电动助力转向系统的研究与开发

刘丽冉，彭娅楠，黄继钰（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



电动助力转向系统的研究与开发

刘丽冉，彭娅楠，黄继钰
（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

摘要：电动助力转向系统采用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元控制，具有助力大小可调、路感良好、环保、耗量低和维修方便等优点，是当前汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。文章论述了电动助力转向系统的类型、特点、工作原理、结构组成等。建立了汽车电动助力转向系统模型和仿真研究，通过仿真表明，曲线型的助力特性基本能满足原地转向、低速行驶的轻便性和高速行驶的路感性要求，同时对电动助力转向系统在汽车领域上的应用前景进行了展望。

关键词：汽车；电动助力；转向系统

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-119-04

前言

电动助力转向系统(Electric power steering，简称EPS)是世界汽车电子控制技术发展的研究热点和前沿技术之一[1]。国外汽车电动助力转向已部分取代传统液压动力转向(Hydraulic power steering，简称HPS)。目前国内清华大学、合肥工业大学等高校正从事该方面的研究，并取得了阶段性的成果，争取进一步改进与完善，早日实现商品化。EPS通过对控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，使汽车能在不同车速下获得不同的助力特性，以满足不同的驾驶情况的需求。同时，EPS用电动机直接提供助力，它能节约燃料，提高主动安全性，有利于环保。

1、助力转向系统的类型及EPS的基本控制策略

1.1助力转向系统的类型

（1）传统液压动力转向

液压动力转向的控制阀采用滑阀式，即控制阀中的阀以轴向移动来控制油路。这种滑阀式控制结构简单，生产工艺性好，操纵方便，宜于布置，使用性能较好。但是滑阀式控制阀灵敏度不够高，后来逐渐被转阀代替。

（2）电控液压动力转向[2]

电控液压动力转向系统的种类很多，但其原理基本上都是通过在油泵或转向器上加装电子执行机构或辅助装置，根据车速信号来控制液压系统的流量或压力。

表1　电控液压动力转向系统的种类

（3）电动助力转向系统(EPS)的工作原理

图1　EPS的控制系统示意图

电动助力转向系统的基本组成包括[5]：扭矩传感器、车速传感器、控制元件、电动机和减速机构等。图1所示为配用齿轮齿条式转向器的EPS。信号控制器根据各传感器的输入信号确定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制电机。电机的输出扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向器中的传送装置把输出扭矩送到齿条，使之向转向轮提供助推扭矩。系统的信号源包括：扭矩传感器、转向角传感器和车速传感器，转向角传感器可根据齿条的位移量和位移的方向来测出转向角。

（4）EPS的关键部件

EPS主要部件包括传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等。

1.2EPS的控制原理图

图2　汽车EPS控制原理图

在掌握EPS的工作原理前提下，将EPS系统用框图表示如下，如图2示。

表示法[10]：

1.3EPS的基本控制策略

根据汽车转向行驶的不同情况要求，EPS按不同的控制方式进行控制，通常来说，对应汽车转向行驶的不同情况有四种基本控制方式[3]。

（1）普通控制

普通控制(助力控制)是EPS的基本控制模式。其控制过程主要是：根据车速传感器测得的车速信号和方向盘力矩传感器测得的方向盘力矩信号，调用助力特性控制表，并根据电动机的电磁转矩特性确定助力电流，以获得适当的助力转矩。

（2）回正控制策略

在方向盘“转向回正”时，对EPS进行的控制为回正控制，目的在于改善系统的回正性能。转向时，前轮回正力矩使转向轮向直线行驶的状态变化。回正控制的控制过程为:首先判断方向盘是否处于“转向回正”状态，当助力电机旋转方向和转向输入的旋转方向相反，进行“转向回正”控制，否则进行助力控制。

（3）阻尼控制策略

阻尼控制是EPS为提高汽车高速直线行驶时的稳定性，减小路面冲击对方向盘的影响而采用的一种控制模式。阻尼控制是在普通控制确定的目标电流之上补偿阻尼控制电流，其主要是通过引入电动机转速的方法来实现。

（4）补偿控制策略[7]

补偿控制策略是根据转向作用力的变化率沿力矩变化的方向产生补偿力矩，来克服电机的惯量、阻尼和摩擦对电机输出力矩的影响。补偿力矩的大小由电机的惯量、阻尼和摩擦力的大小及电机的转速、转向加速度和转动方向决定。

2、EPS仿真的初步研究及控制仿真验证

2.1理想助力特性

配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽可能不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。方向盘力矩与助力矩之间的理想关系应具备以下特点[8]：

(1)在输入转向力矩很小的区域，希望助力部分的输出越小越好，助力部分基本不起作用，以保持较好的路感。

(2)在常用的快速转向行驶区间，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力部分发挥作用，助力效果要明显。

(3)原地转向时的转向阻力矩很大，应尽可能产生较大的助力转向效果，此时，助力矩增幅也应较大。

(4)随着车速的升高，方向盘力矩减小时，不助力的区域应增大，且在高速行驶至一定车速时停止助力，以使驾驶员获得良好的路感，保证行车安全。

(5)各区段过渡要平滑，避免操作力出现跳跃感，且助力矩不能大于同工况下无助力时的转向驱动力矩。

将上述特点与原则量化，可得理想的助力特性曲线。如图3所示，由于电动机输出转矩与电流间存在线性关系，因此该图反映出助力矩随行驶工况的变化规律，可以把它作为研究电动机控制规律的参照。

