电动助力转向系统的设计(附件)
EPS系统很好的响应了国家节能、环保的主题，并且与其他类型的转向助力系统相比又有着很大的优点，响应快、助力精准、可靠耐用。因此，对于这方面的研究势必越来越多。本文首先对EPS系统的发展过程及其原理做出了简单的介绍，随后进行了设计工作，给出了部分部件及参数选择及设计计算的过程。接着给出了系统的数学模型，并以此为基础在Amesim中建立了其机械部分模型，运用Simulink采用PID控制算法对其进行了简单的联合控制仿真。仿真结果显示：其助力特性能够满足使用的需要，协调了助力转向系统轻与灵之间的矛盾，使驾驶员有较好的驾驶感受。关键词 EPS系统，设计，建模，联合仿真目 录
1 引言（或绪论） 1
1.1 转向系统的概述 1
1.2 转向系统的发展 1
1.3 国内外EPS系统的研究 3
1.4 本论文的主要任务 4
2 电动助力转向系统的设计计算 4
2.1 EPS基本结构与工作原理 4
2.2 关键部件的设计计算 4
2.3 电动助力转向系统数学模型的建立 11
3 控制策略的研究 13
3.1 控制目标 13
3.2 助力模式 14
3.3 助力特性分析 15
3.4 控制算法 17
4 EPS系统软件模型与联合仿真 19
4.1 Amesim功能简介 19
4.2 EPS的Amesim模型 20
4.3 EPS联合仿真软件接口设置 27
4.4 ECU的Simulink 模型 28
5 联合仿真结果分析 .31
结论 35
致谢 36
参考文献37
1 引言
1．1 转向系统的概述
众所周知，汽车中转向系统与汽车的稳定行驶息息相关，扮演着重要角色。当车辆转弯时，驾驶员通过手力操作方向盘，使车辆按自己意图行驶。因此，要想实现安全稳定的行车，对转向系统的研究必不可少，这种研究已经成为汽车行业重要的课题。在各
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
析 .31
结论 35
致谢 36
参考文献37
1 引言
1．1 转向系统的概述
众所周知，汽车中转向系统与汽车的稳定行驶息息相关，扮演着重要角色。当车辆转弯时，驾驶员通过手力操作方向盘，使车辆按自己意图行驶。因此，要想实现安全稳定的行车，对转向系统的研究必不可少，这种研究已经成为汽车行业重要的课题。在各大厂商与科研机构的努力下，各种带有助力装置的转向系统蓬勃发展。目前许多新车中电动助力转向（EPS）系统正在取代液压助力转向系统。相比与液压助力它有很多优点[1]，比如它直接依靠电动机提供辅助转矩并且有很好的燃油经济性，持续的转向感，已经模块化并且易于集成，尺寸紧凑，与环境相容性好。在低速范围内，电源向电动机供给较大的电流，产生较大的助力，使转向轻盈，驾驶员不致用力过大，减轻疲劳感。速度较高时，提供较小的助力，甚至可以提供阻力矩，使方向盘不致发飘。
1．2 转向系统发展
1.2.1 机械式转向系统
机械式转向系统中驾驶员提供所需的全部动力，是唯一的转向动力源。包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分。驾驶员施加在方向盘上的力通过转向器减速增扭传递给前轴车轮，实现转向。如图1.1所示
1-方向盘 2-输入轴 3-转向节 4-轮胎 5-转向节臂 6-横拉杆
7-转向减振器 8-转向器
图1.1 机械式转向器
机械式转向系统通常分为三类：循环球式、齿轮齿条式、蜗杆止销式。
1.2.2 助力式转向系统
先后有HPS、EHPS、EPS
其中EPS通过电动机助力取代了HPS、EHPS系统的液压助力，具有很大的优点，很好的弥补了后者在生产、使用时的不便之处：系统经生产后可直接供应，具有很好的适应性；有专门的软件对不同的适用车型进行修正，方便快捷[2]。一般EPS系统具有故障保护功能，出现故障后，能够自动恢复手动模式，进行故障报警。图1.2为其基本结构图
图1.2 EPS 原理图
根据助力位置EPS可分为三种类型，如下图所示
1-转向轴助力式 2-小齿轮助力式 3、4-齿条助力式
图1.3 EPS助力类型
