電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)1引言電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS,ElectricPowerSteering)是未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)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(diǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀(jì)80年代中期提出來(lái)的。該技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用較成熟的當(dāng)屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和DelphiSagiaw(薩吉諾)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而DelphiSagiaw(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。她是一個(gè)于20世紀(jì)50年代把液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)推向市場(chǎng)的，從此以后，Delphi轉(zhuǎn)向發(fā)展了技術(shù)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)?，F(xiàn)在,Delphi轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又領(lǐng)導(dǎo)了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次新革命-電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機(jī)械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機(jī)及微電腦控制單元組成。該系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)向盤(pán)位置兩個(gè)信號(hào)，與車速傳感器測(cè)得的車速信號(hào)一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元通過(guò)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(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)助力裝置實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過(guò)精確的控制算法，可任意改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得所需的任意助力值。EPS在日本最先獲得實(shí)際應(yīng)用，1988年日本鈴木公司首次開(kāi)發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)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(guó)的Delphi公司，英國(guó)的Lucas公司，德國(guó)的ZF公司，都研制出了各自的EPS。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動(dòng)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(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，未來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動(dòng)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(shì)體現(xiàn)在：(1) 降低了燃油消耗。(2) 增強(qiáng)了轉(zhuǎn)向跟隨性。(3) 改善了轉(zhuǎn)向回正特性。(4) 提高了操縱穩(wěn)定性。(5) 提供可變的轉(zhuǎn)向助力。(6) 采用”綠色能源”，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。(7) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。(8) 生產(chǎn)線裝配性好。2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)及工作條件進(jìn)行分析2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件技術(shù)主要涉及傳感器、電機(jī)和ECU。傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)源，其精度和可靠性十分重要。電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行器，電機(jī)性能好壞決定了系統(tǒng)的表現(xiàn)。ECU是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算中心，因此ECU的性能和可靠性至關(guān)重要。軟件技術(shù)主要包括控制策略和故障診斷與保護(hù)程序兩個(gè)部分?？刂撇呗杂脕?lái)決定電機(jī)的目標(biāo)電流，并跟蹤該電流，使得電機(jī)輸出相應(yīng)的助力矩。故障診斷與保護(hù)程序用來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，并在必要時(shí)發(fā)出警報(bào)和實(shí)施一定的保護(hù)措施。桿的作用是將轉(zhuǎn)向搖臂傳來(lái)的力和運(yùn)動(dòng)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(duì)于車架跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是空間運(yùn)動(dòng)，為了不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，上述三者間的連接都采用球銷。圖2-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的操縱力矩，車速傳感器測(cè)出車輛當(dāng)前的行駛速度，然后將這兩個(gè)信號(hào)傳遞給ECU;ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計(jì)算出理想的目標(biāo)助力力矩，轉(zhuǎn)化為電流指令給電機(jī)；然后，電機(jī)產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)放大作用在機(jī)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(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。電動(dòng)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(jìn)入汽車制造領(lǐng)域。與先前的預(yù)測(cè)相反，EPS不僅適用于小型汽車，而且某些12V中型汽車也適于安裝電動(dòng)系統(tǒng)。EPS系統(tǒng)包含下列組件：轉(zhuǎn)矩傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)情況和車輛的運(yùn)動(dòng)情況；電控單元，根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的信號(hào)計(jì)算助力的大?。