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隨著汽車行業的進步，消費者對于其安全性能提出了日益增高的要求，也提升了對其操作穩定性、安全性的需求。電動助力轉向系統就是主要將電池作為能量來源，電機為動力，設計好機械結構，以轉向盤的轉矩和轉速作為識別的主要參數，以此作為輸入信號，結合控制系統的介入，協助輔助機械轉向，最終就可以得到良好的轉向特性，電動助力轉向系統設計的優劣將直接影響到人們操控方向的準確性和穩定性，這對于保證道路交通安全、減少事故以及維護駕駛者的人身和財產安全具有舉足輕重的意義。電動助力介入時，隨著車速的降低，使得轉向力逐漸柔和保證輕便駕駛，使方向性更加靈活；當車速過快時，適當增大轉向力，保證駕駛的穩定性。同時在節能減耗方面，電動助力轉向系統的能耗在原有基礎上可降低三成以下，可以在一定程度上節約自然資源，提高駕駛穩定性，環保性強，所以該課題的研究有一定的前瞻性。由于電動助力轉向系統控制策略的好壞直接影響著汽車的轉向性能和安全性能，國內諸多科研機構及研究院所已對 EPS 的控制系統和控制策略展開大量研究，但是對低速電動汽車 EPS 控制策略的研究還比較少。隨著低速電動汽車的日益發展和市場份額的不斷擴大，其操穩性和轉向控制策略也成為了研究的重點。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
本文結合某款低速電動汽車為研究對象，本文設計的電動助力轉向系統的原動力為電機，輸入信號是轉向盤的轉角、轉矩和汽車速度，結合電子控制裝置，獲得更好的轉向性能。EPS 汽車轉向系統的性能決定著駕駛員運行的安全性和平穩性，對減少交通事故和改善轉向條件起著重要的作用。電動助力轉向系統的核心機構為電機、減速機構、轉向器，減速機構將電動機的輸出轉矩信號經過減速增扭而傳遞到動力系統，完成助力。汽車需要轉向時，扭矩傳感器首先發揮作用，將提取到的來自轉向盤的力矩信號進行采集，沿著數據總線向下傳遞，最后到達電子控制單元?？刂葡到y結合受到的力矩大小、轉向信號、汽車實時行駛速度等，會以機械方式控制電機，發出指令，電機結合輸入的轉動力矩判斷要產生多大的助動力，經計算分析后提供力，滿足了實時控制助力轉向。ECU通過扭矩傳感器、車速傳感器和方向盤轉角傳感器搜集到的汽車實時信息判別汽車轉向不同工作狀況，ECU通過算法計算出目標電流控制電機在不同工況下的控制效果。本課題選用蝸輪蝸桿傳動方式和齒輪齒條式轉向器，對各自的工作原理進行了分析，通過查閱國內外電動助力轉向系統控制策略相關文獻資料，梳理總結國內外研究現狀，對低速電動汽車助力轉向系統進行了分析及選型設計，并建立低速電動汽車助力轉向系統動力學模型和 MATLAB/Simulink 仿真控制模型，提出一種低速電動汽車助力轉向系統的助力特性曲線和控制策略，通過仿真分析驗證其有效性。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
關鍵詞： EPS；控制策略；三自由度模型；動力學模型；助力特性；MATLAB/Simulink仿真控制模型。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
ABSTRACTtm8知覽論文網 tm8知覽論文網
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.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
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.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
Keywords: EPS; Control strategy; Three degrees of freedom model; Dynamic model;Assist characteristic; MATLAB / Simulink simulation model。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第1章 緒論tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
1.1 、論文研究背景與意義。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
隨著汽車電控技術的發展，汽車廠家和消費者越來越重視汽車的操縱穩定性和主動安全性能，電動助力轉向系統作為汽車電子集成控制技術的在汽車上的代表性產品[1]，現在已越來越多的運用于各大汽車廠家，尤其是轎車和輕型車為主的乘用車廠家，由于電動助力轉向系統操縱輕便、可控性較好、回正效果好，并且相對于液壓助力轉向系統來說質量輕，占用空間小，可維護性高，操縱簡單快捷[2]，非常適合應用于低速純電動汽車轉向系統，因此電動助力轉向系統已經取代傳統轉向系統成為廣大低速電動車客戶的首要選擇。而EPS系統控制策略則是對電動助力轉向系統進行助力控制、回正控制、主動控制等控制方式的策略和方法?，F如今，關于EPS系統控制策略的研究也成為各大企業與研究機構的研究重點和難點。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
人們日常生活中使用最頻繁的交通工具是汽車，隨著車輛的使用率增高，安全性成為人們最關注的話題，所以對汽車的多項功能和需求變得更加完善，EPS的發展為人們提供了更廣闊的服務，同時也帶來了商業需求，很多汽車供應商將EPS系統當做盈利的資本，吸引客戶的購買需求。電動助力轉向系統是一種由方向盤、轉向軸、減速器、轉向器等機械裝置和傳感器、助力電機、控制器等轉向控制裝置組成的純電機助力轉向裝置。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
EPS就是主要將電池作為能量來源，電機為動力，設計好機械結構，以轉向盤的轉矩和轉速作為識別的主要參數，以此作為輸入信號，ECU控制器通過傳感器收集的信息判斷汽車行駛狀態，從而控制轉向，EPS設計的優劣將直接影響到人們操控方向的準確性和穩定性，這對于保證道路交通安全、減少事故以及維護駕駛者的人身和財產安全具有舉足輕重的意義。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
