電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計解析

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1、電動助力轉(zhuǎn)向系的設(shè)計 1引言 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS,ElectricPowerSteering)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種工況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點。正是這些優(yōu)點，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是于20世紀(jì)80年代中期提出來的。該技術(shù)發(fā)展最快、應(yīng)用較成熟的當(dāng)屬TRW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和DelphiSagiaw(薩吉諾)轉(zhuǎn)向

2、系統(tǒng)，而DelphiSagiaw(薩吉諾)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又代表著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的前沿。她是一個于20世紀(jì)50年代把液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)推向市場的，從此以后，Delphi轉(zhuǎn)向發(fā)展了技術(shù)更加成熟的液壓助力系統(tǒng)，使大部分的商用汽車和約50%的轎車裝備有該系統(tǒng)?，F(xiàn)在,Delphi轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又領(lǐng)導(dǎo)了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次新革命--電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車機電一體化的設(shè)計思想，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向傳感裝置、車速傳感器、助力機械裝置、提供轉(zhuǎn)向助力電機及微電腦控制單元組成。 該系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向傳感器檢測到轉(zhuǎn)向軸上轉(zhuǎn)動力矩和轉(zhuǎn)向盤位置兩個信號，與車速傳感器測得的車速信號一起不斷地輸入微電腦控制單元，該控制單元

3、通過數(shù)據(jù)分析以決定轉(zhuǎn)向方向和所需的最佳助力值，然后發(fā)出相應(yīng)的指令給控制器，從而驅(qū)動電機，通過助力裝置實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。通過精確的控制算法，可任意改變電機的轉(zhuǎn)矩大小，使傳動機構(gòu)獲得所需的任意助力值。 EPS在日本最先獲得實際應(yīng)用，1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國的Lucas公司，德國的ZF公司，都研制出了各自的EPS。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將最新的

4、電力電子技術(shù)和高性能的電機控制技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能顯著改善汽車動態(tài)性能和靜態(tài)性能、提高行駛中駕駛員的舒適性和安全性、減少環(huán)境的污染等。因此，該系統(tǒng)一經(jīng)提出，就受到許多大汽車公司的重視，并進行開發(fā)和研究，未來的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電動助力轉(zhuǎn)向?qū)⒊蔀檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)主流，與其它轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在： (1) 降低了燃油消耗。 (2) 增強了轉(zhuǎn)向跟隨性。 (3) 改善了轉(zhuǎn)向回正特性。 (4) 提高了操縱穩(wěn)定性。 (5) 提供可變的轉(zhuǎn)向助力。 (6) 采用”綠色能源”，適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求。 (7) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越。 (8) 生產(chǎn)線裝配性好。 2轉(zhuǎn)向系

5、統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)及工作條件進行分析2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件和軟件兩個方面。 硬件技術(shù)主要涉及傳感器、電機和ECU。傳感器是整個系統(tǒng)的信號源，其精度和可靠性十分重要。電機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行器，電機性能好壞決定了系統(tǒng)的表現(xiàn)。ECU是整個系統(tǒng)的運算中心，因此ECU的性能和可靠性至關(guān)重要。 軟件技術(shù)主要包括控制策略和故障診斷與保護程序兩個部分?？刂撇呗杂脕頉Q定電機的目標(biāo)電流，并跟蹤該電流，使得電機輸出相應(yīng)的助力矩。故障診斷與保護程序用來監(jiān)控系統(tǒng)的運行，并在必要時發(fā)出警報和實施一定的保護措施。 桿的作用是將轉(zhuǎn)向搖臂傳來的力和運動傳給轉(zhuǎn)向梯形臂（或轉(zhuǎn)向節(jié)臂）。

