《汽车电动助力转向系统的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电动助力转向系统的设计.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第22卷第4期2009年8月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyV ol.22N o.4A ug.2009收稿日期:2008212212基金项目:江苏省苏北技术创新引导基金(BN2008010);2008江苏省“青蓝工程”基金资助作者简介:胡春花(1972),女,讲师。汽车电动助力转向系统的设计胡春花(镇江高等专科学校电子信息系,江苏 镇江212003)摘要:文章研究了电动助力转向系统的基本组成及工作原理,建立了系统模型,推导出系统的状态方程。助力转向系统的电机转矩采用电流控制策略,并结合系统模型进行仿真。仿真结果表
2、明,控制系统反映了电动助力转向系统的工作情况,并具有良好的转向助力效果。关键词:车辆工程;电动助力转向系统;数学模型;控制策略;仿真中图分类号:U463.4 文献标识码:A文章编号:1671-0436(2009)04-0053-05The Design of Electric Power Steering SystemHU Chun2hua(Department of Electronics and Information Science,Zhenjiang College,Zhenjiang212003)Abstract:This paper introduces the theory of
3、 electric pow er steering system and how to create its m ath2em atic m odel and how to derive the state equation.It also si m ulates the m odel in MA TLAB and the resultindicates that the steering w heel is easy to control,and returns quickly w ith good steering feeling by using them odel of electri
4、c pow er steering system.Key words:vehicle engineering;electric pow er steering;m athem atic m odel;control strategy;si m ulation 电动助力转向系统EPS(Electric Pow er Steer2ing)是在传统的机械式转向系统的基础上,利用直流电动机作为动力源,电子控制单元根据转向参数和车速等信号控制电动机转矩的大小和转动方向。与传统的液压转向系统相比,电动助力转向系统直接通过电动机的输出给驾驶员提供助力,电动机只有在转向时才工作,在不进行转向时几乎没有动力消耗
5、,使汽车具有更好的燃油经济性;同时具有轻型小巧,装配迅速,易于调整,噪声及废油、废气污染小等优点。目前没有标准的EPS模型1,本文提出EPS模型强调轻巧、易于调整,适用于小型汽车。该模型结合实验和仿真,验证了其精确性和实用性。1EPS组成及其工作原理电动助力转向系统主要由车速传感器、转向盘转动传感器(包括扭矩传感器和转速传感器)、电子控制单元、功率驱动电路、离合器和直流电动机等组成2。工作原理:电子控制单元(ECU)根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩,向电动机和离合器发出控制信号,通过功率驱动电路控制直流电动机的转动,电动机的输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,
6、产生相应的转向助力。其控制系统的基本结构如图1所示。常州工学院学报2009年图1EPS结构框图2EPS数学模型建立为了研究EPS系统的动态特性及EPS系统对汽车操纵性的影响,EPS数学模型的建立是进行理论研究必不可少的一个环节。如图2所示,EPS的机械部分主要可分为转向盘和转向轴、电动机、减速结构和齿轮齿条4个主要部分,根据系统的使用条件和研究对象,忽略一些次要因素,对EPS部件进行简化,在简化的基础上,根据牛顿运动定律建立各部分的力学模型,然后再根据各部件之间的相互约束关系,联立各模型,得到整个系统的模型3。图2EPS动态模型对转向盘和输入轴受力分析,这里考虑了转向盘的转动惯量,并且把输入轴
