汽車(chē)EPS系統(tǒng)原理

1、汽車(chē)EPS系統(tǒng)原理從上世紀(jì)50年代出現(xiàn)了汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以來(lái),經(jīng)歷了機(jī)械式、液壓式、電控液壓式等階段,80年代人們開(kāi)始研制電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),簡(jiǎn)稱(chēng)EPS(ElectricPowerSteering)。EPS在機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,用輸入軸的扭矩信號(hào)和汽車(chē)行駛速度信號(hào)控制助力電機(jī),使之產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的助力,獲得最佳的轉(zhuǎn)向特性。EPS用僅在轉(zhuǎn)向時(shí)才工作的助力電機(jī)替代了在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)消耗能量的液壓助力裝置,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),降低了能耗,動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的車(chē)速條件下助力的特性,操作輕便,穩(wěn)定性和安全性好,同時(shí),不存在油液泄漏和液壓軟管不可回收等問(wèn)題?？梢哉f(shuō),EPS是集環(huán)保、節(jié)能、安全、

2、舒適為一體的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS是當(dāng)前世界最發(fā)達(dá)的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng),20世紀(jì)80年代,日本鈴木公司首次開(kāi)發(fā)。因其具有獨(dú)特的按需助力、隨動(dòng)跟蹤、反映路感、節(jié)能高效、環(huán)保免維護(hù)、系統(tǒng)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn),在中小排量汽車(chē)中即將以較大產(chǎn)品份額取代液壓助力轉(zhuǎn)向總成(HPS)。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較,汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈活性好,能充分滿(mǎn)足汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能的要求,在操作的舒適性、安全性和節(jié)能、環(huán)保等方面顯示出顯著的優(yōu)越性。EPS的特點(diǎn)及工作原理(1)EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已成為汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于采用動(dòng)力

3、轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩,改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向輕便性,因此在商用車(chē)、中高級(jí)轎車(chē)和輕型車(chē)上得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系大多采用固定放大倍數(shù)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向,缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在各種車(chē)速下駕駛時(shí)的輕便性和路感。為了克服以上缺點(diǎn),研制出電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系(EHPS),使汽車(chē)在各種速度下都能得到滿(mǎn)意的轉(zhuǎn)向助力。但EHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、價(jià)格更昂貴,而且效率低、能耗大。EPS是一種機(jī)電一體化的新一代汽車(chē)智能轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)相比,有如下優(yōu)點(diǎn):1 效率高,HPS系統(tǒng)效率一般為60%70%,而EPS系統(tǒng)效率可達(dá)90%以上;2 能耗少,對(duì)于HPS系統(tǒng),汽車(chē)燃油消耗率增加4%6%;

4、而EPS系統(tǒng)汽車(chē)燃油消耗率僅增加0.5%左右;3 路感好,使汽車(chē)在各種速度下都能得到滿(mǎn)意的轉(zhuǎn)向助力;4 回正性好,EPS系統(tǒng)內(nèi)部阻力小,可得到最佳的回正特性;5 對(duì)環(huán)境污染少,EPS對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染;6 可以獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)工作,EPS系統(tǒng)只要電源電力充足,即可產(chǎn)生助力;7 應(yīng)用范圍廣,尤其對(duì)于環(huán)保型的純電動(dòng)汽車(chē),EPS系統(tǒng)為其最佳選擇。(2)EPS工作原理。EPS原理是控制模塊根據(jù)扭矩傳感器和汽車(chē)速度傳出的信號(hào),確定轉(zhuǎn)向助力的大小和方向,并驅(qū)動(dòng)電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向操作,如圖1所示1。EPS系統(tǒng)由控制模塊、轉(zhuǎn)向柱管、電機(jī)成、扭矩傳感器、汽車(chē)速度傳感器(VSS)及抑噪器等部件組成?？刂颇K的基本控制原理為

5、:轉(zhuǎn)向時(shí),扭矩通過(guò)輸入軸傳遞到扭力桿,輸入軸和輸出軸之間的旋轉(zhuǎn)方向角度出現(xiàn)偏差,這些角度變化轉(zhuǎn)換為扭矩傳感器電壓變化,并傳送到控制模塊。1.轉(zhuǎn)向盤(pán) 2.輸入軸 3.扭力桿 4.控制模塊 5.電機(jī) 6.離合器 7.輸出軸 8.中間傳動(dòng)軸 9.下傳動(dòng)軸 10.轉(zhuǎn)向齒條11.橫拉桿 12.車(chē)輪 圖1 EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模塊根據(jù)扭矩傳感器檢測(cè)到的扭矩信號(hào)和車(chē)速信號(hào)以及反饋電機(jī)電壓和電流信號(hào),判斷汽車(chē)的轉(zhuǎn)向狀態(tài),向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制指令,給電機(jī)一定占空比的電壓,使電機(jī)按方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向產(chǎn)生相應(yīng)大小的輔助力,通過(guò)蝸輪蝸桿傳遞給輸出軸,協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱。(3)P/S控制模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介。P/S控制器按

