電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析課件

1、車輛系統(tǒng)動力學EPS系統(tǒng)概述及EPS系統(tǒng)模型的建立 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Assisted Steering，EPAS或EPS) 內(nèi)容簡介 1、 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 2、 EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況及關鍵技術 3、 EPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 4、 EPS系統(tǒng)組成及模型的建立（重點） 1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了常規(guī)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三個發(fā)展階段，并且有繼續(xù)向電子化和智能化方向發(fā)展的趨勢。 (1)常規(guī)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering,HPS) HPS一般由液壓泵、油管

2、、壓力流量控制閥體、V型傳動皮帶、儲油罐等部件組成。它依靠轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時帶動扭桿直接改變液壓系統(tǒng)油路的通道面積來提供可變助力，助力的大小與車速的高低沒有關系，只與轉(zhuǎn)向盤角度有關。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過的角度越大，液壓系統(tǒng)提供的助力也就越大。 這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論汽車是否有轉(zhuǎn)向操作，系統(tǒng)總要處于工作狀態(tài)，所以能耗較高，而且在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)向、低車速時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得較大的助力。而由于液壓泵的壓力較大，這樣就比較容易損害助力系統(tǒng)。另外，這類動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、容易產(chǎn)生泄露，而且不易安裝與維護，轉(zhuǎn)向力也不易有效控制。1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 圖11常規(guī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 (2)

3、電子控制式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electronic Hydraulic Power Steering，EHPS) EHPS一般由機械裝置與電氣裝置兩部分組成。機械裝置由轉(zhuǎn)向器(包括控制閥、壓力腔及助力缸)、油泵及管路組成。電氣裝置部分則由車速傳感器、電子控制單元ECU及電磁閥組成。該系統(tǒng)通過傳感器將汽車運行過程中的各種非電量信號，比如車速信號轉(zhuǎn)變成電信號，并由ECU判別汽車的運行狀態(tài)，以此來控制電磁閥線圈的電流，從而控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中壓力油的流量，再由液壓油控制執(zhí)行機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向動作。 然而，EHPS存在著油泵持續(xù)工作造成多余能量消耗、整個液壓系統(tǒng)占用空間大、容易泄露、噪聲大等缺陷，而且增加的車速

4、檢測控制裝置以及閥的結(jié)構(gòu)要比lIPS系統(tǒng)更復雜，致使成本較高，所以目前主要應用于高級轎車及運動型車輛上。1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 圖12電子控制式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 (3)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Assisted Steering，EPAS或EPS) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎上增加了信號傳感器裝置、電子控制裝置及轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)等裝置。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能是使用電力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，在不同的駕駛條件下為駕駛員提供適宜的輔助轉(zhuǎn)向力。 經(jīng)過多年的探索，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種全新的動力轉(zhuǎn)向技術進入了業(yè)界的視野，并且很快便成為動力轉(zhuǎn)向

5、系統(tǒng)研究和開發(fā)的熱點。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術與高性能的電機控制等技術應用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能顯著改善汽車動態(tài)性能與靜態(tài)性能、提高駕駛員的舒適性和安全性，而且能減少環(huán)境污染。因此，該系統(tǒng)必將成為未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流，與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢： (1)降低了燃油消耗；1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 圖13電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程 (2)增強了轉(zhuǎn)向跟隨性； (3)改善了轉(zhuǎn)向回正特性； (4)提供可變的轉(zhuǎn)向助力； (5)提高了車輛的操縱穩(wěn)定性； (6)能源“綠色”、環(huán)保，符合現(xiàn)代汽車的發(fā)展要求； (7)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越； (8)生

6、產(chǎn)線裝配性好。 近幾年來，隨著電子技術和傳感器技術的發(fā)展和硬件成本的大幅度下降，加之電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身的諸多優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其相配套部件的研究和開發(fā)愈來愈備受到各主要汽車生產(chǎn)企業(yè)的重視。2、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況及關鍵技術 2.1、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況 2.2、EPS系統(tǒng)的關鍵技術 2.1、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況 2.1、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況 在國外，EPS系統(tǒng)首先是在小排量轎車上發(fā)展起來的。上世紀80年代初期，日本鈴木公司首次在其Cervo轎車上安裝了EPS系統(tǒng)，隨后還應用在其Alto車上。此后，EPS在日本得到迅速發(fā)展。出于節(jié)能環(huán)保的考慮，歐、美等國的汽車公司

