电动助力转向硬件在环Word文档格式.docx
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Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论
1.1研究电动助力转向系统的目的和意义
转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性，对于确保行车安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。
电动助力转向系统EPS可以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。
这说明开发研究EPS系统十分必要。
电动助力转向系统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HPS相比，EPS系统具有很多优点：
仅在需要转向助力的时候才启动电机产生助力，能减少发动机燃油消耗；
能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的电动机的输出转矩通过传动装置的作用对助力转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，提高汽车的主动安全性；
没有液压回路，调整和检测更容易，装配自动化程度更高，且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，缩短生产和开发周期；
不存在漏油问题，减小对环境的污染[1]。
汽车在行驶过程中，需要按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽车转向。
对于最初的汽车而言，只是驾驶员通过转向盘输入转向动作，转向动作通过一套专门的机构使转向轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。
而汽车转向力的大小，对汽车的低速操纵轻便性有很大的影响。
随着科技水平的提高，轿车的普及，驾驶员对降低操纵力的呼声也越来越高。
助力转向系统经历纯机械式、液压式、电控液压式、电动助力式以及处于研制阶段的线控式几个阶段。
传统的动力转向系统一般采用液压助力，其结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制。
因此汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性。
1.2助力转向系统发展进程的几个典型阶段
上个世纪50年代初，美国克莱斯勒汽车公司率先在轿车上应用了液压助力转向系统，标志着轿车应用助力转向助力技术的开始。
随着汽车电子技术的迅速发展和人们对汽车操纵稳定性要求的进一步提高，先后出现了电控液压助力转向系统和电动助力转向系统[2]。
1.液压助力转向阶段
液压助力转向系统（HPS）在上个世纪30年代开始在重型卡车、客车上装备，1951年菜开始应用到轿车上，并获得好评。
随后HPS在轿车上迅速普及，到目前为止超过80%的轿车上装有HPS。
HPS是在传统机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管路等液压动力装置来提供转向助力。
开始HPS的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴向移动来控制油路。
滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但灵敏度不高。
20世纪50年代出现转阀式HPS，即控制阀中的阀芯用旋转运动来控制油路。
与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。
虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀门回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高，但其性能相对有很大的改进，而且在齿轮齿条转向器中布置比较容易。
HPS具有如下优点：
（1）提高转向轻便性，减小驾驶员驾驶疲劳强度；
（2）液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对方向盘的冲击；
（3）如果在汽车高速行驶时发生爆胎，将导致汽车方向盘难以把握，应用HPS可以使驾驶员较容易的把握方向盘，提高行驶的安全性；
（4）液压执行机构可以提供较大的助力，允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重的问题；
（5）技术成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格比较便宜。
同时HPS也有很多不足：
（1）选定参数、设计完成之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此很难协调汽车转向轻便性和路感之间的矛盾‘
（2）无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，浪费燃料，使整车的燃油经济性变差；
（3）存在渗油问题，泄露的液压油会对环境造成污染；
（4）对工作温度有一定要求，低温工作性能较差。
2.电控助力转向阶段
随着汽车电子技术的迅速发展和人们对汽车操纵稳定性要求的提高，为了克服液压动力转向系统的不足，人们将车速引入到转向系统中，得到了车速感应型助力特性的液压动力转向系统，这种系统被称为电控液压助力转向系统。
