守恒定律的关系来测量转矩的一种方法，它是一种间接测量方法。一般来说误差较大，故很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。目前在转矩测量中，传递类转矩传感器应用十分广泛。转矩传感器用来检测电动助力转向器输入轴扭矩和转向阻力矩，是系统中一个非常重要的检测部件。选用的扭矩传感器为是北京三晶创业集团的JN338数字转矩转速传感器如图2-4所示。图2-4 JN338型数字转矩转速传感器该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出，从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量，从而可方便地计算出轴输出功率，因此，利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。主要技术参数如下:表2-3 JN338传感器主要技术参数参数转矩准确度过载能力绝缘电阻工作温度线性相对湿度指标0.5%150%F.S200Mo-2060 0.5%F.S90%RH2.3.2 车速传感器由于车速传感器的信号经过整形后发出的是脉冲信号，每个脉冲表示磁电式车速传感器的被测齿盘轮齿转过一齿，那么汽车的行驶速度就可以用单位时间内的脉冲数、被测齿盘齿轮齿数与车轮的行驶半径计算出来。其计算公式如下： (2-1)其中：V-汽车行驶速度n-测量的脉冲数Z-被测齿盘的齿轮齿数T-测量时间周期rd-车轮的滚动半径2.3.4 电子控制单元电子控制单元(ECU)ECU的功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能， ECU通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，系统转变为手动转向状态，同时ECU将进行故障诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统或者是16位电动机控制专用微处理器芯片，也可采用数字信号处理器 (Digital Signal Processing，简称DSP)作为控制单元。由于电动助力转向系统存在非线性元件(如摩擦和阻尼)，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制算法也是EPS的关键之一。控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。它是本系统检测的关键部件。2.3.5 阻力模拟装置本系统中应用磁粉制动器来模拟转向系统的阻力矩。磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。在该系统中，利用磁粉制动器来模拟汽车整个转向装置所受的阻力矩。尽管磁粉制动器难以精确模拟行驶路况，但是可以实现磁粉制动器负载的变化趋势与路面行驶一致。因此，通过磁粉制动器研究可以探索电动机的助力规律，检验助力控制程序的运行效果，分析EPS对汽车转向轻便性的影响。同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。本试验台采用瑞安市中瑞控制器厂生产的CZ型磁粉制动器(如图3-2)，其技术参数如表3-2。图2-5 CZ型磁粉制动器表2-4 CZ磁粉制动器技术参数参数额定转矩N.M激磁电流A允许滑差功率KW冷却方式磁粉量g指标10018单双水冷150其主要有激磁电流-力矩、转速-力矩和负载三个特性：(1) 激磁电流-力矩特性激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。其特性如图3-3所示。图2-6 激磁电流-力矩特性图2-7 转速-力矩特性(2) 转速-力矩特性力矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别。特性如图3-4所示。(3) 负载特性磁粉制动器的允许滑差功率在散热条件一定时是定值。其连续运行时，实际滑差需在允许滑差功率以内。使用转速高时，需降低力矩使用。其特性如图3-5所示。图2-8 负载特性2.4 本章小结测控系统主要有电子控制单元(ECU)，电动机，减速机构，磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。检测的主要性能参数为：汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力矩，电动机的电流、电压和转矩。3 EPS系统匹配分析3.1 EPS助力电机的匹配助力电机是电动助力转向系统的核心部件，系统就是依靠助力电机提供转向助力，从而改善轿车在低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时的路感信息，它的性能决定着整个系统的性能，所以电机的匹配十分重要。助力电机的匹配问题包括结构选择和参数匹配两大问题。结构选择问题包括：电机的布置形式（助力形式）和电机类型的选择。参数匹配包括:电机尺寸、电机输出扭矩、电机转速、电机转子的转动惯量、电机的阻尼、电机轴的刚度。3.1.1电机的布置形式电动助力转向系统根据电动机布置位置不同，分为轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种。具体车型采用何种形式主要依据汽车前轴的空间大小、前轴荷、电动机的特性等来确定。一般来说，从整车排量考虑，1.5L以下的中小车型可以选择轴助力式电动助力转向系统，2L以上的大型轿车可以选择齿条助力式电动助力转向系统；从转向器的齿条输出力考虑，8000N以下的可以选择轴助力或者小齿轮助力式电动助力转向系统，8000N以上的可以选择齿条助力式电动助力转向系统；从整车前轴轴荷考虑，9000N以下的可以选择轴助力或者小齿轮助力式电动助力转向系统，9000N以下的可以选择齿条助力式电动助力转向系统。