汽车电子电气第10章汽车电动助力转向系统

第十章汽车电动助力转向系统1.概述2.电动助力转向系统结构和工作原理3.电动助力转向系统的简单模型与运动特性4.电动助力转向的控制方法5.电动助力转向系统实例和检修6.电动助力转向系统性能台架试验传统的转向系统不能很好的解决转向时“轻”与“灵”的矛盾。即高的转向灵敏性和好的操纵轻便性不可兼得。为解决这一矛盾，除采取尽量减轻自重、选择最佳轴荷分配、提高转向系统传动效率、减小主销后倾角、选择最佳转向器速比曲线等措施外，通常都采用助力转向方式。1.助力转向的产生背景一.概述2.助力转向的概念助力转向系统是指在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机通过液压泵产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。是一种以驾驶员操纵方向盘（转矩和转角）为输入信号，以转向车轮的角位移为输出信号的伺服机构。3.助力转向双动伺服机构图1助力转向双动伺服机构4.助力转向系统的类型电子控制式液压助力转向系统（EHPS）传统液压助力转向系统（HPS）电动助力转向系统（EPS）5.对助力转向系统的要求助力转向系统应达到如下要求：（1）能有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。而行车转向的操纵力应不大于250N。（2）转向灵敏性好。助力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产生助力作用的快慢程度。助力作用快，转向就灵敏。（3）具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘应可自动回正；驾驶员应有良好的“路感”。（4）要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的关系，并能使转向车轮保持在任意偏转角位置上。（5）工作可靠。当助力转向失效或发生故障时，应能保证通过人力进行转向操纵。6.电动助力转向系统（EPS）EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等，由电子控制单元（ECU）完成助力控制。图2电动助力转向系统结构示意图1－转向盘2－转向轴3－电动机4－离合器5－齿条6－小齿轮7－横拉杆8－输出轴9－减速机构10－转矩传感器电动助力转向系统（EPS）与液压助力转向系统（HPS）相比，具有以下优点：（1）助力性能优（2）效率高（3）耗能少（4）“路感”好（5）回正性好（6）对环境污染少（7）可以独立于发动机工作（8）应用范围广（9）装配性好易于布置图3转矩传感器基本原理图角，从而便可以知道转向盘杆的转矩。二.电动助力转向系统结构及工作原理2.1电动助力转向系统结构(1)转矩传感器：矩传感器用于检测作用于转向盘上的转矩信号的大小与方向。扭杆式电位计转矩传感器基本原理在线圈的U、T两端施加连续的脉冲电压信号Ui，当转向杆上的转矩为零时，在V、W两端的电位差Uo＝0。如果转向杆上存在转矩时，定子与转子的相对转角不为零，此时转子与定子间产生角位移θ。各个极靴的磁通产生差别，电桥失去平衡，在V、W之间出现电位差。这个电位差与杆的扭转角θ和输入电压Ui成比例。若比例系数为k则有Uo=kUi由V、W两端的电位差Uo就可以知道转向盘杆的扭转(2)车速传感器:车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速箱上。该传感器根据车速的变化，把主副两个系统的脉冲信号传送给ECU，由于是两个系统，因此信号的可靠性提高了。(3)电动机:EPS的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出转矩。转向助力用的电动机需要正反转控制。一种比较简单适用的转向助力电动机正反转控制电路如图4所示。a1端得到输入信号时电动机控制三极管基极电流有电流通过而正转信号触发端a2端得到输入信号时电动机有电流通过而反转图4电动机正反转控制电路(4)离合器：离合器采用干式电磁式离合器，其功能是保证EPS在预先设定的车速范围内闭合。当车速超出设定车速范围时，离合器断开，电动机不再提供助力，转入手动转向状态。另外，当电动机发生故障时，离合器将自动断开。图5电磁离合器工作原理图1－滑环2－线圈3－压板4－花键5－从动轴6－主动轮7－滚珠轴承工作原理:当电流通过滑环进入离合器线圈时，主动轮产生电磁吸力，带花键的压板被吸引与主动轮压紧，电动机的动力经过电机轴、主动轮、压板、花键、从动轴传给执行机构。(5)减速机构:减速机构是用来增大电动机的输出转矩。(6)电子控制单元（ECU）：EPS的电子控制单元通常是一个8位单片机系统，是由一个8位单片机，另加一个256字节的RAM、4KRAM及一个D/A转换器组成。其工作过程是当转矩信号和车速信号输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最优化助力转矩，然后输出此值给D/A转换器，输出电流指令信号给电机控制电路，由控制电路以决定电动机作用的大小和方向。ECU还具有安全保护和故障诊断功能。如图2所示，不转向时，助力电动机不工作；当方向盘转动时，与转向轴相连的转矩传感器不断地测出作用于转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号；同时，由车速传感器测出的汽车车速，也产生一个电压信号。这两路信号均被传输到电子控制单元（ECU），经过其运算处理后，由ECU向电动机和离合器发出控制指令，即向其输出一个适合的电流，在离合器结合的同时使电动机转动产生一个转矩，该转矩经与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增矩后，施加在输出轴上，输出轴的下端与齿轮齿条转向器总成中的小齿轮相连，于是由电动机发出的转矩最后通过齿轮齿条转向器施加到汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向助力。2.2电动助力转向系统的工作原理转向轴：Js&=MKsxbrssbx&FTR+m(2)电动机：Jm&&m=MmKmmbm&m图6电动助力转向系统动态模型dsssGxrsGKmrsxrsKsrsGxrs齿条轴：m&x&=三.