2024-01-12 Share: 汽車EPS系統原理--學習筆記4
- A article discripts the EPS
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- 從1950年代出現了汽車輔助轉向系統以來,經歷了機械式、液壓式、電控液壓式等階段,80年代人們開始研發電子控制式電動輔助轉向系統,簡稱EPS(ElectricPowerSteering)。EPS在機械式助力轉向系統的基礎上,用輸入軸的扭矩信號和汽車行駛速度信號控制助力電機,使之產生相應大小和方向的助力,獲得最佳的轉向特性。EPS用僅在轉向時才工作的助力電機取代了在汽車運行過程中持續消耗能量的液壓助力裝置,簡化了結構,降低了能耗,動態地適應不同的車速條件下助力的特性,操作輕巧,穩定性和安全性好,同時,不存在油液洩漏和液壓軟管不可回收等問題。可以說,EPS是集環保、節能、安全、舒適為一體的機電設計。
- 電動輔助轉向系統EPS是目前世界最發達的轉向輔助系統,1980年代,日本鈴木公司首次開發。因其具有獨特的按需助力、隨動跟踪、反映路感、節能高效、環保免維護、系統成本低等一系列優點,在中小排量汽車中即將以較大產品份額取代液壓助力轉向總成(HPS)。與傳統的轉向系統相比較,汽車電動輔助轉向系統(EPS)結構簡單,靈活性好,能充分滿足汽車轉向性能的要求,在操作的舒適性、安全性和節能、環保等方面顯示出顯著的優越性。
EPS的特點及工作原理
- (1)EPS系統的特點。
- 隨著電子技術的發展,電子技術在汽車上的應用越來越廣泛。電動輔助轉向已成為汽車動力轉向系統的發展方向。
- 由於採用動力轉向可以減少駕駛員手動轉向力矩,改善汽車的轉向輕便性,因此在商用車、中高級轎車和輕型車上得到廣泛的應用。傳統的動力轉向係大多採用固定放大倍率的液壓動力轉向,缺點是無法實現汽車在各種車速下駕駛時的輕便性和路感。為了克服以上缺點,研發出電子控制液壓動力轉向系(EHPS),使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉向助力。但EHPS系統結構更複雜、價格更昂貴,而且效率低、能耗大。
- EPS是一種機電一體化的新一代汽車智慧轉向輔助系統。與液壓動力轉向系統(HPS)相比,有以下優點:
- 1, 效率高,HPS系統效率一般為60%~70%,而EPS系統效率可達90%以上;
- 2, 能耗少,對於HPS系統,汽車燃油消耗率增加4%~6%;而EPS系統汽車燃油消耗率僅增加0.5%左右;
- 3, 路感好,使汽車在各種速度下都能得到滿意的轉向輔助;
- 4, 回正性好,EPS系統內部阻力小,可得到最佳的回正特性;
- 5, 對環境污染少,EPS對環境幾乎沒有污染;
- 6, 可獨立於引擎工作,EPS系統只要電源電力充足,即可產生助力;
- 7, 應用範圍廣,尤其對於環保型的純電動車,EPS系統為其最佳選擇。
- (2)EPS工作原理。
- EPS原理是控制模組根據扭矩感測器和汽車速度傳出的信號,確定轉向助力的大小和方向,並驅動馬達輔助轉向操作,如圖1所示[1]。
- EPS系統由控制模組、轉向柱管、馬達成、扭力感測器、汽車速度感測器(VSS)及抑噪器等零件組成。
- 控制模組的基本控制原理為:轉向時,扭矩透過輸入軸傳遞到扭力桿,輸入軸和輸出軸之間的旋轉方向角度出現偏差,這些角度變化轉換為扭矩感測器電壓變化,並傳送到控制模組。
圖1 EPS轉向系統