電動助力轉向系統（EPS）是繼液壓助力轉向系統和電控液壓助力轉向系統之后最新發展并得到快速應用的一種助力轉向系統，由于其控制簡單、使用穩定輕便等諸多優點目前在國內得到快速發展和應用[3]。許多國產車型已把電動助力轉向系統（EPS）作為標準配置，由于EPS控制策略的好壞直接影響著汽車的轉向性能和安全性能，國內諸多科研機構及研究院所已對EPS的控制系統和控制策略展開大量研究，但是對低速純電動汽車EPS控制策略的研究還比較少。隨著低速電動汽車的日益發展和市場份額的不斷擴大，其操穩性和轉向控制策略也成為了研究的重點，如何在低速工況下保持助力轉向系統持續穩定的助力輸出、穩定的轉向及回正控制以及良好的的路感反饋也成為了低速純電動汽車廠家關注的重點。本文選取某款低速電動策劃為研究對象，首先建立EPS系統動力學模型，然后綜合各方面的因素，建立EPS系統整車三自由度模型。對EPS系統的助力特性進行研究和分析，設計出一種適合該車型EPS系統的助力特性曲線。并對EPS系統的控制策略進行研究，提出一種適合于低速電動汽車EPS系統控制策略。最后通過仿真分析，設計出一種符合在低速工況下保持助力轉向系統持續穩定的助力輸出、穩定的轉向及回正控制以及良好的的路感反饋的電動轉向系統控制策略。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
1.2 、國內外相關研究概況。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
助力轉向系統的研究最早開始于國外，美國通用汽車公司在1953年率先在通用別克汽車上首次應用，液壓助力轉向系統給汽車轉向帶來了巨大改變，從此汽車轉向變得更加輕便快捷，隨著液壓助力轉向系統的發展和技術革新，隨之發展而來的電控液壓轉向系統也廣泛應用，其在液壓轉向系統的基礎上加入電子控制單元，使得助力轉向更加輕便、快捷[4]。在上世紀80年代日本、歐美等發達國家開始對電動助力轉向系統進行研究。發展到今天，電動助力轉向系統已經成為了乘用車輛應用最為廣泛的助力轉向系統，經過近40年的應用與發展，電動助力轉向系統已經不僅僅局限于助力控制，在助力控制的基礎上增加了阻尼控制、回正控制、路感反饋控制等多種控制方式相結合的綜合控制策略[5]，尤其是近些年來隨著電動汽車以及智能網聯汽車的發展，在電動助力轉向系統的基礎上發展而來的線控轉向技術也成為了各大高校和研究機構研究的重點。相比于傳動的液壓助力轉向系統和電控液壓助力轉向系統，電動助力轉向系統燃油消耗較低，易于安裝于各種車型并易于調試，在性能測試時，沒有車輛和及車輛間軟件的差異，并且空間較小、重量輕，利于汽車的輕量化布置，與其他系統的集成性較好，現已廣泛應用與各種中重型、輕型汽車，越來越來到廣大車主的青睞。目前，全球范圍的汽車行業中，電動助力轉向系統增長迅速，發展和應用前景較好。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
EPS控制系統最早是由日本的Honda公司提出，而早期的EPS系統的控制策略只有助力和回正控制，扭矩傳感器和轉速傳感器被應用于判別不同轉向工況的控制模式的切換[6]。上世紀八十年代末、九十年代初期，日本本田、豐田等知名汽車廠家紛紛開展了電動助力轉向系統控制策略的研究，發展較為迅速并廣泛應用于各種車型[7]。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
1999年，日本NSK公司基于EPS電機最大電流控制和補償控制理念提出一種新的控制策略。進入21世紀，日本Koyo公司提出了基本助力控制、力矩微分控制、主動回正控制等控制方式，三菱電機公司提出了一種采用回正力矩觀測器的回正控制算法和阻尼控制算法，這兩種控制算法很好的解決了方向盤回正效果不明顯和方向盤發抖的現象[8]。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
以天合集團為例，企業于1998年起，調集了諸多人力、物力、財力專攻EPS系統的研究。研究起點是在客車上研究出了轉向柱助力式EPS，當今以小齒輪為基礎的EPS也投入大批量的開發研究中。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
20世紀末，企業生產的EPS已成功應用于轎車中，常用的車型就是福特嘉年華等。還有就是梅賽德斯奔馳和西門子公司合作研究開發EPS，消費的資本高達6500萬英鎊，21世紀初，兩大集團合作生產的EPS已成功實現年裝車300萬套系統，視野踏遍全球，同時以貨車為研究出發點，開發了專門針對汽車前橋負載量大于1.2噸的EPS，這是國外的研究狀態。我國于2002年開始自主研發EPS，目前有近20所企業和相關科研機構投入研發中，最值得一提的是南摩公司，在EPS產業興起的幾年已逐漸將EPS投入小批量生產，其他企業依然處于研發階段[9]。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
中國的電動助力轉向系統的研究起始于上世紀九十年代，雖然起步較晚，但是發展較為迅速。尤其是近些年來，隨著電子集成控制技術以及主動安全技術的發展，國內包括清華大學、同濟大學、江蘇大學、電動助力轉向系統株洲研究院在等高校和科研機構也增大了對EPS的研究[10]，在助力特性、仿真分析和控制策略方面投入較多，并取得較大進展，個別技術方面甚至已經達到世界先進水平。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
綜上所述，電動助力轉向系統由于其控制簡單、使用穩定輕便等諸多優點目前在國內得到快速發展和應用。許多國產車型已把電動助力轉向系統作為其標準配置，由于EPS控制策略的好壞直接影響著汽車的轉向性能和安全性能，國內諸多科研機構及研究院所已對EPS的控制策略展開大量研究，在傳統的助力控制的基礎上，針對特殊工況以及結合阻尼控制、回正控制、路感反饋控制等多種控制方式的綜合控制策略已成為研究重點，但是對低速純電動汽車EPS控制策略的研究還比較少。隨著低速電動汽車的日益發展和市場份額的不斷擴大，其操穩性和轉向控制策略也成為了研究的重點，如何在低速工況下保持助力轉向系統持續穩定的助力輸出、穩定的轉向及回正控制以及良好的的路感反饋也成為了低速純電動汽車廠家關注的重點。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網 tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
