EPS系統(tǒng)助力特性研究

朱紹明，李騰飛

（1. 西安市公共交通總公司客車總廠，陜西 西安 710082；2. 長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

EPS系統(tǒng)助力特性研究

朱紹明1，李騰飛2

（1. 西安市公共交通總公司客車總廠，陜西 西安 710082；2. 長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

EPS系統(tǒng)控制的核心部分是助力特性，它的優(yōu)劣直接影響著助力電機的性能。因此有必要對助力特性曲線進行研究，并給出確定助力特性曲線的方法。

EPS；助力電機；助力特性

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-93-03

引言

EPS的控制目標是助力特性，是指轉(zhuǎn)向提供助力的大小隨著方向盤輸入轉(zhuǎn)矩、車速的變化而變化，它的好壞直接影響整個EPS系統(tǒng)的性能，可以通過對助力特性的調(diào)整來改善駕駛員轉(zhuǎn)向路感與轉(zhuǎn)向輕便的矛盾。

1、EPS系統(tǒng)助力特性的基本問題

現(xiàn)如今比較常見的助力特性曲線有三種類型[1]：直線型、折線型、曲線型，如圖1所示。圖中所示的三種曲線都可以分成三個區(qū)域：無助力區(qū)域、助力變化區(qū)域、助力不變區(qū)域。

按照助力時車速范圍的不同將助力特性曲線分為兩種：全車速范圍助力型、中低速范圍助力型。全車速范圍助力型顧名思義是在整個車速范圍內(nèi)都可提供助力。而中低速范圍助力型只有在車速低于某個設定值時，助力電機才提供助力，當高于設定的這個車速值時，助力電機不提供助力，轉(zhuǎn)換為機械轉(zhuǎn)向，這種形式的助力特性曲線在車速設定值時會有轉(zhuǎn)向力的突變。

通過對比這三種曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)它們各自的優(yōu)缺點。直線型助力特性曲線具有以下優(yōu)點[2]：因為目標電流與方向盤轉(zhuǎn)矩成線性關系，參數(shù)調(diào)整相對容易，控制算法也比較簡單，但是缺點也很明顯，除了不同車速下，車速感應系數(shù)不同，在助力區(qū)域，不同的方向盤輸入力矩，助力方式一樣，這樣會造成轉(zhuǎn)向路感太單一，不能針對實際道路條件，來協(xié)調(diào)駕駛員轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關系。然而曲線型助力特性曲線也很明顯：克服了直線型的缺點，可以根據(jù)不同的方向盤輸入轉(zhuǎn)矩，適時調(diào)整，作用不用的助力方式，此種曲線形式是理想的助力特性曲線。但是缺點是：由于這種不同的助力方式，使得控制系統(tǒng)的計算時間延長，勢必會造成電動助力轉(zhuǎn)向機構的靈敏性。折線型助力特性曲線介于兩者之間。

2、EPS系統(tǒng)對助力特性的基本要求

在EPS系統(tǒng)中，助力大小是由助力電動機的電流決定，而助力電流又是根據(jù)助力特性曲線的確定而確定的。從前面可知，助力特性曲線是由電控單元采集到的車速信號、方向盤轉(zhuǎn)矩信號決定，這些可以由軟件設置，在設計助力特性曲線之前對助力特性有如下幾點要求：

