小车电子助力转向系统设计(编辑修改稿)

小车电子助力转向系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

1552 电磁离合器 离合器断路 C1553 电磁离合器 离合器自身特性不良 C156X 电子控制单元 控制单元异常 C157l 电源 电压不稳定 C1572 电源 电压低 整车性能匹 EPS系统作为整车提升性能的一个重要组成部分，其系统稳定性和安全性也会影响到其他电子系统以及整车的性能。 因此，必须对 EPS系统与其它子系统进行匹配，使整车性能达到最优。 在设计 EPS系统时必须考虑与汽车其他子系统的有效配合，这是 EPS系统开发的关键技术之一。 3 电子助力转向系统动力学方程 电子助力转向系统的动力学方程主要以柱式 EPS为对象，依据其控制关系建立控制单元及 机械部件的数学模型，包括路面负载、齿轮齿条、转向轴、减速机构、扭杆、方向盘以及传感器、 ECU、助力电机等。 通过建立各部件的数学模型及利用数学建模知识的运用来分析 EPS的动力学特性。 9 机械部分建模 为了简化建模，对某些机械部件的特性做如下理想化假设： ； ； ，其他机械单元的刚度假设为无限大； ； 范围内。 在上述假设的前提下，对各机械部件建模。 方向盘用惯性质量表示与转向轴主要考虑其粘性和干摩擦；驾驶员的手力由弹簧表示并由伺服电机转矩来驱动；齿轮齿条的转向模型由齿轮惯量、齿条质量以及传动比来表示；电机机械部分由一个转动惯性操纵的转矩发生器表示；减速机构的模型由减速比表示；扭矩传感器由扭杆的刚度表示，转矩由扭转角和扭杆刚度来计算。 如图所示为 EPS的简化模型： 图 3 EPS 系统的动力学模型 Dynamical model 根据该模型，建立如下的各机械部件的动力方程： 转向柱： eSsssSS KTKBJ   h (1) 齿轮齿条 ： rpWrrrrr frTxKxbx rm (2) 输出轴： wemmesseeee TGGKKBJ  )()(  (3) 10 电动机： )( emmmmmmm GKTBJ   (4) 传感器输入转矩： ms fTT i (5) 上述公式中各个参数的物理含义如下： SJ 为转向柱和转向盘的转动惯量； SB 为转向柱的阻尼系数； SK 为扭杆的刚性系数； S 为转向盘的转向角； ST 为扭杆弹性转矩测量值； hT 为转向盘上的输入扭矩； eJ 为减速器的转动惯量； eB 为减速器的阻尼系数； e 为输出轴的旋转角； G为减速器的减速比； Tw为输出轴上的反作用扭矩； rm 为齿轮齿条的质量； rb 为齿条的等效阻尼； rK 为等效弹簧的弹性系数； rx 为 齿条位移量； rf 为路面干扰； mB 为电动机的粘性摩擦系数； mT 为电动机的转矩； mK 为电动机和减速器的刚度； mJ 为助力电机的惯性力矩； m 为助力电机的转角； pr 为齿轮半径； iT为扭矩传感器输入扭矩； mf 为电机摩擦系数。 其中， sB , eB , sb ,Bm的值是可以通过试验的方法得出的。 设： 输出旋转角与齿轮位移与齿轮半径的比：pre rx 11 减速机构和齿轮齿条的当量质量：2r prer JmM  减速机构和齿轮齿条的当量阻尼系数：2perr rBbB  代入方程中，得到 EPS系统机械部分的动力学方程。 prshsSsSs rxKTKBJ  ....  （ 6） rprspsprmp mrrrrr frxrKrxGrGKxKxBxM    ... （ 7） ）（ prmmmmmm rxGKTBJ   ... （ 8） )(prmma rxGKT   （ 9） 从方程中可以 看出， EPS机械部分的模型的输入包括转向盘转矩 hT 、路面干扰 rf 和助力电机电磁转矩 mT。 系统模型的输出包括转向盘的转角 s 、助力电机助力转矩 aT 、扭矩传感器检测的转矩 seT 、电机速度 m. 以及齿轮齿条的位移 rx [12]。 下面再建立 直流伺服电动机的数学模型。 电动助力转向系统主要控制对象是电动机，所以电动机的模型的建立是比较关键的一个环节，如下图。 