電動助力轉(zhuǎn)向系的設計文庫

1、1前 言1.1 選題背景及意義電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS,Electric Power Steering）是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀80年代中期提出來的。該技術發(fā)展最快、應用較成熟的當屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和Delphi Sagiaw （薩吉諾）

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而Delphi Sagiaw （薩吉諾）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿1。她是一個于20世紀50年代把液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)推向市場的，從此以后，Delphi轉(zhuǎn)向發(fā)展了技術更加成熟的液壓助力系統(tǒng)，使大部分的商用汽車和約50%的轎車裝備有該系統(tǒng)。現(xiàn)在,Delphi轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又領導了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次新革命-電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機電一體化的設計思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機及微電腦控制單元組成2。該系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向傳感器檢測到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個信號，與車速傳感器測得的車速信號一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單

3、元通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應的指令給控制器，從而驅(qū)動電機，通過助力裝置實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動機構(gòu)獲得所需的任意助力值。1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢作為汽車的一個重要組成部分，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關鍵總成，如何設計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機構(gòu)的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳海嚨牟倏v設計顯得尤為重要。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3個基本發(fā)展階

4、段。機械式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于采用純粹的機械解決方案，為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤，這樣一來，占用駕駛室的空間很大，整個機構(gòu)顯得比較笨拙，駕駛員負擔較重，特別是重型汽車由于轉(zhuǎn)向阻力較大，單純靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉，目前在一部分轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上仍有使用。1953年通用汽車公司首次使用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此后該技術迅速發(fā)展，使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。80年代后期，又出現(xiàn)了變減速比的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在接下來的數(shù)年內(nèi)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術革新差不多

5、都是基于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Variable Displacement Power Steering Pump和電動液壓助力轉(zhuǎn)向(Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS系統(tǒng)。變流量泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車處于比較高的行駛速度或者不需要轉(zhuǎn)向的情況下，泵的流量會相應地減少，從而有利于減少不必要的功耗。電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵，由于電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時關閉，所以也能夠起到降低功耗的功效。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使駕駛室變得寬敞，布置更方便，降低了轉(zhuǎn)向操縱力，也使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更為靈敏。由于該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術成熟、能提供大的轉(zhuǎn)向

6、操縱助力，目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應用。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。EPS在日本最先獲得實際應用，1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術得到迅速發(fā)展，其應用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國的Lucas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術和高性能的電機控制技術應用于汽

7、車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）降低了燃油消耗。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，浪費了部分能量。相反電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）僅在需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機提供的能量，該能量可以來自蓄電池，也可來自發(fā)動機。而且,能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當前的車速有關。當轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機不工作，需要轉(zhuǎn)向時，電機在控制模塊的作用下開始工作,輸出相應大小及

8、方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩，而且，該系統(tǒng)在汽車原地轉(zhuǎn)向時輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，隨著汽車速度的改變，輸出的力矩也跟隨改變。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了按需供能，是真正的按需供能型（on-demand）系統(tǒng)。汽車在較冷的冬季起動時，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)反應緩慢，直至液壓油預熱后才能正常工作。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計時不依賴于發(fā)動機而且沒有液壓油管，對冷天氣不敏感，系統(tǒng)即使在-40時也能工作，所以提供了快速的冷起動。由于該系統(tǒng)沒有起動時的預熱，節(jié)省了能量。不使用液壓泵，避免了發(fā)動機的寄生能量損失，提高了燃油經(jīng)濟性，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛和裝有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛對比實驗表明，在不轉(zhuǎn)向情況下，裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的

9、國輛燃油消耗降低2.5%，在使用轉(zhuǎn)向情況下，燃油消耗降低了5.5%3。（2）增強了轉(zhuǎn)向跟隨性。在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動助力機與助力機構(gòu)直接相連可以使其能量直接用于車輪的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減振器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振大大減水4。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗擾動能力大大增強和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生于電機，沒有液壓助力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應，增強了轉(zhuǎn)向車輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。（3）改善了轉(zhuǎn)向回正特性。直到今天，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的發(fā)展已經(jīng)到了極限,電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正特性改變了這一切。當駕駛員使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一角度后松開時，該系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。該系統(tǒng)還可以讓工程師們利用軟件在最

10、大限度內(nèi)調(diào)整設計參數(shù)以獲得最佳的回正特性5。從最低車速到最高車速，可得到一簇回正特性曲線。通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這種轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相機匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)起來有一定困難。（4）提高了操縱穩(wěn)定性。通過對汽車在高速行駛時過度轉(zhuǎn)向的方法測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛（100km/h）的汽車一個過度的轉(zhuǎn)角迫使它側(cè)傾，在短時間的自回正過程中，由于采用了微電腦控制，使得汽車具有更高的穩(wěn)定性，駕駛員有更舒適的感覺。（5）提供可變的轉(zhuǎn)向助