6、功能可分為微電腦、A/D轉(zhuǎn)換器和I/O裝置;按模塊可分為微處理器、扭矩傳感器信號(hào)處理模塊、電源及電源控制模塊、直流永磁電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊、電磁離合器驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理模塊、扭矩傳感器信號(hào)處理模塊、車(chē)速信號(hào)處理模塊及EPS燈處理模塊等組成。其主要功能是控制轉(zhuǎn)向助力的大小和方向,此外,還有自我診斷功能和安全防護(hù)功能。如圖2所示。當(dāng)接通12V穩(wěn)壓電源,打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān),此時(shí)EPS控制器電路板進(jìn)入自檢狀態(tài)。當(dāng)EPS燈亮3s后熄滅、電機(jī)工作1s后停止。則表示EPS控制器電路板自檢已通過(guò)。否則,則表示EPS控制器電路板自檢未通過(guò)。P/S控制模塊根據(jù)輸入的扭矩電壓、車(chē)速信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào),產(chǎn)生脈沖調(diào)寬信

7、號(hào)(PWM),確定電機(jī)的輸出扭矩。EPS關(guān)鍵技術(shù)1 控制模塊控制原理控制電機(jī)電流信號(hào)的原理如圖3所示,控制單元采用了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié),利用PID調(diào)節(jié)器,將電機(jī)的實(shí)際電流反饋回來(lái)與來(lái)自單片機(jī)的目標(biāo)電流相比較,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換從而得到控制電機(jī)的斬波信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力?？刂齐姌须娏鞑捎昧穗娏鞣答?使得電機(jī)的目標(biāo)電流和實(shí)際工作電流之間的誤差減少到足夠小,從而使系統(tǒng)能夠很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2 EPS大負(fù)荷輸出中存在的問(wèn)題EPS如用于大排量的汽車(chē),所用的電機(jī)功率必然加大,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力矩隨之增大,這不僅影響輪胎回正性,還會(huì)使轉(zhuǎn)向時(shí)有粘滯感,助力跟隨性差。解決這些問(wèn)題的方法是在控制電路中

8、加上慣量補(bǔ)償和摩擦補(bǔ)償。電機(jī)功率越大,在電壓一定的情況下,電流增大,會(huì)導(dǎo)致電路溫度過(guò)高,影響電子器件的正常工作。另外,電機(jī)功率越大,噪音增大,EPS的電機(jī)裝在駕駛室內(nèi),會(huì)影響駕駛員的舒適性。(1)摩擦力矩。在永恒直流電機(jī)中,摩擦力矩的主要來(lái)源有2個(gè):1電刷和軸承的機(jī)械摩擦; 2磁通損失大的電機(jī)需要電刷和換向器有較大的接觸面,這樣才能減少電阻,增加磁通密度,從而使電機(jī)輸出功率增大,但也導(dǎo)致了摩擦力矩的增大。(2)電機(jī)的慣量補(bǔ)償和摩擦補(bǔ)償。實(shí)際需要的電機(jī)電流是助力電流、慣性補(bǔ)償電流、阻尼補(bǔ)償電流和摩擦補(bǔ)償電流之和。電機(jī)電流用這些補(bǔ)償電流來(lái)校正自己,從而提供較精確的實(shí)際需要電流。其助力電流的大小隨車(chē)

9、速的提高而減小。慣量補(bǔ)償大大改善了轉(zhuǎn)向時(shí)的響應(yīng)性,可是導(dǎo)致的阻尼問(wèn)題會(huì)影響轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性,在高速情況下最為明顯。阻尼補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償、慣性補(bǔ)償均與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān),在補(bǔ)償中必須給定,但考慮到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的感應(yīng)電壓有一定的比例關(guān)系,因此不需要額外的傳感器即可檢測(cè)到。3 電機(jī)總成特點(diǎn)EPS系統(tǒng)采用的電機(jī)為直流伺服電機(jī),其主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面: 1調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié); 2過(guò)載、啟動(dòng)及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大; 3易于控制,可靠性高; 4調(diào)速時(shí)能量損耗小; 5加載時(shí)力矩平滑; 6噪音小。EPS的助力大小,取決于電機(jī)的大小、電流大小及減速機(jī)構(gòu)的減速比。對(duì)于那些大排量的汽車(chē),由于助力大,需大功率的電機(jī),如果電機(jī)太大

10、,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,會(huì)導(dǎo)致助力跟隨性差,因此,EPS的使用范圍受電機(jī)功率的限制。在不同的車(chē)速、不同的輸入轉(zhuǎn)向力,其電機(jī)助力電流的大小是不一樣的,在低車(chē)速時(shí),助力電流大,高車(chē)速時(shí),助力電流小,當(dāng)車(chē)速達(dá)到某一數(shù)值時(shí),則停止助力,如圖4所示。所有車(chē)速范圍的助力電流大小,靠預(yù)先設(shè)定的助力曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。4 輸入輸出扭矩特性EPS性能的好壞,通過(guò)在臺(tái)架上測(cè)出各種車(chē)速下的輸入輸出扭矩特性曲線表現(xiàn)出來(lái),如圖5所示。根據(jù)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性,在不同的車(chē)速下,輸入輸出扭矩特性曲線是不一樣的。車(chē)速越低,助力越大;反之,助力越小。輸入力矩輸出力矩特性通過(guò)以下幾個(gè)指標(biāo)衡量:(1)輸入力矩與輸出力矩的比例關(guān)系。輸出力矩與輸入力矩的比值

