摘 要
随着汽车行业的进步，消费者对于其安全性能提出了日益增高的要求，也提升了对其操作稳定性、安全性的需求。电动助力转向系统就是主要将电池作为能量来源，电机为动力，设计好机械结构，以转向盘的转矩和转速作为识别的主要参数，以此作为输入信号，结合控制系统的介入，协助辅助机械转向，最终就可以得到良好的转向特性，电动助力转向系统设计的优劣将直接影响到人们操控方向的准确性和稳定性，这对于保证道路交通安全、减少事故以及维护驾驶者的人身和财产安全具有举足轻重的意义。电动助力介入时，随着车速的降低，使得转向力逐渐柔和保证轻便驾驶，使方向性更加灵活；当车速过快时，适当增大转向力，保证驾驶的稳定性。同时在节能减耗方面，电动助力转向系统的能耗在原有基础上可降低三成以下，可以在一定程度上节约自然资源，提高驾驶稳定性，环保性强，所以该课题的研究有一定的前瞻性。由于电动助力转向系统控制策略的好坏直接影响着汽车的转向性能和安全性能，国内诸多科研机构及研究院所已对 EPS 的控制系统和控制策略展开大量研究，但是对低速电动汽车 EPS 控制策略的研究还比较少。随着低速电动汽车的日益发展和市场份额的不断扩大，其操稳性和转向控制策略也成为了研究的重点。
本文结合某款低速电动汽车为研究对象，本文设计的电动助力转向系统的原动力为电机，输入信号是转向盘的转角、转矩和汽车速度，结合电子控制装置，获得更好的转向性能。EPS 汽车转向系统的性能决定着驾驶员运行的安全性和平稳性，对减少交通事故和改善转向条件起着重要的作用。电动助力转向系统的核心机构为电机、减速机构、转向器，减速机构将电动机的输出转矩信号经过减速增扭而传递到动力系统，完成助力。汽车需要转向时，扭矩传感器首先发挥作用，将提取到的来自转向盘的力矩信号进行采集，沿着数据总线向下传递，最后到达电子控制单元。控制系统结合受到的力矩大小、转向信号、汽车实时行驶速度等，会以机械方式控制电机，发出指令，电机结合输入的转动力矩判断要产生多大的助动力，经计算分析后提供力，满足了实时控制助力转向。ECU通过扭矩传感器、车速传感器和方向盘转角传感器搜集到的汽车实时信息判别汽车转向不同工作状况，ECU通过算法计算出目标电流控制电机在不同工况下的控制效果。本课题选用蜗轮蜗杆传动方式和齿轮齿条式转向器，对各自的工作原理进行了分析，通过查阅国内外电动助力转向系统控制策略相关文献资料，梳理总结国内外研究现状，对低速电动汽车助力转向系统进行了分析及选型设计，并建立低速电动汽车助力转向系统动力学模型和 MATLAB/Simulink 仿真控制模型，提出一种低速电动汽车助力转向系统的助力特性曲线和控制策略，通过仿真分析验证其有效性。
关键词： EPS；控制策略；三自由度模型；动力学模型；助力特性；MATLAB/Simulink仿真控制模型。
ABSTRACT
With the progress of the automobile industry, consumers have put forward increasingly higher requirements for its safety performance, and also increased the demand for its operation stability and safety. Electric power steering system is the main battery as a power source, electric power, mechanical structure design, with the steering wheel torque and rotational speed as the main parameters of recognition, as the input signal, combining with the intervention of the control system, auxiliary machinery to assist, finally get good performance, the pros and cons of electric power steering system design will directly affect the accuracy and stability of the manipulation of the direction of people, to ensure road traffic safety, reduce accidents and safeguard the personal and property safety of the driver has the vital significance.
