汽车电动助力转向系统助力特性的研究

汽车电动助力转向系统助力特性的研究　袁带英　（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆４０００７４）　Ｔｈｅ　ＲｅＳｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ—ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＹＵＡＮ　Ｄａｉ～ｙｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００７４，Ｃｈｉｎａ）　摘要：概述了电动助力转向系统（ＥＰＳ）的结构　和工作原理，建立了电动助力转向系统动态模型，并　介绍了电动助力转向系统助力特性的设计方法。基　１　ＥＰＳ系统的结构和工作原理　转向轴助力式电动助力转向系统的结构如图１　于建立的ＥＰＳ动态模型，采用助力特性曲线，在　Ｍａｔｌａｂ环境下建立ＥＰＳ的仿真模型。　所示。转向盘转矩传感器安装在转向轴上，用来检　关键词：电动助力转向；助力特性；动态模型；仿　真　中图分类号：Ｕ４６３．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２２５７（２００８）０９—００３３—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＥＰＳ）ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＥＰＳ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｌｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｓｉｓ－　ｔａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＥＰＳ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ。ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ；ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　图１　电动助力转向系统结构　测转向盘上的转矩大小和方向。控制器根据转矩传　感器进行助力控制。车速信号一般从仪表板上的车　速表处获取，控制器根据车速信号对助力大小进行　修正，以改善驾驶员在高速转向时的路感。电流传　感器接在电动机电枢回路中，用来检测实际电动机　的助力电流，控制器根据此电流完成电流闭环控制。　０　引言　汽车电动助力转向（ＥＰＳ）一种用电动机直接为　对助力的基本要求是，随转向盘转矩的增加，助　力应增加，以使转向轻便；随车速的提升，助力应减　汽车转向系统提供助力的高新技术，具有传统液力　助力转向所不具有的低能耗、环保、高主动安全性等　优点，代表着未来汽车电动助力转向技术的发展方　向。助力特性作为电动助力转向的关键技术之一，　小，以保持高速转向时的路感。另外，转向系统还应　对来自路面的高频干扰有一定的抑制作用，以改善　转向盘的手感。　２　ＥＰＳ动态模型　ＥＰＳ的机械部分如图１所示，对ＥＰＳ部件进行　简化，根据牛顿运动定律建立各部分的动力学模型；　根据各部件之间的相互约束关系，联立后得到整个　系统的模型。　・　３３　・　直接影响到整车的转向性能。理想的助力特性应能　充分协调转向轻便性和路感的关系，并提供给驾驶　员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性［１］。　收稿日期：２００８一Ｏ４—３Ｏ　《机械与电子｝２００８（９）　维普资讯 http://www.cqvip.com 首先，进行变量定义，设　为转向盘、输入轴的　转动惯量；Ｂ　为输入轴的黏性阻尼系数；　为输入　于直线型形式简单，容易调节，被广泛采用［４］。　图２中直线段的斜率一般被称为助力比，直线　段的助力电流与转向盘的转矩成正比。以直线型助　力特性为例，介绍助力特性的确定方法。直线型助　力特性需要确定以下４个参数。　ａ．开始助力时转向盘输入转矩　。。　轴的旋转角；Ｔ＾为作用在转向盘上的转向转矩；Ｋ　为扭杆的刚性系数；ｚ　为齿条的位移；　为小齿轮　半径；Ｊ　为电动机和离合器的转动惯量；Ｂ　为电动　机黏性阻尼系数；　为电动机的转角；Ｔｍ为电动机　电磁转矩；Ｇ为蜗轮一蜗杆减速机构的减速比；Ｋ　为　电动机和减速机构的输出轴刚性系数；Ｍ，为减速机　构、小齿轮和齿条等的当量质量；ｍ　为齿条及小齿　当转向盘转矩小于某一值时，一般不进行助力，　否则转向过于灵敏。轿车常取　。一１　Ｎ・ｍ。　ｂ．转向盘最大输入转矩　ｒ瑚　。　轮的等效质量；Ｊ　为输出轴的转动惯量；Ｂ　为减速　机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数；ｂ　为齿条　的阻尼系数；忌　为等效弹簧的弹性系数；Ｆａ为路面　的随机作用力。对图１的ＥＰＳ模型，建立方程Ｅ２－３３：　１２　＋　＋Ｋ　一Ｔｈｆｌ－－Ｋ　（１）　＋Ｂ　＋ＫｍＯ　一Ｔ埘＋ＧＫ　Ｍ　（２）　觚　斛　一　＋　一　（３）　式中Ｍ，一ｍ　＋　／　Ｂ　一６ｒ＋Ｂ　／　Ｋ　一忌　＋（Ｋ　＋Ｇ２Ｋ　）／　系统输入为方向盘转角、方向盘转速、方向盘角　加速度、电动机电磁转矩和路面的随机侧向力；系统　输出为方向盘转矩、扭杆的反作用转矩、电动机输出　转矩、电动机转速和齿条位移。　