电控液压助力转向系统的原理是采用车速传感器将车速信号传递给控制器，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的手力可以根据车速和汽车行驶工况的变化而变化，由此可以做到在低速行驶和急转弯时助力显著增加，能以很小的手力操纵转向；
而高速和小角度转弯时能以稍重的手力操纵转向，获得较强的路感以提高汽车的操纵性能，这样使汽车的操纵性和稳定性达到最佳的平衡状态。
电控液压助力转向的优点：
（1）该系统是在原有的液压助力转向系统的基础上发展而来的，原有的系统都可利用，不需要更改布置方案；
（2）低速急转弯时的转向效果不变，高速是可自动根据车速逐渐减小助力，增强路感，提高车辆的操纵稳定性；
（3）采用电动机驱动油泵，节约能源；
（4）由失效保护系统，电子元件一旦失灵则还可以利用原液压系统安全工作，保证了系统的可靠性。
电控液压助力转向的缺点：
即使如此，液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点，如存在压力油渗漏；
零件增加后管路设计复杂，不便于安装维修及检测；
同时在原有系统当增加了电子系统，增加了成本。
3.电动助力转向系统
电动助力转向系统（EPS）完全抛弃液压助力转向系统的助力执行机构，它是在原机械式转向系统的基础上增加了扭矩传感器，助力电机和电控单元等装置所构成的一套新的系统。
它与液压助力转向系统的根本不同之处在于它的驱动部件是一个电机。
电动助力转向系统与液压助力转向系统相比，有以下几个优点：
（1）液压助力转向系统为机械和液压连接，效率低，而电动助力转向系统为机械与电机连接，效率较高；
（2）方向盘的转向特性、转向手感和汽车的稳定特性，可以通过软件来进行调节和优化，所以其功能显然优于传统优于助力系统
（3）在低速时，助力系统提供较大的助力，助力大小随车速的增加而逐渐减小，而传统的液压系统在高速时往往会趋于产生过度的助力；
（4）能耗少，电动助力转向系统仅在需要转向时才启动电机产生助力，使汽车油耗得到降低；
（5）装配型号，一体式模块系统，便于安装厂装配，减低装配成本。
EPS的零部件数目少，电动机，传感器和电子控制单元进可以组合在一起，一次整体外形尺寸减小了；
（6）路感好，由于EPS内部采用刚性连接，系统的滞后特性可通过软件来控制，而且可以根据驾驶员的操作习惯进行调节；
（7）对环境污染小。
液压助力转向系统的液压回路中由液压软管和街头，往往存在油液泄露问题，而且油液软管是不可以回收的，对环境有一定的污染，而电动助力转向系统对环境几乎没有污染；
（8）可独立于发动机工作。
即使发动机熄火，电动助力转向系统还能照常工作，因此很适用于简历啊的电动汽车和混合动力车。
1.3电动助力转向系统的国内外发展现状
在国外，各大汽车公司对汽车助力转向系统[EPS]的研究有20多年历史，随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，EPS越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域。
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，液压动力转向系统[HPS]给汽车到来了巨大的变化，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[EHPS]。
1988年2月日本铃木公司首先在其Cervo车上装备了EPSTM，随后又应用在Alto汽车上，1993年本田汽车公司在爱克NSX跑车上装备EPS并取得了良好的市场效果；
1999年奔驰和西门子公司开始投巨资开发EPS。
上世纪九十年代初期，日本铃木，本田，三菱，美国Delph汽车公司，德国ZF等公司相继推出了自己的EPS,TRW公司继推出EHPS厚也迅速推出了技术上比较成熟的带传动EPS和转向柱助力式EPSTM，并装配在FordFiesta和Mazda323F等车上，此后EPS技术得到了飞速的发展。
经过20几年的发展，EPS技术日趋完善。
其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Accord和菲亚特的Punto等中型轿车已经安装EPS，本田甚至还在其AcuraNSX赛车上装EPS_4J。
EPS的助力型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。
日本早期的EPS仅仅在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。
如铃木公司装备在WagonR+车上的EPS是一个负载—路面一车速感应型助力转向系统_2J。
由Delphi为Punto车开发的EPS属全速范围助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。
当车速大于70km~h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。
这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。
市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。
在国内，1992年清华大学开始设计EPS的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学、同济大学、华南理工大学、江苏大学‘合肥工业大学等院校和科研单位纷纷开展了EPS的研究，此外，电子行业中的不少科研部门和生产厂家也纷纷介入EPS研究领域。
2000年，昌河北斗汽车率先装配EPS，对国内EPS的研究，器到了推波助澜的作用。
之后，广本飞度、上海大众途安’一汽-大众凯迪、哈飞路宝、吉利等车型，也纷纷装配了EPS。