When the electric power is involved, with the decrease of the speed, the steering force is gradually soft to ensure the light driving, making the direction more flexible; Whenthe speed is too fast, appropriately increase the steering force, to ensure the stability of driving. At the same time, in terms of energy saving and consumption reduction, theenergy consumption of the electric power steering system can be reduced by less than 30% on the original basis, which can save natural resources to a certain extent, improve driving stability and improve environmental protection. Therefore, the research on this topic has a certain perspective. As the control strategy of electric power steering system directly affects the steering performance and safety performance of the vehicle, many domestic research institutions and institutes have carried out a large number of studies on the control system and control strategy of EPS, but there are still few studies on the control strategy of EPS for low-speed electric vehicles. With the development of low-speed electric vehicle and the expansion of its market share, its stability and steering control strategy have also become the focus of research. This paper takes a low-speed electric vehicle as the research objectt. The original power of the electric power steering system designed in this paper is the motor. The input signal is the steering wheel Angle, torque and vehicle speed. The performance of EPS steering system determines the safety and stability of driver operation and plays an important role in reducing traffic accidents and improving steering conditions. The core mechanism of the electric power steering system is the motor, the deceleration mechanism and the steering gear. The deceleration mechanism transmits the output torque signal of the motor to the power system through the deceleration and torsional increase to complete the assistance. When the car needs to turn, the torque sensor first plays a role. The torque signal extracted from the steering wheel is collected and transmitted down the data bus to the electronic control unit. The control system,combined with the torque, steering signal and real-time driving speed of the vehicle,will mechanically control the motor and issue instructions. The motor, combined with the input rotation moment, will determine the amount of auxiliary power to be generated. After calculation and analysis, the force is provided