电动助力（精选十篇）
电动助力 篇1
汽车工业发展至今,对汽车主动安全性和使用经济性、环保等方面提出越来越高的要求。传统的液压动力转向系统已经广泛应用于多数车辆上,液压动力转向可以很好满足车辆转向快捷、轻便等方面的要求,但其自身弱点也日益显现。电动助力转向系统因其有效解决了车辆在操纵稳定性方面的问题,具有兼顾低速转向轻便性和高速增强转向路感的优点,同时有利节能、环保,因而成为汽车电子控制的研究方向之一。
1、EPS系统的结构组成和工作原理
1.转向盘2.上端转向柱3.扭感和传感器4.减速机构5.转向轮6.下端转向柱7.电磁离合器8.助力电动机9.控制器10.齿轮齿条转向器
电动助力转向系统最初的发展概念是应用于前轴荷1吨的车辆上,目的在于改善转向的路感、提高高速行驶安全,同时改善车辆燃油经济性。电动助力转向系统的结构如图1-1所示。
当传感器检测到驾驶员有转向意图时,将信号提供给控制器,控制器通过各种算法,给出一个控制信号(一般为电流)到电机,电机通过机械结构输出一个辅助的转向力矩,辅助驾驶者控制车辆转向。
2、电动助力转向系统的动力学模型
汽车转向系统是由多个惯性元件和弹簧、阻尼组成的。通过简化,可以得到转向盘和上端转向柱、助力电动机、下端转向柱、齿轮齿条和左、右转向轮等六个电动助力转向系统的动力学元件,如图2-1所示。
将各动力学元件列成动力学微分方程:转向盘和上转向柱:
式中,θc转向盘输入转角;Jc向盘转动惯量;Bc为上;Kc为上转向柱的扭转刚度;Td向盘输入力矩;θe转向柱转角;Je转向柱转动惯量;Be转向柱的阻尼系数;Ke为下转向柱的扭转刚度;θm为助力电机转角;Jm力电机转动惯量;Bm助力电机阻尼系数;Km力电机轴扭转刚度;xr条移动量;rp为小齿轮分度圆半径;Mr为齿条质量;Br为齿条阻尼系数;Kr为齿条刚度;Fδ条端作用力;A为转向器端至前轮的力臂传动比;θFW车轮转角;JFW轮绕主销的转动惯量;BFW为前轮绕主销的阻尼系数;KFW为前轮绕主销的转动刚度;MZ为前轮回正力矩。另外,前轮方程为单侧车轮的方程,左前轮、右前轮各满足一个前轮方程。将方程2-1至2-5连立,就为EPS动力学模型方程组。
3、电动助力转向系统的助力特性曲线
电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式,图3-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见,特性曲线都有三个区域,当0≤Td
a.直线形助力特性在助力变化区域中,转向盘输入力矩与助力力矩按线形变化规律。其函数表达为:
式中,Ta为电动机助力力矩;K(v)为斜率函数,是速度的函数;Td为转向盘输入力矩;Td0为电动机开始提供助力时的转向盘输入力矩,即电动助力转向系统开始作用时的输入力矩;Tdmax为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。
b.折线形助力特性在助力变化区域中,特性曲线呈分段线形变化。以图示中的两段折线为例,函数表达为:
式中,K1(v)和K2(v)分别为两段直线的斜率函数,仍然是速度的函数;Td1是斜率由K1,变为K2时的转向盘输入力矩。
c.曲线形助力特性在助力变化区域中,助力力矩和转向盘输入力矩呈非线形变化,函数表达为:
比较三种助力特性曲线:直线形确定简单、便于控制系统设计,调整也简便。缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化,但对于输入的高、低区域却不能区别对应,输出为线性、路感单一,故无法很好协调路感和轻便性的关系;非线性曲线在感应速度的同时,每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化,是十分理想的特性曲线,但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特性信息,故确定和调整都不容易;折线形的优、缺点则介于二者之间。
由上述曲线可以看出,直线型助力特性的特点是斜率越大转向盘力矩越小,即所用来转向的力越小,转向越省力,因此我们选择直线型助力。
4、EPS的仿真分析
对建立的EPS的动力学模型,采用直线型助理特性,用已知某样车的carsim的整车模型与simulink进行链接进行仿真,模型的结构如图4-1所示。
助力特性的确定需要根据理想转向盘力矩值,最终应满足低速时的轻便性和高速时增加“路感”的目的,为此,我们分别进行了原地助力转向仿真(零助力),车辆速度为30 km/h时的转向仿真(加助力)和车辆速度为70 km/h的转向仿真(加助力),仿真结果如图4-1所示。
根据仿真结果,不加助力时,原地转向最沉重;加助力时,转向盘转矩大大减少,转向轻便性提高;当车速提高,转向盘上的转矩相应增加,说明车速提高后,驾驶员获得了较强的路感。
5、结论
本文介绍了电动助力转向系统(EPS)的系统组成和工作原理,通过建立EPS动力学模型,基于simulink为平台结合carsim整车模型对直线型助力特性进行仿真分析,结果表明所设计的助力特性可以满足车辆对路感的要求,对EPS产品开发有一定指导意义。
参考文献
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电动助力 篇2
6月25日上午，沙家浜镇副镇长马伟宇带领常熟市市场监督管理局沙家浜所、镇建管所相关工作人员，开展“331”行动电动车门店安全大检查。
此次专项检查，一是查看电动车经营户是否有营业执照，对进货上家是否做好索证；二是查看经营户销售车辆是否具有产品合格证、工业产品许可证、执行标准、QS等； 三是查看充电器与电瓶标签标识是否存在问题。
执法人员对经营户的相关信息进行记录。检查中，发现电瓶的安全隐患较大，另有几个牌子的电动车缺少QS标志，生产厂家的地址模糊等问题，执法人员责令其按时按要求进行整改。
新标准助力 电动车快行 篇3
在“能源危机”和“气候变暖”的双重夹击之下，以电动汽车为首的新能源汽车，因其无污染、噪声低、能源效率高、维修方便等优点，被业界广泛看好，似乎一度要取代传统汽车的主导地位。
然而，这一行业的发展，“看上去很美”，却受制于一个瓶颈：充电非常麻烦。这也是最被消费者诟病的难题——以北京出租车为例，单班行驶300公里，双班行驶500公里，但现在的充电技术一次只够行驶80公里，根本无法满足要求。
日前，工业和信息化部发布有关电动汽车充电接口和通信协议等四项国家标准。这一姗姗来迟的电动车供能标准，可谓是一剂“催化剂”。它的出台，将为汽车企业和能源企业在电动汽车充电标准方面各自为政的混乱局面画上句号。
弥补空白
将于2012年3月1日起实施的四项标准，由国家能源局、工业和信息化部组织，电力企业联合会和汽研中心等机构共同起草。分别是《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》、《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》、《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》和《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》。
