轴助力式汽车电动助力转向系统的研究与开发

华中科技大学硕士学位论文轴助力式汽车电动助力转向系统的研究与开发姓名：关勇刚申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：唐小琦20050429摘要汽车电动助力转向系统（EPS）是近年来发展起来的一种新型转向系统，该系统是由电子控制单元根据传感器采集到的信号来控制电机的运转，从而实现助力转向的功能，EPS除了具备液压动力转向器的转向轻便等优点之外，它还具有转向平稳、节能、环保等一系列特点，因此，EPS取代液压动力转向系统势在必然。然而，当前国内在EPS的研究和产业化方面还比较落后，没有形成具有自主知识产权的EPS产品。因此，开展对EPS的研发工作具有重要的理论和实际意义。本文的主要工作有：1）分析了EPS的总体构成，对EPS的各个部件作了详细的介绍，并在此基础上分析了EPS的受力情况，建立了控制系统模型，并研究了EPS的安全性能；2）讨论了EPS的三种控制方式，提出了控制策略，并讨论了其中三个关键模块的作用：预估模块包括对电机转速和方向盘角速度的预估，助力控制模块以及回正模块；3）用B样条插值方法进行EPS助力曲线的设计，可按照用户的要求设计任意形状的助力曲线，以满足不同车型和不同用户的要求；4）研究了控制系统的硬件结构，以MC68HC908MR8为核心设计了控制器，详细讨论了控制器的控制电路、驱动电路等；设计了控制系统的软件，给出了控制程序流程图，并对要点进行了详细的说明。实验结果表明，本文提出的EPS的设计方案能满足EPS的各种工况要求，具有良好的产业化前景。昀后，对全文工作进行总结，并提出了诸多尚待讨论的问题，为今后的工作确定了目标。关键词：汽车电动助力转向控制策略IAbstractElectricpowersteeringsystem（EPS）isanewdevelopingdirectionofpowersteeringsysteminautomotive.TheprincipleofEPSistheassistantmotorworksaccordingtothemeasuredtorqueandvehiclesignals.Sothatpowersteeringcanberealized.BesidesEPShasthelightsteeringtorquelikeHydraulicPowerSteering(HPS)system,ithasmanyothercharacteristicssuchassteeringplacidly,lowenergyconsuming,environmentprotectingandsoon.ThereforeitisacertaintendencythatEPSbeinginsteadofHPS.But,atpresent,theR&DofthedomesticEPSisbehindhand,andalltheEPSusedinvehicleshasnoindependentknowledgepropertyright.ThereforeitisveryimportantinacademicandpracticalsignificanceinR&DofEPS.Themaincontentofthisthesisisasfollows:1）ThestructuresofEPSareanalyzed.ThemaincomponentsofEPSareintroducedindetail.ThenthedistributedtorqueinEPSisanalyzedandthecontrolsystemmodelissetup.2）ThreecontrolmodesarediscussedandthecontrolstrategyofEPSisstudiedindetail.Threeprincipalmodulesinthecontrolstrategyarediscussed—thepredictedmodulewhichpredictsmotorrotationalspeedandsteeringrotationalspeed,thepower-assistantmoduleandthereturncontrolmodule.3）TheassistanttorquecurvesofthemotoraredesignedbyusingtheB-spline,sothatanykindofcustom-builtassistanttorquecurvescanbedesignedaccordingtodifferentkindsofautomobiles.4）ThehardwareframeofEPSisstudied.Thedevelopedcontrollerbasedon8-bitMCUMC68HC908MR8isintroducedandmanyrelatedcircuitunitsaredesigned,includingthecontrolcircuit,thedrivercontrolcircuitandsoon.Thesoftwarestructureisdiscussed,thenthesteeringcontrolprogramflowchartisgiven.TheresultsoftheexperimentshowthatthedevelopedEPScontrolcansatisfymostdrivingsituationsandhasniceproductionforeground.Finally,asummaryofworksinvolvedinthethesisisgivenandsomeproblemsforthefuturearediscussed,whichformstheobjectivesforfutureresearchandworks.Keywords:AutomobileElectricPowerSteeringControlstrategyII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1绪论1.1EPS概述汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是通过转向轮相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。