（車輛工程專業(yè)論文）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與汽車操縱穩(wěn)定性的仿真研究.pdf

華中科技大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文 _ _ _ _ 一i i e _ 目日= 自= = j = ，= 自 = = = = = 目= = = = 目= = = e = e s 自；日e j ；= 目d 自= e = = 目鼉 摘要 f l 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e p s 系統(tǒng)) 是近年來興起的一種新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。e p s 系 臣有節(jié)約燃料、減輕自重、提高主動(dòng)安全性、有利于環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)緊 觀代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)，現(xiàn)已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)之一。 汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車 釜行駛的一個(gè)主要性能，所以人們稱之為“高速車輛的生命線”，是現(xiàn)代汽車的重 史用性能之一。) 本文比較系統(tǒng)全面的分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e p s ) 對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響。 圯為比例控制和p d 控制e p s 系統(tǒng)建立了完整的e p s 系統(tǒng)二階動(dòng)力學(xué)模型。在該模 基礎(chǔ)上完成了以下工作： 推導(dǎo)裝備e p s 系統(tǒng)汽車的橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)。在m a t l a b 環(huán)境 十算求得裝備e p s 系統(tǒng)汽車在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)和頻率特性， 棚分析e p s 系統(tǒng)控制方式、控制系數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)列汽車h 寸域和頻域響應(yīng)的影響，并 封一個(gè)經(jīng)合理簡化的e p s 系統(tǒng)模型，從理論上解釋了上述影響的成因。 為裝備e p s 系統(tǒng)的車輛建立人車閉環(huán)系統(tǒng)模型，利用m a t l a b s i m u l l n k 仿 研究，證明了為e p s 系統(tǒng)引入橫擺角速度反饋有利于改善車輛的行駛穩(wěn)定性。 推導(dǎo)e p s 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤力的計(jì)算公式。結(jié)合1 5 自由度汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件 r o s m ，仿真計(jì)算裝備e p s 系統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)向盤力特性。提山并驗(yàn)證了將系統(tǒng)比例控 系數(shù)可設(shè)計(jì)成隨車速和側(cè)向加速度遞減的函數(shù)有利于改善轉(zhuǎn)向盤力特性。 作者認(rèn)為本文的研究方法和結(jié)論對(duì)e p s 系統(tǒng)的理論建模、結(jié)構(gòu)參數(shù)配置、助 電機(jī)的選擇以及控制器的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。 建詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向素磊鈺螢翰操縱 宣藩性轉(zhuǎn)向矗力特性仿妻7 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 t e | = 一i i = # | = ；自= 自j = = 目= = = = e = = = = # = = = = = = = ：= = = = = # = = = = = = ： 自= = = = = = = = e = = = = = = = = ! = = t = = = 窖 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i san e wt y p ep o w e rs t e e r i n gs y s t e me m e r g e di n r e c e n ty e a r s w i t ht h ea d v a n t a g e so fs a v i n gf u e l ，r e d u c i n go v e r a l lw e t g h t ，i m p r o v i n g d r i v i n gs e c u r i t ya n db e i n gi nf a v o ro fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n e t ，n o w a d a y sr e s e a r c ho n e p sh a sb e e no n eo f t h eh o t s p o t si nt h ef i e l do f a u t o m o b i l et e c h n o l o g yi nt h ew o r l d t h ea u t o m o b i l e sm a n e u v e rs t a b i l i t yi l a sg r e a ti n f l u e n c eu p o nn o to n l yt h e c o n v e n i e n c eo fd r i v i n g ，b u ta l s ot h es e c u r i t yo ft h ev e h i c l er u n n i n ga th i g hs p e e d s t h e r e f o r e ，i tw a sc a l l e da s “t h el i f e l i n eo ft h eh i g h s p e e dv e h i c l e a n dc o n s i d e r e da sa s i g n i f i c a n ts e r v i c ep e r f o r m a n c eo f am o d e r n c a r t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e dt h ee p s i n f l u e n c eo nt h ev e h i c l e sm a n e u v e rs t a b i l i t y s y s t e m a t i c a l l ya n dg e n e r a l l y a tf i r s t ，c o n s i d e r i n gt h ep r o p o r t i o n a la n dp r o p o r t i o n a lp l u s d e r i v a t i v e ( p d ) c o n t r o lm o d e ，as e c o n d - o r d e rd y n a m i cm o d e lo fe p sw a se s t a b l i s h e d o n t h eb a s eo f t h em o d e l ，f o l l o w i n gs t u d i e sh a v eb e e ne x e c u t e d ： t h et r a n s f e rf u n c t i o nb e t w e e nt h ey a wr a t ea n ds t e e r i n gw h e e la n g l ew a sd e d u c e d i n t h em a t l a be n v i r o n m e n t ，t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nw e r ep r o c e e d e dt oi n v e s t i g a t et h e s t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n tr e s p o n s ec o n d u c e db yp h a s es t e pi n p u ta sw e l l a