转向助力

转向助力（精选十篇）

转向助力 篇1

汽车工业发展至今,对汽车主动安全性和使用经济性、环保等方面提出越来越高的要求。传统的液压动力转向系统已经广泛应用于多数车辆上,液压动力转向可以很好满足车辆转向快捷、轻便等方面的要求,但其自身弱点也日益显现。电动助力转向系统因其有效解决了车辆在操纵稳定性方面的问题,具有兼顾低速转向轻便性和高速增强转向路感的优点,同时有利节能、环保,因而成为汽车电子控制的研究方向之一。

1、EPS系统的结构组成和工作原理

1.转向盘2.上端转向柱3.扭感和传感器4.减速机构5.转向轮6.下端转向柱7.电磁离合器8.助力电动机9.控制器10.齿轮齿条转向器

电动助力转向系统最初的发展概念是应用于前轴荷1吨的车辆上,目的在于改善转向的路感、提高高速行驶安全,同时改善车辆燃油经济性。电动助力转向系统的结构如图1-1所示。

当传感器检测到驾驶员有转向意图时,将信号提供给控制器,控制器通过各种算法,给出一个控制信号(一般为电流)到电机,电机通过机械结构输出一个辅助的转向力矩,辅助驾驶者控制车辆转向。

2、电动助力转向系统的动力学模型

汽车转向系统是由多个惯性元件和弹簧、阻尼组成的。通过简化,可以得到转向盘和上端转向柱、助力电动机、下端转向柱、齿轮齿条和左、右转向轮等六个电动助力转向系统的动力学元件,如图2-1所示。

将各动力学元件列成动力学微分方程:转向盘和上转向柱:

式中,θc转向盘输入转角;Jc向盘转动惯量;Bc为上;Kc为上转向柱的扭转刚度;Td向盘输入力矩;θe转向柱转角;Je转向柱转动惯量;Be转向柱的阻尼系数;Ke为下转向柱的扭转刚度;θm为助力电机转角;Jm力电机转动惯量;Bm助力电机阻尼系数;Km力电机轴扭转刚度;xr条移动量;rp为小齿轮分度圆半径;Mr为齿条质量;Br为齿条阻尼系数;Kr为齿条刚度;Fδ条端作用力;A为转向器端至前轮的力臂传动比;θFW车轮转角;JFW轮绕主销的转动惯量;BFW为前轮绕主销的阻尼系数;KFW为前轮绕主销的转动刚度;MZ为前轮回正力矩。另外,前轮方程为单侧车轮的方程,左前轮、右前轮各满足一个前轮方程。将方程2-1至2-5连立,就为EPS动力学模型方程组。

3、电动助力转向系统的助力特性曲线

电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式,图3-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见,特性曲线都有三个区域,当0≤Td

a.直线形助力特性在助力变化区域中,转向盘输入力矩与助力力矩按线形变化规律。其函数表达为:

式中,Ta为电动机助力力矩;K(v)为斜率函数,是速度的函数;Td为转向盘输入力矩;Td0为电动机开始提供助力时的转向盘输入力矩,即电动助力转向系统开始作用时的输入力矩;Tdmax为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。

b.折线形助力特性在助力变化区域中,特性曲线呈分段线形变化。以图示中的两段折线为例,函数表达为:

式中,K1(v)和K2(v)分别为两段直线的斜率函数,仍然是速度的函数;Td1是斜率由K1,变为K2时的转向盘输入力矩。

c.曲线形助力特性在助力变化区域中,助力力矩和转向盘输入力矩呈非线形变化,函数表达为:

比较三种助力特性曲线:直线形确定简单、便于控制系统设计,调整也简便。缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化,但对于输入的高、低区域却不能区别对应,输出为线性、路感单一,故无法很好协调路感和轻便性的关系;非线性曲线在感应速度的同时,每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化,是十分理想的特性曲线,但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特性信息,故确定和调整都不容易;折线形的优、缺点则介于二者之间。

由上述曲线可以看出,直线型助力特性的特点是斜率越大转向盘力矩越小,即所用来转向的力越小,转向越省力,因此我们选择直线型助力。

4、EPS的仿真分析

对建立的EPS的动力学模型,采用直线型助理特性,用已知某样车的carsim的整车模型与simulink进行链接进行仿真,模型的结构如图4-1所示。

助力特性的确定需要根据理想转向盘力矩值,最终应满足低速时的轻便性和高速时增加“路感”的目的,为此,我们分别进行了原地助力转向仿真(零助力),车辆速度为30 km/h时的转向仿真(加助力)和车辆速度为70 km/h的转向仿真(加助力),仿真结果如图4-1所示。

根据仿真结果,不加助力时,原地转向最沉重;加助力时,转向盘转矩大大减少,转向轻便性提高;当车速提高,转向盘上的转矩相应增加,说明车速提高后,驾驶员获得了较强的路感。

5、结论

本文介绍了电动助力转向系统(EPS)的系统组成和工作原理,通过建立EPS动力学模型,基于simulink为平台结合carsim整车模型对直线型助力特性进行仿真分析,结果表明所设计的助力特性可以满足车辆对路感的要求,对EPS产品开发有一定指导意义。

参考文献

[1]汽车工程手册(设计篇).北京:人民交通出版社,2001.

[2]刘晓青.现代汽车转向系统的发展趋势[J].上海汽车,2004年11期.

[3]施国标、林逸、张昕.动力转向技术及其发展[J].农业机械学报,2006年10月.