中央企业电动车产业联盟秘书处执行主任刘镇在接受《国企》记者采访时表示，目前，电动车充电服务网络的建设还处于起步阶段，电动汽车产业链上的多个环节没有相应的国家标准，导致市场上的产品质量参差不齐，很大程度上制约了电动汽车产业的发展。国家标准的颁布实施，对电动车产业的发展提供了参考依据。
“电动汽车接口标准只是充电标准的一个组成部分。” 中投顾问高级研究员李宇恒告诉《国企》记者，从大的方面来看，电动汽车生产企业与充电电桩生产企业出于自身利益的需要，各自制定了不同的充电标准。因为标准不同，两者接口不匹配的现象时常出现，造成电动汽车生产厂商无所适从，消费者抱怨连连，最终导致电动汽车难以大规模推广。“这已经成为阻碍电动汽车推广应用的重要障碍。”李宇恒称，“以前我国在这方面的立法基本上是空白，产业发展无序也就不难理解了。”
电动汽车涉及汽车、电池和充换电，需要部门之间的协调，也涉及利益如何分配。就目前而言，技术方案方面的标准是最重要的。“在理想情况下，行业的发展需要标准先行，但实际上，从诸多行业标准的制定上可以发现，标准制定一般会滞后一些，但也不会晚于产业化发展的顶峰出现阶段。”赛迪顾问基础电子产业研究中心研究员袁远向《国企》记者表示，电动汽车的发展本身是一个系统工程，电动汽车标准的研究、制定和实施也同样离不开行业的配合。相关电力标准体系的建设是发展电动汽车产业必不可少的条件之一。因此，电动汽车标准的建设一方面要与中国电动汽车关键技术的研究现状接轨，一方面也要充分考虑到国际电动汽车相关先进技术的发展方向。
四项国家标准的发布弥补了充电接口领域的空白，有利于推动电动汽车充电接口的统一。这将有效降低之前电网公司建设电动汽车充电网络与电动汽车充电要求不匹配的担心。同时，充电服务便捷性的提升也会提振电动汽车的销售市场，减少消费者对电动汽车充电难问题的担心。袁远表示：“即将实施的四项国家标准无疑会成为加快电动汽车产业化发展的有效催化剂，对健全中国新能源汽车标准体系、推动新能源汽车示范试点、促进中国新能源汽车协调发展具有重要意义。”
产业布局加速
以前，由于没有统一的标准，几大央企在发展充电桩、充电站的过程中存在诸多顾虑：布局较少可能会导致自身失去产业发展先机；发展过快则存在接口规范不统一的问题，可能会给自身带来较大损失。李宇恒表示，随着充电接口国家标准的统一，国家电网等央企在发展充电桩、充电站的过程中无须担忧接口规范问题，这有助于企业加快产业布局，充换电站的建设必将爆发。
袁远告诉记者：“在电动汽车充电业务开展方面，四项国家标准的实施无疑会提升电网公司和中石油、中石化等企业的积极性。新标准的出台，对这些央企业务布局的影响相对有限。”
在电动汽车充电站网络建设领域，国家电网、中石化、中海油、南方电网、中石油等大型央企均拥有较强的资金实力。电网公司和燃油供应企业的业务均能够覆盖全国。相比而言，中石化、中石油等企业已经拥有较为成熟的加油站网络，对汽车服务的理解也比电网公司更成熟。这为中石油、中石化等企业建设电动汽车充电站网络提供了便捷，在解决安全性的条件下，甚至可以利用现有的加油站网络提供充电服务，快速形成规模。
但是，与电网公司相比，中石油、中石化等企业在充电技术和电力保障方面劣势明显。国家电网公司、南方电网公司掌握着不同区域的电力销售资源，在自己的业务范围内，能够有效利用自己的电力技术和电力资源配给优势建设充电站网络，不过在选址方面会受到城市土地资源紧缺的限制。
袁远坦言，无论由谁作为主体主导充电站的建设，都需要符合电力行业通用的技术要求、电力资源配售管理和充电技术标准。这些都离不开电网公司。同时，这也成为电网公司建设充电站网络的先天优势。
“国家队”重任在肩
以电动汽车为代表的清洁能源汽车是汽车工业发展的方向之一。与西方及日韩等汽车工业相对发达的国家相比，中国在电动汽车产业化发展方面拥有较大的潜在消费市场，行业标准、产业联盟、企业布局、技术研发等方面也都取得了明显进展。同时，以电动汽车为代表的新能源汽车也肩负着中国汽车工业“弯道超车”的历史重任。
2011年8月，16家央企联合成立了电动车产业联盟。其中，由一汽集团、东风汽车公司、长安集团、中国东方电气集团及中国南车集团组成“整车及电驱专业委员会”，中海油、北京有色金属研究总院、中航工业集团、中航科技集团、中航科工集团组成电池专业委员会，而国家电网、中国普天信息产业集团、南方电网、中石化、中石油、中国保利集团承担充电与服务专业委员会的职责。这无疑将对于中国电动汽车产业化发展产生重要的影响。
据悉，截至2011年年底，国家电网公司建成投运243座充换电站、13283台交流充电桩，使我国成为世界上投运充换电设备最多的国家。目前，国家电网公司已确定了智能充换电服务网络发展模式，将通过智能电网、物联网和交通网的“三网”技术融合，实现对电动汽车用户跨区域全覆盖的同网、同质和同价的“三同”服务。
对此，赛迪顾问基础电子产业研究中心研究员袁远向记者表示，未来，央企在中国电动汽车产业发展方面将发挥更大的作用。产业链比较完整、研发基础较强、拥有国务院国资委的大力支持等，都将成为央企发挥其引领和支撑作用的重要条件。同时，明确的分工也更加有助于电动汽车产业健康快速发展。
“统一标准、央企通力合作，才是中国电动汽车强大甚至超越的机会。”中央企业电动车产业联盟秘书处执行主任刘镇呼吁，大型央企拥有技术实力上的优势，更应该为电动车产业的发展尽一份力！同时，我们也要同国外先进企业、科研机构开展技术交流合作，掌握国外技术发展动态，立足国内的现状，发展我们自己的技术体系。
“目前电动汽车产业存在着技术发展不成熟、行业标准不统一、充电设施不完善、售后服务不健全等一系列问题。这些问题需要逐步加以解决。李宇恒告诉记者：“充电接口只是电动汽车行业标准中的一个方面，指望通过统一接口标准就让电动汽车国家队撑起一片蓝天顯然是不现实的。”
“要弥补我国与发达国家在电动汽车发展方面的差距，首先，必须加大技术研发，尤其是要重点突破电池技术。其次，政府要加大对电动汽车行业的支持和引导，并积极推动各项标准和政策的完善。最后，要根据中国电动汽车的技术状况和市场特点，发展适合中国市场的电动汽车，走出具有中国特色的电动汽车之路。”李宇恒最后表示。
电动助力 篇4
助力特性是指电动机提供的助力随汽车运动状况 (车速和转向盘力矩) 变化而变化的规律。与液压助力转向不同的是, 在电动助力系统中助力与直流电动机电流成比例, 故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。
目前没有标准的助力特性曲线可参考, 但普遍认同的助力特性曲线有3种:直线型、折线型和曲线型助力特性, 它们各自有优缺点[1~2]。较多文献研究直线型和曲线型助力特性的设计方法, 但折线型助力特性一直没有具体的设计方法。本文提出如何设计折线型助力特性曲线, 并解决了影响折线型助力特性的两个重要参数斜率系数和折点坐标的设计, 结合实验和仿真验证了其精确性。
1 EPS工作原理
电动助力转向系统 (EPS) 的工作原理及组成如图1所示, 主要由车速传感器、转向盘转动传感器 (包括扭矩传感器和转速传感器) 、电子控制单元、功率驱动电路、离合器和直流电动机等组成。电子控制单元 (ECU) 根据各传感器输出的信号决定电动机的转动方向和最佳助力转矩, 向电动机和离合器发出控制信号, 通过功率驱动电路控制直流电动机的转动, 电动机的输出经过减速机构减速增扭后, 驱动齿轮齿条机构, 产生相应的转向助力[3~4]。其控制系统的基本结构如图1、2所示。
为了能够精确的提供所需的助力力矩, 为驾驶员提供操纵的轻便型和保证高速行驶时操纵的稳定性, EPS系统必须要进行因电机的摩擦和惯量将引起转向过程中的路感消失、回正迟缓和延迟、方向盘振荡、转向不灵敏等问题进行相应各个参数的补偿控制, 相应的控制策略如图3所示。
