电动客车EPS的关键技术

第 28卷 第 3期 2007年5月 江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition) Vol_28 No．3 May 2007 电动客车 EPS的关键技术 施国标 ，林 逸 ，申荣卫 (1．北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081；2．邢台职业技术学院．河北 邢台054035) 摘要：在分析电动客车电动助力转向(EPS)的基本原理和特点的基础上，讨论电动客车EPS研制 过程中的关键技术．针对结构布置中遇到的问题，采用有限元对结构尺寸进行优化；从助力特 性、电机及减速机构、传感器等几个方面讨论系统的匹配；分析控制的核心问题，研究目标电流 的决策与电流伺服控制技术；并提出EPS设计过程中的可靠性问题与措施．这些关键技术的解决 为 EPS在电动客车上的应用提供了可靠保证． 关键词：电动客车；电动助力转向；结构布置；匹配设计；可靠性 中图分类号：U463．3 文献标志码：A 文章编号：1671—7775(2007)O3—0205—04 Some key techniques of electric power steering for electric bus ． SH／Guo．biao‘ ， LIN Yi‘ ， SHEN Rong．wet’ (1．School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology．Beijing 100081，China；2．Xingtai Vocational and Technical College，Xingtai，Hebei 054035，China) Abstract：Based on the analysis of the principle and traits of the electric power steering(EPS)for elec— tile bus，the key techniques in development of EPS for electric bus are studied．The structure layout of EPS for electric bus is discussed and the FEA method is used to optimize the structure dimension．The matching design of EPS is analyzed focusing on the assist characteristic，assist motor and sensors．The decision and servo control of the objective current of assist motor are discussed aiming at the kernel EPS control issues．The reliability design of EPS is also analyzed．Th e successful application of EPS on the e— lectric bus can be realized based on the resolving of these key techniques． Key words：electric bus；electric power steering；structure layout；matching design；reliability 电动客车(EV)采用蓄电池作为整车的动力来 源，取消了发动机，液压动力转向系统中的油泵需由 电机来驱动，蓄电池电能要经过多次能量转换才能 转换成液压能，存在较多的能量损耗．另外，油泵在 汽车起动后一直工作，即使在不需要助力时也运转， 浪费了电动客车中宝贵的电能．液压动力转向系统 中的橡胶管路和泄漏的液压油会对环境造成污染， 同时维护的成本也较高． 电动助 力转 向 (electric power steering，简称 EPS)由助力电机直接提供助力⋯(如图 1所示)，蓄 电池的电能直接转换成机械能用于助力，能量转换 损耗低．EPS只在需要助力时电机才工作，可以节约 能量，同时还具有低速转向轻便，高速路感好，安全 环保的特点．因此迫切需要为电动客车开发 EPS，以 减少动力转向能量消耗、改善转向系统的助力特性、 提高驾驶舒适性和操纵稳定性，实现真正意义上的 清洁环保车辆． EPS在电动客车上的应用是一项新技术课题， 如何进行结构布置与优化、系统的匹配设计、控制策 略的制定和保证安全可靠是该技术的关键内容．下 收稿日期：2006—12—28 基金项目：北京市科技奥运项 目(I)03050020401 l1) 作者简介：施国标(1972一)．男，浙江杭州人，讲师．博士(sgb@hit．edu．CU)，主要从事车辆系统动力学及控制的研究． 林 逸(1953一)．男．吉林长春人，教授，博士生导师(1inyi@bit．edu．cn)，主要从事车辆系统动力学及控制的研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 206 江 苏 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 第28卷 面分别针对各项关键技术进行了研究探讨． 图 1 电动客车电动助力转向结构图 Fig．