11、力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力來自于電機。通過軟件編程和硬件控制，可得到覆蓋整個車速的可變轉(zhuǎn)向力6?？勺冝D(zhuǎn)向力的大小取決于轉(zhuǎn)向力矩和車速。無論是停車，低速或高速行駛時，它都能提供可靠的，可控性好的感覺，而且更易于車場操作。 對于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，可變轉(zhuǎn)向力矩獲得非常困難而且費用很高，要想獲得可變轉(zhuǎn)向力矩，必須增加額外的控制器和其它硬件。但在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變轉(zhuǎn)向力矩通常寫入控制模塊中，通過對軟件的重新編寫就可獲得，并且所需費用很小。（6）采用綠色能源，適應現(xiàn)代汽車的要求。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應用最干凈的電力作為能源，完全取締了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液態(tài)油的泄漏問題，可以說該系統(tǒng)順應了

12、綠色化的時代趨勢。該系統(tǒng)由于它沒有液壓油，沒有軟管、油泵和密封件，避免了污染。而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管使用的聚合物不能回收，易對環(huán)境造成污染。（7）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。由于該系統(tǒng)具有良好的模塊化設計，所以不需要對不同的系統(tǒng)重新進行設計、試驗、加工等,不但節(jié)省了費用，也為設計不同的系統(tǒng)提供了極大的靈活性，而且更易于生產(chǎn)線裝配。由于沒有油泵、油管和發(fā)動機上的皮帶輪，使得工程師們設計該系統(tǒng)時有更大的余地，而且該系統(tǒng)的控制模塊可以和齒輪齒條設計在一起或單獨設計，發(fā)動機部件的空間利用率極高7。該系統(tǒng)省去了裝于發(fā)動機上皮帶輪和油泵，留出的空間可以用于安裝其它部件。許多消費者在買車時非常

13、關心車輛的維護與保養(yǎng)問題。裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車沒有油泵，沒有軟管連接，可以減少許多憂慮。實際上，傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓油泵和軟管的事故率占整個系統(tǒng)故障的53%，如軟管漏油和油泵漏油等8。（8）生產(chǎn)線裝配性好。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件數(shù)目大大減少，減少了裝配的工作量，節(jié)省了裝配時間，提高了裝配效率。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自20世紀80年代中期初提出以來，作為今后汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，必將取代現(xiàn)有的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 1.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究目的（1）汽車電子化是當前汽車技術發(fā)展的必然趨勢。繼電子

14、技術在發(fā)動機、變速器、制動器和懸架等系統(tǒng)得到廣泛應用之后,EPS在轎車和輕型汽車領域正逐步取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并向更大型轎車和商用客車方向發(fā)展,它己成為世界汽車技術發(fā)展的研究熱點和前沿技術之一,所以它具有廣泛的應用前景。 （2）按轉(zhuǎn)向動力能源不同,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。 （3）傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是由簡單的機械來傳遞動力,主要的組成是有方向盤、轉(zhuǎn)向器總成、以及轉(zhuǎn)向拉桿等零件組成。 （4）隨著電子技術的發(fā)展,電子控制式機械液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應運而生,該系統(tǒng)在某些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),但仍然無法根除液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺憾就是管內(nèi)壓力和油的泄露9。替液壓

15、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢。1.4 本文的研究內(nèi)容（1）對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)及受力分析；（2）對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性評價指標分析；（3）選擇合適的助力特性曲線，并使用MATLAB進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析；（4）通過MATLAB仿真分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操作穩(wěn)定性的影響，從轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性、隨機靈敏度和助力特性等方面進行電動助力轉(zhuǎn)向性能的客觀評價。2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)及工作條件進行分析2.1引言汽車在行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛的方向，稱為轉(zhuǎn)向。輪式汽車行駛是通過轉(zhuǎn)向輪（一般是前輪）相對于汽車縱向軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度來實現(xiàn)的。駕駛操縱用來改變或回復汽車行駛

16、方向的專用機構(gòu)稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向能源的不同可分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以人的體力為轉(zhuǎn)向能源的，其中所有的傳力件都是機械的，它主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三部分組成。汽車轉(zhuǎn)向器作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件，其性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性和可靠性。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上曾設了一套轉(zhuǎn)向加力裝置所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系，它兼用駕駛員的體力和發(fā)動機動力作為轉(zhuǎn)向能源。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的大部分力通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供，只有小部分由駕駛員提供。同時在動力轉(zhuǎn)向失效時，駕駛員仍能通過機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向操縱。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直存在著

