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(xué) 汽車學(xué)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(xué) 汽車學(xué)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(jī)的性能。因此有必要對助力特性曲線進(jìn)行研究，并給出確定助力特性曲線的方法。

EPS；助力電機(jī)；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(biāo)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)設(shè)定值時(shí)，助力電機(jī)才提供助力，當(dāng)高于設(shè)定的這個(gè)車速值時(shí)，助力電機(jī)不提供助力，轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)向，這種形式的助力特性曲線在車速設(shè)定值時(shí)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(diǎn)。直線型助力特性曲線具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：因?yàn)槟繕?biāo)電流與方向盤轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系，參數(shù)調(diào)整相對容易，控制算法也比較簡單，但是缺點(diǎn)也很明顯，除了不同車速下，車速感應(yīng)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(shí)際道路條件，來協(xié)調(diào)駕駛員轉(zhuǎn)向輕便性與路感的關(guān)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(diǎn)，可以根據(jù)不同的方向盤輸入轉(zhuǎn)矩，適時(shí)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(diǎn)是：由于這種不同的助力方式，使得控制系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間延長，勢必會造成電動助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)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(jī)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(shè)置，在設(shè)計(jì)助力特性曲線之前對助力特性有如下幾點(diǎn)要求：

（1）當(dāng)方向盤輸入轉(zhuǎn)矩小于某一設(shè)定值時(shí)，助力電機(jī)不起作用，助力矩應(yīng)為零。

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

（3）當(dāng)方向盤輸入轉(zhuǎn)矩在較大的范圍內(nèi)，助力電機(jī)輸出電流應(yīng)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(shí)，應(yīng)盡可能的發(fā)揮助力作用，因?yàn)樵剞D(zhuǎn)向時(shí)受到的阻力矩最大。

（5）當(dāng)方向盤輸入力矩較小，隨著車速的升高，助力電機(jī)輸出電流應(yīng)跟小，甚至在高速時(shí)，應(yīng)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(yīng)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(xiàn)，主要由三種方法對助力特性曲線進(jìn)行確定。第一種方法是通過大量試驗(yàn)確定助力特性曲線。試驗(yàn)時(shí)，先設(shè)定一個(gè)車速，在這一車速下進(jìn)行轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，通過改變車速感應(yīng)系數(shù)的大小，使方向盤轉(zhuǎn)矩達(dá)到在這一車速下的理想方向盤轉(zhuǎn)矩，并記錄下此時(shí)助力電機(jī)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(yīng)系數(shù)值。改變車速，重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)過程，我們就得到了一組在不同車速下對應(yīng)的車速感應(yīng)系數(shù)。運(yùn)用此種方法的優(yōu)點(diǎn)是更貼近實(shí)際轉(zhuǎn)向情況，缺點(diǎn)也很明顯，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)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(luò)控制理論等。運(yùn)用此種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需調(diào)整控制參數(shù)來滿足轉(zhuǎn)向要求，缺點(diǎn)是也需要試驗(yàn)驗(yàn)證，是否符合實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

4、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線設(shè)計(jì)

確定直線型助力特性曲線的三個(gè)特征值是確定直線型助力特性曲線的關(guān)鍵。這三個(gè)特征值分別是：開始助力時(shí)的點(diǎn)坐標(biāo)Td0，最大助力時(shí)Tdmax以及車速感應(yīng)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(diǎn)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(shí)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(yīng)該大小合適，合理的助力特性曲線能夠同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)向輕便和轉(zhuǎn)向路感。當(dāng)方向盤力矩在小于某一個(gè)設(shè)定值是，如果助力電機(jī)繼續(xù)助力，會造成駕駛員失去操縱方向盤的感覺。因此設(shè)置一個(gè)區(qū)間使得助力電機(jī)在這個(gè)區(qū)間是不工作的，這樣也減少了能源消耗。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，取Td0=1Nm

4.2.2 最大助力時(shí)Tdmax的確定

助力區(qū)和不助力區(qū)都不能過大，一方面是因?yàn)槿说捏w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(jī)輸出的最大電流小于確定的目標(biāo)電流。在QC/T480-1999操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限制與評價(jià)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(guān)資料，本論文選取的最大操縱切向力為30N，當(dāng)有轉(zhuǎn)向助力時(shí)，我們可以根據(jù)下式來計(jì)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(jì)算得到Tdmax=7.5N.m。

4.2 零車速時(shí)及不同車速時(shí)車速感應(yīng)系數(shù)的確定

4.2.1 零車速時(shí)車速感應(yīng)系數(shù)Kv的確定

當(dāng)車輛在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，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(jìn)行精確的計(jì)算是不易的。因此本文應(yīng)用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)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(shí)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(fù)荷（N）；p是輪胎壓強(qiáng)（MPa）。設(shè)定汽車原地轉(zhuǎn)向時(shí)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(shí)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(shí)的助力大小Ta0為：

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

4.2.2 變車速時(shí)車速感應(yīng)系數(shù)的確定

對于各車速下車速感應(yīng)系數(shù)Kv的值的確定，目前沒有一個(gè)很成熟的函數(shù)關(guān)系式，不過可以通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)的方法獲得，在轉(zhuǎn)向阻力矩已知的情況下，在設(shè)定的某一車速下進(jìn)行試驗(yàn)，通過改變車速感應(yīng)系數(shù)的大小，使方向盤轉(zhuǎn)矩達(dá)到在這一車速下的理想方向盤轉(zhuǎn)矩，并記錄下此時(shí)助力電機(jī)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(yīng)系數(shù)值。改變車速，重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)過程，我們就得到了一組在不同車速下對應(yīng)的車速感應(yīng)系數(shù)。

如下表1所示為實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即一組各車速下車速感應(yīng)系數(shù)：

表1 不同車速下的車速感應(yīng)系數(shù)Kv

利用Matlab 多項(xiàng)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(yīng)系數(shù)。利用這組數(shù)據(jù)我們進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合。

三次函數(shù)擬合表達(dá)式為：

三次多項(xiàng)式擬合圖像見圖2所示：

由此得到車速感應(yīng)系數(shù)的多項(xiàng)式擬合表達(dá)式；

從上圖2就可以看出，隨著車速的升高，車速感應(yīng)系數(shù)值逐漸減小，這一特點(diǎn)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(yīng)系數(shù)函數(shù)表達(dá)式，就可以得到本文所設(shè)計(jì)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(gè)特征值進(jìn)行了研究確定，對變車速下的車速感應(yīng)系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，并且設(shè)計(jì)出一條直線型助力特性曲線，曲線表明設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)4版[M]. 北京:機(jī)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(xué)學(xué)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(shí)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(shù)研究工作。