电动助力转向范文

电动助力转向范文（精选9篇）

电动助力转向 第1篇

关键词：电动助力转向系,比例-微分控制,仿真,车速感应型微分系数

0 前 言

电动助力转向系集环保、节能、安全、舒适为一体, 目前正越来越受到人们的关注。其控制方法基本可以分为3类:基于经典控制理论传递函数分析的PID控制法[1,2,3,4,5,6,7]、基于非精确模型分析和设计的H∞鲁棒控制法[8,9,10,11,12]和集成控制法[13,14,15]。

经典PD控制器结构简单、容易实现, 其比例控制环节能有效地解决转向轻便的问题, 微分环节能缓解转向盘摆振现象, 抑制路面高频干扰, 并能使转向更为灵敏。

笔者在EPS转向系简化模型基础之上, 通过分析PD控制参数对于EPS转向系的影响, 提出“车速感应型微分系数”。

1 EPS转向系动力学模型

本研究的EPS控制结构, 如图1所示。助力逻辑中的给定电流Iset采用PD控制, 利用PI控制器控制电机电压U, 并通过电机电流Im的反馈实现电流闭环控制。

将前轮和转向机构向转向轴当量简化, 可得EPS简化模型, 如图2所示。对其进行受力分析, 可得动力学方程为:

$J{}_{{\rm H}W}\stackrel{\cdot \cdot }{{\displaystyle \theta }}{}_{{\rm H}W}+B{}_{{\rm H}W}\dot{\theta }{}_{{\rm H}W}={\rm T}{}_{{\rm H}W}-{\rm T}{}_s(1)$

$J{}_R\stackrel{\cdot \cdot }{{\displaystyle \theta }}{}_R+B{}_R\dot{\theta }{}_R=G{}_1{\rm T}{}_m-{\rm T}{}_R-{\rm T}{}_s(2)$

Ts=KTB (θHW-θR) (3)

式中 JHW方向盘、输入轴部分当量转动惯量;JR前轮及转向机构当量转动惯量;BHW输入轴部分当量阻尼系数;BR前轮及转向机构部分当量阻尼系数;KTB扭矩传感器扭杆角刚度;G1助力蜗轮蜗杆减速比;θHW方向盘转角;θR前轮及转向机构部分当量后转角;THW方向盘输入力矩;Tm电机输出力矩;TR转向阻力矩;Ts扭矩传感器所得扭矩值。

本系统中电机为有刷直流电机, 忽略其电感和电机内摩擦转矩, 则有:

${\rm T}{}_m={\rm K}{}_a{\rm I}{}_m-J{}_m\stackrel{\cdot \cdot }{{\displaystyle \theta }}{}_m-B{}_m\dot{\theta }{}_m(4)$

${\rm I}{}_m=(U-{\rm K}{}_b\dot{\theta }{}_m)/R(5)$

θm=G1θR (6)

式中 U电机电压;Im电机电流;R电机电枢端电阻;Jm电机转动惯量;Bm电机阻尼系数;Ka电磁转矩系数;Kb反电势系数;θm电机转角。

本系统中给定电流通过PI控制器来产生电机电压, 并通过电机电流Im的反馈实现电流闭环控制, 则有:

U=Kp (Iset-Im) +∫KI (Iset-Im) dt (7)

式中 Kp机电流闭环PI控制增益系数;KI电机电流闭环PI控制积分系数。

给定电流与传感器扭矩值之间采用PD控制方式:

${\rm I}{}_{set}={\rm K}{}_{mp}{\rm T}{}_s+{\rm K}{}_{md}\dot{{\rm T}}{}_s(8)$

式中 Kmp助力电流增益系数, 即MAP图中对于某一车速下的斜率;Kmd助力电流微分系数。

为了研究不同控制参数对于EPS转向系的影响, 假设方向盘固定, 建立EPS转向系转向阻力矩到方向盘输入力矩的传递函数。将式 (1) ～式 (8) 进行拉氏变化, 并将θHW=0代入, 可得:

$G{}_{{\rm T}{}_R}^{{\rm T}{}_{{\rm H}W}}(s)=G{}_{{\rm T}{}_R}^{{\rm T}{}_{{\rm H}W}}(0)\frac{1+{\rm T}s}{B{}_{3}s{}^3+B{}_{2}s{}^2+B{}_{1}s+1}(9)$

其中, 助力系数[16]λ=1+G1KaKmp;扭矩微分影响系数α=G1KaKmd;稳态增益系数G${}_{{\rm T}{}_R}^{{\rm T}{}_{{\rm H}W}}$ (0) =1/λ;T= (R+KP) /KI;B3=A3/A0;B2=A2/A0;B1=A1/A0;A3= (JR+JmG${}_1^2$) (R+Kp) ;A2= (JR+JmG${}_1^2$) KI+G${}_1^2$KaKb+ (BR+BmG${}_1^2$) (R+Kp) +αKTBKP;A1= (BR+BmG${}_1^2$) KI+KTB (KPλ+R+αKI) ;A0=KIKTBλ。

式 (9) 表示在驾驶员把持住方向盘时, EPS转向系所受到的路面干扰与手力之间的关系, 即通常所说的“路感”。当转向系受到单位干扰时, 驾驶员所感受到的力矩即为稳态增益1/λ, 其余力矩由助力电机提供。显然助力系数λ表征了电机助力的情况, 其随着Kmp的增加而增加, 与Kmd无关。当不助力时λ=1, 地面干扰完全由驾驶员手力抵消, 这时路感最强。

2 车速感应型微分系数

为了进一步分析EPS转向系的特性, 这里假设电机电流闭环为理想状态, 即忽略电机电流的动态变化过程, 认为其即为给定电流:

Im=Iset (10)

在θHW=0前提下, 联立式 (1) ～式 (6) 及式 (8) 、式 (10) 可得:

$G{}_{{\rm T}{}_R}^{{\rm T}{}_{{\rm H}W}}´(s)=G{}_{{\rm T}{}_R}^{{\rm T}{}_{{\rm H}W}}(0)\cdot \frac{1}{{\rm T}{}_{pd2}s{}^2+{\rm T}{}_{pd1}s+1}(11)$

其中, EPS转向系固有频率$\omega {}_{pd}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{{\rm T}B}\lambda }{J{}_R+J{}_{m}G{}_1^2}}$;EPS转向系阻尼比$\zeta {}_{pd}=\frac{B{}_R+B{}_{m}G{}_1^2+{\rm K}{}_{{\rm T}B}\alpha }{2\sqrt{\lambda {\rm K}{}_{{\rm T}B}(J{}_R+J{}_{m}G{}_1^2)}}$;${\rm T}{}_{pd1}=\frac{2\zeta {}_{pd}}{\omega {}_{pd}}$;${\rm T}{}_{pd2}=\frac{1}{\omega {}_{pd}^2}$;稳态增益同式 (9) 。

式 (11) 更为清楚地表明了控制参数Kmp、Kmd与EPS转向系固有特性之间的关系。从中可以看到, EPS转向系固有频率和λ相关而和α无关, 即固有频率与Kmp相关而与Kmd无关, 固有频率随着Kmp的增加而变大;而阻尼比和两者均相关, 且两者作用相反。