to meet the real-time control power steering. ECU determines different working conditions of vehicle steering through real-time information collected from torque sensor, speed sensor and steering wheel Angle sensor. ECU calculates control effects of target current control motor under different working conditions through algorithm. This topic selection andgear rack type steering gear, worm gear and worm drive way to their respective working principle is analyzed, through the control strategy of electric power steering system at home and abroad related literature, summarizes the research status at home and abroad, analyses the low-speed electric car power steering system and the selection of design, and establish the low-speed electric car power steering system dynamics model and MATLAB/Simulink simulation control model, put forward a kind of low-speed electric car power steering system dynamical characteristics curve and control strategy, whose effectiveness is verified by simulation analysis.
Keywords: EPS; Control strategy; Three degrees of freedom model; Dynamic model;Assist characteristic; MATLAB / Simulink simulation model。
第1章 绪论
1.1 、论文研究背景与意义。
随着汽车电控技术的发展，汽车厂家和消费者越来越重视汽车的操纵稳定性和主动安全性能，电动助力转向系统作为汽车电子集成控制技术的在汽车上的代表性产品[1]，现在已越来越多的运用于各大汽车厂家，尤其是轿车和轻型车为主的乘用车厂家，由于电动助力转向系统操纵轻便、可控性较好、回正效果好，并且相对于液压助力转向系统来说质量轻，占用空间小，可维护性高，操纵简单快捷[2]，非常适合应用于低速纯电动汽车转向系统，因此电动助力转向系统已经取代传统转向系统成为广大低速电动车客户的首要选择。而EPS系统控制策略则是对电动助力转向系统进行助力控制、回正控制、主动控制等控制方式的策略和方法。现如今，关于EPS系统控制策略的研究也成为各大企业与研究机构的研究重点和难点。
人们日常生活中使用最频繁的交通工具是汽车，随着车辆的使用率增高，安全性成为人们最关注的话题，所以对汽车的多项功能和需求变得更加完善，EPS的发展为人们提供了更广阔的服务，同时也带来了商业需求，很多汽车供应商将EPS系统当做盈利的资本，吸引客户的购买需求。电动助力转向系统是一种由方向盘、转向轴、减速器、转向器等机械装置和传感器、助力电机、控制器等转向控制装置组成的纯电机助力转向装置。
EPS就是主要将电池作为能量来源，电机为动力，设计好机械结构，以转向盘的转矩和转速作为识别的主要参数，以此作为输入信号，ECU控制器通过传感器收集的信息判断汽车行驶状态，从而控制转向，EPS设计的优劣将直接影响到人们操控方向的准确性和稳定性，这对于保证道路交通安全、减少事故以及维护驾驶者的人身和财产安全具有举足轻重的意义。
电动助力转向系统（EPS）是继液压助力转向系统和电控液压助力转向系统之后最新发展并得到快速应用的一种助力转向系统，由于其控制简单、使用稳定轻便等诸多优点目前在国内得到快速发展和应用[3]。许多国产车型已把电动助力转向系统（EPS）作为标准配置，由于EPS控制策略的好坏直接影响着汽车的转向性能和安全性能，国内诸多科研机构及研究院所已对EPS的控制系统和控制策略展开大量研究，但是对低速纯电动汽车EPS控制策略的研究还比较少。随着低速电动汽车的日益发展和市场份额的不断扩大，其操稳性和转向控制策略也成为了研究的重点，如何在低速工况下保持助力转向系统持续稳定的助力输出、稳定的转向及回正控制以及良好的的路感反馈也成为了低速纯电动汽车厂家关注的重点。本文选取某款低速电动策划为研究对象，首先建立EPS系统动力学模型，然后综合各方面的因素，建立EPS系统整车三自由度模型。对EPS系统的助力特性进行研究和分析，设计出一种适合该车型EPS系统的助力特性曲线。并对EPS系统的控制策略进行研究，提出一种适合于低速电动汽车EPS系统控制策略。最后通过仿真分析，设计出一种符合在低速工况下保持助力转向系统持续稳定的助力输出、稳定的转向及回正控制以及良好的的路感反馈的电动转向系统控制策略。
1.2 、国内外相关研究概况。
