浅析汽车电动助力转向系统开发与验证

浅析汽车电动助力转向系统开发与验证

摘要：随着社会的发展，人们对汽车安全、节能与环保方面的要求越来越高，传统的汽车转向系统逐渐不能满足当下消费者的使用需求。最早的汽车转向系统是机械结构，方向盘和转向轮之间传动比是固定的，汽车的转向动力学与运动学特性较差，同时，机械转向系统还具有转向力矩大，驾驶员难以操控的缺点。随着液压助力转向系统出现，汽车转向的轻便性与灵活性显著提高，但其依靠发动机作为动力，能耗较高。紧接着电子技术在汽车领域得到了广泛应用，汽车科技工作者开发出电动助力转向系统，其在一定程度上提高了汽车的转向稳定性，目前仍在多种车型上广泛应用。但由于有转向传动轴的存在，在发生交通事故时，驾驶员会受到来自传动轴的碰撞力，对其造成严重伤害。因此，本文以汽车线控转向系统为研究对象，对其控制算法进行研究。

关键词：电动助力转向系统;行驶跑偏;中位标定;转向回正

引言

汽车电动助力转向系统（简称ＥＰＳ系统）根据转向盘转矩和车速等参数调整转向助力，提高了汽车高速行驶时的路感以及低速行驶时轻便性，同时降低了不平路面及系统内部等因素对转向系统的影响，提高了汽车操作的稳定性和安全性。汽车ＥＰＳ系统控制性能对整车控制性能具有重要作用，因此，针对汽车ＥＰＳ系统控制性能研究一直是国内外研究热点，对ＥＰＳ系统的转向性能进行了较为客观地评估，如转向的轻便性和敏感度、转向盘中部区域性能和抖动抑制能力。采用模糊控制与ＰＩＤ控制相结合的方法对电动助力转向系统进行控制。将ＰＤ控制与模糊控制相结合，利用遗传算法实现了ＥＰＳ的多目标优化。

1助力特性

电动助力转向系统的助力特性是电动助力转向的关键技术之一。助力特性是指助力力矩随汽车运动状况变化而变化的规律，对动力转向系统的转向轻便性、回正性及路感等有重要影响。理想的助力特性能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并给驾驶员提供与手动转向尽可能一致和可控的转向特性，使助力特性最终达到在低速行驶时转向轻便和高速行驶时有转向“路感”的目的。电动助力转向系统采用由电动机提供的助力力矩与转向盘输入力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。助力特性曲线可以分为直线型、折线型和曲线型三种类型。直线型和折线型助力特性曲线的特点是：助力增益在固定车速下固定不变，因此控制实施更简便易行，但是在转向阻力上升很快时只能按固定比例提供助力；曲线型助力特性曲线的特点是：在一定车速下助力力矩随转向盘输入力矩增大而迅速增加，因此更有利于减少受力。

2汽车ＥＰＳ系统的建模与动力学分析

2.1汽车ＥＰＳ系统的结构与动力学模型

汽车转向系统作为汽车重要系统组成之一，直接关系到汽车行驶过程中操纵的安全性。汽车ＥＰＳ系统由一组特定的转向部件构成来实现转向功能，这组部件之间的相互配合的好坏对汽车ＥＰＳ系统的转向性能起至关重要的作用，而对于汽车助力电机的控制研究有助于了解汽车ＥＰＳ系统的转向性能。汽车ＥＰＳ系统主要由转矩传感器、控制单元ＥＣＵ、齿轮齿条、电动机、减速机构、车轮等组成。汽车ＥＰＳ系统的动力来源是电动机，根据车速、转向盘扭矩、转向盘转角等信息参数，确定最佳转向辅助转矩，并向转向辅助机构发出输出控制命令，实现最佳转向辅助控制。

2.2智能传感器模块

智能传感器模块共由4个胎压传感器、2个悬架位移传感器与2个载荷传感器组成。胎压传感器分别安装在前后轮轮胎内，前后左右各一个，通过无线发射器将监测到的实时数据发送给MCU控制模块；悬架位移传感器安装于减震器上，左右各一个，与减震器相连，根据货车侧倾时悬架弹性元件会压缩的原理，对货车悬架压缩量实施数据采集；载荷传感器安装于货车后轮侧货箱支架上，左右各一个，货车载货量不同，质心位置不同，会直接影响其侧翻的速度，因此本装置采用载荷传感器来检测货车的运输重量和质心位置的变化，根据空、中、满、超载情况设定相应的动作阈值，提高对货车侧翻控制的有效性和可控性。 2.3学习函数与收敛准则的确定

