電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究

1、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric power steering ,簡(jiǎn)稱EPS雇世界汽車電子控制技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一。國(guó)外汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已部分取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（Hydraulic power steering ，簡(jiǎn)稱HPS）。 目前國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等高校正從事該方面的研究，并取得了階段性的成果，爭(zhēng)取進(jìn)一步改進(jìn)與完善，早日實(shí)現(xiàn)商品化。EPS 通過(guò)對(duì)控制器軟件的設(shè)計(jì)，十分方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的助力特性，使汽車能在不同車速下獲得不同的助力特性，以滿足不同的駕駛情況的需求。同時(shí)，EPS用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，它能節(jié)約燃料，提高主動(dòng)安全性，有利于環(huán)保。1 、

2、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型及EPS 的基本控制策略1.1 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型（ 1 ）傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動(dòng)來(lái)控制油路。這種滑閥式控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥式控制閥靈敏度不夠高，后來(lái)逐漸被轉(zhuǎn)閥代替。（ 2）電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類很多，但其原理基本上都是通過(guò)在油泵或轉(zhuǎn)向器上加裝電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助裝置，根據(jù)車速信號(hào)來(lái)控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力。序號(hào)名稱控制對(duì)象1油壓反饋控制式作用于油壓反饋機(jī)構(gòu)的壓力2閥特性控制式動(dòng)力轉(zhuǎn)向中控制閥的壓力3流量控制式向動(dòng)力轉(zhuǎn)向供給的流量4動(dòng)力缸分流控制式動(dòng)力缸有效工

3、作出力表1電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的種類(3)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的工作原理圖1 EPS的控制系統(tǒng)示意圖1車輪2 拉桿3齒條4小齒輪 5一離合器6動(dòng)力開(kāi)關(guān)7輸出軸8扭桿9一轉(zhuǎn)矩傳感器 10輸入軸11一方向盤(pán)12轉(zhuǎn)矩信號(hào)13電機(jī)14電流控制15控制單元16車速信號(hào)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括：扭矩傳感器、車速傳感器、控制元件、電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等。圖1所示為配用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的 EPS。信號(hào)控制器根據(jù)各傳感器的輸入信號(hào)確定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制電機(jī)。電機(jī)的輸出扭矩由減速齒輪放大，并通過(guò)萬(wàn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向器中的傳送裝置把 輸出扭矩送到齒條，使之向轉(zhuǎn)向輪提供助推扭矩。系統(tǒng)的信號(hào)源包括：扭矩

4、傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器和車速傳感器，轉(zhuǎn)向角傳感器可根據(jù)齒條的位移量和 位移的方向來(lái)測(cè)出轉(zhuǎn)向角(4) EPS的關(guān)鍵部件4.2 EPS的控制原理圖助力矩圖2汽車EPS控制原理圖EPS主要部件包括傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元等。在掌握EPS的工作原理前提下，將 EPS系統(tǒng)用框圖表示如下。4.3 EPS的基本控制策略根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況要求，EPS按不同的控制方式進(jìn)行控制，通常來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)汽車轉(zhuǎn)向行駛的不同情況有四種基本控制方式。(1)普通控制普通控制(助力控制)是EPS的基本控制模式。其控制過(guò)程主要是：根據(jù)車速傳感器測(cè)得的車速信號(hào)和方向盤(pán)力矩傳感器測(cè)得的方向盤(pán)力矩信號(hào)，調(diào)用助力特性控制表

5、，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性確定助力電流，以獲得適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩。(2)回正控制策略在方向盤(pán)“轉(zhuǎn)向回正”時(shí)，對(duì)EPS進(jìn)行的控制為回正控制，目的在于改善系統(tǒng)的回正性能。 轉(zhuǎn)向時(shí), 前輪回正力矩使轉(zhuǎn)向輪向直線行駛的狀態(tài)變化?；卣刂频目刂七^(guò)程為：首先判斷方向盤(pán)是否處于“轉(zhuǎn)向回正”狀態(tài)，當(dāng)助力電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)向輸 入的旋轉(zhuǎn)方向相反，進(jìn)行“轉(zhuǎn)向回正”控制，否則進(jìn)行助力控制。( 3 )阻尼控制策略阻尼控制是EPS 為提高汽車高速直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性，減小路面沖擊對(duì)方向盤(pán)的影響而采用的一種控制模式。阻尼控制是在普通控制確定的目標(biāo)電流之上補(bǔ)償阻尼控制電流，其主要是通過(guò)引入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。( 4)補(bǔ)償控制

6、策略補(bǔ)償控制策略是根據(jù)轉(zhuǎn)向作用力的變化率沿力矩變化的方向產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，來(lái)克服電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦對(duì)電機(jī)輸出力矩的影響。補(bǔ)償力矩的大小由電機(jī)的慣量、阻尼和摩擦力的大小及電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向決定。2、EPS仿真的初步研究及控制仿真驗(yàn)證2.1 理想助力特性配備電動(dòng)助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)盡可能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(pán)力矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)在輸入轉(zhuǎn)向力矩很小的區(qū)域，希望助力部分的輸出越小越好，助力部分基本不起作用，以保持較好的路感。(2)在常用的快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)間，為使轉(zhuǎn)向輕便，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，助力部分發(fā)揮作用，助力

7、效果要明顯。(3)原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩很大，應(yīng)盡可能產(chǎn)生較大的助力轉(zhuǎn)向效果，此時(shí)， 助力矩增幅也應(yīng)較大。(4)隨著車速的升高，方向盤(pán)力矩減小時(shí)，不助力的區(qū)域應(yīng)增大，且在高速行駛至一定車速時(shí)停止助力，以使駕駛員獲得良好的路感，保證行車安全。(5)各區(qū)段過(guò)渡要平滑，避免操作力出現(xiàn)跳躍感，且助力矩不能大于同工況下無(wú)助力時(shí)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩。將上述特點(diǎn)與原則量化，可得理想的助力特性曲線。如圖3 所示，由于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電流間存在線性關(guān)系，因此該圖反映出助力矩隨行駛工況的變化規(guī)律，可以把它作為研究電動(dòng)機(jī)控制規(guī)律 的參照50車速(knA>C 34 t t軾向力矩(Km)圖3理想助力特性2.2 控制系

8、統(tǒng)的選擇對(duì)助力電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制是 EPS研究的重點(diǎn)。由于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是由其工作電流決定的, 因此助力控制可歸結(jié)為對(duì)電動(dòng)機(jī)電流的控制（如圖4）,其控制輸入為車速信號(hào)和方向盤(pán)扭矩信號(hào)。圖4控制系統(tǒng)框圖PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一,控制系統(tǒng)主要采用PID控制系統(tǒng)。由于算法簡(jiǎn)單、和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn) 動(dòng)控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。圖5典型的PID控制結(jié)構(gòu)圖5所示為典型的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PID控制器是由比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)疊加構(gòu)成的，各環(huán)節(jié)分別對(duì)誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和將構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u(t) 一并送給對(duì)象模型。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為：(t)=5 *)+(J 加)4 + 砥牛(公式1)式中：kp 一比例環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；ki一積分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)；kd 微分環(huán)節(jié)調(diào)整參數(shù)。PID控制器各環(huán)節(jié)所起的作用如下：比例環(huán)節(jié)抑止閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)偏差信號(hào) e(r),通過(guò)增加kp值還可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高閉環(huán)響應(yīng)的幅值。但kp值不能無(wú)限制增加，對(duì)于不同的閉環(huán)控制系統(tǒng) kp的取值范圍不同，超出該限制范圍，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)的靜差， 提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分的時(shí)間