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1、汽车电器与电子技术汽车电器与电子技术第第1010章汽车电动助力转向章汽车电动助力转向系统解析系统解析 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助力转向的产生背景一一.概述概述2.助力转向的概念助力转向的概念 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
2、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不大于大于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，转向结束时转向盘应可自动回正；驾驶员应有良好
3、的“路感路感”。 （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（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）助力性能优 （2）效率高 （3）
4、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）装配性好易于布置二二.电动助力转向系统结构及工作原理电动助力转向系统结构及工作原理图3 转矩传感器基本原理图转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。 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则有由V、W两端的电位
5、差Uo就可以知道转向盘杆的扭转角，从而便可以知道转向盘杆的转矩。扭杆式电位计转矩传感器基本原理2.1 电动助力转向系统结构电动助力转向系统结构 (1)转矩传感器：转矩传感器：(2)车速传感器车速传感器: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)电电动动机机: 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。 图4 电动机正反转控制电路a1端
6、得到输入信号时电动机有电流通过而正转 a2端得到输入信号时电动机有电流通过而反转 控制三极管基极电流信号触发端信号触发端(4)离合器：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) 减速机构
7、减速机构:减速机构是用来增大电动机的输出转矩。 (6) 电电子子控控制制单单元元（ECU）：EPS的电子控制单元通常是一个8位位单单片片机机系系统统，是由一个8位单片机，另加一一个个256字字节节的的RAM、4KRAM及及一一个个D/A转转换换器器组成。其工作过程是当转转矩矩信信号号和车车速速信信号号输入单片机后，单片机根据这些信号计算出最最优优化化助助力力转转矩矩，然后输出此值给D/A转转换换器器，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还具有安全保护和故障诊断功能。 如图2所示，不转向时不转向时，助力电动机不工作；当当方方
8、向向盘盘转转动动时时，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电动助力转向系统的工
9、作原理三三.电动助力转向系统的简单模型与运动特性电动助力转向系统的简单模型与运动特性图6 电动助力转向系统动态模型 转向轴： 依据牛顿运动定理，系统的运动方程为 齿条轴：电动机： 3.1电动助力转向系统动态模型的建立电动助力转向系统动态模型的建立 (1)(2)(3) 式中Mm为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机的机的给定定电流大小流大小。在本系统的计算中，Mm值由转矩传感器给出，可表示如下：转向助力增益。值定义了转向路感，合理选择Ka可得到不同的转向路感。 (4)3.2电动助力转向系统特性分析电动助力转向系统特性分析 (1) 转向阻力 的简化弹性系数； Fr路面对轮胎产生的随机扰动。在实际计算
10、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：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)在实际控制系统中，转向助力Ma如下式所示。 m、x在实际的应用中不易测得，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
11、值。 (7)(8) Ka随随车车速速v的的增增大大而而成成指指数数减减小小。增大Ka，相应地增加了电机提供的转向助力。因此，Ka描描述述了了驾驾驶驶员员的的转转向向路路感感。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：(9) 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。 式中：由赫尔维茨稳定判据可知：30，50。由这两个不等式可得