电动助力转向系统的简单模型与运动特性3.1电动助力转向系统动态模型的建立依据牛顿运动定理，系统的运动方程为(1)(3)Mm=KaKss式中Mm为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机的给定电流大小。在本系统的计算中，Mm值由转矩传感器给出，可表示如下：aKamax)(0KxrsKa——转向助力增益。Ka值定义了转向路感，合理选择Ka可得到不同的转向路感。(4)FTR=Kx+FrK——弹性系数；Fr——路面对轮胎产生的随机扰动。在实际计算中，Fr作为一随机信号加人到系统中，使计算更接近于实际情况。(2)助力转矩Ma分析Ma与车速和转向盘的输入转矩有关：Ma=f(Md,v)式中Md——转向盘转矩；v——汽车速度。在不同汽车速度下，Ma－Md为一族非线性曲线，该族曲线表征了电动助力转向系统的助力特性。(5)(6)3.2电动助力转向系统特性分析(1)转向阻力FTR的简化m(0vv)在实际控制系统中，转向助力Ma如下式所示。GxrsMa=GKmθm、x在实际的应用中不易测得，其值最终决定于Md，而Md则可由转矩传感器测得。该族非线性的助力曲线由不同的助力增益Ka决定。由于不同车型的参数不同，在不同车速下所需要提供的助力值大小不同。依据对已有实车参数的拟合，提出了Ka与车速v的关系表示如下maxKa=tekvt、k——为系数，根据不同车型以及不同电动助力转向系统取不同的值。(7)(8)Ka随车速v的增大而成指数减小。增大Ka，相应地增加了电机提供的转向助力。因此，Ka描述了驾驶员的转向路感。由于不同类型的汽车的转向路感不同，所以式中的函数关系应当根据不同车型具体确定。3.3Ka值分析Ka值的选取必须满足式（4）中规定的条件。如果该值过大，易引起系统的不稳定。对式（l）～式（3）及式（5）进行拉普拉斯变换后，得到以下传递函数：=Hc(s)=ddmrs2+GKm(KaKsGKm)Ac(s)rs2sTd(9)d(s)=ms+bs+该传递函数Hc定义了转向系统的跟随性能。通过对多项式Ac（s）的分析，可得系统稳定的条件：的所有根的实部为负。GKaKsKmrs2dsG2Km2rs2dmKs2rs2D(s)=dmdsdmds(s)=Jss2+bss+Ksdm(s)=Jms2+bms+Km+KKs+GKmrs22式中：Ac(s)=D(s)+(dsKs)GJsbmKmmbsrs2(JsKmJmKs)+KaKsGKm+2GKmJs2(Jsbm+Jmbs)Jm2bmKs22GKmKsKaKmaxa由赫尔维茨稳定判据可知：Δ30，Δ50。由这两个不等式可得到：式（10）中后两项含有小参数Jm、rs，所以Ka可表示为(10)(11)由此式可以看出，助力增益Ka的取值只有满足式（11）时该系统才能稳定工作。3.4助力特性图分析以装有齿轮轴驱动型电动助力转向系统的中型轿车为研究对象。各参数如表1所示：rsGKi6.67mm18.3311764741.90表1输入信号为Md，输出信号为Ma。根据式（1）～式（5）及式（7）～式（8），通过对三自由度动态模型仿真，得到如图7所示的顺时针转向助力特性图，逆时针助力特性图与其左右对称。图7电动助力转向系统助力特性该助力特性图有如下特点：（1）随着Ka值的不同，得到不同的助力曲线Ma-Md。Ka值越大，提供的转向助力相应增加，即随着车速的变化，该系统能够提供不同的助力特性。（2）在转向转矩较小的区域，提供的转向助力较小或为零，且在不同车速时，提供的助力时机不同，这就保持了较好的转向路感；在常用的快速转向行驶区间，助力效果明显，转向轻便，降低了驾驶员劳动强度。（3）不同车速时，提供的转向助力增益不同。原地转向或车速较低时转向助力增益较大，转向最轻便。（4）当转向盘转矩Md≥7（N.m）时，助力力矩Ma将保持不变。这与如图10-9所示的力矩传感器输出特性有关。当其转角大于8°（Md＝7N.m）时，输出电压不再发生变化，相应助力转矩Md也不会发生变化。这使得电动机电流不致过大而烧毁电机。图8转矩传感器输出特性（5）改变不同的电动助力转向系统的参数，应用该方法，可得到不同的助力特性。四.电动助力转向的控制方法4.1电动助力转向的控制原理电子控制电动动力转向的控制系统如图9所示。该系统的核心是一个有4KBROM和256KBRAM的8位微机。图9电子控制电动助力转向的控制系统4.2电动助力转向的控制策略EPS系统可以对转向过程中的每个环节（转向、回正、中间位置）进行精确控制，从而提高汽车转向助力性能。微机可以根据各种传感器的信号，判断转向状态，选择执行不同控制模式，根据这些要求，制定EPS的控制策略。★助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电机转矩作用到机械转向系（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。助力控制的驱动方式为（参见图4电动机控制电路图）：使三极管V1导通，V2、V3管截止，V4管斩波。该控制利用电机转矩和电机电流成比例的特性，由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩－电机助力目标电流表”，确定出电机助力的目标电流，通过对反馈电流与电机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路以驱动电机产生合适的助力。★回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个三极管均处于截止状态，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。★阻尼控制阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性，为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。电机理想模型的基本方程为：diadtu(t)=Raia(t)+KE(t)+La（11）式中u（t）、ia(t)—分别为电机的端电压和电枢电流；ω（t）—电机转速；Ra、La——分别为电机等效内阻和电感；KE——电动势常数。EPS系统中所用电机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。若将电机两端短路，则有KE(t)Raia(t)=因此，用一定占空比的PWM信号在电动机控制电路内部使电机短路，电机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩，