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华中科技大学硕士学位论文汽车电动助力转向系统硬件在环仿真姓名：谢彬申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：金国栋;王彦伟20080526华中科技大学硕士学位论文I摘要汽车转向系统是改变车辆行驶方向的机构，其性能的好坏直接关系着车辆操纵稳定性、行驶安全性和驾驶舒适性。随着人们对车辆的驾驶舒适性和社会对车辆节能环保性能日益提高的要求，电动助力转向系统(EPS)因其操纵性能好、效率高、能耗低、路感好、易于安装维护和调整等特性获得越来越多的关注和使用，成为现阶段转向系统研发的焦点。电动助力转向系统的开发因为涉及到机械，电子和自动控制等领域，因此用传统开发方法开发难度较大，开发周期相对也比较长。本文利用Matlab、ControlDesk、CCS等工具和控制软件设计开发平台来开发电动助力转向控制系统，在实现电动助力转向功能的同时，大大减少电控系统开发的工作量，节省工作时间。首先，在Matlab/Simulink环境下建立结合整车操纵动力学的电动助力转向系统动力学模型，在此模型基础上搭建对助力电机目标电流进行闭环控制的电动助力转向系统控制模型，并对此模型进行离线仿真，对控制算法进行验证。然后，在离线模型的基础上，利用Matlab和dSPACE公司开发的实时仿真平台建立电动助力转向系统的实时仿真模型，并对电动助力转向控制系统模型进行硬件在环仿真，验证控制系统的实时性能。最后，利用Matlab和TI公司开发的DSP程序实时开发环境CCS等工具，开发用TITMS320F2812DSP做控制芯片的电动助力转向控制器，设计出控制芯片的辅助电路，建立电动助力转向控制模型，生成控制程序。本文所提出的实时控制系统的开发方法可以降低开发电动助力转向控制器的成本，节省开发时间，提高开发质量和开发效率。关键字：电动助力转向系统、实时仿真、硬件在环仿真、控制器华中科技大学硕士学位论文IIAbstractVehiclesteeringsystemisthemechanismusedtochangethedirectionofthevehicle.Itsperformancehasbiginfluenceonvehicle’scontrolstability,safetyandcomfort.Withtheincreasingofdemandondrivingcomfortandrequirementofenergy-saving,moreandmoreattentionisbeingpaidonElectricPowerSteeringSystem(EPS)foritsgreatmanipulatedability,highefficiency,lowenergyconsumption,goodsteeringfeelandconvenienceforinstallation,maintenanceandadjustment.DevelopmentofEPSrequirestheknowledgeofMechanics,ElectronicsandAutoControl,soitisdifficultandtime-consumingtodevelopitbyconventionaldevelopmentmethod.Thisthesispresentsanewkindofdevelopmentmethod,byutilizingthemagnificentdesigncapabilityofMatlabandothersoftwaresuchasControlDeskandCCScanconsiderablyreducetheworkloadofdevelopment,savetime.Firstofall,buildsthedynamicmodelofEPSintegrateswithvehicledynamicmodel,andaddstheclosed-loopcontrolmodelwhichisusedtocontrolthecurrentofassistmotortothedynamicmodel,simulatesthismodeltovalidateit.Then,usesMatlabandareal-timesimulationplatformdevelopedbydSPACECorporationtobuildareal-timeSimulationmodelofEPS,anddoestheHardware-in-LoopSimulationofEPStotestthereal-timeperformanceofthecontrolalgorithm.Finally,usesMatlabandCCS--anIntegratedDevelopmentEnvironmentdevelopedbyTICorporation--todeveloptheEPSreal-timecontrollerbasedonTIF2812eZDSPdevelopmentboard.Thisprocessincludesdesigningauxiliarycircuitforthecontrollerchipandbuildingthereal-timecontrolmodelofEPStogeneratethecontrolprogramautomatically.TheDevelopmentmethodpresentsbythisthesiscanreducethecost,savedevelopmenttimeandimprovedevelopmentqualityandefficiencyofEPSdevelopment.Keywords:ElectricPowerSteeringSystem(EPS),real-timesimulation,Hardware-In-LoopSimulation(HILS),controller独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文11绪论本课题来源于湖北省重点科技攻关项目“汽车电动助力转向系统数字化仿真分析平台”。