电动助力转向系统动力学建模与分析.docx
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电动助力转向系统动力学建模与分析
1662010年第12期（总第48期
电动助力转向系统动力学建模与分析
福建工程学院机电及自动化工程系丁志刚钟勇
[摘要]本文介绍了汽车的电动助力转向系统（EPS的基本结构,建立了EPS系统的动力学模型,并通过对动力学模型的分析得到EPS系统的状态空间模型。
[关键字]电动助力转向;动力学模型;状态空间模型
汽车转向系统是用来改变或保持汽车行驶方向的机构。
其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性。
汽车转向系统的发展历经了无助力转向系统、液压助力转向系统（HPS、电控液压助力转向系统（EHPS、电动助力转向系统（EPS、线控转向系统（SBW。
电动助力转向相比于液压助力转向,改善了汽车的转向助力特性,减少了能量消耗,结构紧凑,质量降低,维护方便,对环境的影响减少。
近20几年来,随着电子技术的发展,传感器、电机及其控制理论的发展和完善,EPS技术日趋完善,EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。
新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。
主要体现在模型创新与试验创新2个方面。
1EPS系统的基本结构
根据助力电机布置位置的不同,电动助力转向分为转向
齿条助力式、转向齿轮助力式、转向轴助力式,如图1所示。
（a齿条助力式（b齿轮助力式（c转向柱助力式
图1EPS的3种形式
电动助力转向系统主要包括转向盘、转向轴、助力电机、减速机构、传感器、ECU
、转向器等部件（图2。
ECU根据车速传感器和扭矩传感器输出的信号计算所需的转向助力,并通过功率放大模块控制直流电动机的转动,电动机的输出经过减速机构减速增扭后,驱动齿轮齿条机构,产生相应的转向助力。
1方向盘;2输入轴;3传感器;4扭杆;5蜗轮蜗杆;6输出轴;
7转矩信号;8车速信号;9电机;10电流控制;11动力开关;
12离合器;12小齿轮;14拉杆;15齿条;16车化
图2EPS的基本结构
电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果,减轻了汽车在低速时方向盘的操纵力,提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳定性[1]。
2EPS系统的动力学模型
2.1EPS系统各部件参数确定
为建立EPS系统的动力学模型,
将图
2中的EPS系统进行简化,得到一个具有各部件动力学参数的简化模型[2],如图3所示。
图3EPS
系统的动力学模型
2010年第12期（总第48期167
图3中,Js为转向盘与转向柱转动惯量,Jm为电动机转动惯量,Je为减速机构转动惯量;Td为转向盘输入转矩,Tm为电动机转矩,Ta为助力转矩,Text为路面作用在EPS上的转矩,Tw为输出轴上的反作用转矩;θs为转向柱转角,θm为电动机转角,θp为转向齿轮转角,θe为输出轴转角;Bs为转向柱阻尼系数,Bm为电动机粘性摩擦系数,eB减速机构的阻尼系数,Br为等效弹簧的刚性系数,br为齿条粘性阻尼系数,Ks为扭杆刚度系数,Ka为电动机转矩系数,Km为电动机和减速机构刚度系数,Kr为等效弹簧的弹性系数;mr为转
向齿轮/齿条质量,
xr为齿条的位移,rp为转向齿轮半径;G为减速机构传动比;Fδ为路面随机信号。
2.2EPS系统动力学模型建立
在上述简化模型中,运用牛顿定律,建立EPS系统的动力学方程
[3-4]
。
对转向柱进行动力学分析,得:
（sesdssssθθθθ−+=+KTBJ（1
对电动机进行动力学分析,得:
a
mmmmm1TG
TBJ−=+θθ（2（emmaθθGGKT−=（3
对转向齿条进行动力学分析,得:
rδp
wrrrrFFrT
xbx
m−+=+（4式中,rF为汽车轮胎与路面之间的作用力,在理想状态下,当汽车侧偏角在0度附近时,转向横拉杆的力随刚性系数成线性变化[5]
因此:
rrrxKF=（5
对输出轴进行动力学分析,得:
w
aesseeee（TTKBJ−+−=+θθθθ（63EPS系统的状态空间模型
假定各个状态变量为:
s1θ=x,s2θ=x,r3xx=,r4x
x=,m5θ=x,m6θ=x;应用状态空间分析方法,将各变量带入上
述微分方程,得,
⎩⎨
⎧+=+=Du
CxyBuAxx
（7式中,[]T
65
4321
xxxxxxx=,
⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡=δwdFTTu,
⎥
⎥⎥⎥⎥
⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=rmssenaxTTyθθ,其中,senT为传感器检测到的扭矩,
