汽车电动助力转向电动控制系统设计论文

毕业设计（论文）论文题目：汽车电动助力转向电动控制系统设计班级学号： 姓名： 专 业名 称： 年 06 月 10 日毕业设计（论文）毕业设计（论文）毕业设计题目：汽车电动助力转向电动控制系统设计作者： 陈作超指 导教 师： 单位： 协助指导教师： 单位： 单位： 完成日期： 年 06 月 10 日- 3 -摘要汽车电动助力转向系统具有传统液压动力转向系统无法比拟的优势，是汽车动力转向发展的必然趋势。电动助力转向采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元(ECU)控制。它能节约能量，提高安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。本文在借鉴国内外电动助力转向领域研究的最新成果的基础上，从助力特性、控制策略以及控制系统设计三方面对电动助力转向系统进行了深入细致的研究， 研制出电动转向系统实验平台，并在其基础上开发出系统的电控单元。本文对电动助力转向系统的关键技术助力特性和控制策略进行了研究。对助力特性进行了理论上的分析，探讨了初步确定直线型助力特性的特征参数的过程。进一步的仿真表明，采用简单的直线型助力特性曲线无法同时满足转向轻便性和防止路面冲击的要求，提出了对直线型助力特性进行补偿的必要性。在此基础上，确定了电动助力转向系统的控制策略，并设计了电动机电流的闭环控制算法。本文设计的EPS 控制系统硬件主要由控制器、传感器及信号处理电路、助力电机及驱动电路、通讯电路等组成。控制电路核心采用 16 位单片机 80C196KC。为了实现控制策略，对电动助力转向系统进行了软件设计和编制，以实现在不同工况和不同模式下对直流电机的精确控制。关键词：电动助力转向；助力特性；控制策略；软硬件设计AbstractEclectic 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 cant 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目录- 3 -摘要1Abstract3引言11 绪论21.1 几种动力转向的比较21.2 电动助力转向系统的发展历程和研究现状31.2.1 国内外EPS 系统发展历程31.2.2 各国对EPS 的评价及EPS 发展前景41.3 本文的研究内容51.3.1 课题研究意义51.3.2 研究内容51.4 小结52 电动助力转向系统的原理与结构62.1 EPS 系统的结构62.1.1 EPS 系统的基本结构62.1.2 EPS 系统的分类72.2 EPS 系统的主要部件及工作原理72.2.1 电动机72.2.2 车速传感器72.2.3 减速机构72.2.4 方向盘转角、转矩传感器72.2.5 电子控制单元(EUC)102.3 本章小结103 EPS 系统助力特性分析和控制策略研究113.1 助力特性分析113.1.1 汽车电动助力转向系统的受力分析123.1.2 转向阻力和路感133.1.3 EPS 助力特性曲线确定143.2 EPS 系统控制策略的研究173.2.1 EPS 系统控制方法的选择173.2.2 电动机电流的控制方式183.2.3 EPS 系统各种控制模式下的电机目标电流的确定方法193.2.4 电动机电流的闭环控制算法223.3 本章小结244 EPS 控制系统硬件实现和软件设计264.1 EPS 控制系统硬件总体设计264.1.1 EPS 控制系统硬件设计264.1.2 传感器264.1.3 单片机系统设计264.2 信号处理电路284.2.1 I/O 转换电路284.2.2 A/D 转换电路284.2.3 I/O 电动机电流转换电路294.3 EPS 控制系统的软件实现304.3.1 系统初始化模块304.3.2 主循环控制304.3.3 信号处理模块304.3.4 控制功能模块314.3.5 主程序流程图314.4 本章小结315 系统仿真建模及分析325.1 EPS 系统的Simulink 模型325.2 EPS 助力特性仿真研究375.3 小结42参 考 文 献44附录AEPS 转向力特性试验纪录表45附录BEPS 控制系统程序流程图50附录CEPS 控制系统电路图56致谢59引言汽车在行驶的过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮(一般是前轮)对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。常用的汽车转向系统分为非动力转向系统和动力转向系统两大类。非动力转向系统又称机械式转向系统，是以人的体力为动力源，其中所有的传力器件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，其中转向器是汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。汽车动力转向系统(Power Steering System)，亦可称作转向加力系统，是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系统。它是在驾驶员的操纵或控制下，借助于汽车发动机所产生的动力，将其转换为液体压力或气体压力并驱动转向轮偏转；或者借助于电力，将电能转换成机械能进行助力，从而实现汽车转向运动。在正常情况下，汽车转向所需要的力大部分由发动机或蓄电池通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供;但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。