17、輕與靈的矛盾。為緩和這一矛盾，過去人們常將轉(zhuǎn)向器設計成可變速比，在方向盤小轉(zhuǎn)角時以靈為主，在方向盤大轉(zhuǎn)角時以輕為主。但靈的范圍只在方向盤中間位置附近，僅對高速行駛有意義，并且傳動比不能隨車速變化，所以這種方法不能根本解決這一矛盾。隨著電子技術的發(fā)展，電子控制式機械液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應運而生，該系統(tǒng)在某些性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但仍然無法根除液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有缺憾。此外，傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在選定參數(shù)完成設計之后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了，不能再對其進行調(diào)節(jié)和控制。因此傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與操縱路感關系困難。低速轉(zhuǎn)向力小時，高速行駛時轉(zhuǎn)向力往往過輕，路感差，甚至感覺發(fā)飄，

18、從而影響操縱穩(wěn)定性；而按高速性能要求設計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，低速時轉(zhuǎn)向力往往過大。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，簡稱EPS），是繼液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后產(chǎn)生的一種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電動機提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實時調(diào)節(jié)與控制，可以較好的解決上述液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不能解決的矛盾。目前，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有代替液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢。2.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵技術主要包括硬件和軟件兩個方面。 硬件技術主要涉及傳感器、電機和ECU。傳感器是整個系統(tǒng)的信號源，其精度和可靠性十分重要。電機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行器，電機性能

19、好壞決定了系統(tǒng)的表現(xiàn)。ECU是整個系統(tǒng)的運算中心，因此ECU的性能和可靠性至關重要。 軟件技術主要包括控制策略和故障診斷與保護程序兩個部分?？刂撇呗杂脕頉Q定電機的目標電流，并跟蹤該電流，使得電機輸出相應的助力矩。故障診斷與保護程序用來監(jiān)控系統(tǒng)的運行，并在必要時發(fā)出警報和實施一定的保護措施。桿的作用是將轉(zhuǎn)向搖臂傳來的力和運動傳給轉(zhuǎn)向梯形臂（或轉(zhuǎn)向節(jié)臂）。它所受的力既有拉力，也有壓力，因此直拉桿都是采用優(yōu)質(zhì)特種鋼材制造的，以保證工作可靠。直拉桿的典型結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。在轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)或因懸架彈性變形而向相對于車架跳動時，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對運動都是空間運動，為了不發(fā)生運動干涉，上述三者

20、間的連接都采用球銷。圖2-1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖3左轉(zhuǎn)向橫拉桿 4又轉(zhuǎn)向橫拉桿 5左梯形臂 6右梯形臂 10齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如下：首先，轉(zhuǎn)矩傳感器測出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力矩，車速傳感器測出車輛當前的行駛速度，然后將這兩個信號傳遞給ECU；ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計算出理想的目標助力力矩，轉(zhuǎn)化為電流指令給電機；然后，電機產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)減速機構(gòu)放大作用在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）作為傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的替代產(chǎn)品已經(jīng)進入汽車制造領域。與先前的預測相反，EPS不僅適用于小型汽車，而且某些12V中型汽車

21、也適于安裝電動系統(tǒng)。EPS系統(tǒng)包含下列組件：轉(zhuǎn)矩傳感器，檢測轉(zhuǎn)向輪的運動情況和車輛的運動情況；電控單元，根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的信號計算助力的大?。?電機，根據(jù)電控單元輸出值生成轉(zhuǎn)動力；減速齒輪，提高電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力，并將其傳送至轉(zhuǎn)向機構(gòu)。車輛系統(tǒng)控制算法輸入信息是由汽車CAN總線提供的(例如轉(zhuǎn)向角和汽車速度等等。電機驅(qū)動還需要其它信息，例如電機轉(zhuǎn)子位置(電機傳感器提供和相電流(電流傳感器提供。電機由四個MOSFET控制。由于微控制器無法直接驅(qū)動MOSFET的大型柵電容，因此需要采用驅(qū)動IC形式的接口。出于安全考慮，完整的電機控制系統(tǒng)必須實施監(jiān)控。將電機控制系統(tǒng)集成在PCB上，通常包含一個繼電器，

22、該繼電器可作為主開關使用，在檢測出故障的情況下，斷開電機與電控單元。 微控器(C必須控制EPS系統(tǒng)的直流有刷電機。微控器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的轉(zhuǎn)向輪所需轉(zhuǎn)矩信息，形成一個電流控制回路。為了提高系統(tǒng)的安全水平，該微控器應有一個板載振蕩器，這樣即使在外部振蕩器出現(xiàn)故障的情況下，亦可確保微控器的性能，同時還應具備片上看門狗。英飛凌公司的XC886集成了所有重要的微控器組件，其它安全特性可通過軟件實現(xiàn)，如果必須執(zhí)行IEC61508等行業(yè)安全標準規(guī)范，就不得不完成各種診斷和自檢任務，因而會增加微控器的工作負荷。目前不同客戶采用的轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)子位置傳感器差別很大。他們采用不同的測量原理，如分解器、電磁共振