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎡−−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛++−−−=mmm
mp
mmprmrr
rrpr2msprs
ppS
ss
s
s0
010********
00
0000
000010JBJKrJG
KrmGKmBmKrmGKKrmKrJKJBJ
KA⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎡=010000100
000001000mrSJmJB
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎢⎢⎢⎣⎡−−=00
1
10000000000100000000ps
mpmrKKKrG
KCs
⎥⎥⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=000
000000
000000D4结果分析
由上述建模分析可以看出,当没有助力时,方向盘的转矩与转角变化趋势一致,呈正弦曲线变化的;当电机对转向系统进行助力时,方向盘的转矩因由助力（下转第159页
切入,通过对三元催化器的结构及工作原理的分析,最后导入油品品质不好会对三元催化器造成什么样的影响,由此,我们可以看出我国要想真正实现节能减排的目标,不仅仅只是发布更严格的排放法规要求,还要让油品品质也跟着同步提升,这样才能真正节能减排,让蓝天更蓝。
参考文献:
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造技术,2005（2.
ImpactAnalysisofDieselFuelQualityonCatalyticConvector
SuYuzhen
（FujianDaimlerAutomobileIndustryCo.,Ltd.,Fuzhou350119,ChinaAbstract:
ThepresentlyenforcedlimitedSulphuriccontentofdieselfuelinnationalemissionregulationIII,IV,Visprovided.Theeffectofdieselfuelproductsoncatalyticconvectorsisdiscussedinrelationwiththeworkingprincipleofcatalyticconvectors.
Keywords:
nationalemissionregulationIII,IV,V;dieselfuelproduct;converters;effect
（上接第167页
而明显减小。
ECU会控制电机随不同的情况,采用不同的助力,以提供给驾驶员不同的路感。
当助力矩较小时,驾驶员会产生较厚重、稳定的转向感觉;当助力矩较大时,驾驶员会有转向轻便、舒适的感觉。
汽车受到一定的路面冲击时（路面随机信号作用时,从加速度变化可以看出:
加速度能在较短的时间内收敛,达到稳定,可见路面干扰对汽车的行驶稳定性影响较小,整个EPS系统具有较强的抗干扰能力。
5结语
本文介绍了汽车的电动助力转向系统（EPS的基本结构,通过结构分析和模型简化,运用汽车动力学和牛顿定律的相关知识,建立了EPS系统的动力学模型,并通过对动力学模型的分析得到EPS系统的状态空间模型。
总结了EPS系统建模分析的一般过程,指导了基于混合动力电动客车EPS系统的研究和设计,为今后进一步的研究工作打下了基础,为汽车电子与电驱动技术重点实验室的建设提供了技术支持。
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DynamicsModelingandAnalysisofElectricPowerSteering
DingZhigang,ZhongYong
（ElectromechanicalandAutomationEngineeringDepartment,FujianUniversityofTechnology,Fuzhou350108,China
Abstract:
Thebasicstructureofthevehicleelectronicpowersteering（EPSsystemisdescribed.AdynamicsmodelofEPSsystemisestablished.Thestate-spacemodelofEPSsystemisobtainedthroughanalysisofthedynamicmodelofEPSsystems.
Keywords:
electronicpowersteering;dynamicmodel;state-spacemodel.
2010年第12期（总第48期159
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