浑姍C(jī)，根據(jù)電控單元輸出值生成轉(zhuǎn)動(dòng)力；減速齒輪，提高電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力，并將其傳送至轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)還需要其它信息，例如電機(jī)轉(zhuǎn)子位置（電機(jī)傳感器提供）和相電流（電流傳感器提供）。電機(jī)由四個(gè)MOSFET控制。由于微控制器無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的大型柵電容，因此需要采用驅(qū)動(dòng)IC形式的接口。出于安全考慮，完整的電機(jī)控制系統(tǒng)必須實(shí)施監(jiān)控。將電機(jī)控制系統(tǒng)集成在PCB上，通常包含一個(gè)繼電器，該繼電器可作為主開(kāi)關(guān)使用，在檢測(cè)出故障的情況下，斷開(kāi)電機(jī)與電控單元。微控器（C）必須控制EPS系統(tǒng)的直流有刷電機(jī)。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(gè)電流控制回路。為了提高系統(tǒng)的安全水平，該微控器應(yīng)有一個(gè)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(shí)還應(yīng)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，如果必須執(zhí)行IEC61508等行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，就不得不完成各種診斷和自檢任務(wù)，因而會(huì)增加微控器的工作負(fù)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(cè)量原理，如分解器、電磁共振器、基于傳感器的集成巨磁阻（IGMR）。功率級(jí)的作用是開(kāi)關(guān)電機(jī)電流。該功率級(jí)具有兩個(gè)功能：驅(qū)動(dòng)IC控制和保護(hù)MOSFET,MOSFET本身又可負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)電流。MOSFET和分區(qū)（例如驅(qū)動(dòng)IC與MOSFET結(jié)合在一個(gè)器件或多個(gè)器件內(nèi)）由電機(jī)功率決定。微控器的PWM輸出端口提供的驅(qū)動(dòng)電流和電壓太低，無(wú)法直接與MOSFET柵極實(shí)現(xiàn)連接。驅(qū)動(dòng)IC的作用是提供充足的電流，為MOSFET的柵極進(jìn)行充電和放電，使其在20kHz的條件下正常實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，同時(shí)保證為高低側(cè)MOSFET提供高柵源電壓Vgs,確保獲得低導(dǎo)通電阻。如果高側(cè)MOSFET處于開(kāi)通狀態(tài)，源極電位就接近電池電平。要想使MOSFET到達(dá)標(biāo)稱導(dǎo)通電阻，柵源電壓需高于8V。MOSFET完全導(dǎo)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(shuō)明，英飛凌驅(qū)動(dòng)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(dá)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(shè)計(jì)的其它關(guān)鍵特性是可以根據(jù)不同PWM模式的要求，實(shí)現(xiàn)極低（低至1%）和極高的占空比（高至100%）。驅(qū)動(dòng)IC的另一個(gè)重要功能是檢測(cè)短路情況，避免損壞MOSFET。受影響的MOSFET將關(guān)閉，診斷結(jié)果提交給微控器。電流水平可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。MOSFET通常應(yīng)用在一個(gè)多半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)，由驅(qū)動(dòng)IC控制。根據(jù)ISO7637規(guī)定，在12V電網(wǎng)中，電池電壓通?？筛哌_(dá)16V。在選擇MOSFET電壓級(jí)別時(shí)，必須針對(duì)二極管恢復(fù)過(guò)程中所出現(xiàn)的感應(yīng)瞬變現(xiàn)象提供足夠的安全邊際（Lsxdl/dt,Ls代表雜散電感，dl/dt代表開(kāi)關(guān)時(shí)的電流斜率）。在低dl/dt和低雜散電感的系統(tǒng)中，可使用30VMOSFET,但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全邊際。最新的40VMOSFET技術(shù)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(dǎo)通電阻，使EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備極高的功率密度和效率。2.2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型根據(jù)助力電動(dòng)機(jī)助力位置不同，可分為轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS:Column-EPS）、齒輪軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（P-EPS:Pinion-EPS）及齒條軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（R-EPS:Rack-EPS）。轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動(dòng)機(jī)固定在轉(zhuǎn)向軸的一側(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)向軸助力轉(zhuǎn)向，如圖2-2所示。轉(zhuǎn)向盤(pán)圖2-2轉(zhuǎn)向軸助力式EPS齒輪助力式EPS的電動(dòng)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，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。其助力控制特性方面增加了難度。轉(zhuǎn)向盤(pán)圖2-3齒輪助力式EPS齒條助力式EPS的電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)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(duì)原有的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有較大的改變。轉(zhuǎn)向盤(pán)圖2-4齒條助力式EPS車速信號(hào)2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械部分工作條件電動(dòng)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(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和離合器等，如圖2-5所示。