11、越大,其助力效果越明顯。在車(chē)身前軸質(zhì)量大、車(chē)速較低的情況下,輸出力矩與輸入力矩的比值需要加大;反之,輸出力矩與輸入力矩的比值需要減小。輸出力矩與輸入力矩的比值通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序來(lái)控制。但是,最大輸出力矩受電機(jī)功率的限制。(2)兩側(cè)不同輸入力矩/最大輸出力矩差異。圖5中的|a-b|就是兩側(cè)不同輸入力矩/最大輸出力矩差值。該數(shù)值越小,說(shuō)明其正向助力與反向助力的對(duì)稱(chēng)性好;數(shù)值越大,會(huì)導(dǎo)致正反向助力大小不一,使駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)感到一個(gè)方向手感重,另一方向手感輕,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致方向老是往一邊跑。(3)輸入輸出力矩曲線的波動(dòng)。圖5中的X值是輸入輸出力矩曲線的波動(dòng)量,X值越小,助力越平穩(wěn),駕駛員的手感越好。影響測(cè)

12、量曲線波動(dòng)量的因素主要有以下幾個(gè)方面:1滑塊在輸入輸出軸上運(yùn)動(dòng)的靈活性。靈活性越好,X值越小;這與輸入輸出軸運(yùn)動(dòng)副光潔度有關(guān);2控制程序在電流的反饋與各種補(bǔ)償過(guò)程中,如果參數(shù)選擇不當(dāng),使其控制信號(hào)波動(dòng)太大,導(dǎo)致X值波動(dòng)大;3扭矩傳感器電阻膜分布的均勻性越好,X值波動(dòng)越小;4蝸輪蝸桿傳動(dòng)的平穩(wěn)性;5電機(jī)工作的穩(wěn)定性。(4)滯后現(xiàn)象。圖5中的Y值是輸入輸出特性曲線的滯后,Y值越小,轉(zhuǎn)向系在回位時(shí)的跟隨性越好。影響Y值大小的主要因素有以下3個(gè)方面:1與滑塊在輸入輸出軸上運(yùn)動(dòng)的摩擦力大小有關(guān),摩擦力越大,Y值越大;2與電機(jī)的機(jī)械摩擦、慣性矩等因素有關(guān),機(jī)械摩擦、慣性矩越大,Y值越大;3與蝸輪蝸桿傳動(dòng)的

13、摩擦力和齒型嚙合參數(shù)有關(guān)。(5)曲線異常。圖5中的c、d曲線屬于助力異常,這種情況是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的,這種異常情況與控制模塊、扭矩傳感器及扭力桿及電機(jī)故障有關(guān)。5 扭矩傳感器本轉(zhuǎn)向器的扭矩傳感系統(tǒng)采用接觸式電位器來(lái)感受電信號(hào)。扭矩傳感系統(tǒng)由輸入軸、輸出軸、扭力桿、滑塊、鋼球及扭矩傳感器組成,它獲得方向盤(pán)操作力大小和方向的信號(hào),并把它們轉(zhuǎn)換為電壓值,將它們傳遞到控制模塊。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于扭力桿產(chǎn)生的微小的扭轉(zhuǎn)角度,通過(guò)螺旋球槽、鋼球和滑塊后,將扭轉(zhuǎn)角度位移轉(zhuǎn)換并放大成滑塊的軸向位移。與非接觸式的光電傳感器相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉。其缺點(diǎn)是對(duì)輸出軸的螺旋球槽及滑塊滾珠槽精度要求高,為了減小滑塊的軸

14、向間隙,其球槽采用螺旋滾動(dòng)副,并且,其光潔度要求高,因此加工難度大。如采取普通的球軸承槽,會(huì)使滑塊裝配后其軸向間隙太大,導(dǎo)致扭矩傳感器信號(hào)失真。另外,扭矩傳感器結(jié)構(gòu)采用主路輔路2路輸出,只有2路電壓之和在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí),控制器才會(huì)工作。保證了信號(hào)采集的真實(shí)性和可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)完全取消了液壓部件，整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加上扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、電機(jī)傳感器、 ECU、助力電機(jī)、離合器、減速器等組成。基本工作原理是:轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭矩傳感器將檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)傳給ECU，ECU同時(shí)接受車(chē)速信號(hào)，據(jù)此決定助力電機(jī)的基本助力電流，然后一般還生成電機(jī)慣性補(bǔ)償電流和阻尼補(bǔ)

15、償電流總電流作為電機(jī)目標(biāo)電流。通過(guò)ECU內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行扭矩控制。 根據(jù)電機(jī)布置位置不同，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為:轉(zhuǎn)向柱助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種。 轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱一側(cè)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行助力轉(zhuǎn)向。齒輪助力式EPS的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪助力轉(zhuǎn)向。齒條助力式EPS的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力。-電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ( EPS ) 是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng), 它由電動(dòng)機(jī)提供助力, 助力大小由電控單元( ECU) 控制。其基本原理是: 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí), 扭矩傳感器測(cè)出施加于轉(zhuǎn)向軸的扭矩

16、并產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào), 與此同時(shí), 車(chē)速傳感器測(cè)出汽車(chē)的車(chē)速也產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào), ECU 根據(jù)這兩個(gè)信號(hào), 通過(guò)已知的助力特性曲線產(chǎn)生目標(biāo)電流, 并對(duì)目標(biāo)電流適當(dāng)調(diào)整,輸出給電動(dòng)機(jī)一個(gè)合適的電流以產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩, 經(jīng)減速機(jī)構(gòu)施加在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上, 得到一個(gè)與工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向。電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流是根據(jù)助力特性曲線來(lái)確定的。1 助力特性和助力特性曲線的概念助力特性是指助力隨汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀況和受力狀況( 車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)手力) 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(pán)力矩 ( 及車(chē)速) 的變化關(guān)系曲線來(lái)表示助力特性。對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向, 助力與直流電動(dòng)機(jī)電流成比例, 故可采