1.轉向盤 2.輸入軸 3.扭力桿 4.控制模組 5.馬達 6.離合器 7.輸出軸 8.中間傳動軸 9.下傳動軸 10.轉向齒條 11.橫拉桿 12.車輪- 控制模組根據扭矩感知器檢測到的扭矩信號和車速信號以及反饋電機電壓和電流信號,判斷汽車的轉向狀態,向驅動單元發出控制指令,給電機一定佔空比的電壓,使電機按方向盤轉動的角度和方向產生相應大小的輔助力,透過蝸輪蝸桿傳遞給輸出軸,協助駕駛員進行轉向操縱。
- (3)P/S控制模組結構簡介。
- P/S控制器依功能可分為微型電腦、A/D轉換器及I/O裝置;依模組可分為微處理器、扭力感知器訊號處理模組、電源及電源控制模組、直流永磁電機PWM驅動模組、電磁離合器驅動模組、引擎轉速訊號處理模組、扭力感知器訊號處理模組、車速訊號處理模組及EPS燈處理模組等組成。其主要功能是控制轉向輔助的大小和方向,此外,還有自我診斷功能和安全防護功能。如圖2所示。
- 當接通12V穩壓電源,開啟點火開關,此時EPS控制器電路板進入自我檢測狀態。當EPS燈亮3s後熄滅、馬達工作1s後停止。則表示EPS控制器電路板自我檢測已通過。否則,則表示EPS控制器電路板自檢未通過。
EPS關鍵技術
- 1, 控制模組控制原理
- 控制馬達電流訊號的原理如圖3所示,控制單元採用了閉環回饋調節,利用PID調節器,將馬達的實際電流回饋回來與來自單晶片的目標電流相比較,經過轉換從而得到控制馬達的斬波訊號,此訊號經過馬達驅動電路可驅動馬達進行轉向助力。
- 控制電樞電流採用了電流回授,使得馬達的目標電流和實際工作電流之間的誤差減少到足夠小,從而使系統能夠很快達到穩定狀態。
- 2, EPS大負載輸出中存在的問題
- EPS如用於大排量的汽車,所用的電機功率必然加大,轉動慣量和摩擦力矩隨之增大,這不僅影響輪胎回正性,還會使轉向時有黏滯感,助力跟隨性差。解決這些問題的方法是在控制電路中加上慣量補償和摩擦補償。
- 馬達功率越大,在電壓一定的情況下,電流增加,會導致電路溫度過高,影響電子裝置的正常工作。另外,馬達功率越大,噪音增大,EPS的馬達裝在駕駛室內,會影響駕駛人的舒適性。
- (1)摩擦力矩。在永恆直流馬達中,摩擦力矩的主要來源有2個:1電刷和軸承的機械摩擦; 2磁通損失大的馬達需要電刷和換向器有較大的接觸面,這樣才能減少電阻,增加磁通密度,從而使馬達輸出功率增加,但也導致了摩擦力矩的增加。
- (2)電機的慣量補償和摩擦補償。實際需要的馬達電流是助力電流、慣性補償電流、阻尼補償電流和摩擦補償電流總和。馬達電流用這些補償電流來校正自己,從而提供較精確的實際需要電流。其助力電流的大小隨車速的提高而減少。
- 慣量補償大大改善了轉向時的響應性,可是導致的阻尼問題會影響轉向的穩定性,在高速情況下最為明顯。
- 阻尼補償、摩擦補償、慣性補償均與電機轉速相關,在補償中必須給定,但考慮到電機的轉速與電機的感應電壓有一定的比例關係,因此不需要額外的傳感器即可檢測到。
- 3, 馬達總成特點
- EPS系統採用的馬達為直流伺服馬達,其主要特點有以下幾個面向: 1調速範圍廣,易於平滑調整; 2過載、啟動及煞車轉矩大; 3易於控制,可靠性高; 4調速時能量損耗小; 5加載時力矩平滑; 6噪音小。
- EPS的助力大小,取決於馬達的大小、電流大小及減速機構的減速比。對於那些大排氣量的汽車,由於助力大,需大功率的電機,如果電機太大,轉動慣量大,會導致助力跟隨性差,因此,EPS的使用範圍受電機功率的限制。
- 在不同的車速、不同的輸入轉向力,其電機助力電流的大小是不一樣的,在低車速時,助力電流大,高車速時,助力電流小,當車速達到某一數值時,則停止助力,如圖4所示。所有車速範圍的助力電流大小,靠預先設定的助力曲線來實現。
- 4, 輸入輸出扭力特性