汽车助力转向新概念分析 篇2

汽车助力转向新概念分析

摘要：介绍的是一种电子气压汽车助力转向系统,主要用于大排量汽车的助力转向,克服了原有的`助力转向的一些不足,而且动力足、环保、工作安全、维护检修较容易.作 者：薛程颢    赵亚楠    郑晓光    叶辛  作者单位：中国地质大学,湖北,武汉,430074 期 刊：现代商贸工业   Journal：MODERN BUSINESS TRADE INDUSTRY 年，卷(期)：2010, 22(2) 分类号：X734.2 关键词：步进电机    传感器    气压系统   

POLO转向助力不起作用 篇3

故障排除：维修人员首先起动发动机并保持怠速运转，发现组合仪表上的转向系统故障警告灯K92亮起，表明该系统存在故障。连接车辆诊断仪VAS5051B．对转向系统控制单元进行故障查询，诊断仪屏幕上显示车辆系统无法进入。这就意味着控制单元不能进行故障查询，可能的故障原因是控制单元没有供电及接地或控制单元本身损坏。

该车转向助力控制单元集成在电动泵中，电动泵的安装位置在车辆左前方。根据电路图(图1)，控制单元的供电来自2条线路。条线路是：蓄电池上方的熔丝S164(50A)通过转向助力控制单元上的插接器T2ba／1给控制单元供电；另一条线路是：点火开关15号线—熔丝SB7(5A)—插头T11b／6—插接器T4av／4—控制单元供电。此外，熔丝SB7还给曲轴箱加热装置供电。

维修人员检查蓄电池上方的熔丝S164，正常。然后拆下仪表板左侧盖板，拔下熔丝SB7，发现该熔丝已烧断，据此初步分析转向助力控制单元不能使用车辆诊断仪检测的原因是熔丝SB7熔断。而使熔丝熔断的原因包括：熔丝7b针脚连接的线束对地短路、转向助力控制单元对地短路以及曲轴箱加热电阻对地短路。接下来，测量熔丝7b针脚的对地电阻为0.1Ω，表明熔丝烧断的原因不是由于线路中瞬间电流过大所致，因此不能轻易更换熔丝，要检查线路，找出熔丝熔断的原因。

维修人员拔下转向助力控制单元的T4av／4插接，此时测量熔丝7b针脚对地的电阻还是0.1Ω，说明转向助力泵没有故障。拔下曲轴箱加热装置(图2)的插接器，再次测量7b针脚对地电阻为∞，说明熔丝烧断的原因是由于曲轴箱加热电阻对地短路。于是，维修人员拔下曲轴箱加热装置的插接器，换上熔丝SB7，插上助力泵上的T4av／4插头，使用车辆诊断仪检测转向助力控制单元，控制单元可以检测且显示没有故障。

故障排除：更换曲轴箱加热装置，故障彻底排除。

转向助力 篇4

轮迹调整在悬架开发过程中是重要的一环。其首要目标是优化车辆的操控性,因为底盘系统中,车轮前束角负责车辆制动时的方向稳定性以及车辆转向的精准度等。连杆和控制臂等悬架部件则确保量产车辆精确保持在底盘开发过程中所设定的车轮定位角。

通常情况下,车辆轮迹一旦设定,便不可再调整,而采埃孚底盘工程师却突破了这一传统的底盘设计概念。他们测试了车辆在行驶过程中动态调整轮迹对车辆操控性的影响,并在此基础上开发了一款可调节长度的连杆机构,将其安装于主动式后轮转向系统的中部。车辆行驶时,电子控制单元会发出指令,通过机电执行机构调整车辆车轮的定位值。其优势在于能够在车辆行驶过程中,通过调整车辆车轮定位值来实现车辆转向。此款后轮转向的最大转向角度可达3度,于前轮的转向角度相比虽然似乎不足为道,但在后轮转向的辅助下,车辆的整体转向性能将得以大幅提升。与前轮转向相互作用,对车辆的操控性产生了非常明显的积极影响,这正是AKC系统的研发目标。AKC系统秉持按需供力原则,以高效能的方式运行。依据客户要求和可用的安装空间,有两种版本可供选择。其一是执行机构位于后桥中部,也称“中部执行机构”系统,其二是两个后轮各有一个执行机构,如在保时捷911 Turbo和911 GT3车型中的应用。

“该技术可有效运用于几乎所有驾驶工况。”采埃孚乘用车底盘技术事业部研发总监、底盘系统业务负责人Peter Holdmann博士说,“当车辆低速于狭小区域过弯时,AKC系统使后轮的转动方向与前轮方向相反,以增大车辆转向角度。这样一来,转弯半径将减小10%,从而使车辆更易于操纵。当车辆高速行驶时,也就是说,车速至少在60公里/小时以上,该系统可使后轮的转动方向与前轮方向保持一致,从而提高车辆稳定性和操控性。”

转向助力 篇5

【关键词】电动助力转向系统;动力;电动机;车速信号

0.引言

汽车转向系统作为汽车主动安全性的关键总成 ,其性能好坏直接影响着车辆运行时的安全性和操纵稳定性。随着现代汽车技术的迅猛发展 ,汽车转向机构也由开始简单的纯机械机构发展到后来机械液压助力转向（ Hydraulic Power Steering ,简称HPS ）和电控液压助动力转向（EHPS） 机构 ,以及目前的电动助力转向 （Electric Power Steering） ,简称 EPS 机构。

1.汽车电动助力转向系统的国内外发展概况

自1953年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，HPS给汽车带来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统(简称EHPS）。1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。在国外，EPS已进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品，而我国动力转向系统目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，EPS的研究开发处于起步阶段。