23、器、基于傳感器的集成巨磁阻(IGMR。 功率級的作用是開關電機電流。該功率級具有兩個功能：驅(qū)動IC控制和保護MOSFET，MOSFET本身又可負責開關電流。MOSFET和分區(qū)(例如驅(qū)動IC與MOSFET結(jié)合在一個器件或多個器件內(nèi)由電機功率決定。 微控器的PWM輸出端口提供的驅(qū)動電流和電壓太低，無法直接與MOSFET柵極實現(xiàn)連接。驅(qū)動IC的作用是提供充足的電流，為MOSFET的柵極進行充電和放電，使其在20kHz的條件下正常實現(xiàn)開關，同時保證為高低側(cè)MOSFET提供高柵源電壓Vgs，確保獲得低導通電阻。如果高側(cè)MOSFET處于開通狀態(tài)，源極電位就接近電池電平。要想使MOSFET到達標稱導通電阻，

24、柵源電壓需高于8V。MOSFET完全導通所需的最理想的電壓是10V或以上，因此所需的柵極電位就比電池電壓高出10V。電荷泵是確保該功能最大程度降低MOSFET功耗(即使低電池電壓條件下的電路。圖2說明，英飛凌驅(qū)動IC即使在8V電池電壓條件下，其低高側(cè)MOSFET的柵源電壓也可達到11V。這將確保在低電池電壓條件下，獲得低功耗和高系統(tǒng)效率。 電荷泵設計的其它關鍵特性是可以根據(jù)不同PWM模式的要求，實現(xiàn)極低(低至1%和極高的占空比(高至100%。驅(qū)動IC的另一個重要功能是檢測短路情況，避免損壞MOSFET。受影響的MOSFET將關閉，診斷結(jié)果提交給微控器。電流水平可實現(xiàn)調(diào)節(jié)。 MOSFET通常應用

25、在一個多半橋拓撲結(jié)構(gòu)內(nèi)，由驅(qū)動IC控制。根據(jù)ISO7637規(guī)定，在12V電網(wǎng)中，電池電壓通?？筛哌_16V。在選擇MOSFET電壓級別時，必須針對二極管恢復過程中所出現(xiàn)的感應瞬變現(xiàn)象提供足夠的安全邊際(Ls x dl/dt，Ls代表雜散電感，dl/dt代表開關時的電流斜率。在低dl/dt和低雜散電感的系統(tǒng)中，可使用30V MOSFET，但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全邊際。最新的40V MOSFET技術采用D2PAK(TO263封裝在2mm和180A條件下，以及采用較小的DPAK(TO252裝封在低于4mm和90A的條件，可提供極低的導通電阻，使EPS系統(tǒng)設計具備極高的功率密

26、度和效率。2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型根據(jù)助力電動機助力位置不同，可分為轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS：Column-EPS）、齒輪軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（P-EPS:Pinion-EPS）及齒條軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（R-EPS：Rack-EPS）10。轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動機固定在轉(zhuǎn)向軸的一側(cè)，通過減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向，如圖2-2所示。圖2-2 轉(zhuǎn)向軸助力式EPS齒輪助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪助力轉(zhuǎn)向，如圖2-3所示。與轉(zhuǎn)向軸助力式相比，可以提供較大的轉(zhuǎn)向力，適用于中型車11。其助力控制特性方面增加了難度。圖2-3 齒輪助力式EP

27、S齒條助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力，如圖2-4所示。與轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式相比，齒條助力式可以提供更大的轉(zhuǎn)向力，適用于大型車。對原有的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)有較大的改變。圖2-4 齒條助力式EPS2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械部分工作條件電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括扭距傳感器、車速傳感器、控制單元（ECU）、電動機、減速機構(gòu)和離合器等，如圖2-5所示。圖2-5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在EPS系統(tǒng)中，傳感器主要應用了扭距傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器。扭距傳感器時刻檢測轉(zhuǎn)向盤的運動狀況，將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的方向、角度、信息傳送給控制單元作輸入信號。轉(zhuǎn)速傳感器用于測量轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)速度，速度傳感器測

28、量車輛的行駛速度，兩者的測量結(jié)果同樣送到控制單元作為輸入。控制單元是EPS系統(tǒng)的核心部分，也是EPS系統(tǒng)研究的重點。目前普遍將控制單元設計為數(shù)字化，一般以一個八位或十六位微處理器為核心，外圍集成A/D電路、輸入信號接口電路、報警電路、電源。要求具有簡單計算、查表、故障診斷處理、儲存、報警、驅(qū)動等功能。電動機的功能是根據(jù)控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩，是EPS的動力源。電動機對EPS的性能有很大的影響，是EPS的關鍵部件之一，所以EPS對電動機很重要。不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、易控制。在現(xiàn)有設計中電動機主要采用直流電動機和無刷永磁式電動機，驅(qū)動