7、的黏性阻尼考虑在内,可以得到如下运动方程:Jsd2sdt2+Bsdsdt=Th-Tsen(1)式(1)中,Js为转向盘输入轴的转动惯量,Bs为输入轴的黏性阻尼系数,s为输入轴的旋转角,Th为作用在转向盘上的转向转矩,Tsen为转矩传感器信号。由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形,扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角度成正比,即有:Tsen=Ks(s-e)(2)式(2)中,Ks为扭杆的刚性系数,e为输出轴的旋转角。系统采用永磁式直流电动机,电动机的端电压U与电感L、电枢电阻R、反电动势常数Kb、转速dmdt、电流I和时间t之间的关系为:U=LdIdt+RI+Kbdmdt(3)电动机产生的电磁转
8、矩为:Tm=KaI,其中Ka为电动机的转矩系数。对电动机机械部分受力分析,可以得到:Jmd2mdt2+Bmdmdt=Tm-Ta(4)式(4)中,Jm为电动机和离合器的转动惯量,Bm为电动机黏性阻尼系数,m为电动机的转角,Tm电动机电磁转矩,Ta为电动机输出转矩。在实际的控制系统中,电动机助力转矩Ta可以表示为:Ta=Km(m-Ge),其中Km为电动机的减速机构的输出轴刚性系数。对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析,得到运动学方程:Jed2edt2+Bededt=Tsen+GTa-Tw(5)式(5)中,Je为输出轴的转动惯量,Be为输出轴的阻尼系数,G为蜗轮 蜗杆减速机构的减速比,Tw为作用
9、在输出轴上的反作用转矩。对齿条和小齿轮进行动力学建模,可以得到:mrd2xrdt2+brdxrdt=Twrp-FTR(6)式(6)中,mr为齿条及小齿轮的等效质量,br为齿条的阻尼系数,xr为齿条的位移,rp为小齿轮半径,FTR为轮胎转向阻力及回正力矩等作用于齿条上的轴向力。转向阻力FTR主要受转向时车轮与地面的摩擦、回正力矩及转向系统中各种摩擦力和力矩的影响,同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向盘的转速等有关。对于常规助力控制过程该模型的简化对控制策略的影响不大,这里给出简化的计算公式:FTR=krxr+F(7)45第4期胡春花:汽车电动助力转向系统的设计式(7)中,kr为等效弹簧的
10、弹性系数,F为路面的随机信号,其中e=xrrp。联立上面所建的动力学方程,可以得到:Jsd2sdt2+Bsdsdt+Kss=Th+Ksxrrp(8)Jmd2mdt2+Bmdmdt+Kmm=Tm+GKmxrrp(9)Mrd2xrdt2+Brdxrdt+Krxr=GKmrpm+Ksrps-Fd(10)式(10)中,Mr=mr+Jerp2为减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量,Br=br+Berp2为减速机构、小齿轮 和 齿 条 等 的 当 量 阻 尼 系 数,Kr=kr+Ks+G2Kmrp2为小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数。根据上述动力学方程建立系统的状态方程:dxdt=Ax+Buy=Cx+
11、D u其中状态变量为:x=sdsdtxrdxrdt mdmdtT控制输入量为:u=ThTmFdT输出量为:y=TaTsen mdmdtxrTA=010000-KsJs-BsJsKsJsrp000000100KsMrrp0-KrMrrp2-BrMrKmGMrrp000000100KmGJmrp0-KmJm-BmJmB=0001Js00000001Mr00001Jm0C=Ks0-Krrp00000-KmGrp0Km0000010000001001000D=000000000000000该模型主要有3个输入:转向盘转矩Th、电动机电磁转矩Tm和路面的随机阻力F,系统的输出主要包括转矩传感器信号Tse