由图3可知, 电动机目标电流为基本助力电流、摩擦补偿电流、阻尼补偿电流、回正补偿、惯性补偿电流的代数和。电动机目标电流经过PID调整及最大电动机电流控制后, 输出电动机控制信号。
2 EPS折线型曲线特性
2.1 EPS对助力特性的要求
助力特性对动力转向系统的性能, 包括轻便性、回正性、路感等, 有重要影响。EPS的助力特性曲线是电动助力转向的控制目标, 由软件来设置, 可以设计成车速感应型特性曲线, 并可方便地进行调整。为了不违背驾驶员的原有驾驶习惯, 方向盘转矩和助力转矩之间应满足以下要求[5]:
(1) 当方向盘输入力矩小于某一特定值 (本试验车型使用1N·m左右) 时, 希望助力转矩越小越好, 助力转矩为EPS系统不起作用;
(2) 在方向盘输入力矩较小的区域, 助力部分的输出应较小, 以保持较好的路感;
(3) 如原地转向时, 应尽量提供较大的助力转矩, 助力效果要明显, 保证行车轻便性;在方向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时, 应最大的助力效果;
(4) 随着车速的提高, 助力应减小, 且在高速行驶至一定车速时, 停止助力, 使驾驶员获得良好的路感, 提供行车安全性;
(5) 各区段过渡平滑, 以避免操作有跳跃感, 并且助力转矩不能大于同工况下无助力时的转向转矩, 即助力转矩小于转向阻力矩, 以避免“打手”现象发生;
(6) 符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。
将上述要求量化, 即可达到理想的助力特性曲线。但理想的助力特性曲线很难实现, 在设计中只能尽可能满足要求。
2.2 折线型曲线特性
图4所示为典型折线型助力特性, 它的特点是在助力变化区, 助力与转向盘力矩成分段线性关系.该助力特性曲线可用式 (1) 表示。
式 (1) 中, K1 (v) , K2 (v) 分别为助力特性曲线的斜率系数, 随车速增加而减小, 是与车速变化相关的系数;Th1为助力特性曲线斜率系数由从K1 (v) 变为K2 (v) 时的方向盘输入转矩。
由助力电流公式 (1) 可知, 折线型助力特性曲线的设计关键有2点:如何确定斜率系数K1 (v) 与K2 (v) 及如何确定Th1折点坐标。
3 EPS折线型曲线设计
在设计斜率系数K1 (v) 与K2 (v) 及设计折点坐标Th1时, 采用先确定斜率系数, 然后再确定折点坐标的顺序。
3.1 斜率系数K1 (v) 、K2 (v)
助力电流I (Td, v) 的变化随斜率系数K1 (v) 和K2 (v) 变化而变化。设计思路如下:令方向盘转矩Th1的仿真值等于在该车速下的理想方向盘转矩值, 此时助力转矩与方向盘输入转矩达到最理想的系数关系, 这时可确定一个在该车速下对应的斜率系数K1, 再令方向盘输入转矩等于该车速对应的理想方向盘转矩, 则又得到对应该车速的最佳斜率系数值K2。按照这样的方法在各车速下进行仿真, 就得到一组对应不同车速的斜率系数Ki (i=1, 2, 3…n) , 最后将这些离散的Ki值对应车速进行多项式拟合, 就可以得到各车速下最佳的斜率系数K1 (v) 和K2 (v) [1,6]。
3.2 Th1折点坐标
不同的车型, 方向盘转矩Th在设计时可不同。该值越小, 方向盘越轻, 驾驶员驾驶越轻松, 但不能太小, 不然会使驾员难以控制方向。且助力要求车速在较低时需要提供的助力大, 随着车速的增加, 助力减少, 甚至在高速行驶时, 停止助力。根据本试验车型, Th的取值范围为在Th0 (0 N·m) 和Thmax (8 N·m) 之间。
根据经验设方向盘折点转矩在2 N·m至6 N·m, 结合软件仿真用试探的方法得到最佳的方向盘折点转矩[7]。本车型在车速为60Km/h的最佳方向盘折点转矩为3.5 N·m。下面通过原地转向工况对转向轻便性的影响和通过蛇行工况对中高速情况下转向盘中间位置附近区域路感的影响这两个方面, 来验证T。汽车蛇形运行线路如图5所示。
(1) 方向盘转矩不变情形
如图6所示, 分别取3个坐标:A (3.5, 10) 、a1 (3.5, 12) 和a2 (3.5, 8) 进行仿真验证。原地转向工况如图7所示, 图8、9分别作蛇形工况时其转向盘转角和侧向加速度时的仿真图。
(2) 输出电流不变的情形
如图10所示, 分别取3点坐标:A (3.5, 10) , b1 (3, 10) , b2 (4, 10) 进行仿真验证。原地转向工况如图10所示, 图11、12分别作蛇形工况时其转向盘转角和侧向加速度时的仿真图。
比较图7和图11可以看出:对于折线型助力特性曲线, 折点坐标越小, 其助力效果好, 汽车具有较好的轻便性;比较图8、9及图12、13可以看出随着车速的增大, 折点坐标应相应增大, 减小助力, 以保持驾驶员较好的路感, 不至驾驶员感觉方向盘发飘。
最终得到的折线型助力特性二维图如图14所示, 图15为其三维图。
4 结论
(1) 结合汽车电动助力转向系统对助力特性的要求, 提出了折线型助力特性曲线示意图;
(2) 很好地解决了影响折线型助力特性曲线中斜率系数和折点坐标的2个参数的设计难题;
(3) 通过实验和仿真比较可得到:对于折线型助力特性曲线, 折点坐标越小, 其助力效果好, 汽车具有较好的轻便性;及随着车速的增大, 折点坐标应相应增大, 以保持驾驶员较好的路感;
(4) 仿真结果表明:该折线型助力特性曲线能够较好地协调转向轻便性和路感之间的矛盾, 并完善汽车电动助力转向的设计有着重要的意义。
参考文献
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电动助力 篇5
选取急诊科2016年7-12月雨天收治的， 且需同时携带氧气、转运呼吸机外出检查的120例危重患者， 依据检查日期进行分组， 将单日检查的患者纳入对照组 （60例） , 使用普通医用平车进行转运；双日检查的患者纳入观察组 （60例） , 使用医用多功能电动助力平车进行转运。对照组中男性36例， 女性24例， 年龄19~79岁，平均年龄 （53.2±3.4） 岁；观察组中男性37例， 女性23例， 年龄18~85岁，平均年龄 （54.1±4.6） 岁。两组患者在年龄、性别、文化程度、病种、缺氧程度等资料比较无差异， 具有可比性。
2.2 材料与方法
（1） 医用平车。 （1） HX-D05型普通医用平车， 规格为1900 mm×600 mm×800 mm （广东红星公司） ; （2） 改进后的医用多功能电动助力平车， 在普通医用平车基础上增加2个定向轮、2个万向轮及锁紧机构、1套电动助力装置、1个氧气瓶固定装置及1套防雨装置。
（2） 使用方法。对照组使用普通医用平车， 搬运时直接由医护人员指导患者家属将患者搬至平车上， 拉起两边护栏， 转运时需1人撑伞， 1人推车， 1人抱氧气袋， 1人转运呼吸机。观察组使用改进后的医用多功能电动助力平车， 搬运时由患者家属将患者搬至车上， 1人推车， 1人转运呼吸机， 装上防雨装置即可转运。
2.3 观察指标
观察比较两组患者从急诊科到病房所需要的时间、外出检查时人力支出、转运中不良反应的发生率以及舒适满意度情况。
2.4 统计学方法
采用SPSS 19.0统计软件进行统计学分析， 两组间计量资料以均数±标准差 （x-±s） 表示， 两样本均数比较采用t检验， 样本率比较采用x2检验， 以P<0.05为差异具有统计学意义[7].
