某微型轿车电动助力转向系统的分析研究

weiyang800

某微型轿车电动助力转向系统的分析研究

【摘要】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）相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。本文通过分析某微型轿车电动助力转向系统的助力原理以及通过应用Simulink与AMESim软件联合建模仿真来验证该理论的可行性,并提出左、右转向驱动轮转矩分配控制策略,用以精确控制实际转向手力与参考转向手力的差值,以及给出基于前轮差动理论的转向盘回正辅助控制算法。并提出基于后轮差动提供横摆力矩的横摆角速度校正方法,用以补偿前轮差动对整车稳定性的影响。

【关键词】微型轿车  电动助力转向系统  仿真  建模  

一、研究现状

自二十世纪八十年代以来，国外各大汽车厂商投入大量的财力物力进行电动助力转向系统应用研究，如日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司；美国的德尔福（Delphi）汽车系统公司、天合（TRW）公司;德国的采埃孚（ZF）公司等。另外梅塞德思-奔驰（Mercedes Benz）和西门子（Siemens Automotive）两大公司共同投资 6500 万英镑用于开发电动助力转向系统。

日本铃木（SUZUKI）公司在 1988 年 2 月，首次把电动助力转向系统用于其 Cervo 微型车上，并于 1990 年在小轿车上率先实现该系统的商品化。日本本田（Honda）公司的电动助力转向系统从1990年到1997年已经发展到了第六代，技术十分成熟。昭和电工（Showa Denko）有限公司，日本精工（NSK）公司，光洋精工（Koyo Seiko）公司以及电装（DENSO）公司也相继研制出自己的电动助力转向系统产品并安装到轿车上销售。   

欧美公司在这方面的研究虽晚于日本十年，但也不甘落后。美国的 TRW 和 Delphi等公司也相继于 1997 年开始陆续推出各自实用的电动助力转向系统，其中 Delphi公司的电动助力转向系统自 2000 年起作为标准装备开始安装在菲亚特（Fiat）公司 Punto 微型车上，该车型至今已销售超过一百万辆。美国伟世通（Visteon）公司以及德国采埃孚（ZF）公司也研制出各自的电动助力转向系统产品。宝马汽车公司的概念车 BMW Z22,  应用了 SBWS(Steering-By-Wire System)和 BBW  (Brake-  By-Wire)  技术，转向盘的转动范围减少到了 160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度地降低。

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，电动助力转向系统的研究开发目前还处于起步阶段，产品在 2002 年才有国内企业进行研制开发。总的来说，电动助力转向系统目前正处于技术开发和产业转化的初期，  电动助力转向系统 产品基本上都能实现转向助力功能，但也存在一定问题,  如转向盘抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方面，整车企业在电控技术及电动助力转向系统的行业标准方面存在滞后性，电动助力转向系统研发单位与整车企业的全面合作尚不够深入，因此其样机得不到全面地考核，涉及整车操稳定性能方面的研究较少。目前国内高校以及企业等也都进行了电动助力转向系统等相关研究，并取得了一定的成果。其中清华大学、同济大学、华中科技大学、合肥工业大学等高校开展了结构方案设计、系统建模和动力学分析、硬件开发等相关工作。

国内外电动助力转向系统建模方面的研究已经比较详尽，在系统静态特性方面，北京理工大学施国标等对汽车电动助力转向系统进行了动力学的建模及仿真分析，对其控制算法进行了探讨；浙江大学吴锋、扬志家等也在电动助力转向系统建模的基础上进行了控制策略的研究;Delphi 公司的 Aly Badwy等人分析了一种电动助力转向系统降阶模型在可行性及简便性上的综合性能；韩国高丽大学 Ji-Hoon Kim, Jae－Bok Song等人也提出减小转向力矩和改善方向盘回正性能的控制策略。

在系统动态控制方面，合肥工业大学机械与汽车工程学院陈无畏等也对汽车动力转向系统与主动悬架集成系统进行了控制研究；同济大学孟涛，余卓平等也进行了提高电动助力系统动态控制性能的研究；重庆大学冯引安等也将模糊 PD 控制引入到电动助力转向系统，通过分析证明该控制方式能得到良好的动态效果；福特汽车公司的先进转向控制和电器设计小组也对 H∞控制下的电动助力转向系统进行了评估。

硬件开发方面，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开发出核心部件为Motorola HC08 微控制器的 ECU；华南理工大学李伟光等以数字信号处理器（DSP）为核心设计了电动助力转向系统，实验表明该系统能实现电动助力转向的基本功能。

二、研究方法

1．分析某微型轿车电动助力转向系统的助力原理

电助力转向系统的工作原理如下：首先，扭矩测出传感器驾驶员施加在转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信号传递给ECU；ECU根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，转化为电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。

图1 电力助力转向系统结构图

2. Simulink与AMESim软件联合建模仿真

通过应用Simulink与AMESim软件联合建模仿真来验证该理论的可行性,并提出左、右转向驱动轮转矩分配控制策略,用以精确控制实际转向手力与参考转向手力的差值,以及给出基于前轮差动理论的转向盘回正辅助控制算法。并提出基于后轮差动提供横摆力矩的横摆角速度校正方法,用以补偿前轮差动对整车稳定性的影响。

三、存在的问题

动助力转向系统的关键技术主要包括硬件和软件两个方面。

硬件技术主要涉及传感器，电机和EU。传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。电机是整个系统的执行器，电机性能好坏决定了系统的表现。ECU是整个系统的运算中心，因此ECU的性能和可靠性至关重要。

软件技术主要包括控制策略和故障诊断与保护程序两个部分。控制策略用来决定电机的目标电流，并跟踪该电流，使得电机输出相应的助力矩。故障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保护措施。

四、结论

由于电动助力系统不仅可以提供汽车在高速下的操纵稳定性，还能减小转向系统的质量并节省能源，因而迎合了下一代汽车对环保的要求。根据汽车车型的不同，使用电动助力系统能够降低燃油费用达5%～10%。但是由于目前汽车电源和电机本身的一些原因，限制了电动助力在大型汽车上的应用。随着未来技术的不断发展和进步，这一问题将会得到解决。未来转向系统将会是以电动助力为主导，其他形式为辅。

能动学院  机械电子工程  魏小玲  122080202010