1.3、本論文研究的主要內容tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第2章 電動助力轉向系統結構及關鍵部件tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.1、 EPS系統概述tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.1.1、 EPS系統分類.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.1.2 、EPS系統優點tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.2 、EPS系統結構與工作原理.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.2.1 、EPS系統結構tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.2.2、 EPS系統工作原理.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3 、EPS 系統關鍵部件.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3.1、扭矩/轉向角度組合傳感器.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3.2、車速傳感器.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3.3、助力電機.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3.4、離合器和減速機構tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.3.5、電子控制單元tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
2.4、本章小結tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第3章 EPS控制系統設計.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.1、主控制單元tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.1.1、A/D轉換模塊tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.1.2、脈寬調制PWM模塊.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.2、電源模塊設計tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.3、扭矩信號處理電路tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.4、車速信號處理電路.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.5、電機的功率驅動電路設計. .tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.6、電動助力轉向控制器主程序設計.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
3.7、本章小結.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第4章 EPS系統的分析與建模.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.1 、EPS 系統受力分析.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.1.1、駕駛員的操縱力，tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.1.2、 EPS系統的轉向阻力矩.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.1.3、轉向電機助力矩tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2 、EPS系統建模.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.1、 MATLAB/Simulink 軟件的介紹tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.2、EPS系統模型簡化.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.3、EPS系統整車模型tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.4、前輪側偏力矩模型.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.5、輸入軸數學模型tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.6、輸出 軸的數學模型tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.7、齒輪 齒條數學模型.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.8、助力電機數學模型tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.2.9 、EPS 系統動力學模型tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
