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1、,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
2、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
3、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
4、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Uo0。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。各个极靴的磁通产生差
5、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
6、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)
7、 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
8、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
9、 = M m Km m , bm &m,图6 电动助力转向系统动态模型,d s s s, , ,Gx rs ,GKm rs,x rs ,Ks rs,Gx rs , ,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),M m = 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, Ka max),(0 K,x rs , ,Ka 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
10、。,(4),F TR = Kx+ Fr,K 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： M a = f(M d ,v),式中 Md转向盘转矩； v汽车速度。 在不同汽车速度下，MaMd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 F TR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。, ,Gx rs ,M a = GKm,m、x在实际的应用中不易
11、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,max,Ka = tekv,t、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
12、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：,=,H c(s)=,dd mrs2 + GK m(K aK s GK m) Ac(s)rs2, s Td,(9),d(s)= ms +bs +,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。,GKaKsKm rs2,dsG 2Km 2 rs2,dmKs 2 rs2,D(s)= dmdsdm ,ds(s)= J ss2 +bss + K s dm(s)= J ms2 +bms + Km,+ K,Ks +GKm rs2,2,式中：Ac(s
13、)= D(s)+(ds Ks),GJ sbmKm,mbsrs2(J sKm J mKs),+,KaKs GKm +,2 GKmJ s 2(J sbm + Jmbs),J m 2bmKs 2 2,GKm Ks,Ka K,max a,由赫尔维茨稳定判据可知：30，50。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：,表1,输入信号为Md，输出信号为Ma。根据式（1）式（5）
14、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
15、向最轻便。,（4）当转向盘转矩Md7（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（Md7N.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4KB ROM和,256KB RAM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