2.电动助力转向机构的应用

2.1 EPS的结构及原理

2.1.1 结构

EPS即电动助力转向系统。EPS系统一般由机械转向系统加上转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、减速器、电动机等组成，它在传统机械转向系统的基础上，根据方向盘上的转矩信号和汽车的行驶车速信号，利用电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助动力，协助驾驶员进行转向操作。长期以来，汽车的动力转向系统普遍采用的是液压助力转向系统，可以说，经过了十几年的发展，液压转向技术相对要成熟许多，但是，从整个转向系统的发展趋势看，随着人们对汽车环保、节能和安全性要求的进一步提高，EPS电子助力转向以其诸多绝对的技术优势取代液压助力转向是早晚的事情。基于目前的技术发展水平，有关专家乐观估计，EPS要完全取代液压助力转向系统大约需要3～5年。

2.1.2 EPS的工作原理

其基本工作原理是：当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电动机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制。

2.2 EPS的关键部件

2.2.1扭矩传感器

扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方向，它是EPS的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPS能否占领市场的关键因素。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接触式（主要是电位计式）传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度的测量。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性能要求综合考虑。

2.2.2 电动机

电动机根据ECU的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，無刷永磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点。电机是EPS的关键部件之一，对EPS的性能有很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。

2.2.3 电磁离合器

电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用，当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域。

2.2.4 减速机构

减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。

2.3 EPS的电流控制

EPS的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输出Th和和车速传感器的输出V由助力特性确定电动机的目标电流Imo，然后电流控制器控制电动机的电流Im,使电动机输出目标助力矩，因此EPS的控制要解决两个问题：（1）确定助力特性；（2）跟踪该助力特性。整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策，下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。

2.3.1 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。

步骤如下：

(1)输入由车速传感器测得的车速信号。

(2)输人由转向盘转矩传感器测得的转向盘力矩大小和方向。

(3)根据车速和转向盘力矩，由助力特性得到电动机目标电流。

3.结论

EPS当前已经较多应用在排量在1.3-1.6L的各类轻型轿车上，其性能已经得到广泛的认可。随着直流电机性能的提高和42V电源在汽车组件上的应用，其应用范围将进一步扩宽，并逐渐向微型车、轻型车和中型车扩展。目前，在全世界汽车行业中，EPS系统每年正以9％-10％的增长速度发展，年增长量达130万-150万套。据TRW公司预测，到2010年全世界生产的轿车中每3辆就有1辆装备EPS，到2010年，全球EPS产量将达到2500万套。低排放汽车(LEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车( FCEV)、电动汽车( EV) 四大“EV” 汽车将构成未来汽车发展的主体, 因此，EPS将具有十分广阔的发展和应用前景。■

【参考文献】

［１］邹长庚.现代汽车电子控制系统构造原理与故障诊断.北京理工大学出版社,2002.

［２］林逸，施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技，2001,62.

［３］葛安林.车辆自动变速理论与设计.机械工业出版社.

［４］张钟光.汽车EPS动力学模型分析及控制系统设计[J].青岛大学学报，2003,9.

［５］刘照,杨家军,廖道训.基于混合灵敏度方法的电动助力转向系统控制[J].中国机械工程 ,2003,5:87428761.

电动助力转向试验台开发 篇6

1 EPS试验台的组成和工作原理

图1为EPS试验台的基本机构框图。EPS试验台工作原理:伺服电机模拟驾驶员转动转向盘,从而带动齿条压缩弹簧,通过弹簧形变向转向系统施加转向阻力。转向阻力的大小通过安装在加载装置两端触点处的压力传感器测量,转向盘转矩由和转向轴刚性连接的转矩传感器测量,转向盘转角和循环球式转向器摇臂摆角分别由安装在转向轴和摇臂端的光电编码器测出。在测试EPS系统的同时,试验台的测控系统会测量并记录各种传感器的信号,用于EPS系统的性能和特性分析[3]。

2 EPS试验台硬件系统设计

EPS试验台主要由转向盘驱动系统、转向阻力模拟系统及试验台测控系统组成,试验台能够对不同类型的电动助力转向系统进行测试[4]。

2.1 转向盘驱动系统

转向盘驱动装置分为手动和自动两种模式。手动模式为人工操纵转向盘转动进行测试。自动模式为由驱动电机带动转向盘转动,它由伺服电机、减速机、同步带及带轮等组成。

2.2 转向阻力模拟系统

在实际汽车转向过程中,转向盘会受到来自地面的转向阻力,它受路面摩擦系数、前桥载荷、车速等因素的影响。转向试验台通过在转向器的摇臂端加载弹簧的形变向转向机构提供模拟阻力。

2.3 转向试验台测控系统

转向试验台测控系统的作用是在测试时,控制伺服电机模拟驾驶员的转向盘输入,然后通过数据采集卡,实时采集试验台上各种传感器的信号,如:转向盘转角、转向盘转矩、转向阻力、摇臂摆角、助力电机电流和助力电机电压等信号,显示在计算机上,并保存下来供分析用。图2为EPS试验台的测控系统框图。

3 EPS试验台软件系统设计

EPS试验台运用虚拟仪器概念,把伺服控制和数据采集等技术集合在计算机系统上,有效地提高测控系统的效率和精度[5]、[6]。

3.1 EPS试验台软件系统的工作原理

EPS试验台软件系统采用多线程并行处理方法。当测试模式为自动模式时(伺服电机模拟驾驶员输入),需要把伺服电机和转向盘连接起来,然后选择驾驶员操作模式,设置转向位置参数和速度参数(可根据试验的内容设置转向的幅度、驱动速度、加速度、加速模式等),PCI-1240电机控制卡能根据操作人员选择的模拟驾驶模式和参数,向电机驱动器发出相应的脉冲信号,驱动伺服电机转动[7]。同时,PCI-1712数据采集卡接收安装在台架上传感器传来的各种数据信号,计算机根据其与实际值对应的关系,实时转换成实际的数据量,动态地显示在模拟示波器上。整个过程中PCI-1240电机控制卡和PCI-1712数据采集卡的工作是同步进行的[8]。

