直線型助力特性曲線在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

張思怡　高峰　羅鷹

摘 要：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配靈活等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用，在現(xiàn)有助力特性曲線的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線進(jìn)行了研究。結(jié)合所選的小型汽車(chē)的參數(shù)，分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向力和助力電流之間的關(guān)系，確定了最大目標(biāo)電流，得出了合理的助力特性曲線函數(shù)。為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供應(yīng)用依據(jù)。

關(guān)鍵詞：助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向阻力矩 助力特性曲線

Application of Linear Power Assist Characteristic Curve in Electric Power Steering System

Zhang Siyi Gao Feng Luo Ying

Abstract：Electric power steering system （EPS） is widely used because of its simple structure and flexible assembly. Based on the existing power-assisted characteristic curve， the power-assisted characteristic curve of the electric power steering system has been studied. Combined with the parameters of the selected small car， the relationship between the steering force and the assist current in the electric power steering system is analyzed， the maximum target current is determined， and a reasonable assist characteristic curve function is obtained， which provides application basis for the design of electric power steering system

Key words：power-assisted steering system， steering resistance torque， power-assisted characteristic curve

1 引言

EPS系統(tǒng)能否成功的兩大關(guān)鍵技術(shù)就是助力特性和控制策略，助力特性是決定控制器控制程序的關(guān)鍵[1]。行駛過(guò)程中，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，ECU接收到來(lái)自傳感器發(fā)送的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車(chē)速信號(hào)，然后根據(jù)助力特性曲線決定助力電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和提供助力的大小，使駕駛員獲得輔助轉(zhuǎn)向力。

EPS的工作環(huán)境多變，又相當(dāng)?shù)貜?fù)雜，助力電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)、傳感器生成的噪聲、復(fù)雜路況的干擾這些因素都會(huì)影響到EPS的運(yùn)作，這就對(duì)EPS控制策略設(shè)計(jì)的要求大大提高。EPS的控制主要包括助力控制、回正控制以及阻尼控制[2]。EPS最基本的控制模式是助力控制，在大多數(shù)情況下，汽車(chē)都是處于助力控制模式;回正控制主要是通過(guò)克服方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦，使車(chē)輪回正恢復(fù)直線位置，從而改善EPS的回正性能;當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)位置處于死區(qū)時(shí)，阻尼控制則會(huì)通過(guò)對(duì)方向盤(pán)阻力的加重，從而使駕駛員操作方向盤(pán)穩(wěn)定。由于助力控制模式約占行駛過(guò)程中95%的時(shí)間，本文主要針對(duì)EPS的助力特性曲線應(yīng)用展開(kāi)分析。圖1為EPS控制策略框圖。

2 EPS助力特性曲線的要求和特征

在EPS中，助力電機(jī)輸出助力的大小隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速變化而變化的規(guī)律，因此助力特性曲線表示在EPS中助力電機(jī)所提供的力矩和目標(biāo)電流大小形成的線性關(guān)系[3]。助力特性曲線是用來(lái)調(diào)整助力電機(jī)提供的助力大小，助力電機(jī)提供的力大則駕駛員轉(zhuǎn)向使用的力小，操作起來(lái)就更加輕便靈活;但是提供的力過(guò)大，就會(huì)使駕駛員感覺(jué)車(chē)子發(fā)飄，缺少路感，甚至車(chē)身不穩(wěn)還容易產(chǎn)生安全問(wèn)題，所以對(duì)于助力特性曲線的要求就是確保車(chē)輛在駐車(chē)或低速行駛時(shí)，駕駛員能輕易地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，在高速行駛時(shí)，車(chē)子穩(wěn)定不發(fā)飄，給予駕駛員一定的路感。

EPS助力特性可以實(shí)時(shí)調(diào)整助力電機(jī)提供助力的大小，影響著系統(tǒng)的整體性能，綜合EPS的特征，所設(shè)計(jì)的助力特性應(yīng)該滿足以下的要求：

（1）當(dāng)方向盤(pán)輸入的力矩較小時(shí)，EPS不需提供助力，此時(shí)助力距為零;

（2）當(dāng)方向盤(pán)輸入的力矩處于較小的范圍內(nèi)，可提供較小的助力，為保持較好的路感;

（3）當(dāng)方向盤(pán)輸入的力矩處于較大的范圍內(nèi)，需要提供較大的助力，以便轉(zhuǎn)向;

（4）當(dāng)方向盤(pán)輸入的力矩達(dá)到極限時(shí)，需提供最大的助力;

（5）當(dāng)行駛車(chē)速不斷提高時(shí)，提供助力的大小應(yīng)相應(yīng)地減小。

EPS助力特性曲線有三種常見(jiàn)的助力特性曲線：直線型、折線型、曲線型，如圖2所示。圖中，無(wú)助力區(qū)：0≤<區(qū);助力變化區(qū)：≤<區(qū);助力不變區(qū)：≥。

（1）直線型助力特性曲線的函數(shù)表達(dá)式為（圖2a）：

（1）

公式（1）中，是電機(jī)的電流;表示電機(jī)輸出的最大電流值;是助力特性的梯度，即在不同速度下的助力直線的斜率;是方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸入力矩;為EPS剛開(kāi)始助力時(shí)，方向盤(pán)的最小力矩;是EPS助力最大時(shí)，方向盤(pán)的輸入力矩。