齒輪圖2-5電動(dòng)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(yīng)用了扭距傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器。扭距傳感器時(shí)刻檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)狀況，將駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的方向、角度、信息傳送給控制單元作輸入信號(hào)。轉(zhuǎn)速傳感器用于測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度，速度傳感器測(cè)量車輛的行駛速度，兩者的測(cè)量結(jié)果同樣送到控制單元作為輸入?？刂茊卧荅PS系統(tǒng)的核心部分，也是EPS系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。目前普遍將控制單元設(shè)計(jì)為數(shù)字化，一般以一個(gè)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(hào)接口電路、報(bào)警電路、電源。要求具有簡(jiǎn)單計(jì)算、查表、故障診斷處理、儲(chǔ)存、報(bào)警、驅(qū)動(dòng)等功能。電動(dòng)機(jī)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(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)對(duì)EPS的性能有很大的影響，是EPS的關(guān)鍵部件之一，所以EPS對(duì)電動(dòng)機(jī)很重要。不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動(dòng)小、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)主要采用直流電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷永磁式電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)采用的電動(dòng)機(jī)和控制策略不同而不同。EPS的減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連，起減速增扭作用。常采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，也有采用行星齒輪機(jī)構(gòu)。EPS的離合器，裝在減速機(jī)構(gòu)的一側(cè)，是為了保證EPS只有在預(yù)先設(shè)定的車速行駛范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速達(dá)到某一值時(shí)，離合器分離，電動(dòng)機(jī)停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)轉(zhuǎn)向。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)離合器將自動(dòng)分離。由圖2-5可見(jiàn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增加信號(hào)傳感裝置、控制單元和轉(zhuǎn)向助力機(jī)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(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿使車輪轉(zhuǎn)向，輸出軸除通過(guò)扭桿與輸入軸相連外，還經(jīng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)一離合器與主力電動(dòng)機(jī)相連。駕駛者在操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，給輸入軸輸入了一個(gè)角位移，輸入軸和輸出軸之間的相對(duì)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(hào)輸入電控單元；與此同時(shí)，車速傳感器檢測(cè)到的車速信號(hào)頁(yè)輸入電控單元，電控單元綜合轉(zhuǎn)向盤(pán)的輸入力矩、轉(zhuǎn)向方向以及車速等信號(hào)，判斷是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，貝U依照既定的助力控制策略來(lái)計(jì)算電動(dòng)機(jī)助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路提供相應(yīng)的電壓或電流給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩由蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置放大再施加給轉(zhuǎn)向軸起助力作用，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向；若出現(xiàn)故障或超出設(shè)定值則停止給電動(dòng)機(jī)供電，系統(tǒng)不提供助力，同時(shí)，離合器切斷，以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電動(dòng)機(jī)慣性力矩的影響。系統(tǒng)轉(zhuǎn)為人工手動(dòng)助力。工作過(guò)程如圖2-6所示。圖2-6電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程圖3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析3.1EPS典型助力曲線EPS的助力特性具有多種曲線形式，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(gè)區(qū)，0<Td<Td0區(qū)為無(wú)助力區(qū)，Td0<Td<Tdmax區(qū)為助力變化區(qū)。圖3-1EPS典型助力曲線3.1.1直線型助力特性圖3-1-a為直線型助力特性曲線，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向盤(pán)扭矩成線性關(guān)系。該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示【二加vg叫/mo24皿式中，I為電機(jī)的目標(biāo)電流；Imax為電機(jī)工作的最大電流；Td為方向盤(pán)的輸入扭矩；K(V)為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減??；Td0為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)始助力時(shí)的方向盤(pán)輸入扭矩，Tdmax為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時(shí)的方向盤(pán)輸入扭矩。3.1.1折線型助力特性圖3-1-b所示為典型的折線型助力特性曲線，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向盤(pán)扭矩成分段型關(guān)系，該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示。n。江一上心(7；叫)珥的(7/崩HUMLLf式中，K1(V),K2(V)分別為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減小；Td1為助力特性曲線梯度由K1(V)變?yōu)镵2(V)時(shí)的方向盤(pán)輸入扭矩。