在测试过程中,系统能自动把各种测量值和伺服电机的运动轨迹以数据形式保存下来,方便日后研究EPS的性能分析。同时,系统具备错误检测功能,能在产生错误时显示出错误代码,方便工作人员进行维修。在摇臂轴两端的极限位置设置限位开关,防止伺服电机转向过度,从而造成机件损坏。在摇臂的中间位置设有中位开关,方便转向盘回正操作。这些都通过软件功能实现。图3为测控系统的工作流程图。

3.2 EPS试验台软件系统的组成

EPS试验台软件系统具有数据采集、数据处理、数据显示、电机控制、安全保护等功能。软件系统采用模块化的设计方法,主要由界面通信模块、综合控制模块、数据采集模块、电机控制模块和转向回正模块组成,如图4所示。

4 EPS试验台测试

如图5所示,为EPS试验台软件操作系统界面。其中,本案采用正弦自动模式对EPS性能测试,一共分为4组不同振幅的正弦运动。

5 结束语

(1)设计开发了EPS试验台。试验台由软、硬件两部分组成,采用模块化设计。其中软件系统采用了虚拟仪器技术,把伺服控制和数据采集集合在计算机上,有效地提高测控系统的效率和精度。

(2)EPS试验台的试验结果证明了试验台的精度和响应速度指标达到要求。工程师可在实车试验前,通过EPS试验台获得某些基本参数和算法,减少实车试验投入,缩短开发时间。

参考文献

[1]林逸,施国标.汽车电动助力转向系统的发展现状与趋势[J].公路交通科技,2001,18(3):79-82,87.

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[3]施国标,林逸,陈万忠,等.汽车电动助力转向试验台测试系统开发[J].测控技术,2005,24(3):23-25.

[4]林逸,施国标,邹常丰,等.电动助力转向系统转向性能的客观评价[J].农业机械学报,2003,34(4):4-7.

[5]张宇河,董宁.计算机控制系统[M].北京:北京理工大学出版社,2002.

[6]杨乐平,李海涛,杨磊.Lab VIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[7]PCI-1712/1732User's manual[Z].Advantech Inc,2003.

电动助力转向系统设计论述 篇7

随着微电子技术在汽车领域的广泛应用, 可与汽车智能系统充分衔接的电动助力转向系统成为汽车助力转向装置的发展方向, 由于基于微处理器的数字系统具有信号传输及处理的确定性和接口的通用性, 在汽车电子控制方面, 已经充分体现了它的优势, 这是模拟系统无法达到的。目前, 以32位处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心是嵌入式技术发展的必然趋势。在汽车电子技术领域, 从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统等, 都离不开嵌入式技术的支持。为此, 本文采用ARM7 S3C44B0X单片机作为电动助力转向的主控单元, 以实现EPS系统的高速, 精确及稳定控制.

2 EPS系统结构及工作原理

电动助力转向系统 (EPS) 是由电子控制单元 (ECU) , 扭矩传感器, 助力电机, 机械减速机构等组成.其工作原理为:在检测到汽车点火信号有效后, 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU, ECU根据扭矩转角信号、车速信号、汽车轴重负载信号进行分析和计算, 确定助力电机的运转方向及工作电流, 从而实现助力转向控制。

3 EPS控制器的设计

3.1 转矩信号采集电路设计简介

输入控制器的转矩信号幅值为0-5V, S3C44B0X的A/D转换器的输入电压范围为0-2.5V, 故对转矩信号除了一般的滤波处理外, 还需对其进行分压处理。其电路原理如上图所示。此采样滤波电路为二阶低通有源滤波电路, 阻值相同的R1R2先将输入的转矩信号分压, 幅值变为原来的一半, 然后与C1构成一阶低通滤波电路, R3与C2构成第二级一阶低通滤波, 运放则作为一个电压跟随器来使用。

3.2 电动机电流信号采集电路简介

由于助力电动机提供左右两个方向的助力, 电动机的助力电流也就有正负之分。电机的反馈电流采用霍尔电流传感器采集。霍尔传感器输出的是电流信号 (0-50mA) , 而系统接收的是电压信号, 故需在传感器的输出引脚上接一个约100Ω的电阻, 将输入的信号转换为-5V-5V的电压信号, 然后经过电压变换电路, 使其转换为对应的0-2.5V的电压信号, 最后经滤波电路送到ARM芯片的A/D端口。

3.3 电机驱动控制实现

本文采用IR2110构成电机的驱动电路, 由图可见用两片IR2110可以驱动一个逆变全桥电路, 它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离, 使驱动电路极其简化。IR2110本身不能产生负偏压。由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负偏压电路, 以左半部为例, 其工作过程如下:VDO上电后通过R1给C1充电, 并在VW1的钳位下形成+5.1V电压, 当IR2110的脚1 (LO) 输出为高电平时, 下管有 (VDO-5.1) V的驱动电压, 同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个-5.1V的偏压;下管开通同时脚1 (LO) 输出高电平通过Rg2, R2开通MOSFET让C3进行充电;当IR2110的脚7 (HO) 输出为高电平时, 由C3放电提供上管开通电流, 同时给C2充电并由VW2钳位+5.1V, 下管关断时Vc2即形成负偏压。为了只用IR2110的保护功能, 把脚11 (SD) 端接地。

3.4 车速信号采集电路简介

车速信号是从车速里程表引出的, 输出为单极性的脉冲信号, 电压在9.5V以上。本文采用脉冲发生器来模拟车速信号, 输入到单片机。单片机所能处理的信号高电压在2.5V左右, 所以车速信号的通道设计主要是完成信号的电平匹配设计, 电路设计中采用的是光电耦合器的电平匹配方式。