7、也相繼對EPS進行了開發(fā)和研究。雖然比日本晚了10年時間，但是歐美國家的開發(fā)力度比較大，所選擇的產(chǎn)品類型也有所不同。 在此之后，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司、NSK和Koyo公司、美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司、TRW公司，德國的ZF公司、英國的Lucas公司都相繼研制出各自的EPS。在世界汽車行業(yè)中，EPS的年增長量達到130萬150萬套。目前，國外中型以上的貨車和中級以上的轎車上幾乎都廣泛采用這一技術裝置。 2.1、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況 EPS技術研究經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)日趨完善，研究方法和研究手段不斷進步，控制方法和控制策略更加完

8、善。 目前國外的研究主要集中在細節(jié)上對助力特性、操縱性能等的進一步優(yōu)化，而且設計出了操作模擬器來對EPS系統(tǒng)的控制策略進行評估。在對控制策略的研究上，國外側(cè)重于選擇基于PID的補償和回正控制策略，對于模糊控制、H控制也有研究。 國內(nèi)汽車廠商起步較晚，但開發(fā)速度很快，在轎車EPS系統(tǒng)開發(fā)上已有成果。2002年北斗星汽車在國內(nèi)首次安裝進口的EPS帶動了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和開發(fā)，國內(nèi)學者才開始研制開發(fā)汽車EPS產(chǎn)品，我國的EPS控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作尚處在起步階段，少數(shù)高校和研究機構(gòu)從事該課題的研究，主要處于實驗室研發(fā)階段。 2.1、EPS系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況 國內(nèi)對于EPS系統(tǒng)的研究主要集中

9、于控制算法上，常見的有常規(guī)PID控制、基于PID的補償和回正控制、基于PID的智能控制(即PID控制結(jié)合智能控制如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡技術等)、單一的智能控制方法、H控制等。清華大學、吉林大學、天津大學、合肥工業(yè)大學、華南理工大學、華中科技大學、河南科技大學等高校也開展了EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設計、系統(tǒng)建模、控制策略以及動力學分析等研究。國內(nèi)在對EPS系統(tǒng)動力學分析與仿真研究方面，雖然已經(jīng)建立起了理論體系，但是在一些細節(jié)方面如對轉(zhuǎn)向阻力的模擬、路面譜及輪胎特性等方面還有待進一步的研究。 總體來說，國內(nèi)近年來對EPS系統(tǒng)的研究發(fā)展很快，特別是在控制策略方面，然而在對具體細節(jié)的優(yōu)化上，與國外還是有相當大

10、的差距。雖然目前國內(nèi)已有一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS產(chǎn)品出現(xiàn)，但是距離EPS系統(tǒng)的批量生產(chǎn)、裝備還有很長的路要走。2.2、EPS系統(tǒng)的關鍵技術 2.2、EPS系統(tǒng)的關鍵技術 EPS系統(tǒng)研究開發(fā)涉及電動機的驅(qū)動技術、非接觸式傳感器技術、轉(zhuǎn)向控制技術(包括助力控制，回正控制，阻尼控制)以及系統(tǒng)與整車性能等多方面的難題。 電動機驅(qū)動技術：系統(tǒng)中電機要求端電壓低而功率相對較高所以電動機電流較大這給驅(qū)動單元的電子器件選擇和電路設計帶來一定的困難，這是EPS開發(fā)的關鍵技術之一。 非接觸傳感器技術：系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩傳感器要求結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、價格便宜、精度適中，目前國外EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩傳感器多為非接觸式、電

11、磁感應式、光電式等，而接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器應用較少，國內(nèi)非接觸式傳感器價格較高，不適合用于系統(tǒng)中必須開發(fā)出一種符合以上要求的轉(zhuǎn)矩傳感器。2.2、EPS系統(tǒng)的關鍵技術 轉(zhuǎn)向控制技術：系統(tǒng)在原有的機械式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電機和減速器使轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的慣性增大，為此必須引入慣性控制和阻尼控制避免在電機開始助力和結(jié)束助力時對轉(zhuǎn)向操縱產(chǎn)生影響同時為了更好的路感必須根據(jù)汽車的行駛速度和轉(zhuǎn)向狀態(tài)確定合理的助力。 系統(tǒng)與整車性能相匹配：汽車是由各系統(tǒng)組成的既相互聯(lián)系又相互制約的有機整體，汽車某個子系統(tǒng)改變時整車性能也產(chǎn)生了相應變化，因此必須對系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進行配合，使整車性能達到最優(yōu)。3、EPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 E