2.5 应用效果
（1） 两组转运时间比较。 （1） 急诊科到检查室所需要时间， 对照组为 （3.34±0.45） min, 观察组为 （1.01±0.22） min, 两组相比差异有统计学意义 （t=20.54, P<0.05） ; （2） 检查搬运时间：对照组为 （4.45±0.53） min, 观察组为 （1.12±0.19） min, 两组相比差异有统计学意义 （t=22.15, P<0.05） ; （3） 检查室到病房所需时间：对照组为 （3.67±0.46） min, 观察组为 （1.16±0.18） min, 两组相比差异有统计学意义 （t=15.85, P<0.05） , 见表1.
（2） 两组转运中人力支出比较。根据使用工具的不同， 比较两组外出检查转运中所需要的人力， 分为最多人力支出与最少人力支出两个阶段， 两组人力支出比较差异有统计学意义 （x2=22.50, P<0.05） , 见表2.
（3） 两组转运中不良反应发生率比较。对常见外出检查时患者各类不良反应发生率进行分析， 观察组与对照组转运中呼吸困难、导管 （引流管） 滑脱及输液部位肿胀不良反应相比， 差异有统计学意义 （x2=15.09, x2=8.64, x2=8.29;P<0.05） , 见表3.
（4） 两组转运中舒适满意度比较。采用自制舒适满意度问卷调查表对患者及家属外出检查转运过程中的舒适满意度进行调查。发放调查表120份， 收回120份， 回收率为100%, 调查内容为两组患者及家属对转运时整体舒适满意度的评价， 分为很满意、满意、较满意和不满意， 满意度= （很满意+满意+较满意） ÷总例数×100%.观察组转运中舒适满意度为57%, 对照组为40%, 两组比较差异有统计学意义 （x2=15.54, P<0.05） .
3 医用多功能电动助力平车临床应用优势
3.1 减少转运时间提高工作效率
相关文献报道， 转运时间越长， 患者的生命体征越容易发生变化[8-10].利用医用多功能电动助力平车装置的功能， 使转运由人工向电动转变， 提高了转运速度， 明显缩短了从急诊到病房所需要的时间；减少人力支出， 提高了工作效率， 且在运送过程中， 能够安全限速， 在路况不好的地方能够平稳运行， 不易颠簸磕碰。
3.2 降低转运过程中不良反应发生风险
危重患者经过急诊抢救后， 转运时通常需要配备生命监护或输液等急救处理， 如供氧设施、呼吸机、导管连接及输液补给等。如果未提供足够的氧气， 在转运途中会出现缺氧、呼吸困难；如果未处理好氧气袋及导管放置问题， 易出现导管滑脱或转运途中输液部位肿胀等不良反应[11-14].通过在普通医用平车上加装氧气瓶固定架， 固定氧气瓶， 增加氧气供氧量， 可以有效减少因氧气放置、供氧不足等问题引起的无效供氧、呼吸困难、导管脱落等不良反应的发生。患者在转运过程中配备转运呼吸机， 如果检查过程比较漫长， 其供电时长无法满足患者要求， 会使患者发生意外的风险增加。通过备用电源功能， 为生命监护设备提供足够电源， 能够确保患者在运送过程中的生命安全。
3.3 提高患者外出检查时舒适满意度
患者在雨天转运过程时常见的问题是多人转运、运送不便、容易淋湿以及舒适度差。加装防雨装置， 有效解决了普通医用平车在雨天只能用布为患者遮挡、多人撑伞仍会淋雨的缺陷。防雨装置不仅美观耐用， 减少了人力支出， 同时提高了患者及家属转运过程的舒适度， 让患者及家属体验医院最优质的.服务[15-16].
4 结语
医用多功能电动助力平车与普通医用平车相比， 在转运过程中操作简便、安全性极大提高， 实现转运由人工向电动转变， 提高了转运速度， 缩短转运时间， 通过加装氧气瓶固定架， 固定氧气瓶， 降低转运过程中无效供氧、呼吸困难、导管脱落等不良反应的发生， 通过加装防雨装置， 减少了人力支出， 提高了患者及家属的满意度， 具有一定的应用价值。
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电动助力转向系统设计论述 篇6
随着微电子技术在汽车领域的广泛应用, 可与汽车智能系统充分衔接的电动助力转向系统成为汽车助力转向装置的发展方向, 由于基于微处理器的数字系统具有信号传输及处理的确定性和接口的通用性, 在汽车电子控制方面, 已经充分体现了它的优势, 这是模拟系统无法达到的。目前, 以32位处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心是嵌入式技术发展的必然趋势。在汽车电子技术领域, 从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统等, 都离不开嵌入式技术的支持。为此, 本文采用ARM7 S3C44B0X单片机作为电动助力转向的主控单元, 以实现EPS系统的高速, 精确及稳定控制.
2 EPS系统结构及工作原理
电动助力转向系统 (EPS) 是由电子控制单元 (ECU) , 扭矩传感器, 助力电机, 机械减速机构等组成.其工作原理为:在检测到汽车点火信号有效后, 当转向轴转动时, 扭矩传感器将检测到的转矩和转角信号输出至电子控制单元ECU, ECU根据扭矩转角信号、车速信号、汽车轴重负载信号进行分析和计算, 确定助力电机的运转方向及工作电流, 从而实现助力转向控制。
3 EPS控制器的设计
3.1 转矩信号采集电路设计简介
输入控制器的转矩信号幅值为0-5V, S3C44B0X的A/D转换器的输入电压范围为0-2.5V, 故对转矩信号除了一般的滤波处理外, 还需对其进行分压处理。其电路原理如上图所示。此采样滤波电路为二阶低通有源滤波电路, 阻值相同的R1R2先将输入的转矩信号分压, 幅值变为原来的一半, 然后与C1构成一阶低通滤波电路, R3与C2构成第二级一阶低通滤波, 运放则作为一个电压跟随器来使用。
3.2 电动机电流信号采集电路简介
由于助力电动机提供左右两个方向的助力, 电动机的助力电流也就有正负之分。电机的反馈电流采用霍尔电流传感器采集。霍尔传感器输出的是电流信号 (0-50mA) , 而系统接收的是电压信号, 故需在传感器的输出引脚上接一个约100Ω的电阻, 将输入的信号转换为-5V-5V的电压信号, 然后经过电压变换电路, 使其转换为对应的0-2.5V的电压信号, 最后经滤波电路送到ARM芯片的A/D端口。
3.3 电机驱动控制实现
本文采用IR2110构成电机的驱动电路, 由图可见用两片IR2110可以驱动一个逆变全桥电路, 它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离, 使驱动电路极其简化。IR2110本身不能产生负偏压。由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负偏压电路, 以左半部为例, 其工作过程如下:VDO上电后通过R1给C1充电, 并在VW1的钳位下形成+5.1V电压, 当IR2110的脚1 (LO) 输出为高电平时, 下管有 (VDO-5.1) V的驱动电压, 同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个-5.1V的偏压;下管开通同时脚1 (LO) 输出高电平通过Rg2, R2开通MOSFET让C3进行充电;当IR2110的脚7 (HO) 输出为高电平时, 由C3放电提供上管开通电流, 同时给C2充电并由VW2钳位+5.1V, 下管关断时Vc2即形成负偏压。为了只用IR2110的保护功能, 把脚11 (SD) 端接地。