17、用電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、 車(chē)速的變化關(guān)系曲線來(lái)表示助力特性。不管采取什么樣的助力特性一般都要滿(mǎn)足特點(diǎn):( 1) 車(chē)速很小或者車(chē)速很大時(shí)要靈活變動(dòng)助力力矩大小,使駕駛員有良好路感。( 2) 助力曲線的過(guò)渡要盡量平滑, 避免過(guò)渡助力。( 3) 助力特性曲線的參數(shù)可以進(jìn)行靈活調(diào)整, 以適應(yīng)不同的路況, 不同駕駛員。( 4) 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)很小時(shí),助力效果應(yīng)該不明顯,甚至不起作用。電動(dòng)機(jī)助力隨著車(chē)速和轉(zhuǎn)向手力或轉(zhuǎn)向角大小的變化而變化, 此變化趨勢(shì)稱(chēng)為轉(zhuǎn)向助力特性曲線。 它是決定轉(zhuǎn)向輕便性, 轉(zhuǎn)向路感和操縱穩(wěn)定性的首要條件。 合理的轉(zhuǎn)向助力特性曲線不僅可保持汽車(chē)低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便靈活, 而且可保持中高速行

18、駛時(shí)的路感和操縱穩(wěn)定性。在控制器設(shè)計(jì)前必須先確定轉(zhuǎn)向助力特性曲線, 以便在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。2 轉(zhuǎn)向助力特性曲線形狀的類(lèi)型理想的轉(zhuǎn)向助力特性曲線應(yīng)該既保證路感合適又保證系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性, 能充分協(xié)調(diào)好路感與轉(zhuǎn)向輕便性的關(guān)系, 并提供給駕駛員路感強(qiáng)度與手動(dòng)轉(zhuǎn)向盡可能一致的、 可控的轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)不同的車(chē)型, 助力特性曲線有很多種, 從根本上可以分為: 直線型助力特性、 折線型助力特性和曲線型助力特性。采用簡(jiǎn)單的直線型助力特性曲線無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向輕便性和防止路面沖擊的要求。折線型可以很好的解決路感和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾, 從圖 2 可以看出該特性曲線可以分為直線行駛區(qū) I、強(qiáng)路感區(qū)

19、II和輕便轉(zhuǎn)向區(qū) III。直線行駛區(qū), 路感強(qiáng)度為最大值, 在輕便轉(zhuǎn)向區(qū)最小, 這樣的路感對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向而言是比較理想的。但是液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向很難實(shí)現(xiàn)上述理想助力特性。這是因?yàn)榱黧w固有特性, 閥部件的制造誤差以及部件間的間隙等, 使得特性曲線只能是連續(xù)變化的。與此相應(yīng), 路感強(qiáng)度也是連續(xù)變化的。在離開(kāi)小轉(zhuǎn)向角的中心區(qū)域后, 路感強(qiáng)度的變化是連續(xù)遞減的, 而且變化很劇烈, 這不利于駕駛員做出準(zhǔn)確的推測(cè)和判斷。助力特性曲線有直線型和折線型分別, 如圖 12 所示。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 ( EPS ) 的助力特性由軟件設(shè)置, 是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的控制目標(biāo), 可以設(shè)計(jì)成任意曲線形狀, 并可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.1 助力

20、特性設(shè)計(jì)助力特性是指助力隨汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀況（車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)手力）變化而變化的規(guī)律。對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的助力與其電樞電流成正比， 故可采用電動(dòng)機(jī)的電樞電流與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速的變化關(guān)系曲線來(lái)表示助力特性， 其目的是獲得基本助力電流。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(mǎn)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， 則駕駛員就能容易地判定汽車(chē)行駛狀況的變化，預(yù)測(cè)出所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。EPS助力特性曲線如圖5所示，為車(chē)速感應(yīng)型，即在同一轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩輸入下， 電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)電流隨車(chē)速的增加而降低，以較好地

21、兼顧輕便性與路感的要求。針對(duì)EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)，助力特性曲線滿(mǎn)足以下要求：1) 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩小于某一特定值（通常設(shè)為 1Nm左右）時(shí)，助力力矩對(duì)EPS系統(tǒng)不起作用；2) 在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩較小的區(qū)域，助力部分的輸出應(yīng)較小，以保持較好的路感；3) 在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩較大的區(qū)域，為轉(zhuǎn)向輕便，助力效果要明顯；4) 在轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩達(dá)到駕駛員體力極限的區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力效果；5) 隨著車(chē)速的增高，助力應(yīng)減??；6) 符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的最大操縱力要求。2.2 特殊工況補(bǔ)償設(shè)計(jì)根據(jù)助力特性曲線所得到的基本目標(biāo)電流是基于理想轉(zhuǎn)向工況的，忽略了很多外界干擾因素，而實(shí)際中汽車(chē)行使的工