- EPS性能的好壞,透過在台架上測出各種車速下的輸入輸出扭力特性曲線表現出來,如圖5所示。根據汽車的轉向特性,在不同的車速下,輸入輸出扭力特性曲線是不一樣的。車速越低,助力越大;反之,助力越小。
- 輸入力矩輸出力矩特性透過以下幾個指標來衡量:
- (1)輸入力矩與輸出力矩的比例關係。輸出力矩與輸入力矩的比值越大,其助力效果越明顯。
- 在車身前軸質量大、車速較低的情況下,輸出力矩與輸入力矩的比值需要加大;反之,輸出力矩與輸入力矩的比值需要減少。
- 輸出力矩與輸入力矩的比值是透過預先設定的程序來控制。但是,最大輸出力矩受馬達功率的限制。
- (2)兩側不同輸入力矩/最大輸出力矩差異。
- 圖5中的|ab|為兩側不同輸入力矩/最大輸出力矩差。
- 該數值越小,說明其正向助力與反向助力的對稱性好;數值越大,會導致正反向助力大小不一,使駕駛員在轉向時感到一個方向手感重,另一方向手感輕,嚴重時導致方向老是往一邊跑。
- (3)輸入輸出力矩曲線的波動。圖5中的X值是輸入輸出力矩曲線的波動量,X值越小,助力越平穩,駕駛員的手感越好。
- 影響測量曲線波動量的因素主要有以下幾個面向:1滑桿在輸入輸出軸上移動的彈性。靈活性越好,X值越小;這與輸入輸出軸運動副光潔度有關;2控製程序在電流的反饋與各種補償過程中,如果參數選擇不當,使其控制信號波動太大,導致X值波動大;3扭力感測器電阻膜分佈的均勻性越好,X值波動越小;4蝸輪蝸桿傳動的平穩性;5馬達工作的穩定性。
- (4)滯後現象。圖5中的Y值是輸入輸出特性曲線的滯後,Y值越小,轉向繫在回位時的跟隨性越好。
- 影響Y值大小的主要因素有以下3個面向:
- 1與滑塊在輸入輸出軸上運動的摩擦力大小有關,摩擦力越大,Y值越大;2與馬達的機械摩擦、慣性矩等因素有關,機械摩擦、慣性矩越大,Y值越大;3與蝸輪蝸桿傳動的摩擦力和齒型嚙合參數有關。
- (5)曲線異常。圖5中的c、d曲線屬於助力異常,這種情況是絕對不允許出現的,這種異常情況與控制模組、扭矩感知器及扭力桿及電機故障有關。
- 5, 扭力感測器
- 本轉向器的扭力感測系統採用接觸式電位器來感受電訊號。扭力感測系統由輸入軸、輸出軸、扭力桿、滑桿、鋼球及扭力感測器組成,它獲得方向盤操作力大小和方向的訊號,並把它們轉換為電壓值,將它們傳遞到控制模組。
- 此結構的優點在於扭力桿產生的微小的扭轉角度,通過螺旋球槽、鋼球和滑塊後,將扭轉角度位移轉換並放大成滑塊的軸向位移。與非接觸式的光電感測器相比,結構簡單,造價低廉。
- 其缺點是對輸出軸的螺旋球槽及滑塊滾珠槽精度要求高,為了減小滑塊的軸向間隙,其球槽採用螺旋滾動副,並且,其光潔度要求高,因此加工難度大。如採取普通的球軸承槽,會使滑塊組裝後其軸向間隙太大,導致扭矩感測器訊號失真。
- 另外,扭力感測器結構採用主路輔路2路輸出,只有2路電壓之和在規定的範圍內時,控制器才會工作。保證了訊號採集的真實性和可靠性。
- 電動輔助轉向系統(EPS)完全取消了液壓部件，整個系統由機械轉向系統加上扭力感知器、車速感知器、馬達感知器、 ECU、助力馬達、離合器、減速器等組成。基本工作原理是:
- 轉向盤轉動時，扭矩感知器將檢測到轉向盤上的扭矩信號和轉向信號傳給ECU，ECU同時接受車速信號，據此決定助力電機的基本助力電流，然後一般還生成電機慣性補償電流和阻尼補償電流總電流作為馬達目標電流。透過ECU內部的馬達驅動電路對馬達進行扭力控制。
- 依馬達佈置位置不同，電動輔助轉向系統可分為:轉向柱助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種。
