交通运输毕业设计-电动助力转向系统的应用现状及发展趋势

交通运输毕业设计-电动助力转向系统的应用现状及发展趋势内容摘要：

车速传感器的脉冲信号频率也将随车速的增加而增加，但位置的占空比在任何速度下保持恒定不变，车速传感器越高，在示波器上的波形脉冲也就越多。 然而确认从一个脉冲到另一个脉冲的幅度，频率和形状是一致的，这就是说波形幅度要够大，通常等于传感器的供电电压。 两脉冲间隔要一致，形状也要一致，且与预期的相同。 要确定波形的频率与车速同步，并且占空比决无变化，还要观察如下内容： （ 1） 观察波形的一致性，检查波形顶部 和底部尖角。 （ 2） 观察幅度的一致性：波形高度应相等，因为给传感器的供电电压是不变的。 8 有些实例表明波形底部或顶部有缺口或不规则，这里关键是波形的稳定性不变，若波形对地电位过高，则说明电阻过大或传感器接地不良。 （ 3） 观察由行驶性能问题的产生和故障码出现而诱发的波形异常，这样可以确定与顾客反映的故障或行驶性能故障产生的根本原因直接有关信号问题。 虽然霍尔效应传感器一般设计能在高至 150℃的温度下运行，但它们的工作仍然会受到温度的影响，许多霍尔效应传感器会在一定的温度下会失效。 （ 4） 如果示波器显示波形不正常，检查被干扰的线或连接 不良的线束，检查示波器和连线，并确定有关部件转动正常。 当示波器显示故障时，摇动线束，这可以提供进一步判断，以确认霍尔效应传感器是否是故障的根本原因。 3）光电式车速传感器 光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。 一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号（开关脉冲），发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。 转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三 极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。 从示波器上观察光电式车速传感器输出波形的方法与霍尔式车速传感器完全一样，只是光电传感器有一个弱点，即它们对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感，所以光电传感器的功能元件通常被设计成密封得十分好，但损坏的分电器或密封垫容器在使用中会使油或赃物进入敏感区域，这会引起行驶性能问题并产生故障码。 助力电动机 助力电动机 [7]是 EPS 系统的执行元件和关键部件，对 EPS 系统的性能有很大的影响，其驱动电路图如下图 24 所示。 助力电 动机的特性直接影响到 EPS 系统控制的难易程度和驾驶员的手感。 由于控制系统需要根据不同的工况产生不同的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的机械特性和调速特性。 EPS 系统对助力电动机的基本要求是：应具有较高的可靠性，较大的功率，较低噪声和较小的振动，较低的摩擦转矩，较小的体积和重量；能够在各种转动情况下输出转矩；有良好的机械特性，在工作过程中，转矩波动应尽量要小；转动惯量应尽可能小；应能快速的反转。 9 图 24 助力电动机驱动电路图 目前 EPS 系统的助力电动机通常有永磁直流电动机，直流无刷电动机和开关磁阻电动机等。 直流有刷电动机技术成熟，控制器简单，成本低，但存在电刷容易磨损，功率密度低，由换向器的电火花产生的电磁干扰等缺点。 直流无刷永磁电动机采用电子换向，减少了换向时的电火花，不需要经常维护以及具有无激磁损耗、较高的效率和功率密度，体积较小等特点而受到越来越多的关 注。 因此，开发适合 EPS 系统使用的低成本，高功率密度的直流无刷电动机是今后电动机的研究方向。 减速机构 减速机构与电动机相连，电动机输出的扭矩经减速机构减速增扭后驱动转向轴 ，小齿轮或齿条，起到减速增扭作用，即用来增大电动机传递给转向器的转矩。 EPS 系统的减速机构主要形式有：循环球螺杆螺母，差动轮系机构，双行星齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构等 [8]。 由于减速机构对系统工作性能的影响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要求。 为降低噪声和减小振动，减轻 EPS 系统的自 重，减速机构多采用树脂材料制成。 为了保证 EPS 系统旨在预先设定的车速范围内起作用，有的 EPS 系统还配用离合器。 当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。 另外，当电动机发生故障时，离合器将自动分离。 电磁离合器 电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。 电磁离合器可分为：干式单片电磁离合器，干式多片电磁离合器（如图 25 所示），湿式多片电磁离合器，磁粉式离合器，多片摩擦式电磁离合器等。 电磁离合器按工作方式又可分为：通电结合电磁离合器和断电结合电磁离合器。 10 1外连接件： 2衔铁： 3摩擦片组： 4磁轭： 5滑环： 6线圈： 7传动轴套 图 25 多片摩擦式电磁离合器 电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。 当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。 此外，在 EPS 系统不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。 为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器状态区域 [9]。 电磁离合器具有以下特点： （ 1）高速响应：因为是干式类，所以扭力的传达很快，可以达到便捷的动作。 （ 2）耐久性强：散热情况良好，而且使用了高级的材料，即使 是在高频率，高能量的工作条件系统使用，也十分耐用。 （ 3）组装维护容易：属于滚珠轴承内藏的磁场线圈静止形，所以不需要将中蕊取出也不必利用碳刷，使用简单，维护容易。 （ 4）动作确实：使用板状弹片，虽有强烈震动亦不会产生松动，耐久性佳。 电控单元 (ECU) ECU 实际上是一个“电子控制单元” (Electronic Control Unit)[10]，一般是汽车内部系统控制模块的代名词。 它是由输入电路、微机和输出电路等三部分组成，它的主要部分是微机，而核心件是 CPU，其构成模块图如图 26 所示。 ECU 将 输入信号转化为数字形式，根据存储的参考数据进行对比加工，计算出输出值，输出信号再经功率放大去控制若干个调节伺服元件，例如继电器和开关等。 电控单元 (ECU)是电控系统的核心，安装在轿车右前轮罩后板处， ECU 一般采用通用且功能集成，开发容易 11 的 CPU；软件一般用 C 语言来编写，并且提供了丰富的驱动程序库和函数库，有编程器，仿真器，仿真软件，还有用于 calibration 的软件。 