电动助力转向设计设计.docx

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电动助力转向设计设计

电动助力转向设计设计

毕业设计（论文）

题目：

EPS汽车电动助力转向

系统的设计

摘　　要

汽车电动助力转向系统具有传统液压动力转向系统无法比拟的优势，是汽车动力转向发展的必然趋势。

电动助力转向采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元（ECU）控制。

它能节约能量，提高安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。

本文在借鉴国内外电动助力转向领域研究的最新成果的基础上，从助力特性、控制策略以及控制系统设计三方面对电动助力转向系统进行了研究，并在其基础上开发出系统的电控单元。

对助力特性进行了理论上的分析，探讨了初步确定直线型助力特性的特征参数的过程。

在此基础上，确定了电动助力转向系统的控制策略。

本文设计的EPS控制系统硬件主要由控制器、传感器及信号处理电路、助力电机及驱动电路、通讯电路等组成。

控制电路核心采用16位单片机80C196KC。

为了实现控制策略，对电动助力转向系统进行了软件设计和编制，以实现在不同工况和不同模式下对直流电机的控制。

关键词：

电动助力转向,助力特性,控制策略,软硬件设计

ABSTRACT

Eclecticpowersteeringsystemisinevitabledevelopingdirectionforautomobilepowersteering，whichismuchsuperiortohydraulicpowersteeringsystem.TheassisttorqueisprovidedbymotordirectlyinEPSsystem，whosevalueiscontrolledbyECU.EPScansaveenergy，improvevehiclesafety，benefitenvironmentprotection，anditisanewhigh-techwhichfollowsmodernvehicledevelopmenttopicclosely.InthefoundationofthenewestaccomplishmentofdomesticandinternationalEPS，thispaperparticularlyresearchestheassistcharacteristic，controlstrategyandcontrolsystemdesign，constructsthebenchforEPS，developselectriccontrolunit.

Inthispaper，thekeytechniqueofEPSsystem，theassistcharacteristicandcontrolstrategy，arestudied.Assistcharacteristicisanalyzedtheoreticallyandthefeatureparametersofstraight-lineassistcharacteristiccurvearestudied.Thesimulationindicatestheeasystraight-lineassistcharacteristiccan’tgeneratedesiredstatictorqueboostandavoidroaddisturbanceatthesametime.Soitisnecessarythatcompensationcontrolshouldbeused.And，basedontheassistcharacteristic，thecontrolstrategyofEPSisdescribedindetailandthealgorithmsisdesignedtocontrolthemotorcurrentalso.

TheEPScontrolsystemconsistsofthecontroller，sensorsandthesignalprocessingcircuits，theelectricmotornagitsdrivingcircuits，communicationcircuit.16-bitnamed80C196KCisthecoreofcontroller.Forthepurposetorealizethecontrolstrategy，softwaredesignandcodecompilingarecompleted.Underdifferentoperationconditionanddifferentcontrolmodes，motorcanbecontrolledprecisely.

KeyWords：

electricpowersteering，assistcharacteristic，controlstrategy，softwareandhardwaredesign

目　　录

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

汽车在行驶的过程中，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（一般是前轮）对汽车纵向轴线偏转一定角度来实现的。

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。

常用的汽车转向系统分为非动力转向系统和动力转向系统两大类。

非动力转向系统又称机械式转向系统，是以人的体力为动力源，其中所有的传力器件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成，其中转向器是汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。

汽车动力转向系统（PowerSteeringSystem），亦可称作转向加力系统，是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系统。

它是在驾驶员的操纵或控制下，借助于汽车发动机所产生的动力，将其转换为液体压力或气体压力并驱动转向轮偏转；或者借助于电力，将电能转换成机械能进行助力，从而实现汽车转向运动。

在正常情况下，汽车转向所需要的力大部分由发动机或蓄电池通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供;但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操纵。

汽车转向系统一直存在轻便与灵活的矛盾，即“轻”与“灵”。

为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，即在方向盘小转角时以“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，所以这种方法不能根本解决这一矛盾。