- 轉向柱助力式EPS的馬達固定在轉向柱一側，透過減速機構與轉向軸相連，直接驅動轉向軸進行輔助轉向。齒輪助力式EPS的馬達和減速機構與小齒輪相連，直接驅動齒輪輔助轉向。齒條助力式EPS的馬達和減速機構則直接驅動齒條提供助力。
- 電動輔助轉向系統( EPS ) 是一種直接依靠電力提供輔助扭矩的動力轉向系統, 它由電動機提供助力, 助力大小由電控單元( ECU) 控制。其基本原理是: 當轉動方向盤時, 扭矩感知器測出施加於轉向軸的扭矩並產生一個電信號, 同時, 車速感知器測出汽車的車速也產生一個電信號, ECU 根據這兩個信號,透過已知的助力特性曲線產生目標電流, 並對目標電流適當調整,輸出給電動機一個合適的電流以產生相應的扭矩, 經減速機構施加在轉向機構上, 得到一個與工況相適應的轉向。電動機的目標電流是根據助力特性曲線來決定的。
- 1 助力特性和助力特性曲線的概念
- 助力特性是指助力隨汽車運動狀況和受力狀況( 車速和轉向盤手力) 變化而變化的規律。對液壓動力轉向, 助力與液壓油壓力成正比, 故一般用液壓油壓力與轉向盤力矩( 及車速) 的變化關係曲線來表示助力特性。對於電動輔助轉向, 助力與直流電動機電流成比例, 故可採用電動機電流與轉向盤力矩、 車速的變化關係曲線來表示助力特性。
- 不管採取什麼樣的助力特性一般都要滿足特點:
- ( 1) 車速很小或車速很大時要靈活變動助力力矩大小,使駕駛員有良好路感。
- ( 2) 助力曲線的過渡要盡量平滑, 避免過渡助力。
- ( 3) 助力特性曲線的參數可以進行靈活調整, 以適應不同的路況, 不同駕駛員。
- ( 4) 轉向盤轉動很小時,助力效果應該不明顯,甚至不起作用。
- 電動馬達助力隨著車速和轉向手力或轉向角大小的變化而變化, 此變化趨勢稱為轉向助力特性曲線。它是決定轉向輕便性, 轉向路感和操縱穩定性的首要條件。合理的轉向輔助特性曲線不僅可保持汽車低速行駛時轉向輕便靈活, 而且可保持中高速行駛時的路感和操縱穩定性。
- 在控制器設計前必須先確定轉向助力特性曲線, 以便在此基礎上對系統性能進行綜合設計。
- 2 轉向助力特性曲線形狀的類型
- 理想的轉向助力特性曲線應該既保證路感合適又保證系統的操縱穩定性, 能充分協調好路感與轉向輕便性的關係, 並提供給駕駛員路感強度與手動轉向盡可能一致的、 可控的轉向特性。
- 根據不同的車型, 助力特性曲線有很多種, 從根本上可以分為: 直線型助力特性、 折線型助力特性和曲線型助力特性。
- 採用簡單的直線型輔助特性曲線無法同時滿足轉向輕量性和防止路面衝擊的要求。
- 折線型可以很好的解決路感和操縱穩定性之間的矛盾, 從圖2 可以看出該特性曲線可以分為直線行駛區I、強路感區II和輕便轉向區III。直線行駛區, 路感強度為最大值, 在輕便轉向區最小, 這樣的路感對於動力轉向而言是比較理想的。但是液壓動力轉向很難實現上述理想輔助特性。這是因為流體固有特性, 閥部件的製造誤差以及部件間的間隙等, 使得特性曲線只能是連續變化的。與此相應, 路感強度也是連續變化的。在離開小轉向角的中心區域後, 路感強度的變化是連續遞減的, 而且變化很劇烈, 這不利於駕駛員做出準確的推測和判斷。
- 助力特性曲線有直線型和折線型分別, 如圖1~2 所示。
- 電動輔助轉向( EPS ) 的助力特性由軟體設定, 是電動輔助轉向的控制目標, 可以設計成任意曲線形狀, 並可以方便地進行調節。
- 2.1 助力特性設計
- 助力特性是指助力隨汽車運動狀況（車速和轉向盤手力）變化而變化的規律。對於電動輔助轉向系統，因為電動馬達的助力與其電樞電流成正比， 故可採用電動馬達的電樞電流與轉向盤轉矩和車速的變化關係曲線來表示助力特性， 其目的是獲得基本助力電流。
