1、华东交通大学硕士学位论文汽车EPAS动力学分析与控制方法研究姓名：陈俊杰申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：杨树军20080410Abstract III torque sensor, disturbance from road and so on, H-infinity robust control theory based on mixed sensitivity design method was applied to study on assisted control strategy of EPAS, H8 robust controller was designed
2、 by mixed sensitivity method. Compared with the simulation result of non-controller and PID controller, the noise of torque sensor and road disturbance were effectively curb after using H8 robust controller, this controller improved anti- interference performance of system, strengthened the robustne
3、ss of system. Key Words: Electrical Power-Assisted Steering, Dynamics Analysis, Control Method, Simulation 主要符号说明 主要符号说明 d 扭杆直径； ? 扭杆扭转角； Ip 扭杆极惯性矩； wp 扭杆抗扭截面系数； Ks 传感器扭杆刚度； F() 标准正态分布函数； E(y) 一阶原点距； var(y) 二阶中心矩； ZR 可靠性指数； Ps 可靠度； Lm 助力电机电枢绕组的电感系数； im 电机电枢电流； Rm 电机电枢绕组的电阻； Um 电机电枢上的控制电压； em 电机反电动势；
4、 ?m 电机转角； Km 电机反电动势常数； Ts 驾驶员的操纵力矩； Tss 传感器检测到的扭矩； ?s 方向盘转角； Js 转向柱及方向盘转动惯量； bs 转向柱及方向盘阻尼系数； ?p 转向小齿轮转角； Tm 电动机的电磁转矩； Tw 电动机直接输出的助力扭矩； Jm 电动机转动惯量； bm 电动机阻尼系数； KT 电动机电磁转矩常数； Ta 经减速器后作用在转向立柱上的助力扭矩； G 1 减速机构传动比； G 2 小齿轮的转角增量与同侧转向节转角的相应增量之比； Tcxt 等效到转向柱上的转向阻力矩； 主要符号说明 Jw 等效到转向柱上的轮胎及小齿轮转动惯量； bw 等效到转向柱上的轮
5、胎及小齿轮阻尼系数； m 汽车质量； d 汽车前轮转角； v 汽车质心侧向速度； 质心侧偏角； Iz 汽车的转动惯量； k1 汽车前轮胎的侧偏刚度； k2 汽车后轮胎的侧偏刚度； u 汽车前进速度； a 汽车质心至前轴的距离； b 汽车质心至后轴的距离； L 轴距； wr 汽车横摆角速度； Fy 侧偏力； a 侧偏角； e 充气轮胎拖距； Mz 回正力矩； Kp 比例控制助力增益； Kd 微分控制助力增益； ay 汽车侧向加速度； K 稳定性因数； Rz 汽车转向半径； Fx1 作用于前轴的驱动力； Fx2 作用于后轴的驱动力； Fy1 汽车前轴轮胎侧偏力； Fy2 汽车后轴轮胎侧偏力； Kq
6、x 因驱动力影响而产生的不足转向梯度； Kat 回正力矩产生的不足转向梯度； W 车重； W 1 作用于前轴的载荷； W 2 作用于后轴的载荷； V 汽车质心前进速度； E 路感强度； Ed 当量路感强度； 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名_日期_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东
7、交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名_导师签名_日期_ 第一章 绪论 1第一章 绪论 转向系统作为整车的一个重要总成，是影响汽车操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的关键系统之一，1951年美国克莱斯勒公司最先在轿车上采用液压动力转向，标志着轿车应用动力转向技术的开始。动力转向系统经过了液压动力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）、电液动力转向系统（Electro-hydr
8、aulic Power Steering，简称EHPS）、电动助力转向系统（Electrical Power Assisted Steering，简称EPAS）三个发展阶段，并有继续向电子化和智能化发展的趋势。EPAS由于其技术先进，性能优越，未来将逐渐取代其它动力转向技术，成为动力转向技术的主流。国外轿车和轻型汽车中EPAS系统正逐步取代传统HPS，EPAS已经成为世界汽车动力转向技术的研究热点1。 课题来源 本课题来源于江西盖特方向机有限公司项目新型汽车动力转向器研究。 课题研究的目的和意义 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操作要