st h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l ee q u i p p e dw i t he p s t h ei n f l u e n c e so nt h ev e h i c l e sr e s p o n s ei n t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ，w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ec o n t r o lm o d e ，c o n t r o lc o e f f i c i e n ta n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f e p s ，h a v eb e e nd i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h e n ，as i m p l i f i e de p s m o d e l w a si n t r o d u c e dt oe x p l m nt h ei n f l u e n c e sm e n t i o n e da b o r et h e o r e t i c a l l y ad i v e r - v e h i c l e ( e q u i p p e dw i t he p s ) c l o s e d - c l o o pm o d e lw a se s t a b l i s h e dt op r o v et h a t i n d u c t i n gy a w r a t ef e e d b a c kt ot h ee p sc o u l de n h a n c ev e h i c l e ss t a b i l i t y t h es i m u l a t i o n o u t c o m i n gd i di t af o r m u l at oc o m p u t et h eh a n d w h e e lr e s o r t i n gt o r q u ew a sd e d u c e d w i t ht h eh e l po f t l 他1 5f r e e d o mv e h i c l es i m u l a t i o np r o g r a m ，w h i c hn a m e dh v o s m ，as i m u l a t i o nw a s e x e c u t et o i n v e s t i g a t et h eh a n d w h e e lr e s o r t i n gt o r q u e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l e e q u i p p e dw i t he p s a na d v i s e h a sb e e np r o p o s e da n dp r o v e dt h a th a n d w h e e lr e s o r t i n g t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c sc o u l db ei m p r o v e db ym a k e t h ee p s p r o p o r t i o n a lc o n t r o lc o e f f i c i e n t 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 船ad e c r e a s i n gf u n c t i o no ft h ev e h i c l es p e e da sw e l la sl a t e r a ia c c e l e r a t i o n t h ea u t h o rr e c k o n st h er e s e a r c ht e c h n i q u ea n dc o n c l u s i o nc o u l db eh e l p f u lt o e s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i cm o d e l ，c o n f i g u r a t i o no fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r , s e l e c t i o no ft h e a s s i s t e d m o t o ra n dd e s i g no f t h ec o n t r o l l e ro f a ne p s k e y w o r d s te p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) v e h i c l es t a b i l i t y h a n d - w h e e lr e s o r t i n gt o r q u ec h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i o n 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 _ _ _ t _ _ l i _ _ t e - _ _ - _ 自j _ e = = _ 毫= _ _ 曙| t 目# = = 自e = = = = = = j = = = = = = = 目= = = ；魯| = j ；t = | ；自= = 目 - 曩_ 詈 1 緒論 1 1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e p s ) 概況 隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人 l 、j 對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也日益提高。為 了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即使車輛在停車 情況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)能夠輕松自如；而在高速行駛時(shí)又不會(huì)感到輕飄不穩(wěn)。汽車轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)從簡單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)展到機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)，直至如今的更為節(jié)能、操縱性能更優(yōu)的電予控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e l e c t r i c p o w e i s y s t e m ，簡稱e p s ) 1 2 1 。 e p s 系統(tǒng)通過電控單元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，簡稱e c u ) 控制助力電動(dòng)機(jī) ( e l e c t r i cm o t o r ) 直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)。助力大小由e c u 控制。 它完全取消液壓裝置，用電能取代液壓能，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗。研究與開發(fā)電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是與汽車發(fā)展巾的安全、環(huán)保、節(jié)能乏大主題相吻合的，因而具有 一定的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義l 叫?？偟膩碚f，與傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( h y d m u l i ep o w e r s y s t e m ，簡稱h p s ) 相比，e p s 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)f f l 【4 j ： ( 1 ) 轉(zhuǎn)向作用力控制范圍寬，可以十分靈活地修改轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角和車輛速度信 號(hào)的軟件邏輯控制，并能根據(jù)駕駛條件設(shè)置最優(yōu)化的轉(zhuǎn)向助力特性。 ( 2 ) 根據(jù)轉(zhuǎn)向角進(jìn)行的回正控制和根據(jù)轉(zhuǎn)向角速度進(jìn)行的阻尼控制可以提供最 佳的轉(zhuǎn)向返回特性。 ( 3 ) 由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無液壓裝置，僅當(dāng)需要時(shí)，電機(jī)才運(yùn)行。所以動(dòng)力 消耗和燃油消耗均可降到最低。與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在各種行駛工況下均可節(jié) 能8 0 9 0 。 ( 4 ) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較高的慣性力矩，對(duì)于來自輪胎的外部干擾其作用就象 質(zhì)量阻尼器一樣，可以使轉(zhuǎn)向軸的顫動(dòng)和反沖降到最小。在高速時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)的顫振比液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減少2 5 3 0 。 ( 5 ) 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低溫下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之后，出于低溫下油的粘性較大， 使轉(zhuǎn)向作用力較高。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在低溫下不會(huì)增加轉(zhuǎn)向作用力和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。 因而，其低溫運(yùn)行狀況好于前者。 ( 6 ) 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因有液壓缸、油泵、轉(zhuǎn)閥、液壓管道等部件，使系統(tǒng)結(jié) 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ii i 1 日t = = e # ! = l 目目e i e i _ e j j e = a ，e 2 = t i 目 構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)目多，占用空問大，布置不方便。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則表現(xiàn)出了明顯 的優(yōu)勢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量減輕，易于布置。 因?yàn)閑 p s 系統(tǒng)具有上述一系列的優(yōu)越性，所以一經(jīng)出現(xiàn)就受到國際汽車工業(yè)界的 高度重視。現(xiàn)在已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。國外汽車公司對(duì)e p s 系統(tǒng)的研 究已經(jīng)有2 0 多年的歷史，但是以前一直沒有取得大的進(jìn)展，其主要原因是e p s 系統(tǒng) 的成本太高。近幾年來。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大幅度降低成本已成為可能，加上 e p s 系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)，使得它越來越受到人們的青睞【5 6 1 。 1 2 汽車操縱穩(wěn)定性基本內(nèi)容和評(píng)價(jià)指標(biāo) 汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕 駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾 而保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而 且也是決定高速汽車安全行駛的一個(gè)主要性能，所以人們稱之為“高速車輛的生命 線”。隨著道路的改善，特別是高速公路的發(fā)展，汽車以1 0 0 k m h 或更高車速行駛的 情況是常見的。現(xiàn)代轎車設(shè)計(jì)的最高車速一般常超過2 0 0 k m h 。有的運(yùn)動(dòng)型轎車甚至 超過3 0 0 k m h 。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，成為現(xiàn)代汽車的重要使用性 能之一n 1 。 在汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，常把汽車作為一控制系統(tǒng)，求出汽車曲線行駛的時(shí) 域響應(yīng)和頻域響應(yīng)并以它們來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。 汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)系指汽車在轉(zhuǎn)向盤輸人或外界側(cè)向干擾輸入下的側(cè)向 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。轉(zhuǎn)向盤輸入有兩種形式：給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)角位移，稱為角位移輸入，簡 稱角輸入；給轉(zhuǎn)向盤作用一個(gè)力矩，稱為力矩輸入，簡稱力輸入。駕駛員在實(shí)際駕駛 車輛時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向盤的這兩種輸人時(shí)同時(shí)加入的。外界側(cè)向干擾輸入主要是指側(cè)向風(fēng)與 路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力。 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)人的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)，就是表 征汽車操縱穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)向盤角位移輸入下的時(shí)域響應(yīng)?；卣允且环N轉(zhuǎn)向盤力輸入下 的時(shí)域響應(yīng)。 橫擺角速度頻率響應(yīng)特性是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角正弦輸入下，頻率由0 - 4 * 時(shí)，汽車橫擺 角速度與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的振幅比及相位差的變化圖形。它是另一個(gè)表征汽車操縱穩(wěn)定性 的基礎(chǔ)特性。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 典型行駛工況性能( t a s kp e r f o r m a n c e ) 是指汽車通過某種模擬典型駕駛操作的通 道的性能。它能更如實(shí)的反映汽車的操縱穩(wěn)定性。如轉(zhuǎn)向盤力特性就是一種典型行駛 工況性能。 此外，汽車操縱穩(wěn)定性還包括轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向半徑、轉(zhuǎn)向輕便 性、直線行駛性能、極限行駛性能等評(píng)價(jià)內(nèi)容。 本課題討論上述內(nèi)容中比較基本也比較重要的部分：轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài) 響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)與橫擺角速度頻率特性，車輛在轉(zhuǎn)向盤力輸入下的行駛穩(wěn)定性以及一 種典型行駛工況性能轉(zhuǎn)向盤力特性。 1 3 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀 自1 9 5 3 年通用汽車公司在凱迪萊克矛w , r j 克轎車上首次批量使用了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)以來【1 1 ，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給汽車帶來了巨大的變化：人們不再需要靠大直徑的 轉(zhuǎn)向盤來產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)向力矩，轉(zhuǎn)向盤的減小，使得駕駛室變得寬敞起來，座椅斫i 置 也變得更為舒適了：液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在降低了轉(zhuǎn)向操縱力的同時(shí)，也使轉(zhuǎn)向變得更 為靈敏。隨著技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在體積、價(jià)格和所消耗的功率等方而都取得 了驚人的進(jìn)步。在八十年代后期，又開發(fā)了變減速比、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。今天， 變速比的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎成為發(fā)達(dá)罔家所銷售轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。 幾十年來，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)革新都是在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基l i l l l j z 的。即便是 電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也無法根除液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在系統(tǒng)布最、安裝、密封性、操 縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的固有缺憾。直到1 9 8 8 年3 月，日本鈴木 公司開發(fā)出一種全新的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才真砸擺脫了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)的束縛。1 9 9 3 年，本田汽車公司首次將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備于大批量生產(chǎn)的、在 國際市場上同法拉利和波爾舍競爭的愛克n s x 跑車卜。同年，在歐洲市場銷售的一 種經(jīng)濟(jì)型轎車菲亞特幫托也將美國d e l p h i 汽車系統(tǒng)公司生產(chǎn)的電控助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)裝備。由于電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全取消液壓裝置，用電能取代液壓能，減 少了發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗；加上其性能的優(yōu)越性，很快在越來越多的國外轎車上得到應(yīng) 用，如本田最新推出的i n s i g h t 轎車上就是其中的一例。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無疑是未來 動(dòng)力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的新方向，目前在中型以j i 貨車j f l ! r p 級(jí)以上轎車上廣泛采用的機(jī)械一液 壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器將逐漸被效率更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所代替。為此，國 外幾家大公司( 如德國的z f 、英國盧卡斯一偉利達(dá)、s a g i n a w 、t r w 、f 1 本的n s k 、 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 k o y o 等) 都競相推出自己的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)p j 。 目前國內(nèi)有多家高校對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展j l ：了研究工作，其中清華大學(xué)、華中 科技大學(xué)、湖北汽車工業(yè)學(xué)院和合肥工業(yè)大學(xué)等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng) 建模和動(dòng)力分析等方面研究，取得了一系列的成果。其中大部分的研究工作集中在對(duì) e p s 系統(tǒng)的建模助力特性的研究方向上。對(duì)助力特性的研究又可分為對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性 的研究和對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究。 在e p s 系統(tǒng)建模方面國內(nèi)外的研究已經(jīng)比較詳盡。其中1 9 9 9 年由d e l p h i 公司 a l yb a d a w y 和j e f fz u r a s k i 提出的e p s 系統(tǒng)模型比較有影響f 8 i 。合肥工業(yè)大學(xué)的楊孝 劍等人e p s 系統(tǒng)的多剛體模型方面也做了一些研究1 9 i 。但大部分對(duì)e p s 系統(tǒng)的理論研 究都采用更加簡單的二階扭振系統(tǒng)模型。二階扭振模型是對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理簡化，已 能滿足一般精度理論研究的需要。 在系統(tǒng)靜態(tài)特性方面，國內(nèi)華中科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的的葉耿、楊家軍、劉照 對(duì)汽車轉(zhuǎn)向路感的形成進(jìn)行了討論，給出了路感的定義并對(duì)轉(zhuǎn)向路感進(jìn)行了量化，將 路感強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一項(xiàng)性能指標(biāo)。分析了影響e p s 系統(tǒng)路感的主要因素， 得到e p s 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向路感曲線【0 i 。湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程系的肖生發(fā)等則從轉(zhuǎn) 向系動(dòng)、阻力平衡方程出發(fā)，探討了理想的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性，并基于這個(gè) 特性提出一種簡單的e p s 系統(tǒng)助力特性設(shè)計(jì)方法1 1 ”。 在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性方面，湖北汽車工業(yè)學(xué)院的馮櫻等從防止路面反向沖擊的觀點(diǎn)出 發(fā)，分析了e p s 系統(tǒng)采取比例控制方式和比例加微分( p d ) 控制方式的優(yōu)劣提出 采用比例加微分控制可獲得理想的動(dòng)態(tài)助力特性，井有效地消除系統(tǒng)在共振區(qū)內(nèi)共振 峰的問題【1 2 1 在國外則有學(xué)者對(duì)把各種現(xiàn)代控制方法( 如h - i n f i n i t y 控制) 引入 e p s 系統(tǒng)。另外，考慮到傳感器噪聲、執(zhí)行器誤差的影響，國外學(xué)者已經(jīng)丌始研究 e p s 系統(tǒng)控制器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)燃?xì)致的問題i l 3 l1 1 4 1 e p s 系統(tǒng)做為一種近年來興起的一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它的引入對(duì)汽車操縱穩(wěn)定 性有何影響，一直是人們普遍關(guān)注問題。但是經(jīng)查閱有關(guān)e p s 系統(tǒng)研究的諸多論文和 技術(shù)文獻(xiàn)資料，國內(nèi)外有關(guān)e p s 系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響研究卻并不多。在國外， 2 0 0 0 年d e l p h i 公司的r o ym c c a n n 在他的研究報(bào)告中提出為e p s 系統(tǒng)的e c u 引入一 個(gè)橫擺角速度反饋有利于增強(qiáng)車輛行駛的穩(wěn)定性5 1 。