12、到：式（10）中后两项含有小参数Jm、rs，所以Ka可表示为由此式可以看出，助力增益Ka的取值只有满足式（11）时该系统才能稳定工作。 (10)(11)3.4助力特性图分析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： rs 6.67mm 18.33 117647 41.90 表1 输入信号为Md，输出信号为Ma。根据式（1）式（5）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：该助力特性图有如下特点：（1）随着Ka值的不同，得到
13、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
14、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。 四四.电动助力转向的控制方法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
15、些要求，制定EPS的控制策略。 助力控制助力控制 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检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩电机助力目标电流表”，确定出电机助力的目标电流，通过对反馈电流与电机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路以驱动电机产生合适的助力。回
16、正控制回正控制 回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个三极管均处于截止状态，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。 阻尼控制阻尼控制 阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性，为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。电机理想模型理想模型的基本方程为：（11）式中 u（t）、 分别为电机的端电压和电枢电流；（t）电机转速；Ra、 La分别为电机等效内阻和电感；KE电动势常数。 EPS系统中所用电机的电枢电
17、感很小，产生的感应电动势可忽略不计。若将电机两端短路，则有 因此，用一定占空比的PWM信号在电动机控制电路内部使电机短路，电机旋转产生的反电动势形成阻碍电机继续旋转的阻尼转矩，改变占空比，即改变了阻尼转矩的大小。（12）4.3 电动助力转向的控制逻辑电动助力转向的控制逻辑 图10 助力电动机控制逻辑 4.4 电动助力转向的控制流程电动助力转向的控制流程 图11 控制软件流程图五五.电动助力转向系统实例和检修电动助力转向系统实例和检修 5.1 富士重工电动助力转向系统富士重工电动助力转向系统 1) 系统的结构特点图12 控制系统的电路框图核心是一个有8k字节ROM和256字节RAM的8位单片机
18、10位 10位 2) 系统控制过程 系统控制过程一般包括助力转矩控制过程和安全功能有关的控制过程。 控制过程是：控制过程是：转矩和转向角信号经过A/DA/D转换器转换器后输入计算机，计算机根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩最优化的助力转矩。电子控制器将输出的数字量经D/A转换器转换为模拟量模拟量，再将其输入电流控制电路电流控制电路。电流控制电路把来自计算机的电流指令值同电机电流实际值进行比较，并产生一个差值信号差值信号。该差值信号被送到电机驱动电路，便向电动机提供控制电流并驱动动力装置。3）控制系统的功能 （1）控制助力转矩的功能 图13 全电子控制的助力转向系统助力转矩特性曲线 系统还
19、可根据转向转矩变化率、转向角速度和转向角进行控制，以改善瞬态转向灵敏度. 图14 控制功能框图该系统具有回正作用装置，可根据转角传感器输入的信号，产生回正作用力，使转向轮返回到中间位置。（2）自诊断和安全功能 当出现任何一种故障时，系统均可显示出相应的故障代码。系统有30多种故障检查项目，如果同时出现两个或多个故障时，系统可依次显示其故障代码。4. 全电子控制电动助力转向系统的特点全电子控制的动力助力转向系统的转转向向作作用用力力控控制制范范围围宽宽，并能根据驾驶条件设置最最优优化化的的转转向向作作用力特性用力特性，其特点主要是：（1）可以十分灵活地修改转矩、转向角和车速信号的软软件件控控制制
20、逻逻辑辑，并能自由地设置转向助力特性。（2）根据转向角进行回复控制和根据转向角速度进行阻尼控制，可提供最优化的转向返回特性最优化的转向返回特性。（3）由于仅当需要时电机才运行，所以动力损耗和燃料消耗均可降到最低动力损耗和燃料消耗均可降到最低。（4）利用电机惯性的质量阻尼效应可以使转向轴的颤动降到最小转向轴的颤动降到最小。5.2 三菱三菱“米尼卡米尼卡”车电子控制电动助力转向系统车电子控制电动助力转向系统 (ECPS) 1车速传感器 2速度表引出电缆的部位 3传动轴 4车速信号（主） 5车速宿号（副） 6ECPS电子控制器7副驾驶员脚下部位 8电动机 9扭杆 10齿条 11点火电源 12蕾电池