- 理想的助力特性應能充分協調好轉向輕盈性與路感的關係，並提供給駕駛者與手動轉向盡可能一致的、可控的轉向特性。在滿足轉向輕盈性的條件下，如果路感強度在整個助力特性區域內不變， 則駕駛員就能容易地判定汽車行駛狀況的變化，預測出所需要的轉向操縱力矩的大小。
- EPS助力特性曲線如圖5所示，為車速感應型，即在同一轉向盤力矩輸入下， 電動機的目標電流隨車速的增加而降低，以較好地兼顧輕便性與路感的要求。
- 針對EPS系統的特點，助力特性曲線符合以下要求：
- 1) 當轉向盤輸入力矩小於某一特定值（通常設為1Nm左右）時，助力力矩對EPS系統不起作用；
- 2) 在轉向盤輸入力矩較小的區域，助力部分的輸出應較小，以保持較好的路感；
- 3) 在轉向盤輸入力矩較大的區域，為轉向輕便，助力效果要明顯；
- 4) 在轉向盤輸入力矩達到駕駛體力極限的區域時，應盡可能發揮較大的助力效果；
- 5) 隨著車速的增高，助力應減少；
- 6) 符合國家標準對動力轉向作用在轉向盤上的最大操縱力要求。
- 2.2 特殊工況補償設計
- 根據助力特性曲線所得到的基本目標電流是基於理想轉向工況的，忽略了很多外界幹擾因素，而實際中汽車行使的工況是十分複雜多變的，對轉向性能的要求也各有不同，因此需要引入附加的補償電流， 使車輛在某些特殊轉向工況中均能達到理想的轉向效果。文章設計了回正製程補償、緊急避讓製程補償和滿載大角度轉彎補償等三種補償控制電流，並進行模擬分析。
- 2.2.1 回正過程補償
- 當汽車以一定速度行駛時， 駕駛員轉向後輪胎和路面之間將產生回正力矩。駕駛鬆開轉向盤後，隨著作用在轉向盤上的力的減小，轉向盤將在回正力矩的作用下回正。汽車的回正能力在設計階段就應進行考慮， 但是隨著汽車某些因素的變化（如轉向系統乾摩擦變大） ，會降低汽車的回正能力。這時EPS 系統應即時監控系統的狀態，以確保汽車的回正性能。
- 在轉向盤回正過程中，有兩種情況需要考慮。一是回正力矩過小，轉向盤不能回到中間位置；二是回正力矩過大，造成轉向盤位置超調。
- 汽車在低速轉向過程中，由於路面阻力矩較大，優先考慮的是轉向輕盈性。同時由於輪胎回正力矩較小及轉向系統固有摩擦阻力的作用，方向盤無法及時回到中間位置，因此存在殘餘角度。因此，在低速轉向後的回正過程中有必要施加一個回正補償電流， 透過補償使方向盤轉向後回到直行位置。
- 隨著車速的提高，路面阻力減小，而回正力矩隨著車速的提高而增加，這就導致了在中高速情況下，方向盤在回正力矩的作用下有可能出現回正過度現象， 這對行駛安全是極不利的。因此需要增加一個補償電流，防止方向盤超調現象，以提高安全性。
- 2.2.2 緊急避讓過程補償
- 在汽車高速行駛過程中，當前方突然出現障礙物，駕駛者的第一個反應是踩剎車和急打方向盤。在這種情況下極易發生操縱力過大，導致轉向過度。同時，由於所設計的助力增益是隨著車速的減小而增加的，由於車輛減速，因此助力扭矩增大，進一步加大了轉向力矩。最終的結果就有可能是車輛轉向過度導致車輛失控甚至甩尾及翻車。為了避免這種情況的發生，提高車輛的安全性，引入一種補償電流，起到摩擦阻力的作用，防止轉向過度。其工作原理是，控制器根據輸入的車速訊號、轉矩訊號、方向盤轉角訊號，即時估計車輛的行駛工況，當車速超過一定值(40 km/h),且方向盤轉角的變化率超過一定值時，觸發控制器，產生主動摩擦補償電流。
- 2.2.3 滿載大角度轉彎補償
- 在設計輔助特性時，假設車輛自重皆為空載。但在實際中，車輛的負載情況是對轉向阻力影響最大的因素之一。如小型轎車的空載質量和滿載質量相差近1.5倍，因此，在滿載時容易出現轉向沉重。當汽車在滿載調頭轉彎時，轉向角度及轉向角速度很大，此時路面回饋到轉向系統的阻力就會變得很大。為此，引入一個補償電流，為了防止控制器辨別工況時與緊急避讓發生衝突，其觸發情況為方向盤轉角及轉矩均大於某一特定值， 且僅在車速低於40 km/h = 時才觸發。
