汽车检测与维修毕业设计(论文)电动助力转向系统特性仿真研究.doc
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1、襄 樊 学 院毕业设计(论文)正文题 目电动助力转向系统特性仿真研究专 业汽车检测与维修班 级机械与汽车工程学院汽检0811班姓 名学 号指导教师职 称2012年 04月1摘要窗体底端汽车转向系统对汽车操纵稳定性有至关重要的作用。汽车转向系统已从传统机械式 转向、液压助力转向、电控液压助力转向,发展到今天的电动助力转向,未来还将过渡到线控转向。现在比较流行电动助力转向()是一种依靠电动机直接提供转向助力 力矩的动力转向系统,主要优点在于电动机可根据驾驶员施加在方向盘上转矩和车速信 号通过微电脑控制提供相应的助力力矩,保证汽车回正迅速、准确,低速行驶时转向轻便,高速行驶时稳定可靠,并且节约燃料,
2、利于环保,是一项紧扣现代汽车发展主题的 高新技术,也是汽车动力转向系统发展的必然趋势关键词 电动助力转向系统 PID控制策略 转向灵敏度 路感 AbstractThe vehicle steering system has a crucial role of vehicle handling and stability. The steering system from the traditional mechanical steering, hydraulic power steering, electronically controlled hydraulic power steering
3、 development to todays electric power steering, will transition to the SBW. Electric power steering (EPS) is a kind of rely on the motor direct steering torque power steering system, the main advantage of the motor can be applied according to the driver to provide a boost torque on the steering whee
4、l torque and speed signals through microcomputer control is now more popular, to ensure that car back are fast, accurate, low speed steering light, stable and reliable high speed, and fuel-efficient, environmentally friendly, is one closely linked to Hyundai Motor theme of development of high-tech,
5、automotive power steering system inevitable trend of development目 录摘 要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。目 录I第一章 绪论21.1 课题提出的背景21.2 课题提出的目的和意义21.3 本课题的主要内容2第二章 汽车空调系统的概述错误!未定义书签。2.1汽车空调的性能评价指标42.2汽车空调系统的功用错误!未定义书签。第三章 汽车空调系统的组成与分类错误!未定义书签。3.1汽车空调系统的组成63.1.1制冷压缩机错误!未定义书签。3.1.2冷凝器133.1.3蒸发器143.1.4膨胀阀153.1.5储液干
6、燥器153.1.6电磁离合器163.1.7鼓风机173.2汽车空调系统的分类18第四章 汽车自动空调实训台简介194.1设备简介194.1.1功能特点194.1.2主要技术参数194.2组合元件功能说明194.3操作说明21第五章 汽车自动空调实训台的工作原理225.1 制冷系统的工作原理225.2水暖式暖风系统的工作原理235.3 控制系统的工作原理24第六章 汽车自动空调实训台的故障设置与检测266.1附件操作266.2面板操作29总结31致谢32参考文献33第一章 绪论1.1 课题提出的背景汽车工业作为我国的支柱产业,在国民经济中起着重要的作用。汽车转向器作为汽 车的重要零部件,其性能的
7、好坏直接影响着汽车行驶的安全性和可靠性。我国在发展汽车零部件的政策规划中,已将转向器列为优先发展的种汽车关键零部件之一。随着 电子技术的迅猛发展,汽车转向系统已从传统机械转向、液压助力转向( )、电控液压助力转向( ),发展 到电动助力转向系统( ,简称),最终还将过渡到线控转 向系统( )。 在国内已成为现代汽车新技术的研究热点。采用电动机直接提供助力,助力大小由电控单元( ,简称)控制。它不仅能节约燃料,提 高主动安全性,且有利于环保,是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术,所以经出现就受到高度重视。国外各大汽车公司对的研究已经有多年的历史,但是很长 一段时间直都没有取得大的进展,其主要原因