29、電路根據(jù)采用的電動機和控制策略不同而不同。EPS的減速機構(gòu)與電動機相連，起減速增扭作用。常采用渦輪蝸桿機構(gòu)，也有采用行星齒輪機構(gòu)。EPS的離合器，裝在減速機構(gòu)的一側(cè)，是為了保證EPS只有在預先設定的車速行駛范圍內(nèi)起作用。當車速達到某一值時，離合器分離，電動機停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。另外，當電動機發(fā)生故障時離合器將自動分離。由圖2-5可見，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)基礎上增加信號傳感裝置、控制單元和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)。EPS的轉(zhuǎn)向軸由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成。輸出軸通過傳動機構(gòu)帶動轉(zhuǎn)向拉桿使車輪轉(zhuǎn)向，輸出軸除通過扭桿與輸入軸相連外，還經(jīng)行星齒輪減速機構(gòu)離合器與主力電動機相連。駕

30、駛者在操縱轉(zhuǎn)向盤時，給輸入軸輸入了一個角位移，輸入軸和輸出軸之間的相對角位移使扭桿受扭，扭距傳感器將扭桿所受到的扭矩轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入電控單元；與此同時，車速傳感器檢測到的車速信號頁輸入電控單元，電控單元綜合轉(zhuǎn)向盤的輸入力矩、轉(zhuǎn)向方向以及車速等信號，判斷是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，則依照既定的助力控制策略來計算電動機助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應的信號給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路提供相應的電壓或電流給電動機，電動機輸出相應的轉(zhuǎn)矩由蝸輪蝸桿傳動裝置放大再施加給轉(zhuǎn)向軸起助力作用，從而完成實時控制助力轉(zhuǎn)向；若出現(xiàn)故障或超出設定值則停止給電動機供電，系統(tǒng)不提供助力，同時，離合器切斷，以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電動

31、機慣性力矩的影響。系統(tǒng)轉(zhuǎn)為人工手動助力。工作過程如圖2-6所示。圖2-6電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程圖2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和類型。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由扭距傳感器、車速傳感器、電子控制單元ECU、電動機、減速機構(gòu)等組成。當轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，扭距傳感器測出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩，并產(chǎn)生一個電信號；與此同時，車速傳感器測出汽車的車速，也產(chǎn)生一個電信號。這兩個信號被送往電子控制單元，經(jīng)過電子控制單元分析處理后，輸出給電動機一個合適的電流以產(chǎn)生相應的扭矩，經(jīng)減速機構(gòu)施加在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，得到一個與工況相適應的轉(zhuǎn)向作用力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獨立于汽車發(fā)電機而蓄電池提供動力，不受發(fā)

32、動機工作的影響。依據(jù)助力電動機助力位置不同，可分為轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、齒輪軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及齒條軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在改善轉(zhuǎn)向路感的同時，降低了油耗，提高了車輛的環(huán)保性能。3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性評價指標分析3.1 引言配備電動助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應盡量不悖于駕駛員原有的駕駛習慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應手。轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩與助力矩之間的理想關系應具備以下幾點：（1）在轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩很小的區(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）在低速行駛低速轉(zhuǎn)向過程中，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動強度，助力效果應當明顯。（3）原地

33、轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩相當大，此時應盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果，且助力矩增幅應較大。（4）隨著車速的增升高，轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩很小時不助力的區(qū)域應增大。（5）原地轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時應保持恒定，以免助力電動機因負荷過大而出現(xiàn)故障。（6）形式轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時也應保持恒定，以便駕駛員駕駛時可以明顯感到路面反力的增加，知道安全駕駛。（7高速行駛時停止助力，以便駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全。（8）助力矩不能大于同工礦下無助力時的轉(zhuǎn)向驅(qū)動，即助力矩應小于轉(zhuǎn)向阻力局，否則將出現(xiàn)“打手”現(xiàn)象。（9）各區(qū)段過度要平滑，以避免操舵力出現(xiàn)跳躍感。3.2 EPS典型助力曲線EPS的助力特性具有多種

34、曲線形式，圖3-1為三種典型的EPS助力特性曲線。這里將圖中助力曲線分為三個區(qū)，0TdTd0區(qū)為無助力區(qū)，Td0TdTdmax區(qū)為助力變化區(qū)12。圖3-1 EPS典型助力曲線圖3-1-a為直線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤扭矩成線性關系。該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示式中，I為電機的目標電流；Imax為電機工作的最大電流；Td為方向盤的輸入扭矩；K（V）為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減小；Td0為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時的方向盤輸入扭矩，Tdmax為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時的方向盤輸入扭矩。圖3-1-b所示為典型的折線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤扭矩

35、成分段型關系，該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示。式中，K1（V），K2（V）分別為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減??；Td1為助力特性曲線梯度由K1（V）變?yōu)镵2（V）時的方向盤輸入扭矩。圖3-1-c為典型曲線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤輸入扭矩成非線性關系，該助力特性曲線用以下函數(shù)表示。比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性曲線有利于實現(xiàn)連續(xù)、均勻助力，但控制復雜、調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間，從設計、調(diào)整和實用的角度看，采用直線型助力特性可以基本滿足實際需要。3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受力分析EP