目前PD助力控制普遍采用速度感应型Kmp来根据车速提供不同大小的助力, 而Kmd通常为一定值。因此, 当要求大助力, 即Kmp增加时, 系统固有频率增加, 而阻尼比却变小了。由控制理论[17]可知, 对一个2阶系统而言, 固有频率和系统的快速性相关, 而阻尼比则影响系统的稳定性。在这种情况下, 系统快速性提高, 但是稳定性却变差了。而当助力减小时, 情况正好相反。

为了使系统在不同助力情况下均有较好的快速性和稳定性, 本研究引入可变微分系数Kmd。由于Kmp与车速是相关的, 因此Kmd也应与车速相关, 这里称之为“车速感应型微分系数”。在低速时助力较大, 为了避免Kmp增加而引起转向系阻尼比的减小, 应适当增加Kmd, 而在高速时情况正好相反。简单的说就是Kmd与Kmp成正比关系, 其比例系数应由实际系统情况来决定。

3 仿真分析

本研究中的仿真计算在Matlab环境下进行, 其中, 转向系总传动比G2=20;扭矩传感器扭杆刚度KTB=100 Nm/rad;前轮向转向轴当量后的转动惯量JR=0.08 kgm2;前轮等效阻尼系数BR=0.3 Nms/rad;方向盘阻尼系数BHW=0.02 Nms/rad;方向盘转动惯量JHW=0.05 kgm2;电动机转动惯量Jm=0.005 kg/m2;电动机阻尼系数Bm=0.01 Nms/rad;电动机转矩系数Ka=0.02 Nm/A;电动机反电动势系数Kb=0.01 Vs/rad;电动机绕组电阻R=0.1Ω。

一般对于2阶系统而言, 阻尼比为0.707时, 超调量和调整时间均较小, 通常称其为最佳阻尼比。因此, 令$\zeta {}_{pd}=\frac{B{}_R+B{}_{m}G{}_1^2+{\rm K}{}_{{\rm T}B}\alpha }{2\sqrt{\lambda {\rm K}{}_{{\rm T}B}(J{}_R+J{}_{m}G{}_1^2)}}=0.707$, 当Kmp∈ (0, 5) 时, Kmd变化, 如图3 (a) 所示。车速与Kmd的关系正好相反, 其示意曲线, 如图3 (b) 所示, 实际系统中Kmd根据车速的不同分为多个助力区间, 车速和Kmd的关系呈台阶状下降。

为了考察引入速度型微分系数的作用, 这里取3个较具代表性的助力点, 即:低速时助力最大Kmp=5;中速时Kmp=2.5;高速时不助力Kmp=0。根据最佳阻尼比计算其微分值, 分别计算方向盘把持力矩在单位转向阻力矩阶跃输入下的响应曲线。其仿真结果, 如图4 (a) 所示。

为了比较车速型微分系数与固定微分系数的差异, 令固定微分系数为Kmp=5时的最佳阻尼比, 即Kmd=0.762。分别计算一组在Kmp=0和5时, 系统在单位阶跃输入下的瞬态响应。同样, 令固定微分系数为Kmp=0时的最佳阻尼比, 即Kmd=0.321, 再计算一组瞬态响应。其仿真结果, 如图4 (b) 所示。

比较图4 (a) 和图4 (b) 可以发现, 由于EPS转向系固有特性和控制参数Kmp和Kmd之间的关系, 固定微分系数很难在各个助力区段上使系统在快速性和稳定性上取得平衡。通过合理调整微分系数能很好解决这个问题, 使系统在各个助力区段上达到这样的平衡。

车速感应型微分系数同样适用于改善汽车的操纵稳定性。参考现有的研究成果, 建立方向盘转角与汽车横摆角速度之间的传递函数, 可以得到横摆角速度在方向盘单位角阶跃输入下的响应曲线, 其仿真结果, 如图5所示。

4 结束语

通过对EPS转向系固有特性的分析, 本研究提出了“车速感应型微分系数”策略。通过仿真分析可以看出, 引入车速感应型微分系数能通过有效调整转向系统阻尼比, 来达到改善由于助力变化而对系统快速性和稳定性的影响, 使系统在各个助力区间都能在快速性和稳定性上取得平衡。

考虑到电机采用给定电流闭环控制和电压控制在系统模型上的相似性, 车速感应型微分系数同样适用于电机采用电压控制的EPS系统。该控制策略通过调整EPS转向系固有特性, 使系统在快速性和稳定性上达到平衡, 并且也有助于改善汽车操纵稳定性。

电动助力转向 第2篇

基于DSP电动助力转向系统控制器设计

EPS系统可根据转向需要控制助力电机工作,降低能源消耗,提高转向特性及行驶安全性.采用32位定点DcsP芯片TMS320F2812为EPS的控制器,在进行控制器的硬件及软件设计的基础上,实现了数字PID控制策略.最后对所设计的`控制器进行了台架实验,实验结果表明,所设计控制器性能稳定,可满足助力转向系统的要求.

作 者：张成涛 ZHANG Cheng-tao 作者单位：广西工学院汽车工程系,广西,柳州,545006刊 名：广西工学院学报英文刊名：JOURNAL OF GUANGXI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：200920(3)分类号：U461.4关键词：电动助力转向 DSP 控制逻辑 PID PWM

电动助力转向 第3篇

【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 第4篇

关键词：电动,叉车,液压助力转向,电动助力转向

0 引 言

近年来,电动叉车在中国市场上随着交流技术的成熟和推广应用,主机厂越来越多的应用了交流变频控制技术和交流电机,交流电机的优点逐步得到客户认可,市场份额也逐年加大,特别是中高端客户在作业强度大、作业效率要求高的场合下,对交流电叉车的认可程度较高。交流电叉车包括以下两种类型:交流行走系统+直流油泵系统,简称半交流;另一种是交流行走系统+交流油泵系统,简称全交流。但是交流电的应用只局限于行走和油泵提升功能,对于叉车转向这一重要功能,交流电的应用基本上还处于零,中国市场上叉车普遍采用了液压助力转向,而未采用更为先进的电动助力转向(EPS)。

2000年左右,德国Jungheinrich公司在推出的前移式叉车产品上,率先装备了EPS系统。近10年来,随着叉车EPS电控、高效永磁电机或交流电机,大速比、小尺寸减速箱技术的成熟以及成本的下降,更多品种的电叉装备了EPS系统,如三支点、四支点平衡重式电叉、托盘堆垛车、托盘搬运车、拣选车、牵引车。在国际市场上,2007年以后欧洲和日本公司推出的新产品,70%以上装备EPS系统,而国内还处于研究初期,极少有国内公司生产装备EPS系统的电叉。现代叉车普遍采用电气动力转向(EPS)和电气液压动力转向(EHPS),这也是国际叉车发展趋势之一[1,2,3]。

本研究详细叙述电叉专用EPS系统的组成部分、原理、分类和系统集成应用经验。该EPS系统可广泛应用于前移式叉车、堆垛搬运车、三支点叉车等后驱后转车型,平衡重式叉车也有广泛应用。

1 电叉专用EPS系统组成部分

一个典型电叉专用EPS系统原理图如图1所示,它由转向信号输入、EPS控制器、转向电机+减速箱组成的执行机构、机械转向机构和转向轮等五大部分组成。这个EPS系统是独立安装的动力模块,可以轻松替代原有液压助力转向机构,易于安装和升级原有液压助力转向车型。