（1）當方向盤輸入轉(zhuǎn)矩小于某一設定值時，助力電機不起作用，助力矩應為零。

（2）當方向盤輸入轉(zhuǎn)矩在很小的范圍內(nèi)，助力電機輸出電流應很小，為保證駕駛員較好的路感。

（3）當方向盤輸入轉(zhuǎn)矩在較大的范圍內(nèi)，助力電機輸出電流應較大，提供較大助力，為保證駕駛員轉(zhuǎn)向輕便性。

（4）原地轉(zhuǎn)向時，應盡可能的發(fā)揮助力作用，因為原地轉(zhuǎn)向時受到的阻力矩最大。

（5）當方向盤輸入力矩較小，隨著車速的升高，助力電機輸出電流應跟小，甚至在高速時，應該停止助力，以保持駕駛員較好的路感

（6）助力區(qū)域與不助力區(qū)域之間的過度應該平緩，防止出現(xiàn)方向盤打手現(xiàn)象。

3、助力特性曲線的確定方法

通過查閱國內(nèi)外參考文獻，主要由三種方法對助力特性曲線進行確定。第一種方法是通過大量試驗確定助力特性曲線。試驗時，先設定一個車速，在這一車速下進行轉(zhuǎn)向試驗，通過改變車速感應系數(shù)的大小，使方向盤轉(zhuǎn)矩達到在這一車速下的理想方向盤轉(zhuǎn)矩，并記錄下此時助力電機的助力電流值，這樣我們就可以得到在這一車速下的車速感應系數(shù)值。改變車速，重復這一實驗過程，我們就得到了一組在不同車速下對應的車速感應系數(shù)。運用此種方法的優(yōu)點是更貼近實際轉(zhuǎn)向情況，缺點也很明顯，需要進行大量的試驗采集數(shù)據(jù)。第二種方法是通過各種控制方法來確定，通過調(diào)整控制參數(shù)來滿足助力要求。常用到的控制方法有：模糊控制理論、模糊PID控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論等。運用此種方法的優(yōu)點是只需調(diào)整控制參數(shù)來滿足轉(zhuǎn)向要求，缺點是也需要試驗驗證，是否符合實際轉(zhuǎn)向情況[3]。

本文采用第一種方法確定電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線，通過實驗數(shù)據(jù)進行擬合。

4、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線設計

確定直線型助力特性曲線的三個特征值是確定直線型助力特性曲線的關鍵。這三個特征值分別是：開始助力時的點坐標Td0，最大助力時Tdmax以及車速感應系數(shù)Kv。

4.1 Td0、Tdmax的確定

4.1.1 無助力區(qū)段和助力變化區(qū)段力矩分界點Td0的確定

轉(zhuǎn)向輕便性與駕駛員的路感是相互矛盾的，轉(zhuǎn)向助力越大，轉(zhuǎn)向時越輕便，可以減少消耗駕駛員的體能。但是轉(zhuǎn)向助力過大，會使駕駛員產(chǎn)生發(fā)飄的感覺，也就是常說的缺乏路感。為此，為駕駛員提供的轉(zhuǎn)向助力應該大小合適，合理的助力特性曲線能夠同時兼顧轉(zhuǎn)向輕便和轉(zhuǎn)向路感。當方向盤力矩在小于某一個設定值是，如果助力電機繼續(xù)助力，會造成駕駛員失去操縱方向盤的感覺。因此設置一個區(qū)間使得助力電機在這個區(qū)間是不工作的，這樣也減少了能源消耗。本文參考相關文獻，取Td0=1Nm

4.2.2 最大助力時Tdmax的確定

助力區(qū)和不助力區(qū)都不能過大，一方面是因為人的體力是有限的，另一方面它要與EPS系統(tǒng)的參數(shù)相匹配，保證助力電機輸出的最大電流小于確定的目標電流。在QC/T480-1999操縱穩(wěn)定性指標限制與評價方法中明確指出，平均駕駛員操縱方向盤的操縱力矩在15—20N之間，而最大操縱方向盤的切向力在 30—80N之間。綜上考慮并參考相關資料，本論文選取的最大操縱切向力為30N，當有轉(zhuǎn)向助力時，我們可以根據(jù)下式來計算最大輸入方向盤轉(zhuǎn)矩：

其中，Tdmax是方向盤的最大轉(zhuǎn)矩；D是方向盤的直徑；Fmax為最大操縱切向力，取D=0.5m，F(xiàn)max=30N，根據(jù)上式計算得到Tdmax=7.5N.m。

