電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

解后循，高 翔

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)向安全、節(jié)能和環(huán)保方向發(fā)展，如何提高助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)能耗已成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計人員和消費者關(guān)注的問題。

傳統(tǒng)純液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在助力比固定、高速路感差及能源利用效率低等缺點；通過采用電磁閥對助力控制閥的流量進行控制，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)了變助力，提高了車輛的操縱路感，但由發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵輸出流量基本恒定，系統(tǒng)仍造成大量的能源浪費[1]。

近年來，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)取得了較快的發(fā)展，在乘用車上也得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于使用的助力電機功率較小、控制方法復(fù)雜，且不具備人員長期習(xí)慣的液力感覺和路感[2]，使得其使用范圍受到一定的限制；而液壓助力系統(tǒng)具有輸出力大，衰減振動，轉(zhuǎn)向感覺平順，可靠安全的優(yōu)點[3]。對于中等功率(500～1 000 W)和大功率的伺服助力機構(gòu)，液壓方案仍為最佳選擇[4]。

電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)(EHPS)將成熟的電機控制技術(shù)與液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)結(jié)合，既具有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大助力及技術(shù)成熟可靠的特點，又具有電機的高效率、易控制優(yōu)點[3]，適用于各種車型?？刂破?ECU)根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角和車速傳感器等信號計算電動液壓泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動液壓泵跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速以達到理想的助力要求。由于助力液壓泵采用電機驅(qū)動，使得液壓泵的運行狀態(tài)與發(fā)動機工況無關(guān)，可以按照車輛轉(zhuǎn)向所需的助力大小要求控制電動機的轉(zhuǎn)速，獲得降低系統(tǒng)能耗水平及提高轉(zhuǎn)向助力性能的效果。

筆者對電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了探討并對亟需研究和解決的問題進行了分析。

1 國外研究概況

國外關(guān)于電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)方面的文獻較少，相關(guān)學(xué)者主要在以下方面進行了重點研究。

1.1 系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)

1.1.1 單參數(shù)電機轉(zhuǎn)速控制

20世紀80年代，為使液壓泵的運行狀態(tài)易于控制以實現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗及可變助力的功能，國外學(xué)者開始研究由直流電機驅(qū)動的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。E.F.JAMES等[5]對前軸載荷低于600 kg小型車輛使用電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)過程進行了詳細介紹，該系統(tǒng)只采用單一車速信號對電動液壓泵的轉(zhuǎn)速進行開環(huán)控制，可根據(jù)車速變化而改變系統(tǒng)助力比，實現(xiàn)可變助力轉(zhuǎn)向功能，改善車輛的操縱性能。由于液壓泵的運行與發(fā)動機轉(zhuǎn)速狀態(tài)脫離，車速高時，液壓泵轉(zhuǎn)速降低，消耗功率降低。該系統(tǒng)的能源消耗約為發(fā)動機驅(qū)動油泵系統(tǒng)的35%。但在非轉(zhuǎn)向工況，電機仍以正常轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，造成的能源浪費仍然較大。

20世紀90年代，系統(tǒng)得到了進一步發(fā)展，出現(xiàn)系統(tǒng)專用電控單元。為了進一步降低系統(tǒng)能耗，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)向操作時，系統(tǒng)對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速進行控制，降低了電機的轉(zhuǎn)速和能耗[6]。

1.1.2 雙參數(shù)電機轉(zhuǎn)速控制

進入21世紀，研究者采用無刷直流電機驅(qū)動液壓泵，提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命；同時根據(jù)車速和方向盤角速度對電機轉(zhuǎn)速進行控制，提高了系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向操縱的響應(yīng)性能，在降低系統(tǒng)能耗同時，使得控制更加精確[7]。

TRW公司在我國率先為上海大眾POLO轎車配備了該種EHPS系統(tǒng)。由于其良好助力轉(zhuǎn)向性能，贏得了良好口碑。

1.1.3 系統(tǒng)能耗分析及多工況控制策略

P.E.PFEFFER等[8]通過建立系統(tǒng)能耗數(shù)學(xué)模型分析了影響能耗的主要因素，認為在非轉(zhuǎn)向工況下系統(tǒng)的液壓油壓降對能源消耗具有重要影響。

為了進一步降低非轉(zhuǎn)向工況系統(tǒng)的能耗，K.FUJITA[9]分析了不同行車工況下電動液壓泵的節(jié)能策略，提出了適應(yīng)多種駕駛工況的電動液壓泵控制方式。

1.2 商用車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)

由于要求的助力系統(tǒng)功率較高，商用車的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能源的利用效率較差，如何對其進行節(jié)能改造是其助力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的主要方向。

V.V.KOKOTOVIC等[10]系統(tǒng)地介紹了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件及控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法，并對系統(tǒng)進行了仿真研究。S.H.RHYU等[11]介紹基于永磁同步電機的42VEHPS電動液壓泵單元的研發(fā)過程。J.GESSAT[12]介紹了輕型商務(wù)車的大功率(1kW以上)EHPS系統(tǒng)系列產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用實例。R.MCCANN等[13]則對某大型商用鉸接車輛的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略進行了分析，根據(jù)該類車輛的轉(zhuǎn)向力矩特點，研究對車輛鉸接角度變化率進行反饋控制的方法。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)科研機構(gòu)對電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要集中在3個方向。

2.1 系統(tǒng)助力特性

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)既要滿足車輛轉(zhuǎn)向操作的輕便性，又要使駕駛員在操縱時獲得足夠的“路感”，所以助力特性的設(shè)計是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。相關(guān)學(xué)者對此進行了研究，提出了幾種助力特性設(shè)計方法。