1.2几种动力转向的比较

一般汽车在停车及车速很低时，方向盘的操纵感觉很沉重，中速时较轻快，车速增高时更加轻快，即所谓“方向发飘”，易出现方向失控。

现代汽车对载重的额定吨位和舒适性要求不断提高，使汽车的前轴负荷不断增加，操纵方向盘的力也就相应增大，因此，只用增加传动比的办法来减少操纵力显然是不合适的。

一般认为，方向盘的转动圈数应小于5圈，行驶时的操纵力矩不宜大于20～29N·m，超过这个数值时，就应该考虑使用动力转向装置。

动力转向系统按照提供的动力方式的不同可以为以下三类：

气压式、液压式（又进一步分为机械液压式和电子液压式）和机电式（又称为电动助力转向系统）。

气压式动力转向系统采用的动力源为压缩空气（压力一般为0.6-0.SMPa）。

由于其工作压力较低，动力缸的体积大，工作灵敏性差，结构不够紧凑，所以主要用于一部分前轴最大轴载重质量为3-7吨，采用气压制动的客车和载货车上。

若用于载重质量特大的货车，将会造成部件尺寸过大而无法实现汽车的设计和安装。

此外，采用这种装置的汽车，在高寒地区使用时，其输气管还易结冰而被堵塞，工作不够可靠，而且，汽车下长坡进行制动时，产压波动大，工作不稳定，故这种气压动力转向装置被采用的很少，有被淘汰的趋势。

液压动力转向系统采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整压力油的流量来控制转向助力的大小。

液压式动力转向系统是目前汽车上主要采用的转向加力方式，其中较典型的有凌志、皇冠等高档轿车上使用“渐进式”动力转向系统（ProgressivePowerSteering，简称PPS）；国内桑塔纳、富康和奥迪等几种主要轿车也采用了液压式动力转向系统。

液压动力转向系统作为一种辅助系统，它所起的作用主要取决于油压的高低，因此系统中对油压的流量的控制最为重要。

液压式动力转向系统控制方式有机械液压式和电子控制式两种，其中电子控制式液压动力转向系统（ElectrieHydrauliePowerSteering，简称EHPS）是目前比较成熟的产品，它利用电子传感器把汽车运行中的各种非电量转为电信号，采用微机精确的控制动力转向系统中的压力油流量，再由压力油控制执行机构进行转向动作。

这个复杂的过程由电子控制单元（ElecrticControlUnit，简称ECU）完成。

EHPS一般有机械装置和电气装置两部分组成。

机械装置包括转向机（包括控制阀、压力腔及助力缸）、油泵及管路。

电气部分则有车速传感器、电子控制单元ECU以及安装在转向机上的电磁阀组成。

电子控制式由于增加了车速电子控制装置而且其阀的结构较常规阀复杂，因而成本高昂，目前主要应用于高级轿车及运动型乘用车上。

在技术上电子控制液压动力转向器的设计较普通液压动力转向器复杂一些，需考虑电气部分如传感器选型及布置、电磁阀特性、电液系统的藕合、转向电子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行驶稳定性要求。

电动助力转向系统是一类近些年出现的新型动力转向系统，它一般由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机、离合器和减速机构组成。

当转动方向盘时，扭矩传感器测出施加在转向轴的扭矩，并产生一个电压信号，与此同时，速度传感器测出汽车的速度，也产生一个电压信号，这两个信号经过A/D转换后被送往控制器，经过控制器运算处理后，传动给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在汽车的转向机构上得到一个与工况相适应的转向作用力。