下面本研究简要介绍系统的各个模块:

(1) 转向电机。它是用于输出车辆所需的转向扭矩,一般使用PM(永磁)电机或交流电机(P=300 W～600 W)带一个高速比(i=30～55)的整体式减速箱以放大转向扭矩。一般说来,转向电机的选型要求为:免维护的交流电机或PM电机,要求效率高、扭矩大。减速箱和转向电机整体式轴向串联安装,以缩小安装尺寸,并提供电机位置的反馈信号用于电机整流和转向角度计算。

(2) 传感器。EPS系统可以接收转向机械部分的信号反馈,通常包括以下几个传感器:

①电位计的模拟信号输入或者Joystick信号;

②从多个编码器输入的两相(正交)脉冲;

③输入接近传感器,限位开关和类似开/关信号设备。

(3) 转向执行机构(机械部分)。这部分一般设计成为减速器轴伸处直接套小齿轮,带动大齿圈传动,或者使用更为简单的链轮链条传动系统。

(4) EPS电控,这里不做介绍。

(5) 转向轮,这里不做叙述,同液压助力转向系统中转向轮一样,没有任何区别。

2 电叉专用EPS控制原理

转向控制方式可以分为绝对位置控制、位置差控制、速度控制3种方式[4,5,6,7],这3种方式均可实现EPS控制。

(1) 绝对位置控制方式(如图2所示)。

在这种控制方式里,转向角度命令来自于Joystick手柄信号、其他类似模拟量输入或者数字角度传感器信号,这些命令信号均来自于叉车主控制器,EPS电控通过来源于转向机械机构或电机的位置反馈,动态地调整电机位置以维持所要求转向角度。为了使整个叉车系统电控集中管理,“转向机械位置”也可以通过CAN总线连接到主控制器上。

(2) 位置差控制方式(如图3所示)。在这种控制方式时,有以下公式:

P(转向请求位置)=P0(初始位置)+K输入转向速度

这里的输入转向速度可以通过转向传感器获得,K为固定系数(可通过计算转向圈数,获得具体数值),在这种模式下,EPS控制器可以动态地调整电机位置以维持转向角度请求。

这种EPS控制方法原理简单可靠、成本低、性能价格比高。

(3) 速度控制方式(如图4所示)。

这种控制方式基本原理同“位置差控制方式”,但是增加了通过CAN总线连接的叉车速度信号。这样,叉车速度信号与转向传感器信号一起参与了EPS运算,转向请求角度与车辆速度关联,这就大大增加了该种控制方式的精确性和安全性,特别对于高空作业车、人上位三向堆垛机、人上位拣选车等安全性要求较高的电动车辆,尤其需要这种控制方式;缺点是成本高、系统复杂。该典型EPS三维模型组件如图5所示。

3 电叉专用EPS系统设计关键转向反馈和初始化复位

在叉车用EPS系统中,转向反馈和初始化复位功能是两个重要的设计元素,绝大多数仓储设备和前移式叉车使用霍尔型接近开关来实现位置反馈,当钥匙开关打开时,进行初始化复位(以保证驱动轮的方向和车辆行走方向是一致的);而对于平衡重式叉车,初始化复位不可能实现,因此需要一个绝对位置传感器来实现相应的复位功能。

3.1 初始化复位

下面本研究通过举例说明原始位置偏左于垂直位置状态下,如何进行初始化复位,如图6所示。

上一次叉车关机时候,比如驱动轮方向偏左于垂直中心面,开机时EPS自检(检测接近开关信号是闭合还是断开),顺时针旋转直到探测到接近开关信号,并稍微过头一点;然后马上逆时针旋转,直到接近开关信号恰好断开为止,并加上适当的位置补偿(这个数值是固定的),这样驱动轮的方向就和垂直中心面是一致的了,反之亦然。这样保证车辆开机后,驱动轮始终处于直线行驶位置,避免了司机下车看轮胎位置的麻烦。

以上过程就是EPS自检中的“初始化复位”过程,可以精确定位上面公式里的P0(初始位置)。

3.2 转向反馈

在上述公式里“输入转向速度”这个参数是由转向传感器实现并提供的,但是一般系统应用时将转向传感器和扭矩反馈做在一起,统称为扭矩反馈器(TFD),如图7所示。可提供持续的、可变的反馈扭矩,靠近终点时反馈扭矩明显增大,以模拟驾驶员的手感,避免司机误操作。

4 结束语

随着仓储设备、前移式叉车、三支点叉车越来越广泛的应用,电动叉车上使用EPS助力转向将会越来越

普遍,并有逐步替代传统液压助力转向的趋势。EPS相对液压助力转向的优势如下:

(1) 取消了传统的全液压转向器,彻底解决了液压元件易渗漏、管路多、易老化、油温高、结构复杂等缺点。

(2) 使用扭矩传感器代替转向器,控制精确。司机可精确控制转向角度,这对于在狭小空间内作业的叉车尤为重要。

(3) 方向盘处转向力小,司机不易疲劳,可使用超小直径人机工程方向盘,易于整机布置。

(4) 装备EPS系统的电动叉车可实现液压助力转向无法实现的“开机初始化-自动复位”功能,避免司机下车看轮胎初始位置的麻烦,车辆安全性大大提高。

经样机试制结果表明,该EPS系统采用“位置差控制方式”,简单可靠,在浙江杭叉J系列前移式电动叉车上得到了批量应用,效果明显。经测试各项性能满足要求,方向盘处转向力小(仅为5～6 Nm),比传统液压助力转向(10～11 Nm)小45%～50%,并带有终点扭矩反馈(终点扭矩约为25 Nm),模拟了司机转向终点处手感,司机工作强度减弱,客户反映良好,该EPS系统有良好的市场前景,可推广应用到仓储设备、三支点、四支点平衡重式电动叉车上。

参考文献

[1]金志号.电动叉车的现状及发展趋势[J].工程机械,2004(10):37-38.

[2]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册:试验篇[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]陈幕忱,陆植.装卸搬运车辆:机械设计、制造及其自动化与应用[M].2版.北京:人民交通出版社,1999.

[4]张莉,张占仓.交流电动叉车技术与发展[J].工程机械与维修,2005(9):18.

[5]吴锋,杨志家,姚伟栋,等.电动助力转向系统控制策略的研究[J].汽车工程,2006,28(7):676-680.

[6]周平,刘峰,方凯.电动叉车电动转向系统控制器的设计[J].工程机械,2004(5):6.