9、求而适当地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性。传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的，通常机械式转向器的形式可以分为：齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮式、蜗杆曲柄指销式，其中常用的是齿轮齿条式和循环球齿条齿扇式。在转向系统的设计中，转向轻便性和转向灵敏性之间存在着矛盾。为缓和这一矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为主，但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义
10、，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决这一矛盾。随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统以其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对转向轮产生的冲击等优点，自 20 世纪 50 年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，近年来，随着电子技术的不断发展，出现了电液助力转向系统EHPS，EHPS与HPS相比降低了能源损耗，但是它与HPS一样存在液压油泄漏问题2-4。 EPAS系统是继EHPS后出现的一种动力转向系统，该系统完全取消了液压装置，用电能取代液压能，减少了发动机的能量消耗
11、，研究与开发电动助力转向系统与汽车发展第一章 绪论 2中安全、环保、节能三大主题相吻合，因而具有现实和长远意义。汽车EPAS系统是把一个机械系统和电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统，ECU根据扭矩传感器和车速传感器的输入信号计算所需要的力矩，通过助力电动机提供转向所需要的力矩5-7。与传统的机械转向系统以及目前广泛采用的HPS和EHPS相比较而言，EPAS具有以下特点8-11： （1）在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性，并且可通过设置不同的
12、转向助力特性来满足不同使用对象的需要。 （2）节能环保。EPAS系统只有在转向时电动机才提供助力，减少了燃料消耗，相比液压动力转向系统可节约燃油3%5%。EPAS消除了液压助力中液压油泄漏问题，降低了噪声、减少了废气排放，改善了环保性。 （3）转向系统由电动机提供助力，电动机由电源系统供电，因此EPAS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。 （4）生产线装配性好，开发周期短。EPAS系统没有液压回路,零件数量大大减少，比HPS更容易调整和检测，缩短开发和生产周期。 （5）低温工作性能好。HPS在低温下起动发动机后，由于低温下油的粘度较大，转向时作用力较高。而E
13、PAS系统在低温下不会增加转向作用力和发动机负荷，比HPS和EHPS具有更好的低温工作性能。 （6）提供可变转向力矩。机械转向和液压助力转向中，转向机构所获得的转向力矩与转向盘提供的力矩成比例。EPAS提供的转向助力不仅与转向盘提供的力矩有关，而且与汽车的状态有关系，能在不同的车速时提供不同的转向助力。 （7）提高了操纵稳定性，改善了转向路感。EPAS由于采用了ECU控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更好的路感。 （8）增强了转向跟随性，改善了转向回正特性。EPAS系统中，旋转力矩产生于电机，没有HPS的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。当驾驶员使方向盘转动一角度然后松开时
14、，EPAS系统能够自动调整使车轮回到正中。通过软件编程，可以得到电机在不同车况下的转矩特性，提供与车辆动态性能相匹配的转向回正特性，显著地提高转向能力。同时还可让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳的回正特性。 EPAS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统，并向更大型轿车和商用客车方向发展，已成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。近几年EPAS在国内发展也很快，但在实际应用方面，还存在很多问题需要解决。本课题开展汽车EPAS设计、动力学分析和控制方法研究，对提高EPAS系统的研究水平，加快EPAS在我国的实际工程应用，具有重要的理论和工程
15、意义。 第一章 绪论 3 系统简介 的结构及其工作原理 本课题以转向柱助力式转向器为研究对象,其组成如图1-1所示，EPAS主要由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元（ECU）、电动机、减速机构及离合器等组成。其转向的基本原理为：当驾驶员转动方向盘时，与转向柱连接在一起的扭矩传感器把扭矩信号传给ECU，ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号，通过助力特性曲线，控制电动机的旋转方向和助力电流的大小，完成转向助力，可以实现在不同车速时提供不同的助力效果，保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时具有足够的路感，且稳定可靠12-13。 MECU12345678910l.方向盘 2.传感器 3.
