汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型與助力特性

1、汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型與助力特性在實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩已知時(shí)，助力電動(dòng)機(jī)提供多大轉(zhuǎn)矩才 最合適，這是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的核心，亦即準(zhǔn)確求出助力特性。該助力特性反映了 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和助力電動(dòng)機(jī)提供的助力力矩之間的關(guān)系， 在分析助力電機(jī)的助力特 性之前，我們先來建立電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的動(dòng)態(tài)模型。1汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型圖1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型下面進(jìn)行EPS動(dòng)力學(xué)模型的建立，為了建模和分析的方便，控制參數(shù)做如 下設(shè)定：轉(zhuǎn)矩傳感器當(dāng)做扭力桿，其剛度 ks、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js、旋轉(zhuǎn)角度ds、阻尼 系數(shù)bs ；與齒條連接的小齒輪的半徑rs;小齒輪帶動(dòng)齒條移動(dòng)，齒條質(zhì)量 m、 位移量x、阻尼系

2、數(shù)b ；方向盤輸入力矩Td ;傳動(dòng)放大比是G ;轉(zhuǎn)向阻力Ftr ； 轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量值y ;傳感器的量測(cè)噪聲Vt ;助力轉(zhuǎn)矩Ta ;負(fù)載轉(zhuǎn)矩T ；助力 電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩Tm ；電機(jī)特性系數(shù)ka ；助力曲線特征值Kv，電機(jī)電流為I。 如圖3.1是EPS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程建立如下：扭桿動(dòng)力學(xué)方程：Jss二Td -ksLs -仝）-bss（ 1）rs齒條動(dòng)力學(xué)方程：mxGs - 廠E-bx FTR（2）rsrsrs轉(zhuǎn)矩傳感器方程：y = ks（x ） Vt（3）rs助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：J =kal（4）助力特性方程：I =Kvy（5）減速器轉(zhuǎn)矩方程：Ta =GTm（ 6）負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Ta y（

3、 7）該系統(tǒng)中方向盤轉(zhuǎn)矩Td為指令輸入，輸出量為助力轉(zhuǎn)矩Ta，此外還要考慮 干擾因素。式（I）描述了扭桿的轉(zhuǎn)矩關(guān)系，作用在扭桿上的轉(zhuǎn)矩主要有方向盤輸 入轉(zhuǎn)矩、輸出軸對(duì)扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩。式 描述了齒條的受力情況，施加在齒 條上的力是由方向盤手力、助力電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力、路面擾動(dòng)三方面所引起 的。由式（3）可知：轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量的值與輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)角之差成正比。兀為輸入軸轉(zhuǎn)角，x/rs為輸出軸的轉(zhuǎn)角。由式（7）可以看出：負(fù)載轉(zhuǎn)矩由方向盤輸入 轉(zhuǎn)矩和助力電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)放大后的轉(zhuǎn)矩組成。式 （4）是助力電機(jī)的特征方程， 助力電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比關(guān)系，由特性系數(shù)ka決定。在助力控制器設(shè)計(jì)中，

4、該參數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，它是根據(jù)助力曲線的要求來選取的。 該參數(shù) 確定后，助力電機(jī)也就確定了。式（5）中的Kv為助力曲線特征值，其大小是助力曲線的斜率。低速時(shí)，Kv比較大，助力轉(zhuǎn)矩Ta較大，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高操縱輕便性。中高速時(shí)，由于路感較差，為了增強(qiáng)高速時(shí)的路感，Kv取值應(yīng)較小，這樣助力較小。2汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性2.1助力特性的概念助力特性是指助力隨汽車運(yùn)動(dòng)狀況和受力狀況（車速和方向盤力矩）變化而 變化的規(guī)律。對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，助力與液壓油壓力成正比，故一般用液壓油壓力 與轉(zhuǎn)向盤力矩(及車速)的變化關(guān)系曲線來表示助力特性。 對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，助力 與直流電機(jī)電流成比例，故可采

5、用電機(jī)電流與方向盤力矩、 車速的變化關(guān)系曲線 來表示助力特性。汽車在高速行駛時(shí)，應(yīng)能把車輪與路面的接觸狀態(tài)以反力和位移形式，通過轉(zhuǎn)向系傳至方向盤，使駕駛員感到此種力和位移的反饋及其差別，這就是所謂的路感。汽車轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向輕便性與路感是相互矛盾的。滿足輕便就要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供大些的助力，而助力增加后，路感就變差了。如果路感很清晰，駕駛 員就會(huì)心中有數(shù)，有利于提高行駛安全性。理想的助力特性應(yīng)能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，并提供給駕駛員 與手動(dòng)轉(zhuǎn)向盡可能一致的、可控的轉(zhuǎn)向特性。在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的條件下，如果 路感強(qiáng)度在整個(gè)助力特性區(qū)域內(nèi)不變，駕駛員就能容易地判定汽車行駛狀況的變 化，預(yù)測(cè)出