- 3 EPS控制策略
- 3.1 EPS控制策略
- 電動輔助轉向的核心問題是電動馬達輔助如何隨轉向盤轉矩和車速等輸入的變化而變化。從車輛動力學與控制的角度,建立如圖2所示的EPS系統控制原理。並以方向盤操縱力,車身側向加速度,方向盤轉角,以及三者之間的相互關係來衡量助力特性對輕便性以及路感的影響,同時還將橫擺角速度、車身質心側偏角、車身側傾角作為操控穩定性的評估指標,以便更全面地分析EPS對整車操縱穩定性的影響。
- 3.2 助力特性型式
- EPS的助力特性具有多種曲線形式,圖3為三種典型的EPS助力特性曲線。曲線分成三個區域,為無助力區,為助力變化區,為助力不變區。
- 圖3中,(a)為直線型助力特性,其特點是在助力變化區,助力與轉向盤力矩成線性關係;(b)為典型折線型助力特性,其特徵是在助力變化區,助力與轉向盤力矩成分段線性關係;©為典型曲線型輔助特性,其特徵是在助力變化區,助力與轉向盤力矩成非線性關係。
- 助力特性對汽車的操縱穩定性和轉向路感有很大的影響， 是EPS 系統設計的關鍵之一。直線型助力特性曲線斜率單一， 難以協調輕盈性與路感的矛盾; 折線型助力特性可有限地協調輕便性與路感的矛盾; 曲線型助力特性可透過改變曲線的線形實現連續可變的輕便性和路感。曲線型輔助特性可以在轉向輕便性和路感之間達到一個較理想的平衡點， 但是難以找到一種合適的曲線形式， 以滿足比較理想的轉向輕便性和路感要求。
汽車電動輔助式轉向系統(EPS)控制策略
- 1 EPS系統結構及控制原理
- 汽車電動助力式轉向系統利用電動機產生的轉矩,經過轉向系統減速及傳遞機構轉化後協助駕車者進行動力轉向。不同車的EPS結構部件儘管不一樣,但基本原理是一致的,其結構示意圖如圖1所示。在偵測到有效汽車點火訊號後,當轉向軸轉動時,轉矩或轉角感知器將偵測到的轉矩和轉角訊號輸出至電子控制單元ECU,ECU根據轉矩、轉角訊號,汽車速度、軸重負載訊號等進行分析和計算,得出助力電動機的轉向和目標助力電流的大小,從而實現助力轉向控制。
- 在汽車點火後,EPS開始即時對各感測器訊號進行分析計算,根據系統助力、阻尼及回正控制演算法,實現在全速範圍內的最佳助力控制:在低速行駛時,減輕轉向力保證汽車轉向“靈活、輕巧」;在高速行駛時,適當增加阻尼控制,保證汽車轉向盤操作「穩重、可靠」;在各種車速下,協助汽車轉向盤輕便、自動回正,使汽車的駕駛性能達到令人滿意的程度。
- EPS系統在分析助力同時,即時檢測系統各組件工作狀況,如助力馬達、蓄電池電源電壓、各感測器等,當偵測到某一組件發生故障時,如蓄電池電源欠壓、車速感知器無訊號輸出等,立即斷開電磁離合器,使輔助系統脫離機械轉向系統,採用汽車本身的轉向機構,並同時驅動故障信號指示燈,輸出故障碼,保障駕駛的安全性。因此,EPS可以在各種路況和車速下,給駕駛員一個安全、穩定、輕便、舒適的駕駛環境。不僅如此,EPS還具有安全可靠、節能環保等傳統動力轉向系統不具有的優點,正逐漸成為汽車動力轉向系統理想的升級換代產品。
- 2 系統控制策略
- 2.1 控制內容
- EPS系統控制演算法是系統控制效能的關鍵。根據助力控制內容的不同,系統控制演算法分為輔助控制、阻尼控制和回正控制。輔助控制協助駕駛轉向,減輕轉向力;阻尼控制在汽車高速行駛時適當增加轉向阻力,實現高速駕駛時的「穩重手感 ;回正控制協助汽車轉向盤在轉向後自動回正或在駕駛員操作下輕便的回正。在低速行駛時,控制內容以助力控制和回正控制為主,在高速行駛時,以阻尼控制為主。在不至引起歧義情況下,對系統控制內容簡稱為助力控制,如電動輔助控制,電動輔助轉向系統等。
