论文部分内容阅读
摘要：电动助力转向系统（electric power steering，EPS）已被广泛应用于乘用车上。与液压助力转向系统相比，EPS 具有助力特性可调、转向跟随性好、燃油消耗低和无污染等优点，故已逐渐进入商用车领域。但由于商用车具有总质量大、质心高、转向桥载荷大，转向系统多采用循环球式转向器等特点，因而商用车与乘用车的EPS 在结构和性能上有很大区别，应根据商用车的特点设计其EPS 的参数和控制策略。
关键词：商用车；EPS助力；控制策略
电动助力转向系统（EPS）是在机械式转向系统的基础上加装电机驱动单元构成的，其主要目的是提供助力、改善汽车转向性能、协助驾驶员完成转向操作。EPS 系统相对于传统的液压助力转向（HPS）系统有能耗小、污染少、节油、省空间等一系列优点，应用日益广泛。
一、概述
目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而轻中型商用汽车采用循环球式转向器，乘用车所用的通用助力方式不适用于轻中型商用汽车，需要针对轻中型商用汽车的循环球式转向机设计新型的电机助力传动耦合机构。这种机构在轻量、简单的基础上可稳定、可靠、持续的传递电机助力到转向轮；同时要考虑双前轮转向时运动及助力的协调配合。根据这种助力方式，可以对传动耦合机构进行结构设计。设计助力传动耦合机构的基本原理是减小转向功，考虑到转向功是转向力和转向角之积，因此，减小转向功可分两种途径：一是减小转向力；二是减小转向角。前者的原理是通过提供一个转向助力来直接减小转向力，可采用蜗轮蜗杆助力传动机构方案；后者的原理是通过提供另外一个运动，此运动与转向运动合成后可减小转向角度，可采用差动轮系助力机构方案。关于转向助力特性曲线，可能出于技术保密要求，国内外还没有文献专门对此进行研究，只在控制系统设计中附带提及。对商用汽车电动助力转向系统中助力特性曲线的研究基本处于空白：（1）商用汽车在不同载荷、不同车速下的转向特性，特别是双前桥转向系统的转向特性是当前商用汽车性能研究的空白区域；（2）车速对助力增益的影响不清楚；（3）助力特性曲线确定的理论依据不明确，没有明确指出所采用的助力特性曲线到底对汽车的转向路感、操纵稳定性有没有影响；（4）如何根据转向轻便性、转向路感综合确定转向助力特性曲线还没有研究过。因此有必要对助力特性曲线的设计原则和设计方法进行深入研究，这不仅可以填补国内电动助力转向技术研究的空白，而且对电动助力转向系统的控制策略研究具有指导作用。从而确定各车速下应该助力的大小，并进行转换得到助力大小与手力之间的关系曲线即助力特性曲线。最后验证这条曲线是否满足转向路感、稳定性和电动机最大许可电流值的要求。若不满足，则对它进行修改，直到它满足所有的条件为止。
二、商用车EPS助力控制策略
1. 商用车EPS 的数学模型。转矩传感器安装在转向轴中间，用于测量转向盘输入转矩，简化成刚度的扭杆，它的测量值作为ECU 控制电动机输出转矩的依据。电动机输出的转矩通过蜗轮蜗杆减速机构放大倍后传递到转向轴，作为系统的助力矩的合力矩通过循环球式转向器、转向传动机构传递给转向节，用于克服转向过程中的转向阻力矩，使转向轮转过一定的角度，实现汽车助力转向操作。根据EPS 工作原理，将转向轴分为上转向轴和下转向轴，把转向盘和上转向轴受到的力矩和运动等效到上转向轴，把转向器、转向传动机构和前轮以及转向轴下半部分受到的力矩和运动等效到下转向轴，从而得到其机械系统的数学模型为对电动机采用跟踪目标电流的控制方式，根据直流电动机的机械特性建立的电动机数学模型。助力特性是指助力矩随转向盘输入转矩和车速变化而变化的规律。在汽车行驶过程中，随着转向盘输入转矩的增大，转向阻力快速增加，助力矩增加的速度应该相应加快，以保证在行驶过程中车辆具有适当的转向轻便性；同时，随着车速的增加转向阻力减小，助力矩应随着车速的增加而减小，以保证中高速行驶时转向盘有合适的路感。因此本文中选用的曲线型助力特性，可以很好地满足驾驶员对转向轻便性和路感的要求。