而華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程 學(xué)院劉照等曾把簡化的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力模型與二自由度汽車橫向動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)向 模型相結(jié)合，近似的得到裝有比例控制式e p s 系統(tǒng)車輛的橫擺角速度增益函數(shù)，并以 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 -i i i m _ l i _ _ * _ ，自i - _ i = 目| = = = = = = j = = 日 ，目j 自自e # = i l # = e l l 目自_ = 目 這個(gè)函數(shù)為基礎(chǔ)定性的分析了比例控制式e p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車橫擺角速度響應(yīng) 的影響1 1 們。 1 , 4 課題目的意義和主要研究內(nèi)容 從上- - 4 節(jié)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)對(duì)e p s 系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響的 研究還存在以下這些空白： ( 1 ) 使用的e p s 系統(tǒng)模型較簡單，往往只考慮了比例控制方式下的情況，或忽 略了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的慣性、阻尼和反電動(dòng)勢； ( 2 ) 關(guān)于e p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性影響的問題，只做了定性分析， 沒有涉及到e p $ 系統(tǒng)控制方式和控制參數(shù)的影響，沒有給出具體的試驗(yàn)或仿真計(jì)算結(jié) 果 ( 3 ) 一般只考讒了汽車在角輸入下的響應(yīng)。未研究汽車的行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向盤 力特性。 ( 4 ) 尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)為e p s 系統(tǒng)引入車輛橫向動(dòng)力學(xué)狀態(tài)量反饋的研究報(bào)告。 本課題從建立一個(gè)完整的e p s 系統(tǒng)二階扭振模型出發(fā)，全而的研究了e p 8 系統(tǒng) 的控制方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)與汽車操縱穩(wěn)定性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系。通過仿真計(jì)算定量的 給出了在不同控制方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，汽車操縱穩(wěn)定性的角輸入和力輸入各評(píng) 價(jià)指標(biāo)的大小。在研究裝備e p s 系統(tǒng)的汽乍行駛穩(wěn)定f a r o 寸，結(jié)合駕駛員模型，建立了 人一車系統(tǒng)閉環(huán)模型，用s i m u l l n k 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了引入橫擺角速度反饋有利于改 善汽車的行駛穩(wěn)定性。在分析裝備e p s 系統(tǒng)的汽車的轉(zhuǎn)向盤力特性時(shí)，提出了轉(zhuǎn)向盤 力的計(jì)算公式，并根據(jù)這個(gè)公式在多自由度仿真程序的平臺(tái)上自行開發(fā)了e p s 系統(tǒng)轉(zhuǎn) 向盤力計(jì)算模塊。得到了較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向盤力特性曲線，最后提出引入側(cè)向加速度反 饋改善汽車的轉(zhuǎn)向盤力特性的方法。作者的研究意在比較深入的探討e p s 系統(tǒng)對(duì)汽車 操縱穩(wěn)定性的影響，揭示e p s 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制方法與汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo) 之闖的內(nèi)在聯(lián)系，為e p $ 系統(tǒng)的研究開發(fā)和具體設(shè)計(jì)工作提供一定的理論依據(jù)。 本論文的各章節(jié)基本內(nèi)容如下： 第一章緒論，介紹了e p s 系統(tǒng)的概況、操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、 課題的來源、目的和意義及主要研究內(nèi)容等。 第二章e p $ 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及動(dòng)力學(xué)模型的建立，介紹了轉(zhuǎn)向軸助力式e p s 系 統(tǒng)的基本構(gòu)造和工作原理，通過合理的假設(shè)和簡化，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 r i _ _ _ | 葛目；i _ = ；= = = = | = = = = = = = = = = = 目= = = = = = = = = = 皇= = = = = = = 自= = t = 蘭皇= = = = = = = = = = = = = = = = 曹 第三章e p s 系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng)，討論了e p s 系統(tǒng)的引入對(duì) 汽車在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響。以及e p s 系統(tǒng)的控制方式、 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)上述性能的影響。 第四章e p s 系統(tǒng)與汽車的橫擺角速度頻率特性，討論了e p s 系統(tǒng)的控制方式、 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車橫擺角速度頻率特性的影響，并用一個(gè)簡化的模型解釋了上述影響的 成因。 第五章e p $ 系統(tǒng)的橫擺角速度反饋與車輛的行駛穩(wěn)定性，提出為e p s 系統(tǒng)引入 橫擺角速度反饋有利于改善汽車行駛穩(wěn)定性的觀點(diǎn)，通過對(duì)人一車閉環(huán)系統(tǒng)的仿真研 究證實(shí)了這一觀點(diǎn)。 第六章e p s 系統(tǒng)與汽車的轉(zhuǎn)向盤力特性，結(jié)合1 5 自由度汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件 h v o s m 探討了e p s 系統(tǒng)的引入對(duì)汽車轉(zhuǎn)向盤力特性的影響。提出引入側(cè)向加速度反 饋，即一種通過把比例控制系數(shù)設(shè)計(jì)為車速和側(cè)向加速度的單調(diào)遞減函數(shù)來改善轉(zhuǎn)向 盤力特性的方法。 第七章總結(jié)與展望，總結(jié)本課題的研究工作，提小今后工作的展望。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 e p s 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與動(dòng)力學(xué)模型 2 1e p s 系統(tǒng)的基本原理 e p s 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加信號(hào)傳感裝置、電子控制裝置 和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。它是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。不轉(zhuǎn)向時(shí)。電 動(dòng)機(jī)不工作；轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)輸送給控制單 元e c u ，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩大小及其方向和從車速傳感器傳來的車速信號(hào)向電動(dòng)機(jī)發(fā) 出指令，電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助力矩。 2 1 1 結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部位的不同，將e p s 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為三類：轉(zhuǎn)向軸助力式、轉(zhuǎn)向器 小齒輪助力式和齒條助力式”。 