8、是的成本太高。然而近几年来电子 技术的突飞猛进,电子元器件价格的不断降低,大幅度降低的成本己成为可能,加 上具有一系列较之传统转向系统不可比拟的优点,使得它越来越受到人们的青睐。 所以具有非常广阔的应用前景。1.2 课题提出的目的和意义 为了满足该系统的特性,控制系统的控制策略分为三种基本控制三种补偿,即助力 控制、回正控制、阻尼控制、摩擦补偿、阻尼补偿及惯性补偿。常规控制实现对转向系统的助力,回正控制改善转向系统转向后的回正性能,阻尼控制可有效抑制电机的超调, 三种补偿克服了由于该系统的非线性因素所造成的电机响应慢、助力特性变差等不利因 素的影响。在控制系统中,实现控制的核心是准确求出助力特
9、性,即转向盘力矩和电机 助力力矩之间的关系。不同车速时的助力特性不同。传统的解决办法是按照车速分段拟 合,得到不同车速所形成的曲线。使用该曲线计算会由造成一定的助力盲区,从而形成一定的控制误差。1.3 本课题的主要内容本课题主要分五个部分:1 电动助力转向系统的优点及发展趋势。2 电动助力转向系统的组成及工作原理。3 确定电动助力转向系统的控制策略(PID策略)。4 电动助力转向系统模型的建立。5 转向盘角阶跃输入下的频率响应特性分析。 第二章 电动助力转向系统的优点及发展趋势汽车电动助力转向(EPS)系统是在机械式转向系统的基础上加装电动机驱动单元构成的。其主要目的是提供动力、改善汽车转向性
10、能、协助驾驶员完成转向操作。相对于传统的液压助力转向(HPS)系统,EPS系统有耗能小、污染少、节油、省空间等一些列优点,应用日益广泛。据美国TRW汽车集团估计,到2015年,全世界三分之二的轿车将应用EPS系统,并逐渐作为标准配置应用于各种汽车上。2.1EPS系统的基本工作过程是1、汽车转向时,扭矩传感器和车速传感器将检测到的扭矩、方向信号及车速信号传给ECU,ECU根据扭矩传感器的信号和车速信号确定电动机扭矩的大小和方向,电动机再通过离合器、减速机构等把此扭矩传递给扭杆,最终起到为驾驶员提供助力转向的效果,使汽车转向更轻便。2、车速越低助力越大,车速越高助力越小。当车速大于一定值时,取消助
11、力,将直流电动机反接制动,目的是在汽车高速行驶是增加操作方向盘的手感,保证行驶安全。 3、EPS系统本身就是一个复杂的非线性随动系统,容易受到车速、扭矩测量装的精度与灵敏度、路况产生的系统扰动等因素的影响,因此EPS系统对实时性要求比较高。.第三章 EPS系统的的组成及工作原理EPS系统由扭矩传感器、车速传感器、电流传感器控制单元(ECU)、助力电动机和减速机构等组成。扭距传感器也称转向传感器,是EPS系统的关键部件。其作用是测定转向盘与转向器之间的相对扭矩,并转化为电信号输送给ECU。按其工作的方式,可分为接触式扭矩传感器和非接触式传感器,其中非接触传感器的误差小、使用寿命长、但成本相当高。
12、电动机是根据ECU的指令输出适宜的助力扭矩,是EPS系统的动力源,对EPS系统的性能影响很大,是EPS系统的关键部件之一。EPS系统对电动机不仅要求低速达扭矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、质量轻,而且要求可靠性高、易控制,一般采用无刷永磁式直流电动机。减速机构:电动机输出的扭矩经减速机构减速增扭后驱动转向轴、小齿轮或齿条。目前,EPS系统多采用蜗杆轮机构,也可采用差动轮系机构。为降低噪声和减小振动,减轻EPS系统的自重,减速机构多采用树脂材料制成。EPS系统的工作原理电动助力转向统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员操作转向,系统有三大部分构成,信号窗安装
13、置、转交传感器和车速传感器,转向助力机构及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作,驾驶员在操纵转向盘时,扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号,车速传感器检测到车速信号,控制单元根据电压和车速的信号,给出指令控制电动机运转,从而产生所需的转向助力。汽车行驶过程中,需要频繁转动方向盘,这就意味着要在多种情况下对电动机进行控制。EPS系统在保证路感的前提下,要能够随车速的变化提供相应的助力控制,并且有良好的回正控制能力,而这一切都要通过控制电动机的电流来实现。因此,优良的电流控制器是EPS系统设计的关键。第四章基于PID控制策略的汽车电动助力转向系统1EPS控制系统结构本文介绍
14、的电动助力转向系统由控制器ECU、转向盘转矩传感器、车速传感器、电流传感器、助力电机及减速机构、机械式转向器、蓄电池等组成 2 。其结构框架如图1所示。2目标电流的控制策略21助力控制过程控制器根据转向盘转矩传感器输出Ts、车速传感器的输出Vs, 由助力特性确定电动机的目标电流Im, 然后电流控制器控制电动机的电流I, 使电动机输出目标助力矩Tt。因此, EPS的控制要解决两个问题,一是确定电动机的目标电流, 二是跟踪目标电流。22目标电流的确定电动机的目标电流是根据助力特性曲线确定的 4 , EPS的助力特性曲线属于车速感应型, 在同一转向盘力矩输入下, 电动机的目标电流随车速的增加而降低,