6、它所受的力既有拉力，也有壓力，因此直拉桿都是采用優(yōu)質(zhì)特種鋼材制造的，以保證工作可靠。直拉桿的典型結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。在轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)或因懸架彈性變形而向相對于車架跳動時，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對運動都是空間運動，為了不發(fā)生運動干涉，上述三者間的連接都采用球銷。 圖2-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖 3左轉(zhuǎn)向橫拉桿4又轉(zhuǎn)向橫拉桿5左梯形臂6右梯形臂10齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如下：首先，轉(zhuǎn)矩傳感器測出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的操縱力矩，車速傳感器測出車輛當(dāng)前的行駛速度，然后將這兩個信號傳遞給ECU;ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計算出理想的目標(biāo)助力力矩，轉(zhuǎn)化為電流指令給電機；然后

7、，電機產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)減速機構(gòu)放大作用在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）作為傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的替代產(chǎn)品已經(jīng)進入汽車制造領(lǐng)域。與先前的預(yù)測相反，EPS不僅適用于小型汽車，而且某些12V中型汽車也適于安裝電動系統(tǒng)。 EPS系統(tǒng)包含下列組件：轉(zhuǎn)矩傳感器，檢測轉(zhuǎn)向輪的運動情況和車輛的運動情況；電控單元，根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的信號計算助力的大??；電機，根據(jù)電控單元輸出值生成轉(zhuǎn)動力；減速齒輪，提高電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力，并將其傳送至轉(zhuǎn)向機構(gòu)。 車輛系統(tǒng)控制算法輸入信息是由汽車CAN總線提供的（例如轉(zhuǎn)向角和汽車速度等等）。 電機驅(qū)動還需要其它信

8、息，例如電機轉(zhuǎn)子位置（電機傳感器提供）和相電流（電流傳感器提供）。 電機由四個MOSFET控制。由于微控制器無法直接驅(qū)動MOSFET的大型柵電容，因此需要采用驅(qū)動IC形式的接口。出于安全考慮，完整的電機控制系統(tǒng)必須實施監(jiān)控。將電機控制系統(tǒng)集成在PCB上，通常包含一個繼電器，該繼電器可作為主開關(guān)使用，在檢測出故障的情況下，斷開電機與電控單元。 微控器（^C）必須控制EPS系統(tǒng)的直流有刷電機。微控器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器提供的轉(zhuǎn)向輪所需轉(zhuǎn)矩信息，形成一個電流控制回路。為了提高系統(tǒng)的安全水平，該微控器應(yīng)有一個板載振蕩器，這樣即使在外部振蕩器出現(xiàn)故障的情況下，亦可確保微控器的性能，同時還應(yīng)具備片上看門狗。

9、英飛凌公司的XC886集成了所有重要的微控器組件，其它安全特性可通過軟件實現(xiàn)，如果必須執(zhí)行IEC61508等行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，就不得不完成各種診斷和自檢任務(wù)，因而會增加微控器的工作負(fù)荷。目前不同客戶采用的轉(zhuǎn)矩傳感器與轉(zhuǎn)子位置傳感器差別很大。他們采用不同的測量原理，如分解器、電磁共振器、基于傳感器的集成巨磁阻（IGMR）。 功率級的作用是開關(guān)電機電流。該功率級具有兩個功能：驅(qū)動IC控制和保護MOSFET,MOSFET本身又可負(fù)責(zé)開關(guān)電流。MOSFET和分區(qū)（例如驅(qū)動IC與MOSFET結(jié)合在一個器件或多個器件內(nèi)）由電機功率決定。 微控器的PWM輸出端口提供的驅(qū)動電流和電壓太低，無法直接與MOS