- 控制系統應具有較強的抗干擾能力,能適應汽車在各種路況下行駛,並實現即時最佳智慧控制。其實時智慧控制的核心內容,即是擷取扭力或轉角感測器訊號以及汽車行駛的速度訊號,判斷即時助力控制內容,依據相應助力控制演算法確定助力馬達電流的大小和方向,然後根據反映汽車負載的軸重訊號對助力電流訊號進行修正後輸出,從而完成智能化的助力轉向控制,其控制過程如圖2所示。
- 2.2 輔助控制
- 汽車在行駛過程中有以下幾種轉向情況:行駛時的高速、中等速度和低速轉向,以及點火起動後的原地轉向,其對應的轉向力依次增加,高速行駛時的助力最小,原地轉向時,助力最大;相應的動力轉向系統的助力依次增加。
- 助力特性反映助力馬達輔助大小隨汽車的行駛狀況變化的規律。將直流輔助馬達與汽車行駛的主要參數進行抽象化,EPS的助力特性分為下面3類:直線型助力、折線型助力以及曲線型助力,如圖3所示,圖中I(A)為助力電機電流;Td0為開始助力時的轉向盤輸入轉矩;Tdmax為轉向盤輸入的最大轉矩。
- 3類助力特性皆可分為3種助力區:無助力區(0≤T≤Td0),當轉向盤輸入轉矩小於T d0時,不提供助力;助力變化區(Td0<T≤Tdmax)。當轉向盤輸入轉矩介於T d0與T dmax之間時,助力馬達依據助力特性曲線提供即時助力;最大助力區(T>T dmax),當轉向盤輸入轉矩大於T d max時,在一定車速下,助力電流達到最大值並保持。
- 直線型輔助特性以函數表示為
- I(T d)= 0 T d≤T d0
- K(v)×T(T dT d0)T d0<T d≤T d max
- I max T d>T dmax
- 式中: K(v)為不同速率下助力直線的斜率;
- T(T dT d 0)為轉向盤輸入轉矩T d的一次函數。
- 直線型輔助實現相對簡單,當駕駛員對轉向盤的作用力處於死區範圍內時,即小於Td0時,系統不助力;當處於助力變化區時,系統實現線性助力,但在死區邊界轉向時,助力由無到有或由有到無,這給行車中的駕駛員以手感上的衝擊,從而帶來潛在的危險。
- 折線型輔助特性以函數表示為
- I(T d)=0 T d≤T d0
- K 1(v)×T 1(T dT d0)T d0<T d≤T d1
- K 2(v)×T 2( T dT d1)T d1<T d≤T d max
- I max T d>T dmax
- 式中:K i(v)為在第i段折線內助力直線的斜率;
- T i(T dT di-1)為轉向盤輸入轉矩T d的一次函數(i=1,2)。折線型助力是在直線型的基礎上經改進而成,將直線型的線性助力變化區改進為一段折線,實現在兩段直線範圍內的線性助力。在死區邊界轉向時,助力曲線的斜率有所減小,但助力轉向仍存在手感上的衝擊,而且轉向盤輸入轉矩在T d1附近時,由於助力曲線斜率的變化引起另一處轉向手感上的衝擊。
- 曲線型助力特性以函數表示為
- I(T d)=0 T d≤T d0
- F(v)×T d T d0<T d<T dmax
- I max T d>T dmax
- 式中:F(v)為不同速度v對應的助力曲線,為變數v的多項式,一般在控制精度要求下取v的3次多項式F(v)=a0+a1v+a2v2+a3v3。曲線型輔助綜合了直線型和折線型輔助的優點,實現連續、均勻助力。
- 設計助力控製曲線時,可以對折線型助力或初擬定的曲線型助力進行試驗,依據採集轉向盤輸入扭矩數據,參照EPS設計技術參數,如表1所列,調整修正助力控制輸出,最後對助力控製曲線進行3次樣條曲線擬合,優化助力曲線。