2. 助力模式切换方案。EPS 转向助力模式切换输入方式一般有两种：物理按键和虚拟按键。物理按键通过一个按键进行助力模式切换循环控制或多个按键分别控制，本文中介绍的助力模式切换通过虚拟按键进行控制。EPS 助力模式切换系统原理图助力模式切换方案为：在EPS 控制器中集成转向助力模式判别和执行模块，在中控信息娱乐系统中开发助力模式切换人机交互界面，EPS 系统和中控信息娱乐系统之间采用CAN 网络进行通讯，驾驶员在中控大屏上按照个人需求进行转向助力模式切换。中控信息娱乐系统界面中设置助力模式切换控件，当驾驶员选中某一模式，中控娱乐系统发出模式切换指令至CAN 网络，EPS 接收到模式切换指令，综合判断整车状态后切换ECU内部助力参数，给驾驶员提供对应模式的转向助力，同时EPS 发出切换成功信息至CAN 网络，中控信息娱乐系统接收EPS 信息后，在界面中显示对应EPS 转向助力模式执行标识和切換成功字样3 秒钟。中控信息娱乐系统交互界面示意图如图2 所示，界面中设置了三个控件：舒适、经济、运动。具体助力模式驾驶员选择任意一个助力模块（默认为经济）后信息娱乐系统发出对应的模式切换指令，EPS 发出当前模式状态信息，娱乐系统根据EPS 发出的信息进行对应模式标示显示。在整车模型建立完成后，根据试验要求对车辆的外部试验仿真环境和运行工况进行设置，其中车辆运行工况主要针对整车的转向控制进行设置，用以实现整车操纵稳定性试验。
3.EPS 助力模式切换及安全控制方案。EPS 通过CAN 总线接收中控信息娱乐系统发出的助力模式切换指令，并结合车辆信息进行综合判断后，切换或不切换助力模式，同时将信息反馈给中控信息娱乐系统。助力模式选择模块：中控信息娱乐系统有三个虚拟按键，向CAN 总线上EPS 接收的固定地址发送三种不同的数值，分别代表舒适、经济和运动模式。中控信息娱乐系统默认为经济模式，EPS 上电后从固定地址接收助力模式信息。安全控制模块：EPS 从CAN 总线上接收到助力模式的数值发生变更后，同时判断目前的车辆行车速度和方向盘力矩，只有车速≤15km/h& 方向盘力矩≤1.5N*m 两个条件同时满足下，执行助力模式切换，否则维持原助力模式不变，同时反馈中控信息娱乐系统。模式切换显示模式：模式切换成功，虚拟开关按键高亮，同时显示“切换成功”字样3 秒。模式切换不成功，维持原助力模式虚拟开关按键高亮，同时显示“禁止切换”字样3 秒。
4.EPS 整车调校及测试。基于EPS 转向系统调教，最终确定舒适、经济和运动模式三种助力曲线，助力曲线及典型工况助力特性对比。通过模拟客户驾驶评价，得出以下结论：①舒适、经济、运动三种助力模式助力大小区别比较明显，高速行驶转向回馈力度合适，认可三种助力模式调校结果；②在保证驾驶员在各种工况下的转向稳定性和安全性的前提下，三种助力模式满足了不同的客户群体的驾驶需求，同时满足了客户的个性化体验。
针对商用车的特点，对商用车EPS 进行总体布置。根据在行驶过程中驾驶员对转向轻便性和路感的要求设计了EPS 助力特性。目前针对商用汽车的EPS 系统国内外均无此类产品和技术信息，具有很大的发展和创新空间。
参考文献：
[1]郭孔辉. 汽车操纵动力学[M]. 长春：吉林科学技术出版社，2017.
