EPS系统助力特性研究

朱绍明，李腾飞

（1. 西安市公共交通总公司客车总厂，陕西 西安 710082；2. 长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

EPS系统助力特性研究

朱绍明1，李腾飞2

（1. 西安市公共交通总公司客车总厂，陕西 西安 710082；2. 长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

EPS系统控制的核心部分是助力特性，它的优劣直接影响着助力电机的性能。因此有必要对助力特性曲线进行研究，并给出确定助力特性曲线的方法。

EPS；助力电机；助力特性

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-93-03

引言

EPS的控制目标是助力特性，是指转向提供助力的大小随着方向盘输入转矩、车速的变化而变化，它的好坏直接影响整个EPS系统的性能，可以通过对助力特性的调整来改善驾驶员转向路感与转向轻便的矛盾。

1、EPS系统助力特性的基本问题

现如今比较常见的助力特性曲线有三种类型[1]：直线型、折线型、曲线型，如图1所示。图中所示的三种曲线都可以分成三个区域：无助力区域、助力变化区域、助力不变区域。

按照助力时车速范围的不同将助力特性曲线分为两种：全车速范围助力型、中低速范围助力型。全车速范围助力型顾名思义是在整个车速范围内都可提供助力。而中低速范围助力型只有在车速低于某个设定值时，助力电机才提供助力，当高于设定的这个车速值时，助力电机不提供助力，转换为机械转向，这种形式的助力特性曲线在车速设定值时会有转向力的突变。

通过对比这三种曲线，我们可以发现它们各自的优缺点。直线型助力特性曲线具有以下优点[2]：因为目标电流与方向盘转矩成线性关系，参数调整相对容易，控制算法也比较简单，但是缺点也很明显，除了不同车速下，车速感应系数不同，在助力区域，不同的方向盘输入力矩，助力方式一样，这样会造成转向路感太单一，不能针对实际道路条件，来协调驾驶员转向轻便性与路感的关系。然而曲线型助力特性曲线也很明显：克服了直线型的缺点，可以根据不同的方向盘输入转矩，适时调整，作用不用的助力方式，此种曲线形式是理想的助力特性曲线。但是缺点是：由于这种不同的助力方式，使得控制系统的计算时间延长，势必会造成电动助力转向机构的灵敏性。折线型助力特性曲线介于两者之间。

2、EPS系统对助力特性的基本要求

在EPS系统中，助力大小是由助力电动机的电流决定，而助力电流又是根据助力特性曲线的确定而确定的。从前面可知，助力特性曲线是由电控单元采集到的车速信号、方向盘转矩信号决定，这些可以由软件设置，在设计助力特性曲线之前对助力特性有如下几点要求：

（1）当方向盘输入转矩小于某一设定值时，助力电机不起作用，助力矩应为零。

（2）当方向盘输入转矩在很小的范围内，助力电机输出电流应很小，为保证驾驶员较好的路感。

（3）当方向盘输入转矩在较大的范围内，助力电机输出电流应较大，提供较大助力，为保证驾驶员转向轻便性。

（4）原地转向时，应尽可能的发挥助力作用，因为原地转向时受到的阻力矩最大。

（5）当方向盘输入力矩较小，随着车速的升高，助力电机输出电流应跟小，甚至在高速时，应该停止助力，以保持驾驶员较好的路感

（6）助力区域与不助力区域之间的过度应该平缓，防止出现方向盘打手现象。

3、助力特性曲线的确定方法

通过查阅国内外参考文献，主要由三种方法对助力特性曲线进行确定。第一种方法是通过大量试验确定助力特性曲线。试验时，先设定一个车速，在这一车速下进行转向试验，通过改变车速感应系数的大小，使方向盘转矩达到在这一车速下的理想方向盘转矩，并记录下此时助力电机的助力电流值，这样我们就可以得到在这一车速下的车速感应系数值。改变车速，重复这一实验过程，我们就得到了一组在不同车速下对应的车速感应系数。运用此种方法的优点是更贴近实际转向情况，缺点也很明显，需要进行大量的试验采集数据。第二种方法是通过各种控制方法来确定，通过调整控制参数来满足助力要求。常用到的控制方法有：模糊控制理论、模糊PID控制理论、神经网络控制理论等。运用此种方法的优点是只需调整控制参数来满足转向要求，缺点是也需要试验验证，是否符合实际转向情况[3]。

本文采用第一种方法确定电动助力转向系统的助力特性曲线，通过实验数据进行拟合。

4、电动助力转向系统助力特性曲线设计

确定直线型助力特性曲线的三个特征值是确定直线型助力特性曲线的关键。这三个特征值分别是：开始助力时的点坐标Td0，最大助力时Tdmax以及车速感应系数Kv。

4.1 Td0、Tdmax的确定

4.1.1 无助力区段和助力变化区段力矩分界点Td0的确定

转向轻便性与驾驶员的路感是相互矛盾的，转向助力越大，转向时越轻便，可以减少消耗驾驶员的体能。但是转向助力过大，会使驾驶员产生发飘的感觉，也就是常说的缺乏路感。为此，为驾驶员提供的转向助力应该大小合适，合理的助力特性曲线能够同时兼顾转向轻便和转向路感。当方向盘力矩在小于某一个设定值是，如果助力电机继续助力，会造成驾驶员失去操纵方向盘的感觉。因此设置一个区间使得助力电机在这个区间是不工作的，这样也减少了能源消耗。本文参考相关文献，取Td0=1Nm