2.1.1 助力轉(zhuǎn)閥特性分析

高峰等[14]對分流式ECHPS助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模，并對其轉(zhuǎn)向力特性曲線進行了分析。郭曉林等[15]提出基于串、并聯(lián)關(guān)系的等效液阻網(wǎng)絡(luò)和分析方法，在此基礎(chǔ)上，對典型液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性進行了分析研究。

2.1.2 助力特性的分析和設(shè)計

惠曉丹[16]通過對多種助力特性曲線的特點進行分析，建議采用直線型助力特性曲線。趙金海[17]為滿足緊急工況下的助力矩控制要求，提出一種基于方向盤角速度的附加力矩控制策略。劉亞輝等[18]提出基于“路感”的助力特性設(shè)計方法。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的助力特性，在保證高速工況有合適的操縱路感和車輛穩(wěn)定性的前提下，能滿足低速工況所需的轉(zhuǎn)向操縱輕便性要求。

2.2 系統(tǒng)建模及控制技術(shù)

2.2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模及仿真

石培吉等[19]建立了考慮液流動態(tài)摩擦效應(yīng)的液壓管路數(shù)學(xué)模型，提出了EHPS原地轉(zhuǎn)向、行駛轉(zhuǎn)向和直線行駛控制策略。王豪等[20]運用AMESim仿真軟件對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行建模，采用車速及方向盤轉(zhuǎn)動角速度作為系統(tǒng)控制參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高速工況小助力、低速工況大助力等特點，同時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力隨動性能及方向盤回正性能也得到了相應(yīng)的提高。何仁等[21]介紹了一種電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真試驗平臺的研發(fā)，應(yīng)用此試驗平臺對在農(nóng)村道路駕駛工況下影響系統(tǒng)能耗的主要因素進行了研究。李強等[22]采用仿真和實車試驗相結(jié)合的方法對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗進行分析，結(jié)果表明非轉(zhuǎn)向工況下電機怠速損失是主要因素，轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向閥的功率損失是最大的。

2.2.2 電動液壓泵控制技術(shù)

電動液壓泵控制技術(shù)的研究包括兩個方面：驅(qū)動電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速的擬合及轉(zhuǎn)速控制方法。

考慮控制系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)存儲空間的限制，系統(tǒng)儲存的為離散車速下的驅(qū)動電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對中間車速下出現(xiàn)的電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速盲區(qū)，朱佩等[23]提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，優(yōu)化得到所有車速下的電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速，克服了轉(zhuǎn)速盲區(qū)對助力效果的影響。李宏偉[24]通過仿真模擬，分析了具有助力死區(qū)補償算法的轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PI控制，分析了電機轉(zhuǎn)矩脈動原因。對電機驅(qū)動方法進行改進，仿真結(jié)果表明改進的控制方法提高了電動液壓泵起動性能和實時響應(yīng)性能；降低了電機轉(zhuǎn)矩脈動，無刷直流電機運行平穩(wěn)性得到了明顯改善。

2.3 控制系統(tǒng)軟硬件研發(fā)

目前國內(nèi)還沒有成熟的商用電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品。部分研究人員進行了系統(tǒng)工程設(shè)計和試制的探索。

羅紹新等[25]研發(fā)了一種采用ARM微處理器的EHPS系統(tǒng)，系統(tǒng)采集方向盤角速度、方向盤轉(zhuǎn)矩和車速信號，通過PWM斬波信號控制電動液壓泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)的助力大小。高發(fā)廷[26]對中國重汽集團公司電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU軟、硬件設(shè)計開發(fā)進行介紹，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的產(chǎn)品接近國外產(chǎn)品的水平，具有較大的商業(yè)化前景。

3 結(jié)語及展望

對電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)控制策略分析、助力特性曲線分析、系統(tǒng)建模仿真、主要部件研發(fā)過程的介紹等方面；相關(guān)學(xué)者在涉及系統(tǒng)助力特性、電動液壓泵特性設(shè)計及系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計等方面時，主要以一些試驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)做支撐，對產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)性不夠，系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法有待進一步研究和完善。

3.1 操縱“路感”的定義和量化

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能是為駕駛員提供一個適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力矩，降低駕駛員操縱強度；同時方向盤必須給駕駛員一個適當(dāng)?shù)姆答伭?，即“路感”。雖然國內(nèi)外學(xué)者對“路感”概念有所論述，但主要為定性分析，學(xué)界還沒有公認、量化的定義，不能有效指導(dǎo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的設(shè)計，也不能對各種助力特性的設(shè)計方案進行客觀公正的評價。

可見，如何對駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱“路感”進行定義和量化是助力特性設(shè)計的理論基礎(chǔ)，具有非常重要的意義。

3.2 電動液壓泵動態(tài)特性的評價

電動液壓泵既要對駕駛員的轉(zhuǎn)向操作快速響應(yīng)，又要具有較高能源利用效率，降低油耗。如何實現(xiàn)上述目標(biāo)，涉及到對電動液壓泵的動態(tài)特性設(shè)計，主要內(nèi)容包括不同轉(zhuǎn)向工況下電動液壓泵的目標(biāo)轉(zhuǎn)速及流量、電動液壓泵設(shè)計及電機控制系統(tǒng)設(shè)計等；而涉及這方面的設(shè)計理論欠缺，開展對EHPS電動液壓泵特性設(shè)計與評價方法的研究具有較高的工程應(yīng)用價值。

3.3 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮方向盤操縱輕便性、最佳路感反饋及最小能源消耗等多個方面的因素，是多參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

目前，有關(guān)電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計的研究文獻較少，現(xiàn)有文獻也主要局限于對系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇方法及參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響分析等，不能有效指導(dǎo)對系統(tǒng)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)計。該系統(tǒng)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法有待進一步的研究。

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