3.4 车速信号采集电路简介
车速信号是从车速里程表引出的, 输出为单极性的脉冲信号, 电压在9.5V以上。本文采用脉冲发生器来模拟车速信号, 输入到单片机。单片机所能处理的信号高电压在2.5V左右, 所以车速信号的通道设计主要是完成信号的电平匹配设计, 电路设计中采用的是光电耦合器的电平匹配方式。
4 EPS的软件设计
(1) A/D转换程序。A/D转换单元主要完成扭矩信号采集、蓄电池电压监测、电机工作电流监测等主要任务。在A/D转换开始之前要对10位A/D转换器CMOS ADC进行初始化设置, 包括转换采样通道选择, 时钟源的选择、参考电压的选择等。A/D转换主要有两步:采样和转换。首先须设置A/D的数据寄存器和控制寄存器, 通过控制寄存器的设置来选择AIN1位ADC的输入通道。
(2) 根据预先建立的EPS数学模型计算出控制电机转速的目标电压值, 单片机输出相对应的PWM信号, 这个波形信号用以控制功率驱动电路, 实现电动机转速的控制, 从而实现助力。
5 结语
在一定的时间范围内, 转动转向盘, 助力电机的电流、转向阻力矩以及施加在转向盘上的力矩通过多功能数据采集系统送入ARM7 S3C44B0X单片机。通过A/D转换程序和PWM控制程序, 实现助力转向控制。可见电动助力转向系统 (EPS, Electric Power Steering) 将成为汽车助力转向装置的发展方向。
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电动助力转向系统性能仿真研究 篇7
1 EPS系统结构与原理
电动助力转向系统主要由电动机、减速机构、传感器、电控单元等部件组成[2]。当汽车转向时,速度传感器监测到的速度信号和扭矩传感器监测到的方向盘扭矩信号传递给电子控制单元ECU( Electronic Control Unit) ,ECU根据转矩的大小、方向和汽车状态参数对转向信息进行逻辑判断并根据助力特性曲线确定合适的助力矩,实施助力转向,从而帮助驾驶员克服转向阻力矩或者增加阻尼转矩,保证操作的轻便性和舒适性,提高转向的安全性。
注:1.方向盘;2.上转向柱;3.扭转传感器;4.减速机构;5.转向轮;6.下转向柱;7.电磁离合器;8.助力电机;9.控制器;10.齿轮齿条转器
2 EPS系统的动力学模型
电动助力转向是一种复杂的非线性系统[3]。为了研究方便,将复杂的非线性的电动助力转向系统简化为4 部分,可分为转向盘和上转向柱、下转向柱、齿轮齿条和电动机4 部分,分别列出各部分的动力学微分方程[4]
式中,Js,Bs,Ks,θs为转向盘以及上转向柱转动惯量,阻尼系数,扭转刚度和转角; Td为转向盘输入力矩; Je,Be,Ke,θe分别为下转向柱转动惯量,阻尼系数,扭转刚度和转角; Mr,Br,Kr,Xr分别为齿条质量、阻尼系数、刚度和移动量; Rp为小齿轮分度圆半径; Jm,Bm,Km,θm分别为电机转动惯量、阻尼系数、轴扭转刚度和转角;G为减速机构减速比; Tm为电磁转矩; Tas为助力电机助力矩。电动助力转向仿真模型如图2 所示。
3 EPS转向助力控制策略分析
EPS系统的控制模式大致可分为基本助力控制、回正控制和阻尼控制3 种[5]。目标电流的确定,也是控制器上层控制的确定。EPS的3 种控制模式综合后的电流就是目标电流。
3. 1 基本助力控制
基本助力控制是EPS系统中最基本的控制模式,其功能是汽车在低速或原地转向时,由于总摩擦力矩比较大,因此通过助力控制使电机输出扭矩帮助驾驶员降低转向难度的一种基本控制模式。该模式是ECU根据传感器采集到的信号进行逻辑判断,并根据车辆不同运动状态下电动机目标电流曲线,然后通过监测电动机输出的实际电流,根据设计的控制器来调整电动机实际输出的助力矩,帮助驾驶员降低转向难度,提高转向轻便性。
3. 2 回正控制
回正控制是为了使方向盘回到中间位置的一种控制模式。汽车在不同工况、路况下转向时,汽车的回正性能会随之降低,往往会产生回正不足或者回正过度的现象。当在汽车在低速工况下回正时,由于摩擦阻力矩大于回正力矩,从而导致方向盘不能回到中位,汽车将驶离原有的轨迹,这就是回正不足; 当车辆在高速的工况下回正时,总摩擦力矩较小,方向盘会越过中位,这种现象被称为回正过度,这是一种危险现象。因此,为了避免这两种危险的现象,汽车在转向时加入回正控制。其原理是: 当汽车出现回正不足时,电动机输出特定的助力增益帮助车轮回正; 当汽车出现回正过度时,电动机输出一个相反地力矩,防止车轮回正过度。从而使汽车获得稳定的转向特性[6]。
3. 3 阻尼控制
当汽车达到一定速度后转向或行驶在恶劣的路面工况下,会较易引起方向盘抖动。因此,阻尼控制为了抑制高速工况下的方向盘抖动和减轻不平路面所导致的方盘摆动现象。阻尼控制的原理是: 当电动机绕组发生短路时,电动机将会产生一个大小与其转速成正比的反向转矩[7,8]。
3. 4 助力电机电流控制
传统的PID控制中,无法根据环境的变化对控制参数做出相应的修改,不能完全满足随动系统的控制要求,所以导致控制效果不理想。而具有参数自整定功能的智能PID控制策略,利用模糊控制规则便可实现对PID参数的时时自我调整,模糊自适应PID控制器结合了模糊控制灵活、适应性强、PID控制精度高和易于实现的特点。因此,本文采用自适应模糊PID控制策略。控制器以误差和误差变化率作为输入,控制参数随着环境参数的变化而变化,利用模糊控制规则将PID参数调整到一个理想状态[9],其结构如图3所示。
( 1) 确定输入输出变量。本文将选取电机的目标电流和电机的实际电流差值E以及其的变化率Ec作为模糊控制器的输入变量,输出变量为控制电压;
( 2) 隶属度函数的确定。模糊运算中为了尽可能的实现良好的控制效果而又不使计算量过于复杂,控制器当中的电流误差量E、误差变化率Ec和PID控制参数Kp、Ki、Kd的论域{ PB PM PS ZO NS MN NB} 7 种模糊语言变量进行描述,分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。将误差E的论域设为[- 3 3],将误差变化Ec的论域也设为[- 3 3],将控制参数Kp的论域设为[- 0. 3 0. 3],控制参数Ki的论域设为[- 0. 6 0. 6],控制参数Kd的论域设为[- 3 3]。隶属度函数均采用三角形隶属函数;
( 3) 模糊控制规则,如表1 所示。
4 EPS仿真分析