22、況是十分復(fù)雜多變的，對(duì)轉(zhuǎn)向性能的要求也各有不同，因此需要引入附加的補(bǔ)償電流， 使車(chē)輛在某些特殊轉(zhuǎn)向工況中均能達(dá)到理想的轉(zhuǎn)向效果。文章設(shè)計(jì)了回正過(guò)程補(bǔ)償、緊急避讓過(guò)程補(bǔ)償和滿(mǎn)載大角度轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償?shù)热N補(bǔ)償控制電流，并進(jìn)行仿真分析。2.2.1 回正過(guò)程補(bǔ)償當(dāng)汽車(chē)以一定速度行駛時(shí)， 駕駛員轉(zhuǎn)向后輪胎和路面之間將產(chǎn)生回正力矩。駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)后，隨著作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力的減小，轉(zhuǎn)向盤(pán)將在回正力矩的作用下回正。汽車(chē)的回正能力在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)進(jìn)行考慮， 但是隨著汽車(chē)某些因素的變化（如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦變大） ，會(huì)降低汽車(chē)的回正能力。這時(shí) EPS 系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，以保證汽車(chē)的回正性能。在轉(zhuǎn)向盤(pán)回正過(guò)程中，有兩

23、種情況需要考慮。一是回正力矩過(guò)小，轉(zhuǎn)向盤(pán)不能回到中間位置；二是回正力矩過(guò)大，引起轉(zhuǎn)向盤(pán)位置超調(diào)。汽車(chē)在低速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，由于路面阻力矩較大，所以?xún)?yōu)先考慮的是轉(zhuǎn)向輕便性。 同時(shí)由于輪胎回正力矩較小及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有摩擦阻力的作用，方向盤(pán)不能及時(shí)回到中間位置，存在殘余角度。因此，在低速轉(zhuǎn)向后的回正過(guò)程中有必要施加一個(gè)回正補(bǔ)償電流， 通過(guò)補(bǔ)償使方向盤(pán)轉(zhuǎn)向后回到直行位置。隨著車(chē)速的提高，路面阻力減小，而回正力矩隨著車(chē)速的提高而增加，這就導(dǎo)致了在中高速情況下，方向盤(pán)在回正力矩的作用下有可能出現(xiàn)回正過(guò)度現(xiàn)象， 這對(duì)行駛安全是極不利的。因此需要增加一個(gè)補(bǔ)償電流，防止出現(xiàn)方向盤(pán)超調(diào)現(xiàn)象，以提高安全性。2.2.2 緊

24、急避讓過(guò)程補(bǔ)償在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，當(dāng)前方突然出現(xiàn)障礙物，駕駛員的第一反應(yīng)是踩剎車(chē)和急打方向盤(pán)。 在這種情況下極易發(fā)生操縱力過(guò)大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過(guò)度。同時(shí)，由于所設(shè)計(jì)的助力增益是隨著車(chē)速的減小而增大的，由于車(chē)輛減速，因此助力扭矩增大，進(jìn)一步加大了轉(zhuǎn)向力矩。最終的結(jié)果就有可能是車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)度導(dǎo)致車(chē)輛失控甚至甩尾及翻車(chē)。為了避免這種情況的發(fā)生，提高車(chē)輛的安全性，引入一種補(bǔ)償電流，起到摩擦阻力的作用，防止轉(zhuǎn)向過(guò)度。其工作原理是，控制器根據(jù)輸入的車(chē)速信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，實(shí)時(shí)估計(jì)車(chē)輛的行駛工況，當(dāng)車(chē)速超過(guò)一定值(40 km/h),且方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的變化率超過(guò)一定值時(shí)，觸發(fā)控制器，產(chǎn)生主動(dòng)摩擦補(bǔ)償電流。2

25、.2.3 滿(mǎn)載大角度轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償在設(shè)計(jì)助力特性時(shí)，假設(shè)車(chē)輛自重均為空載。但在實(shí)際中，車(chē)輛的負(fù)載情況是對(duì)轉(zhuǎn)向阻力影響最大的因素之一。如小型轎車(chē)的空載質(zhì)量和滿(mǎn)載質(zhì)量相差近1.5倍，因此，在滿(mǎn)載時(shí)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重。當(dāng)汽車(chē)在滿(mǎn)載調(diào)頭轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向角度及轉(zhuǎn)向角速度很大，此時(shí)路面反饋到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力就會(huì)變得很大。為此，引入一個(gè)補(bǔ)償電流，為了防止控制器辨別工況時(shí)與緊急避讓發(fā)生沖突，其觸發(fā)情況為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)矩均大于某一特定值， 且僅在車(chē)速低于40 km/h=時(shí)才觸發(fā)。3 EPS控制策略3.1 EPS控制策略電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的核心問(wèn)題是電動(dòng)機(jī)助力如何隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速等輸入的變化而變化。從車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與控制的角度,建立如

26、圖2所示的EPS系統(tǒng)控制原理。并以方向盤(pán)操縱力,車(chē)身側(cè)向加速度,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角,以及三者之間的相互關(guān)系來(lái)衡量助力特性對(duì)輕便性以及路感的影響,同時(shí)還將橫擺角速度、車(chē)身質(zhì)心側(cè)偏角、車(chē)身側(cè)傾角作為操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo),以便更全面地分析EPS對(duì)整車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響。3.2 助力特性型式EPS的助力特性具有多種曲線形式,圖3為三種典型的EPS助力特性曲線。曲線分成三個(gè)區(qū)域,為無(wú)助力區(qū),為助力變化區(qū),為助力不變區(qū)。圖3中,(a)為直線型助力特性,其特點(diǎn)是在助力變化區(qū),助力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩成線性關(guān)系;(b)為典型折線型助力特性,其特點(diǎn)是在助力變化區(qū),助力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩成分段線性關(guān)系;(c)為典型曲線型助力特性,其特點(diǎn)