15、 电流越大则助力越大, 能较好地兼顾轻便性和路感的要求。本系统选用计算和改动最为简便的线性助力特性, 横坐标为驾驶员操纵转向盘转矩Ts, 纵坐标用电机目标电流Im 表示电机助力目标转矩Tt。从图2中可以看出, 当驾驶员施加在转向盘上的转矩在死区范围内, 即转向盘位于中间位置附近时,电机助力转矩为0, 当转向盘转矩越过死区, 电机根据转向盘偏离方向线性地施加助力转矩。车速越高,助力转矩与转向盘转矩之间的增益越小, 以此保证应该系统在低车速时发挥较大的助力转向作用, 在高车速时明显减小助力转向效果, 从而使驾驶员在转向时获得较好的路感。23电动机电流的PID控制P ID控制器是最早发展的控制策略之
16、一 5 。本系统采用增量式数字PID控制器来进行电动机电流的控制, 如图3所示。 图3不同车速下电机助力特性 如图4所示为电动机电流增量式数字P ID控制过程其控制算法如下 5 。u ( k) =Ae ( k) - B e ( k - 1) +Ce ( k - 2)u ( k) = u ( k - 1) + u ( k)e ( k) = Icm d ( k) - I ( k)A = Kp (1 + T/ T1+ Tv/ Y)B = Kp (1 + 2 Td/ T)C = Kp Td /T式中, k为采用序号, k = 0, 1, 2, , u ( K) 为第k 次有采样时刻的电动机电枢电压增量
17、, e( k) 为第k次采样时刻电动机实际电流与目标电流的偏差值。3实验结果分析转向灵敏性试验(结果见表1、图4、5) 表1阶跃输入下时域响应的试验结果 项目 无助力 有助力 方向盘最大转矩(N.m) 2.71 1. 50 方向盘稳定转矩(N.m) 2.26 1.28 反应时间( s) 0.7 0.4 转向轻便性实验(结果见表2, 图6、7) 表2转向轻便性试验试验结果 项目 无助力 有助力 左转右转左转右转转向盘最大扭矩N1m 2162 2183 2114 2118转向盘最大作用力N 1218 1315 1014 1016转向盘平均作用功N1m 25137 27135 20162 21102
18、转向盘平均转矩N1m 2115 2126 1165 1168转向盘平均用力N 11126 11137 7195 7197图6 无助力状态转向盘转角转向盘力矩关系曲线 图7有助力状态转向盘转角转向盘力矩关系曲线式中, k为采用序号, k = 0, 1, 2, , u ( K) 为第k 次有采样时刻的电动机电枢电压增量, e( k) 为第k次采样时刻电动机实际电流与目标电流的偏差值。4试验结论通过图4、5中方向盘操舵力对转向载荷的阶跃变化的响应试验可知, 转向的反应时间有所减少, 提高了转向的灵敏性; 同时, 通过图7、8中双纽曲线试验, 说明EPS能明显改善转向的轻便性, 试验结果可以看出加助力
19、后方向盘转知幅值明显缩小, 说明EPS在提高汽车低速行驶转向时的轻便性方面有显著作用。第五章电动助力转向系统及系统模型分析1系统模型电动机的助力作用可以通过扭矩传感器所检测到的扭矩信号确定,扭矩信号越小表明电动机的助力效果越好电动助力转向系统可视为线性系统,方向盘转角0。设为输入量,扭矩传感器检测到的扭矩信号M 设为输出量输出与输入之间的函数关系分析如下:01= 01(t)02= (1)式中0 输出轴转角 输出轴角速度扭矩传感器检测到的扭矩信号M 与输入轴、输出轴的转角差成正比,即M =一K0(020。)或0:= 0。一 M (对扭矩信号M 进行比例和微分运算得到电压信号V = K。M +Kd
20、M (3)式中 V电压信号K。比例增益K 微分增益以输出轴为研究对象,建立力矩平衡方程 J 2+BO2+K。02= T +T (4)式中 J 电机,传动机构,小齿轮和齿条在输出轴上的等效转动惯量T 减速后的电机转矩T 作用于输出轴上的方向盘转矩B 输出轴有效阻尼系数K。 输出轴刚度系数其中T = M (5)根据电机的特性,电枢电压 、转矩T 、转速 三者关系为T :NK/R.(V K bNco)式中T 减速后的电机扭矩N 齿轮箱传动比K。 扭矩常数K 电机电磁力常数R 电机枢阻力系数令 K。=NK/R K :则 T = K-V K2 (6)将式(1)、(3)、(5)、(6)代人平衡方程(4)可
21、得J 2+(B+K2)02+K。02=KlKdM+(KlK +1)M将式(2)代人平衡方程(7)整理得可得简化后的方程Cl M +C2 M +C3 M =jol+(B+K2)0l+K 0l(8)式(8)描述了以方向盘转角为输入,扭矩信号为输出的线性系统函数关系对式(8)两边进行拉分析幅频特性研究系统的助力效果:幅值A()很小时说明系统有很好的助力作用分析相频特性研究系统的跟踪性能:相位角 ()小,系统的滞后小,响应灵敏度高线性系统模型中, 、K 、B是转向系固有参数,K。为扭矩信号系数,K。、K:为电机系数,且均为常量,只有C:、C 为可控量(C2=K1 Kd+(B+K2)K0,C3=K1 K
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