电动助力转向仿真系统的构建 第5篇

汽车电动助力转向系统用电动机直接提供助力,助力大小由电控单元控制,具有较理想的转向轻便性和操纵稳定性。与传统液压动力转向相比,电动助力转向具有更好的燃油经济性、助力特性易于调整、结构紧凑、易于安装、有利于环保等优点。因此,电动助力转向代表未来动力转向技术的发展方向[1]。

在EPS控制系统的开发过程中,为了分析系统性能、设计和验证控制算法,建立一个准确的仿真系统是至关重要的。本文借助于车辆动力学仿真软件veDYNA来模拟汽车的转向阻力矩,将建立的EPS系统数学模型与veDYNA软件联合起来,构建了EPS仿真系统。利用该仿真系统对直线型助力特性曲线进行仿真分析,说明该仿真系统可以很方便地对各种路况和工况下的车辆转向进行仿真。

2 EPS系统结构和工作原理

图1是转向轴助力式EPS系统的结构图,系统主要由扭矩传感器、电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)、助力电机、减速机构、齿轮齿条转向器等组成。其工作原理是:方向盘转动时,扭矩传感器检测出方向盘转矩,ECU根据扭矩传感器信号和车速控制电机的旋转方向和助力大小,经减速机构施加在转向机构上,实现助力转向。

3 EPS系统数学模型

根据牛顿运动学定律,建立E P S系统的动力学方程如下[2]:

其中,Td:方向盘转矩,Ts:扭杆的形变力矩,扭矩传感器通过检测Ts来反映方向盘转矩Td,θs:方向盘转角,Js、Bs分别为等效到转向输入轴的转动惯量、阻尼系数,Ks:扭杆刚度系数,Ta:经减速机构放大后的助力矩,Tr:等效到转向器小齿轮轴的转向阻力矩,θp:小齿轮转角,Jp、Bp分别为等效到小齿轮轴的转动惯量、阻尼系数,Tm:电机轴上的电磁驱动力矩,n:助力机构的减速比,θm:电机转角,Jm、Bm分别为电机轴的转动惯量、阻尼系数,Kt:转矩系数,ia:电枢电流,La:电枢绕组的电感,Ra:电枢绕组的电阻,u:电枢两端的电压,Ke:反电势系数。

联合式(3)、(4)、(7),可得:

联合式(6)、(7),可得:

对式(1)、(2)、(5)、(8)、(9)依次进行拉氏变换,可得:

由式(10)可得:

由式(14)可得:

由式(13)可得:

4 转向阻力矩的模拟

汽车转向阻力矩Tr的影响因素有很多,包括车速、轮胎类型及气压、载荷、路面摩擦系数、前轮定位参数、转弯半径、转向角速度与角加速度等。为了较精确地模拟转向阻力矩,本文借助于车辆动力学仿真软件veDYNA。

veDYNA是德国TESIS公司基于Matlab/Simulink开发的车辆动力学仿真软件[3]。veDYNA软件计算的等效转向阻力矩Tr不仅包括轮胎与路面间作用力产生的转向阻力矩,还包括悬架和车轮惯性产生的转向阻力矩。通过参数设置,veDYNA软件可以很方便地模拟各种路况和工况下的转向阻力矩[4]。

5 EPS仿真系统的构建

将上文建立的EPS系统数学模型与ve DYNA软件联合起来,构建EPS仿真系统,方法是:将EPS系统的方向盘转角信号输出给veDYNA软件的转向模型,veDYNA软件计算出对应的转向阻力矩,输出给EPS系统。同时,veDYNA软件还可以给EPS系统提供车速信号等。图2是EPS基本助力控制的仿真系统。EPS基本助力控制的原理:EPS控制系统检测车速和扭矩信号,根据预先设定好的助力特性曲线计算出电机的目标电流ia*,然后控制电机使其电流ia跟踪ia*。因为电机的力矩与电流成正比,所以通过控制电机电流可以控制电机的输出力矩,实现助力转向。图2中,f(v,Ts)表示助力特性曲线、v是车速,C(s)是控制器,f(v,Ts)和C(s)构成了EPS的ECU模型。

仿真系统参数的获取:电机参数在选定电机后即可确定,转动惯量参数通过Pro/E和ADAMS软件建模求取,其它参数有些通过查阅图纸获取,有些通过试验和计算获取。

图2中,EPS仿真系统的输入是方向盘转矩,若要将EPS仿真系统的输入由方向盘转矩变成方向盘转角,可以在仿真系统中加入如下的驾驶员模型[4]:

式中,Td:方向盘转矩,Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数,θs*:方向盘转角的设定值,θs:实际的方向盘转角。

在图2的仿真系统中,若将助力机构的nTm与右边的转向系统断开,则可以对无助力时的转向系统进行仿真;若连接上,则可以对有EPS助力时的转向系统进行仿真。下文将利用图2的仿真系统对直线型助力特性曲线进行仿真分析,进而阐述该仿真系统的功能。

6 EPS助力特性曲线的仿真分析

6.1 助力特性曲线简述

助力特性曲线是指电机的助力矩(或电流)与方向盘转矩、车速的关系。理想的助力特性曲线不仅可以保持汽车低速行驶时转向轻便灵活,而且可以保持中高速行驶时的路感和操纵稳定性。在控制器设计前必须先确定助力特性曲线,以便在此基础上对系统性能进行综合设计。

EPS的助力特性曲线一般有3种:直线型、折线型和曲线型,由于直线型的形式简单,有利于控制系统设计,并且在实际中容易调整,因而被广泛采用。直线型助力特性曲线如图3所示。

由于该曲线是对称的,因此只对Td≥0时进行描述,图中助力特性曲线分成三个区,0Td

式中,ia*为电机的目标电流;iamax为电机的最大工作电流;Td为方向盘转矩;Td0为EPS开始助力时的方向盘转矩;Tdmax为EPS提供最大助力时的方向盘转矩;K(v)为助力特性曲线的助力比,随车速提升而减小[5]。

仿真采用的直线型助力特性曲线如图4所示,Td0取为1 Nm,Tdmax取为7Nm,K(v)随车速提升而减小。K(v)的设计分两种情况:车速为零和车速不为零。车速为零时,车辆原地转向的阻力矩达到最大值,此时的K(v)应足够大,以保证加入EPS助力控制后的方向盘转矩最大值不超过Tdmax。车速不为零时,通用汽车公司通过试验,给出了侧向加速度为0.3 g(或3 m/s2)时不同车速v下,驾驶员期望的方向盘转矩Td如表1所示[6]。因此,K(v)应随车速变化,使加入EPS助力控制后的方向盘转矩达到表1的期望值。

6.2 助力特性曲线的仿真分析

图2中的C(s)设计成PID控制器,来实现电流的跟踪控制,利用图2建立的EPS仿真系统,通过veDYNA软件的参数设置,对图4的助力特性曲线进行仿真分析。

(1) 车速为零(原地转向)

仿真设置如下:车速为零,方向盘转角输入为0.025 Hz的正弦信号且幅值为630 deg,路面摩擦系数分别为1、0.7和0.3。仿真结果如图5和图6所示,图5是无助力时方向盘转矩与转角的关系,图6是加入EPS助力控制后方向盘转矩与转角的关系。

对比图5和图6可知,EPS助力控制使原地转向的方向盘转矩大大减小,显著提高了转向轻便性。从图5和图6还可以看出,原地转向时,方向盘转矩随着转角的增大而增大、随路面摩擦系数的减小而减小,说明该仿真系统可以方便地模拟不同路面下的车辆转向。

(2) 车速不为零

仿真设置如下:路面摩擦系数为0.7,车速依次分别为:21 km/h、40 km/h、65 km/h、80 km/h、97 km/h、113 km/h,不同车速下,方向盘转角输入都为正弦信号,但频率和幅值有所不同。图7是加入EPS助力控制后,不同车速下,方向盘转矩与侧向加速度的关系。

从图7可以看出,针对固定的车速,方向盘转矩随侧向加速度的增大而增大。针对不同的车速,当侧向加速度为0.3g时,方向盘转矩与表1的期望值一致,并且随着车速的提升,方向盘转矩增加,说明车速低时转向轻便,车速高时有较强的转向路感。上述说明了该仿真系统可以方便地模拟不同车速下的车辆转向。

7 结束语

本文将建立的EPS系统数学模型与车辆动力学仿真软件veDYNA联合起来,构建了EPS仿真系统。利用该仿真系统对直线型助力特性曲线进行仿真分析,说明该仿真系统可以很方便地对各种路况和工况下的车辆转向进行仿真,可用于EPS系统性能分析以及控制算法验证。由于veDYNA软件可以对不同的车型进行参数配置,并且EPS系统数学模型的参数也是可以配置的,因此本文建立的EPS仿真系统具有一定的通用性。

参考文献

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[3]北京九州恒润科技有限公司.Tesis DYNAware——基于Matlab Simulink的车辆动力学实时仿真模型[J].CAD/CAM与制造业信息化.2004,(3):72-74.