[2]刘照，杨家军，廖道训. 电动转向系统中两种辅助转向传动机构方案的分析与比较[J]. 机械科学与技术，2016，20（6）：954-956.
[3]冯樱，肖生发，罗永革. 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J]. 公路交通科技，2016，18（6）：79-82
关键词：商用车；EPS助力；控制策略
电动助力转向系统（EPS）是在机械式转向系统的基础上加装电机驱动单元构成的，其主要目的是提供助力、改善汽车转向性能、协助驾驶员完成转向操作。EPS 系统相对于传统的液压助力转向（HPS）系统有能耗小、污染少、节油、省空间等一系列优点，应用日益广泛。
一、概述
目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而轻中型商用汽车采用循环球式转向器，乘用车所用的通用助力方式不适用于轻中型商用汽车，需要针对轻中型商用汽车的循环球式转向机设计新型的电机助力传动耦合机构。这种机构在轻量、简单的基础上可稳定、可靠、持续的传递电机助力到转向轮；同时要考虑双前轮转向时运动及助力的协调配合。根据这种助力方式，可以对传动耦合机构进行结构设计。设计助力传动耦合机构的基本原理是减小转向功，考虑到转向功是转向力和转向角之积，因此，减小转向功可分两种途径：一是减小转向力；二是减小转向角。前者的原理是通过提供一个转向助力来直接减小转向力，可采用蜗轮蜗杆助力传动机构方案；后者的原理是通过提供另外一个运动，此运动与转向运动合成后可减小转向角度，可采用差动轮系助力机构方案。关于转向助力特性曲线，可能出于技术保密要求，国内外还没有文献专门对此进行研究，只在控制系统设计中附带提及。对商用汽车电动助力转向系统中助力特性曲线的研究基本处于空白：（1）商用汽车在不同载荷、不同车速下的转向特性，特别是双前桥转向系统的转向特性是当前商用汽车性能研究的空白区域；（2）车速对助力增益的影响不清楚；（3）助力特性曲线确定的理论依据不明确，没有明确指出所采用的助力特性曲线到底对汽车的转向路感、操纵稳定性有没有影响；（4）如何根据转向轻便性、转向路感综合确定转向助力特性曲线还没有研究过。因此有必要对助力特性曲线的设计原则和设计方法进行深入研究，这不仅可以填补国内电动助力转向技术研究的空白，而且对电动助力转向系统的控制策略研究具有指导作用。从而确定各车速下应该助力的大小，并进行转换得到助力大小与手力之间的关系曲线即助力特性曲线。最后验证这条曲线是否满足转向路感、稳定性和电动机最大许可电流值的要求。若不满足，则对它进行修改，直到它满足所有的条件为止。
二、商用车EPS助力控制策略
1. 商用车EPS 的数学模型。转矩传感器安装在转向轴中间，用于测量转向盘输入转矩，简化成刚度的扭杆，它的测量值作为ECU 控制电动机输出转矩的依据。电动机输出的转矩通过蜗轮蜗杆减速机构放大倍后传递到转向轴，作为系统的助力矩的合力矩通过循环球式转向器、转向传动机构传递给转向节，用于克服转向过程中的转向阻力矩，使转向轮转过一定的角度，实现汽车助力转向操作。根据EPS 工作原理，将转向轴分为上转向轴和下转向轴，把转向盘和上转向轴受到的力矩和运动等效到上转向轴，把转向器、转向传动机构和前轮以及转向轴下半部分受到的力矩和运动等效到下转向轴，从而得到其机械系统的数学模型为对电动机采用跟踪目标电流的控制方式，根据直流电动机的机械特性建立的电动机数学模型。助力特性是指助力矩随转向盘输入转矩和车速变化而变化的规律。在汽车行驶过程中，随着转向盘输入转矩的增大，转向阻力快速增加，助力矩增加的速度应该相应加快，以保证在行驶过程中车辆具有适当的转向轻便性；同时，随着车速的增加转向阻力减小，助力矩应随着车速的增加而减小，以保证中高速行驶时转向盘有合适的路感。因此本文中选用的曲线型助力特性，可以很好地满足驾驶员对转向轻便性和路感的要求。