转向轴助力式：电动机的动力通过减速机构作用到转向轴上，电动机由ECU控制，ECU接受转矩传感器传来的方向盘转矩，同时接受车速传感器传来的车速信号，查表得出目标电流使电机具有一定的转速与转矩，通过转向小齿轮、齿条、转向节臂、传送到车轮上。
小齿轮助力式：电动机提供转矩位置位于转向小齿轮处，所能承受与提供的辅助力矩相对较大。
齿条助力式：直接对齿条进行助力，适用于中大型车。
1．3 国内外EPS系统的研究
1.3.1 EPS系统的国外研究现状
日本首先将理论上的EPS系统放到实车上使用，并取得了很好的效果。铃木公司1988年在其车型Cervo上安置了EPS，随后奥拓也使用了此系统[3]。紧接着日本几家著名汽车公司，如大发、本田等以及美国TRW公司[4]、Delphi汽车集团[5,6]，德国ZF集团[7,8]，先后对电动助力转向系统做出了很深的研究，拥有了具有自身特色的电动助力转向系统。其中TRW EPS和萨吉诺EPS有着很大的技术优势，因此有很强的竞争力。这归结于TRW公司的不同寻常的努力，付出了大量的时间和精力。慢慢的从转向轴助力式系统发展到小齿轮助力式转向系统。1999年，福特fiesta与马自达的部分车型已经配备了TRW生产的转向系统。Polo,欧宝318i也装备有Delphi公司自主研发的电动助力转向系统。
EPS在各种车型上蓬勃发展，应用领域、性能已经能满足绝大多数的车型。并且操纵稳定性等各项转向性能也得到了进一步加强。
1.3.2 EPS系统的国内研究现状
目前国内各大高校是EPS系统的主要研发单位，以吉林大学、江苏大学、清华大学等为主。各高校基本情况如下：
吉林大学宗长富[9,10]经过研究提出一种前轮转向控制算法，将侧向加速度与横摆角速度加入反馈环节，使汽车操纵稳定性大大提升，已经在具体车型上进行测试，达到了预期的目标，符合专业鉴定标准。
江苏大学也对我国EPS系统的发展起了很重要的推进作用，徐建平教授[11]运用转向盘转角的大小对回正力矩进行估算，使得转向系统结构得到简化，提高了转向系统的性价比。此外，他还通过主动控制增加系统阻尼，提高稳定性。何仁教授[12]提出，在系统允许的情况下，增益越小，系统越稳定。
清华大学早在1992年就开始了电动助力转向系统的开发与研究工作，接连进行了台架性能试验、台架寿命试验、整车试验。清华大学两位教授[13,14,15]对一些控制方式中的不足进行了改进与修正，率先采用了包括主力和阻尼两种模式下的综合控制
1 引言（或绪论） 1
1.1 转向系统的概述 1
1.2 转向系统的发展 1
1.3 国内外EPS系统的研究 3
1.4 本论文的主要任务 4
2 电动助力转向系统的设计计算 4
2.1 EPS基本结构与工作原理 4
2.2 关键部件的设计计算 4
2.3 电动助力转向系统数学模型的建立 11
3 控制策略的研究 13
3.1 控制目标 13
3.2 助力模式 14
3.3 助力特性分析 15
3.4 控制算法 17
4 EPS系统软件模型与联合仿真 19
4.1 Amesim功能简介 19
4.2 EPS的Amesim模型 20
4.3 EPS联合仿真软件接口设置 27
4.4 ECU的Simulink 模型 28
5 联合仿真结果分析 .31
结论 35
致谢 36
参考文献37
1 引言
1．1 转向系统的概述
众所周知，汽车中转向系统与汽车的稳定行驶息息相关，扮演着重要角色。当车辆转弯时，驾驶员通过手力操作方向盘，使车辆按自己意图行驶。因此，要想实现安全稳定的行车，对转向系统的研究必不可少，这种研究已经成为汽车行业重要的课题。在各
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
析 .31
结论 35
致谢 36
参考文献37
1 引言
1．1 转向系统的概述
众所周知，汽车中转向系统与汽车的稳定行驶息息相关，扮演着重要角色。当车辆转弯时，驾驶员通过手力操作方向盘，使车辆按自己意图行驶。因此，要想实现安全稳定的行车，对转向系统的研究必不可少，这种研究已经成为汽车行业重要的课题。在各大厂商与科研机构的努力下，各种带有助力装置的转向系统蓬勃发展。目前许多新车中电动助力转向（EPS）系统正在取代液压助力转向系统。相比与液压助力它有很多优点[1]，比如它直接依靠电动机提供辅助转矩并且有很好的燃油经济性，持续的转向感，已经模块化并且易于集成，尺寸紧凑，与环境相容性好。在低速范围内，电源向电动机供给较大的电流，产生较大的助力，使转向轻盈，驾驶员不致用力过大，减轻疲劳感。速度较高时，提供较小的助力，甚至可以提供阻力矩，使方向盘不致发飘。