12、PS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢: 經(jīng)過多年的發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在降低自重、降低生產(chǎn)成本、減少電流消耗與內(nèi)部摩擦、獲得合理的助力特性以及保證路感方面都取得了重大的進步。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在操縱穩(wěn)定性、行駛安全性、節(jié)能環(huán)保等方面都充分顯示了其優(yōu)越性，其性能也得到用戶的普遍認可。隨著直流電動機性能的改進與提升，EPS系統(tǒng)得助力能力將得到進一步提高，其應用范圍也將繼續(xù)拓寬。EPS系統(tǒng)代表著未來動力轉(zhuǎn)向技術的發(fā)展方向，其將有可能作為標準件裝備到汽車上，并將在動力轉(zhuǎn)向技術領域占據(jù)重要的地位。 就目前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，其未來的發(fā)展趨勢主要在以下方面：3、EPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)改進控制系統(tǒng)性能及降低

13、控制系統(tǒng)制造成本。 (2)將迸一步提高系統(tǒng)的可靠性。 (3)EPS系統(tǒng)的控制信號將不再僅僅局限于車速、轉(zhuǎn)矩，而是根據(jù)轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向速度、橫向加速度、前軸重力等多種信號進行與汽車特性相吻合的綜合控制，以此獲得更好的轉(zhuǎn)向路感。 (4)將實現(xiàn)EPS系統(tǒng)控制單元與汽車上其它控制單元的通訊聯(lián)系，以實現(xiàn)整車電子控制系統(tǒng)的一體化。 (5)將進一步提高汽車的安全性。采用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，駕駛室將會有更大的空間用于布置被動安全裝置，減少了危險發(fā)生時對乘員的傷害。 放眼未來，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將朝著更純粹的電子化與智能化的方向發(fā)展。4、EPS系統(tǒng)組成及模型的建立 41 EPS系統(tǒng)組成及其工作原理 42 EPS系統(tǒng)的

14、結(jié)構(gòu)類型 43 EPS系統(tǒng)模型的建立 43.1 汽車動力學模型的簡化 43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立41、EPS系統(tǒng)組成及其工作原理 41 EPS系統(tǒng)組成及其工作原理 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎上增加了信號傳感器裝置、電子控制裝置及轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)等構(gòu)成的。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要原理是使用電力驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)在不同駕駛條件下為駕駛員提供適宜的輔助力。系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：電子控制單元(ECU)、車速傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電動機、減速機構(gòu)等。其工作原理如圖4.1所示。41、EPS系統(tǒng)組成及其工作原理圖4141、EPS系統(tǒng)組成及其工作原理 具體工作過程是： 汽車處于轉(zhuǎn)向狀

15、態(tài)時，駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向，裝在轉(zhuǎn)向柱上的方向盤扭矩一轉(zhuǎn)角傳感器實時檢測出作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩和方向盤位置，并將這些信號同車速信號一起送到電子控制單元。電子控制單元對這些輸入信號進行運算處理，根據(jù)存儲在內(nèi)部ROM中的助力特性MAP圖確定合適的助力扭矩。電動機經(jīng)離合器及減速增扭機構(gòu)將扭矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛員提供轉(zhuǎn)向助力的目的。當車速超過一定的臨界值或者出現(xiàn)故障時，EPS系統(tǒng)退出助力工作模式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動轉(zhuǎn)向模式。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時的為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠。42、EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型

16、42、EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 電動助力轉(zhuǎn)向根據(jù)作用位置的不同主要有三種結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)分別是對轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式和齒條助力式。 1轉(zhuǎn)向軸助力式：轉(zhuǎn)向軸助力式電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的電動機布置在靠近方向盤的下方，通過蝸輪蝸桿機構(gòu)和轉(zhuǎn)向軸鏈接。 2齒輪助力式：齒輪助力式電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的電動機布置在與轉(zhuǎn)向器主動齒輪相連接的位置，再通過驅(qū)動主動齒輪實現(xiàn)助力作用。 3齒條助力式：齒條助力式電動助力結(jié)構(gòu)的動機和減速機構(gòu)等布置在齒條處，并直接驅(qū)動齒條實現(xiàn)助力。42、EPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 圖42 三種EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型43 EPS系統(tǒng)模型的建立 43.1汽車動力學模型的簡化 引入汽車動力學模型的目的是為了通過

17、模型中表征車輛運動特征的參量，來分析EPS不同控制策略對于車輛操縱穩(wěn)定性影響。 為了研究的方便，把所要建立的汽車模型縮減為只有沿Y軸的側(cè)向運動與繞Z軸的橫擺運動這樣兩個自由度的簡化模型，對汽車模型做如下假設： 忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；忽略懸掛的作用，汽車僅作平行于地面的平面運動；認為汽車沿X軸的前進速度視為不變，汽車只有沿Y軸的側(cè)向運動和繞z軸的橫擺運動兩個自由度；認為驅(qū)動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側(cè)偏特性的影響，沒有空氣動力的作用；忽略左右車輪由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化。43.1汽車動力學模型的簡化 這樣經(jīng)簡化之后得到一個由前后兩個有側(cè)向彈性的輪胎支承于地面、