ＡＫ⁃ＭＣＳ法是将Ｋｒｉｇｉｎｇ代理模型与蒙特卡洛模拟法结合，通过Ｋｒｉｇｉｎｇ模型建立极限状态预测面，以符合随机变量分布的蒙特卡洛模拟，然后与侧面中生成大量抽样点，通过选点函数选择抽样点。计算真实响应后加入Ｋｒｉｇｉｎｇ模型生成所用点集，重复上述过程以提高准确性。主动学习过程是指在已生成Ｋｒｉｇ⁃ｉｎｇ代理模型内选取高价值抽样点及响应值加入生成代理模型所用试验点集内，重新生成更为精确的代理模型这一过程。高价值抽样点对可靠指标准确性的影响较大，可以理解为对代理模型输出优化贡献较大，敏感性较强的抽样点。计算该点真实响应后加入试验点集重新生成Ｋｒｉｇｉｎｇ模型，可对代理模型准确性优化作出较大贡献。代理模型将空间分隔成近似安全域和近似失效域，蒙特卡洛模拟法通过统计样本落入安全域或失效域的比例获得失效概率，与Ｋｒｉｇｉｎｇ代理模型结合使用可通过代理模型响应预测的正负性进行可靠度评估。Ｋｒｉｇｉｎｇ代理模型生成预测点响应值预测符号正负性与真实响应正负性越接近，真实极限状态面附近代理模型贴合度越高。代理模型计算可靠度产生误差可解释为代理模型响应预测正负性与真实响应正负性的偏差

3结论

本文在分析汽车ＥＰＳ系统结构基础上建立其动力学模型，设计了直线型的助力特性曲线，以某款车型参数为例，搭建汽车ＥＰＳ系统分数阶仿真模型，分别在ＰＩＤ控制和分数阶ＰＩλＤμ控制器下，车速为８０ｋｍ／ｈ时，向转向盘输入一个正弦波力矩，来判断转向盘转角、传感器力矩、回正电压、助力电流和助力电压相对于转向盘力矩输入时的系统响应。研究表明：（１）相对于ＰＩＤ控制，转向盘转角、传感器力矩和回正电压在分数阶ＰＩλＤμ控制器下，对转向盘力矩输入有更好的响应特性，它们的曲线波动更小。（２）相对于ＰＩＤ控制，助力电流、助力电压在分数阶ＰＩλＤμ控制器下，对转向盘力矩输入有更好的响应特性，助力电流曲线变化规律性更强、波动更小，助力电压曲线波动幅度小，系统响应快，曲线拟合效果好，控制效果好。

4解决措施 4.1EPS中位标定工艺优化

EPS中位标定工位设置在四轮定位下工位，由下工位检调员完成四轮定位调整后，在设备对中机构尚未退出状态下进行EPS中位标定，从而避免四轮定位上工位员工在定位调整没完成就进行EPS中位学习的不规范操作，同时保证EPS中位学习时车轮和方向盘处于摆正位置。

4.2转向传动机构优化

转向传动机构是连接转向盘与转向器的传动机构。主要由两部分组成：一部分是转向管柱，另一部分是转向中间轴。它的作用是将转向盘上的手力传递给转向器，并将转向车轮受到的力和冲击反馈到转向盘使驾驶员能够感知路面情况，对车辆采取正确的操纵。转向系统的传动效率、转向系统的传动比、转向系统的刚度以及转向系统所能提供的最大齿条力等内容作为转向系统的性能要求需要在设计开发中进行重点关注。

4.3检验工装和设备优化

四轮定位前安装10m以上长度的高强度颠簸带，车辆通过颠簸带的颠簸来释放悬挂预应力。一般情况下，大车型悬架刚度设计大，配置大轮胎，受力变形小;小型车悬架刚度设计较小，配置小轮胎，受力变形大。因此，四轮定位设备对中机构气压要根据车辆轮胎规格来设定，以防止对中机构过大的对中力矩导致小型车轮胎和悬挂的挤压变形，被检测车辆下检测线后形变恢复带来的定位参数变化。