汽车技术和电子技术的不断革新与进步使得汽车转向系统经历了从液压助力转向、电控液压助力转向到如今的电动助力转向的发展历程。1.1.1几种助力转向系统的比较汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为了缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在方向盘小角度时以“灵”为主，在方向盘大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在方向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能解决这一矛盾[1]。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统（HPS：HydraulicPowerSteeringSystem）以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自20世纪50年代以来，在各国汽车上得到普遍应用。但传统的HPS需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，据报道，HPS所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约3％[2][8]。随着电子技术的发展，电子控制式机械——液压动力转向系统（ECPS：ElectronicallyControlledPowerSteeringSystem）应运而生，该系统在燃油消耗量方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向系统的固有缺陷。HPS和ECPS在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此协调转向力与操纵“路感”的关系困难，低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时助力往往过大[3][4]。电动助力转向系统(EPS：ElectricPowerSteeringSystem)，是继液压动力转向系统后产生的一种动力转向系统。EPS由电机提供助力，助力大小由控制单元ECU实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。与目前汽车上较多采用的HPS相比，EPS具有节省能源、易于装车等诸多优点，1因而引起了各国汽车界的重视，有代替液压动力转向系统的趋势。与HPS相比，EPS有如下优点[5][8][12]：1）能耗降低。EPS无液压装置，是“按需型”系统，即只有转向时系统才工作，消耗较少的能量。因而与液压动力系统相比，在各种行驶工况下均可节能80%～90%。2）轻量化显著。液压动力系统因有液压缸、油泵、转阀、液压管道等部件，使系统结构复杂，零件数目多，占用空间大，布置不方便。EPS则表现出了明显的优势，系统结构紧凑，质量减轻，无油渗漏问题，系统易于布置等。并且能降低噪声。3）优化助力控制特性。液压助力的增减有一定的滞后性，反应敏感性较差，随动性不够。EPS由于采用电子控制，可以使转向系统的转向性能得到优化，增加随动性。EPS能在各种行驶工况下提供昀佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。4）系统安全保护。当EPS出现故障时，可立即切断电机与减速传动机构的动力传送，迅速转入人工——机械转向状态。由于直接由电机提供助力，电机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。5）EPS没有液压回路，比HPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。6）EPS能有效节约能源。据Delphi公司称，1995年传统的HPS系统在全世界占其所销售的汽车75%，也就是3700万辆汽车要消耗4000万升液压油。如果EPS全面进入市场，效益很可观。同时由于燃油量的减少，可以降低对环境的污染，有利于环保。7）EPS比HPS具有更好的低温工作性能。1.1.2EPS的性能分析1）转向轻便性EPS的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，高速行驶时的操纵稳定性。如图1-1是Alto的原地转向曲线，EPS为转向柱助力式，前轴负荷为4kN，电机昀大电流为20A。由图可知，装有EPS后，原地转向的扭矩下降40%[6]。2图1-1原地转向曲线2）操纵稳定性由于电机具有弹簧阻尼的效果，EPS能减小不平路面对方向盘的冲击力和车轮不平衡质量引起的振动。另外EPS能提高停车泊位时的助力跟随特性，这是因为电机的起动时扭矩昀大，然后逐渐降低。这一特性非常符合汽车从静止到运动这一过程的转向力变化[20]。当受到外界横向力作用而发生自动转向等不稳定现象时，转向系统应该具有使车辆在较短的时间内迅速地回复正常行驶状态的能力。装有EPS的车辆在方向盘的中间位置对电机采取了阻尼控制，该控制不仅对于汽车的抗干扰性起到了相当良好的效果，而且