12、n、实际助力大小Ta、电动机转角m和速度dmdt、齿条位移xr。3EPS电机控制策略及系统仿真本设计中电动机转矩采用电流控制策略。电子控制单元根据输入的转向盘转矩信号和车速信号,按照预先设定的助力特性曲线,确定电动机的目标电流IT,同时将电流传感器采集到的电动机转子电流IF反馈到电子控制单元,电子控制单元采用PID控制算法,使目标电流IT和反馈电流IF的误差为零。同时,为了能够精确地提供所需的助力力矩,为驾驶员提供操纵的轻便型和保证高速行驶时操纵的稳定性,EPS系统必须对因电动机的摩擦和惯量而引起的转向过程中的路感消失、回正迟缓和延迟、方向盘振荡、转向不灵敏等问题进行相应的各个参数的补偿控制,
13、其控制策略框图如图3所示4-5。由图3可知,电动机目标电流为基本助力电流、摩擦补偿电流、阻尼补偿电流、回正补偿、惯性补偿电流的代数和。电动机目标电流经过PI D调整及最大电动机电流控制后,输出电动机控制信号。55常州工学院学报2009年图3EPS控制策略框图 图4、图5分别为汽车在原地转向和车速为10km/h的工况下,以1rad/s的速度转动方向盘所得到的仿真图。在原地转向工况下,机械式转向器的最大转矩为2116Nm,采用EPS的转向器最大转矩为714Nm,为机械式的34%;在车速为10km/h时,机械式转向器的最大转矩为1113Nm,采用EPS的转向器最大转 矩为516Nm,为机械式的48%
14、。可以看出采用EPS的转向系统,转向轻便性得到很好的提高,其助力增益随着车速的提高不断降低。图4 汽车原地转向工况图图5 车速为10 km/h时转向工况图 图6为汽车静止时,对方向盘作用的大小分别为10Nm和5Nm的力阶跃输入得到的电动机电流响应图。图6 阶跃响应图从图6可以看出,电动机反应迅速,工作稳定,符合助力特性要求。图7为模拟转向盘转向力矩的曲线图,图8为对应于该过程相应的电流响应图。从图8可以看出采用电流控制策略,电动机电流响应有较好的跟踪性能6。图7 模拟转向盘转向力矩的曲线图4 结论1)根据电动助力转向系统的结构及工作原理,采用合理的控制策略,建立电动助力转向系统模型。65第4期
15、胡春花:汽车电动助力转向系统的设计图8 相应的电流变化曲线图2)该电动助力转向系统模型比目前的传统模型更为准确、简便、实用。3)用此模型进行仿真计算,仿真结果可以为电动助力转向系统的优化设计、优化控制、系统调试等方面提供参考和论证。参考文献1陈奎元,马小平,季学武.电动助力转向系统控制技术的研究J.江苏大学学报:自然科学版,2004(1):22-24.2胡春花.电动助力转向系统中电动机功率驱动的设计 J.制造业自动化,2008,29(11):110-113.3施国标,申荣卫,林逸.电动助力转向系统的建模与仿真技术J.吉林大学学报:工学版,2007,37(1):31-36.4施国标.电动助力转向
16、特性仿真与控制策略研究D.长春:吉林大学,2002:47-50.5王元聪.汽车电动助力式转向系统(EPS)控制策略研究 J.交通与计算机,2005(6):75-78.6何仁,徐建平.电动助力转向系统稳定性分析 J.江苏大学学报:自然科学版,2004,25(1):294-297.责任编辑:张秀兰(上接第45页)前向逼近法的思路是:一种不等间隔分段的思路,从测量起点以小步距向前试探,直到满足段内误差达到最大规定值,则以前一点为分段点,并开始下一段试探。同样精度下分段数明显小于后向逼近法。本实验采用后向逼近法。3)对所有分段点进行线性拟合得到直线斜率Kz:Kz=ni=1ViDi-n V Dni=1D
17、i2-D2(5)4)根据式(3)计算Rn并保存各参数,供检测求值使用。212.2 检测求值根据传感器的真实输出查找属于哪一段,然后查表得到Kn、Dn、Rn,并根据式(4)计算输出传感器的理想输出R。3 结束语在单自由度磁悬浮球系统中,运用本文的软件补偿法对电涡流位移传感器的特性曲线进行了线性补偿。使磁悬浮球能够在更大的范围内稳定悬浮。实践表明:此方法效果良好。参考文献1丛华.磁悬浮轴承电涡流传感器研究与实现D.北京:清华大学,1999.2朱 秋,徐龙祥,刘正勋.单自由度磁轴承数字控制器的研究J.电气传动,1999,29(3):23-25.3曾学明.磁轴承电控系统研究D.南京:南京航空航天大学,2002.4冯兴华,周贻洁.智能化仪表传感器非线性校正的实现 J.华东工业大学学报,1995(4):89-94.5姚俊武.测试技术中线性化处理的方法 J.计量与测试技术,2001(6):9-10.责任编辑:张秀兰75