10、FET柵極實現(xiàn)連接。驅(qū)動IC的作用是提供充足的電流，為MOSFET的柵極進行充電和放電，使其在20kHz的條件下正常實現(xiàn)開關(guān)，同時保證為高低側(cè)MOSFET提供高柵源電壓Vgs,確保獲得低導(dǎo)通電阻。如果高側(cè)MOSFET處于開通狀態(tài)，源極電位就接近電池電平。要想使MOSFET到達標(biāo)稱導(dǎo)通電阻，柵源電壓需高于8V。MOSFET完全導(dǎo)通所需的最理想的電壓是10V或以上，因此所需的柵極電位就比電池電壓高出10V。電荷泵是確保該功能最大程度降低MOSFET功耗（即使低電池電壓條件下）的電路。圖2說明，英飛凌驅(qū)動IC即使在8V電池電壓條件下，其低高側(cè)MOSFET的柵源電壓也可達到11V。這將確保在低電池電壓

11、條件下，獲得低功耗和高系統(tǒng)效率。 電荷泵設(shè)計的其它關(guān)鍵特性是可以根據(jù)不同PWM模式的要求，實現(xiàn)極低（低至1%）和極高的占空比（高至100%）。驅(qū)動IC的另一個重要功能是檢測短路情況，避免損壞MOSFET。受影響的MOSFET將關(guān)閉，診斷結(jié)果提交給微控器。電流水平可實現(xiàn)調(diào)節(jié)。 MOSFET通常應(yīng)用在一個多半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)，由驅(qū)動IC控制。根據(jù)ISO7637規(guī)定，在12V電網(wǎng)中，電池電壓通?？筛哌_16V。在選擇MOSFET電壓級別時，必須針對二極管恢復(fù)過程中所出現(xiàn)的感應(yīng)瞬變現(xiàn)象提供足夠的安全邊際（Lsxdl/dt,Ls代表雜散電感，dl/dt代表開關(guān)時的電流斜率）。在低dl/dt和低雜散電感的系

12、統(tǒng)中，可使用30VMOSFET,但通常最好使用40V的MOSFET，可提供更高的安全邊際。最新的40VMOSFET技術(shù)采用D2PAK（TO263）封裝在2mm和180A條件下，以及采用較小的DPAK（TO252）裝封在低于4mm和90A的條件，可提供極低的導(dǎo)通電阻，使EPS系統(tǒng)設(shè)計具備極高的功率密度和效率。 2.2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型 根據(jù)助力電動機助力位置不同，可分為轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS:Column-EPS）、齒輪軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（P-EPS:Pinion-EPS）及齒條軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（R-EPS:Rack-EPS）。 轉(zhuǎn)向軸助力式EPS的電動機固定在轉(zhuǎn)向

13、軸的一側(cè)，通過減速機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向，如圖2-2所示。 轉(zhuǎn)向盤 圖2-2轉(zhuǎn)向軸助力式EPS 齒輪助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動齒輪助力轉(zhuǎn)向，如圖2-3所示。與轉(zhuǎn)向軸助力式相比，可以提供較大的轉(zhuǎn)向力，適用于中型車。其助力控制特性方面 增加了難度。 轉(zhuǎn)向盤 圖2-3齒輪助力式EPS 齒條助力式EPS的電動機和減速機構(gòu)直接驅(qū)動齒條提供助力，如圖2-4所示。與轉(zhuǎn)向器小齒輪助力式相比，齒條助力式可以提供更大的轉(zhuǎn)向力，適用于大型車。對原有的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)有較大的改變。 轉(zhuǎn)向盤 圖2-4齒條助力式EPS 車速信號 2.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械

14、部分工作條件 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成包括扭距傳感器、車速傳感器、控制單元（ECU）、電動機、減速機構(gòu)和離合器等，如圖2-5所示。 齒輪圖2-5電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在EPS系統(tǒng)中，傳感器主要應(yīng)用了扭距傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器。扭距傳感器時刻檢測轉(zhuǎn)向盤的運動狀況，將駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的方向、角度、信息傳送給控制單元作輸入信號。轉(zhuǎn)速傳感器用于測量轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)速度，速度傳感器測量車輛的行駛速度，兩者的測量結(jié)果同樣送到控制單元作為輸入。 控制單元是EPS系統(tǒng)的核心部分，也是EPS系統(tǒng)研究的重點。目前普遍將控制單元設(shè)計為數(shù)字化，一般以一個八位或十六位微處理器為核心，外圍集成A/D電