汽车转向系统一直存在轻便与灵活的矛盾，即“轻”与“灵”。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，即在方向盘小转角时以“灵”为主，在方向盘大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在方向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决这一矛盾。- 9 -1 绪论1.1 几种动力转向的比较一般汽车在停车及车速很低时，方向盘的操纵感觉很沉重，中速时较轻快，车速增高时更加轻快，即所谓“方向发飘”，易出现方向失控。现代汽车对载重的额定吨位和舒适性要求不断提高，使汽车的前轴负荷不断增加，操纵方向盘的力也就相应增大，因此，只用增加传动比的办法来减少操纵力显然是不合适的。一般认为，方向盘的转动圈数应小于 5 圈，行驶时的操纵力矩不宜大于 2029Nm，超过这个数值时，就应该考虑使用动力转向装置。动力转向系统按照提供的动力方式的不同可以为以下三类：气压式、液压式(又进一步分为机械液压式和电子液压式)和机电式(又称为电动助力转向系统)。气压式动力转向系统采用的动力源为压缩空气(压力一般为 0.6-0.SMPa)。由于其工作压力较低，动力缸的体积大，工作灵敏性差，结构不够紧凑，所以主要用于一部分前轴最大轴载重质量为 3-7 吨，采用气压制动的客车和载货车上。若用于载重质量特大的货车，将会造成部件尺寸过大而无法实现汽车的设计和安装。此外，采用这种装置的汽车，在高寒地区使用时，其输气管还易结冰而被堵塞，工作不够可靠，而且，汽车下长坡进行制动时，产压波动大，工作不稳定，故这种气压动力转向装置被采用的很少，有被淘汰的趋势。液压动力转向系统采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整压力油的流量来控制转向助力的大小。液压式动力转向系统是目前汽车上主要采用的转向加力方式，其中较典型的有凌志、皇冠等高档轿车上使用“渐进式”动力转向系统(Progressive Power Steering，简称PPS)；国内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液压式动力转向系统。液压动力转向系统作为一种辅助系统，它所起的作用主要取决于油压的高低，因此系统中对油压的流量的控制最为重要。液压式动力转向系统控制方式有机械液压式和电子控制式两种，其中电子控制式液压动力转向系统(Electrie Hydraulie Power Steering，简称EHPS)是目前比较成熟的产品， 它利用电子传感器把汽车运行中的各种非电量转为电信号，采用微机精确的控制动力转向系统中的压力油流量，再由压力油控制执行机构进行转向动作。这个复杂的过程由电子控制单元(Elecrtic Control Unit，简称ECU)完成。EHPS 一般有机械装置和电气装置两部分组成。机械装置包括转向机(包括控制阀、压力腔及助力缸)、油泵及管路。电气部分则有车速传感器、电子控制单元ECU 以及安装在转向机上的电磁阀组成。电子控制式由于增加了车速电子控制装置而且其阀的结构较常规阀复杂，因而成本高昂，目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。在技术上电子控制液压动力转向器的设计较普通液压动力转向器复杂一些，需考虑电气部分如传感器选型及布置、电磁阀特性、电液系统的藕合、转向电子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求。电动助力转向系统是一类近些年出现的新型动力转向系统，它一般由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元 ECU、电动机、离合器和减速机构组成。当转动方向盘时，扭矩传感器测出施加在转向轴的扭矩，并产生一个电压信号，与此同时，速度传感器测出汽车的速度，也产生一个电压信号，这两个信号经过 A/D 转换后被送往控制器，经过控制器运算处理后，传动给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上得到一个与工况相适应的转向作用力。与传统的液压动力转向系统HPS 相比，它具更突出的点：1. 节能环保：其能量消耗仅为液压助力转向系统的 20%，且无液压油泄漏造成直接污染环境等问题。2. 高性能化：具有在各种不同的使用条件(路面和车速)下能获得最佳路感、高速行驶稳定性、低速转向轻便性、抗干扰性强等优点。3. 可控性高：对于不同车型和使用要求，在基本上不变动硬件的条件下，只要改变软件，就能满足性能要求。4. 重量轻：比液压助力转向轻 20%左右。5. 成本低：批量生产后总成本比液压助力转向低。1.2 电动助力转向系统的发展历程和研究现状1.2.1 国内外EPS 系统发展历程电动助力转向系统最早是由日本研制成功的。1988 年 2 月首次安装在日本铃木汽车公司的塞尔沃轿车上。此后世界各大汽车公司投入大量的人力、物力，开展电动助力转向系统的研究。就目前来说，日本的大发、三菱、铃木、本田汽车公司，美国的Delphi、TRW，德国的 ZF 公司，英国的 Lucas 公司都进行了大量的研究并已经商品化。德国的FZ 公司在第五届和第六届国际汽车博览会上展出了电动助力转向系统，韩国的万都公司在 2003 年上海国际汽车博览会上也展出了自己的EPS。经过二十几年的发展，EPS 技术日趋完善，其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Accord 和菲亚特的Punt。