4.2 零車速時及不同車速時車速感應系數(shù)的確定

4.2.1 零車速時車速感應系數(shù)Kv的確定

當車輛在原地轉(zhuǎn)向時，受到的轉(zhuǎn)向阻力距很大，主要包括：車輪繞主銷的助力、輪胎的變形阻力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦阻力等。針對不同的車輛類型和輪胎類型，受到的這些阻力矩不可能完全相同，然而對這些力進行精確的計算是不易的。因此本文應用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在不同路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，公式如下所示：

其中，MR是原地轉(zhuǎn)向時受到的最大轉(zhuǎn)向阻力矩，f為輪胎與路面之間的動摩擦因數(shù)，通常取0.7；G1是軸負荷（N）；p是輪胎壓強（MPa）。設定汽車原地轉(zhuǎn)向時涉及到的變量參數(shù)為：G1=9000N；p=0.2MPa，那么原地轉(zhuǎn)向的最大轉(zhuǎn)向阻力矩為：

那么此時需要的轉(zhuǎn)向力矩Th max為：

其中，iw為轉(zhuǎn)向器的角傳動比，取iw=20；η為轉(zhuǎn)向器的正效率，取η=70%；那么

原地轉(zhuǎn)向時的助力大小Ta0為：

此時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零車速感應系數(shù)為：

4.2.2 變車速時車速感應系數(shù)的確定

對于各車速下車速感應系數(shù)Kv的值的確定，目前沒有一個很成熟的函數(shù)關系式，不過可以通過實車實驗的方法獲得，在轉(zhuǎn)向阻力矩已知的情況下，在設定的某一車速下進行試驗，通過改變車速感應系數(shù)的大小，使方向盤轉(zhuǎn)矩達到在這一車速下的理想方向盤轉(zhuǎn)矩，并記錄下此時助力電機的助力電流值，這樣我們就可以得到在這一車速下的車速感應系數(shù)值。改變車速，重復這一實驗過程，我們就得到了一組在不同車速下對應的車速感應系數(shù)。

如下表1所示為實車實驗數(shù)據(jù)，即一組各車速下車速感應系數(shù)：

表1 不同車速下的車速感應系數(shù)Kv

利用Matlab 多項式擬合的ployfit函數(shù)[4]，在表1中，x軸表示車速（km/h），y軸表示車速感應系數(shù)。利用這組數(shù)據(jù)我們進行三次多項式擬合。

三次函數(shù)擬合表達式為：

三次多項式擬合圖像見圖2所示：

由此得到車速感應系數(shù)的多項式擬合表達式；

從上圖2就可以看出，隨著車速的升高，車速感應系數(shù)值逐漸減小，這一特點符合EPS系統(tǒng)對駕駛員路感和轉(zhuǎn)向輕便性的要求；根據(jù)所得式4.13的車速感應系數(shù)函數(shù)表達式，就可以得到本文所設計的直線型助力特性曲線見下圖3所示：

5、結(jié)束語

本文對助力特性曲線的三個特征值進行了研究確定，對變車速下的車速感應系數(shù)通過實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，并且設計出一條直線型助力特性曲線，曲線表明設計的助力特性曲線輸出的助力電流是與EPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過程中對助力的要求是吻合的。

[1] 王望予.汽車設計4版[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 黃森仁.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學學位論文，2003.

[3] 張春花.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性及控制研究[D].2006.

[4] Holly Moore.MTALAB實用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

Power characteristics of EPS systems research

Zhu Shaoming1, Li Tengfei2
（1. Xi'an Public Transport Corporation bus company, Shaanxi Xi'an 710082; 2. Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064）

The core part of EPS is helping-hand characteristic. Its quality directly influences the quality of power motor. So it is essential to research the helping-hand characteristic curve and give the method to determine the helping-hand characteristic curve.

EPS; power motor; helping-hand characteristic

U463.4

A

1671-7988(2015)01-93-03

朱紹明，工程師，就職于西安市公共交通總公司客車總廠，現(xiàn)從事公交客車技術研究工作。