助力转向系统的研究最早开始于国外，美国通用汽车公司在1953年率先在通用别克汽车上首次应用，液压助力转向系统给汽车转向带来了巨大改变，从此汽车转向变得更加轻便快捷，随着液压助力转向系统的发展和技术革新，随之发展而来的电控液压转向系统也广泛应用，其在液压转向系统的基础上加入电子控制单元，使得助力转向更加轻便、快捷[4]。在上世纪80年代日本、欧美等发达国家开始对电动助力转向系统进行研究。发展到今天，电动助力转向系统已经成为了乘用车辆应用最为广泛的助力转向系统，经过近40年的应用与发展，电动助力转向系统已经不仅仅局限于助力控制，在助力控制的基础上增加了阻尼控制、回正控制、路感反馈控制等多种控制方式相结合的综合控制策略[5]，尤其是近些年来随着电动汽车以及智能网联汽车的发展，在电动助力转向系统的基础上发展而来的线控转向技术也成为了各大高校和研究机构研究的重点。相比于传动的液压助力转向系统和电控液压助力转向系统，电动助力转向系统燃油消耗较低，易于安装于各种车型并易于调试，在性能测试时，没有车辆和及车辆间软件的差异，并且空间较小、重量轻，利于汽车的轻量化布置，与其他系统的集成性较好，现已广泛应用与各种中重型、轻型汽车，越来越来到广大车主的青睐。目前，全球范围的汽车行业中，电动助力转向系统增长迅速，发展和应用前景较好。
EPS控制系统最早是由日本的Honda公司提出，而早期的EPS系统的控制策略只有助力和回正控制，扭矩传感器和转速传感器被应用于判别不同转向工况的控制模式的切换[6]。上世纪八十年代末、九十年代初期，日本本田、丰田等知名汽车厂家纷纷开展了电动助力转向系统控制策略的研究，发展较为迅速并广泛应用于各种车型[7]。
1999年，日本NSK公司基于EPS电机最大电流控制和补偿控制理念提出一种新的控制策略。进入21世纪，日本Koyo公司提出了基本助力控制、力矩微分控制、主动回正控制等控制方式，三菱电机公司提出了一种采用回正力矩观测器的回正控制算法和阻尼控制算法，这两种控制算法很好的解决了方向盘回正效果不明显和方向盘发抖的现象[8]。
以天合集团为例，企业于1998年起，调集了诸多人力、物力、财力专攻EPS系统的研究。研究起点是在客车上研究出了转向柱助力式EPS，当今以小齿轮为基础的EPS也投入大批量的开发研究中。
20世纪末，企业生产的EPS已成功应用于轿车中，常用的车型就是福特嘉年华等。还有就是梅赛德斯奔驰和西门子公司合作研究开发EPS，消费的资本高达6500万英镑，21世纪初，两大集团合作生产的EPS已成功实现年装车300万套系统，视野踏遍全球，同时以货车为研究出发点，开发了专门针对汽车前桥负载量大于1.2吨的EPS，这是国外的研究状态。我国于2002年开始自主研发EPS，目前有近20所企业和相关科研机构投入研发中，最值得一提的是南摩公司，在EPS产业兴起的几年已逐渐将EPS投入小批量生产，其他企业依然处于研发阶段[9]。
中国的电动助力转向系统的研究起始于上世纪九十年代，虽然起步较晚，但是发展较为迅速。尤其是近些年来，随着电子集成控制技术以及主动安全技术的发展，国内包括清华大学、同济大学、江苏大学、电动助力转向系统株洲研究院在等高校和科研机构也增大了对EPS的研究[10]，在助力特性、仿真分析和控制策略方面投入较多，并取得较大进展，个别技术方面甚至已经达到世界先进水平。
综上所述，电动助力转向系统由于其控制简单、使用稳定轻便等诸多优点目前在国内得到快速发展和应用。许多国产车型已把电动助力转向系统作为其标准配置，由于EPS控制策略的好坏直接影响着汽车的转向性能和安全性能，国内诸多科研机构及研究院所已对EPS的控制策略展开大量研究，在传统的助力控制的基础上，针对特殊工况以及结合阻尼控制、回正控制、路感反馈控制等多种控制方式的综合控制策略已成为研究重点，但是对低速纯电动汽车EPS控制策略的研究还比较少。随着低速电动汽车的日益发展和市场份额的不断扩大，其操稳性和转向控制策略也成为了研究的重点，如何在低速工况下保持助力转向系统持续稳定的助力输出、稳定的转向及回正控制以及良好的的路感反馈也成为了低速纯电动汽车厂家关注的重点。
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1.3、本论文研究的主要内容
第2章 电动助力转向系统结构及关键部件
2.1、 EPS系统概述
2.1.1、 EPS系统分类.
2.1.2 、EPS系统优点
2.2 、EPS系统结构与工作原理.
2.2.1 、EPS系统结构
2.2.2、 EPS系统工作原理.
2.3 、EPS 系统关键部件.
2.3.1、扭矩/转向角度组合传感器.
2.3.2、车速传感器.
2.3.3、助力电机.
2.3.4、离合器和减速机构
2.3.5、电子控制单元
2.4、本章小结
第3章 EPS控制系统设计.
3.1、主控制单元
3.1.1、A/D转换模块
3.1.2、脉宽调制PWM模块.
3.2、电源模块设计
3.3、扭矩信号处理电路
3.4、车速信号处理电路.
3.5、电机的功率驱动电路设计. .
3.6、电动助力转向控制器主程序设计.
3.7、本章小结.
第4章 EPS系统的分析与建模.
4.1 、EPS 系统受力分析.
4.1.1、驾驶员的操纵力，
4.1.2、 EPS系统的转向阻力矩.
4.1.3、转向电机助力矩
4.2 、EPS系统建模.
4.2.1、 MATLAB/Simulink 软件的介绍
4.2.2、EPS系统模型简化.
4.2.3、EPS系统整车模型
4.2.4、前轮侧偏力矩模型.
4.2.5、输入轴数学模型
4.2.6、输出 轴的数学模型
4.2.7、齿轮 齿条数学模型.
4.2.8、助力电机数学模型
4.2.9 、EPS 系统动力学模型
4.3、本章小结
第5章 EPS系统控制策略研究与仿真分析.
5.1、助力控制.
5.2、助力特性研究
5.3、直线 型助力特性曲线的设计.