基于Carsim汽车动力学仿真软件平台搭建整车模型,在Simulink中搭建EPS以及控制器模型取代Carsim中的转向系统模块,仿真如图6 所示。
图7 和图8 分别是低速和高速工况下方向盘回正,汽车在低速和没有EPS控制的情况下,方向盘回正较慢,转向轮难以回正到中位,出现了回正不足的现象; 高速时,方向盘越过中位。在加入EPS控制,低速情况下方向盘残余角明显变小,而且方向盘更快、更准地回到中位,消除了回正不足; 高速时,减弱了回正过度的现象。
汽车转向时的稳态横摆角速度增益反映了转向灵敏度[10],由图9 可知,加入EPS控制的系统在角阶跃为输入时,整车的横摆角速度能尽快平稳,同时抑制了方向盘的振荡,保证了转向时的路感,增加了行驶平稳性。
5 结束语
本文以Carsim的整车模型与EPS的Simulink模型联合仿真为基础,对EPS进行仿真分析,仿真结果显示,所建模型和设计的控制策略可有效提高驾驶员的驾驶舒适性、安全性和回正的性能。
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电动助力转向系统标定工艺设计研究 篇8
器需与整车转向系统重新匹配, 即EPS标定。目前, 国内大部分汽车厂EPS工艺标定精度低, 稳定性差, 节拍长, 不能满足EPS使用性能和车间生产要求。本文设计了新的工艺方案, 设备采用总装车间四轮定位仪, 程序集成于定位程序中。
1 EPS工艺标定
扭矩传感器集成转矩和转角传感器, 其作用是测定转向盘与转向器之间的相对扭矩及方向信息, 并转化为电信号输送给ECU。扭矩传感器与转向机械系统的匹配度直接影响EPS性能及驾驶安全性[3]。
EPS出厂时会对转角传感器进行初始零点标定, 而整车的转向系统相对位置只有在汽车生产下线定位参数调整完成后才能最终确定 (图1) , 这时转角传感器与转向系统不匹配, 需对转角传感器重新进行零点标定, 即EPS标定。
2 原EPS标定工艺分析
2.1 工艺流程
车辆下线完成四轮定位调整后, 工人操作转向盘实现与车轮对正;外部设备X-431 (图2) 与车辆OBD接口连接, 建立通讯, 确认EPS的ECU状态, 最后完成STE零点位置标定。工艺设计程序如图3。
2.2 工艺缺点分析
(1) 工艺节拍长。电检设备X-431是线下及售后返修设备, 主要作用是整车故障检测, 功能繁杂、操作费时, 整个标定工序工时240 s, 不能满足总装车间120 s生产节拍的需求, 因此传统标定工艺方法不能满足生产要求。解决方案是增加操作工位和操作人员, 而采用这种方法会增加生产成本。
(2) 标定精度低。操作者手动摆正转向盘与车轮对正, 人为判断转向盘是否对中, 完全依赖于人的主观决策, 对中精度低, 影响EPS使用性能, 且不能保证产品的一致性。现将部分试验数据列出 (表1) , 并对数据进行方差分析, 得到数据的标准差为4.02°, 在0.01水平上差异显著, 说明原标定工艺方法标定STE值波动较大, 稳定性较差, 精度在±5°, 影响EPS性能。
3 新EPS标定工艺设计
3.1 标定工艺设计
标定工序排布在四轮定位调整工序中, EPS标定程序集成在定位调整主程序内, 标定结果存储于四轮定位仪的服务器内 (图4) 。总装车间四轮定位仪具有车辆自动对中功能, 其中转向盘平衡仪 (图5) 用于摆正汽车转向盘, 并带有OBDII线束, 可与车辆ECU通讯。
主要工艺流程:车辆自动对中、转向盘摆正, 测量并调整定位参数后转向系统位置确定, 开始进行STE标定 (图6、图7) 。
3.2 工艺优点分析
(1) 标定精度高。采用四轮定位仪定位的转向盘平衡仪摆正转向盘, 摆正侧向倾斜误差<1% (-1.5°�+0.15°) , 分辨率为0.1°, 定位程序再对转向盘摆正角度值修正, 进一步提高标定精度。利用平衡仪代替人工摆正转向盘与车轮, 一致性好, 解决了人为差异这个质量管理中最不好控制的因素, 有利于整车质量提高。现将部分试验数据列出 (表2) , 并对数据进行方差分析, 得到数据的标准差为0.15°, 在0.01水平上差异不显著, 说明新标定工艺方法STE值波动较小, 稳定性较好, 精度在±0.2°, 完全满足EPS使用性能。
(2) 提高工艺节拍, 降低生产成本。标定程序集成于四轮定位主程序中, 标定工序与大灯调节同时进行, 设备自动执行标定程序, 工时为15 s, 远小于大灯高度调节工时, 因此新EPS标定工艺不占生产工时, 提高工艺节拍, 降低生产成本。
(3) 标定结果存储于数据库可追溯, 有利于产品质量管理。标定结果与车辆VIN码关联, 存储到质量信息系统内, 确保追溯查询的准确性, 有利于生产过程控制。
将新标定工艺与原标定工艺进行对比 (表3) 可以看出, 新标定工艺精度由±5°提高到±0.2°, 一致性好, 不增加工时, 节约生产制造成本, 并且标定结果可存储于生产质量系统内, 提高整车生产过程控制能力, 为后续工艺改造提供有力参考。
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电动助力 篇9
汽车电动助力转向系统的应用, 对汽车的安全稳定的行驶起到了极为重要的作用。新型助力转向系统的开发, 对于汽车行业的发展有着积极的推动作用。人们对于汽车行业的需求有所提高, 汽车的安全性能也在逐步的提升。电动助力转向系统已经成为当前应用最广泛的助力转向系统。通过系统关键技术的改进与完善, 对于行车安全能够有效地进行控制, 提升了汽车的安全性能, 有效保证汽车稳定的转弯能力, 对汽车安全平稳行驶有着极大的推动作用。
1 汽车转向系统的发展
汽车的转向技术, 在一定程度上代表了驾驶员的驾驶技术。汽车行驶自进入弯道时, 或者是由于某种突发状况, 就需要进行转向。在转向过程中, 使汽车仍能够保持行驶的稳定性, 这就需要稳定的驾驶技术, 另外还需要相关技术的辅助, 以配合驾驶员的操作, 提高汽车驾驶的安全性。因此, 新型汽车转向系统的开发变得十分必要。电动助力转向系统成为应用最为广泛的新型转向系统。
汽车转向一直存在矛盾性的问题, 就是重量较大的汽车灵活性差, 但有着极高的稳定性;重量较轻的汽车, 具有良好的灵活性, 但行车稳定性差, 在遇到突发状况时, 由于惯性, 在转弯时难以控制, 容易发生事故。因此, 汽车转向系统在设计时应该重点考虑这个问题。根据汽车的型号、重量等各方面因素, 设计适合的转向系统。汽车转向系统作为重要的汽车操控系统, 在汽车行驶过程中起到了至关重要的作用。而动力转向系统是在转向系统结构的基础之上, 增加了动力源, 结合驾驶员的力量操作, 形成转向的动力。有效节省了驾驶员的体力的同时, 使汽车在转弯过程中的稳定性和安全性更佳。
动力转向系统的广泛应用, 标志着汽车行业走进了一个全新的发展时期。液压动力转向系统成为最主要的转向系统, 灵活易操作, 为当时汽车行业所广泛应用。虽然液压动力转向系统拥有着诸多优点, 但也同样存在不足。应用液压动力转向装置的汽车耗油量更大。随着社会的发展和进步, 液压动力转向系统已经不能满足时代的需求了。