21、13发电信号 14指示灯电流15提高怠速电流 16电动机电流 17离合器电流 18转矩信号（主） 19转矩信号（副） 20离合器21电动机齿轮 22传动齿轮 23小齿轮 24点火开关 25熔断丝 26转矩传感器 27转向器齿轮总成28交流发电机（L端子） 29指示灯30怠速提高电阀 31发动机电子控制器 32电动机与离合器 图15 三菱“米尼卡”车ECPS的结构原理 图16 电子控制器电路示意图1点火开关（IGI） 2交流发电机（L端子） 3易熔线 4电动机与离合器 4.1电动机 4.2离合器5转矩传感器 5.1副传感器 5.2主传感器 6自我修正控制 7发电检测 8电源电路 9电流极性控制
22、10驱动电路 11中间、转向、操纵力的检测，主、副转矩传感器之差 128位单片机 13传感器、执行部件故障检测 14电动机工作检测 15车速、加减速基准车速的对比，主副车速传感器之差 16自诊断测用端子 17二极管 18车速传感器图17 ECPS的控制方框图a.在发动机已被起动时，交流发电机L端子的电压加到电子控制器上。当检测到发动机处于起动姿态时，动力转向系统转为工作状态。b.行车时 车速高于30km/h时，转换成普通的转向控制，离合器处于分离状态。 车速低于27km/h时，ECPS的电子控制器又输出离合器信号和电动机电流，普通转向控制又转换为动力转向的工作方式。 六六.电动助力转向系统性能
23、台架试验电动助力转向系统性能台架试验 进行电动助力转向系统性能台架试验的目的是求出在变负载条件下描述电动助力转向系统性能的主要特性曲线，即表征电机转矩（电流）、转向盘转矩和车速三者之间的关系曲线。在进行电动助力转向系统性能试验之前，需要对电机电流传感器、转矩传感器进行标定。6.1 电动助力转向系统性能试验台电动助力转向系统性能试验台 图17 电动助力转向系统性能试验台 试验对象:电机为直流永磁式的转向 轴助力式的EPS.额定功率180w，额定电压12v，额定电流30A，额定转矩1.1 Nm，额定转速1 200r/min，用蜗轮蜗杆减速器速比15：l。图18 控制器信号接口图1点火信号 2车速
24、3转矩传感器电源正 4未用 5故障指示灯 6离合器正 7发动机转速8转矩主信号 9转矩传感器电源负 10转矩故障判断 11离合器负 12故障码接口13电视正 14电视负 15电池正 16电池负 按接口定义，正确地接入有关信号，当控制器检测到发动机点火信号后，便进行自检，包括对转向盘转矩、车速、发动机转速以及蓄电池电压等信号进行检测。如果上述信号正常，控制程序开始运行，安全继电器及电磁离合器吸合，控制器进入工作状态。 当驾驶员转动转向盘时，转矩传感器将转向盘转矩信号送到控制器，控制器根据转矩、车速信号和反馈电流信号进行处理运算后，将控制信号输出到驱动单元，驱动电机产生合适的助力转矩，辅助驾驶员完
25、成转向操作。6.2 电机电流传感器的标定电机电流传感器的标定 图19 反馈精密电阻标定曲线 助助力力电电流流是表征电动助力转向系统助力特性的重要参数之一。被试电动助力转向系统的ECU，在其与电机电枢连接的回路中串联一精精密密电电阻阻，通过运放电路测量该电阻两端电压即得到参与控制计算的反馈电流值。该精密电阻R的标定曲线如图19所示，通过线性拟合可得该电阻的阻值约为4.5m。 6.3 转矩传感器输出特性转矩传感器输出特性 电动助力转向系统根据作用在转向盘上的转矩信号和车速信号控制电机产生相应的助力转矩，因此转矩传感器的输出特性（转向盘输入转矩Ts与输出电压U0的关系）对电动助力转向系统性能至关重要
26、，进行转矩传感器输出特性试验时，固定转向管柱下端，将转矩标定盘固定在转向盘上，左右连续加载和卸载，测得该系统转矩传感器输出电压与加载转矩Ts的关系。 图20 转矩传感器输出特性输出特性呈良好的线性关系6.4 电动助力转向系统助力特性电动助力转向系统助力特性 图21无助力状态下电动助力转向系统机械特性 转向和回正曲线不重合不重合是由于弹簧负载箱滑动端的运动摩擦及转向系内摩擦而造成的；左右两端的尖峰尖峰是齿条运动到极限位置极限位置时转向盘上仍施加转矩仍施加转矩而形成的。图22 不同车速下的转向助力特性曲线 有助力状态下的电动助力转向系统的主要性能，可用某一负载下不同车速va时的电机转矩Tm（或电流
27、I）随转向盘转矩Ts变化的曲线簇（助力特性曲线）来表示。在试验台上，为了便于进行性能的比较，试验取常用负载1000N，车速为080 km/h作为试验的条件。图10-25 零车速时的转向助力特性曲线图10-26 转向助力曲线斜率与车速关系 通过对该电动助力转向系统进行台架试验，得到如下结论： （l）相同车速下，电动助力转向系统助力值从死区至饱和点随转向盘转矩的增加基本呈线性增大线性增大。 （2）相同负载下，电动助力转向系统的助力曲线斜率随随车车速速的的增增大大而而减减小小，当车速超过80 km/h时，电机助力很小，且几乎不随车速而变化。 （3）电动助力转向系统转矩传感器以2.5V作为输出零点，左、右呈线性变化，转向盘转到左、右极限位置时，输出电压分别为1.1V和3.9V。 （4）为提高转向盘中间位置时的路路感感，电动助力转向系统设定转向盘转矩死区范围为1 Nm，即在此转矩范围内，电机不提供助力。思考题与习题1. 简述对助力转向系统的基本要求。2. 电动助力转向系统具有哪些特点?3. 试分析电动助力转向系统的工作原理。4. 简述电动助力转向系统的控制原理及控制策略。结束结束