[4]TESIS DYNAWARE.Vedyna example book[M].veDYNA,2004.

[5]施国标等.电动助力转向助力特性的若干问题[A].中国汽车工程学会2003学术年会论文集(下册)[C].北京:机械工业出版社,2003.714-718.

电动助力转向(EPS)技术研究 第6篇

1.1 电动助力转向系统简介

电动助力转向系统(Electric Power Steering,缩写EPS)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering缩写HPS)相比,EPS系统具有很多优点。电动助力转向系统是于20世纪80年代中期提出来的。该技术发展最快、应用较成熟的当属美国天合(TRW)转向系统和美国萨吉诺转向系统,而萨吉诺转向系统又代表着转向系统发展的前沿。电动助力转向系统(EPS)是未来转向系统的发展方向。该系统由电动助力电机直接提供转向助力,省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮,既节省能量,又保护了环境。另外,还具有调整简单、装配灵活以及在多种工作状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点,电动助力转向系统作为种新的转向技术,已经挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

电动助力转向系统符合现代汽车机电一体化的设计思想,该系统由转向传感装置、车速传感器、助力机械装置、提供转向助力电机及微电脑控制单元组成。该系统工作时,转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号,与车速传感器测得的车速信号一起,不断地输入微电脑控制单元,该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值,然后发出相应的指令给控制器,从而驱动电机,通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法,可任意改变电机的转矩大小,使传动机构获得所需的任意助力值。

1.2 电动助力转向系统的发展概况

EPS在日本最先获得实际应用,1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统,并装在其生产的汽车上。此后,电动助力转向技术得到迅速发展,其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司,美国的通用公司等,都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力,高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展,EPS技术日趋完善,并且其成本大幅度降低,其应用范围将越来越大。

1.3 电动助力转向的优点

(1) EPS能在各种行驶工况下提供最佳力,减小路面不平度所引起的对转向系的扰动,改善了汽车的转向特性。

(2) EPS只在转向时电动机才提供助力,相比液压动力转向系统可节约燃油3%～5%,因而燃油经济性有了很大的提高。

(3) EPS取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等,其零件比传统液压动力转向系大大减少,因而质量更轻,结构更紧凑,在安装位置选择方面也更为方便,并且可以降低噪声。

(4)液压助力转向的参数一经确定,转向系统的性能也随之确定,很难改正,而EPS可以通过改变和设置不同的程序,改变转向特性,装配自动化程度更高,能与不同的车型匹配,缩短生产和开发时间,提高了效率。

(5)由于EPS不存在渗漏问题,因而减少了对环境的污染。

(6)液压助力转向在低温下启动发动机之后,由于低温下油的粘度较大,使转向作用力较高,而EPS在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷,因而其低温运行状况好于液压助力转向。

2、电动助力转向系统的类型

根据助力电动机助力位置不同,可分为转向轴式电动助力转向系统,齿轮轴式电动助力转向系统及齿条轴式电动助力转向系统。

2.1 转向轴式电动助力转向系统(C-EPS:Column-EPS)

转向轴助力式EPS的电动机固定在转向轴的一侧,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向,如图1-1所示。

2.2 齿轮轴式电动助力转向系统(P-EPS:Pinion-EPS)

齿轮助力式EPS的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向,如图1-2所示。与转向轴助力式相比,可以提供较大的转向力,适用于中型车。其助力控制特性方面增加了难度。

2.3 齿条轴式电动助力转向系统(R-EPS:Rack-EPS)

齿条助力式EPS的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力,如图1-3所示。与转向器小齿轮助力式相比,齿条助力式可以提供更大的转向力,适用于大型车。对原有的转向传动机构有较大的改变。

3、电动式EPS的组成与工作原理

3.1 电动式EPS的组成

电动式EPS通常是在机械式转向系统的基础上加装转向转矩传感器、车速传感器、电子控制单元(ECU)、直流电机等装置构成.其组成如图1-4所示。

电动式EPS以直流电动机作为助力源,电子控制单元根据车速和转向参数控制电动机通电电流强度,调节加力电动机工作力矩,进而控制转向助力强度。

电动式EPS的助力作用受电脑控制,在低速转向时的助力作用最强,随着车速的升高助力作用逐渐减弱;当车速达到42～52KM/H时电脑停止向电动机供电,并使电磁离合器分离,转向变为完由驾驶员人力操纵。

由此看出,电动式EPS在低速转向时,可获得比较轻便的转向特性;而在高速转向时,则可获得完全的转向“路感”,具有优越的控制特性。

3.2 电动式EPS的主要元件布置与作用

(1)转向柱在转向柱上装有1个直流电机和转矩传感器,如图1-5所示。

转矩传感器的作用用于检测扭力杆的扭转,计算出施加于扭力杆上的转矩并转化成电信号,输出到EMPS ECU。由三个检测环,一个扭力杆和检测线圈、修正线圈组成,检测线圈和修正线圈与检测环不接触。当驾驶员向又或向左打方向盘时,转向柱扭力杆上的转矩使两个检测环之间产生相对位移。把转向的信号送给ECU。

(2)电动机其作用是根据EMPS ECU信号产生转向助力,EMPS ECU根据车速信号、发动机转速信号、方向盘扭转信号、温度信号分析判断后,通过控制电路控制电动机来实现转向助力。

(3)电磁离合器电动EPS多采用单片干式电磁离合器,其结构与工作原理与空调电磁离合器相似。当主动轮电磁线圈时,产生电磁力吸动从动轴上的压板压紧在主动轮上,靠摩擦力传递扭矩。电动式EPS电磁离合器线圈的电流和电动机电流同时受电脑控制,当车速达到45KM/H左右时即不需要转向助力。这时,电脑就停止电动机工作,并断幵电磁离合路线圈电流,使离合器处于分离状态,以免电动机较大的转动惯性影响系统工作。另外当系统发生故障致使电动机不能工作时,离合器也将自动分离,以利于进行人力转向。

(4)电子控制单元及其功能根据车速信号和发动机转速信号等不同传感器信号,驱动转向柱上的直流电机,提供转向助力。

3.3 电动动力转向系统控制及原理的分析

3.3.1 电动助力转向系统结构及其工作原理

电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样,但是基本原理是一致的。它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元ECU,电动机、电磁离合器以及减速机构构成,其机构示意如图1-6所示。