博世，德尔福，电装，大陆的 VDO 等都是汽车 ECU 行业的领导者。 图 26 电控单元构成模块示意图 电控单元 (ECU)的功能是根据转向盘转 角，转矩和车速信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制助力电动机的动作。 此外， ECU 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况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时 ECU 将进行故障诊断分析。 电动助力转向系统的控制框图如图 27 所示，工作流程图如图 28 所示。 图 27 电动助力转向系统控制框图 12 电动助力转向系统的工作原理：汽车处于起动或者低速行驶状态时， 操纵转向盘转向，装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效 [11]；当车速超过一定的临界值或者出现故障时，为保持汽车高速时的操控稳定性， EPS 系统退出助力工作模式，转向系统转人手动转向模式。 不转向的情况下，电动机不工作。 电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时的为汽车转向 供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。 图 28 电动助力转向系统工作流程图 电动助力转向 系统与传统的液压动力转向系统相比有以下优点 [12]： （ 1）电动助力转向 系统能在各种行驶工况下提供助力。 电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的调整。 在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提高车辆的转向轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”，提高了车辆稳定性。 （ 2）电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。 13 （ 3）提高了汽车的燃油经济性，城市工况下燃油经济性可以提高 %，平均节省燃油 3%。 电动助力转向 系统仅在汽车转向时才提供助力，不像传统的液压动力转向系统即使在不转向时，油泵也一直运转。 （ 4）电动助力转向 系统结构紧凑，零件数量较少，便于安装和装配，提高了劳动生产率。 由于省去了装于发动机上的皮带轮和油泵，流出的空间可以用于安装其 他部件。 FIAT 亚菲特汽车 公司生产的 Pinto 采用了 Delphi（ 是 Windows 平台下著名的快速应用程序开发工具 Rapid Application Development，简称 RAD）公司开发的电动助力转向系统，装车时间减少了 80%左右。 （ 5）电动助力转向 系统取消了液压回路，不存在渗油和漏油问题，减少了对环境的污染，同时又节省了大量的转向助力油。 （ 6）电动助力转向 系统具有结构紧凑，质量轻，生产线装配好，自我诊断的功能，便于维修和保养，转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾低速时的转向轻便性和高速时的操 纵稳定性，回正性能好。 （ 7）电动助力转向 系统具有良好的低温工作性能，即使在 40℃ 的环境下， 电动助力转向 系统也能很好地工作，具有更高的可靠性，安全性。 （ 8）电动助力转向 系统最大的优点就是整个系统的性能可以在不改变系统结构的情况下，通过改变系统的控制策略，编程来发现，从而满足不同的车型和不同的驾驶感觉的需要，通过程序的设置，电动助力转向系统容易与不同车型匹配，可以缩短生产和开发的周期，大大减低了开发的成本，提高了开发效率。 由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的应用。 3 电动助 力转向系统的关键技术及电流控制 电动助力转向系统的关键技术 电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 [13]： 硬件技术主要涉及传感器、电机和 ECU。 传感器是整个系统的信号源，其精度和可靠性十分重要。 电动机是整个系统的执行器，电动机性能好坏决定了电动助力转向系统的表现。 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 14 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。 EPS 系统的研究开发涉及电动机的驱动技术、非接触式传感器技术、转向控制技术（包括助力控制、回正控制、阻尼模式和惯性控制）以及 EPS 系统与整车性能等多方面的难题。 （ 1）电动机驱动技术： EPS 系统中电动机要求端电压低，而功率相对较高，所以电动机电流较大，这给驱动单元的电子器件选择和电路设计带来一定的困难，这是EPS 系统开发的关键技术之一。 （ 2）非接触传感器技术： EPS 系统中的方向盘转矩传感器要求结构简单，工作可靠，价格便宜，精度适中。 目前国外 EPS 系统中的转矩 传感器多为非接触式（电磁感应式、光电式等），而接触式转矩传感器（滑动电阻式）应用较少。 国内非接触式传感器价格较高，不适合用于 EPS 系统中，必须开发出一种符合以上要求的转矩传感器。 （ 3）转向控制技术： EPS 系统在原有的机械式转向系统中增加了电机和减速器使转向操纵机构的惯性增大，为此必须引入惯性控制和阻尼控制。 避免在电机开始助力和结束助力时对转向操纵产生影响。 同时，为了更好的路感，必须根据汽车的行驶速度和转向状态确定合理的助力的大小和方向。 目前国外在助力控制、回正控制等方面都提出了很多先进的控制策略，并取得了 比较好的控制效果。 （ 4） EPS 系统与整车性能相匹配：汽车是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。 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。 电动助力转向系统的电流控制 EPS 系统的电流控制方式控制过程为：控制器根据转向盘转矩传感器的输 Ts 和车速传感器的输出 V 由助力特性确定电动机的目标电流 I，然后电流控制器控制电动机的电流 Icmd， 使电动机输出目标助力矩。 因此 EPS 系统的控制要解决两个问题：确定助力特性和跟踪该助力特 性。 整个控制器可分为上、下两层，上层控制器用来根据基本助力特性及其补偿调节，进行电动机目标电流的决策；下层控制器通过控制电动机电枢两端的电压，跟踪目标电流。 电流控制策略如图 31 所示： EPS 系统的上层控制器用来确定电动机的目标电流 [14]。 根据 EPAS 的特点，上层控制策略分为助力控制、阻尼控制和回正控制。