轉(zhuǎn)向軸助力式e p s 系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和 轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)組成一體，安裝在 轉(zhuǎn)向柱上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、 所測取的轉(zhuǎn)矩信號(hào)與控制直流 電機(jī)助力的響應(yīng)性較好。這種類 型一般在轎車上使用。轉(zhuǎn)向軸助 力式e p $ 系統(tǒng)的原理如圖2 - 1 所示。 舡輪 圉2 - 1e p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖【i j 小齒輪助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)矩傳感器、電動(dòng)機(jī)、離合器和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)仍為一體，只是整體安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪 處，直接給小齒輪助力，可獲得較大的轉(zhuǎn)向力。該形式可使各部件布置更方便，但當(dāng) 轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間裝有萬向傳動(dòng)裝置時(shí)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)的取得與助力車輪部分不在同一 直線上其助力控制特性難以保證準(zhǔn)確。 齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器單獨(dú)地安裝在小齒輪處，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向助力機(jī) 構(gòu)一起安裝在小齒輪另一端的齒條處，用以給齒條助力。該類型又根據(jù)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 的不同可分為兩種：一種是電動(dòng)機(jī)做成中空的，齒條從中穿過，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)一對(duì)斜 齒輪和螺桿螺母傳動(dòng)副以及與螺母制成一體的鉸接塊傳給齒條。這種結(jié)構(gòu)是第一代電 動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于電動(dòng)機(jī)位于齒條殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、維修也很困難。 另一種是電動(dòng)機(jī)與齒條的殼體相互獨(dú)立，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)另一小齒輪傳給齒條，由于 易于制造和維修。成本低，已取代了第一代產(chǎn)品。因?yàn)辇X條由一個(gè)獨(dú)立的齒輪驅(qū)動(dòng)， 可給系統(tǒng)較大的助力，主要用于重型汽車”】【4 1 。 由于轉(zhuǎn)向軸助力式e p s 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低、維修方便等優(yōu)越性，所 以應(yīng)用相對(duì)較廣泛，本文將基于這一結(jié)構(gòu)形式的e p s 系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)模型。 2 1 2 主要零部件結(jié)構(gòu)和工作原理 ( 1 ) 電動(dòng)機(jī)和離合器 e p s 系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)采用永磁直流電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮如何提高 路感、降低噪音和振動(dòng)。比如在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開設(shè)不對(duì)稱或螺旋狀的環(huán)槽、靠特殊形 狀的定子產(chǎn)生不均勻磁場等都可改善電動(dòng)機(jī)的性能。離合器采用電磁式離合器，其由 控制單元根據(jù)車速的快慢來控制。當(dāng)車速在設(shè)定車速以上時(shí)，電磁離合器切斷，電動(dòng) 機(jī)不再提供助力，此時(shí)，系統(tǒng)不受電動(dòng)機(jī)慣性力矩的影響，轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)；在設(shè) 定車速之下，電磁離合器接合，轉(zhuǎn)入助力轉(zhuǎn)向狀態(tài)。為了改善轉(zhuǎn)向特性，離合器設(shè)計(jì) 時(shí)要讓它具有一定的滯后特性。 ( 2 ) 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來增大電動(dòng)機(jī)傳遞給轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)矩。它主要有兩種形式：雙行 星齒輪減速機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。前者主要用于小齒輪助力式和齒條助力式轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)；后者主要用于轉(zhuǎn)向軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 ( 3 ) 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩和方向，采用電位計(jì)式傳感器。它輸出兩個(gè)彼 此獨(dú)立的電壓信號(hào)：主信號(hào)和副信號(hào)，控制單元用副信號(hào)來檢查主信號(hào)是否正確。電 控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器主要有三種形式：擺動(dòng)桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。 擺動(dòng)桿式是通過測量由轉(zhuǎn)向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移量得到轉(zhuǎn)向力矩 的。雙行星齒輪式是通過測量與扭桿相連的兩套行星齒輪的相對(duì)位移得到轉(zhuǎn)向力矩信 號(hào)值扭桿位于轉(zhuǎn)向輸入軸和輸出軸之間，行星齒輪機(jī)構(gòu)也兼起減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。 扭桿式是通過扭桿直接測量輸入軸和輸出軸的相對(duì)位移，從而測得轉(zhuǎn)向力矩。 ( 4 ) 控制單元e c u 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 e p s 系統(tǒng)的控制電路核心是8 位巾片機(jī)，帶有a d 轉(zhuǎn)換器和p w m 單元。轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)向角信號(hào)和車速經(jīng)過接口電路被輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些信號(hào)計(jì)算出最優(yōu)化 的助力轉(zhuǎn)矩，然后把已計(jì)算出來的值作為屯流命令值輸入到電流控制電路。電流控制 電路把來自單片機(jī)的電流命令值同電機(jī)電流的實(shí)際值進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個(gè)差值信 號(hào)該差值信號(hào)被送往電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，該電路可驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝胃并向電機(jī)提供控制電流。 當(dāng)車速超過設(shè)定值時(shí)，離合器被切斷，減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與f 乜動(dòng)機(jī)脫離，接著電動(dòng)機(jī)停機(jī)。 控制單元還具有失效保護(hù)和故障自診斷功能。