eps电动助力转向设计毕业设计论文(编辑修改稿)

eps电动助力转向设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 2020 年， EPS 的产量由2020 年的 150 万套增加到 800 万套，到 2020 年将达到 1140 万套，即产量正以 130150万套 /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。 本文的研究内容 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。 第一章 绪论 5 研究内容 研究内容包括： 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。 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。 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 6 第二章 电动助力转向系统的原理与结构 EPS 系统的结构 EPS 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 所示。 图 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。 EPS 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，电机第二章 电动助力转向系统的原理与结构 7 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。 EPS 系统的主要部件及工作原理 图 EPS 系统框图 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蓄电池电器模块 扭距传感器信号 车速传感器信号 轴重传感器信号 电源开关 接口电路 电子控制单元 驱动电路 电池离合器 故障诊断输出 电动机 电流电压反馈信号 第二章 电动助力转向系统的原理与结构 8 的影响。 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。 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。 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 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，当输入轴相对输出第二章 电动助力转向系统的原理与结构 9 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 电位式转矩传感器的结构和工作原理 第二章 电动助力转向系统的原理与结构 10 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 23示。 当方向盘处于中间位置时，主、副两路输出的信号都为 V；当方 向盘右转时，主转矩信号大于 V，副转矩信号小于 V；当方向盘左转时，主转矩信号小于 V，副转矩信号大于 V。 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 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 (Digtial Signal Processing，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。 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 11 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。 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力特性曲线调节和控制，可以较好的进行控制。 汽车电动助力转向系统的受力分析 第三章 EPS 系统助力特性分析和控制策略研究 12 EPS 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电动机的助力矩 和整个转向系统所受的转向阻力矩。 驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力，同时在 EPS 系统的电动机助力下，通过转向机构克服转向阻力矩，从而实现对汽车的转向。 转向时驾驶员作用在方向盘上的作用力以及电动机作用的助力矩大小与汽车整个转向系统所受的阻力矩有关。 (1) 驾驶员的操纵力在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。 一般驾驶员都希望转向时能操作轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有良好的 “路感 ”。 因此驾驶员对汽车的操纵力分成两种情况：一、改变汽车行驶方向时驾驶员作用在转向盘上的切向力；二、保持 汽车行驶方向不变 (包括直线运动和固定某个方向的运动 )时驾驶员保持方向盘不动的力。 这种在车轮转向角位置保持不变行驶时，驾驶员作用在转向盘上的力称为方向盘把持力。 (2) EPS 的阻力矩按产生的来源不同， EPS 的阻力矩大体上可分为 “绕主销的阻力矩 ”和 “转向系的阻力矩 ”两大部分组成。 这些转向阻力矩的各组成部分都随转向盘转角、车速、轮胎偏转角，转向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。 1) 转向系阻力矩主要包括 “转向系摩擦力矩 ”， “转向系复原力矩 ”和 “转向系惯性力矩 ”三部分。 “转向系摩擦力矩 ”主要指转向系的各部分之 间的干摩擦阻力矩的总和。 “转向系复原力矩 ”主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等的弹性变形引起的回复力产生的。 “转向系惯性力矩 ”主要由转向系内各部分在运动过程转速的变化所形成的。 2) “绕主销的阻力矩 ”大部是由路面和轮胎间的转矩形成的，它受路面状态、轮胎特性、车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向轮偏转角的变化而变化。 通常 “绕主销的阻力矩 ”按汽车不同的行车方式分成 “原地转向阻力矩 ”和 “行车转向阻力矩 ”两种。 原地转向 :指对静止不动的汽车进行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之以轮胎和路面之间发生滑移，称这一情 况所产生的转向阻力矩为原地转向阻力矩。 行车转向阻力矩指对行驶时的汽车进行转向时产生的阻力矩。 行车转向比原地转向车速增。