1 Structure of EPS system for electric bus 结构布置与优化技术 所研制的电动客车采用锂离子电池作为驱动能 源，总电压为384 V，最高时速为80 km／h，续驶里 程为 160 km，前轴最大负荷为6 180 kg．由于电动客 车前轴负荷大，EPS采用循环球式转向器． 根据电动机布置位置不同，EPS有螺杆助力式 和摇臂轴助力式两种．螺杆助力式 EPS的电机力矩 通过减速机构传递到螺杆上，而摇臂轴助力式 EPS 的电机力矩通过减速机构传递到摇臂轴上．螺杆助 力式EPS的电机与摇臂轴之间有螺杆螺母起降速 增扭作用，相比于摇臂轴助力式，结构更加紧凑．但 是螺杆助力式 EPS中，如图2所示，螺杆传递全部 动力，受力状态接近于纯机械转向时的受力状态，对 螺杆／螺母传动副强度要求较高，导致螺杆／螺母传 动副尺寸偏大．为了尽可能的缩小 EPS的尺寸，需 要对螺杆／螺母传动副的尺寸进行优化设计 ． 图2 螺杆助力式 EPS结构 Fig．2 Structure of screw type EPS 运用 ANSYS对螺杆强度进行有限元分析．首先 选用 SOLID45单元类型和自由网格划分模式，对模 型进行网格划分．通过对受力状态进行模拟加载，并 进行适当的简化，将沿着螺旋滚道的钢球施加的力 简化为沿着圆环施加，在节点上分别施加径向力、轴 向力和扭矩．蜗轮传递的力按照同样方式进行加载． 螺杆两端采用轴承支承，故其两端X／Y／Z三个方向 的自由度全部被约束．完成上述工作后可以对螺杆 进行有限元强度分析．图3为分析结果，螺杆所受最 大应力为266．2 MPa，满足强度要求． 0 59．161 118．322 177．483 236．645 29．581 88．742 147．903 207．O64 266．225 (a)应力／MPa (b)应变 图3螺杆有限元分析结果 Fig．3 FEA analysis result of screw of EPS 2 系统匹配技术 2．1 助力特性的匹配 助力特性的匹配设计主要从整车的角度考虑， 结合整车的参数和驾驶员对转向轻便性和路感的要 求，设计出合理的助力特性．EPS中常采用图4所示 的直线型助力特性 ． 一 一 } Td／Nm 图4 EPS直线型助力特性 Fig．4 Straight—line type assist characteristic of EPS 直线型助力特性的匹配设计需要确定 4个参 数，即开始助力时的转向盘转矩 ，最大助力时的 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 施国标等：电动客车 EPS的关键技术 207 转向盘转矩 ，最大助力电流 ，mm 和车速系数 K ( )． 不能过大或过小，否则转向过于沉重或灵 敏，一般取 =l～2 N·m．Td 受驾驶员极限体力 的限制，不能过大，需要根据驾驶员对转向轻便性的 要求，确定出合理 ．一般根据原地转向时的最 大转向阻力矩确定电机最大助力电流 ，⋯ ．由上述 三个参数可以制定出汽车原地转 向时助力特性曲 线．车速升高时，为保证驾驶员有合适的路感，应使 助力适当减少．因此，车速系数应该随着车速的增大 而减少．文献[4]给出了一种确定车速系数的理论 方法，可以初步确定车速系数，待整个系统设计好 后，在实车上进行各个特征车速的路感试验，并根据 实际情况对特征车速的车速系数进行修正． 2．2 电机及减速机构的匹配 EPS普遍采用有刷直流电机和无刷直流电机． 无刷直流电机采用电子换向，功率密度大，但成本较 高．有刷直流电机采用机械换向器换向，功率密度相 对较低，技术成熟，控制器简单，成本低，最早在 EPS 系统中被采用 j．故选用有刷直流电机作为助力电 机，电机额定转矩为 ． 式中 为电机额定输出转矩；T 为最大转向阻 力矩；Td 为设定的最大转向盘转矩；g 为转向器 角传动比； 为转向器摇臂轴到转向轮主销的角传 动比；g 为电机减速机构传动比；叼为转向器正向 传动效率． 电机额定转速应满足下式： n >nd gm 式中nmmax为电机额定转速；n 为设定的最大转向 盘转速． 电机减速机构的减速比对电机输出转矩起到放 大作用，同时对电机的转动惯量等参数也起到放大 作用，因此影响系统的动态性能．减速比还影响减速 机构的尺寸、布置空间、传动效率等．螺杆助力方式 EPS电机的减速机构可采用蜗轮蜗杆和行星齿轮等 不同．这两种方案各有特点，具体车型采用何种 形式应依据前轴的空间大小、负荷和电动机的特性 等来确定．设计中，考虑到助力电机在转向器上布置 的方便性、安装空间等因素，选择蜗轮蜗杆方案． 2．3 传感器的匹配 ． EPS配置的传感器有转向盘转矩与转角传感 器、车速传感器、电机电流与电压传感器．其中转向 盘转矩传感器最为关键，既影响系统控制精度，又影 响系统成本．转矩传感器用来转向盘上转矩大 小和方向，有接触式与非接触式两种形式． 接触式中用得较多的是电位计式，非接触式中 用得较多的是电感式和光电式．接触式转矩传感器 结构简单，成本较低，缺点是对传感器机械精度要求 较高、性能受温度与磨损影响较大．非接触式转矩传 感器对传感器机械精度相对较低 、测量精度高、抗干 扰能力强，但是成本较高． 综合考虑各种因素，设计中采用电位计式转矩 传感器．该传感器由扭杆转角放大装置和电位计组 成．扭杆转角放大装置的作用是将扭杆的扭转角通 过一套机械机构进行放大．电位计的作用是将放大 的扭杆转角转变成电压信号． 3 控制策略 EPS的控制策略一直是 EPS研究的重点 ． EPS的基本控制过程如图5所示，控制策略可分为 上、下两层．