中国南方航空动力机械公司的DFL系列已经进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPS产品也已经装备在其吉利豪情等系列轿车上。
一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。
重庆的长安铃木、长安福特的代表也参加了电动转向标准会议寻找合作伙伴，准备在其生产的新车型中试装电动转向器。
如广州本田飞度轿车2003年销售1.66万辆，占全国1.3~1.6L的轿车销售量30.5万辆的5.4%市场份额。
说明齿轮齿条式的电动助力转向器产品已逐渐打开了市场。
2007轿车销量在200多万辆，1.3~1.6L的轿车销量在50~60万辆左右，说明装配电动助力转向器产品的市场潜力还是很大的。
目前21个汽车厂家的43给我品种均可安装电动助力转向器产品。
这些厂家分别是：
重庆长安、奥拓、领养、吉利、美日豪情、奇瑞QQ、天津丰田、威驰、悦达起亚、千里马、东南汽车、菱帅。
可以预测到2010年末我国适合安装的轿车有140万辆，微型和轻型卡车包括皮卡有40万辆，电动转向器的需求大约共为180万套[3]。
电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。
它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置（包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器），转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。
电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。
1.4在今后EPS系统可能主要向以下几个方面发展
（1）提高系统的可靠性，降低成本，未来的EPS将采用更加可靠的电子及机械元件，并采用冗余和备份系统满足系统失效情况下的可靠性要求，同时还将实现故障的自动检测、纠错和排除功能。
（2）由单一功能向多功能转变，综合控制技术是未来EPS控制技术的研究方向。
可以采用主动扭矩控制技术，增强转向系统在汽车遇到障碍时的主动避让；
将转向技术与刹车装置结合，协调控制转向和刹车，保持车辆在低摩擦路面的稳定性等等。
（3）提高模块化和标准化程度。
提高EPS的模块化和标准化有利于降低EPS的成本，减少系统的零部件种类，降低EPS制造、安装的复杂性，实现相同转向系统或者不同转向系统相同模块间的互换和应用。
（4）数字信号处理器（DSP）和CAN总线技术的应用。
DSP应用于电机的控制，在取得更快的运算速度的同时，也有较好的控制效果；
汽车CAN总线，使得该系统作为未来汽车的标准配置而溶于整个汽车的控制网络中，最大程度实现资源共享，有利于降低成本。
（5）向线控转向技术发展。
线控电动转向系统去掉了方向盘与车轮之间直接的机械运动连接，通过控制算法可以实现智能化车辆转向。
1.5本设计研究的内容
本课题研究的EPS系统的ECU主要用于轿车。
本文在设计EPS系统详细分析的基础上，对EPS系统进行了动态建模，并且根据动态模型理论，对EPS系统进行了相关的分析等等。
具体内容如下：
（1）通过对EPS系统的分析，建立了动态数学模型，在此基础上进行动态特征分析；
（2）对系统的控制策略和控制方法惊醒探讨研究。
在完成模型分析的基础上，利用LabView编制相应的控制程序，代替传统的单片机；
（3）完成EPS系统硬件在环仿真；
（4）利用编制好的LabView控制程序对已有的ECU（单片机）进行检测。
第2章电动助力转向系统的结构、原理及控制方法
2.1EPS的种类及其特点
根据电动机安装位置的不同，EPS系统可以分为：
转向柱助力式、齿轮助力式和齿轮齿条助力式
与传统液压动力转向系统相比，EPS由如下特点：
（1）电动助力转向能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小路面不平引起对转向系统的扰动，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，进而提高汽车的中东安全性，并且可通过设置不同的治安想力特性来满足不同使用对象的需要。
（2）只有在助力时才使用电机，所以能源损耗小，可节约3%—5%
（3）由于取消了传统液压动力系统的部件，所以在结构、质量和安装上便利许多
（4）由于电机直接由蓄电池供电所以不受其他车上用电器和发动机运行与否的影响。
（5）低成本和低环境污染。
2.2电动助力转向系统的结构
EPS主要由转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、电动机、离合器、减速机构、转向轴及手动齿轮齿条式转向器等组成。
（1）转矩传感器
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。
目前采用较多的转矩传感器是扭杆式电位计传感器。
它是在转向轴位置加一扭杆，通过扭杆检测输入轴和输出轴的相对扭转位移得到转矩。
另外，也有采用非接触式转矩传感器的，其原理是：
当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，检测环之间的空气间隙发生变化，从而引起检测线圈电磁感应系数变化。
非接触式转矩传感器的优点是体积小、精度高，缺点是成本较高。
如图2.1所示。
（2）车速传感器
车速传感器常采用电磁感应式传感器，安装在变速器上。
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。
图2.1非接触式转矩传感器
（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。