15、路、輸入信號接口電路、報警電路、電源。要求具有簡單計算、查表、故障診斷處理、儲存、報警、驅(qū)動等功能。 電動機的功能是根據(jù)控制單元的指令輸出適宜的輔助扭矩，是EPS的動力源。電動機對EPS的性能有很大的影響，是EPS的關(guān)鍵部件之一，所以EPS對電動機很重要。不僅要求低轉(zhuǎn)速大扭矩、波動小、轉(zhuǎn)動慣量小、尺寸小、質(zhì)量輕，而且要求可靠性高、易控制。在現(xiàn)有設(shè)計中電動機主要采用直流電動機和無刷永磁式電動機，驅(qū)動電路根據(jù)采用的電動機和控制策略不同而不同。 EPS的減速機構(gòu)與電動機相連，起減速增扭作用。常采用渦輪蝸桿機構(gòu)，也有采用行星齒輪機構(gòu)。 EPS的離合器，裝在減速機構(gòu)的一側(cè)，是為了保證EPS只有在預(yù)

16、先設(shè)定的車速行駛范圍內(nèi)起作用。當(dāng)車速達到某一值時，離合器分離，電動機停止工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向。另外，當(dāng)電動機發(fā)生故障時離合器將自動分離。 由圖2-5可見，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)基礎(chǔ)上增加信號傳感裝置、控制單元和轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)。EPS的轉(zhuǎn)向軸由靠扭桿相連的輸入軸和輸出軸組成。 輸出軸通過傳動機構(gòu)帶動轉(zhuǎn)向拉桿使車輪轉(zhuǎn)向，輸出軸除通過扭桿與輸入軸相連外，還經(jīng)行星齒輪減速機構(gòu)一離合器與主力電動機相連。駕駛者在操縱轉(zhuǎn)向盤時，給輸入軸輸入了一個角位移，輸入軸和輸出軸之間的相對角位移使扭桿受扭，扭距傳感器將扭桿所受到的扭矩轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入電控單元；與此同時，車速傳感器檢測到的車速信號

17、頁輸入電控單元，電控單元綜合轉(zhuǎn)向盤的輸入力矩、轉(zhuǎn)向方向以及車速等信號，判斷是否需要力矩以及力矩的方向。若需要力矩，貝U依照既定的助力控制策略來計算電動機助力轉(zhuǎn)矩的大小并輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路提供相應(yīng)的電壓或電流給電動機，電動機輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩由蝸輪蝸桿傳動裝置放大再施加給轉(zhuǎn)向軸起助力作用，從而完成實時控制助力轉(zhuǎn)向；若出現(xiàn)故障或超出設(shè)定值則停止給電動機供電，系統(tǒng)不提供助力，同時，離合器切斷，以避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受電動機慣性力矩的影響。系統(tǒng)轉(zhuǎn)為人工手動助力。工作過程如圖2-6所示。 圖2-6電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程圖3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)分析3.1EPS典型助力曲線

18、 EPS的助力特性具有多種曲線形式，圖3-1為三種典型的EPS助力特性曲線。這里將圖中助力曲線分為三個區(qū)，0

19、的方向盤輸入扭矩。 3.1.1折線型助力特性 圖3-1-b所示為典型的折線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤扭矩成分段型關(guān)系，該助力特性曲線可以用下列函數(shù)表示。 n。江％一上心?(7；叫)珥的?(7/崩HUMLLf 式中，K1(V),K2(V)分別為助力特性曲線的斜率，隨車速增加而減??；Td1為助力特性曲線梯度由K1(V)變?yōu)镵2(V)時的方向盤輸入扭矩。 3.1.1曲線型助力特性 圖3-1-c為典型曲線型助力特性曲線，它的特點是在助力變化區(qū)，助力與方向盤輸入扭矩成非線性關(guān)系，該助力特性曲線用以下函數(shù)表示。 U。姬1小煩)Wfy 比較上述三種助力特性曲