（2）折線型助力特性曲線的函數(shù)表達(dá)式為（圖2b）：

（2）

公式（2）中，、是助力特性曲線的梯度，即在第一段和第二段的直線斜率;是助力特性梯度由變?yōu)闀r(shí)，方向盤(pán)的輸入力矩。

（3）曲線型助力特性曲線的函數(shù)表達(dá)式為（圖2c）：

（3）

曲線型助力特性曲線對(duì)比前面兩種曲線，有線形平滑、準(zhǔn)確并連續(xù)助力的效果，但是表達(dá)式復(fù)雜，計(jì)算速度慢，不適合實(shí)時(shí)調(diào)節(jié);直線型助力特性曲線可以看作是最容易控制的;折線型助力特性曲線位于兩者中間，并且折點(diǎn)處會(huì)存在隱患。

3 EPS助力特性曲線函數(shù)的應(yīng)用

選擇某款小型汽車(chē)原地轉(zhuǎn)向時(shí)的相關(guān)參數(shù)作為EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中直線型助力特性曲線函數(shù)的應(yīng)用，如表1所示。

在原地時(shí)，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向阻力矩最大，經(jīng)多次測(cè)量，得到汽車(chē)在路面上的最大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力距即原地轉(zhuǎn)向力矩經(jīng)驗(yàn)公式為：

（4）

上式中，是汽車(chē)輪胎與路面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù);是轉(zhuǎn)向軸的阻力，單位是N;是輪胎的壓力，單位是MPa。其中，通過(guò)整車(chē)的受力分析可以得出轉(zhuǎn)向軸的阻力的公式：

? ? ? （5）

上式中，是汽車(chē)的重力，單位是N;是汽車(chē)前軸與質(zhì)心間的距離;是汽車(chē)后軸到質(zhì)心的距離，和的單位均為m。因此，可以計(jì)算出汽車(chē)的轉(zhuǎn)向橫拉桿上所需力的最大值，單位是N，公式為：

（6）

上式中，是汽車(chē)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，單位是m?？梢杂?jì)算出轉(zhuǎn)向柱桿的轉(zhuǎn)向力矩，單位是N·m，公式為：

（7）

上式中，是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪分度圓直徑，單位是m，是轉(zhuǎn)向器的正向傳遞效率。

EPS的助力特性應(yīng)滿足，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸入力矩小于一特定值（通常取1N·m）時(shí)，EPS所提供的助力大小為零，即不為駕駛員提供助力，以防轉(zhuǎn)向操作過(guò)輕;但是駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的手力是有最大限度的，即方向盤(pán)輸入的最大轉(zhuǎn)向力矩也不可以太大。假設(shè)在本次設(shè)計(jì)中，車(chē)輛在做原地轉(zhuǎn)向操作時(shí)，駕駛員的最大手力是40N，那么此時(shí)方向盤(pán)輸入的最大轉(zhuǎn)向力矩為：

（8）

上式中，是人手作用于方向盤(pán)上的力，單位是N;是方向盤(pán)的半徑，單位是m，取方向盤(pán)半徑為0.175m;即經(jīng)計(jì)算可得7N·m。

因此，當(dāng)車(chē)輛在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，助力電機(jī)可提供的最大轉(zhuǎn)向力矩為：

（9）

經(jīng)計(jì)算可得：15N·m。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選用的是直線型助力特性，因此可根據(jù)、、計(jì)算出原地轉(zhuǎn)向時(shí)的最大助力比：

（10）

原地轉(zhuǎn)向時(shí)，最大助力比為2.5，助力電機(jī)可以提供較大的助力，以便駕駛員轉(zhuǎn)向輕便，符合設(shè)計(jì)的要求。

在式（1）中，助力特性曲線的梯度，隨著車(chē)速的增加而減小。

（11）

上式中，、都是系數(shù)，其大小取決于所選的車(chē)型及EPS。本文中取3.33，取0.01。方向盤(pán)的最小力矩為1N·m，即轉(zhuǎn)向力矩為1N·m時(shí)，助力電機(jī)開(kāi)始提供助力;7N·m，即轉(zhuǎn)向力矩大于時(shí)，助力電機(jī)提供的助力保持不變;助力電機(jī)提供的最大助力距為15N·m;當(dāng)行駛車(chē)速不斷增大，提供助力的大小應(yīng)隨之不斷減小，所選小型汽車(chē)直線型助力特性曲線函數(shù)表達(dá)式為：

（12）

4 結(jié)語(yǔ)

采用模糊PID控制策略，運(yùn)用Proteus軟件用于調(diào)試所設(shè)計(jì)的EPS控制系統(tǒng)，按照所設(shè)計(jì)的直線型助力特性曲線，以及需要達(dá)到的控制目標(biāo)進(jìn)行仿真。

（1）當(dāng)時(shí)，EPS不需要提供助力，電機(jī)不工作，助力矩為0。T=+0.7N·m（+代表方向盤(pán)左轉(zhuǎn)，-代表方向盤(pán)右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)結(jié)果一致）助力電流為0;

（2）當(dāng)時(shí)，助力電機(jī)提供助力呈線性增長(zhǎng)，使轉(zhuǎn)向輕便。通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)矩為3.1N·m和5.2N·m兩個(gè)數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果，電機(jī)的助力電流隨轉(zhuǎn)矩增加而增大;

（3）當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩極限值為7，助力大小不變，助力電流輸出的最大值約為20A;符合汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性要求。

基金項(xiàng)目：本論文為 2021年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《小型汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的研究成果。項(xiàng)目編號(hào)：202112056035Y。

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