當(dāng)電池電壓過低檢查電路、時(shí)鐘監(jiān)督 電路和其它檢查電路( 硬件) 或由微型計(jì)算機(jī)檢測出一個(gè)故障時(shí)，微型計(jì)算機(jī)將記錄 下故障類型，點(diǎn)亮儀表板上的故障燈，同時(shí)控制器上的故障代碼顯示燈點(diǎn)亮。此時(shí)， 電動(dòng)機(jī)的電流被中斷，離合器斷開，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)j 。 按控制信號(hào)的來源，e p s 系統(tǒng)的控制器有兩種型式：一種是以車輛的行駛速度施 控，叫速度型控制器；另一種是以發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度施控，稱轉(zhuǎn)速型控制器。目前廣 泛采用是速度型控制器，即系統(tǒng)在每一個(gè)車速 下都可得到優(yōu)化的轉(zhuǎn)向作用力。圖2 - 2 為一利 理想的助力轉(zhuǎn)矩特性曲線。 量 此外，有些系統(tǒng)還可根據(jù)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩變化牢、罵 轉(zhuǎn)向角速度和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制以改善瞬態(tài)轉(zhuǎn)向垂 靈敏度這樣，系統(tǒng)有三種基本控制模式：普 通控制模式、回正控制模式和阻尼控制模式。 在正常轉(zhuǎn)向過程中，采用普通控制模式；當(dāng)駕 駛員作用在轉(zhuǎn)向盤的力減少，轉(zhuǎn)向盤在回正力 矩作用下有回正趨勢時(shí)，采用回j e 控制模式， l 矧2 - 2 一種理想的助力特性1 1 1 使電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩隨駕駛員施加在轉(zhuǎn)向擻上的力的下降而平穩(wěn)下降。因?yàn)殡妱?dòng)轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)含有電動(dòng)機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件，具有較大的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力和慣性矩，若無 回正控制，會(huì)使系統(tǒng)在低速時(shí)轉(zhuǎn)向回j e 性能不良。采用回正控制后。在側(cè)向加速度低 的區(qū)段回正性能得到改善，但在側(cè)向加速度高的區(qū)段卻出現(xiàn)回正過量現(xiàn)象，這個(gè)問題 需采用阻尼控制來解決。采用阻尼控制模式后，在車輛高速轉(zhuǎn)向行駛放松轉(zhuǎn)向盤后 側(cè)滑角速度能迅速收斂，改善了高速時(shí)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。 本論文主要討論普通控制模式fe p s 系統(tǒng)的控制，在第】i 帝r l i ，簡嗨的討論了引 入車輛橫擺角速度反饋進(jìn)行阻尼控制的問題。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 e p s 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的建立 為分析問題方便。我們把前輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向柱簡化，得到簡化后的轉(zhuǎn)向軸 助力式e p s 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)原理圖如圖2 - 3 。 l h，b ，瓦 設(shè)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)角和被施加的扭矩分 _ 1 - - 1 別為， ，甌和死；前輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向柱簡化后 ii 風(fēng) j的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)角和所受的轉(zhuǎn)向阻力矩分別為 x 冽2 - 41 ：孺線性：n n l 隈蔣網(wǎng)筏玳 為了求取側(cè)偏角和橫擺角速度o r 對(duì)日# 輪轉(zhuǎn)向角j 的傳遞函數(shù)， ( 2 1 0 ) 兩式進(jìn)行拉氏變換，并設(shè)初始條件為零，可得到下述等式： p ( s ) = 哿) ； = 器鄖) 其中2 我們對(duì)( 2 9 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) x ( s ) = 一k ( i z s - b l k y f u - a i n u ) ；， ( 2 - 1 3 ) r ( s ) = 一k l ( a r c l t t $ 一l k 2 ) ；( 2 - 1 4 ) z ( j ) = m l z 淞2 一【朋( 口2 t i + 62 女2 ) + ( i + 1 2 ) ，z s + l 2 k l k 2 彳u + 棚h ( a k i 一6 女2 ) ( 2 1 5 ) 2 3 2 地面轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算方法 為簡化問題的處理，這甩不考慮大幅度急轉(zhuǎn)方向盤的情形假定汽車以小轉(zhuǎn)角行 駛在前輪小轉(zhuǎn)角條件下，輪胎冰 特悄：可認(rèn)為是線e l ：的，可以認(rèn)為側(cè)偏角和側(cè)偏，j 成 1 3 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 線性關(guān)系嗣此繞轉(zhuǎn)向主悄作用予輪胎的力矩為；一七i 妒，式中d 是前輪的氣胎 拖距 前輪的側(cè)偏角，被定義為前輪行駛方向相對(duì)于前輪旋轉(zhuǎn)面的夾角。如前所述。 視為剛體的汽車，沿x 軸方向。即汽墨i 的縱向，以速度分量叭沿j ，軸方向，即汽車 的側(cè)向，以速度分量l 護(hù)作平動(dòng)。同時(shí)，還繞質(zhì)心作角速度q 的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此。汽車備 輪胎將具有因質(zhì)心速度及繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的速度的合成速度。另一方面，前輪的 旋轉(zhuǎn)面，即輪胎的方向相對(duì)予汽車的縱向( x 向) 的角位移為萬，該角度為前輪的轉(zhuǎn) 角因此兩前輪的側(cè)偏角可表示為c 2 i l ： 鰳p 一_ 習(xí)u p + a o “, m + 驢礴u f l + a m , m + 等一毋 其中，辦為汽車的前軸輪距并有l(wèi) 嘭q 肛i l ，故可忽略?？梢娗拜喌?左右側(cè)偏角分別相等：屏= + 絲一萬。因此，等效到轉(zhuǎn)向柱的阻力矩； i = 。一籌( + 警刪 ( 2 1 6 ) 將( 2 - 1 6 ) 式作拉氏變換，得： r ( j ) ：一7 k i d 【( j ) + 絲盟一萬( s ) 】( 2 - 1 7 ) u ，” 2 3 3 橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù) 設(shè)汽車橫擺角速度，對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角甌的傳遞函數(shù)為： 腳) = 糍； 為了求( s ) ，我們需要先對(duì)e p s 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行拉氏變換。結(jié)合轉(zhuǎn)向地砸i 阻力矩c 的表達(dá)式( 2 1 7 ) ，以及由汽車二自由度轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方程推得的側(cè)偏角和 橫按角速度啡對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角艿的傳遞關(guān)系( 2 - l i ) ( 2 1 2 ) 得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角r 對(duì)前輪 轉(zhuǎn)向角艿的傳遞關(guān)系再串聯(lián)橫擺角速度緲，對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角d 的傳遞關(guān)系( 2 1 2 ) 。即 是h ( s ) 具體過程如下： 1 4 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)式( 2 8 ) ( 2 8 ) 進(jìn)行拉氏變換得- ( g ? 