27、是在助力變化區(qū),助力與轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩成非線性關(guān)系。助力特性對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向路感有很大的影響， 是 EPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。直線型助力特性曲線斜率單一， 難以協(xié)調(diào)輕便性與路感的矛盾; 折線型助力特性可有限地協(xié)調(diào)輕便性與路感的矛盾; 曲線型助力特性可通過(guò)改變曲線的線形實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變的輕便性和路感。曲線型助力特性可以在轉(zhuǎn)向輕便性和路感之間達(dá)到一個(gè)較理想的平衡點(diǎn)， 但是難以找到一種合適的曲線形式， 以滿(mǎn)足比較理想的轉(zhuǎn)向輕便性和路感要求。-汽車(chē)電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制策略1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理汽車(chē)電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速及傳遞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化后協(xié)助駕車(chē)者進(jìn)行動(dòng)

28、力轉(zhuǎn)向。不同車(chē)的EPS結(jié)構(gòu)部件盡管不一樣,但基本原理是一致的,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在檢測(cè)到有效汽車(chē)點(diǎn)火信號(hào)后,當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)角傳感器將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)輸出至電子控制單元ECU,ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角信號(hào),汽車(chē)速度、軸重負(fù)載信號(hào)等進(jìn)行分析和計(jì)算,得出助力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和目標(biāo)助力電流的大小,從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向控制。在汽車(chē)點(diǎn)火后,EPS開(kāi)始實(shí)時(shí)對(duì)各傳感器信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算,根據(jù)系統(tǒng)助力、阻尼及回正控制算法,實(shí)現(xiàn)在全速范圍內(nèi)的最佳助力控制:在低速行駛時(shí),減輕轉(zhuǎn)向力保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向“靈活、輕便”;在高速行駛時(shí),適當(dāng)增加阻尼控制,保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)操作“穩(wěn)重、可靠”;在各種車(chē)速下,協(xié)助汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)輕便、

29、自動(dòng)回正,使汽車(chē)的駕駛性能達(dá)到令人滿(mǎn)意的程度。EPS系統(tǒng)在分析助力同時(shí),實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)各組件工作情況,如助力電機(jī)、蓄電池電源電壓、各傳感器等,當(dāng)檢測(cè)到某一組件發(fā)生故障時(shí),如蓄電池電源欠壓、車(chē)速傳感器無(wú)信號(hào)輸出等,立即斷開(kāi)電磁離合器,使助力系統(tǒng)脫離機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng),采用汽車(chē)本身的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),并同時(shí)驅(qū)動(dòng)故障信號(hào)指示燈,輸出故障碼,保障駕駛的安全性。因此,EPS可以在各種路況和車(chē)速下,給駕駛員提供一個(gè)安全、穩(wěn)定、輕便、舒適的駕駛環(huán)境。不僅如此,EPS還具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保等傳統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不具有的優(yōu)點(diǎn),正逐漸成為汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。2 系統(tǒng)控制策略2.1 控制內(nèi)容EPS系統(tǒng)控制算法是系統(tǒng)控

30、制性能的關(guān)鍵。根據(jù)助力控制內(nèi)容的不同,系統(tǒng)控制算法分為助力控制、阻尼控制和回正控制。助力控制協(xié)助駕駛員轉(zhuǎn)向,減輕轉(zhuǎn)向力;阻尼控制在汽車(chē)高速行駛時(shí)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)向阻力,實(shí)現(xiàn)高速駕駛時(shí)的“穩(wěn)重手感”;回正控制協(xié)助汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)在轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正或在駕駛員操作下輕便的回正。在低速行駛時(shí),控制內(nèi)容以助力控制和回正控制為主,在高速行駛時(shí),以阻尼控制為主。在不至引起歧義情況下,對(duì)系統(tǒng)控制內(nèi)容簡(jiǎn)稱(chēng)為助力控制,如電動(dòng)助力控制,電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能適應(yīng)汽車(chē)在各種路況下行駛,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最佳智能控制。其實(shí)時(shí)智能控制的核心內(nèi)容,即是采集扭矩或轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)以及汽車(chē)行駛的速度信號(hào),判斷實(shí)時(shí)助力

31、控制內(nèi)容,依據(jù)相應(yīng)助力控制算法確定助力電機(jī)電流的大小和方向,然后根據(jù)反映汽車(chē)負(fù)載的軸重信號(hào)對(duì)助力電流信號(hào)進(jìn)行修正后輸出,從而完成智能化的助力轉(zhuǎn)向控制,其控制過(guò)程如圖2所示。2.2 助力控制汽車(chē)在行駛過(guò)程中有以下幾種轉(zhuǎn)向情況:行駛時(shí)的高速、中等速度和低速轉(zhuǎn)向,以及點(diǎn)火起動(dòng)后的原地轉(zhuǎn)向,其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向力依次增加,高速行駛時(shí)的助力最小,原地轉(zhuǎn)向時(shí),助力最大;相應(yīng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力依次增加。助力特性反映助力電機(jī)助力大小隨汽車(chē)的行駛狀況變化的規(guī)律。對(duì)直流助力電機(jī)和汽車(chē)行駛的主要參數(shù)進(jìn)行抽象,EPS的助力特性分為下面3類(lèi):直線型助力、折線型助力以及曲線型助力,如圖3所示,圖中I(A)為助力電機(jī)電流;Td0

