电动助力转向系统动力学建模与分析

丁志刚 钟 勇



电动助力转向系统动力学建模与分析

丁志刚 钟 勇

福建工程学院机电及自动化工程系

本文介绍了汽车的电动助力转向系统（EPS）的基本结构，建立了EPS系统的动力学模型，并通过对动力学模型的分析得到EPS系统的状态空间模型。

电动助力转向；动力学模型；状态空间模型

汽车转向系统是用来改变或保持汽车行驶方向的机构。其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性。汽车转向系统的发展历经了无助力转向系统、液压助力转向系统（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS）、电动助力转向系统（EPS）、线控转向系统（SBW）。电动助力转向相比于液压助力转向，改善了汽车的转向助力特性，减少了能量消耗，结构紧凑，质量降低，维护方便，对环境的影响减少。近20几年来，随着电子技术的发展，传感器、电机及其控制理论的发展和完善，EPS技术日趋完善，EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。主要体现在模型创新与试验创新2个方面。

1 EPS系统的基本结构

根据助力电机布置位置的不同，电动助力转向分为转向齿条助力式、转向齿轮助力式、转向轴助力式，如图1所示。

图1 EPS的3种形式

电动助力转向系统主要包括转向盘、转向轴、助力电机、减速机构、传感器、ECU、转向器等部件（图2）。ECU根据车速传感器和扭矩传感器输出的信号计算所需的转向助力，并通过功率放大模块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。

1 方向盘；2 输入轴；3 传感器；4 扭杆；5 蜗轮蜗杆；6 输出轴；7 转矩信号；8 车速信号；9 电机；10 电流控制；11 动力开关；12 离合器；12 小齿轮；14 拉杆；15 齿条；16 车化

电动助力转向系统很容易实现在不同的车速下实时地为汽车转向提供不同的助力效果，减轻了汽车在低速时方向盘的操纵力，提高了操纵的灵便性和高速行驶的稳定性[1]。

2 EPS系统的动力学模型

2.1 EPS系统各部件参数确定

为建立EPS系统的动力学模型，将图2中的EPS系统进行简化，得到一个具有各部件动力学参数的简化模型[2]，如图3所示。

图3 EPS系统的动力学模型

2.2 EPS系统动力学模型建立

在上述简化模型中，运用牛顿定律，建立EPS系统的动力学方程[3-4]。

对转向柱进行动力学分析，得：

对电动机进行动力学分析，得：

对转向齿条进行动力学分析，得：

对输出轴进行动力学分析，得：

3 EPS系统的状态空间模型

4 结果分析

由上述建模分析可以看出，当没有助力时，方向盘的转矩与转角变化趋势一致，呈正弦曲线变化的；当电机对转向系统进行助力时，方向盘的转矩因由助力而明显减小。ECU会控制电机随不同的情况，采用不同的助力，以提供给驾驶员不同的路感。当助力矩较小时，驾驶员会产生较厚重、稳定的转向感觉；当助力矩较大时，驾驶员会有转向轻便、舒适的感觉。

汽车受到一定的路面冲击时（路面随机信号作用）时，从加速度变化可以看出：加速度能在较短的时间内收敛，达到稳定，可见路面干扰对汽车的行驶稳定性影响较小，整个EPS 系统具有较强的抗干扰能力。

5 结语

本文介绍了汽车的电动助力转向系统（EPS）的基本结构，通过结构分析和模型简化，运用汽车动力学和牛顿定律的相关知识，建立了EPS系统的动力学模型，并通过对动力学模型的分析得到EPS系统的状态空间模型。总结了EPS系统建模分析的一般过程，指导了基于混合动力电动客车EPS系统的研究和设计，为今后进一步的研究工作打下了基础，为汽车电子与电驱动技术重点实验室的建设提供了技术支持。

[1] Yuji Kozaki，GoroHirose, Shozo Sekiya. Electric Power steering [J]. Motor & Control,1999:449-459

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[5] 徐建平, 何仁, 苗立冬, 等. 电动助力转向系统的建模与仿真分析[C]//中国汽车工程学会2003年学术年会SAE-C2003E206: 654-661.

Dynamics Modeling and Analysis of Electric Power Steering

Ding Zhigang，Zhong Yong

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The basic structure of the vehicle electronic power steering (EPS) system is described. A dynamics model of EPS system is established. The state-space model of EPS system is obtained through analysis of the dynamic model of EPS systems.

electronic power steering; dynamic model; state-space model.

福建省教育厅项目（JA08166），福建省科技平台建设项目（2008J1002）。