電動(dòng)汽車EPS數(shù)字模型與電路原理分析

　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其性能直接影響著汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。早期的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，沒有助力，轉(zhuǎn)向動(dòng)力完全由駕駛員 提供，駕駛體驗(yàn)差。從上世紀(jì)30年代以后，逐漸出現(xiàn)了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，汽車助力轉(zhuǎn)向主要有3種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS），電控式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS）以及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，EPS）。

　　相比前兩種，EPS由電機(jī)提供輔助力矩，沒有油系統(tǒng)，很大程度降低了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在燃油效率、模塊化、助力效果和環(huán)境友好性等各方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)EPS助力電機(jī)在齒輪和轉(zhuǎn)向柱總成上位置的不同，EPS系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向柱助力式、齒條助力式、小齒輪助力式和雙小齒輪 助力式4種類型。小齒輪和轉(zhuǎn)向柱助力式應(yīng)用于輕型車輛，雙小齒輪助力式應(yīng)用于重型車輛。它們?cè)跇?gòu)成上都具有3個(gè)基本部件：電控單元（Electrie Control Unit，ECU）、助力電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器。文中針對(duì)小型轎車，以美國(guó)Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DP256為核 心進(jìn)行了EPS控制器的設(shè)計(jì)。

　　1、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由方向盤、扭矩傳感器、電子控制單元（ECU）、電機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器組成。在汽車發(fā) 動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，由安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)向力矩，并送給ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩和車速，通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的助力特性曲線和控制策略計(jì) 算出一個(gè)電機(jī)所需的最佳電流，從而控制電機(jī)輸出力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)施加到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，最終得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力，輔助駕駛員 轉(zhuǎn)向。

　　2、控制策略

　　2.1 EPS模型建立

　　根據(jù)牛頓定律，可建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

　　其中：Th為方向盤輸入轉(zhuǎn)矩，Js為轉(zhuǎn)向柱、盤總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Bs為輸入軸阻尼系數(shù)，Ks為力矩傳感器剛度系數(shù)，Tm電機(jī)輸出力矩，Km為助力電機(jī) 和減速機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)，Jm為助力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Bm為助力電機(jī)阻尼系數(shù)，M為齒條質(zhì)量，Br為齒條和轉(zhuǎn)向輪粘性阻尼系數(shù)，Kr為齒條當(dāng)量剛度，G為助力 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，rp為小齒輪半徑，θs為方向盤轉(zhuǎn)角，θm為電機(jī)轉(zhuǎn)角，xr為齒條位移，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)向阻力。