汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型與助力特性

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1、汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型與助力特性在實現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向過程中，當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩已知時，助力電動機提供多大轉(zhuǎn)矩才最合適，這是實現(xiàn)控制系統(tǒng)的核心，亦即準確求出助力特性。該助力特性反映了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和助力電動機提供的助力力矩之間的關(guān)系，在分析助力電機的助力特性之前，我們先來建立電動助力轉(zhuǎn)向的動態(tài)模型。1汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型圖1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)模型下面進行EPS動力學(xué)模型的建立，為了建模和分析的方便，控制參數(shù)做如下設(shè)定：轉(zhuǎn)矩傳感器當做扭力桿，其剛度、轉(zhuǎn)動慣量、旋轉(zhuǎn)角度、阻尼系數(shù)；與齒條連接的小齒輪的半徑；小齒輪帶動齒

2、條移動，齒條質(zhì)量、位移量、阻尼系數(shù)；方向盤輸入力矩；傳動放大比是；轉(zhuǎn)向阻力；轉(zhuǎn)矩傳感器測量值；傳感器的量測噪聲；助力轉(zhuǎn)矩；負載轉(zhuǎn)矩；助力電機產(chǎn)生的電磁力矩；電機特性系數(shù)；助力曲線特征值，電機電流為。如圖3.1是EPS系統(tǒng)動態(tài)模型，系統(tǒng)動力學(xué)方程建立如下：扭桿動力學(xué)方程:（1）齒條動力學(xué)方程:（2）轉(zhuǎn)矩傳感器方程:（3）助力電機轉(zhuǎn)矩方程：（4）助力特性方程：（5）減速器轉(zhuǎn)矩方程：（6）負載轉(zhuǎn)矩：（7）該系統(tǒng)中方向盤轉(zhuǎn)矩為指令輸入，輸出量為助力轉(zhuǎn)矩，此外還要考慮干擾因素。式(l)描述了扭桿的轉(zhuǎn)矩關(guān)系，作用在扭桿上的轉(zhuǎn)矩主要

3、有方向盤輸入轉(zhuǎn)矩、輸出軸對扭桿的反作用轉(zhuǎn)矩。式(2)描述了齒條的受力情況，施加在齒條上的力是由方向盤手力、助力電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力、路面擾動三方面所引起的。由式(3)可知：轉(zhuǎn)矩傳感器測量的值與輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)角之差成正比。為輸入軸轉(zhuǎn)角，為輸出軸的轉(zhuǎn)角。由式(7)可以看出：負載轉(zhuǎn)矩由方向盤輸入轉(zhuǎn)矩和助力電機經(jīng)減速機構(gòu)放大后的轉(zhuǎn)矩組成。式(4)是助力電機的特征方程，助力電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比關(guān)系，由特性系數(shù)決定。在助力控制器設(shè)計中，該參數(shù)是一個重要參數(shù)，它是根據(jù)助力曲線的要求來選取的。該參數(shù)確定后，助力電機也就確定

4、了。式(5)中的為助力曲線特征值，其大小是助力曲線的斜率。低速時，比較大，助力轉(zhuǎn)矩較大，減輕駕駛員的勞動強度，提高操縱輕便性。中高速時，由于路感較差，為了增強高速時的路感，取值應(yīng)較小，這樣助力較小。2汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性2.1助力特性的概念助力特性是指助力隨汽車運動狀況和受力狀況(車速和方向盤力矩)變化而變化的規(guī)律。對液壓動力轉(zhuǎn)向，助力與液壓油壓力成正比，故一般用液壓油壓力與轉(zhuǎn)向盤力矩(及車速)的變化關(guān)系曲線來表示助力特性。對電動助力轉(zhuǎn)向，助力與直流電機電流成比例，故可采用電機電流與方向盤力矩、車速的變化關(guān)系

5、曲線來表示助力特性。汽車在高速行駛時，應(yīng)能把車輪與路面的接觸狀態(tài)以反力和位移形式，通過轉(zhuǎn)向系傳至方向盤，使駕駛員感到此種力和位移的反饋及其差別，這就是所謂的路感。汽車轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向輕便性與路感是相互矛盾的。滿足輕便就要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提供大些的助力，而助力增加后，路感就變差了。如果路感很清晰，駕駛員就會心中有數(shù)，有利于提高行駛安全性。理想的助力特性應(yīng)能充分協(xié)調(diào)好轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)系，并提供給駕駛員與手動轉(zhuǎn)向盡可能一致的、可控的轉(zhuǎn)向特性。在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的條件下，如果路感強度在整個助力特性區(qū)域內(nèi)不變，駕駛員就能容易地判定

6、汽車行駛狀況的變化，預(yù)測出所需要的轉(zhuǎn)向操縱力矩的大小。2.2助力特性的分析EPS的助力特性屬于車速感應(yīng)型，主要有全速型和低速型兩種。全速型是指EPS在任何車速下都提供助力。低速型是指EPS只在低速時才提供助力，當車速超過某一預(yù)定值時，EPS停止工作。低速型在EPS的初期階段用得較多，其優(yōu)點是對系統(tǒng)的要求相對較低；缺點是不能改善汽車的高速操縱穩(wěn)定性。全速型的優(yōu)點是能改善汽車的高速操縱穩(wěn)定性，缺點是對系統(tǒng)的要求相對較高。助力特性對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，包括輕便性、回正性、路感等有重要影響。傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向中的助力特性主要由

7、液壓閥的結(jié)構(gòu)決定，調(diào)整非常困難，并且設(shè)計完成后助力特性就確定了，不能隨車速變化。而EPS不同,其助力特性曲線是電動助力轉(zhuǎn)向的控制目標，由軟件來設(shè)置，可以設(shè)計成車速感應(yīng)型任意形狀的特性曲線，并且可以方便地進行調(diào)節(jié)。配備電動助力裝置的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的不悖于駕駛員原有的駕駛習慣，這樣駕駛員才能在轉(zhuǎn)向時得心應(yīng)手。方向盤轉(zhuǎn)矩與助力矩之間的理想關(guān)系應(yīng)具備以下特點:(1)在方向盤轉(zhuǎn)矩很小的區(qū)域內(nèi)希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持較好的路感和節(jié)約能源。(2)在原地轉(zhuǎn)向和低速行駛轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向阻力矩相當大。為使轉(zhuǎn)向輕

8、便，降低駕駛員勞動強度，此時應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力轉(zhuǎn)向效果，且助力矩增幅應(yīng)較大，從而保證較好的助力作用。(3)原地轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時應(yīng)保持恒定，以免助力電動機因負荷過大而出現(xiàn)故障。(4)行駛轉(zhuǎn)向時，助力矩增加到一定值時也應(yīng)保持恒定，以便駕駛員可以明顯感到路面反力的增加，指導(dǎo)安全駕駛。(5)隨著車速的升高，轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩很小