图3　理想助力特性

2.2控制系统的选择

对助力电动机输出转矩的控制是EPS研究的重点[8]。由于电动机的输出转矩是由其工作电流决定的，因此助力控制可归结为对电动机电流的控制(如图4)，其控制输入为车速信号和方向盘扭矩信号。

图4　控制系统框图

控制系统主要采用PID控制系统。

PID控制[9]是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

图5　典型的PID控制结构

图5所示为典型的PID控制系统结构。PID控制器是由比例、积分和微分三个环节叠加构成的，各环节分别对误差信号e(t)进行运算，其结果的加权和将构成系统的控制信号u(t)一并送给对象模型。PID控制器的数学描述为：

式中：kp—比例环节调整参数；

ki—积分环节调整参数；

kd—微分环节调整参数。

PID控制器各环节所起的作用如下：

(1)比例环节抑止闭环系统的瞬态偏差信号e(r)，通过增加kp值还可加快系统响应速度，提高闭环响应的幅值。但kp值不能无限制增加，对于不同的闭环控制系统kp的取值范围不同，超出该限制范围，系统将不稳定；

(2)积分环节主要用于消除系统的静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分的时间常数K；K越大积分作用越弱，反之则越强。而过强的积分作用使系统的超调量增加，系统的稳定性变坏；

(3)微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。其不足之处是放大了噪音信号。

2.3EPS仿真模型与控制

当进行控制系统仿真时，EPS仿真模型[6]的结构也相应发生变化。系统的仿真模型如图6所示。在仿真模型图中，其中输入为方向盘力矩(或转角)，同时引入车速信号。此时助力特性己经加入转向系统模型，这相当于在实际状况中将助力特性算法写入控制器，根据输入的力矩信号和引入的车速信号可以确定助力电流。从电动机模型中引出角速度信号用于确定阻尼控制的补偿电流。

对于目标电流的控制，主要采用PID控制方法得出控制电压，再经脉宽调制过程控制电动机电枢电压。用电流传感器检测电动机实际电流作为反馈，用于电流的PID控制。

图6　EPS仿真控制模型

图中EPS模块为EPS的助力模块，PWM模块为电枢电压控制模块；电机转矩模块用于估算电动机角速度，以获得电机的补偿电流。

2.4EPS控制仿真结果

仿真工况仍为正弦道路试验，即方向盘输入为正弦转角输入，转向轴转角随时间亦为正弦趋势[4]。我们以0-60km/h为例，经仿真得到控制的跟踪电流（图7中的仿真电流），与目标电流进行比较，可以反映出模型对目标电流和跟踪电流的控制效果。仿真结果如图所示。从图7上可以看出，电流变化的趋势基本相同，只是零点附近有所差别)；并且随着车速的增加，我们可以看到，电机提供电流的振幅亦在减小，可见制定的助力特性和控制系统很好的反映了实际使用情况，

该仿真模型也适合于实际目标电流的确定和控制。

图7　控制模型电流仿真结果

3、结论

本文在借鉴国内、外电动转向领域研究的最新成果的基础上，对EPS的发展和控制策略进行了深入的分析和研究，并进行了仿真和部分实验。比较传统的转向系统，EPS结构简单，较好地满足汽车转向性能的要求，在操纵舒适性、安全性、节能等方面也充分显示了其优越性。该系统研究和开发对满足社会需求、跟上世界汽车技术发展进程具有十分重要的作用，并有着非常广阔的开发和应用前景。EPS代表未来助力转向技术的发展方向，作为标准件装备到汽车上，并将在助力转向领域占据主导地位。

参考文献

[1]郭建新,伍少初.电动助力转向系统的研究与开发[J].机械设计与制造工程,1999, 28(5):18-21.

[2]肖生发,玛樱.电子控制式电动助力转向系统的开发前景[J].汽车科技,2001,3, 31-34.

[3]庄继德.汽车电子控制系统工程[M].北京:北京理工大学出版社, 1999,137-150.

[4]古永棋.汽车电器及电子设备[M].重庆:重庆大学出版社,1999, 157-171.

[5]黄李琴,季学武，陈奎元.汽车电动助力转向控制系统的初步研究[J].汽车技术,2003,6,3-7.

[6]赵燕,周斌,张仲甫.汽车转向系统的技术发展趋势[J]汽车研究与开发,2003 ,2,22-24.

[7]林逸,施国标.汽车电动助力转向系统技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技,2001,18(3),79-84.

[8]肖生发,冯樱,刘洋.电动助力转向系统助力特性的研究，湖北汽车工业学院学报，2001，No3，36-37.

[9]刘照.基于混合灵敏度方法的电动助力转向系统控制[J].武汉:中国机械工程,2003.

Research and Exploit of the electric power steering system

Liu Liran, Peng Yanan, Huang Jiyu
( School of Automotive, Chang`an University, Shaanxi Xi`an 710064 )

Abstract:Electric power steering system directly powered by motor, power size is controlled by the electronic control unit, a power size is adjustable, and feeling good, environmental protection, low consumption and easy maintenance etc , and is currently one of the focus in the research of the development of the automotive technology and cutting-edge technology. This paper discusses the types and characteristics of electric power steering system, working principle, structure, etc. Auto electric power steering system model is established and simulation study. Composition principle of electric power steering system and electric power steering system of key parts such as motor, torque sensor, internal controller (ECU) is illustrated, for system development and provides a basis of parts at the same time in the field of auto electric power steering system on the application prospect is discussed.

Keywords:automobile; Electric power; Steering system

中图分类号：U463.4

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-119-04

作者简介：刘丽冉，就读于长安大学汽车学院。