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,EPS系统控制框图如图1-7所示。

它主要由ECPS控制装置(ECU)、直流电动机及离合器、车速传感器、转向转矩传感器和转向机总成等组成。系统工作时,ECU根据车速变化控制电动机的工作电流,使其随车速的升高而减小,从而达到控制助力强度,改善转向“路感”的目的。当车速达到设定车速以上时,系统自动切断转向助力变为常规转向系统;当系统发生故障时,保险功能将自动切断电动机及电磁离合器电流,使系统变为常规转向系统,同时点亮位于速度表内的ECPS警告灯。

3.3.2 EPS的电流控制

EPS的上层控制器用来确定电动机的目标电流。根据EPS的特点,上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。

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信号和车速传感器的输出信号,由助力特性确定电动机的目标电流,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。如图1-8所示:

3.3.3 EPS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;

(4)通过电动机电流控制器控制电动机输出力矩。在这一基本控制过程中,助力特性曲线确定系统的控制目标,决定着EPS系统的性能。EPS的助力特性曲线属于车速感应型,在同一转向盘力矩输人下,电动机的目标电流随车速的增加而降低,能较好地兼顾轻便性与路感的要求。

3.3.4 EPS回正控制

当汽车以一定速度行驶时,由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在,使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高,回正转矩增大,而轮胎与地面的侧向附着系数却减小,二者综合作用使得回正性能提高。驾驶员松开转向盘后,随着作用在转向盘上的力的减小,转向盘将在回正力矩的作用下回正。在转向盘回正过程中,有两种情况需要考虑:(1)回正力矩过大,引起转向盘位置超调;(2)回正力矩过小,转向盘不能回到中间位置。对前一种情况,可以利用电动机的阻尼来防止出现超调。后一种情况需要对助力进行补偿,以增加回正能力。

根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制的内容有:低速行驶转向回正过程中,EPS系统H桥实行断路控制,保持机械系统原有的回正特性;高速行驶转向回正时,为防止回正超调,采用阻尼控制。

3.3.5 EPS阻尼控制

阻尼控制是针对汽车高速直线行驶稳定性和快速转向收敛性提出的。汽车高速直线行驶时,如果转向过于灵敏、“轻便”,驾驶员就会有通常说的“飘”的感觉,这给驾驶带来很大的危险。为提高高速行驶时驾驶的稳定性,提出在死区范围内进行阻尼控制,适当加重转向盘的阻力,最终体现在高速行驶时有“路感”。汽车高速行驶时,由于路面偶然因素的干扰引起的侧向加速度较大,传到方向盘的力矩比低速行驶时要大,为了抑制这种横摆振动,必须采用阻尼控制;此外,转向盘转向后回到中间位置时,由于电动机的惯性存在,在不加其他控制情况下,助力系统的惯性比机械式转向系统的惯性大,转向回正时不容易收敛,此时,也需采用阻尼控制。采用阻尼控制时,只需将电动机输出为制动状态,就可使电动机产生阻尼效果。

参考文献

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[9]陈善华,等.汽车电子转向技术发展与展望.汽车技术,2012.1.

电动助力转向 第7篇

关键词：纯电动汽车,控制器,电动助力转向系统

一、纯电动汽车EPS系统概述

纯电动汽车的能源使用的是锂电子动力电池组, 其总电压为384v, 能够达到的最大速度为80km/h, 最大行驶距离为160km, 前轴能带动最大6180kg的负载。

纯电动汽车的EPS系统其基本工作原理为:当汽车转向时, 转向盘会发出一定的转矩信号, 然后系统根据这些信号对汽车进行助力控制, 转向盘给出的转矩信号越大, 系统使电机产生的助力就会越大, 反之亦然;汽车行驶的速度反馈使系统产生路感控制, 当车速增加时, 系统会控制电机减小助力, 使汽车路感增强。

二、纯电动汽车EPS控制器整体设计

控制器主要由两个模块构成的:功率驱动模块及逻辑电路模块。能够让系统微处理正常运行所使用最少元件的系统称之为最小系统。EPS能正常工作的最小系统由以下部分组成:电源电路、时钟电路、复位电路、调试电路、电源电路、程序下载接口电路等等。外部信号调理电路是将外部传感器或开关信号进行过滤或者将信号电平转换为系统能够识别的电信号, 然后将此电信号由A/D或I/O采集和处理。驱动信号分配电路将控制电机的信号进行逻辑或者电平的转换, 使得这些信号能够被电路识别而对电机进行控制。

点火开关直接影响着EPS系统工作启动与否, 当有点火开关信号时, 该系统启动, 而当没有此信号时, 系统停止。控制器能够诊断出系统发生了何种故障, 并且在判断后能够时故障指示灯闪烁, 对操作人员做出报警, 以便能够迅速排除故障。

三、微处理器的选择

当前, EPS中通常使用单片机作为系统的微处理器, 因为单片机的数字控制能力较好。然而单片机不适用于高速的信号处理和运算, 所以在选择微处理器时需要考虑到它的运算精度和速度、功率损耗、适用的开发工具以及成本等。可以选择Freescale公司生产DSP56F8346芯片, 它具有消耗功率小、运行速度快, 成本低等多项优点。这种芯片混合了DSP和MCU两种结构模式, 并且拥有它们两者的优点, 运行速度达到60MIPS, 总线频率可以达到60MHz, 而且它具备多重接口资源以及多种模块, 这些功能非常有利于EPS系统的开发研究。

四、电机功率驱动模块的设计

纯电动汽车使用的助力电机工作时可能达到的最大电压约为27V, 最大电流可为67.5A, 选用IXYS厂家生产的FN230N10MOS管给系统搭建H桥电路, 它最大可以承受100V的电压, 当壳体温度达到25度时, 可能的漏极电流约为230A。

为了使电路中电流的波动降低到最小以及减少开关损耗, H桥的受限单级应该在可逆的状态下工作。系统逻辑电路模块中分配电路中产生的HIN、LIN信号, 被输入到系统的驱动芯片中, 如果HIN是低电平, 那么对应桥臂上的高边MOS就会截止, 系统不接通, 反之则接通, LIN的高低电平与HIN的高低电平对MOS的作用机理相同。如果ENB为高电平, 那么整个驱动芯片没有信号输出。所以, 驱动芯片在电源电压太低的情况下会停止工作, 具备自我保护的功能, 同一桥臂的高边和低边同时有电流输入而使系统遭到破坏。

五、驱动信号分配电路设计

该分配电路的主要功能是处理微处理器输出的控制信号, 将其转化为电机驱动芯片能够识别的电信号。它不仅要尽量减少电流波动和开关损耗, 还要在电机反转时使同一桥臂的MOS管截止, 实现对系统搞的保护。驱动信号分配电路能够分配控制电机转向和调制脉宽的信号, 前者主要是调节电机的运转方向, 后者控制信号的占空比, 从而影响电机的转速。

六、结语

纯电动汽车主要使用电力作为动力来完成转向、运行等, 文章根据其基本要求设计了一种基于DSP的系统控制器, 主要由两大模块组成:逻辑电路以及功率驱动。控制开发器的芯片兼有DSP和微处理器两者各自的优点, 具有非常快的运算速度, 这保证了能够实现对系统的实时控制。