20、線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性曲線有利于實現(xiàn)連續(xù)、均勻助力，但控制復(fù)雜、調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間，從設(shè)計、調(diào)整和實用的角度看，采用直線型助力特性可以基本滿足實際需要。 3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受力分析 EPS系統(tǒng)所受的力主要有駕駛員作用在方向盤的操縱力、點擊的助力矩和整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩。駕駛員在轉(zhuǎn)向時作用在方向盤上的操縱力，同時在EPS系統(tǒng)的電動機助力下，通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)克服轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)對汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在方向盤上的作用力以及電動機作用的助力矩大小與汽車整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受的阻力矩有關(guān)。 (1) 駕駛員的操縱力

21、 駕駛員對汽車的操縱力分成兩種情況：一、改變汽車行駛方向是駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力；二、保持汽車行駛方向不變(包括直線運動和固定某個方向的于東)時駕駛員保持方向盤不動的力。這種在車輪轉(zhuǎn)向角位置保持不變，行車時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力稱為方向盤把持力。 (2) EPS的阻力矩 按產(chǎn)生的來源不同，EPS的阻力矩大體上可分為“繞主銷的主力矩”和“轉(zhuǎn)向系的阻力矩”兩大部分。這些轉(zhuǎn)向阻力距的各組成部分都隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、輪胎偏離角、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角速度和車輛側(cè)偏角變化而變化。 。轉(zhuǎn)向系阻力矩主要包括“轉(zhuǎn)向系摩擦力矩”，“轉(zhuǎn)向系復(fù)原力矩”和“轉(zhuǎn)向系慣性力矩”三部分?！稗D(zhuǎn)向系摩擦力矩”主要指轉(zhuǎn)向系的

22、各部分之間的干摩擦阻力矩的總和。“轉(zhuǎn)向系復(fù)原力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)回位彈簧、內(nèi)橡膠襯套等彈性變形引起的回復(fù)力產(chǎn)生的?！稗D(zhuǎn)向系慣性力矩”主要由轉(zhuǎn)向系內(nèi)各部分在運動過程轉(zhuǎn)速的變化所形成的。 ②“繞主銷的阻力矩”大部分是由路面和輪胎間的轉(zhuǎn)矩形成的，它受路面狀態(tài)、輪胎特性、車輪定位參數(shù)和負(fù)荷等的影響，隨著車速和轉(zhuǎn)向輪偏離角的變化而變化。 通?！袄@主銷的阻力矩”按汽車不同的行車方式，分成“原地轉(zhuǎn)向阻力矩”和“行車轉(zhuǎn)向阻力局”兩種。原地轉(zhuǎn)向：指靜止不動的汽車進行轉(zhuǎn)向時，首先是輪胎發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，繼之以輪胎和路面之間發(fā)生滑移，稱這一情況所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩為原地轉(zhuǎn)向阻力矩。目前常用的經(jīng)驗公式如下： Mr原地

23、轉(zhuǎn)向阻力/■輪胎與地面間的滑動摩擦系數(shù)（一般取0.7）G1轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）戶輪胎氣壓（MPa） 行車轉(zhuǎn)向阻力矩指對行駛的汽車進行轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的阻力矩。行車轉(zhuǎn)向比原地轉(zhuǎn)向車速增加了，接地面積滾動成分增加，轉(zhuǎn)向阻力矩也突然減小。不過，車輛如以更高的車速轉(zhuǎn)向行駛，由于輪胎發(fā)生偏離形成自動回正力矩，促使輪胎平面和輪胎行進方向趨向一致。這樣行車轉(zhuǎn)向中所受轉(zhuǎn)向阻力距就大致和原地轉(zhuǎn)向時相仿。高速行車中，由輪胎偏離角所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩是隨主銷后傾角增大而增大的。 因此影響“繞主銷的阻力矩”的因素有輪胎接地的單位面積壓力、接地面積、摩擦系數(shù)等。顯然，負(fù)荷愈大，輪胎氣壓愈低，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將愈大。同時輪胎和路