16、减速机构 4.齿轮齿条式转向器 5.离合器 6.直流电动机 7.车速信号 8.控制电流 9.扭矩信号 10.车轮 图1-1 转向柱助力式电动转向器示意图 Fig.1-1 Schematic Diagram of Column Assist Type EPAS 的主要部件 （1）扭矩传感器 扭矩传感器的功能是用于测量作用在转向盘上的扭矩信号的大小与方向，及转向盘转角的大小和方向。扭矩传感器结构复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定EPAS能否占领市场的关键因素之一。目前扭矩传感器类型的选取根据EPAS的性能要求较多采用扭杆式电位计传感器，即在转向轴上加装扭杆，通过测量扭杆变形获
17、得扭矩14-15。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种，常用的接触式传感器有摆臂式，双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而非接触式扭矩传感器主要有光电式和磁电式两种类型。接触式传感器的结构简单，成本较低，能满足一般测量精度要求，但受温度与磨损影响易发生漂移、使用寿命较低；非接触式扭矩传感器在其内部的输入和输出之间没有机械连接，因而不会受到磨损，体积小，精度高，抗干扰能力强、但是成本较高。目前在转向领域最新的进展之一，就是由Bishop Innovation和Bosch开发的光第一章 绪论 4概念传感器。Koyo Seiko公司开发了感应传感器，传感器在输入轴和输出轴之间有探测环相连16，文献17中
18、对这种传感器作了详细的解释。 （2）车速传感器 用于检测汽车的行驶速度，车速传感器有电磁感应式、霍尔式和光电式三种18。常采用电磁感应式传感器，安装在变速箱上。 （3）助力电机 EPAS系统通常采用有刷直流电动机，其功能是根据ECU的指令产生相应的输出扭矩。电机对EPAS的性能有很大影响，是EPAS关键部件之一，要求低转速、大扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、控制性能好。设计时针对EPAS的特点，对电机的结构做一些特殊的处理，如靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等可改善电动机的性能、沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚19。目前，具有高效率、高功率因数和高转
19、矩惯性比的永磁同步电机出现在世界各国，永磁同步电动机作为助力电机的应用研究也提上了日程。与直流电动机相比，永磁同步电动机具有易实现正反转切换、定子绕组发热少、散热容易、快速响应能力好等优点。永磁同步电动机的比功率远远超过了一般直流电动机，可以在不增加系统体积、成本的情况下方便地将EPAS应用于需要较大转向力的汽车上20。目前，用于小型轿车上的电动动力转向电动机最大电流为30A左右，电压为DC 12V21，图1-2为常州市东宇汽车电器电机有限公司生产的助力电机。 图1-2 常州东宇生产的助力电机 Fig.1-2 Assist Motor of Changzhou DongYu Automobil
20、e Motor & Electric Appliance Company （4）电子控制单元（ECU） ECU是整个控制系统的核心，完成对各个传感器输入信号的处理，依据控制规则计算出所需的参数值，通过驱动电路，实现对电机的控制。ECU的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电机和离合器。此外，ECU还有安全保护和自我诊断功能，ECU通过采集电机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，同时ECU将进行故障诊断分析。ECU通常采用单片机系统，也有采用数字信号处理器作为控制单元。 第一章 绪论 5（5）