上层控制策略是根据汽车转向工况信息 确定具体的工作模式与目标助力电流．下层控制策 略实现对目标电流的伺服跟踪控制． 图 5 EPS的基本助力控制过程 Fig．5 Basic assist control process ofEPS 3．1 目标电流的决策 电机的基本 目标电流 ，⋯ 是根据助力特性曲线 确定的，对直线型助力特性 可按下式确定： r0 0≤ < ， ={K ( )( 一Tdo) ≤ < In1a 【， l≥ 式中 为转向盘转矩； 为车速． 为获得 良好的动态转 向控制效果，还需要对 EPS系统的转动惯量、阻尼和摩擦进行补偿控制．此 外EPS控制器根据各种传感器的信号，判断转向状 态，选择执行不同控制模式． 3．2 电机电流的伺服控制 采用 PWM控制技术来实现 EPS电机电流的控 制．对 EPS系统，要求电动机在正向、反向两个方向 运转，常采用 H桥式斩波电路，在实际控制中通过 控制占空比 、电动机电压，而达到控制电动机电流 的目的．采用模糊自适应 PID控制器实现对助力电 维普资讯 http://www.cqvip.com 208 江 苏 大 学 学 报(自然 科 学 版) 第28卷 机电流的跟踪控制，以改善控制的动态特性和稳态 精度，提高控制系统的鲁棒性．设计的模糊自适应 PID控制器结构如图6所示，主要包括 PID控制器、 模糊控制器和PWM模块．模糊控制器的输入是目 标电流偏差 e(k)及其偏差变化率，模糊控制器的输 出是 比例、微分和积分系数的偏差 AK。，AK；和 △K．．模糊控制器在线对 PID控制器的比例、微分、 积分三个参数进行调整，以实现动态的优化控制． 图6 模糊自适应 PID控制器结构 Fig．6 Structure of fuzzy adaptive PID controller 4 可靠性技术 转向系统是人的“生命线”之一，必须保证高度 可靠性．在EPS设计中，采用硬件冗余、软硬件保护 和电磁兼容技术来保证 EPS安全可靠的工作． 4．1 硬件冗余 转向盘转矩信号是EPS的关键控制信号，为此 在转向盘转矩传感器中采用硬件冗余技术，输出主副 两路转矩信号，控制器根据主信号进行助力控制，根 据副信号来判断主信号的正确性，起安全防护功能． 4．2 硬件保护 EPS控制器主要由CPU、信号采集与处理电路、 驱动电路、监测电路等组成．在电动机驱动电路中设 置了电子开关(如继电器)，当系统出现异常后，迅 速切断开关 ，以保证系统安全．监测电路用于对系统 进行保护，提高系统的安全可靠性．EPS系统中还设 有离合器，装在减速机构与电机之间，当系统发生故 障时，离合器分离，保证机械转向仍能正常工作． 4．3 软件保护 在控制器软件中通过设置监视跟踪定时器，定 时发出信号，若程序运行失常系统不能定时发出信 号，则监视电路将产生一个复位的信号，引导系统恢 复到初始状态．同时通过设置软件陷阱，来避免因程 序“乱飞”而不断进入非程序区．另外，还采用数字 滤波方法，对控制信号进行数字滤波． 4．4 电磁兼容 首先从控制器硬件上进行电磁兼容性设计，采 取抗干扰措施，如采用低通滤波器消除电源的噪声 干扰；采用分散独立功能块供电；对容易产生干扰和 被干扰的部件使用金属盒进行屏蔽以使干扰电磁波 短路接地；PCB板设计中采取了抑制干扰措施，将功 率电路和信号电路分开，将数字和模拟电路分开，并 将接地线加粗，接地线构成闭环电路． 其次从控制器软件上进行电磁兼容性设计，采 取抗干扰措施，如进行软件冗余；监视当前输出状态 寄存单元，系统工作过程中，当干扰侵入输出通道或 输出状态破坏时，系统能及时查询寄存单元的输出 状态信息，及时纠正输出状态；设自检程序等． 5 结束语 EPS的开发符合汽车电控化的发展方向，在电 动客车上的应用尤为迫切，部件电动化是电动汽车 的发展方向．结构布置与优化是电动客车 EPS开发 的前提，系统匹配设计是电动客车 EPS设计的基 础，控制技术是电动客车 EPS技术的核心，可靠性 是电动客车 EPS产品化的保证．这些关键技术的解 决为 EPS在电动客车上的应用提供了可靠保证． 参考文献(References) 林 逸，申荣卫，施国标．纯电动客车电动助力转向控 制器开发[J]．江苏大学学报：自然科学版，2006，27 (4)：3l0—313． LIN Yi，SHEN Rong—wei，SHI Guo·biao．Development of electric control unit in electric power steering system ofpure electric power bus[J]．Journal ofJiangsu Un&er· sit)"：Natural Science Edition，2006，27(4)：310—313． (in Chinese) 王建华．大客车电动助力转向器开发及其试验技术研 究[D]．北京：北京理工大学，2006． 施国标，林 逸，张 昕．电动助力转向助力特性的若 干问题[C]／／2003年中国汽车工程学会论文集．北 京：中国汽车工程学会，2003． Shi Guobiao，Lin Yi，Zhang Xin，et a1．Simulation of straightdine type assist characteristic of electric powe卜 assisted steering[J]．SAEPaper，2004-01—1107． 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