24、面間的摩擦系數(shù)增大，原地轉(zhuǎn)向阻力矩也將增大。 （3）“電動機阻力矩”是電動機為了提高汽車操縱的輕便性而對轉(zhuǎn)向系施加的力矩。它的大小由EPS的ECU根據(jù)傳感器傳來的車速和力矩信號來決定。 4汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響4.1轉(zhuǎn)向路感 汽車轉(zhuǎn)向的輕便性與路感時相互矛盾的，一般駕駛員都希望車輛轉(zhuǎn)向時力“輕”些好，即在轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)提供很大的助力，這樣可以減少駕駛員的體力消耗，但轉(zhuǎn)向太“輕”又不好,因為轉(zhuǎn)向力中還包含著前輪側(cè)向力的信息，使汽車的運動狀態(tài)（包括車輪與路面的附著狀態(tài)）與駕駛員手上的力有一種對應(yīng)關(guān)系，這就是“路感”[20],如果這種“路感”很清晰，駕駛員就會感到“心中有數(shù)”，

25、有把握地操縱汽車，所以轉(zhuǎn)向力又不能太小。確切地說，轉(zhuǎn)向力中雨前輪側(cè)向力有對應(yīng)關(guān)系的那部分（回正力矩部分）不能太小，而與前輪側(cè)向力無關(guān)的各種摩擦力矩則越小越好。 汽車轉(zhuǎn)向輕便性是對低速行駛時（如原地轉(zhuǎn)向）提出的要求，而路感則是針對汽車高速行駛時提出。使駕駛員感到此種力反饋及其差別。清晰的路感，對駕駛員非常重要，特別是在高速行駛時，它能夠給駕駛員提供一種正確判斷車輪與路面附著情況的信息[21],讓駕駛員心中有數(shù)，以便在不同的道路條件下，采用合適的運行方式（高速，轉(zhuǎn)向和制動），確保車輛的行駛安全。因此，在某種意義上說，路感實際上是給與駕駛員操縱汽車的一種安全感，做到心中有數(shù)、防患于未然。通常，路感

26、按汽車的行駛狀態(tài)或轉(zhuǎn)向盤的位置，可與分高速直線行駛、轉(zhuǎn)向和回正過程的路感。 4.2轉(zhuǎn)向靈敏度 轉(zhuǎn)向靈敏度對汽車操縱十分重要，它是衡量汽車操縱性能的主要指標(biāo)，反應(yīng)了汽車隊對轉(zhuǎn)向動作的響應(yīng)快慢。它可以采用汽車的側(cè)向加速度對轉(zhuǎn)角的微分來表示，也可用汽車的橫擺角速度與轉(zhuǎn)角之比來表示。這里選擇從轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角到汽車的橫擺角速度的傳遞函數(shù)來表示轉(zhuǎn)向靈敏度，因為更能直接體現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車系統(tǒng)的綜合性能。 若助力電動機電樞電流與扭矩傳感器檢測值成比例，即采用電流控制方法。扭距傳感器的測試值為"玖一*）,則有/二KEF &⑸M⑸ 如$)'海) 式中M0=K,+G、KKdM$)=(孔++(尻+瓦g