2. 助力模式切换方案。EPS 转向助力模式切换输入方式一般有两种：物理按键和虚拟按键。物理按键通过一个按键进行助力模式切换循环控制或多个按键分别控制，本文中介绍的助力模式切换通过虚拟按键进行控制。EPS 助力模式切换系统原理图助力模式切换方案为：在EPS 控制器中集成转向助力模式判别和执行模块，在中控信息娱乐系统中开发助力模式切换人机交互界面，EPS 系统和中控信息娱乐系统之间采用CAN 网络进行通讯，驾驶员在中控大屏上按照个人需求进行转向助力模式切换。中控信息娱乐系统界面中设置助力模式切换控件，当驾驶员选中某一模式，中控娱乐系统发出模式切换指令至CAN 网络，EPS 接收到模式切换指令，综合判断整车状态后切换ECU内部助力参数，给驾驶员提供对应模式的转向助力，同时EPS 发出切换成功信息至CAN 网络，中控信息娱乐系统接收EPS 信息后，在界面中显示对应EPS 转向助力模式执行标识和切換成功字样3 秒钟。中控信息娱乐系统交互界面示意图如图2 所示，界面中设置了三个控件：舒适、经济、运动。具体助力模式驾驶员选择任意一个助力模块（默认为经济）后信息娱乐系统发出对应的模式切换指令，EPS 发出当前模式状态信息，娱乐系统根据EPS 发出的信息进行对应模式标示显示。在整车模型建立完成后，根据试验要求对车辆的外部试验仿真环境和运行工况进行设置，其中车辆运行工况主要针对整车的转向控制进行设置，用以实现整车操纵稳定性试验。
3.EPS 助力模式切换及安全控制方案。EPS 通过CAN 总线接收中控信息娱乐系统发出的助力模式切换指令，并结合车辆信息进行综合判断后，切换或不切换助力模式，同时将信息反馈给中控信息娱乐系统。助力模式选择模块：中控信息娱乐系统有三个虚拟按键，向CAN 总线上EPS 接收的固定地址发送三种不同的数值，分别代表舒适、经济和运动模式。中控信息娱乐系统默认为经济模式，EPS 上电后从固定地址接收助力模式信息。安全控制模块：EPS 从CAN 总线上接收到助力模式的数值发生变更后，同时判断目前的车辆行车速度和方向盘力矩，只有车速≤15km/h& 方向盘力矩≤1.5N*m 两个条件同时满足下，执行助力模式切换，否则维持原助力模式不变，同时反馈中控信息娱乐系统。模式切换显示模式：模式切换成功，虚拟开关按键高亮，同时显示“切换成功”字样3 秒。模式切换不成功，维持原助力模式虚拟开关按键高亮，同时显示“禁止切换”字样3 秒。
4.EPS 整车调校及测试。基于EPS 转向系统调教，最终确定舒适、经济和运动模式三种助力曲线，助力曲线及典型工况助力特性对比。通过模拟客户驾驶评价，得出以下结论：①舒适、经济、运动三种助力模式助力大小区别比较明显，高速行驶转向回馈力度合适，认可三种助力模式调校结果；②在保证驾驶员在各种工况下的转向稳定性和安全性的前提下，三种助力模式满足了不同的客户群体的驾驶需求，同时满足了客户的个性化体验。
针对商用车的特点，对商用车EPS 进行总体布置。根据在行驶过程中驾驶员对转向轻便性和路感的要求设计了EPS 助力特性。目前针对商用汽车的EPS 系统国内外均无此类产品和技术信息，具有很大的发展和创新空间。
参考文献：
[1]郭孔辉. 汽车操纵动力学[M]. 长春：吉林科学技术出版社，2017.
[2]刘照，杨家军，廖道训. 电动转向系统中两种辅助转向传动机构方案的分析与比较[J]. 机械科学与技术，2016，20（6）：954-956.
[3]冯樱，肖生发，罗永革. 汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J]. 公路交通科技，2016，18（6）：79-82