等中型轿车己经安装EPS，本田甚至还在其AcuraNXS 赛车上装备了EPS。EPS 的助力型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。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供汽车的操纵稳定性。与国外相比，我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白，自 2000 年昌河北斗星车装备EPS 之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮。目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。虽然各方面对电动转向的研究大量投入，己有部分产品己经开始装车调试，但由于对该项技术的控制理论与控制原理并未完全模透，仍处在探讨实践中，尚需进行试验确认，EPS 的批量国产化工作还有一个模索的过程。1.2.2 各国对EPS 的评价及EPS 发展前景美国德尔福公司宣称，“EPS 系统表明我们有能力向全世界的用户提供尖端的先进的转向系统，它是德尔福下一代精品的代表作。”TRW 公司认为:从长远发展看，目前轿车上广泛使用的HPS 将被逐渐淘汰，取而代之的是EPS。英国的卢卡斯公司认为：EPS 是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于HPS 来说无疑是一场技术革命。日本本田公司认为:EPS 完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必要条件。电子控制是汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系统才能向高度集成的综合性控制性方向发展。2000 年 9 月，我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将EPS 列为汽车零部件“高新技术产品”之一。EPS 的前景是可观的，首先在注重环保和石油资源的国家，如日本和欧洲各国将获得快速推广。据美国德尔福公司预测，2001 年后，顶级轿车将全部安装EPS。TRW 公司估计， 到 2010 年，全世界轿车的动力转向系统中，EPS 占 1/3。德国FZ 公司估计，2001 年以后，欧洲市场EPS 的供销量约占 3%。英国卢卡斯公司认为，EPS 在轿车上正在成为标准配置，而不是选装件，自 1996至 2006 年，欧洲市场上的A、B、C 级轿车安装EPS 的比例将由 35%增加到 70%。目前，EPS 系统每年正以 9%-10%的增长率在快速发展。2005 年，EPS 的产量由2001 年的 150 万套增加到 800 万套，到 2007 年将达到 1140 万套，即产量正以 130-150万套/年的速度在增加，按此增长速度发展下去，用不了几年 EPS 将完全占领轿车市场。1.3 本文的研究内容1.3.1 课题研究意义目前国外许多家大型汽车公司的产品己经成功装配微、轻型轿车。近年来,现代控制理论、电子技术、计算机仿真技术的发展使电动助力转向系统无论在结构设计还是在产品性能方面都有进一步的提高。出于对潜在市场的保护，各研究开发EPS 系统的部门很少公开发表自己的具体研究内容和关键技术，因此可供参考的文献资料很少。国内对电动助力转向系统的研究己经取得了一定的成果，但仍处在初级阶段，还没有研制成功能够装车的产品。研究与开发电动助力转向系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽车工业水平、缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实和长远意义。1.3.2 研究内容研究内容包括：1、电动助力转向系统助力特性和控制策略的确定。EPS 系统的关键是获得助力特性曲线，即转向盘输入转矩与电机输出转矩之间的关系，它决定了控制系统按照什么样的力学模型来设计；控制单元根据助力特性曲线，由预定的控制策略决策出电机的电流实现对电机的控制，本系统控制策略将选择适当的控制策略及参数，协调汽车操纵性与路感之间的关系，使汽车在低速行驶时具有良好的操纵轻便性，高速时具有良好的操纵稳定性，在一定程度上解决“轻”与“灵”的矛盾。2、根据控制策略对EPS 系统进行软硬件的实现。采用 80C196KC 单片机、锁相环滤波电路、复位电路、晶振电路、串行通讯电路等等构成系统硬件控制。1.4 小结本章首先介绍了课题提出的背景及意义，介绍了不同几种汽车电动助力转向系统的分类以及国内外发展概况，最后明确了本文的主要研究内容。2 电动助力转向系统的原理与结构2.1 EPS 系统的结构2.1.1 EPS 系统的基本结构EPS 主要由转矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU) 成。它是一种直接依靠电机提供转矩的动力转向系统，其系统框图如图 2.1 所示。图 2.1电动助力转向系统不同类型的EPS 基本原理是一样的：不转向时，电动机停止工作；开始转向时， 转矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对位移转变成电信号传给ECU，ECU 根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。2.1.2 EPS 系统的分类根据汽车前轴负荷的不同，助力电机的安装位置也不同。