4.3、本章小結tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第5章 EPS系統控制策略研究與仿真分析.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.1、助力控制.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.2、助力特性研究tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.3、直線 型助力特性曲線的設計.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.3.1、汽 車轉向阻力矩分析與計算tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.3.1.1、原地轉向阻 力矩tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.3.1.2、行 駛轉向阻力矩tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4、EPS系統控制策略及算法tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4.1 、PID 控制算法tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4.2、數字 PID控制tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4.2.1、位置式 PID控制算法tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4.2.2、增 量式PID控制算法tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.4.3、PID控制在EPS中實現tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.5、 EPS系統仿真分析.tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.5.1、助力控制仿 真分析tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.5.2、回正控制仿真分析tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
5.6、本章小結tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
第6章 結論tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
本文以德州某汽車公司的某款低速電動汽車EPS系統為研究對象，通過分析低速電動汽車EPS系統工作原理及動力學模型，得出了以下結論：tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（1）對EPS系統的結構和工作原理展開分析，并對EPS系統關鍵部件進行選型設計，基于低速電動汽車EPS系統，選擇合適的電動助力轉向系統布置形式，然后對EPS系統的方向盤扭矩傳感器、方向盤轉向角度傳感器、汽車速度傳感器、助力電機、離合器及減速機構、電子控制單元等關鍵部件進行了選型設計和分析。通過設計和分析，提出一種適合低速純電動汽車轉向軸助力式EPS系統，該系統結構緊湊，成本合理，適合低速純電動汽車轉向控制。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（2）完成系統硬件與軟件設計。通過對硬件系統的分析和選型，選擇合適低速電動汽車助力轉向系統的硬件系統，對低速電動汽車EPS控制系統硬件系統進行分析和研究，隨后對硬件系統進行了總體設計，對控制芯片及關鍵部件進行選型。重點介紹了低速電動汽車EPS系統控制電路中電機驅動電路電源轉換電路、扭矩信號處理電路、車速信號處理電路等硬件電路模塊的設計。對軟件系統各模塊進行搭建，完成軟件系統基本調試和測試，經測試該硬件系統滿足低速純電動汽車轉向控制。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（3）對EPS系統進行動力學分析，對駕駛員操縱力矩、電動助力轉向系統阻力矩以及電動助力轉向系統助力矩進行動力學分析，隨后對動力學仿真軟件MATLAB/Simulink進行分析和介紹，最后通過MATLAB/Simulink仿真軟件分別建立了轉向盤和轉向柱、輸出軸、齒輪齒條、助力電機等仿真模型。根據低速電動汽車轉向控制特點，建立低速電動汽車助力轉向系統動力學控制模型和整車三自由度模型。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（4）對電動助力轉向系統控制策略進行概述，通過分析設計出一種直線型助力特性曲線，該直線型助力特性曲線控制響應較為迅速精準，控制效果接好，滿足設計要求。最后提出了一種基于PID控制的EPS控制策略，對系統進行仿真分析得出了汽車在不同工況下的助力控制和回正控制效果，采用助力控制后，使汽車操縱輕便型和穩定性都獲得一定提高。而采用回正控制后，能夠有效改善系統的回正性能。并對低速電動汽車助力轉向系統進行仿真分析，驗證該低速電動汽車EPS系統PID控制制策略，滿足設計要求。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
雖然控制效果達到預期目的，但由于技術有限，未來可以針對以下方面做進一步的研究與深化：tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（1）本文采用的是直線型助力特性曲線，未來可采用更加復雜的曲線型助力特性曲線。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（2）本文參考的是三自由度整車模型，只考慮到汽車轉向橫向自由度、汽車轉向橫擺自由度和汽車轉向側傾自由度等，因為涉及到汽車懸架和四個車輪，所以沒有考慮到更加復雜的汽車整車俯仰自由度，未來可綜合汽車非線性系統的影響，建立更多自由度的整車模型，提高模型的精確性。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（3）由于水平有限，本次所設計的低速電動汽車電動助力轉向系統只考慮固定工況下的仿真分析，沒有考慮特殊復雜道路工況下對低速電動汽車助力轉向系統的影響，以后有機會的情況下將建立更復雜道路和轉向系統模型進行驗證。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
（4）由于缺少相關試驗設備，本次所設計的低速電動汽車電動助力轉向系統只做了最基本的轉向和回正試驗仿真分析，沒有對試驗方法和試驗條件進行拓展，以后有機會的情況下將繼續拓展低速電動汽車轉向試驗類型，研究更適合低速電動汽車電動助力轉向系統的復雜環境下的道路試驗方式方法。tm8知覽論文網 tm8知覽論文網
參考文獻.