21、离合器 离合器常采用电磁式离合器，利用电磁力传递或切断发动机动力的装置，根据其传递扭矩部分的结构特点，分为压紧式、啮合式和间隙式三种。在汽车上一般多采用由铁粉末为媒质的间隙式电磁离合器，由控制单元根据车速的快慢来控制22。对于动力的工作范围限定在某一速度区域内，当车速在设定车速以上时，电磁离合器切断，电动机停转不再提供助力，此时，系统不受电动机惯性力矩的影响，转入人工转向状态；在设定车速之下电磁离合器接合，转入助力转向状态。同时，在系统发生故障时，因离合器分离，又可以恢复手动控制转向。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，改善转向特性，离合器设计时不仅要具有滞后输出特性，同时还具有半离合
22、器状态区域14。 （6）减速机构 减速机构用来增大电动机的输出扭矩。主要有蜗轮蜗杆减速机构和行星齿轮减速机构两种形式。蜗轮蜗杆式减速机构结构简单，可以获得较大的传动比，且传动平稳可靠，但是蜗杆的加工工艺比较复杂，成本较高，主要用于转向轴助力式转向系统。为使驾驶员获得路面的路感，蜗轮蜗杆减速机构要设计成可逆传动（通过选择较大的蜗杆升程角来保证）。行星齿轮式减速机构相对复杂，为获得较大的传动比，需要采用双排行星齿轮结构，行星齿轮结构本身可以实现可逆传动，主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。在实现相同传动比的情况下，蜗轮蜗杆减速机构的尺寸比行星齿轮减速机构要小一些。为了降低系统噪声和提高使用寿命
23、，减速机构常采用部分树脂材料及特殊齿形23。 的分类 EPAS按照辅助电机的布置方式可分为四种：转向柱助力式（Column-assist type EPAS）、小齿轮助力式（Pinion-assist type EPAS）、齿条助力式（Rack-assist type EPAS）、直接助力式（Direct-drive type EPAS）。 （1）转向柱助力式（C-EPAS）24 图1-3为转向轴助力式转向系统，其转矩传感器、电动机、离合器和减速机构组成一体，安装在转向柱上，其特点是结构紧凑，电动机助力的响应性较好，助力电机布置在驾驶室内，工作环境较好，对电机的密封要求较低。但由于助力电机的安
24、装位置距驾驶员较近，故要求电机的噪声小；电机的力矩波动容易直接传到转向盘上，导致转向盘振动，使驾驶员手感变坏。C-EPAS由于受到空间布置和噪音的限制，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。 第一章 绪论 6图1-3 转向柱助力式 Fig.1-3 Column Assist Type EPAS （2）小齿轮助力式（P-EPAS） 如图1-4所示，小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和减速机构整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，能够获得较大的转向力，可用于中型车辆。因电机安装位置在驾驶室地板下方，工作环境较差，所以对电机的密封要求较高；电机的力矩波动也容易
25、传到转向盘上，导致转向盘振动。由于电机离驾驶员较远，对电机的噪声要求相对较低。 图1-4 小齿轮助力式 Fig.1-4 Pinion Assist Type EPAS （3）齿条助力式（R-EPAS） 齿条助力式转向系统的转矩传感器单独地安装在小齿轮处，电动机与减速机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。如图1-5中所示，齿条助力式EPAS系统的动力辅助单元安装在齿条上，具体安装位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。但电机的工作环境差，对其密封要求高些；电机离驾驶员较远，对其噪声要求相对较小，且其力矩波动不易传到转向盘上。此外，同小齿轮助力式相比，能提供更大的助力值，可用于
26、较大的车辆上。 第一章 绪论 7图1-5 齿条助力式 Fig.1-5 Rack Assist Type EPAS （4）直接驱动式（D-EPAS）25 直接驱动式EPAS系统的动力辅助机构和转向器的齿条组成一个独立的单元，很容易布置在发动机舱内，可用于电动车辆上。如图1-6所示为丹纳赫传动（Danaher Motion）公司设计的直接驱动式EPAS系统，该系统采用IP67密封标准，降低了系统的复杂性，电动系统的灵活性可实现转向轮、多转轮、操纵杆和有线制导组件等输入装置的零更换。系统中的可组态交流驱动装置实现了参数性能的便捷调节，在与电气牵引系统配套使用时，用户可根据载荷和转向角度对牵引速度进行