3.1.1曲線型助力特性圖3-1-c為典型曲線型助力特性曲線，它的特點(diǎn)是在助力變化區(qū)，助力與方向盤(pán)輸入扭矩成非線性關(guān)系，該助力特性曲線用以下函數(shù)表示。U。姬1小煩)Wfy比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡(jiǎn)單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且在實(shí)際中調(diào)整容易；曲線型助力特性曲線有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)、均勻助力，但控制復(fù)雜、調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間，從設(shè)計(jì)、調(diào)整和實(shí)用的角度看，采用直線型助力特性可以基本滿足實(shí)際需要。3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受力分析EPS系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤(pán)的操縱力、點(diǎn)擊的助力矩和整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩。駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)作用在方向盤(pán)上的操縱力，同時(shí)在EPS系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)助力下，通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在方向盤(pán)上的作用力以及電動(dòng)機(jī)作用的助力矩大小與汽車整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。(1) 駕駛員的操縱力駕駛員對(duì)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(pán)上的切向力；二、保持汽車行駛方向不變(包括直線運(yùn)動(dòng)和固定某個(gè)方向的于東)時(shí)駕駛員保持方向盤(pán)不動(dòng)的力。這種在車輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變，行車時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力稱為方向盤(pán)把持力。(2) EPS的阻力矩按產(chǎn)生的來(lái)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。這些轉(zhuǎn)向阻力距的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車速、輪胎偏離角、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)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。“轉(zhuǎn)向系復(fù)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(fù)力產(chǎn)生的?！稗D(zhuǎn)向系慣性力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速的變化所形成的?！袄@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(fù)荷等的影響，隨著車速和轉(zhuǎn)向輪偏離角的變化而變化。通?！袄@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(dòng)的汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，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(yàn)公式如下：Mr原地轉(zhuǎn)向阻力/輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)（一般取0.7）G1轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）戶輪胎氣壓（MPa）行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對(duì)行駛的汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)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(dòng)成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。不過(guò)，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(dòng)回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進(jìn)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(shí)相仿。高速行車中，由輪胎偏離角所引起的轉(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(fù)荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。同時(shí)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(dòng)機(jī)阻力矩”是電動(dòng)機(jī)為了提高汽車操縱的輕便性而對(duì)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(lái)的車速和力矩信號(hào)來(lái)決定。4汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響4.1轉(zhuǎn)向路感汽車轉(zhuǎn)向的輕便性與路感時(shí)相互矛盾的，一般駕駛員都希望車輛轉(zhuǎn)向時(shí)力“輕”些好，即在轉(zhuǎn)向時(shí)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“輕”又不好,因?yàn)檗D(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車的運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是“路感”20,如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會(huì)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(shuō)，轉(zhuǎn)向力中雨前輪側(cè)向力有對(duì)應(yīng)關(guān)系的那部分（回正力矩部分）不能太小，而與前輪側(cè)向力無(wú)關(guān)的各種摩擦力矩則越小越好。汽車轉(zhuǎn)向輕便性是對(duì)低速行駛時(shí)（如原地轉(zhuǎn)向）提出的要求，而路感則是針對(duì)汽車高速行駛時(shí)提出。使駕駛員感到此種力反饋及其差別。清晰的路感，對(duì)駕駛員非常重要，特別是在高速行駛時(shí)，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,讓駕駛員心中有數(shù)，以便在不同的道路條件下，采用合適的運(yùn)行方式（高速，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)），確保車輛的行駛安全。