图 4 直流电动机装置等效结构图 DC Motor Equivalent structure 如图， 在电枢控制电压 au 的作用下，产生电枢电流 ai ，电枢线圈产生感应电动势 ge ，从而产生电动机电磁转矩 Tm 带动负载运转， 其中 电动机的角速度为 La 12 2MMn 作为标准量纲方程 ，应写为 112[ ] [ m in ]60MMra d s n  (10) 折算到电动机轴的总转动惯量为 Ges M exiJ J J (11) 电机的电压平衡方程式为： di ae i R La g a aa dt    (12) 式中， eg 是反电动势 ： eKg EM 又可知，转矩平衡方程式： MG e s dT T T T JM L B L dt    (13) 电动机电磁转矩：TaT KiM 电动机加速转矩： MB Ges dTJ dt 式中 a 为电枢电压（ V）； ia 为电枢电流（ A） ； Ra 为电枢回路总电阻 （  ） ； La 为电枢回路总电感（ H） ； M 为电动机角速度 （ 1rads ） ； Mn 为 电动机转速（ /minr ） ； MT 为电动机转矩（ Nm） ； LT 为折算到电动机转轴上的负载转矩 （ Nm） ； BT 为加速转矩 （ Nm） ； MJ 为电动机电枢的转动惯量 ( 2kgm )； exiJ 为折算到电动机轴上的外部转动惯量 ( 2kgm )； 13 GesJ 为折算到电动机轴上总的转动惯量 ( 2kgm )； EK 为反动电动势系数 （ /VS rad ） ； rK 为转矩系数 （ NmA ） ； 对方程式 分别进行变换可得到下列方程组： ( ) ( ) ( )aas e s i s R i L sa g a a    (14) ( ) ( )g E Me s K s (15) ( ) ( ) ( )M L G esT s T s J s s； (16) ( ) ( )M T aT s K i s (17) ( ) ( )g GesT s J s s (18) 以电枢电压 a 为输入 ， 电动机转速 M 为输出的系统传递函数为： 2()()MTa G e s a G e s a E TsKs J L s J R s K K   (19) 引用驱动装置的电气时间常数 eT 和电机机电时间常数 mT : /e a aT L R (20) /m a Ges E TT R J K K (21) 又当 EK 与 TK 均采用国际制单位是，其数值相等，即 [ / ] [ / ] [ ]E T CMK V s rad K N m A K V rad 将上述值带入方程 (20)得： 21()( ) 1MTa M e mSKS T T s T s   (22) 根据电动机的 已知 参数和式子 （ 17） 可得， [ ]T NmK A  2eT ms mH 14 10GesJ kg m （ 其中，电动机的转动惯量为 10 kg m ，离合器的转动惯量与电机相同，负载 载折合后的转动惯量相 当于电机转子和离合器转动惯量之和的 4倍。 ) 带入数据得： 2a () 50000( ) 1 .0 4 4 5 2 2 2 0 0 0M Ss s s   (23) 电控部分建模 阻尼控件 EPS系统的理想目标是在实现转向清便的同时，能获得与机械转向系统相同的路感。 但由于 EPS系统比机械式转向系统多了电机和减速机构，这就使得转向操纵机构的惯性增大。 同时，电机电枢及减速机构的旋转元件都有一定的惯量和摩擦力，在 EPS系统启动、正常换向和停止时都会产生一定的惯性和摩擦阻力矩，这些阻力矩也会导致系统的响应滞后，跟踪性变差。 因此就需要补偿机制来弥补这些缺陷。 阻尼控制是 EPS系统在提高汽车高速直线行驶稳定性，减小不平路面对转向盘的冲击方面提出的一种补偿控制模式。 在受到路面的冲击时，在方向盘中间的位置采用阻尼控制，使助力电机电枢绕组短路，这时将产生与电机转子方向相反的转矩，阻碍转子的旋转，电动机输出的转矩表现为制动力矩，从而保持方向盘的稳定状态。 这是阻尼控制的一种方式。 阻尼控制的另外一种方式是在转向盘转动速度很高时，为了使转向盘力矩平稳，在目标电流的基础上补偿阻尼控制电流。 阻尼补偿电流的表达式为： mdd KI  ， dK 为阻尼补偿的增益 [13]。 回正控制 在汽车行驶时，车轮转向后轮胎和路面之间会产生回正力矩。 驾驶员减小施加在方向盘上的转向力之后，转向盘将在回正力矩的作用下回正。 当车辆以较低的速 度运行并转向和回正时，车轮的回正能力会比较差，为了提高转向轻便性， EPS系统需要实时检测系统的状态，提供合适的回正补偿电流。 而当车辆在高速行驶时，车轮的回正能力较强，为了提高车辆的稳定性和方向盘的稳定性， EPS提供回正补偿来保证回正时不会出现超调量和摆振。 ECU利用转向盘力矩的微分值判断车辆是否处于回正状态，再根据回正助力特性确定助力电机的目标电流。