27、控制，改善电动车辆的驾驶性能、稳定性以及总体安全性。 图1-6 直接驱动式 Fig.1-6 Direct Drive Type EPAS 系统国内外发展现状及趋势 国外发展现状 EPAS最先应用在日本的微型轿车上。1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备EPAS，翻开了汽车转向技术新的一页，随后还用在其Alto车上26。由于EPAS具有传统的转向系统无法比拟的优点，国外许多汽车及零部件生产厂商纷纷致力于该技第一章 绪论 8术的研究，EPAS系统得到迅猛发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、NSK和Koyo公司；韩国的Mando公司；美国的Delphi汽车系统公司，T
28、RW公司；德国的ZF公司；英国的Lucas公司都相继研制出各自的EPAS系统27-33。目前，主要汽车工业发达国家的EPAS技术已经成熟，EPAS系统控制策略完善，性能优良，产品类型多样，并把EPAS系统批量装配到各种级别的轿车上。图1-7、1-8所示为日本NSK公司生产的EPAS系统34。图1-9是TRW开发的动力转向系统。从左至右分别为：电控液压助力转向系统，齿条助力式EPAS，转向轴助力式EPAS，小齿轮助力式EPAS。 图1-7 NSK公司生产的双小齿轮式EPAS Fig.1-7 Double Pinion Assist Type EPAS of NSK Company 图1-8 NS
29、K公司生产的平行布置式R-EPAS Fig.1-8 Parrallel Layout R-EPAS of NSK Company 图1-9 TRW所开发的动力转向系统 Fig.1-9 Power Steering System of TRW Developing 1993年，本田汽车公司首次将EPAS大批量装备于Acura NSX跑车上。随后，大发汽车公司在其Mira车上装备了EPAS；三菱汽车公司的Minica车、大众的Polo、欧第一章 绪论 9宝的318i以及菲亚特的Punto等都装备了EPAS。在欧美市场上，美国的Delphi汽车系统公司、德国的ZF公司等，都相继推出了各自的EPAS系
30、统。德尔福（Delphi）汽车系统公司于1998年开发了全新的电动式转向器系统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力，而且Delphi汽车系统公司己经为大众的Polo ,欧宝的318i以及菲亚特的Punto开发出EPAS35。其属下的Sagninaw公司于 1999年首次研制成功其EPAS系统产品 E*SS，德尔福公司称E*SS的特点为“4E”，即安全（Embrace The Safety），高效（High Efficiency）、通用（Engineering Versatility）及舒适（Steering Ease）5。英国汽车制造商Lucas公司1998年研制的电动式转向器已投入批量生
31、产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的0.5%，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2%，全液压助力系统损耗为8%。TRW从1998年开始，便投入了大量人力、物力和则力用于EPAS的开发，他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPAS，如今小齿轮助力式EPAS开发也己获成功。1999年3月，其EPAS己经装备在轿车上，如Ford Fiesta和Mazda 323F等36。2002年，第一辆装备了EPAS的SUV汽车在美国生产，引起了更多汽车及转向行业相关企业的重视。经过近二十年的发展，EPAS技术日趋成熟。其应用范围己经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，EPAS的助力型式也