纯电动汽车的电动助力转向系统还在不断研发, 相信经过不断的试验研究, 不久的将来, 纯电力汽车会取代燃气、燃油汽车, 实现环保、成本和性能的多项突破。

参考文献

汽车电动助力转向系统测试和分析 第8篇

我国入世以后汽车行业得到了飞速的发展,汽车已逐渐成为人们日常生活中必不可少的工具。中国最为世界上最有发展潜力和规模最大的汽车消费市场,市场前景甚为广阔。现代计算机控制技术已运用到汽车的各个组成部分,汽车的结构变得及其复杂,自动化程度也越来越高。面临竞争日趋激烈的国内和国外市场,企业全面实施ERP计划是我国汽车零部件企业迅速提高自身核心竞争力的生存和发展的必由之路。

1 研究目的

汽车处理电子化是当前汽车技术发展的必然走向。继电子技术在制动器、发动机、变速器等系统得到广泛应用后,EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并占有更为广阔的市场前景,它是未来世界汽车技术的成长趋势,它具有广阔的市场空间。动力能源按照种类的不同可以分为机械式转向系统和动力转向系统两种类型。而传统转向系统则是依靠简单的机械动力来传递动力,主要的组成是单一的方向盘、转向系统等零件构成。随着电子信息技术的发展,电子控制液压动力转向系统不断完善,该系统在一些性能方面优于传统的液压动力转向系统,代替液压动力转向系统成为发展的趋势。

2 EPS的工作原理及组成

EPS主要组成部分为:电子控制单元(简称ECU)、电动机、扭矩传感器以及带有离合器的减速装置。其基本工作的程序是:当装置不动时,电动机不工作;当装置转动时,扭矩传感器将反应的信号传输到转向盘上,然后再传送给ECU,ECU接收后车速传感器传来的信号以后,再根据实际情况调整后,向电动机发出命令,电动机据此来变化相应的大小和方向,做出调整后再产生助力,从而实现助力转向的及时操控。部件组成及主要功能是,传感器的扭矩部分用于检测转向盘上的扭矩信号的大小;车速传感器用来测定电磁感应式传感器的电流,以此来测定磁场的强弱,并将其安装在变速箱上;EPS的电动机是动力来源,一般采用无刷永磁式直流电动机,其工作原理是根据ECU的指令来作出相应的反应;离合器采用干式电磁式离合器,这就保证EPS在预先设定的车速范围内闭合;如果当车速超出设定车速范围时,离合器会自动断开,电动机不再提高电力,系统关闭转为手动操作。减速机构是用来增大电动机的输出扭矩,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。

3 汽车检测诊断技术的应用

3.1 安全性

它主要包括:1)制动力检测装置:汽车采用制动试验台,当电脑确定汽车进入制动试验台后,根据汽车是我左右车轮来行使最大制动力,然后通过电脑采集到的数据值进行计算,与相关的标准值进行比较,来判断制动是达到标准要求。2)侧滑:当汽车以每小时3千米的速度垂直侧滑通过板驶向侧滑试验台,让前轮先通过滑动板;当前轮通过滑动板后,从指示装置上来观测侧滑方向并算出最大侧滑的数量。3)转向:做转向试验,必须要进行转向沉重的故障确诊;检查转向器及转向节衬套等各个关键的部位连接处的润滑情况;检查轮胎气压是否达到标准;检查转向节与主销及转向器有无故障;用四轮定位仪检查前轮定位参数;如果动力转向系统出现转向沉重的故障时,可先用检查油泵传动皮带的松紧度来供油量,必要时再拆检或更换动力转向油泵等。4)前照灯:采用前照灯检验仪对前右灯和前左灯进行发光强度和光速照射方向的检测,从前照灯检测仪的显示屏上分别测量水平的左右光束和垂直照射方位的偏移值。

3.2 动力性

1)检测车速。将汽车开上车速表进行测速,等汽车的驱动轮在滚筒上稳定后,挂入最高档,松开驻车制动器,踩下加速踏板,使驱动轮带动滚筒平稳地加速运转;当汽车车速表的指示值达到规定检测车速每小时四十千米时,指示仪表的指示值就为当前测试车速的速度值。2)利用相同的原理还可以检测汽车的加速能力。3)检测汽车的输出功率。4)检测扭矩和供给系统。5)检测发动机的功率。发动机技术状况变化的主要问题有:动力性下降,燃料与润滑油消耗量增加,起动困难,漏水、漏油等以及运转中有异常响声这些常见的问题。6)检测点火系状况。点火系的主要故障有无火、缺火、火弱等情况,我们在检测时,主要是对点火系统的装置和点火控制器进行检测。点火系线路检测:检测时要使用万用表,逐一得对系统的各个点进行检测来确诊断路部位,再依次采用拆断检测法来确诊短路系统的部位。检测程序可以从整体入手,也可从部分入手,或从前向后、从后向前依次选择各个节点进行检测。重点要检测低压线路,包括点火控制器和信号发生器装置的检测;检测高压线路时,主要是用万用表来检测其线路的情况以及连接的情况是否正常。点火控制器检查时候:要注意进行点火控制器输出电压检查、电源电压检查、通断检查和信号发生器等装置的检查。

3.3 经济性

主要指车辆每公里的燃油消耗情况,一般由燃油消耗检测仪测定燃油消耗量的总量来进行测试,以此来测定汽车综合质量状况的指数。

3.4 噪声和废气排放状况

1)汽车噪声的检测:采用逐级来检测汽车的噪声。2)检测汽车废气。汽油车排气污染物的测量,采用怠速法或双怠速法,主要是用不同的监测仪进行来进行废气的测量,柴油车加速烟度多少的测量,可以用滤纸烟度法,采用滤纸式烟度计进行逐级的检测。

4 计算机控制系统的汽车检测

4.1 计算机控制系统在汽车管理检测方面的应用

我们常说的“多站点汽车检测动态管理网络系统”主要是利用电子信息技术来实现道路运输管理部门对多个汽车检测站的数据进行检测分析,以此来判断车辆是否需要实行二级维护备案,并对道路运输车辆技术状况的实时监控,再进行道路运输车辆相关信息进行自动化的检测。与此同时,该系统还可以对汽车维修企业的二级维护车辆的检验合格率进行一个整体的监控和检查,与该系统可以应用于所有道路运输管理部门,甚至是相关的检测部门,利用网络技术实现车辆技术管理及信息的自动化。该系统采用分级分布式星型网络结构,网络各工作站之间通过集线器相互连接构成检测系统局域网络,完成数据和信息传输与分析;通过调制解调器能方便地与电话网连接,从而实现局域网与局域的远程通信,再构成广域网。其车辆检测、办理车辆技术等级评定和二级维护签章实行封闭式自动检测和流水作业办公一体化,方便可行,使用省时。

4.2 计算机控制系统在汽车故障检测方面的应用

随着汽车行业的不断扩大,目前国内的汽车故障检测维修行业已具有相当的规模。大部分综合汽车性能检测站均利用了电子化的检测设备,汽车维修企业也利用维修信息管理系统,多数时候实现了检测自动化和管理科学化的要求。1)电子化的控制系统可以为汽车故障提供技术检测的保障,支持电脑控制系统,同时完善汽车整体行业的信息,维修企业通过一个专门的数据库来查询维修技巧的要求并不断完善自己的工作经验;一个维修企业的配件储存是不够的,但如果将每个维修企业甚至供应商的基本信息都登入信息网,可以较好地解决企业配件短缺或供不应求的局面,为车主提供满意快速的服务。车辆检测不合格时需要及时进厂维修,维修企业可以通过网络查询到该车辆的原始检测数据和汽车性能,以最大地限度地提高维修的准确性。2)计算机远程故障控制系统对汽车行业而言,我国汽车维修行业已经从完全依靠检查者的自身经验进行诊断的阶段,提升到了利用专门设备进行综合检测诊断阶段。计算机远程故障控制系统为传统汽车故障诊断技术得到了极大地完善。