与传统的液压动力转向系统HPS相比，它具更突出的点：

1.节能环保：

其能量消耗仅为液压助力转向系统的20%，且无液压油泄漏造成直接污染环境等问题。

2.高性能化：

具有在各种不同的使用条件（路面和车速）下能获得最佳路感、高速行驶稳定性、低速转向轻便性、抗干扰性强等优点。

3.可控性高：

对于不同车型和使用要求，在基本上不变动硬件的条件下，只要改变软件，就能满足性能要求。

4.重量轻：

比液压助力转向轻20%左右。

5.成本低：

批量生产后总成本比液压助力转向低。

1.3电动助力转向系统的发展历程和研究现状

1.3.1国内外EPS系统发展历程

电动助力转向系统最早是由日本研制成功的。

1988年2月首次安装在日本铃木汽车公司的塞尔沃轿车上。

此后世界各大汽车公司投入大量的人力、物力，开展电动助力转向系统的研究。

就目前来说，日本的大发、三菱、铃木、本田汽车公司，美国的Delphi、TRW，德国的ZF公司，英国的Lucas公司都进行了大量的研究并已经商品化。

德国的FZ公司在第五届和第六届国际汽车博览会上展出了电动助力转向系统，韩国的万都公司在2003年上海国际汽车博览会上也展出了自己的EPS。

经过二十几年的发展，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Punt。

等中型轿车己经安装EPS，本田甚至还在其AcuraNXS赛车上装备了EPS。

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。

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供汽车的操纵稳定性。

与国外相比，我国的电动转向研究在很长的一段时间里是空白，自2000年昌河北斗星车装备EPS之后，掀开了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮。

目前国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。

虽然各方面对电动转向的研究大量投入，己有部分产品己经开始装车调试，但由于对该项技术的控制理论与控制原理并未完全模透，仍处在探讨实践中，尚需进行试验确认，EPS的批量国产化工作还有一个模索的过程。

1.3.2各国对EPS的评价及EPS发展前景

美国德尔福公司宣称，“EPS系统表明我们有能力向全世界的用户提供尖端的先进的转向系统，它是德尔福下一代精品的代表作。

”

TRW公司认为:

从长远发展看，目前轿车上广泛使用的HPS将被逐渐淘汰，取而代之的是EPS。

英国的卢卡斯公司认为：

EPS是轿车动力转向技术未来的发展方向，对于HPS来说无疑是一场技术革命。

日本本田公司认为:

EPS完全具备了作为二十一世纪汽车动力转向系统的必要条件。

电子控制是汽车各个系统信息交换不可缺少的手段，由此车辆的各个系统才能向高度集成的综合性控制性方向发展。

2000年9月，我国科技部、财政部和国家税务总局联合公布，将EPS列为汽车零部件“高新技术产品”之一。

EPS的前景是可观的，首先在注重环保和石油资源的国家，如日本和欧洲各国将获得快速推广。

据美国德尔福公司预测，2001年后，顶级轿车将全部安装EPS。

TRW公司估计，到2010年，全世界轿车的动力转向系统中，EPS占1/3。

德国FZ公司估计，2001年以后，欧洲市场EPS的供销量约占3%。

英国卢卡斯公司认为，EPS在轿车上正在成为标准配置，而不是选装件，自1996至2006年，欧洲市场上的A、B、C级轿车安装EPS的比例将由35%增加到70%。

目前，EPS系统每年正以9%-10%的增长率在快速发展。

2005年，EPS的产量由2001年的150万套增加到800万套，到2007年将达到1140万套，即产量正以130-150万套/年的速度在增加，按此增长速度发展下去，用不了几年EPS将完全占领轿车市场。

1.4本文的研究内容

1.4.1课题研究意义

目前国外许多家大型汽车公司的产品己经成功装配微、轻型轿车。

近年来,现代控制理论、电子技术、计算机仿真技术的发展使电动助力转向系统无论在结构设计还是在产品性能方面都有进一步的提高。

出于对潜在市场的保护，各研究开发EPS系统的部门很少公开发表自己的具体研究内容和关键技术，因此可供参考的文献资料很少。

国内对电动助力转向系统的研究己经取得了一定的成果，但仍处在初级阶段，还没有研制成功能够装车的产品。

研究与开发电动助力转向系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽车工业水平、缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实和长远意义。

1.4.2研究内容

研究内容包括：

1、电动助力转向系统助力特性和控制策略的确定。

EPS系统的关键是获得助力特性曲线，即转向盘输入转矩与电机输出转矩之间的关系，它决定了控制系统按照什么样的力学模型来设计；控制单元根据助力特性曲线，由预定的控制策略决策出电机的电流实现对电机的控制，本系统控制策略将选择适当的控制策略及参数，协调汽车操纵性与路感之间的关系，使汽车在低速行驶时具有良好的操纵轻便性，高速时具有良好的操纵稳定性，在一定程度上解决“轻”与“灵”的矛盾。