4 EPS的软件设计

(1) A/D转换程序。A/D转换单元主要完成扭矩信号采集、蓄电池电压监测、电机工作电流监测等主要任务。在A/D转换开始之前要对10位A/D转换器CMOS ADC进行初始化设置, 包括转换采样通道选择, 时钟源的选择、参考电压的选择等。A/D转换主要有两步:采样和转换。首先须设置A/D的数据寄存器和控制寄存器, 通过控制寄存器的设置来选择AIN1位ADC的输入通道。

(2) 根据预先建立的EPS数学模型计算出控制电机转速的目标电压值, 单片机输出相对应的PWM信号, 这个波形信号用以控制功率驱动电路, 实现电动机转速的控制, 从而实现助力。

5 结语

在一定的时间范围内, 转动转向盘, 助力电机的电流、转向阻力矩以及施加在转向盘上的力矩通过多功能数据采集系统送入ARM7 S3C44B0X单片机。通过A/D转换程序和PWM控制程序, 实现助力转向控制。可见电动助力转向系统 (EPS, Electric Power Steering) 将成为汽车助力转向装置的发展方向。

参考文献

[1]Masahiko Noguchi.Trends and Future Prospects Regarding Steering System Technology[J].Koyo Engineering Journal, 2001, 159:37-41.

[2]何玮, 刘昭度, 杨其校等.汽车嵌入式SoC系统的应用与发展[J].电子技术应用, 2005:31 (7) 51-54.

[3]华容茂, 杨家树, 吴雪芬, 等.电路与模拟电子技术[M].北京:中国电力出版社, 2002:207-228.

转向助力 篇8

前轮主动转向系统能够对前轮施加一个不依赖驾驶员转向盘输入的附加转角, 从而提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持能力[1-2], 并且通过变传动比控制和主动转向干预控制, 使汽车获得较理想的转向特性, 大大改善了汽车的操纵稳定性[3-4], 这是当前转向系统发展的一个主要趋势。电动助力转向系统直接依靠电机提供辅助转矩的动力转向系统, 通过助力控制、阻尼控制及回正控制, 使汽车的转向路感和转向轻便性完美结合[5-7]。当驾驶员转动转向盘时, 控制器可根据转矩传感器测得的信号调节助力大小, 解决汽车操纵时轻便性和灵敏性的矛盾。

但是, 传统的主动转向系统仍使用液压系统为转向提供助力, 存在工艺复杂、能量消耗大、对密封要求严格、维护繁琐等问题。而现有的电动助力转向系统无法通过变传动比来提高汽车的操纵稳定性[8]。因此, 设计一种新型主动前轮转向系统, 以力与位移耦合控制的形式同时实现主动前轮转向和助力转向功能, 将具有良好的应用前景及技术发展潜力。

由于转向系统中存在模型不确定性、路面干扰、传感器噪声等因素, 传统控制方法很难确保驾驶员获得良好的转向路感并保证车辆的稳定性与安全性。PID控制虽然使用较为广泛, 但是在控制非线性的复杂过程时效果不佳;H2控制在一定程度上弥补了PID控制的不足, 提高了系统动态响应性能, 但没有考虑系统的鲁棒稳定性[9-11];标准H∞控制虽然考虑了系统的鲁棒性能, 但动态响应性能不佳。因此, 有必要研究一种新型的主动转向路感控制方法, 使新型主动转向系统具有较好的鲁棒性能和鲁棒稳定性, 有效抑制路面随机激励、转矩传感器量测等引起的各种干扰和噪声, 并保证驾驶员获得更为满意的转向路感。

LQG最优控制是现代控制理论的重要组成部分。LQG控制器本身具有很强的鲁棒性和一定的稳定裕度, 相比H∞控制, 它能够有效抑制传感器噪声和路面激励造成的干扰, 并且具有较好的系统性能, 此外, LQG性能指标能较好反映工程品质, 物理意义清楚, 因此LQG最优设计被工程界广泛采用。本文重点围绕新型主动转向系统的路感控制策略进行了研究分析和仿真验证, 采用LQG控制方法设计了新型主动转向系统控制器, 从而有效地抑制路面随机信号和传感器噪声所引起的干扰, 提高了转向路感。

1 新型主动转向系统动力学模型

新型主动转向系统结构如图1所示。在新型主动转向系统中, 行星齿轮机构具有两个自由度, 当转向盘转动时, 转向扭杆带动行星轮、太阳轮旋转, 控制器根据传感器传来的转向盘转角、转矩以及车速等信号, 控制转向电机带动行星齿轮齿圈旋转, 从而在转向盘输入的基础上叠加了一个附加转角, 实现变传动比功能;同时, 控制器控制助力电机, 通过涡轮蜗杆传动机构提供转向助力, 实现电动助力转向功能。

新型主动转向系统通过变传动比改善转向操纵性能并实现对车辆稳定性的主动控制, 在低速时减小转向系统传动比, 减小转向盘所需转角, 以降低驾驶员的工作强度;在高速时增大传动比, 使转向不过于灵敏, 以降低驾驶员的工作压力, 并且在紧急情况下主动修正驾驶员输入的转向角, 提高了车辆的稳定性[12]。

分别对新型主动转向系统的输入轴、转向电机、助力电机和输出轴进行动力学分析, 得到如下系统动力学方程:

式中, Js为输入轴转动惯量;Bs为输入轴黏性阻尼系数;θs为输入轴转角;Th为转向盘转矩;Ks1为扭杆刚性系数;θP为转向伺服电机定子转角;Jp1为定子转动惯量;Bp为黏性阻尼;Ts转向伺服电机所产生的电磁转矩;θw为转向伺服电机转子转角;Jp2为转子转动惯量;Ks2为扭杆刚性系数;xr为齿条的位移;rp为小齿轮半径;Tm助力电机电磁转矩;G为涡轮 — 蜗杆减速机构的减速比;Km为助力电机和减速机构的输出刚性系数;Jm为助力电机转动惯量;Bm为电机阻尼系数;θm为助力电机转角;Fδ为路面的随机信号;Mr为减速机构、小齿轮和齿条等的当量质量;Br为减速机构、小齿轮和齿条等的当量阻尼系数;Kr为小齿轮、齿条和轮胎的等效弹簧的弹性系数;Tsen1为输入轴的反作用转矩;Ta为助力电机输出转矩。

2 LQG最优控制理论

考虑系统随机输入噪声与随机测量噪声的线性二次型最优控制称为线性二次型高斯控制, 即LQG控制。

给定系统的状态方程与量测方程分别为

其中, x (t) 为n维状态向量, u (t) 为p维控制向量, y (t) 为q维量测向量, A为n×n阶常数矩阵, B为n×p阶常数矩阵, G为n×p阶常数矩阵, C为m×n阶常数矩阵, D为q×p阶常数矩阵。假定w (t) 为随机噪声干扰输入, 是零均值的p维白噪声过程;v (t) 为随机量测噪声, 是零均值的q维白噪声过程。w (t) 与v (t) 过程均平稳且互不相关。系统的性能指标为

式中, E () 为数学期望;Q、R分别为对状态变量和输入变量的加权矩阵。

根据LQG问题的分离原理, LQG最优控制可以描述为两个方面问题的综合, 即二次型调节器问题和最优估计器问题[13]。

分别求解两个独立的代数Riccati方程:

式中, P、P0分别为上述两个Riccati方程的正定对称解;Q0为模型噪声的协方差矩阵;R0为测量噪声的协方差矩阵。

可以得到最优状态反馈控制矩阵式与最优估计器:

式 (5) 中L为Kalman滤波器增益, 且

分别计算LQG最优控制与最优估计, 然后将这两个问题的解综合在一起, 就得到LQG控制的最优解。LQG控制器模型如图2所示, 其中, r为驾驶员转矩输入。

3 新型主动转向系统LQG控制策略

3.1 新型主动转向系统LQG控制模型

在建立新型主动转向系统的模型时, 需考虑模型本身的误差及不确定性, 以及来自路面激励和传感器噪声的干扰。

为了使驾驶员获得良好的转向路感, 并有效抑制各种干扰及噪声, 设计转向路感控制状态方程如下:

3.2 新型主动转向系统LQG控制器

新型主动转向系统部分参数如表1所示。

在设计LQG最优控制器时, 加权矩阵Q、R的选择关系到闭环系统的动态响应性能, 不同的加权矩阵Q和R对新型主动转向系统的助力力矩与驾驶员所获得的转向路感有着不同的影响。在选择Q、R时遵循以下原则[14]:1 如果想提高控制的快速响应特性, 则可增大Q中相应元素的权重;2 如果想有效地抑制控制能量的幅值及其引起的能量消耗, 则可提高R中相应元素的权重;3Q、R的选择是相互制约的。

利用MATLAB鲁棒控制工具箱的函数lqr () 可求得最优反馈增益矩阵Kc。然后利用函数lqe () 求解Kalman滤波器状态估计增益矩阵L。最后利用函数reg () 来求解LQG最优控制器。选取路面随机干扰方差为1×10-4N2·m2, 传感器噪声方差为1×10-5N2·m2, 通过多次的仿真调试后, 确定合适的加权矩阵Q、R为

4 新型主动转向系统仿真分析

为验证LQG控制的效果和可行性, 利用MATLAB/Simulink对LQG控制及H∞控制时的新型主动转向系统进行了仿真试验。

通过研究新型主动转向系统对路面干扰和传感器噪声的响应, 来分析系统对干扰噪声的抑制效果。图3所示为LQG和H∞控制下路面随机信号对助力力矩的脉冲响应。从图3可以看出:在H∞控制下的转向系统响应幅值大, 而且稳定时间长, 表明系统在受到路面随机干扰时会对助力力矩产生较大影响;在LQG控制下, 新型主动转向系统在受到路面随机干扰时助力力矩所受到的扰动很小, 并可以快速收敛, 系统动态性能较好, 表明在LQG控制下的新型主动转向系统能较好地抑制路面随机干扰, 具有很好的鲁棒性。

图4所示为LQG控制下与H∞控制下传感器噪声对助力力矩的阶跃响应, 从图4可以看出, 在LQG控制下新型主动转向系统的助力力矩对于传感器噪声的扰动所产生的响应很小。与此相比, H∞控制下传感器噪声对助力力矩的阶跃响应超调量较大, 抑制效果不佳。这表明, LQG控制方法能较好地抑制传感器随机噪声对转向系统助力力矩的影响, 从而使驾驶员较好的获取路面信息, 优化转向路感。

如上所述, 通过应用LQG控制方法, 新型主动转向系统具有良好的鲁棒性, 驾驶员也能获取较好的路感。

5 结论

(1) 新型主动转向系统通过转向电机及双行星排机构控制系统的位移传递特性, 实现主动转向功能;通过助力电机及蜗轮蜗杆传动机构控制系统的力传递特性, 实现电动助力转向功能。通过对系统的力与位移耦合控制, 使系统同时实现电动助力转向和前轮主动转向。