电动机是影响EPS性能的主要因素之一，不仅要求低转速大转矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、控制性能好。
在电动机设计时，应着重考虑如何提高路感、降低噪声和振动，如在电动机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等来提高电动机的性能。
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2.4所示。
（4）离合器
离合器采用干式电磁离合器，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。
为了提高性能，离合器设计成具有磁滞特性，并可实现无级离合。
（5）减速机构
减速机构用来增大电动机的输出转矩，主要由两种形式：
涡轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。
前者主要用于转向柱助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和长条助力式转向系统。
如图2.2所示。
（6）电子控制单元
EPS的电子控制单元通常是一个8位单片机系统，本设计中用的是LabView系统代替。
图2.2减速机构
2.3汽车电动助力转向系统的工作原理
如2.3图所示，电动助力转向系统的工作原理是：
不转向时，助力电动机不工作；
而当转向盘转动时，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，有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，经过其运算处理后，由ECU向电动机和离合器发出控制指令，即向其输出一个合适的电流，在离合器接合的同时使电动机传动产生一个转矩，该转矩与电动机连在一起的离合器、减速机构减速增距后，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是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[4]。
图2.3EPS系统的工作原理
2.4汽车电动助力转向系统的控制方法
EPS系统可以对转向过程中的每个环节进行精确控制，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，并根据这些要求制定EPS的控制方法[5]。
（1）助力控制
助力控制是在转向过程中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统上的一种基本控制模式。
助力控制的驱动方式为：
使晶体管VT1导通，VY2、VT3截止，VY4斩波。
该控制利用电动机转矩和电动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ECU中，根据预制的不同车速下“转矩—点顶级助力目标电流表”,确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动电路，以驱动电动机产生合适的助力。
图2.4电动机的驱动电路
（2）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。
汽车在行驶过程中转向时，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。
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。
回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，即四个晶体管均处于截止状态，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。
（3）阻尼控制
阻尼控制是汽车运行时为提高告诉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。
电动机理想模型的基本方程为
（2.1）
式中
——分别为电动机的端电压和电枢电流；
——电动机转速；
——分别为电动机等效内阻和电感；
——电动势常数
EPS系统中所用电动机的电枢电感很小，产生的感应电动势可忽略不计。
若将电动机两端短路，则有
（2.2）
因此，用一定占空比的PWM信号在电动机空控制电路内使电动机短路，电动机旋转产生的反电动势形成阻碍电动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。
本设计主要设计的是助力控制，即单独实现助力转向。
2.5电动助力转向系统动态模型的建立
电动助力转向系统的动态模型[6]。
依据牛顿运动定理，该系统的运动方程为
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中
——转向盘转矩
——齿条的位移量、质量和阻尼系数
——转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数
——齿轮半径
——电动机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数
——电动机至齿轮轴的减速比
——轮胎转向阻力及回正转矩等作用于齿条上的转向阻力
式（2.3）（2.4）（2.5）分别为转向轴，齿条轴和电动机的动态方程。
式（2.5）中的
为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机给定电流的大小。
在本系统的计算中，
值由转矩传感器给出，可表示为
升级会员 