32、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。日本早期的EPAS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPAS将停止工作。新一代的EPAS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，如铃木公司装备在Wagon R车上的EPAS是一个负载路面车速感应型助力转向系统35。最近，Mercedes-Benz 和 Siemens Automotive 两大汽车公司共同投资6500万英镑用于 EPAS 的研究。 国内发展现状 目前，国内部分高校和企业已经开始了对 EPAS 系统的研究和试验工作，包括清华大学、吉林大学在内的十多所大学和近二十家转向行业的企业，都
33、在对EPAS进行研究，目前都己取得了多项理论与应用成果。吉林大学于2000年开始EPAS的研究，主要进行了助力特性和控制策略方面的研究，开发了EPAS系统试验台，目前拥有性能试验台两台，车用控制器一台，己通过鉴定，在国内较早开发出了EPAS样机和控制器，并在捷达轿车上进行了实车试验，取得了较好的试验效果。清华大学也在国内较早开展了电动转向控制技术和转矩传感器等方面的研究，目前已开发出 EPAS 样机并在昌河铃木CH6350 轿车上进行了试验运行。北京理工大学自2003年开始对EPAS系统进行研究，研发的循环球式EPAS己申请专利37，目前研究领域涉及电动客车电控液压动力转向系统、轿车EPAS系
34、统和轿车线控转向系统，并在国内率先开展了电动客车EPAS系统的开发，开发出的EPAS系统已在北斗星轿车和夏历2000 纯电动轿车上进行了实车试验，试验效果良好。另外，天津大学、北京科技大学、华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学、武汉理工大学等院校也在开展EPAS的研究。现在，国内已有几家科研第一章 绪论 10单位试制了样机，有的已经装车试验。2000年，昌河北斗星汽车率先装配了EPAS，对国内EPAS的研究和应用，起了推波助澜的作用，图1-10是昌河北斗星汽车装配的EPAS。此后，广本飞度、上海大众途安、一汽大众开迪、哈飞路宝和吉利等车型也开始装配EPAS。中国南方航空动力机械公司的DFL系列
35、EPAS已进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的EPAS产品也已经装备其吉利豪情等系列轿车上38，日前在北京举行的科技创新重大成就展上，吉利集团推出了三项产品：智能EPAS装置、JL-Z自动变速箱和JL4G18发动机，吉利的智能EPAS装置是吉利拥有完全自主知识产权的转向装置。蓝波汽车零部件有限公司自主独立研发制造了EPAS，并已通过了国家汽车检测中心的严格测试，目前该产品已经投入批量生产，并已经为吉利等汽车厂商提供配套，该EPAS产品性能成熟、稳定，质量与国外同类产品相比毫不逊色，且价格便宜三分之一以上，图1-11为蓝波汽车零部件有限公司自主独立研发的EPAS。 图1-10 昌
36、河北斗星装配的EPAS Fig.1-10 Assembly EPAS of CHANG HE Suzuki BEI DOU XING 图1-11 蓝波汽车零部件有限公司生产的EPAS Fig.1-11 EPAS of RAINBOW AUTOPARTS Company,LTD 可以预见，在未来几年内，随着人们对汽车的环保、节能和安全性要求的进一步提高，国内各大专院校、研究机构和企业对EPAS系统的研究将不断深入，EPAS产业化进程也将快速推进。 第一章 绪论 11 的发展趋势及应用前景 EPAS是电子技术发展推力和微型汽车发展拉力的综合产物，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，己经成为世界汽
37、车技术发展的研究热点。据专家预测，到2010年全球产量将达到2500万套，EPAS将有可能代替现有的转向系统。随着人类对具有环保、节能产品需求不断增加，可以预测从液压转向系统到电动转向系统的转变过程会在将来很快发生。据国外的数据统计，2002年EPAS市场为400万台/年，目前，世界范围内的EPAS市场近2000万台/年（主要应用于轿车上），约占整个动力转向市场的30%，如图1-12所示39。据TRW公司预测,到2010年全世界生产的每3辆轿车中就有1辆装备EPAS机构。JTEKT公司预测，在未来3年时间里，全球EPAS系统市场销售增长率将超过60%。2008年，日本和欧洲制造的汽车70%将装