18、具有側(cè)向及橫擺運動的二自由度汽車模型，如圖43所示。圖43二自由度車輛模型43.1汽車動力學模型的簡化 根據(jù)圖43，用二自由度汽車受到的外力沿Y軸法向方向的合力與繞質(zhì)心的力矩平衡方程，推導出運動微分方程：(41)式(41)中43.1汽車動力學模型的簡化 考慮到較小，式(41)可以改寫為：(42) 側(cè)偏力大小取決于側(cè)偏角，與汽車運動參數(shù)有關。汽車前后軸重心速度為u1、u2，側(cè)偏角為1、2，質(zhì)心側(cè)偏角為，設是u1與X軸夾角，其值為 。43.1汽車動力學模型的簡化 根據(jù)坐標系規(guī)定，前后側(cè)偏角為：(43)根據(jù)側(cè)偏力與側(cè)偏角的關系，式(42)可寫為：(44)43.1汽車動力學模型的簡化 式(44)中 將

19、式(42)代入式(44)，整理后得二自由度汽車運動微分方程： 式(45)的聯(lián)立方程式包含了汽車質(zhì)量、輪胎側(cè)偏剛度和側(cè)偏角等方面的重要參數(shù)，反映了汽車曲線運動最基本的特征。(45)43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 為分析問題方便，把前輪及轉(zhuǎn)向機構(gòu)向轉(zhuǎn)向軸簡化，轉(zhuǎn)矩傳感器可以近似看成是一個剛度為Ks的扭力桿。這樣，將復雜的EPS系統(tǒng)實物簡化為只包括轉(zhuǎn)向盤和上端轉(zhuǎn)向軸、助力電動機、下端轉(zhuǎn)向軸三個電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學模型，簡化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型見圖4.4。圖44轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動的力學結(jié)構(gòu)圖43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 設轉(zhuǎn)向盤和上轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動慣量、前輪及轉(zhuǎn)向機構(gòu)等

20、效到轉(zhuǎn)向軸后的轉(zhuǎn)動慣量、電動機的轉(zhuǎn)動慣量分別為Jk、Jc、Jm，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤上施加的轉(zhuǎn)矩、等效到下端轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向阻力矩、電動機的電磁轉(zhuǎn)矩及電動機作用到轉(zhuǎn)向軸的助力矩分別為Td、Tr、Tm、Ta，轉(zhuǎn)向軸與支承之間的阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)與前輪等效到轉(zhuǎn)向軸的阻尼系數(shù)、電動機轉(zhuǎn)軸與支承之間的阻尼系數(shù)分別為Bk、Bc、Bm，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角、前輪等效到轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)角、電動機的轉(zhuǎn)角分別為k、c、m，將轉(zhuǎn)矩傳感器簡化為一扭力桿，其剛度為Ks，由電動機到轉(zhuǎn)向軸的傳動比(即蝸輪蝸桿減速比)為Gm。為降低問題的復雜性，這里不考慮電動機的扭轉(zhuǎn)剛度?？紤]到電動機與轉(zhuǎn)向軸之間的速度匹配，有 (46)43.2 EPS系統(tǒng)物理模

21、型的建立 (1)轉(zhuǎn)向系動力學方程 對轉(zhuǎn)向盤和上端轉(zhuǎn)向軸、下端轉(zhuǎn)向軸分別進行動力學分析，可得到如下方程：(48)(47)43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 (2)輪胎模型 在小轉(zhuǎn)角條件下(輪胎側(cè)偏角小于5)，輪胎特性可認為是線性的，轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向阻力矩可認為是與轉(zhuǎn)向角成比例的，即 (3)直流電動機模型 直流電動機的等效結(jié)構(gòu)如圖45所示，電動機端電壓U與電感L、電樞電阻R、電動勢系數(shù)Kb、電流I之間的關系如式(410)所示：(49)(410)43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 圖45電動機等效電路圖43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 電動機對轉(zhuǎn)向軸提供的助力力矩死可由電動機運行的動力學方程式確定： 電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm與電流I成正比，即 式中，Ka為電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)僅與電機結(jié)構(gòu)有關。(411)(412)43.2 EPS系統(tǒng)物理模型的建立 聯(lián)立式(46)、(48)、(49)、(411)、(412