5 结束语

计算机远程故障检测控制系统为汽车故障诊断技术提供了先进的保障。ERP是先进信息技术的产物,是我国企业快速建立竞争的办法之一。企业必须选择适合自身业务系统的ERP,选择能提供良好服务的供应商,加大企业重视力度来实施ERP,提高实施的可靠性。另外,增加用于远程诊断的诊断服务器,并预期能与该技术领域力量较强的大型汽车维修企业及高端技术产业相联系,或与国内外汽车生产厂家建立的故障分析诊断互联网络,同时与相关专家建立合作关系,为系统提供高效、便捷的远程故障诊断服务打下良好的基础。为我国汽车电动助力转向的未来的发展提供一个更为广阔的明天。

摘要：汽车助力转向系统要求操纵灵敏和轻便,而传统的液压助力转向系统在整个助力过程中按固定的比例提供转向助力,不能根本地解决汽车驾驶员操纵“路感”不足的问题,但是电动助力转向系统与液压助力转向系统相比它有许多优点,并且性能评价远高于液压助力转向系统,其市场前景什么广阔。

关键词：汽车电动助力,转向系统,测试分析

参考文献

[1]郭顺生,等.汽车电动动力的转向的发展与研究[J].北京汽车,2008.

[2]孙林.智能系统与汽车的智能化技术[J],汽车研究与发展,2009(3).

电动助力转向系统的PID控制研究 第9篇

关键词：电动助力转向,PID控制,仿真

1电动助力转向系统

电动助力转向系统(Electric Power Steering,EPS)是一种新的转向技术。它由电动机直接提供转向助力力矩,与液压助力转向系统相比,该系统具有结构简单、体积小、节能环保、调整容易、装配灵活以及在多种工况下均能提供最佳的转向助力的特点。

EPS系统原理图见图1。当转向盘有转向操纵时,扭矩传感器随之检测出转向柱的转向和转动力矩两个信号,并传送到电子控制单元ECU。与此同时,控制单元也会接收到车速传感器所测的车速信号。该控制单元通过数据分析以判断转向方向和所需的最佳转向助力大小,然后将控制指令传送给电动机使其输出助力力矩,再通过助力装置实现车辆转向。

2助力特性曲线

EPS系统的助力特性曲线主要有3种形式,分别是直线型、折线型和曲线型,如图2所示。从图2中可以看出,助力特性曲线有无助力区(0Td

由于直线型助力特性曲线最为简单,在实际应用过程中也最容易调整,故本文采用该类型助力特性曲线。其函数表达式为:

undefined

。 (1)

其中:I为电动机的目标电流;Imax为电动机的最大工作电流;Td为转向盘输入力矩;Td0为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩;Tdmax为转向系统提供最大助力时的方向盘输入力矩;Kv 为车速感应系数,随车速的增大而减小[3]。

车速感应系数与车速v之间的关系为:

Kv=P0+P1v+P2v2+P3v3。 (2)

其中:P0、P1、P2、P3为拟合系数。

3PID控制的基本原理

在EPS控制系统中,良好的控制策略直接影响到电动机的助力效果。PID控制是一种线性控制方法,也是目前最成熟、最有效的控制方法,具有良好的稳定性、简单的控制方式、较高的可靠性、方便的调试性能等优点。其原理是把目标值和实际值的偏差按比例、积分、微分的数学关系进行计算,将其结果作为控制输出。模拟PID控制原理图如图3所示。

在图3中,目标值为r(t),实际输出值为y(t),r(t)与y(t)的偏差为e(t),即:

e(t)=r(t)-y(t)。 (3)

模拟PID控制的表达式为:

undefinedundefined。 (4)

其中:u(t)为PID控制的输出信号;Kp为比例时间常数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。

其传递函数可表示为:

undefined。 (5)

由于EPS控制系统中,单片机采用的是数字信号输入输出,因此需要将模拟PID控制离散化,离散方法为:用离散时间kT代替连续时间t(T为采样周期,k为采样序号),用求和形式代替积分部分,用增量的形式代替微分部分。处理方式如下:

undefined

k=0,1,2, 。 (6)

其中:用下标k来表示kT时的参量。所以可得PID离散化的表达式为:

undefined。 (7)

式(7)把uk作为控制量的方法称为位置式PID控制算法。在这种控制算法中,本次的输出会受到上次状态的影响,在计算时需要累加,计算量较大,且与机构实际位置对应,一旦系统发生故障,执行机构会产生大幅度变化,执行机构也会大幅度变动,引起不良后果。这些缺点可以通过采用增量式PID控制算法来解决,即用Δu作为控制器的输出[4,5],即:

undefined。 (8)

undefined

Δuk=Aek+Bek-1+Cek-2 。 (9)

A、B、C的值被确定后,控制增量Δuk只需使用前后3次采样时刻的控制偏差就可以计算出。与位置式PID控制相比,计算量小很多,而且可以通过逻辑判断限制增量Δuk的最大值,有效地避免了系统故障时执行机构的大幅度变化。

4基于PID控制算法的EPS控制模型

根据PID控制算法和电动机传递函数,通过MATLAB/Simulink建立的EPS系统仿真模型见图4。

图4中,PID电流控制采用undefined,为开关周期)为PWM控制的传递函数;undefined为电动机电枢的传递函数,其中L为电枢回路总电感,R为电枢回路总电阻;用电机的转矩传递函数作为补偿电流,其中Jm为电动机的转动惯量,Bm为电机有效阻尼。在PID控制模块中,控制系数通过试凑法获得[6],当比例系数为80、积分系数为15、微分系数为0时为最优控制。

仿真时,方向盘输入力矩信号为正弦曲线,分别以车速v为0 km/h、10 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h为例进行仿真。仿真结果如图5所示,正弦曲线为方向盘输入力矩,虚线为实际助力转矩,实线为目标助力转矩。

5结论

(1)使用MATLAB/Simulink能够简单地建立EPS仿真模型,为分析PID控制提供了参考方法。

(2)仿真结果表明:采用数字PID控制能够很好地满足EPS系统的助力性能和跟踪性能。

(3)通过仿真可知,比例系数越大,目标电流与实际电流之间的误差越小,但是比例系数过大,则会使系统不稳定。

参考文献

[1]贾和平,钟绍华.电动助力转向系统助力特性的仿真分析[J].专用汽车,2006(10):37-38.

[2]王若平,杨国荣.电动助力转向系统助力特性的仿真研究[J].拖拉机与农用运输车,2008,35(4):93-94.

[3]徐涛.电动助力转向控制策略分析与研究[D].武汉:武汉理工大学,2009:38-39.

[4]刘强.汽车电动助力转向系统的实现及助力控制算法研究[D].北京:北京工业大学,2009:13-14.

[5]陶永华.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业出版社,2001.