4.2.2 最大助力时Tdmax的确定

助力区和不助力区都不能过大，一方面是因为人的体力是有限的，另一方面它要与EPS系统的参数相匹配，保证助力电机输出的最大电流小于确定的目标电流。在QC/T480-1999操纵稳定性指标限制与评价方法中明确指出，平均驾驶员操纵方向盘的操纵力矩在15—20N之间，而最大操纵方向盘的切向力在 30—80N之间。综上考虑并参考相关资料，本论文选取的最大操纵切向力为30N，当有转向助力时，我们可以根据下式来计算最大输入方向盘转矩：

其中，Tdmax是方向盘的最大转矩；D是方向盘的直径；Fmax为最大操纵切向力，取D=0.5m，Fmax=30N，根据上式计算得到Tdmax=7.5N.m。

4.2 零车速时及不同车速时车速感应系数的确定

4.2.1 零车速时车速感应系数Kv的确定

当车辆在原地转向时，受到的转向阻力距很大，主要包括：车轮绕主销的助力、轮胎的变形阻力和转向系统内部的摩擦阻力等。针对不同的车辆类型和轮胎类型，受到的这些阻力矩不可能完全相同，然而对这些力进行精确的计算是不易的。因此本文应用足够精确的半经验公式来计算汽车在不同路面上的原地转向阻力矩，公式如下所示：

其中，MR是原地转向时受到的最大转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的动摩擦因数，通常取0.7；G1是轴负荷（N）；p是轮胎压强（MPa）。设定汽车原地转向时涉及到的变量参数为：G1=9000N；p=0.2MPa，那么原地转向的最大转向阻力矩为：

那么此时需要的转向力矩Th max为：

其中，iw为转向器的角传动比，取iw=20；η为转向器的正效率，取η=70%；那么

原地转向时的助力大小Ta0为：

此时，电动助力转向系统的零车速感应系数为：

4.2.2 变车速时车速感应系数的确定

对于各车速下车速感应系数Kv的值的确定，目前没有一个很成熟的函数关系式，不过可以通过实车实验的方法获得，在转向阻力矩已知的情况下，在设定的某一车速下进行试验，通过改变车速感应系数的大小，使方向盘转矩达到在这一车速下的理想方向盘转矩，并记录下此时助力电机的助力电流值，这样我们就可以得到在这一车速下的车速感应系数值。改变车速，重复这一实验过程，我们就得到了一组在不同车速下对应的车速感应系数。

如下表1所示为实车实验数据，即一组各车速下车速感应系数：

表1 不同车速下的车速感应系数Kv

利用Matlab 多项式拟合的ployfit函数[4]，在表1中，x轴表示车速（km/h），y轴表示车速感应系数。利用这组数据我们进行三次多项式拟合。

三次函数拟合表达式为：

三次多项式拟合图像见图2所示：

由此得到车速感应系数的多项式拟合表达式；

从上图2就可以看出，随着车速的升高，车速感应系数值逐渐减小，这一特点符合EPS系统对驾驶员路感和转向轻便性的要求；根据所得式4.13的车速感应系数函数表达式，就可以得到本文所设计的直线型助力特性曲线见下图3所示：

5、结束语

本文对助力特性曲线的三个特征值进行了研究确定，对变车速下的车速感应系数通过实验数据进行了拟合，并且设计出一条直线型助力特性曲线，曲线表明设计的助力特性曲线输出的助力电流是与EPS系统在转向过程中对助力的要求是吻合的。

[1] 王望予.汽车设计4版[M]. 北京:机械工业出版社,2004.

[2] 黄森仁.汽车电动助力转向系统(EPS)研究[D].合肥：合肥工业大学学位论文，2003.

[3] 张春花.汽车电动助力转向系统动态特性及控制研究[D].2006.

[4] Holly Moore.MTALAB实用教程[M].北京:电子工业出版社,2012.

Power characteristics of EPS systems research

Zhu Shaoming1, Li Tengfei2
（1. Xi'an Public Transport Corporation bus company, Shaanxi Xi'an 710082; 2. Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064）

The core part of EPS is helping-hand characteristic. Its quality directly influences the quality of power motor. So it is essential to research the helping-hand characteristic curve and give the method to determine the helping-hand characteristic curve.

EPS; power motor; helping-hand characteristic

U463.4

A

1671-7988(2015)01-93-03

朱绍明，工程师，就职于西安市公共交通总公司客车总厂，现从事公交客车技术研究工作。