本车型基本参数如表1所示。表3-1 电机布置形式选型排量齿条输出力（N）前轴轴荷（N）电机布置形式1.5L最大70008000满载7800转向轴助力式因此，选择转向轴助力式电动助力转向系统。这种EPS的电动机固定在转向柱上，并通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。该方案的助力输入将经过转向器传递，所以对电动机的最大输出力矩的要求相对较小；电动机布置在驾驶室内，工作环境较好；另外由于电机的安装位置离驾驶员比较近，需要注意电动机的噪声。3.1.2助力电机类型匹配助力电机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩，它是系统的动力源，也是整个转向系统的关键部件之一。对电机有如下要求：起动迅速，伺服性能好，低速下具有较大扭矩，转动惯量小，噪声低，具有良好的机械特性；易控制，可靠性和安全性高，维护方便，对其它控制电路的电磁干扰尽量小；尺寸小，质量轻，尽可能节省空间大小并降低重量，使用12V的直流车载电源。因此选择12V直流电机作为助力电机。直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机，对于本车型，属于中小型乘用车，所以选择永磁有刷直流电机。采用的永磁有刷直流电机包括转动绕组、机械换向器，电机的技术成熟，控制器结构简单，成本低，对于助力要求较低的汽车，一般采用永磁有刷直流电机，符合本车型要求。表3-2 电机类型匹配电机类型额定电压永磁有刷直流电机12V3.1.3助力电机参数匹配电机参数匹配本报告的重要部分，匹配内容包括电机尺寸、转矩、转速、功率、PWM驱动频率及转动惯量等内容。3.1.3.1助力电机的尺寸匹配由于本车型属于发动机前置前驱动乘用车，驾驶室内空间相对紧张，并且附近有踏板机构及其附件，因此原则上电机的尺寸应尽可能小，电机长度和直径协调设计使之与整车前轴布置相适应。3.1.3.2助力电机的转矩匹配a) 对于选定的转向轴助力式电动助力转向系统，主力电机的转矩主要取决于汽车在原地转向时的转向阻力矩，即取决于前轴载荷的大小。汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩可以按下面的半经验公式计算： (3-1)其中：为轮胎和路面之间的滑动摩擦系数，一般取0.7；为转向轴负荷（N）；为轮胎气压（MPa）。经过验算，此半经验公式误差较大，而且存在未知的机械参数。又因为原有液压机构的参数未知，且即使参数已知液压保护系数的影响而使存在一定误差。在这里使用一种对比参照的方法，比较一种成型的同车型乘用车，结合本车参数对电机助力转矩进行匹配。参考车型参数如表3-3所示。表3-3 参考车型齿条力参数满载前轴载荷齿条力974kg9600N根据转向系统机械结构有 (3-2)其中为齿条力，为转向节臂长。而且因为考虑车型与参考车型转向节臂长基本相同，结合(1)(2)得所考虑的车型的齿条力， (3-3)转化为助力电机经过减速器减速后在转向柱上的扭矩，为转向轴齿轮节圆半径 (3-4)要求方向盘力矩不超过，考虑电机从方向盘力矩为零开始满足转矩条件，因此，助力电机的转矩匹配如表3-4所示。表3-4 助力电机的转矩匹配满载前轴载荷(kg)最大齿条力(N)助力电机经减速机构输出最大转矩(Nm)785694653.53.1.3.3助力电机的转速匹配对于选定的助力电机类型，永磁有刷直流电机的机械特性曲线如图3-1所示。为了满足转向轻便性要求，需要使在方向盘转速范围内，电机减速后都能输出一定的转矩，即。图3-1 助力电机机械特性曲线因此得到电机转速匹配要求， (3-5)其中为方向盘最高转速，为助力电机减速机构的减速比，为电机最高转速。在我国，操纵稳定性试验标准规定的方向盘转速不小于，而美国的ESV试验为不小于；实际试验数据表明，在驾驶员进行紧急避让时，可以比这个还要大很多，例如，根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查，驾驶员在进行紧急避让的时候，可以达到左右。这里用到了助力电机减速机构的减速比，它对电机输出转矩起到放大作用，同时对电动机的转动惯量等参数也起到放大作用，因此影响系统的动态性能；减速比还会影响减速机构的尺寸、布置空间和传动效率等。因此在减速机构匹配中进行设计。3.1.3.4助力电机的功率匹配及验算选择助力电机额定功率一般分为三个步骤：一、计算电动机的负载功率，进行预选；二、助力电机的过热验算；三、助力电机的过载验算。由于汽车的驾驶情况及行使工况的不同，电动机的工作负载也表现出不同的负载类型。匹配选择时，应综合考虑各种不同的负载情况，选择略大的电动机功率。一、电动机负载功率的计算电动机的负载功率要根据具体的负载功率及效率来进行计算。电动机的负载功率可采用下式来估算， (3-6)其中，为转向柱转矩；为转向盘最高转速；为考虑电动机、减速器的等效功率系数，一般的取值范围为1.22.5。考虑到电动机的连续工作制运行工况，电动机的额定功率应满足： (3-7)考虑到电机功率的利用效率，取为1.2，则额定功率 (3-8)二、助力电机的过热验算和过载验算（因为要预选电机，所以暂时无法计算）若预选的电动机过热、过载能力不够，则要重选助力电机及额定功率，直到满足要求为止。3.1.3.5助力电机PWM驱动频率及转动惯量的匹配1、助力电机PWM驱动频率的匹配电动机端电压由PWM方式获得，PWM频率对电动助力转向系统的工作具有重要的影响。PWM的驱动频率要考虑与机械系统固有频率的关系、对电枢电流纹波的影响及对人的噪声影响，同时还要考虑开关时电流脉