(2) 考虑新型转向系统中可能存在的路面随机干扰与传感器噪声, 构建新型转向系统LQG控制模型, 设计了系统LQG控制策略。

电动助力转向系统性能仿真研究 篇9

1 EPS系统结构与原理

电动助力转向系统主要由电动机、减速机构、传感器、电控单元等部件组成[2]。当汽车转向时,速度传感器监测到的速度信号和扭矩传感器监测到的方向盘扭矩信号传递给电子控制单元ECU( Electronic Control Unit) ,ECU根据转矩的大小、方向和汽车状态参数对转向信息进行逻辑判断并根据助力特性曲线确定合适的助力矩,实施助力转向,从而帮助驾驶员克服转向阻力矩或者增加阻尼转矩,保证操作的轻便性和舒适性,提高转向的安全性。

注:1.方向盘;2.上转向柱;3.扭转传感器;4.减速机构;5.转向轮;6.下转向柱;7.电磁离合器;8.助力电机;9.控制器;10.齿轮齿条转器

2 EPS系统的动力学模型

电动助力转向是一种复杂的非线性系统[3]。为了研究方便,将复杂的非线性的电动助力转向系统简化为4 部分,可分为转向盘和上转向柱、下转向柱、齿轮齿条和电动机4 部分,分别列出各部分的动力学微分方程[4]

式中,Js,Bs,Ks,θs为转向盘以及上转向柱转动惯量,阻尼系数,扭转刚度和转角; Td为转向盘输入力矩; Je,Be,Ke,θe分别为下转向柱转动惯量,阻尼系数,扭转刚度和转角; Mr,Br,Kr,Xr分别为齿条质量、阻尼系数、刚度和移动量; Rp为小齿轮分度圆半径; Jm,Bm,Km,θm分别为电机转动惯量、阻尼系数、轴扭转刚度和转角;G为减速机构减速比; Tm为电磁转矩; Tas为助力电机助力矩。电动助力转向仿真模型如图2 所示。

3 EPS转向助力控制策略分析

EPS系统的控制模式大致可分为基本助力控制、回正控制和阻尼控制3 种[5]。目标电流的确定,也是控制器上层控制的确定。EPS的3 种控制模式综合后的电流就是目标电流。

3. 1 基本助力控制

基本助力控制是EPS系统中最基本的控制模式,其功能是汽车在低速或原地转向时,由于总摩擦力矩比较大,因此通过助力控制使电机输出扭矩帮助驾驶员降低转向难度的一种基本控制模式。该模式是ECU根据传感器采集到的信号进行逻辑判断,并根据车辆不同运动状态下电动机目标电流曲线,然后通过监测电动机输出的实际电流,根据设计的控制器来调整电动机实际输出的助力矩,帮助驾驶员降低转向难度,提高转向轻便性。

3. 2 回正控制

回正控制是为了使方向盘回到中间位置的一种控制模式。汽车在不同工况、路况下转向时,汽车的回正性能会随之降低,往往会产生回正不足或者回正过度的现象。当在汽车在低速工况下回正时,由于摩擦阻力矩大于回正力矩,从而导致方向盘不能回到中位,汽车将驶离原有的轨迹,这就是回正不足; 当车辆在高速的工况下回正时,总摩擦力矩较小,方向盘会越过中位,这种现象被称为回正过度,这是一种危险现象。因此,为了避免这两种危险的现象,汽车在转向时加入回正控制。其原理是: 当汽车出现回正不足时,电动机输出特定的助力增益帮助车轮回正; 当汽车出现回正过度时,电动机输出一个相反地力矩,防止车轮回正过度。从而使汽车获得稳定的转向特性[6]。

3. 3 阻尼控制

当汽车达到一定速度后转向或行驶在恶劣的路面工况下,会较易引起方向盘抖动。因此,阻尼控制为了抑制高速工况下的方向盘抖动和减轻不平路面所导致的方盘摆动现象。阻尼控制的原理是: 当电动机绕组发生短路时,电动机将会产生一个大小与其转速成正比的反向转矩[7,8]。

3. 4 助力电机电流控制

传统的PID控制中,无法根据环境的变化对控制参数做出相应的修改,不能完全满足随动系统的控制要求,所以导致控制效果不理想。而具有参数自整定功能的智能PID控制策略,利用模糊控制规则便可实现对PID参数的时时自我调整,模糊自适应PID控制器结合了模糊控制灵活、适应性强、PID控制精度高和易于实现的特点。因此,本文采用自适应模糊PID控制策略。控制器以误差和误差变化率作为输入,控制参数随着环境参数的变化而变化,利用模糊控制规则将PID参数调整到一个理想状态[9],其结构如图3所示。

( 1) 确定输入输出变量。本文将选取电机的目标电流和电机的实际电流差值E以及其的变化率Ec作为模糊控制器的输入变量,输出变量为控制电压;

( 2) 隶属度函数的确定。模糊运算中为了尽可能的实现良好的控制效果而又不使计算量过于复杂,控制器当中的电流误差量E、误差变化率Ec和PID控制参数Kp、Ki、Kd的论域{ PB PM PS ZO NS MN NB} 7 种模糊语言变量进行描述,分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。将误差E的论域设为[- 3 3],将误差变化Ec的论域也设为[- 3 3],将控制参数Kp的论域设为[- 0. 3 0. 3],控制参数Ki的论域设为[- 0. 6 0. 6],控制参数Kd的论域设为[- 3 3]。隶属度函数均采用三角形隶属函数;

( 3) 模糊控制规则,如表1 所示。

4 EPS仿真分析

基于Carsim汽车动力学仿真软件平台搭建整车模型,在Simulink中搭建EPS以及控制器模型取代Carsim中的转向系统模块,仿真如图6 所示。

图7 和图8 分别是低速和高速工况下方向盘回正,汽车在低速和没有EPS控制的情况下,方向盘回正较慢,转向轮难以回正到中位,出现了回正不足的现象; 高速时,方向盘越过中位。在加入EPS控制,低速情况下方向盘残余角明显变小,而且方向盘更快、更准地回到中位,消除了回正不足; 高速时,减弱了回正过度的现象。

汽车转向时的稳态横摆角速度增益反映了转向灵敏度[10],由图9 可知,加入EPS控制的系统在角阶跃为输入时,整车的横摆角速度能尽快平稳,同时抑制了方向盘的振荡,保证了转向时的路感,增加了行驶平稳性。

5 结束语

本文以Carsim的整车模型与EPS的Simulink模型联合仿真为基础,对EPS进行仿真分析,仿真结果显示,所建模型和设计的控制策略可有效提高驾驶员的驾驶舒适性、安全性和回正的性能。

参考文献

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[4]胡建军,卢娟,秦大同,等.电动助力转向系统的建模和仿真分析[J].重庆大学学报,2007,30(8):10-13.