2、根据控制策略对EPS系统进行软硬件的实现。

采用80C196KC单片机、锁相环滤波电路、复位电路、晶振电路、串行通讯电路等等构成系统硬件控制。

1.5小结

本章首先介绍了课题提出的背景及意义，介绍了不同几种汽车电动助力转向系统的分类以及国内外发展概况，最后明确了本文的主要研究内容。

第二章电动助力转向系统的原理与结构

2.1EPS系统的结构

2.1.1EPS系统的基本结构

EPS主要由转矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）成。

它是一种直接依靠电机提供转矩的动力转向系统，其系统框图如图2.1所示。

图2.1电动助力转向系统

不同类型的EPS基本原理是一样的：

不转向时，电动机停止工作；开始转向时，转矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对位移转变成电信号传给ECU，ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。

2.1.2EPS系统的分类

根据汽车前轴负荷的不同，助力电机的安装位置也不同。

当前轴负荷较小时，电机及减速装置与转向轴相连，称为转向轴助力式；当前轴负荷中等时，电机及转向器与转向小齿轮相连，称为转向齿轮助力式；当前轴负荷较大时，电机及减速器则与转向器齿条轴相连，称为转向齿条助力式。

2.2EPS系统的主要部件及工作原理

图2.2EPS系统框图

2.2.1电动机

电动助力转向的助力电动机早期曾用过有刷电动机，但是随着电子技术的发展，现行的EPS系统几乎都使用永磁无刷直流电动机。

电动机的选择和助力机构的减速比、前轴载荷、蓄电池电压有关。

此外，在选择电动机时，必须考虑其噪声和振动对驾驶员的影响。

2.2.2车速传感器

EPS系统需要输入车速信号来确定助力的系数，因为不同车速下相同的方向盘转角时的侧向加速度并不相等，驾驶员的手感力矩也不相等。

要使得驾驶员有合适的路感，就必须使助力系数随车速而改变。

这一点我们将在后面详细论述。

现有的EPS系统的车速信号来自ABS系统所采集的信号，通过CAN总线等方式传送给EPS系统的控制器供后者使用。

2.2.3减速机构

常见的减速方式包括齿轮减速、蜗轮蜗杆机构减速、球螺旋减速机构、双排行星轮减速等。

值得注意的是，为了降低EPS噪声，可以考虑使用树脂等非金属材料做成的减速机构。

必须注意，减速比的大小和电动机的功率、转动惯量和前桥载荷有关。

2.2.4方向盘转角、转矩传感器

电动助力转向器（EPS系统）中的方向盘转角、转矩传感器测量检测方向盘的位置和输入转矩并转换为电信号。

电子控制器（ECU）根据车速信号和方向盘转角、转矩传感器检测到的信号，通过给定的控制策略产生助力控制信号。

该助力控制信号控制直流驱动电机的电枢电流，从而控制助力转矩。

因为方向盘的转角位置和扭矩传感器测得的扭矩大小的准确性对EPS系统而言是至关重要的，因此这将是本章论述的重点。

从自动控制的原理来看，方向盘转角、转矩传感器既是向控制器提供输入信号的元件，又是助力结果（控制结果）的检测反馈元件。

方向盘转角、转矩传感器分为非接触式和接触式两种。

目前接触式用得较多的是电位计式扭矩传感器，非接触式用得较多的是电磁感应式、光电式和超声波式扭矩传感器。

接触式成本较低，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。

非接触式的测量精度高、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；但成本较高。

因此扭矩传感器类型的选取根据EPS的性能要求进行综合考虑。

本课题选用的即为非接触电位式转矩传感器，它的结构和工作原理如图2.2示，主要由滑块、钢球、环和电位器组成。

钢球通过螺旋球表面固定在输入轴外侧的螺旋球槽和滑块内侧的球洞里。

滑块相对于输入轴可以在螺旋方向移动。

同时，滑块通过一个销安装到输出轴，使它仅可以相对于输出轴在垂直方向上移动。

因此，当输入轴相对输出轴转动时，滑块按照输入轴旋转的方向和输出轴的旋转量，垂直移动（在轴方向），（等于输入轴相对于输出轴旋转）。

当转动方向盘，转矩被传递到扭力杆时，输入轴和输出轴之间的旋转方向里出现偏差。

这些偏差使滑块在轴方向移动，这些轴方向的移动转换为下图所示的控制杆里电位器的旋转角度。