36、S系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤的操縱力、點擊的助力矩和整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩。駕駛員在轉(zhuǎn)向時作用在方向盤上的操縱力，同時在EPS系統(tǒng)的電動機助力下，通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在方向盤上的作用力以及電動機作用的助力矩大小與汽車整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關。（1）駕駛員的操縱力駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況：一、改變汽車行駛方向是駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力；二、保持汽車行駛方向不變(包括直線運動和固定某個方向的于東時駕駛員保持方向盤不動的力13。這種在車輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變，行車時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力稱為方向盤把持力。（2）EPS的阻力矩按

37、產(chǎn)生的來源不同，EPS的阻力矩大體上可分為“繞主銷的主力矩”和“轉(zhuǎn)向系的阻力矩”兩大部分14。這些轉(zhuǎn)向阻力距的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、輪胎偏離角、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角速度和車輛側(cè)偏角變化而變化。轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”，“轉(zhuǎn)向系復原力矩”和“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”三部分?！稗D(zhuǎn)向系摩擦力矩”主要指轉(zhuǎn)向系的各部分之間的干摩擦阻力矩的總和?！稗D(zhuǎn)向系復原力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)回位彈簧、內(nèi)橡膠襯套等彈性變形引起的回復力產(chǎn)生的15?！稗D(zhuǎn)向系慣性力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運動過程轉(zhuǎn)速的變化所形成的。“繞主銷的阻力矩”大部分是由路面和輪胎間的轉(zhuǎn)矩形成的，它受路面狀態(tài)、輪胎特性、車輪定位參數(shù)和負荷等的影

38、響，隨著車速和轉(zhuǎn)向輪偏離角的變化而變化。通常“繞主銷的阻力矩”按汽車不同的行車方式，分成“原地轉(zhuǎn)向阻力矩”和“行車轉(zhuǎn)向阻力局”兩種。原地轉(zhuǎn)向：指靜止不動的汽車進行轉(zhuǎn)向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，繼之以輪胎和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩為原地轉(zhuǎn)向阻力矩。目前常用的經(jīng)驗公式如下16：行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對行駛的汽車進行轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的阻力矩。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。不過，車輛如以更高的車速轉(zhuǎn)向行駛，由于輪胎發(fā)生偏離形成自動回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進方向趨向一致。這樣行車轉(zhuǎn)向中所受轉(zhuǎn)向阻力距就大致和原地轉(zhuǎn)向時相仿。高速行車中，由輪胎偏

39、離角所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷后傾角增大而增大的。因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦系數(shù)等。顯然，負荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。同時輪胎和路面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將增大。（3）“電動機阻力矩”是電動機為了提高汽車操縱的輕便性而對轉(zhuǎn)向系施加的力矩。它的大小由EPS的ECU根據(jù)傳感器傳來的車速和力矩信號來決定。4 使用MATLAB進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析4.1 MATLAB仿真軟件介紹系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的數(shù)學模型研究系統(tǒng)性能的一門學科，尤其是指利用計算機去研究數(shù)學模型行為方法，即數(shù)值仿真。數(shù)值仿真

40、的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)、模型、算法、計算機程序及仿真結(jié)果顯示、分析與驗證等環(huán)節(jié)。MATLAB語言是由美國墨西哥大學計算及科學系主任Cleve Moler教授于1980年開始開發(fā)的，它的兩個顯著的特點（強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能）使得它成為國際控制界最廣泛應用的計算機工具17。同時MATLAB所具備的強有力的各種工具箱所提供的豐富專用函數(shù)為設計研究人員避免重復繁瑣的計算和編程，更快、更好、更準確地進行控制系統(tǒng)分析和設計提供了極大地幫助。4.2 使用MATLAB對汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析建立數(shù)學模型圖4-1轉(zhuǎn)向軸式EPS系統(tǒng)組成圖 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，主要包括轉(zhuǎn)向柱、減速機構(gòu)、齒

41、輪齒條和助力電動機以及ECU控制單元，其動力學模型是： 式中： 為轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩 為轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向輸入軸總成轉(zhuǎn)動慣量為轉(zhuǎn)向傳感器剛度系數(shù) 為扭距傳感器剛度系數(shù)為助力電動機輸出扭矩 為助力電動機及其減速機構(gòu)的剛度系數(shù)為助力電動機轉(zhuǎn)動慣量 為助力電機阻尼系數(shù)M為齒條質(zhì)量 為齒條和轉(zhuǎn)向輪粘性阻尼系數(shù) 為齒條當量剛度G為為助力機構(gòu)傳動比 為轉(zhuǎn)向齒輪半徑 為轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角為轉(zhuǎn)向軸角速度 為轉(zhuǎn)向齒條位移 為齒條速度為助力電機轉(zhuǎn)角 為助力電動機角速度 為系統(tǒng)負載 將4-5代入4-6中，得 建立系統(tǒng)狀態(tài)空間模型定義狀態(tài)變量x各分量為：把各變量代入微分方程得則EPS系統(tǒng)狀態(tài)模型為：系統(tǒng)穩(wěn)定性分析本文考慮EPS簡化結(jié)構(gòu)