随着现代科技的发展进步, 汽车行业也得到了巨大的变化。当前的汽车更加讲求节能环保和安全稳定。因此, 以液压动力转向系统为基础的电控液压动力转向系统随之产生。电力的应用, 极大的弥补了传统液压动力转向系统的不足。使汽车的转弯性能更加稳定。发展至今, 电动助力转向系统开始新型动力转向系统, 能够根据汽车行驶速度, 有着良好的助力效果。其电子控制系统的助力强度是根据车速来决定的。相比于传统的液压动力转向, 具有更加稳定的转向效果。对行车安全起到了积极的作用, 成为当前最先进的动力转向系统。
2 电动助力转向系统关键技术应用
电动助力转向系统简称EPS, 以机械动力转向系统为基础零部件, 加入传感装置、电力控制装置和动力转向装置。为了更好地发挥其功能, 需要根据汽车的实际情况进行相应的设计。
2.1 EPS助力电机减速机构
助力减速装置是电力助力转向系统的关键零部件, 起到对电力助力转向系统的控制作用, 使安装空间更加合理化。电动助力转向系统的减速装置主要有涡轮蜗杆、行星齿轮、皮带轮以及滚珠式减速机构等几种, 集中体现了电力助力转向系统的核心技术。
涡轮蜗杆是通过涡轮蜗杆传动与转向轴作用, 配合驾驶员形成转向。但是该技术方法在应用过程中存在着一定的风险, 遭遇突发状况难以随机应对, 会给驾驶员带来危险。因此, 该种技术方法要根据汽车行驶情况而合理加以应用。行星齿轮作为传动结构, 通过蜗轮蜗杆与电动机连接。行星齿轮结构带动转向装置进行运动, 提供为汽车行驶助力。行星齿轮减速机构的应用在很大程度上弥补了蜗杆传动机构的缺陷, 但存在一定的空间限制, 因此涡轮蜗杆和行星齿轮应当配合使用, 取长补短, 有效保证了汽车行驶转向的安全稳定性。
皮带轮减速机构的应用是利用滚珠螺母的旋转促进齿条轴的移动来形成助力作用。在传动过程中, 效率高、灵活性好是皮带轮减速结构的优点, 但是由于皮带的损耗和老化, 在一定程度上影响了传动效率。滚珠式减速机构是电动机将动力由滚珠式减速机构传递给齿轮机构再经传递到达齿条, 完成助力转。
2.2 推杆活齿齿轮传动
涡轮蜗杆、行星齿轮、皮带轮以及滚珠式减速机构构成了最主要的EPS助力电机装置, 虽然各有长处, 但也存在着极大的缺陷。将以上四种减速机构结合应用是一种有效办法, 开发新型助力减速机构, 完善原有电机减速机构的不足, 也是一种有效办法。推杆活齿齿轮传动就是一种新型的助力电机减速机构。
推杆活齿齿轮传动是利用活性齿轮进行传动, 以中心轴为核心进行转动, 形成最基本的推杆活齿齿轮传动结构。当驱动力输入后, 输入轴以一定的速度进行顺时针转动, 带动偏心圆激波器, 围绕固定中心进行两同轴间刚性啮合传动, 沿圆周方向进行切向性的连续传动, 实现助力转向。推杆活齿齿轮传动是是当前最高效的电动助力转向技术。
3 结论
随着汽车行业的发展进步, 汽车电动助力转向系统的完善更新, 已经能够充分满足汽车的安全需求。电动助力转向系统的广泛应用, 代表了真个汽车行业的发展进步。汽车转向更稳定性, 行驶更安全车安全。通过对电动助力转向系统关键技术的研究与应用, EPS助力电机减速机构以及推杆活齿齿轮传动的技术应用, 汲取精华, 发挥优势, 弥补不足, 形成最先进的电动助力转向系统技术, 实现更加稳定的转向效果。对行车安全起到了积极的保障, 成为当前最先进的动力转向系统, 对推动汽车行业发展有着重要意义。
摘要：随着汽车行业的快速发展, 根据当前的环境需求, 电动助力转向系统开始广泛应用于汽车行业当中。为了提高汽车驾驶的安全性, 新型汽车转向系统得以推广和应用。本文结合汽车电动助力转向系统的特点, 对其关键技术进行分析, 探究其对汽车行业发展的重要意义。
关键词：电动助力,转向系统,关键技术
参考文献
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电动助力转向系统优化标定方法研究 篇10
在EPS系统参数优化方面国内外学者做了大量的研究工作。TRW公司研究了转向系统刚度与中心区性能的关系,对转向中心区量化,并设立置信区间模型[5]。吉林大学的张泽星等采用Isight软件,通过正交试验设计进行阻尼补偿系数、摩擦补偿系数及惯性补偿系数与转向性能评价指标之间的灵敏度分析,指导EPS的匹配及标定[6]。Lee等对助力曲线进行优化分析,优化助力模型,并基于此修正助力特性曲线,改善助力系统及整车的操纵性能[7]。韩国Injin等对转向中心区各个性能进行相关性分析,从而将中心区感觉这一多目标优化问题转化为单目标优化问题,有效避免了各个性能之间相关性的弊端[8]。福州大学的王伟教授等通过研究转向系统结构参数和控制参数对已知转向性能的影响,并将转向路感和转向灵敏度作为优化目标,利用遗传算法进行优化设计[9]。
综上,研究人员近年在EPS系统参数优化方面取得了一定的研究成果。但同时存在以下问题:EPS系统优化参数多选择电机减速比,转向系统刚度等机械结构参数,也有研究电机控制参数PI和超前滞后滤波器极点的设计优化;转向性能选择相对单一,没有充分考虑EPS转向系统本身性能和整车转向性能之间的关系,较少考虑EPS系统参数性能之间存在的耦合性问题;优化设计多实施于EPS设计初期,没有考虑后期控制参数标定的优化设计问题。基于以上问题,提出了一种电动助力转向系统控制参数的优化标定方法,在合理选择转向性能、分析EPS控制参数对性能影响的基础上,建立综合评价指标进行多目标优化,确定满足各转向性能要求的EPS控制参数,试验结果表明这种优化标定方法可以提高EPS系统控制效果,有效指导标定人员进行参数标定,为EPS控制参数的实车调试和标定提供参数依据,加快EPS系统开发进度。
1 系统数学模型
1.1 整车二自由度转向模型
图1为整车二自由度转向模型,表1为二自由度整车模型的参数及定义。在建立二自由度整车模型时认为汽车只做平面运动并忽略左右车轮的轮胎特性的变化,认为左右车轮的转向角相等。图中O为简化后的汽车质心,x Oy为车辆坐标系,z轴垂直于地面且向上为正[[11]。
该模型的运动微分方程为
进行拉普拉斯变换,可得
当车辆在正常行驶工况下,车辆的侧向加速度小于0.4g,轮胎侧偏角小于5°[12],在此工况下轮胎侧偏力Fy与轮胎侧偏角α是一种线性的关系,因此回正力矩Tr即可表示为
式(13)中:KT=2k1-2k1A1af/u-2k1A2。
1.2 转向系统动力学模型
图2为EPS系统结构的简化模型。如图所示,EPS系统主要包括方向盘、扭矩传感器、ECU、助力电机和转向器等部分。建模过程中考虑每个部件的惯量、阻尼等物理特性,不考虑非线性的影响[1[13],[13]]。
EPS系统动力学微分方程如下所示:
方向盘及转向柱部分:
式(4)中θs为方向盘转角,θp为输出轴转角,Js和Bs方向盘部分的转动惯量系数和阻尼系数,Jm和Bm为电机部分的转动惯量系数和阻尼系数,Jw和Bw为轮胎部分的转动惯量系数和阻尼系数,Kt为助力电机的力矩常数,km和kc分别为助力电机到输出轴的传动比和转向器的传动比,KTS为扭矩传感器的扭矩刚度。