当前轴负荷较小时，电机及减速装置与转向轴相连，称为转向轴助力式；当前轴负荷中等时，电机及转向器与转向小齿轮相连，称为转向齿轮助力式；当前轴负荷较大时，电机及减速器则与转向器齿条轴相连，称为转向齿条助力式。2.2 EPS 系统的主要部件及工作原理2.2.1 电动机电动助力转向的助力电动机早期曾用过有刷电动机，但是随着电子技术的发展，现行的EPS 系统几乎都使用永磁无刷直流电动机。电动机的选择和助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压有关。此外，在选择电动机时，必须考虑其噪声和振动对驾驶员的影响。2.2.2 车速传感器EPS 系统需要输入车速信号来确定助力的系数，因为不同车速下相同的方向盘转角时的侧向加速度并不相等，驾驶员的手感力矩也不相等。要使得驾驶员有合适的路感， 就必须使助力系数随车速而改变。这一点我们将在后面详细论述。现有的EPS 系统的车速信号来自ABS 系统所采集的信号，通过CAN 总线等方式传送给EPS 系统的控制器供后者使用。2.2.3 减速机构常见的减速方式包括齿轮减速、蜗轮蜗杆机构减速、球螺旋减速机构、双排行星轮减速等。值得注意的是，为了降低EPS 噪声，可以考虑使用树脂等非金属材料做成的减速机构。必须注意，减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。2.2.4 方向盘转角、转矩传感器电动助力转向器(EPS 系统)中的方向盘转角、转矩传感器测量检测方向盘的位置和输入转矩并转换为电信号。电子控制器(ECU)根据车速信号和方向盘转角、转矩传感器检测到的信号，通过给定的控制策略产生助力控制信号。该助力控制信号控制直流驱动电机的电枢电流，从而控制助力转矩。因为方向盘的转角位置和扭矩传感器测得的扭矩大小的准确性对EPS 系统而言是至关重要的，因此这将是本章论述的重点。从自动控制的原理来看，方向盘转角、转矩传感器既是向控制器提供输入信号的元件，又是助力结果(控制结果)的检测反馈元件。方向盘转角、转矩传感器分为非接触式和接触式两种。目前接触式用得较多的是电位计式扭矩传感器，非接触式用得较多的是电磁感应式、光电式和超声波式扭矩传感器。接触式成本较低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低、需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。非接触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝对转角和角速度的测量；但成本较高。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS 的性能要求进行综合考虑。本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器，它的结构和工作原理如图 2-2 示，主要由滑块、钢球、环和电位器组成。钢球通过螺旋球表面固定在输入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞里。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。同时，滑块通过一个销安装到输出轴，使它仅可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此，当输入轴相对输出轴转动时，滑块按照输入轴旋转的方向和输出轴的旋转量，垂直移动(在轴方向)，(等于输入轴相对于输出轴旋转)。当转动方向盘，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输出轴之间的旋转方向里出现偏差。这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为下图所示的控制杆里电位器的旋转角度。结果，转矩转变为电压变化，并传送到控制器ECU。(a) 电位式转矩传感器结构方向盘在顺时针旋转在空档的方向盘方向盘在逆时针旋转(b) 电位式转矩传感器工作原理图 2.2电位式转矩传感器的结构和工作原理送到控制器的转矩信号分为主、副两路。位式转矩传感器的输出特性如图 2-3 示。当方向盘处于中间位置时，主、副两路输出的信号都为 2.5 V；当方向盘右转时，主转矩信号大于 2.5 V，副转矩信号小于 2.5 V；当方向盘左转时，主转矩信号小于 2.5 V，副转矩信号大于 2.5 V。系统利用主、副转矩信号即可判断方向盘转向的方向和转矩大小。图 2. 3 电位式转矩传感器的输出特性2.2.5 电子控制单元(EUC)电子控制单元(ECU)的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和电磁离合器的动作。此外，EUC 还有安全保护和自我诊断功能，ECU 通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状态是否正常，一旦系统发生异常，助力将自动取消，同时EUC 将进行故障自诊断分析。ECU 通常是一个 8 位单片机系统，也有采用数字信号处理器(Digtial Signal Processing，简称DSP)作为控制单元。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效的实现理想的助力规律与特性。2.3 本章小结本章主要介绍了电动助力转向系统的工作原理和结构，讨论了EPS 的分类及技术要求。对课题研究中所用到的EPS 主要部件的结构和工作原理做了介绍。