42、模型，忽略系統(tǒng)的非線性因素影響，由扭矩傳感器扭桿轉(zhuǎn)矩，即公式4-8。 由EPS系統(tǒng)齒輪齒條的動力學方程 將4-15、4-13分別代入4-14，得 經(jīng)拉式變換后得到方向盤轉(zhuǎn)角到齒條位移的傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)反應出方向盤轉(zhuǎn)角和齒輪齒條位移的動態(tài)關系，現(xiàn)將助力比分別取值，根據(jù)公式4-17在MATLAB中建立齒條位移對方向盤單位角階躍輸入的時域響應。隨著助力比的提高，齒輪齒條位移瞬態(tài)響應的超調(diào)量逐漸增大，調(diào)節(jié)時間逐漸延長，相對穩(wěn)定性能變差。5汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響5.1 引言關于衡量轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性的指標有不少，有些文獻中提到了包括轉(zhuǎn)向靈敏度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、轉(zhuǎn)向路感和回正性能等。但是這

43、些指標或是針對機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，或是針對汽車操縱穩(wěn)定性來說，對于裝有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向操縱性能卻沒有提出一個明確的評價指標18。還在一些文獻中隊EPS系統(tǒng)的性能評價進行了探討，提出了包括轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性、轉(zhuǎn)向盤中間位置性能、隨動靈敏性、助力性能在內(nèi)的評價指標。但是沒有從理論上具體推出這些評價指標的表達式。一個操縱性能良好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應滿足以下要求19：（1）路感合適；（2）轉(zhuǎn)向靈敏；（3）具有較好的操縱穩(wěn)定性。5.2 轉(zhuǎn)向路感汽車轉(zhuǎn)向的輕便性與路感時相互矛盾的，一般駕駛員都希望車輛轉(zhuǎn)向時力“輕”些好，即在轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)提供很大的助力，這樣可以減少駕駛員的體力消耗，但轉(zhuǎn)向太“

44、輕”又不好，因為轉(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車的運動狀態(tài)（包括車輪與路面的附著狀態(tài)）與駕駛員手上的力有一種對應關系，這就是“路感”20,如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到“心中有數(shù)”，有把握地操縱汽車，所以轉(zhuǎn)向力又不能太小。確切地說，轉(zhuǎn)向力中雨前輪側(cè)向力有對應關系的那部分（回正力矩部分）不能太小，而與前輪側(cè)向力無關的各種摩擦力矩則越小越好。汽車轉(zhuǎn)向輕便性是對低速行駛時（如原地轉(zhuǎn)向）提出的要求，而路感則是針對汽車高速行駛時提出。使駕駛員感到此種力反饋及其差別。清晰的路感，對駕駛員非常重要，特別是在高速行駛時，它能夠給駕駛員提供一種正確判斷車輪與路面附著情況的信息21，讓駕駛員心中有

45、數(shù)，以便在不同的道路條件下，采用合適的運行方式（高速，轉(zhuǎn)向和制動），確保車輛的行駛安全。因此，在某種意義上說，路感實際上是給與駕駛員操縱汽車的一種安全感，做到心中有數(shù)、防患于未然。通常，路感按汽車的行駛狀態(tài)或轉(zhuǎn)向盤的位置，可與分高速直線行駛、轉(zhuǎn)向和回正過程的路感。5.3 轉(zhuǎn)向靈敏度轉(zhuǎn)向靈敏度對汽車操縱十分重要，它是衡量汽車操縱性能的主要指標，反應了汽車隊對轉(zhuǎn)向動作的響應快慢。它可以采用汽車的側(cè)向加速度對轉(zhuǎn)角的微分來表示，也可用汽車的橫擺角速度與轉(zhuǎn)角之比來表示。這里選擇從轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角到汽車的橫擺角速度的傳遞函數(shù)來表示轉(zhuǎn)向靈敏度，因為更能直接體現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車系統(tǒng)的綜合性能。若助力電動機電樞

46、電流與扭矩傳感器檢測值成比例，即采用電流控制方法。扭距傳感器的測試值為，則有式中根據(jù)轉(zhuǎn)向靈敏度的定義，可得轉(zhuǎn)向靈敏度函數(shù)5.4轉(zhuǎn)向回正能力在汽車行駛中駕駛員進行轉(zhuǎn)向時，回正力矩能夠使轉(zhuǎn)向盤自動地回到中間位置，這有助于駕駛員回正方向，但有時回正力矩會帶來過多的沖擊，使得轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性變差。傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能通過它的慣性和自身的摩擦產(chǎn)生一些阻尼效果，但卻是很被動。相反，在EPS系統(tǒng)中可以通過控制助力電機來獲得適當?shù)淖枘嵝Ч?。另一方面，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦損失力矩過大時，又就會阻礙轉(zhuǎn)向盤的回正。就此，提出一種通過控制電機提供回復助力，可以獲得良好的回正能力?；卣匦钥刂撇呗钥煞譃閮煞N算法。一種為回正算法，