转矩转变为电压变化，传到控制器。

（a）电位式转矩传感器结构

方向盘在顺时针旋转在空档的方向盘方向盘在逆时针旋转

（b）电位式转矩传感器工作原理

图2.3电位式转矩传感器的结构和工作原理

送到控制器的转矩信号分为主、副两路。

电位式转矩传感器的输出特性如图2-3示。

当方向盘处于中间位置时，主、副两路输出的信号都为2.5V；当方向盘右转时，主转矩信号大于2.5V，副转矩信号小于2.5V；当方向盘左转时，主转矩信号小于2.5V，副转矩信号大于2.5V。

系统利用主、副转矩信号即可判断方向盘转向的方向和转矩大小。

图2.4电位式转矩传感器的输出特性

2.2.5电子控制单元（EUC）

电子控制单元（ECU）的功能是根据转矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和电磁离合器的动作。

此外，EUC还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状态是否正常，一旦系统发生异常，助力将自动取消，同时EUC将进行故障自诊断分析。

ECU通常是一个8位单片机系统，也有采用数字信号处理器（DigtialSignalProcessing，简称DSP）作为控制单元。

控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。

控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效的实现理想的助力规律与特性。

2.3本章小结

本章主要介绍了电动助力转向系统的工作原理和结构，讨论了EPS的分类及技术要求。

对课题研究中所用到的EPS主要部件的结构和工作原理做了介绍。

第三章EPS系统助力特性分析和控制策略研究

电动助力转向系统的助力特性和控制策略是该系统能否成功的两大关键术。

助力特性决定了控制器（ECU）控制程序按照什么样的力学模型来设计，即在汽车转向过程中，EUC根据车速和方向盘转矩，由助力特性决定电动机应提供多大的助力，以满足不同行驶路况下的要求。

这包括两个层面的问题：

一是在某一特定车速下的输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系；二是在不同车速下，输入转向盘力矩和助力电机力矩的关系怎样变化。

由于国外对该曲线的研究处于保密状态，所以成为EPS系统研究的关键技术之一。

助力特性反映的是转向盘输入力矩和电动机助力力矩的变化关系，反映出的是系统的静特性；为了增强电动转向系统的回正性、跟踪性和抗干扰性能等动态性能，需要对助力特性进行补偿和调节。

EPS的工作环境复杂多变，路面干扰、传感器噪声、电压波动、转矩波动、发动机的热辐射与电磁干扰都对系统有很大影响。

这些因素的存在对EPS控制策略的设计提出了很高的要求。

由于各方面条件和自身能力的限制，本系统设计的EPS系统的控制策略是建立在系统的简化模型的基础之上，没有考虑系统的非线性因素，并将干扰信号调整到系统能够容忍的范围。

考虑到直流电机转矩与电流成正比，取电机电流作控制量。

控制过程如下：

首先由控制参数决定控制模式，进一步由控制模式的特性曲线决定电动机目标电流，然后对电机实际输出的电流进行闭环控制，实现对目标电流的跟踪。

3.1助力特性分析

EPS系统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。

汽车转向系一直存在着轻与灵的矛盾。

为此，人们常将转向器设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵为主，在转向盘大转角时以轻为主。

但是灵的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根本上解决这一矛盾。

另外，转向力与路感也是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但转向力过小，就缺乏路感。

传统液压动力转向由于不能对助力进行实时调节与控制。

所以协调转向力与路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。

由于EPS系统由电机提供助力，助力大小由我们预定的助