電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析

丁志剛 鐘 勇

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電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析

丁志剛 鐘 勇

福建工程學(xué)院機電及自動化工程系

本文介紹了汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的基本結(jié)構(gòu)，建立了EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并通過對動力學(xué)模型的分析得到EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。

電動助力轉(zhuǎn)向；動力學(xué)模型；狀態(tài)空間模型

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變或保持汽車行駛方向的機構(gòu)。其性能直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)了無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）。電動助力轉(zhuǎn)向相比于液壓助力轉(zhuǎn)向，改善了汽車的轉(zhuǎn)向助力特性，減少了能量消耗，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量降低，維護方便，對環(huán)境的影響減少。近20幾年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器、電機及其控制理論的發(fā)展和完善，EPS技術(shù)日趨完善，EPS的助力型式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一步加強。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。主要體現(xiàn)在模型創(chuàng)新與試驗創(chuàng)新2個方面。

1 EPS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)助力電機布置位置的不同，電動助力轉(zhuǎn)向分為轉(zhuǎn)向齒條助力式、轉(zhuǎn)向齒輪助力式、轉(zhuǎn)向軸助力式，如圖1所示。

圖1 EPS的3種形式

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、助力電機、減速機構(gòu)、傳感器、ECU、轉(zhuǎn)向器等部件（圖2）。ECU根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器輸出的信號計算所需的轉(zhuǎn)向助力，并通過功率放大模塊控制直流電動機的轉(zhuǎn)動，電動機的輸出經(jīng)過減速機構(gòu)減速增扭后，驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。

1 方向盤；2 輸入軸；3 傳感器；4 扭桿；5 蝸輪蝸桿；6 輸出軸；7 轉(zhuǎn)矩信號；8 車速信號；9 電機；10 電流控制；11 動力開關(guān)；12 離合器；12 小齒輪；14 拉桿；15 齒條；16 車化

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很容易實現(xiàn)在不同的車速下實時地為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力效果，減輕了汽車在低速時方向盤的操縱力，提高了操縱的靈便性和高速行駛的穩(wěn)定性[1]。

2 EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型

2.1 EPS系統(tǒng)各部件參數(shù)確定

為建立EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，將圖2中的EPS系統(tǒng)進行簡化，得到一個具有各部件動力學(xué)參數(shù)的簡化模型[2]，如圖3所示。

圖3 EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型

2.2 EPS系統(tǒng)動力學(xué)模型建立

在上述簡化模型中，運用牛頓定律，建立EPS系統(tǒng)的動力學(xué)方程[3-4]。

對轉(zhuǎn)向柱進行動力學(xué)分析，得：

對電動機進行動力學(xué)分析，得：

對轉(zhuǎn)向齒條進行動力學(xué)分析，得：

對輸出軸進行動力學(xué)分析，得：

3 EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

4 結(jié)果分析

由上述建模分析可以看出，當(dāng)沒有助力時，方向盤的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角變化趨勢一致，呈正弦曲線變化的；當(dāng)電機對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行助力時，方向盤的轉(zhuǎn)矩因由助力而明顯減小。ECU會控制電機隨不同的情況，采用不同的助力，以提供給駕駛員不同的路感。當(dāng)助力矩較小時，駕駛員會產(chǎn)生較厚重、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向感覺；當(dāng)助力矩較大時，駕駛員會有轉(zhuǎn)向輕便、舒適的感覺。

汽車受到一定的路面沖擊時（路面隨機信號作用）時，從加速度變化可以看出：加速度能在較短的時間內(nèi)收斂，達(dá)到穩(wěn)定，可見路面干擾對汽車的行駛穩(wěn)定性影響較小，整個EPS 系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

5 結(jié)語

本文介紹了汽車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的基本結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)分析和模型簡化，運用汽車動力學(xué)和牛頓定律的相關(guān)知識，建立了EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并通過對動力學(xué)模型的分析得到EPS系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。總結(jié)了EPS系統(tǒng)建模分析的一般過程，指導(dǎo)了基于混合動力電動客車EPS系統(tǒng)的研究和設(shè)計，為今后進一步的研究工作打下了基礎(chǔ)，為汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點實驗室的建設(shè)提供了技術(shù)支持。

[1] Yuji Kozaki，GoroHirose, Shozo Sekiya. Electric Power steering [J]. Motor & Control,1999:449-459

[2] 余志生.汽車?yán)碚?第三版) [M] .北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[3] Liao Y G, Du H I. Modeling and analysis of electric power steering system and its effect on vehicle dynamic behavior [J]. International journal of vehicle autonomous systems (S1471-0226), 2003, 1(3):351-362.

[4] Ji-Hoon Kim, Jae-Bok Song. Control logic for an electric power steering system using assist motor [J]. Mechatronics (S0957-4158), 2002, 12(3): 447-459.

[5] 徐建平, 何仁, 苗立冬, 等. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真分析[C]//中國汽車工程學(xué)會2003年學(xué)術(shù)年會SAE-C2003E206: 654-661.

Dynamics Modeling and Analysis of Electric Power Steering

Ding Zhigang，Zhong Yong

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The basic structure of the vehicle electronic power steering (EPS) system is described. A dynamics model of EPS system is established. The state-space model of EPS system is obtained through analysis of the dynamic model of EPS systems.

electronic power steering; dynamic model; state-space model.

福建省教育廳項目（JA08166），福建省科技平臺建設(shè)項目（2008J1002）。