6、所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。2.2助力特性的分析EPS的助力特性屬于車速感應(yīng)型，主要有全速型和低速型兩種。 全速型是指 EPS在任何車速下都提供助力。低速型是指 EPS只在低速時(shí)才提供助力，當(dāng)車 速超過某一預(yù)定值時(shí)，EPS停止工作。低速型在 EPS的初期階段用得較多，其 優(yōu)點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的要求相對(duì)較低；缺點(diǎn)是不能改善汽車的高速操縱穩(wěn)定性。全速型 的優(yōu)點(diǎn)是能改善汽車的高速操縱穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的要求相對(duì)較高。助力特性對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，包括輕便性、回正性、路感等有重要影響。 傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向中的助力特性主要由液壓閥的結(jié)構(gòu)決定，調(diào)整非常困難，并且設(shè)計(jì)完成后助力特性就確定了，不能隨車速變化。而EP

7、S不同，其助力特性曲線是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的控制目標(biāo)，由軟件來設(shè)置，可以設(shè)計(jì)成車速感應(yīng)型任意形 狀的特性曲線，并且可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。配備電動(dòng)助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(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(shí)得心應(yīng)手。方向盤轉(zhuǎn)矩Td與助力矩Ta之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1) 在方向盤轉(zhuǎn)矩很小的區(qū)域內(nèi)希望助力矩越小越好， 甚至不施加助力，以便保 持較好的路感和節(jié)約能源。(2) 在原地轉(zhuǎn)向和低速行駛轉(zhuǎn)向過程中， 轉(zhuǎn)向阻力矩相當(dāng)大。為使轉(zhuǎn)向輕便，降 低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，此時(shí)應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果， 且助力矩增幅應(yīng)較 大，從而保證較好的助力作用。(3) 原地轉(zhuǎn)向時(shí)，助力矩增加

8、到一定值時(shí)應(yīng)保持恒定，以免助力電動(dòng)機(jī)因負(fù)荷過 大而出現(xiàn)故障。(4) 行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，助力矩增加到一定值時(shí)也應(yīng)保持恒定，以便駕駛員可以明顯感 到路面反力的增加，指導(dǎo)安全駕駛。隨著車速的升高，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩很小時(shí)不助力的區(qū)域應(yīng)增大。(6) 隨著車速的升高，施加的轉(zhuǎn)向助力應(yīng)減小，以便駕駛員獲得良好的路感，保 證行車安全。(7) 助力矩不能大于同工況下無助力時(shí)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩，即助力矩應(yīng)小于轉(zhuǎn)向阻 力矩，否則將出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。(8) 各區(qū)段過渡要平滑，以避免操舵力出現(xiàn)跳躍感。將上述特點(diǎn)與原則量化，可得圖2所示的助力特性曲線。圖中描述的就是電 動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)向盤施加轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。由于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電流間存在線性

9、關(guān) 系，因此該圖能夠反映出助力轉(zhuǎn)矩隨行駛工況的變化規(guī)律，可以把它作為研究電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制規(guī)律的參照。Td/Nm圖2 一種理想的助力特性2.3助力特性的分類如圖3(a)所示為直線型助力特性，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向盤力矩成線性關(guān)系。該助力特性曲線可用以下函數(shù)表示：f 0I = Kv 億-Tdo)1 max0 - Td ： Td0Td 0 一 Td : Td maxTd -Td(8)式中，I為電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流：I max為電動(dòng)機(jī)的最大工作電流；Td為方向盤輸入力矩：Kv為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減小：Tdo為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時(shí)的方向盤輸入力矩：Td max為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大

10、助力時(shí)的方向盤輸入力矩。如圖3(b)所示為折線型助力特性，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向 盤力矩成分段線性關(guān)系。該助力特性曲線可用以下函數(shù)表示：Kiv (T Td0)K2v (Td -Tdi) - Kiv (Tdi -Td0)J1 maxTd0 - Td : TdiTd1 - TdTd max(9)Td-Tdmax0 一Td ： Tdo0 _ Td ： Td0Td0 - TdTd maxTd -Td max(10)如圖3(c)所示為曲線型助力特性，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向 盤力矩成非線性關(guān)系。該助力特性曲線可用以下函數(shù)表示:0I 二 Kv f(Td)J I max比較上述三種助力

11、特性曲線，直線型助力特性最簡(jiǎn)單，有利于控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，并且在實(shí)際中最容易調(diào)整。但是一旦確定，助力矩隨方向盤力矩變化的趨勢(shì) 便已確定，因而不能得到不同轉(zhuǎn)向區(qū)間內(nèi)不同的轉(zhuǎn)向特性要求； 曲線型助力特性 復(fù)雜，調(diào)整不方便，但能根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)向特性要求調(diào)節(jié)曲線形狀； 折線型助力特性則介于兩者之間僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la re