32、為開(kāi)始助力時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩;Tdmax為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入的最大轉(zhuǎn)矩。3類(lèi)助力特性均可分為3種助力區(qū):無(wú)助力區(qū)(0TTd0),當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩小于T d0時(shí),不提供助力;助力變化區(qū)(Td0T dmax),當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩大于T d max時(shí),在一定車(chē)速下,助力電流達(dá)到最大值并保持。直線型助力特性用函數(shù)表示為I(T d)=0 T dT d0K(v)T(T d-T d0)T d0T dmax式中:K(v)為不同速率下助力直線的斜率;T(T d-T d 0)為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩T d的一次函數(shù)。直線型助力實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,當(dāng)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的作用力處于死區(qū)范圍內(nèi)時(shí),即小于Td0時(shí),系統(tǒng)不助力;當(dāng)處于助力變化區(qū)時(shí),系

33、統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線性助力,但在死區(qū)邊界轉(zhuǎn)向時(shí),助力由無(wú)到有或由有到無(wú),這給行車(chē)中的駕駛員以手感上的沖擊,從而帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)。折線型助力特性用函數(shù)表示為I(T d)=0 T dT d0K 1(v)T 1(T d-T d0)T d0T dT d1K 2(v)T 2(T d-T d1)T d1T dmax式中:K i(v)為在第i段折線內(nèi)助力直線的斜率;T i(T d-T di-1)為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩T d的一次函數(shù)(i=1,2)。折線型助力是在直線型的基礎(chǔ)上經(jīng)改進(jìn)而成,將直線型的線性助力變化區(qū)改進(jìn)為一段折線,實(shí)現(xiàn)在兩段直線范圍內(nèi)的線性助力。在死區(qū)邊界轉(zhuǎn)向時(shí),助力曲線的斜率有所減小,但助力轉(zhuǎn)向仍存在手感上的沖擊

34、,而且轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩在T d1附近時(shí),由于助力曲線斜率的變化引起另一處轉(zhuǎn)向手感上的沖擊。曲線型助力特性用函數(shù)表示為I(T d)=0 T dT d0F(v)T d T d0T dT dmax式中:F(v)為不同速度v對(duì)應(yīng)的助力曲線,為變量v的多項(xiàng)式,一般在控制精度要求下取v的3次多項(xiàng)式F(v)=a0+a1v+a2v2+a3v3。曲線型助力綜合了直線型和折線型助力的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻助力。設(shè)計(jì)助力控制曲線時(shí),可以對(duì)折線型助力或初擬定的曲線型助力進(jìn)行試驗(yàn),依據(jù)采集轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入扭矩?cái)?shù)據(jù),參照EPS設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù),如表1所列,調(diào)整修正助力控制輸出,最后對(duì)助力控制曲線進(jìn)行3次樣條曲線擬合,優(yōu)化助力曲線。 表

35、1 EPS部分設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 數(shù)值轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力矩/(Nm) 7.5轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力/N 35轉(zhuǎn)向盤(pán)平均作用力矩/(Nm) 3.8轉(zhuǎn)向盤(pán)平均作用力/N 18202.3 阻尼控制阻尼控制是針對(duì)汽車(chē)高速直線行駛穩(wěn)定性和快速轉(zhuǎn)向收斂性提出的。汽車(chē)高速直線行駛時(shí),如果轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏、“輕便”,駕駛員就會(huì)有通常說(shuō)的“飄”的感覺(jué),這給駕駛帶來(lái)很大的危險(xiǎn)。為提高高速行駛時(shí)駕駛的穩(wěn)定性,提出在死區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行阻尼控制,適當(dāng)加重轉(zhuǎn)向盤(pán)的阻力,最終體現(xiàn)在高速行駛時(shí)手感的“穩(wěn)重”。汽車(chē)高速行駛時(shí),由于路面偶然因素的干擾引起的側(cè)向加速度較大,傳到方向盤(pán)的力矩比低速行駛時(shí)要大,為了抑制這種橫擺振動(dòng),必須采用阻尼控制

36、;此外,轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向后回到中間位置時(shí),由于電動(dòng)機(jī)的慣性存在,在不加其他控制情況下,助力系統(tǒng)的慣性比機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性大,轉(zhuǎn)向回正時(shí)不容易收斂,此時(shí),也需采用阻尼控制。采用阻尼控制時(shí),只需將電動(dòng)機(jī)輸出為制動(dòng)狀態(tài),就可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻尼效果。2.4 回正控制回正控制是針對(duì)轉(zhuǎn)向回正特性提出的控制策略。汽車(chē)方向盤(pán)回正力矩主要包括輪胎本身產(chǎn)生的回正力矩、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主銷(xiāo)定位產(chǎn)生的回正力矩和主銷(xiāo)定位參數(shù)的輪荷回正力矩。汽車(chē)行駛轉(zhuǎn)向時(shí),由于轉(zhuǎn)向輪主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角的存在,轉(zhuǎn)向盤(pán)具有自動(dòng)回正作用,且隨著車(chē)速的提高,輪胎與地面?zhèn)认蚋街禂?shù)減少,轉(zhuǎn)向回正轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)汽車(chē)達(dá)到一定速度行駛時(shí),汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)向后將產(chǎn)生回正