- 表1 EPS部分設計技術參數
- 技術參數 數值
- 轉向盤最大作用力矩/(N·m) 7.5
- 轉向盤最大作用力/N 35
- 轉向盤平均作用力矩/(N·m) 3.8
- 轉向盤平均作用力/N 18 ～20
- 2.3 阻尼控制
- 阻尼控制是針對汽車高速直線行駛穩定性和快速轉向收斂性提出的。汽車高速直線行駛時,如果轉向過於靈敏、“輕便”,駕駛員就會有通常說的“飄”的感覺,這給駕駛帶來很大的危險。為提高高速行駛時駕駛的穩定性,提出在死區範圍內進行阻尼控制,適當加重轉向盤的阻力,最終體現在高速行駛時手感的「穩重」。
- 汽車高速行駛時,由於路面偶然因素的干擾引起的側向加速度較大,傳到方向盤的力矩比低速行駛時要大,為了抑制這種橫擺振動,必須採用阻尼控制;此外,轉向盤轉向後回到中間位置時,由於電動機的慣性存在,在不加其他控制情況下,助力系統的慣性比機械式轉向系統的慣性大,轉向回正時不容易收斂,此時,也需採用阻尼控制。採用阻尼控制時,只需將電動機輸出為制動狀態,就可使電動機產生阻尼效果。
- 2.4 回正控制
- 回正控制是針對轉向回正特性所提出的控制策略。汽車方向盤回正力矩主要包括輪胎本身產生的回正力矩、轉向機構主銷定位產生的回正力矩和主銷定位參數的輪荷回正力矩。
- 汽車行駛轉向時,由於轉向輪主銷後傾角和主銷內傾角的存在,轉向盤具有自動回正作用,且隨著車速的提高,輪胎與地面側向附著係數減少,轉向回正轉矩增大。當汽車達到一定速度行駛時,汽車轉向盤轉向後將產生回正力矩,在理想情況下,轉向盤將在自身回正力矩作用下回正。這種回正力矩的產生是在汽車設計時應考慮的,但由於汽車使用摩擦磨損等其它因素,如轉向主銷幹摩擦和轉向器幹摩擦等,汽車自身回正力矩不能實現很好的回正,另外在汽車起動原地回正或低速回正時,轉向盤也難以在自身回正力矩下很好的回正,這時就需要ECU實時監控系統的狀態,幹預協助回正控制,保證汽車的回正性能。
- 回正控制狀態可能會出現不完全回正和回正超調兩種情況,前者由於回正力矩不夠,轉向盤沒有回正到中間位置,後者由於回正力矩過大,導致轉向盤回歸中間位置超調;透過ECU進行回正補償助力可改善不完全回正,透過增加助力馬達阻尼控制可改善回正超調。當轉向盤回正到中間位置時,ECU使助力馬達電流逐漸減小,對轉向車輪產生回正阻尼,使汽車具有穩定的轉向特性。
- 回正控制需要考慮高速、低速以及原地轉向回正3種情況。汽車點火起動後原地轉向回正依靠其自有的回正作用,不能實現輕便的回正,需要回正助力控制;汽車在低速行駛時,其側向加速度小,回正力矩也小,在高速行駛時,側向加速度比較大,回正力矩也較大,均需要ECU即時監控協助控制。
- 2.5 故障診斷控制
- 電子控制單元ECU除控制即時助力外,還具備安全保護與故障診斷功能,EPS系統在分析助力同時,即時檢測系統各組件工作情況,如助力電機、蓄電池電源電壓、各傳感器,當偵測到某一組件發生故障時,如蓄電池電源欠壓,車速感知器無訊號輸出等,實現如下操作:斷開電磁離合器,使助力系統脫離機械轉向系統,採用汽車本身的轉向機構;透過顯示部分輸出顯示故障碼;透過通訊埠輸出故障碼,保障駕駛的安全性。
- 3 系統控制流程
- 系統控制內容除以上所述外,還有EPS與汽車車載資訊系統的通訊,其實現的功能包括從車載資訊系統獲取汽車車速訊號、ABS汽車煞車訊號等,以及共享輸出EPS工作狀態訊號,如助力、阻尼、回正控制狀態,EPS工作狀態等。EPS嵌入式系統控制流程如圖4所示。
- 圖4 EPS系統控制總流程
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