1.3 系统模型验证
为了验证所建立模型的可信度或可用性,联合二自由度整车模型、转向系统动力学模型和驾驶员模型建立仿真模型,在相同的运行环境条件下,给定仿真模型和实际系统相同的输入,比较输出的一致性。具体为保持汽车车速为30 km/h,给定方向盘90°转角阶跃输入,输出为扭矩传感器测量力矩。图3即为仿真实验与实车实验扭矩传感器的输出值,从图中可以看出,两条曲线波动趋势基本相同,幅值相差不大,所建模型可以反应实车情况。
2 控制策略及参数分析
助力控制采用内外环控制策略,内环控制为电机控制,采用PID控制策略,外环控制为目标电流控制,包括基本助力控制、惯性补偿控制和阻尼补偿控制。结合第2节建立的整车及转向系的数学模型,可以得到如图4所示的EPS系统控制框图。
其中,KD、KH、KEPS分别为阻尼补偿系数、惯性补偿系数以及助力增益系数。
优化标定之前,需要确定优化目标,因此需要确定转向性能评价指标,选取助力特性、转向路感以及转向灵敏度作为评价转向性能的指标[16][19]],如式(5)所示。
E1表征EPS系统的助力特性,最直接的体现在转向盘转矩阶跃输入时,扭矩传感器的响应特性,反应转向系统的迟滞性、转向惯性、手力的突变以及左右手力不对称等,良好的转向特性要求EPS系统具有优良跟随性、稳定性,响应带宽大,无超调,手力平顺。
E2表征了EPS系统的转向路感。路感是驾驶员对车辆行驶路况及汽车行驶状态的实时感受,EPS系统要求既要能给驾驶员反馈准确的路面信息,又要路面的干扰信号,防止方向盘抖动造成驾驶疲劳。当转向盘给入转角输入时,驾驶员可以感受到车辆的侧向运动状态以便进行实时调整转向输入。
E3表征汽车转向灵敏度,主要表征汽车转向的线性度及稳定性,是衡量汽车转向稳定性的重要指标,很大程度反映了汽车的操纵性,优良的转向灵敏度既能保证系统的稳定性,又能给驾驶员良好的操纵体验。
根据式(1)~式(4)可知:
由上文可知,影响转向系统性能的控制参数主要为助力增益KEPS以及阻尼补偿参数KD和惯性补偿系数KH,从式(7)可以看出,EPS系统的控制参数与转向性能间相互耦合,这也是造成实车标定困难的原因,在优化标定前,需研究各个参数对转向性能的影响,便于确定优化目标及约束条件。根据系统仿真结果研究,选取助力增益系数KEPS的参数序列为{1,3,5},阻尼补偿系数KD的参数序列为{0,1,3},惯性补偿系数KH的参数序列为{0,0.05,0.1},这三个参数与转向性能评价指标的关系曲线如图5~图10所示。
从图5和图6可知,随着助力增益的增加,系统出现超调,相位滞后,在助力时会使驾驶员产生助力黏滞的感觉,同时路感能量减少,不能准确反馈路感信息。但助力增益的大小又影响转向轻便性,直接与助力需求相关,因此选择一个合适的助力增益至关重要。
图7和图8可知,无阻尼补偿时,转向路感和助力特性出现震荡,会直接造成方向盘抖动及手力突变现象;在加入阻尼补偿后,这一现象会减少直至消失,但随着阻尼补偿系数KD的增大,转向灵敏度带宽减少,且相位滞后,造成了系统延时增大,影响EPS系统动态性能。
图9和图10表明了惯性补偿系数KH对助力特性和转向路感的影响,由图8可知,KH的增大会使系统的带宽增大,减少系统的响应时间,但同时过大的惯性补偿系数也会造成系统的超调增大。从图9可知,惯性补偿系数KH对转向路感非常灵敏,随着KH的增大,系统超调减少,带宽则呈现先增大后减小的趋势。
3 参数优化设计模型
3.1 优化设计目标函数
从参数分析可知,控制参数都对助力特性较为敏感,理想的助力特性要求EPS系统无黏滞,响应带宽大无超调,取理想助力特性与实际动态性能总方差表示助力特性的偏离程度,如果以偏离程度最小作为EPS系统的优化目标则可以提升EPS系统的助力品质。良好的转向路感对汽车的操纵性至关重要。在EPS系统设计中,选择路感信息比较集中的整个路面频率的低频部分,而对于高频噪声部分要能有效滤除,如果以有效频率内,转向路感的频域能量平均值最大作为EPS的优化目标可以显著提升EPS系统的路感特性。基于以上分析,可以得出以下优化目标函数:
以偏离程度最小作为EPS系统的优化目标可表征为扭矩传感器测量力矩的动态误差的总方差,目标函数表达式为
式(18)中:x0、y0为方向盘转矩阶跃输入x(t)与扭矩传感器测量输出y(t)的稳态值。
式(8)的时间积分可变为复平面上的积分
考虑阶跃输入x(s)=x0/s,有
以有效频率内,转向路感的频域能量平均值最大作为EPS的优化目标,则目标函数表达式为
式(11)中:ω1为路面信息有效频率最大值。
通过权重系数变化法,取路感的加权系数为0.4,助力特性的加权函数为0.6,从而把多目标优化问题就可以转化为单目标优化问题,综合以上,优化目标函数为:
3.2 优化约束条件
任何优良的性能都是基于系统是稳定的前提下实现的,选择转向的稳定性作为优化约束条件,因此获取EPS系统的稳定性准则是极其必要的。转向灵敏度函数表征了转向过程中EPS系统和车辆横向动力学模型的综合稳定性,因此可以选择灵敏度函数的分母分析EPS系统的稳定性[21]。
根据数学模型,令
灵敏度函数公式分母为零,形式如下:
式中:
根据劳斯稳定性判据,可以得到不等式:
式(14)中:x={KEPS,KD,KH}。
根据上述分析,得到优化设计模型为:
4 优化标定实例验证
4.1 优化标定计算
为了验证所提出的设计方法,在装有EPS某国产小型面包车上进行了优化标定计算。表2是整车及转向系统参数。
通过编写目标函数,利用MATLAB的非线性问题优化求解函数fmincon,调用优化函数式(16)进行优化计算,计算结果如表3。
4.2 试验验证
实验测试系统如图11所示,包括控制器、数据采集系统和测力方向盘,其中EPS控制器基于Freescale公司的MC9S12DG128芯片,数据采集基于Vector公司的CANoe。为了验证所提出的优化标定方法的有效性,分别进行了方向盘转角输入试验和轮胎激励试验。方向盘转角输入试验:汽车保持30 km/h的行车速度,驾驶员分别对方向盘施加正90°转角阶跃输入和左右90°的正弦输入,通过CA-Noe采集扭矩传感器的输出值进行分析,将所提出的优化标定方法与优化标定前进行对比分析。轮胎激励试验:同样保持车速为30 km/h,对轮胎施加激励并采集扭矩传感器的输出值,研究优化标定方法对路感的影响。
图12(a)和图12(b)为转角阶跃输入时优化前和优化后的转矩传感器的测量值,图12(c)和图12(d)为转角正弦输入时优化前和优化后的转矩传感器的测量值。由图可知:进行优化标定后,系统的超调量减小同时响应时间缩短,扭矩传感器测量值曲线光滑平顺,瞬态响应的波动量减少,表明了相对于优化前更具有良好的跟随性,避免了方向盘“打手”的现象,可以给驾驶员提供更为优秀的操纵舒适特性,有效的改善车辆转向操纵性能。
图13为汽车以30 km/h经过减速带来产生路面冲击时,转矩传感器的响应曲线图,试验结果表明,优化标定方法能有效较少转向盘上的冲击力矩。但没有将转向盘上的力矩完全衰减,驾驶员可以感受到路面的反馈信息,不丧失路感。
5 结束语