- 19 -3 EPS 系统助力特性分析和控制策略研究电动助力转向系统的助力特性和控制策略是该系统能否成功的两大关键术。助力特性决定了控制器(ECU)控制程序按照什么样的力学模型来设计，即在汽车转向过程中， EUC 根据车速和方向盘转矩，由助力特性决定电动机应提供多大的助力，以满足不同行驶路况下的要求。这包括两个层面的问题：一是在某一特定车速下的输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系；二是在不同车速下，输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系怎样变化。由于国外对该曲线的研究处于保密状态，所以成为EPS 系统研究的关键技术之一。助力特性反映的是转向盘输入力矩和电动机助力力矩的变化关系，反映出的是系统的静特性；为了增强电动转向系统的回正性、跟踪性和抗干扰性能等动态性能，需要对助力特性进行补偿和调节。EPS 的工作环境复杂多变，路面干扰、传感器噪声、电压波动、转矩波动、发动机的热辐射与电磁干扰都对系统有很大影响。这些因素的存在对EPS 控制策略的设计提出了很高的要求。由于各方面条件和自身能力的限制，本系统设计的EPS 系统的控制策略是建立在系统的简化模型的基础之上，没有考虑系统的非线性因素，并将干扰信号调整到系统能够容忍的范围。考虑到直流电机转矩与电流成正比，取电机电流作控制量。控制过程如下：首先由控制参数决定控制模式，进一步由控制模式的特性曲线决定电动机目标电流，然后对电机实际输出的电流进行闭环控制，实现对目标电流的跟踪。3.1 助力特性分析EPS 系统的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，高速行驶时的操纵稳定性。汽车转向系一直存在着轻与灵的矛盾。为此，人们常将转向器设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵为主，在转向盘大转角时以轻为主。但是灵的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根本上解决这一矛盾。另外，转向力与路感也是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但转向力过小，就缺乏路感。传统液压动力转向由于不能对助力进行实时调节与控制。所以协调转向力与路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。由于EPS 系统由电机提供助力，助力大小由我们预定的助力特性曲线调节和控制，可以较好的进行控制。3.1.1 汽车电动助力转向系统的受力分析EPS 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩和整个转向系统所受的转向阻力矩。驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力，同时在EPS 系统的电动机助力下，通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。转向时驾驶员作用在方向盘上的作用力以及电动机作用的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩有关。(1) 驾驶员的操纵力在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：一、改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力；二、保持汽车行驶方向不变(包括直线运动和固定某个方向的运动)时驾驶员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行驶时，驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。(2) EPS 的阻力矩按产生的来源不同，EPS 的阻力矩大体上可分为“绕主销的阻力矩”和“转向系的阻力矩”两大部分组成。这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏转角，转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。1) 转向系阻力矩主要包括“转向系摩擦力矩”，“转向系复原力矩”和“转向系惯性力矩”三部分。“转向系摩擦力矩”主要指转向系的各部分之间的干摩擦阻力矩的总和。“转向系复原力矩”主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等的弹性变形引起的回复力产生的。“转向系惯性力矩”主要由转向系内各部分在运动过程转速的变化所形成的。2) “绕主销的阻力矩”大部是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受路面状态、轮胎特性、车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏转角的变化而变化。通常“绕主销的阻力矩”按汽车不同的行车方式分成“原地转向阻力矩”和“行车转向阻力矩”两种。原地转向:指对静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之以轮胎和路面之间发生滑移，称这一情况所产生的转向阻力矩为原地转向阻力矩。行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向时产生的阻力矩。