３　助力特性的确定　助力特性是指转向盘转矩与助力转矩（或助力　电流）之间的关系。电动助力转向的助力特性一般　有３种：直线型、折线型和曲线型，如图２所示。由　～　』一　／：　《　《　—　ｚ　／ｌ，　—／　Ｎ・ｍ　Ｎ・ｍ　（ａ）直线型　（ｂ）折线型　』一　《　－　．一Ｊｆ—　　ｒ虹蜢　／　Ｎ　ｍ　（ｃ）曲线型　图２　ＥＰＳ助力特性型式　・　３４・　受驾驶员极限体力的限制，　一般不能过　大，国家标准规定转向盘的最大切向力不能大于５０　Ｎ。另外，还需要根据驾驶员对转向轻便性的要求　确定出合理的数值。该仿真取　一７　Ｎ・ｍ。　ｃ．最大助力电流工　。　汽车原地转向时，转向阻力矩最大，一般根据该　阻力矩确定最大助力电流。原地转向阻力矩值可通　过试验测得，也可通过经验公式计算获得。在沥青　或者混凝土路面上，转向轮绕主销最大阻力矩经验　计算公式为：　一非　（４）　计算出　后，通过转向系参数将其折算到转　向轴上，可得出转向轴上的最大转向阻力矩Ｔ～　，　进一步按式（５）求出最大助力电流工一。该仿真中　工　一２０　Ａ。　一　（５）　ｄ．车速系数。　根据上述３个参数可以制定出汽车最大助力特　性曲线。当汽车原地转向阻力较大时，需要的助力　比很大，这时系统阻尼会减少，严重时会引起系统不　稳定，产生转向盘振动问题Ｅｓ］。所以在确定完最大　助力比后，还需对系统稳定性进行验证Ｅ６］。若系统　不稳定，在助力电流策略中加入转向盘转矩的微分　环节，以调节系统阻尼，消除转向盘振动问题。　车速增大时，为保证驾驶员有合适的路感，应适　当减少助力。助力大小与车速之间应成什么关系，　目前还没有成熟的研究成果。参考文献Ｅ７］给出了　一种确定车速系数的方法，但对不同车型和不同路　感要求的车辆不一定具有通用性。一般是在助力车　速范围内选几个特征车速，根据驾驶员对路感的要　求，初步确定各特征车速的车速系数，其它车速下的　《机械与电子））２００８（９）　维普资讯 http://www.cqvip.com １５　ｌＯ　５　茸　０　一５　一ｌＯ　一１５　　Ｊ－６　ｏ　仰∞印加　／（。）　图５转向轻便性和路感仿真结果　他　４・２助力特性跟踪分析　仿真，得到各特征车速下进行的助力特性　耋竺　妻室　称明了所竺曼誊量　图略），且与预定的助力特性几乎一　：与图３进行对比发现，仿　、图３助力特性　。　采用控制策略的有效性　。　４仿真分析　４・１　ＥＰＳ系统转向轻便性和路感分析　灶翌苎　Ｅ慧Ｐｓ动态模型，ｂ环境下建立ＥＰｓ　采用如图３所示的助　妻三塑耋　动助力转向系统～　了ＥＰｓ电动助力转向系统的动态模型，给　：　Ｍａｔｌａ助力特性的　型，如图４所示。　～　竺　篓　妻明，性和路感的要求．该助力特性能满足汽车对转‘一　～～　。　［１］　Ａｄａｍｓ　ＪＪ・Ｐ。ｗｅｒ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ‘ｒ。ａｄ　ｆｅｄ，［Ｊ］。ｓＡＥ　Ｐａｐｅｒ　‘　Ｎｏ．８３０９９８，１—５，　］　“ｇ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｍ。ｄｅｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈ。ｄ．　ｂｇｙ　ｎｅｗ　ｄｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔｅ　ｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒ　ＩＰｒｏｃＬＪＪ　・Ｉｎｓ协Ｍｅｃｂ．Ｅｎｇｒｓ　Ｐａｒｔ　Ｄ：Ｊ．　．Ａｕｔｏｍ　ｏｂｉｌｅＥｎｅｅｒｉｎｇ，２１８：９６７－－９７５ｎｇｊ．　［３　：　，苗立冬，等．电动助力转向系统的建模　［Ｃ］苎　Ａ．　・北京：机械工业出版社］・中国汽车工程学会２２００３．　ｏｏ３　军　。‘　，Ｌ４　略的研究曼标，邹常丰，等．电动助力转向助力控制策　［Ｊ］．汽车技术，２００３（３）：８—１Ｏ．　～‘　，电动助力转向系统的转向轻便　［Ｊ］“　ｓ・Ｃ。ｎｔｒ０ｌ０ｆ　ｄｅｃｔ　ｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔｅｅｒ咄。ｓｙｓ…ｔｅｍｓ…　。　　．３性＇．眭　０　ｋ分别进行　曼　助力转向仿真（　ＳＡＥ　ｐａｐｅｒ　９８１１１６．　Ｌ６　平仿真（ｍ／ｈ￣　（加助力）和车速７ｏ　ｋ…不加　；：　・电动助力转向系统稳定性分析［Ｊ］．倍　加助力）…ｍ／ｈ’　苏大学学报（自然科学版）江　、　，结果如图５所示磊　２００４，２５（４）：２９４～　，、。　Ｌ　７ｊ　Ｂｅｒ　。ｌｌｉｎｉ　Ｇｒａｙ　Ｐ，ｅｔ　ａＬ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｉｍ竺苎笆量表明，不加助力时，原地转向最沉重；　ｕｌａｔｉ。ｎ　ｔ０　ｑｕａｎｔｌｔｙ　ｓｔｅｅｒｉｎ　　ｇｌｅｆｆｏｒｔ　ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｓ　ｆｕｎｃｔｉ０ｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃ１ｅ　！　高之　，。ｐｅｅｄ［Ｊ］．ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ，１９９９～０１～ｏ３９４　速提高。譬　盘转矩大大减少，，后，驾驶员获得了较强的路感转向盘上的转矩相　茗　转向轻　…　”　十　带英　（１ｇ８３一）＇女，湖南常宁人。向为汽车电子控白喃　，制。　。。～硕士，研究方　一　。　・　３５　・