4.4货车转向侧倾实时防控装置系统设计

载货汽车转向侧倾实时防控装置是以AT89C51单片机为核心的基于智能传感器技术的测控系统。整个系统由电源模块、MCU控制模块、复位模块、智能传感器模块、报警模块与执行控制模块组成。电源模块的电源由车载低压蓄电池供应，电源模块将电源分为三路输出。智能传感器模块由胎压传感器、悬架位移传感器和载荷传感器构成。报警模块由灯光报警系统和语音报警系统组成。执行控制模块由转向助力电机与ABS执行器组成。

4.51Carsim参数设置 Carsim广泛应用于多种汽车工况的分析，其工作界面简洁，功能全面，提供了完善的、多种可供参考的车型，同时Carsim可以与其他多种软件建立密切联系，便于用来设计研究和分析各种工况，例如常用的Simulink、ADAMS等。本文主要针对转向系统进行研究，对Carsim整车模型部分子系统（如轮胎、空气动力学和悬架等）不作详细设置。本文以C级高档轿车为仿真模型对象，。对车身具体参数进行设置，主要设置的参数有整车质量、质心高度、轴距等。

4.6控制软件优化

控制软件优化包括控制策略优化、逻辑结构优化和算法优化等。针对车辆的特性，选择合适的控制策略、逻辑结构及算法，才能满足整车转向性能的使用要求。如上述EPS跑偏原因中的特定场景EPS绝对初始角度A01计算错误案例，采用另一家供应商的控制器，新控制器的P、S信号数值为216×216≈42．9亿个来表征1480°角度行程，算法精度满足需要，问题得到解决。

4.7配备可收缩式转向管柱的线控转向

耐世特的线控转向用算法、电子设备和执行器取代了转向盘和车轮之间的机械连接，为传统转向解决方案无法实现的功能打开了大门。线控转向可以增强稳定性控制，缩短制动距离，是泊车辅助和自动紧急转向（AES）的首选赋能技术。耐世特的可收缩式转向管柱采用定制化软件和电子元器件，拥有超长收缩距离，可在不使用时将转向盘收回仪表板并远离驾驶者。当耐世特的线控转向与可收缩式转向管柱组合在一起时，其为驾驶舱设计带来新选项并改变了驾驶者使用车辆的方式，也为整车厂创造了重新发明和调整驾驶舱空间用途的机遇。例如，当线控转向在自动驾驶过程中与可收缩式转向管柱连接时，会为驾驶者创造额外的空间进行其他活动。该技术也可用于传统驾驶车辆。当车辆停驻时，耐世特可收缩式转向管柱可以拓展并为车辆驾驶室创造更宽敞的可用空间。

结束语

载货汽车转向侧倾实时防控装置的研究设计，主要采用了三种不同类型的智能传感器对载货汽车进行三方面数据的实时监测。利用载荷传感器检测载货汽车载荷状态，轮胎胎压传感器与悬架位移传感器检测载货汽车具体运动状况，转换信号后输入MCU控制模块，MCU控制模块经过运算作出合理的判断，发出合适的指令控制报警模块、执行控制模块进行工作，通过语音和灯光提示驾驶员减速和缓慢转动方向盘，同时控制转向助力电机与ABS控制器的工作，为防止载货汽车侧翻提供保障，从而有效降低载货汽车侧翻的可能性。

参考文献

[1]刘超,一种汽车转向电液泵测试总成及其综合检测试验台.重庆市,重庆凯装自动化设备有限公司,2020-07-03.

[2]王玉源.基于4WID/S电动汽车线控转向的多电机控制研究[D].西安理工大学,2020.

[3].锻压领域机械行业标准《钢质汽车转向节臂锻件工艺规范》研制项目获批立项[J].锻压技术,2020,45(06):15.

[4]李安.轮毂驱动电动汽车转向特性分析与控制研究[D].山东理工大学,2020.

[5]陶俊龙.分布式驱动电动汽车主动前轮转向与主动悬架系统集成控制研究[D].重庆大学,2020.

[6]元加加.分布式驱动电动汽车主动后轮转向与转矩分配协调控制[D].江西理工大学,2020.