行车转向比原地转向车速增加了，接地面积滚动成分增加，转向阻力矩也突然减小。不过，车辆如以更高车速转向行驶，将由于轮胎发生偏转形成自动回正力矩，促使轮胎平面和轮胎行进方向趋向一致。这样行车转向中所受转向阻力矩就大致和原地转向时相仿。高速行车中，由轮胎偏转角所引起的转向阻力矩是随主销后倾角增大而增大的。因此影响“绕主销的阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数、车速和车轮偏转角等。显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。同时轮胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。3) “电动机助力矩”是由电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力矩。它的大小由EPS 的ECU 根据传感器传来的车速和力矩信号来决定。3.1.2 转向阻力和路感汽车转弯时，前轮上作用着与转向力相应的“绕主销的阻力矩”，通常笼统地称为回正力矩。这回正力矩除以传动比，就是驾驶员为了使汽车转弯所经常需要克服的力矩。除了回正力矩以外，驾驶员还需要克服主销的摩擦阻力矩、转向机的摩擦力矩(其大小取决于转向机效率)、各个球头的摩擦力矩以及原地转向时轮胎与地面的摩擦力矩等。驾驶员在转向时所需克服的阻力矩包括两个主要部分：一是回正力矩；二是摩擦力矩。如果问：“转向力大好还是小好?”可能大部分开过车的人都回答：“当然小些好，但太小也不好。”转向轻意味着减少驾驶员的体力消耗，从这个意义上说，当然是越轻越好。但是转向力中还包含着前轮侧向力的信息，使汽车的运动状态(包括车轮与路面的附着状态)与驾驶员手上的力有一种对应关系，这就是所谓的“路感”。如果这种“路感”很清晰，驾驶员就会感到，“心中有数”。如果转向盘上的转向力太小了，“路感”也就没有了。所以从这个意义上说，“转向力又不能太小”。不过，更确切地说，原则上是转向力中与前轮侧向力有着对应关系的那一部分(回正力矩部分)不能太小，而与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩则是越小越好。然而各种摩擦力矩的大小也存在另一方面的制约。通常，如果逆传递的摩擦力太小，也会增大不平路面对转向盘的冲击。为了减小所谓的“反冲”，有时故意追求较低的转向机的“逆效率”，这种做法肯定要以减少“路感”为代价。转向系统干摩擦的存在，对转向力中的侧向力信息来说总是一种“噪声”从而降低了转向力中的“信噪比”。理想的设计应该是尽量降低转向系统的干摩擦，以尽量提高“信噪比”；而为了减小路面冲击的传递，靠装设与速度成比例的液力阻尼器。因为转弯运动总是低频的，而路面冲击总是以高频为主的，这种阻尼器对低频的信息没有影响，而对瞬时的高频冲击却可产生很大的阻力，从而使路面的冲击传不到转向盘上来。此外， 在回正力矩作用小(主要是拖距)的情况下往往会增加高速撒手运动(力输入运动)的振荡倾向。这就是为什么驾驶员往往把转盘轻与“飘”联系在一起的原因。根据以上分析，理想的助力特性应包括以下三个方面：一、要使汽车转向系统具有良好的轻便性；二、要使驾驶员能获得足够高的“信噪比”；三、要防止路面对方向盘的反向冲击过大。3.1.3 EPS 助力特性曲线确定1. 非助力装置的输入输出特性汽车转向行驶时，驾驶员操纵转向盘的作用力(亦称操舵力)克服的主要阻力有：车轮与地面的摩擦(滚动和滑动的)；主销后倾角与主销内倾角所形成的回正力矩；转向传动系统中存在的各种类型的摩擦力和力矩。此外，转向阻力还与其它因素有关，如车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等。车速高、路况好、转弯半径大、风阻小，即转向阻力较小时，驾驶员操纵转向盘比较轻松；反之则较沉重。由此，可以定性建立转向阻力Mu 与这些影响因素之间的一个函数关系 ：Mu = f (u, Ff , Fw , r.zs)（3.1）式中,U-车速，Ff-滚动阻力，Fw-空气阻力，r-转弯半径，zs-转向盘的转速。转向时驾驶员施加在转向盘上的输入力矩M1(Nm)与系统的输出力矩M0(Nm)(系统克服的转向阻力矩)之间存在线性关系。当转向阻力矩增大时，驾驶员相应的增加操舵力矩，即增加驾驶员的劳动强度，有：M0=KM1 中K 是由系统传动比和传动效率决定的常量，它反映了转向轻便性的程度。其输入输出特性如图所示，图中实线为正向传动的特性；虚线为反向传动的特性。M1图 3.2输入输出特性2. 带助力装置的输入输出特性在系统中采用助力装置时，用MS0 表示驾驶员施加于转向盘上的操舵力矩，MU 表示某一时刻系统克服的转向阻力矩(与系统的输出力矩等值)，MZU 表示助力系统提供的力矩，则三者应有如下关系：Mu = K (M so + M zu )（3.2）式中K 由系统传动比和传动效率确定。Mu 与Mso 和Mzu 呈单调增函数关系；其输入输出特性是 Mso 和Mzu 的叠加，如图3.3 所示。图中的直线 1 表示无助力装置的输入输出特性；曲线 2 表示助力装置的助力特性；曲线 3 表示带助力装置的输入输出特性，即直线 1 与曲线 2 的叠加。对于曲线2，Mio 表示助力装置开始助力时的转向盘操舵力矩，Mimax 表示助力装置提供最大助力时的转向盘输入力矩。图 3.3带助力装置的输入输出特性图 3.3 中曲线 2 呈非线性特性，这将使系统的控制变得复杂。为简化系统，用直线代替助力曲线。可以选择直线型和折线型两种形式如图 3.4。