5.3.1、汽 车转向阻力矩分析与计算
5.3.1.1、原地转向阻 力矩
5.3.1.2、行 驶转向阻力矩
5.4、EPS系统控制策略及算法
5.4.1 、PID 控制算法
5.4.2、数字 PID控制
5.4.2.1、位置式 PID控制算法
5.4.2.2、增 量式PID控制算法
5.4.3、PID控制在EPS中实现
5.5、 EPS系统仿真分析.
5.5.1、助力控制仿 真分析
5.5.2、回正控制仿真分析
5.6、本章小结
第6章 结论
本文以德州某汽车公司的某款低速电动汽车EPS系统为研究对象，通过分析低速电动汽车EPS系统工作原理及动力学模型，得出了以下结论：
（1）对EPS系统的结构和工作原理展开分析，并对EPS系统关键部件进行选型设计，基于低速电动汽车EPS系统，选择合适的电动助力转向系统布置形式，然后对EPS系统的方向盘扭矩传感器、方向盘转向角度传感器、汽车速度传感器、助力电机、离合器及减速机构、电子控制单元等关键部件进行了选型设计和分析。通过设计和分析，提出一种适合低速纯电动汽车转向轴助力式EPS系统，该系统结构紧凑，成本合理，适合低速纯电动汽车转向控制。
（2）完成系统硬件与软件设计。通过对硬件系统的分析和选型，选择合适低速电动汽车助力转向系统的硬件系统，对低速电动汽车EPS控制系统硬件系统进行分析和研究，随后对硬件系统进行了总体设计，对控制芯片及关键部件进行选型。重点介绍了低速电动汽车EPS系统控制电路中电机驱动电路电源转换电路、扭矩信号处理电路、车速信号处理电路等硬件电路模块的设计。对软件系统各模块进行搭建，完成软件系统基本调试和测试，经测试该硬件系统满足低速纯电动汽车转向控制。
（3）对EPS系统进行动力学分析，对驾驶员操纵力矩、电动助力转向系统阻力矩以及电动助力转向系统助力矩进行动力学分析，随后对动力学仿真软件MATLAB/Simulink进行分析和介绍，最后通过MATLAB/Simulink仿真软件分别建立了转向盘和转向柱、输出轴、齿轮齿条、助力电机等仿真模型。根据低速电动汽车转向控制特点，建立低速电动汽车助力转向系统动力学控制模型和整车三自由度模型。
（4）对电动助力转向系统控制策略进行概述，通过分析设计出一种直线型助力特性曲线，该直线型助力特性曲线控制响应较为迅速精准，控制效果接好，满足设计要求。最后提出了一种基于PID控制的EPS控制策略，对系统进行仿真分析得出了汽车在不同工况下的助力控制和回正控制效果，采用助力控制后，使汽车操纵轻便型和稳定性都获得一定提高。而采用回正控制后，能够有效改善系统的回正性能。并对低速电动汽车助力转向系统进行仿真分析，验证该低速电动汽车EPS系统PID控制制策略，满足设计要求。
虽然控制效果达到预期目的，但由于技术有限，未来可以针对以下方面做进一步的研究与深化：
（1）本文采用的是直线型助力特性曲线，未来可采用更加复杂的曲线型助力特性曲线。
（2）本文参考的是三自由度整车模型，只考虑到汽车转向横向自由度、汽车转向横摆自由度和汽车转向侧倾自由度等，因为涉及到汽车悬架和四个车轮，所以没有考虑到更加复杂的汽车整车俯仰自由度，未来可综合汽车非线性系统的影响，建立更多自由度的整车模型，提高模型的精确性。
（3）由于水平有限，本次所设计的低速电动汽车电动助力转向系统只考虑固定工况下的仿真分析，没有考虑特殊复杂道路工况下对低速电动汽车助力转向系统的影响，以后有机会的情况下将建立更复杂道路和转向系统模型进行验证。
（4）由于缺少相关试验设备，本次所设计的低速电动汽车电动助力转向系统只做了最基本的转向和回正试验仿真分析，没有对试验方法和试验条件进行拓展，以后有机会的情况下将继续拓展低速电动汽车转向试验类型，研究更适合低速电动汽车电动助力转向系统的复杂环境下的道路试验方式方法。
参考文献.