1．2 转向系统发展
1.2.1 机械式转向系统
机械式转向系统中驾驶员提供所需的全部动力，是唯一的转向动力源。包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分。驾驶员施加在方向盘上的力通过转向器减速增扭传递给前轴车轮，实现转向。如图1.1所示
1-方向盘 2-输入轴 3-转向节 4-轮胎 5-转向节臂 6-横拉杆
7-转向减振器 8-转向器
图1.1 机械式转向器
机械式转向系统通常分为三类：循环球式、齿轮齿条式、蜗杆止销式。
1.2.2 助力式转向系统
先后有HPS、EHPS、EPS
其中EPS通过电动机助力取代了HPS、EHPS系统的液压助力，具有很大的优点，很好的弥补了后者在生产、使用时的不便之处：系统经生产后可直接供应，具有很好的适应性；有专门的软件对不同的适用车型进行修正，方便快捷[2]。一般EPS系统具有故障保护功能，出现故障后，能够自动恢复手动模式，进行故障报警。图1.2为其基本结构图
图1.2 EPS 原理图
根据助力位置EPS可分为三种类型，如下图所示
1-转向轴助力式 2-小齿轮助力式 3、4-齿条助力式
图1.3 EPS助力类型
转向轴助力式：电动机的动力通过减速机构作用到转向轴上，电动机由ECU控制，ECU接受转矩传感器传来的方向盘转矩，同时接受车速传感器传来的车速信号，查表得出目标电流使电机具有一定的转速与转矩，通过转向小齿轮、齿条、转向节臂、传送到车轮上。
小齿轮助力式：电动机提供转矩位置位于转向小齿轮处，所能承受与提供的辅助力矩相对较大。
齿条助力式：直接对齿条进行助力，适用于中大型车。
1．3 国内外EPS系统的研究
1.3.1 EPS系统的国外研究现状
日本首先将理论上的EPS系统放到实车上使用，并取得了很好的效果。铃木公司1988年在其车型Cervo上安置了EPS，随后奥拓也使用了此系统[3]。紧接着日本几家著名汽车公司，如大发、本田等以及美国TRW公司[4]、Delphi汽车集团[5,6]，德国ZF集团[7,8]，先后对电动助力转向系统做出了很深的研究，拥有了具有自身特色的电动助力转向系统。其中TRW EPS和萨吉诺EPS有着很大的技术优势，因此有很强的竞争力。这归结于TRW公司的不同寻常的努力，付出了大量的时间和精力。慢慢的从转向轴助力式系统发展到小齿轮助力式转向系统。1999年，福特fiesta与马自达的部分车型已经配备了TRW生产的转向系统。Polo,欧宝318i也装备有Delphi公司自主研发的电动助力转向系统。
EPS在各种车型上蓬勃发展，应用领域、性能已经能满足绝大多数的车型。并且操纵稳定性等各项转向性能也得到了进一步加强。
1.3.2 EPS系统的国内研究现状
目前国内各大高校是EPS系统的主要研发单位，以吉林大学、江苏大学、清华大学等为主。各高校基本情况如下：
吉林大学宗长富[9,10]经过研究提出一种前轮转向控制算法，将侧向加速度与横摆角速度加入反馈环节，使汽车操纵稳定性大大提升，已经在具体车型上进行测试，达到了预期的目标，符合专业鉴定标准。
江苏大学也对我国EPS系统的发展起了很重要的推进作用，徐建平教授[11]运用转向盘转角的大小对回正力矩进行估算，使得转向系统结构得到简化，提高了转向系统的性价比。此外，他还通过主动控制增加系统阻尼，提高稳定性。何仁教授[12]提出，在系统允许的情况下，增益越小，系统越稳定。
清华大学早在1992年就开始了电动助力转向系统的开发与研究工作，接连进行了台架性能试验、台架寿命试验、整车试验。清华大学两位教授[13,14,15]对一些控制方式中的不足进行了改进与修正，率先采用了包括主力和阻尼两种模式下的综合控制
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