因此，在某種意義上說(shuō)，路感實(shí)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(pán)的位置，可與分高速直線行駛、轉(zhuǎn)向和回正過(guò)程的路感。4.2轉(zhuǎn)向靈敏度轉(zhuǎn)向靈敏度對(duì)汽車操縱十分重要，它是衡量汽車操縱性能的主要指標(biāo)，反應(yīng)了汽車隊(duì)對(duì)轉(zhuǎn)向動(dòng)作的響應(yīng)快慢。它可以采用汽車的側(cè)向加速度對(duì)轉(zhuǎn)角的微分來(lái)表示，也可用汽車的橫擺角速度與轉(zhuǎn)角之比來(lái)表示。這里選擇從轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角到汽車的橫擺角速度的傳遞函數(shù)來(lái)表示轉(zhuǎn)向靈敏度，因?yàn)楦苤苯芋w現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車系統(tǒng)的綜合性能。若助力電動(dòng)機(jī)電樞電流與扭矩傳感器檢測(cè)值成比例，即采用電流控制方法。扭距傳感器的測(cè)試值為"玖一*）,則有/二KEF&M如$)'海)式中M0=K,+G、KKdM$)=(孔+(尻+瓦g)s+gakkW+票。根據(jù)轉(zhuǎn)向靈敏度的定義，可得轉(zhuǎn)向靈敏度函數(shù)r(5)r(s)S(s)3(s)X(s)M(s)4(s)3(s)於)0h(s)G2Z(s)N(s)4.3轉(zhuǎn)向回正能力在汽車行駛中駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，回正力矩能夠使轉(zhuǎn)向盤(pán)自動(dòng)地回到中間位置，這有助于駕駛員回正方向，但有時(shí)回正力矩會(huì)帶來(lái)過(guò)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(guò)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(dòng)。相反，在EPS系統(tǒng)中可以通過(guò)控制助力電機(jī)來(lái)獲得適當(dāng)?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(guò)大時(shí)，又就會(huì)阻礙轉(zhuǎn)向盤(pán)的回正。就此，提出一種通過(guò)控制電機(jī)提供回復(fù)助力，可以獲得良好的回正能力。回正特性控制策略可分為兩種算法。一種為回正算法，其主要功能是使轉(zhuǎn)向輪快速而準(zhǔn)確的回到中心位置，尤其是當(dāng)內(nèi)部摩擦阻礙回正時(shí)；另一種是主動(dòng)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(dòng)。為達(dá)到此目的，研究中采用如下的PID控制器。ui-K+A4JGkndz+KA*.式中，u2為回正時(shí)電機(jī)控制信號(hào)；K3K4K5是控制器的增益。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大時(shí)，式中的P1部分產(chǎn)生較大的回正轉(zhuǎn)矩或回復(fù)助力轉(zhuǎn)矩，以便幫助回正，而當(dāng)回正過(guò)急時(shí)，微分部分產(chǎn)生主動(dòng)阻尼控制，避免回正沖擊振動(dòng)和超調(diào)，因此，可以通過(guò)調(diào)整控制器的增益系數(shù)來(lái)獲得不同的回正特性22。5結(jié)論本文對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、各可變參數(shù)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響、助力特性曲線的研究以及對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)操縱穩(wěn)定性能的影響進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：影響電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)：轉(zhuǎn)向路感和轉(zhuǎn)向靈敏度的因素很多，在進(jìn)行EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮這些影響因素。但是有一些因素(如電動(dòng)機(jī)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。裝備有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車要保持穩(wěn)定，必須使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭矩傳感器剛度、助力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比、控制器助力增益滿足由Louth判據(jù)得到的兩個(gè)穩(wěn)定性條件。通過(guò)研究，本文得到了一些有益的結(jié)論，但由于時(shí)間和條件的限制，認(rèn)為還有進(jìn)一步的工作要做。論文中對(duì)相關(guān)軟件的運(yùn)用還不是很熟練，還需要大量的時(shí)間和努力去完成每一個(gè)可變系數(shù)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變化的仿真，在以后的學(xué)習(xí)中要不斷加強(qiáng)這個(gè)方面的研究以確保對(duì)目標(biāo)仿真快速準(zhǔn)確有效地完成。參考文獻(xiàn)：1 劉晶晶.輕型汽車電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)D.吉林大學(xué).2011年劉步豐.汽車中的EPS系統(tǒng)應(yīng)用分析.科技資訊.2012,10:U463.4梁瑞香.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用分析J.科技致富向?qū)?2011年09期晉兵營(yíng)，寧廣慶，施國(guó)標(biāo).汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車.2010年01期孫經(jīng)瑞，張翼，史小航，李俊青.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述J.重型汽車；2011年02期丁志剛，宋洪烈.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)述J;海峽科學(xué).2010年12期劉曉鑫.重型車輛的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析D.吉林大學(xué).2011年張永輝.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性仿真研究J,汽車科技.2009王迅.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EP0技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展J.湖南汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2008金釗.基于模糊控制的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)D.武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2008孫租明.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感特性分析J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009