38、配有EPAS系统，北美制造的汽车装配比率会少一些，但仍将达到25%。预计2008年我国汽车装配EPAS的需求量将达到50-80万辆，2010年预计在180万辆左右，应用前景广阔，表1-1中展示了EPAS在世界各地的需求情况40。 表1-1 电动助力转向器占所在地转向器的比例（%） 全球 日本 北美 欧洲 2001年 11.1 16.0 9.60 12.5 2006年 28.3 34.6 29.5 40.0 图1-12 世界汽车转向器分类市场份额 Fig.1-12 Market Share of World Automotive Steering Gear 汽车电子化是汽车技术发展的必然趋势。当
39、前EPAS 已在轻型车上应用，其性能已得到人们的认可，特别是低排放汽车（LEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）、电动汽车（EV）四大EV汽车将构成未来汽车发展的主体，将给EPAS 带来了更加广阔的应用前景41。EPAS作为新一代汽动力转向技术已经过20 多年的发展，随着对环保要求的提高，以及为了满足人们对于操纵稳定性和驾驶舒适性能日益增长的第一章 绪论 12要求，必然广泛应用于未来汽车转向系统。在未来，EPAS系统将拥有性能更加优越的硬件，无论是扭矩传感器、电机还是ECU，功能都将更加强大，可靠性更高。随着车辆底盘控制系统的发展，EPAS系统将集成许多新功能，从而进一步提高
40、车辆的安全性和舒适性。下一代的转向系统线控转向系统（Steering by Wire-SBW）将是实现这些功能的良好的硬件载体，EPAS将成为动力转向技术的主流，而线控动力转向技术将是动力转向系统的发展方向42，图1-13是ZF公司开发的线控转向系统43。随着“冗余设计”思想的引入，大大提高了线控转向系统的可靠性，将加快线控转向系统在车辆上应用的步伐。汽车转向技术已经进入了电动助力时代，随着传感器、控制方式、助力电机等关键技术的不断进步和完善，以线控技术的应用为标志的全助力转向系统将成为汽车转向技术的发展趋势，这不仅是市场需求和技术推动的必然，也是人类追求人与自然和谐之美的愿望在汽车领域的具体
41、体现。 图1-13 ZF公司开发的线控转向系统 Fig.1-13 Steering By Wire System of ZF Company 汽车EPAS技术的发展趋势已经明朗，目前国外主要汽车零部件公司,例如Koyo、Delphi、Hypercar、TRW都在研制线控电动转向系统，它被普遍认为是下一代的转向系统，据预测，在2010年左右，线控电动转向系统将会达到实用。中国离发达国家的差距很大，还没有涉及线控转向系统。 的关键技术 尽管EPAS己达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题急待解决，目前EPAS需要解决的关键技术是： （1）装备EPAS系统汽车操纵性能的评价方法与评价指标 EPA
42、S系统与机械转向系统、液压动力转向系统在技术上有很大的区别，对汽车操纵性能的影响不同于这两种转向系统。因此建立装备EPAS系统汽车操纵性能的评价方法和评价指标，为EPAS系统设计找到客观评价标准，对设计出优良操纵性能的EPAS第一章 绪论 13系统具有重要意义。 （2）助力电机及其驱动技术 助力电机作为EPAS系统的关键元件，其特性直接影响到控制的难易程度和驾驶员的手感。目前，EPAS系统普遍采用成本较低的直流有刷电机。当EPAS系统应用在高级轿车上时，势必需要更大扭矩、更低噪声的电机，此时有刷电机已经无法满足要求，必须采用无刷电机，但无刷电机增加了电子换向装置，成本较高，限制了其在EPAS系
43、统中的应用，研究性能好成本低的电机就显得尤为迫切。EPAS应用到较大型车辆上的技术关键点是能提供大的转向力，因为中型或大型车辆需要的转向力可达到10000N，甚至更高。然而，在目前大多数汽车配装12V电压系统的情况下，由于电动转向器的电动机电流的限制，电动机输出扭矩的增加受到了很大限制。欧洲汽车制造商在研究配有42V电压系统的中型车辆上应用EPAS方面而走在了前头，在文献44中介绍了42V电压系统下的汽车电气系统。目前，42V电源已经在一些概念车上得到应用，通用公司的“自主魔力”和Bertone的“FILO”都采用了42V电源45。 （3）EPAS传感器及滤波技术 设计和开发适合EPAS系统使