图 3.4助力曲线 2 的两种简化形式3. EPS 系统助力特性曲线的确定方法EPS 系统助力特性曲线的确定包括两个层面的问题：一是在某一特定车速下输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系；二是在不同车速下，输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系怎样变化。以直线型助力曲线为例分析助力曲线的确定，折线型曲线的分析方法相似，只不过多了中间折点坐标Mimid 的确定。直线型助力曲线的确定需要确定三个参数：助力装置开始助力时的转向盘操舵力矩Mio。助力装置提供最大助力时的转向盘输入力矩Mmxa，助力特性曲线梯度K。Mio 和Mmxa 与驾驶员的主观感觉有关，可以根据设计者和驾驶员对转向轻便性和路感的要求，通过试验获得。助力特性曲线梯度 K 关系到 EPS 系统的静态特性。因为转向阻力的影响因素众多，无法精确确定，所以决定了K 最终需要理论分析结合试验调试来确定。文献18提供了汽车原地转向时的转向最大助力矩，结合Mmxa，可以确定最大助力矩Momxa，从而获得零车速的最大助力特性曲线梯度Kmax。在不同车速下，输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系怎样变化。本系统的解决办法是按照车速分段拟合，得到的一族依据不同车速所形成的曲线。一般来说，装有助力装置的系统，应尽可能的不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。针对EPS 的特点，输入力矩与助力力矩之间的理想特形曲线应满足以下要求。(1) 随着车速的不同，得到一簇助力曲线。车速越低，提供的转向助力越大，低车速转向时提高转向轻便性。(2) 助力曲线有转向助力死区，在转向力矩较小的区域，提供的转向助力为零，且在不同车速时，开始助力的时机不同，以保证具有足够的路感。(3) 提供不同助力比的转向助力区。不同车速转向时，助力电机提供不同助力比，高车速转向时的助力比小，提高转向稳定性。(4) 当转向盘转矩达到某一值时，助力转矩将保持不变，形成转向饱和区，保证不致因电机电流过大而烧毁电机和控制器中的功率器件。图 3.5理想的助力特性曲线3.2 EPS 系统控制策略的研究3.2.1 EPS 系统控制方法的选择转向过程中，汽车车速和方向盘转矩变化范围很大，不同的转向状态，需要不同的控制模式和控制方法。同时控制算法应该快速准确，满足实时控制的要求，能够有效的实现理想的助力特性和控制规律。EPS 系统的控制目的主要有：能有效的减小转向操纵力，并提供与手动转向一致的、可控的转向感觉；提高转向盘回正特性，低速转向后方向盘能迅速准确的回到中位，高速回到中位时避免震荡和摆振。这两种控制目的不是同时实现的，EPS 系统根据不同的行驶条件，选择控制算法实现不同的控制目的。如车辆进行“J”字型转向行驶时，先需要电机提供助力减轻驾驶员员操纵力；再重新回到直线行驶时需要方向盘平滑的、无震荡的回到中间位置。对于EPS 系统第一个控制目的的实现有三种控制方法：1、电机电枢电压控制法电机电枢电压控制方法早在 1990 年日本本田NKS 车上得到首次应用。该方法利用电机电压开环控制原理，将转矩传感器检测的转向盘转矩信号、转速传感器检测的转向盘转速信号以及车速信号经过处理后分别输入到单片机中，有不同车速下的转矩表和转速表查表得到电机转矩和转速，经过计算后得出最佳PWM 占空比，通过调整占空比的大小，控制电机电枢平均电压，驱动动力回路中的功率电路实现电机助力。该控制方法为开环控制，其特点是控制系统设计简单，容易实现，但是控制精度不高，电机助力仅随提供的电枢电压而改变，控制系统无法实现负载变化对电机转矩的影响。2、电机电枢电流控制法电机电枢电流控制方法利用电机转矩和电机电流成比例的特性，由转矩信号和车速信号输入控制器单片机中，根据预制的“转矩一电动机助力目标电流表”确定出电机助力的目标电流，电流检测电路将电机电枢电流反馈到控制器中并与电机目标电流相比较， 利用PID 调节器进行调节后输出PWM 信号给驱动电路进行助力。PID 调节器使得二者之间的误差能够减小到足够小，系统尽快达到稳定状态。该控制方法可省略方向盘转速传感器，采用电机电流闭环控制，其突出的优点是控制精度高，抗干扰性强。3、转向盘转矩直接控制法上述两种方法是通过对电机的控制来实现对转向盘转矩的控制，控制量是电机电压和电机电流，是一种间接的控制方法。转向盘转矩控制法就是直接以转向盘转矩为控制量进行控制。将转向盘转向角传感器测得的转向角信号和车速信号输入控制器中，根据预制的“转向角一转向盘转矩表”确定出目标转矩，转矩传感器将实际转向盘转矩信号反馈到控制器中并与转向盘目标转矩相比较，利用PID 调节器进行调节后输出PWM 信号给驱动电路进行助力。控制过程与电机电枢电流控制法类似，但多用了转向角传感器。本系统采用电机电枢电流控制方法实现助力控制。对于 EPS 系统第二种控制目的，限于实验条件不能很好模拟实际车辆的转向过程，仅仅设计了简单的控制方法，回正时减小目标电流，方向盘在中位时对电机制动。3.2.2 电动机电流的控制方式在控制电路中，电动机的电流的调节是利用PWM 控制技术通过调节电枢电压实现的。由于EPS 系统要求电动机能够正反向运转，因此电动机控制电路中设计了一个H 桥式斩波电路。从H 桥PWM 控制的角度看，通常按照四桥臂功率开关在正向和反相驱动时的通断组合方式不同，分为双极方式、单极方式、受限单极方式。图 3.6 和 3.7 所示的为H 桥结构部分，有四个功率开关和四个续流二极管组成。图 3.6H 型双极可逆PWM 驱动图 3.7H 型受限单极可逆PWM 驱动双极方式的特点是四桥臂对角线两组开关分别控制，V1 和V4 为一组同时导通或关断，V2 和V3 为一组，也同时导通和关断，在任时刻最多只允许有一组是导通的。