郎2 耶) + ( 皿+ g ? 既+ 竺爭g ? ) 印郵) + 鞏g 烈s )( 2 1 8 ) = 3 k ，吼( s ) 一z ( j ) ； ( ，+ g ；i 。) g 2 8 2 砸) + ( 口，+ g ? b m + 竽g 1 2 + 彬：似卅2 k 肛酈) ( 2 - 1 8 * ) = i l ? o h ( s ) + a k 。一 ( 5 ) 一i ( s ) 將式( 2 i i ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 7 ) 代入以j ：兩式，得 旦盟： 甌( s ) 璺墮： 以( j ) 脹。g 2 z ( s ) 唑竺! 璺堡! ( ，+ g ? ，。) g 孫) ( q + g ? 口。+ 竿g 卜) g 洳) s + c ( j ) 其中： c ( j ) = ( 脯，研+ 毛d ) z ( s ) 一 d x ( j ) 一覷d a r ( s ) ； 鼬躑) = 器= 器鬻；根刪：兩式和式( 2 - 1 2 ) , 有 h ( s ) = h ( s ) = 從，g 2j ，( s ) ( ，+ 研l(wèi) ) g ；z ( 咖2 + ( 目+ g f 2 + 氣爭g ? ) g ；z ( 咖+ c ( s ) ( 腳+ 從，) g 2 y ( s ) ；( 2 1 9 + ) ( ，+ 印，) g 洳) ( 毋+ g ? 既+ 竿g ? 訓(xùn)g 洳) c ( s ) ；( 2 - 2 0 + ) 以上就是裝備比例控制方式和p d 控制方式e p s 系統(tǒng)的汽車的橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向 盤轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)，下面兩章我們將在這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，逐一分析汽車在轉(zhuǎn)向盤角 階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)和頻率特性。另外值得一提的是在( 2 - 2 0 ) 式和c ( j ) 的 表達(dá)式中只需令a = 0 ；，。= b ，= k 。= k = or , 1 1 求得沒有裝備e p s 的普通汽車 的橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)h o ( s ) ： 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中： 2 4 本章小結(jié) 。( s ) a 麗麗忑k , 面g 2 v 壓( s ) 麗雨； ( 2 ?！? c 。( s ) = ( k ，g ；+ k i d ) z ( s ) 一t l d x ( s ) 一女i d a 甜y ( s ) ； 本章首先介紹了e p s 系統(tǒng)的基木結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上考慮比例控制方式 和p d 控制方式的情況，分別建立了計(jì)及電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼和反電 動(dòng)勢等因素的完整的e p s 系統(tǒng)二階動(dòng)力學(xué)模型。將e p s 系統(tǒng)模型與車輛二自由度轉(zhuǎn) 向模型相結(jié)合，通過拉氏變換的方法，得到裝鋸e p s 系統(tǒng)汽車的橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向盤 轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù) 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 i _ - - _ i i _ _ _ 目_ 3 e p s 系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的時(shí)域響應(yīng) 3 1 汽車時(shí)域響應(yīng)的分類 汽車的時(shí)域響應(yīng)可分為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時(shí)間變化的瞬態(tài)響應(yīng)。例 如，汽車等速直線行駛是一種穩(wěn)態(tài)。若在汽車等速直線行駛時(shí)，急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至某 一轉(zhuǎn)向角，停止轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤并維持此轉(zhuǎn)角不變，即給汽車以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸人，一般 汽車經(jīng)短暫時(shí)間后便進(jìn)入等速圓周行駛的工況。這也是種穩(wěn)定的狀態(tài)，稱為轉(zhuǎn)向盤 角階躍輸入下進(jìn)人的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之問的過渡過程便是一種瞬態(tài)， 相應(yīng)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為汽車在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)川。 3 2 汽車穗態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算方法 汽車的等速圓周行駛，即汽車轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，雖然在實(shí)際 行駛中不常出現(xiàn)，卻是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要的時(shí)域響應(yīng)，一般也稱它為汽 車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。常用輸出與輸入的比值，如穩(wěn)態(tài)的橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比來 評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。這個(gè)比值稱為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也稱轉(zhuǎn)向靈敏度，以符號(hào)牛) 。表 o 示。汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為三種類型：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。 具有不同轉(zhuǎn)向特性的汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益曲線如圖3 1 。 中性轉(zhuǎn)向汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益華) 。 一 與車速h 成線性關(guān)系。不足轉(zhuǎn)向汽車的_ o ) r ) 。一“ d 曲線低于中性轉(zhuǎn)向的汽車穩(wěn)態(tài)橫擺增益線，且 向下彎曲。其穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益竿) ，達(dá)到最 0 大值時(shí)對(duì)應(yīng)的車速稱為特征車速，是表征不 足轉(zhuǎn)向的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)不足轉(zhuǎn)向量增加時(shí)，特 過多轉(zhuǎn)向 中性轉(zhuǎn)向 i。 不足轉(zhuǎn)向 釤 圖3 - 1 汽車的穗態(tài)橫擺角速度增益曲線1 7 】 _ 一一 1 7 貓磐越制幔皸蜒精齄 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 征車速降低過多轉(zhuǎn)向汽車的華) ，一”曲線則是一直向上彎曲的，其穩(wěn)態(tài)橫擺角速度 0 增益在某個(gè)車速”。( 稱為臨界車速) 時(shí)趨于無窮大?？梢?，過多轉(zhuǎn)向汽車達(dá)到臨界 車速時(shí)將失去穩(wěn)定性，因此操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。 在上述已往的對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的理論研究中，為了簡化問題，在分析