[5]张昌华,王勇,邓楚南.汽车电动助力转向系统控制策略的探讨[J].武汉理工大学学报,2004,26(3):173-175.

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[7]裴学杰.电动助力转向系统助力特性研究[D].太原:中北大学,2014.

[8]王博.某乘用车电动助力转向系统控制策略的研究[D].长春:吉林大学,2009.

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电动助力转向系统标定工艺设计研究 篇10

器需与整车转向系统重新匹配, 即EPS标定。目前, 国内大部分汽车厂EPS工艺标定精度低, 稳定性差, 节拍长, 不能满足EPS使用性能和车间生产要求。本文设计了新的工艺方案, 设备采用总装车间四轮定位仪, 程序集成于定位程序中。

1 EPS工艺标定

扭矩传感器集成转矩和转角传感器, 其作用是测定转向盘与转向器之间的相对扭矩及方向信息, 并转化为电信号输送给ECU。扭矩传感器与转向机械系统的匹配度直接影响EPS性能及驾驶安全性[3]。

EPS出厂时会对转角传感器进行初始零点标定, 而整车的转向系统相对位置只有在汽车生产下线定位参数调整完成后才能最终确定 (图1) , 这时转角传感器与转向系统不匹配, 需对转角传感器重新进行零点标定, 即EPS标定。

2 原EPS标定工艺分析

2.1 工艺流程

车辆下线完成四轮定位调整后, 工人操作转向盘实现与车轮对正;外部设备X-431 (图2) 与车辆OBD接口连接, 建立通讯, 确认EPS的ECU状态, 最后完成STE零点位置标定。工艺设计程序如图3。

2.2 工艺缺点分析

(1) 工艺节拍长。电检设备X-431是线下及售后返修设备, 主要作用是整车故障检测, 功能繁杂、操作费时, 整个标定工序工时240 s, 不能满足总装车间120 s生产节拍的需求, 因此传统标定工艺方法不能满足生产要求。解决方案是增加操作工位和操作人员, 而采用这种方法会增加生产成本。

(2) 标定精度低。操作者手动摆正转向盘与车轮对正, 人为判断转向盘是否对中, 完全依赖于人的主观决策, 对中精度低, 影响EPS使用性能, 且不能保证产品的一致性。现将部分试验数据列出 (表1) , 并对数据进行方差分析, 得到数据的标准差为4.02°, 在0.01水平上差异显著, 说明原标定工艺方法标定STE值波动较大, 稳定性较差, 精度在±5°, 影响EPS性能。

3 新EPS标定工艺设计

3.1 标定工艺设计

标定工序排布在四轮定位调整工序中, EPS标定程序集成在定位调整主程序内, 标定结果存储于四轮定位仪的服务器内 (图4) 。总装车间四轮定位仪具有车辆自动对中功能, 其中转向盘平衡仪 (图5) 用于摆正汽车转向盘, 并带有OBDII线束, 可与车辆ECU通讯。

主要工艺流程:车辆自动对中、转向盘摆正, 测量并调整定位参数后转向系统位置确定, 开始进行STE标定 (图6、图7) 。

3.2 工艺优点分析

(1) 标定精度高。采用四轮定位仪定位的转向盘平衡仪摆正转向盘, 摆正侧向倾斜误差<1% (-1.5°�+0.15°) , 分辨率为0.1°, 定位程序再对转向盘摆正角度值修正, 进一步提高标定精度。利用平衡仪代替人工摆正转向盘与车轮, 一致性好, 解决了人为差异这个质量管理中最不好控制的因素, 有利于整车质量提高。现将部分试验数据列出 (表2) , 并对数据进行方差分析, 得到数据的标准差为0.15°, 在0.01水平上差异不显著, 说明新标定工艺方法STE值波动较小, 稳定性较好, 精度在±0.2°, 完全满足EPS使用性能。

(2) 提高工艺节拍, 降低生产成本。标定程序集成于四轮定位主程序中, 标定工序与大灯调节同时进行, 设备自动执行标定程序, 工时为15 s, 远小于大灯高度调节工时, 因此新EPS标定工艺不占生产工时, 提高工艺节拍, 降低生产成本。

(3) 标定结果存储于数据库可追溯, 有利于产品质量管理。标定结果与车辆VIN码关联, 存储到质量信息系统内, 确保追溯查询的准确性, 有利于生产过程控制。

将新标定工艺与原标定工艺进行对比 (表3) 可以看出, 新标定工艺精度由±5°提高到±0.2°, 一致性好, 不增加工时, 节约生产制造成本, 并且标定结果可存储于生产质量系统内, 提高整车生产过程控制能力, 为后续工艺改造提供有力参考。

参考文献

[1]王野.汽车电动助力转向 (EPS) 系统的研究与开发[D].哈尔滨理工大学, 2005.

[2]吴天明.汽车电动助力转向系统的工作原理及发展趋势[J].军民两用技术与产品, 2010, (10) :45-46.