27、「)s+gakkW+票 。⑶根據(jù)轉(zhuǎn)向靈敏度的定義，可得轉(zhuǎn)向靈敏度函數(shù)r(5)r(s)S(s)3(s)X(s)M(s) 4(s)3(s)於)0h(s)G2Z(s)N(s) 4.3轉(zhuǎn)向回正能力 在汽車行駛中駕駛員進行轉(zhuǎn)向時，回正力矩能夠使轉(zhuǎn)向盤自動地回到中間位置，這有助于駕駛員回正方向，但有時回正力矩會帶來過多的沖擊，使得轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性變差。傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能通過它的慣性和自身的摩擦產(chǎn)生一些阻尼效果，但卻是很被動。相反，在EPS系統(tǒng)中可以通過控制助力電機來獲得適當(dāng)?shù)淖枘嵝Ч?。另一方面，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦損失力矩過大時，又就會阻礙轉(zhuǎn)向盤的回正。就此，提出一種通過控制電機提供回復(fù)助力，可以獲得良好

28、的回正能力。 回正特性控制策略可分為兩種算法。一種為回正算法，其主要功能是使轉(zhuǎn)向輪快速而準(zhǔn)確的回到中心位置，尤其是當(dāng)內(nèi)部摩擦阻礙回正時；另一種是主動阻尼算法，它可使轉(zhuǎn)向輪在阻尼作用下很好的回位而避免出現(xiàn)沖擊振動。為達到此目的，研究中采用如下的PID控制器。 ui-K+A4JGkndz+KA*. 式中，u2為回正時電機控制信號；K3K4K5是控制器的增益。 當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角大時，式中的P1部分產(chǎn)生較大的回正轉(zhuǎn)矩或回復(fù)助力轉(zhuǎn)矩，以便幫助回正，而當(dāng)回正過急時，微分部分產(chǎn)生主動阻尼控制，避免回正沖擊振動和超調(diào)，因此，可以通過調(diào)整控制器的增益系數(shù)來獲得不同的回正特性[22]。 5結(jié)論 本文對電動

29、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型、各可變參數(shù)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評價指標(biāo)的影響、助力特性曲線的研究以及對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性能的影響進行了分析，得到以下主要結(jié)論： 影響電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的主要評價指標(biāo)：轉(zhuǎn)向路感和轉(zhuǎn)向靈敏度的因素很多，在進行EPS系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮這些影響因素。但是有一些因素(如電動機的電氣參數(shù)、各部件的粘性摩擦系數(shù)等)是不可以任意選擇的。因此要想獲得較好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，就必須改變EPS各可變參數(shù)以獲得最佳的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能。 裝備有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車要保持穩(wěn)定，必須使得電動機轉(zhuǎn)動慣量、扭矩傳感器剛度、助力機構(gòu)傳動比、控制器助力增益滿足由Louth判據(jù)得到的兩個

30、穩(wěn)定性條件。 通過研究，本文得到了一些有益的結(jié)論，但由于時間和條件的限制，認(rèn)為還有進一步的工作要做。論文中對相關(guān)軟件的運用還不是很熟練，還需要大量的時間和努力去完成每一個可變系數(shù)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變化的仿真，在以后的學(xué)習(xí)中要不斷加強這個方面的研究以確保對目標(biāo)仿真快速準(zhǔn)確有效地完成。 參考文獻： [1] 劉晶晶.輕型汽車電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與試驗[D].吉林大學(xué).2011年劉步豐.汽車中的EPS系統(tǒng)應(yīng)用分析.科技資訊.2012,10:U463.4梁瑞香.電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用分析[J].科技致富向?qū)?2011年09期晉兵營，寧廣慶，施國標(biāo).汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車.2010年01期孫經(jīng)瑞，張翼，史小航，李俊青.汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展綜述[J].重型汽車；2011年02期丁志剛，宋洪烈.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡述[J];海峽科學(xué).2010年12期劉曉鑫.重型車輛的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析[D].吉林大學(xué).2011年張永輝.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性仿真研究[J],汽車科技.2009王迅.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EP0技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].湖南汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2008金釗.基于模糊控制的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計[D].武漢理工大學(xué)機電學(xué)院，2008孫租明.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感特性分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009