44、用的性价比较高的传感器是EPAS未来技术发展的关键之一。EPAS系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号等。由于EPAS的传感器通常布置在发动机附近，来自发动机的空间电磁干扰严重污染传感器信号，甚至可能使信号湮没在噪声中无法被检测出。同时，由于扭矩传感器信号中包含的路面冲击信号被作为路况信息的真实反映应该被驾驶员实时的感知，因此它将被作为有用信息被保留下来。这就要求EPAS在针对传感器信号滤波的同时对保留路面冲击信号建立合理的算法，使路面冲击信号去噪后的失真尽可能小。 （4）控制策略的研究 控制策略是影响EPAS系统性能的关键因素之一，也是EPAS系统的核心技术之一。目前，国内外许多学者都在
45、探讨将先进的控制理论应用于EPAS系统的研究，如模糊控制理论、神经网络控制理论等。在控制策略上，EPAS中对电机的控制较多采用的是电压控制和给定电流闭环控制。国内EPAS系统建模仿真分析往往多是针对电机电压控制，而对于后者在这方面系统的研究很少，如何通过控制策略改善和提高助力电机的性能以得到合理的助力效果也将是EPAS系统开发的关键。今后，控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面，以进一步优化和改善EPAS系统的动态性能和稳定性。 （5）助力特性曲线设计 针对连续变化的车速，设计一个合理的电机助力与车速、转向力矩之间的关系曲线
46、，对保证驾驶员操纵时有良好的路感，又保证系统优良的操纵稳定性具有重要作用。 （6）EPAS系统与汽车操纵系统匹配优化设计 EPAS作为一个机电一体化系统，必须使得它的设计与汽车转向操纵性能要求相匹第一章 绪论 14配，并尽可能对系统设计进行优化，以获得最佳转向性能。 （7）EPAS系统的故障诊断分析及可靠性的提高 EPAS通过采用电动机和计算机控制系统，部分地将转向操作独立于驾驶员的控制，因此EPAS系统比液压系统会有更多不同的故障模式。目前关于EPAS的故障诊断只是在ECU单元中对系统中的阀值故障作出诊断，对系统内部出现的故障没有进行深入的研究。加深对EPAS系统的故障诊断研究，提高系统的可
47、靠性，是研究人员目前面临的又一项课题。 本文主要的研究内容 本文的主要研究内容如下： （1）EPAS关键零部件的选型及设计 对EPAS助力电机、减速机构及扭矩传感器等关键零部件进行选型、性能参数匹配设计，设计出EPAS总成结构图；着重计算出减速机构传动比，分析EPAS扭杆结构，推导扭杆有效长度、刚度公式；对扭杆进行结构尺寸设计，计算所设计扭杆的刚度；利用应力强度分布干涉理论和一次二阶矩法对扭杆可靠性进行分析。 （2）汽车EPAS动力学模型建立 建立了EPAS动力学模型、轮胎模型和车辆动力学模型，分析了汽车转向阻力矩。 （3）汽车EPAS动力学分析 考虑汽车的瞬态响应性能品质，提出汽车EPAS系
48、统转向操纵性的评价指标；推导不同控制方法下汽车转向灵敏度、汽车侧向加速度和汽车转向路感传递函数方程，分析EPAS不同控制方法和系统各参数在阶跃输入下对汽车转向灵敏度、侧向加速度及转向路感响应特性的影响。 （4）汽车EPAS系统控制方法研究 针对EPAS系统中存在的传感器噪声和路面干扰等难题，提出了增强系统鲁棒性、抗干扰性的控制方法，即运用基于混合灵敏度设计的鲁棒控制理论开展汽车EPAS控制研究，设计了混合灵敏度 H 控制器，并在Matlab/Simulink 中与无控制器和采用 PID控制器时的情况进行了仿真比较，验证了 H 鲁棒控制器的有效性。 本章小结 本章阐述了所研究课题的研究目的和意义，介绍了EPAS系统的特点、分类、结构组成及其工作原理；综述了EPAS系统国内外发展现状、未来发展趋势和应用前景；分析了EPAS系统有待解决的关键技术，最后阐述了学位论文的主要研究内容。 第二章 EPAS关键零部件的选型及设计 15第二章 关键零部件的 选型及设计 EPAS由机械部分和电子部分组成，其中EPAS的机械部分是由助力电机、减速机构、扭矩传感器、万向节、转向管柱等