最简单的控制室，在一个开关周期内，首先第一组导通，电动机两端A 和B 施加正向电压，然后转变为第二组导通，电动机两端施加反向电压。由两种状态所占的时间份额多少决定平均电压是正还是负，平均电流是正向还是负向。当两种状态相等时，相当于平均电压为 0，电动机停转。单极方式的四M 控制是这样的：要正转时，将VF4 导通，V1 和V2 交替开关， 由占空比决定正转平均电压；要反转时，将V2 导通，V3 和V4 交替开关，由占空比决定反转平均电压；在正转和反转两种工作情况下，电动机端电压的极性不变，因此成为单极方式。对于受限单极方式的PWM 控制，在正转时，V4 导通，V2 和V3 截止，仅Vl 受PWM 调制；在反转时，V2 导通，V1 和V4 截止，仅V3 受PWM 调制。这种工作方式上下桥臂没有直通的危险，工作可靠性比较高。本系统采用这种驱动方式。3.2.3 EPS 系统各种控制模式下的电机目标电流的确定方法1、转向助力控制助力控制是在转向过程(不包括回正)中为了减轻方向盘的操纵力，通过蜗轮蜗杆减速机构把电动机转矩作用在转向轴上的一种基本控制模式。利用方向盘转矩传感器检测到的转矩信号和车速传感器检测到的车速信号输入控制器中，根据存储在控制器的“转矩电动机助力目标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。EPS 系统在进行助力控制时，功率驱动单元的电路如图 3.8。当方向盘右转时，V1 导通，V4 进行PWM 控制。左转时V3 导通，V2 进行PWM 控制。图 3.8助力控制驱动电路2、补偿控制为了降低助力增益的增加对系统动态特性的影响，需要引入微分控制，使得当助力增益增加时，相对阻尼系数不降低较多，保证系统具有较好的动态特性。可根据转向作用力的变化率，沿力矩变化的方向产生补偿。由于EPS 系统转动惯量较大，当转向盘快速转向时为了增强系统的快速响应性，引入电动机转速对目标电流进行补偿。3、回正控制回正控制是改善转向回正特性，更好地符合汽车动态特性的一种控制模式。汽车在转向回正时，转向轮主销后倾角和主销内倾角使得转向轮具有自动回正的作用。汽车在低速行驶时，由于侧向加速度比较小，回正力矩也较小，因此必须在低速行驶转向回正过程中进行控制，使车轮能迅速回到直线行驶或者中间位置，使转向系统具有良好的回正性。汽车在高速行驶时，侧向加速度比较大，回正力矩也较大，为了提高汽车的转向稳定性，必须控制回正速度，使汽车转向不出现超调和左右摆动的现象。在回正过程中，方向盘上的力是逐渐减小的，若仍然按助力控制时的助力特性可能会导致低速不能回到中间位置，高速时出现超调。因此电动机目标电流需要根据回正助力特性来确定。低速时迅速衰减助力电流，高速时逐渐衰减助力电流。- 29 -图 3.9回正助力特性曲线图 3.10回正控制驱动电路利用方向盘力矩微分值判断是否处于回正状态。EPS 系统在进行回正控制时，电动机电流由回正助力特性曲线决定。功率驱动单元的电路与常规助力控制相同如图。当方向盘右转回正时，V1 导通，V4 进行PWM 控制。左转回正时V3 导通，V2 进行PWM 控制。4、电动机中位控制当方向盘转向回正到中间位置附近时，一方面由于电动机的惯性使得操纵系统的惯性比机械式转间操纵系统的惯性大，转向回正时不容易收敛；另一方面，车辆高速行驶时，由于路面的偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大，传到方向盘的力矩比低速行驶时要大，为了抑制这种横摆振动，必须在中位进行控制，以提高汽车运行时的高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性。直流电动机的等效电路可简化为U = RI + Kb Nm ，电动机转矩Tm = Ka I ，所以有U = RTm+ K N Kabm（3.3)当电源短路时则有：T = - Kb Ka NmRm(3.4)该式表明当电源短路时，电动机的力矩表现为制动力矩，与电动机的方向相反，转速成比例。采用电机中位控制时，只需将电动机输出为制动状态，就可使电动机产生阻尼效果。当方向盘转矩较小，进入助力死区(意味着此时转向盘已经回到或接近中间位置)，电机旋转速度比根据当前车速得到的某特定值大时，对电机进行中位控制。EPS 系统在中位进行控制时，如图 3.11 V2 和V4 同时导通，Vl 和V3 关断，实现中位控制。当电机停止转动时，制动转矩消失，控制结束。在电机中位控制中需要电动机转速(或方向盘转速)信号，但一般的EPS 系统没有这两个信号，需要利用现有的传感器信号对其估算。一般有两种方法。一种是利用角度传感器信号的微分运算获得；另一种是由U = RI + Kb Nm推出 N= U - RI 。也就是说转mKb速信号可用电动机电压和电流进行估算，在本系统中没有角度传感器信号，只有采用第二种方法。图 3.11中位控制驱动电路对于受限单极方式的PWM 控制，在正转时，V4 导通，V2 和V3 截止，仅Vl 受PWM 调制；在反转时，V2 导通，V1 和V4 截止，仅V3 受PWM 调制。这种工作方式上下桥臂没有直通的危险，工作可靠性比较高。本系统采用这种驱动方式。3.2.4 电动机电流的闭环控制算法在目标电流决定以后，为了使电动机的实际工作电流能迅速跟踪目标电流，就必须设计一个目标电流跟踪器。PID 控制器是成熟的控制策略之一，算法简单，且易于通过编程实现，大量的工程实践证明了其可靠性。1、数字PID 控制算法PID(比例、积分、微分)控制由于其原理简单、技术成熟，在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型