37、力矩,在理想情況下,轉(zhuǎn)向盤(pán)將在自身回正力矩作用下回正。這種回正力矩的產(chǎn)生是在汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的,但由于汽車(chē)使用摩擦磨損等其它因素,如轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)干摩擦和轉(zhuǎn)向器干摩擦等,汽車(chē)自身回正力矩不能實(shí)現(xiàn)很好的回正,另外在汽車(chē)起動(dòng)原地回正或者低速回正時(shí),轉(zhuǎn)向盤(pán)也難以在自身回正力矩下很好的回正,這時(shí)就需要ECU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài),干預(yù)協(xié)助回正控制,保證汽車(chē)的回正性能?；卣刂茽顟B(tài)可能會(huì)出現(xiàn)不完全回正和回正超調(diào)兩種情況,前者由于回正力矩不夠,轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有回正到中間位置,后者由于回正力矩過(guò)大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤(pán)回歸中間位置超調(diào);通過(guò)ECU進(jìn)行回正補(bǔ)償助力可改善不完全回正,通過(guò)增加助力電機(jī)阻尼控制可改善回正超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)回正到

38、中間位置時(shí),ECU使助力電機(jī)電流逐漸減小,對(duì)轉(zhuǎn)向車(chē)輪產(chǎn)生回正阻尼,使汽車(chē)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性?；卣刂菩枰紤]高速、低速以及原地轉(zhuǎn)向回正3種情況。汽車(chē)點(diǎn)火起動(dòng)后原地轉(zhuǎn)向回正依靠其自有的回正作用,不能實(shí)現(xiàn)輕便的回正,需要回正助力控制;汽車(chē)在低速行駛時(shí),其側(cè)向加速度小,回正力矩也小,在高速行駛時(shí),側(cè)向加速度比較大,回正力矩也較大,均需要ECU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)協(xié)助控制。2.5 故障診斷控制電子控制單元ECU除控制實(shí)時(shí)助力外,還具備安全保護(hù)與故障診斷功能,EPS系統(tǒng)在分析助力同時(shí),實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)各組件工作情況,如助力電機(jī)、蓄電池電源電壓、各傳感器,當(dāng)檢測(cè)到某一組件發(fā)生故障時(shí),如蓄電池電源欠壓,車(chē)速傳感器無(wú)信號(hào)輸出

39、等,實(shí)現(xiàn)如下操作:斷開(kāi)電磁離合器,使助力系統(tǒng)脫離機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng),采用汽車(chē)本身的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);通過(guò)顯示部分輸出顯示故障代碼;通過(guò)通訊端口輸出故障代碼,保障駕駛的安全性。3 系統(tǒng)控制流程系統(tǒng)控制內(nèi)容除以上所述外,還有EPS與汽車(chē)車(chē)載信息系統(tǒng)的通訊,其實(shí)現(xiàn)的功能包括從車(chē)載信息系統(tǒng)獲取汽車(chē)車(chē)速信號(hào)、ABS汽車(chē)制動(dòng)信號(hào)等,以及共享輸出EPS工作狀態(tài)信號(hào),如助力、阻尼、回正控制狀態(tài),EPS工作狀態(tài)等。EPS嵌入式系統(tǒng)控制流程如圖4所示。圖4 EPS系統(tǒng)控制總流程-1、綜述(electricpowersteering)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) HPS(hydrauli

40、cpowersteering)相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性,提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性；沒(méi)有液壓回路,調(diào)整和檢測(cè)更容易,裝配自動(dòng)化程度更高,且可通過(guò)設(shè)置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配,縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期；不存在漏油問(wèn)題,減小對(duì)環(huán)境的污染。EPS系統(tǒng)是未來(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。圖1 EPS結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，EPS主要由扭矩、車(chē)速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU)等組成。通過(guò)傳感器探測(cè)司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(shí)方向盤(pán)

41、產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入控制單元,再由控制單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩,最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類(lèi)有很多，主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。2、電位計(jì)式扭矩傳感器電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級(jí)行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能相對(duì)比較高，在早期應(yīng)用比較多。2.1EPS中扭桿式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)、原理扭桿式扭矩傳

42、感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測(cè)司機(jī)作用在方向盤(pán)上的扭矩，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對(duì)于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng)，同時(shí)滑塊通過(guò)一個(gè)銷(xiāo)安裝到輸出軸上，可以相對(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量，垂直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的時(shí)候，鈕矩被傳遞到扭力桿，輸入軸相對(duì)于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的

43、電阻值隨之變化，電阻的變化通過(guò)電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。2.扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)扭桿是整個(gè)扭桿扭矩傳感器的重要部件，因而扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是扭桿的設(shè)計(jì)。扭桿通過(guò)細(xì)齒形漸開(kāi)線花鍵和方向盤(pán)軸連接，另外的一端通過(guò)徑向銷(xiāo)（直徑D）與轉(zhuǎn)向輸出軸連接，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 圓柱截面扭桿結(jié)構(gòu)圖扭桿細(xì)齒形漸開(kāi)線花鍵端部結(jié)構(gòu)外直徑d0=(1.151.25)d,長(zhǎng)度L=（0.50.7）d，為了避免過(guò)大的應(yīng)力集中，采用過(guò)度圓角時(shí)，半徑R= （35）d，扭桿的有效長(zhǎng)度為l，d為扭桿有效長(zhǎng)度的直徑。扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度k是扭桿的一個(gè)重要的物理量，可以參照下面的公式計(jì)算。當(dāng)其受到扭矩的時(shí)候，其扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力和變形