47、其主要功能是使轉(zhuǎn)向輪快速而準確的回到中心位置，尤其是當內(nèi)部摩擦阻礙回正時；另一種是主動阻尼算法，它可使轉(zhuǎn)向輪在阻尼作用下很好的回位而避免出現(xiàn)沖擊振動。為達到此目的，研究中采用如下的PID控制器。式中，u2為回正時電機控制信號；是控制器的增益。當方向盤轉(zhuǎn)角大時，式中的P1部分產(chǎn)生較大的回正轉(zhuǎn)矩或回復助力轉(zhuǎn)矩，以便幫助回正，而當回正過急時，微分部分產(chǎn)生主動阻尼控制，避免回正沖擊振動和超調(diào)，因此，可以通過調(diào)整控制器的增益系數(shù)來獲得不同的回正特性22。下面用具體參數(shù)來仿真該控制方法，并得出回正相應的曲線。以轉(zhuǎn)向助力為研究對象，該系統(tǒng)的主要參數(shù)為：Kc=139.95Nmrad-1，K=0.0625Vra

48、d-1，r=0.051m，L=0.000269H，R0=0.165，Im=0.000191kgm2，Kr=0.0631NmA-1，Bm=0.00329 Nmrad-1，K1=0.088，K2=1.6，K3=0.225，K4=0.17，K5=3.08，s=0.15，Ky=128000 Nrad-1。由于在試驗臺上要真正模擬汽車不同的行駛車速比較困難，故采用改變阻尼彈簧剛度和系統(tǒng)摩擦的方式來模擬不同的車速，利用提出的EPS控制策略對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真分析，仿真邏輯圖如下圖所示。仿真時使方向盤轉(zhuǎn)角在180時釋放，且設定汽車在低速行駛工況。結(jié)果如圖5-1，圖5-2所示?；卣惴ê湍M不同車速下的回正特性

49、如圖5-3、圖5-4所示。圖5-1仿真結(jié)果圖1圖5-2仿真結(jié)果圖2圖5-3仿真結(jié)果圖3圖5-4仿真結(jié)果圖4在不同阻尼Ks1=3.25KNsm-1和Ks2=2.90KNsm-1作用下，回正響應特性如圖一所示。由圖5-1可知，沒有主動阻尼控制時，響應出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，對于不同的阻尼增益系數(shù)，Ks1 、Ks2產(chǎn)生不同的回正特性，如圖5-1中的（1）和（2），其中情形（1）具有較大阻尼增益系數(shù)，回正響應較遲緩，采用主動阻尼控制后克服了超調(diào)現(xiàn)象。但由于阻尼作用使回正緩慢，同時由于內(nèi)部摩擦轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)向盤可能不能精確的回到中心位置。為了克服這一缺點，采用式的控制方法取代單獨的主動阻尼控制，即加入回正助力。

50、在主動阻尼和回正助力兩者同時作用時，響應特性如圖5-2a所示，表明比單獨的阻尼控制響應更快且沒有超調(diào)。圖5-2b是分別以主動阻尼控制和回正控制為主的輸入特性，即分別取較大的微分增益系數(shù)和比例增益系數(shù)，積分系數(shù)用來調(diào)節(jié)或消除回正穩(wěn)態(tài)誤差。由圖5-3可知，利用估計的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，構(gòu)成控制器的反饋信號，使汽車有良好的回正性能，而且估計值與實際值基本一致。圖5-4為在不同車速下的回正性能，其回正性稍有差別，但不明顯。由此可知，通過不同的阻尼和回正控制可獲得各種回正特性。6結(jié) 論本文對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型及在MATLAB中建模、各可變參數(shù)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評價指標的影響、助力特性曲線的研究以及對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性能的影響進行了分析，得到以下主要結(jié)論：（1）影響電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評價指標：轉(zhuǎn)向路感和轉(zhuǎn)向靈敏度的因素很多，在進行EPS系統(tǒng)設計時，應綜合考慮這些影響因素。但是有一些因素（如電動機的電氣參數(shù)、各部件的粘性摩擦系數(shù)等）是不可以任意選擇的。因此要想獲得較好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，就必須改變EPS各可變參數(shù)以獲得最佳的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能。（2）裝備有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車要保持穩(wěn)定，必須使得電動機轉(zhuǎn)動慣量、扭矩傳感器剛度、助力機構(gòu)傳動比、控制器助力增益滿足由Louth判據(jù)得到的兩個穩(wěn)定性條件。（3）通過