课题的目的是通过对电动助力转向系统进行详细建模、离线仿真和硬件在环仿真，对电动助力转向系统控制方法进行分析研究，并对电动助力转向系统控制器进行开发设计，给自主研发汽车电动助力转向系统打下良好的基础。1.1汽车转向系统概述汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的机构，其作用是使汽车在行驶过程中能够按照驾驶员的操作要求而适当的改变行驶方向，并在受到路面传来的冲击及汽车意外偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性，其性能的好坏直接关系到车辆的安全性和舒适性。优良的转向系统应该在基本的转向功能上具有灵敏轻便、安全稳定、路感好的特点[1]。自19世纪末第一辆汽车诞生以来，汽车的转向系统已由最初仅仅为比较容易实现转向，发展到今天对低速转向轻便、高速路感良好等多种性能的要求，一百多年来，汽车工程师们不断致力于汽车转向技术的研究，当前的汽车转向技术已经取得了突飞猛进的发展。迄今为止，转向技术的发展可以分为机械转向、液压（气压）动力转向、电子控制液压动力转向、电动助力转向和线控转向几个阶段[2]。1.1.1机械转向系统机械转向系统是以人的体力作为转向动力，其中所有组成部件都是机械结构，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机械三大部分组成。早期的转向机构非常简单，由一级齿轮传动机构和转向拉杆构成，通过将驾驶员的手动旋转操作转变为转向拉杆的左右移动带动车轮偏转。随后，出现结构更复杂的机械转向机构，常见的形式有循环球式，蜗杆滚轮式，齿轮齿条式等。其中，循环球式转向器由于是滚动摩擦，所以正传动效率高，操作方便寿命长，并且承载能力大，被广泛应用于载货汽车；齿轮齿条式转向器机构相对简单，转向轻便，但承载能力较弱，故主要应用于小汽车和轻型货车。图1.1是机械式转向系统结构图。华中科技大学硕士学位论文21.方向盘2.转向柱3.转向节4.转向轮5.转向节臂6.转向横拉杆7.转向减振器8.转向器图1.1机械式转向系统结构驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向柱2输入转向器8，从转向盘到转向柱这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1～2级减速传动副，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂是转向传动机构。机械转向器中，转向操作完全由驾驶员的手力矩提供，为了使车辆的驾驶更舒适，减轻驾驶员的驾驶强度，各种助力转向系统被陆续开发出来。1.1.2液压助力转向系统助力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机(或电机)的动力作为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置而形成的。其中，液压助力转向系统借助汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机等，以液力、气力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使转向轻便灵活，衰减道路冲击，减轻驾驶强度，提高行驶安全性[3]。图1.2为液压助力转向系统的结构图，转向油泵5是助力转向系统的动力源，它由发动机通过皮带驱动，所以泵的流量与发动机的转速成正比，当发动机转速提高时，多余的油液必须经过转向油泵5中的流量控制阀流回储油罐6。华中科技大学硕士学位论文31.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向减振器图1.2液压式助力转向系统结构图1.3所示为直线行驶时液压助力转向系统的工作示意图。1.转向控制阀阀芯2.阀套3.转向油泵4.动力缸活塞5.转向油罐6.油管图1.3直线行驶时液压助力转向系统的工作示意图其中，转向控制阀和转向动力缸都安装在整体式转向器的内部，控制阀阀芯1由转华中科技大学硕士学位论文4向柱带动，转向油泵3输出的高压油通过阀芯1与阀套2之间的间隙流入到动力缸中，车辆直线行驶，动力缸活塞两端的油压相等，活塞位置不动，所以没有转向力输出到转向拉杆。此时，来自油泵的液压油经过油管6流会转向油罐5中。车辆向左转时，阀芯被转向柱带动逆时针转动一定角度，由于阀芯与阀套之间间隙的变化，流入到动力缸右缸的流量大于左缸，液压油推动活塞向左移动，从而提供转向轮左转的助力，如图1.4左图所示。车辆向右转时，助力原理与左转相似，如图1.4右图所示。图1.4液压助力转向系统示意图由液压助力转向系统的结构和特性决定它存在着一些难以由自身的改动而克服的缺点[4]：(1)助力特性不能调节控制，在轻便性和路感的协调上比较困难。即保证低速行驶转向轻便时，高速行驶时转向力就会太轻，路感差，驾驶员会感觉汽车发飘，汽车操纵稳定性不好。而当保证高速转向稳定、路感好时，低速转向又往往不够轻便。(2)不转向时，油泵也一直转，增加能耗。(3)存在漏油和维护的问题，提高维护成本，造成环境污染。(4)低温工作性能差。1.1.3电控液压式助力转向系统电控液压式助力转