电动助力转向系统试验台结构设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

电动助力转向系统试验台结构设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

“阻力矩”的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数等。 显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻力矩也将愈大。 同时轮胎和路面间的摩擦系数增大，原地转向阻力矩也将增大。 电动机的各项参数 电动机助力转矩是电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力矩，其大小由 EPS 的 ECU 根据传感器传来的车速信号、转向盘扭矩等参数决定。 在本测试系统中除了对转 向盘的主扭矩、电动机的助力转矩和整个转向装置所受的阻力矩的采集以外，还对车速和转向盘转角进行采集，对车速进行采集是因为一般的汽车电动助力转向装置 EPS 中的电子控制单元 ECU 需要车速这个量；而采集汽车转向盘角这个量是为了测量助力转矩和转向盘转角的关系。 同时也对助力电动机的电流、电压、输出转矩这些量进行采集，以此来检测电动机的工作状态。 转向盘主扭矩与助力电动机转矩的关系 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。 如需要完整说明书和 设计图纸等 .请联系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套机械毕业 设计下载。 该论文已经通过答辩 助力特性对电动助力转向系统的性能，包括轻便性、回正性、路感等有重要影响。 在传统液压动力转向中助力特性主要由阀的结构决定，调整困难，且设计完成助力特性便确定，不随车速变化；而 EPS 不同，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，并可方便地进行调节。 图 23 所示为传统液压动力转向的助力特性曲线，俗称盆形曲线。 图24 为几种典型 EPS 助力特性曲线。 对于永磁直流电动机，电磁转矩与电枢电流成比例，因此 EPS 的助力特性常用电动机电流与转向盘输入力矩 之间的关系曲10 线表示。 图 23 传统液压动力转向助力特性曲线 (a)直线型 (b)折线型 (c)曲线型 图 24 助力特性曲线 助力特性曲线有以下几种类型： (1)直线型助力特性 图 24(a)为典型直线型助力特性。 该助力特性曲线可用下式函数表示 错误 !未找到引用源。 (22) 式中， I 为电动机目标电流； Imax 为电动机最大工作电流； Td 为转向盘输入矩；K(v)为助力特性曲线的梯度， 随车速增加而减小； Td0 为系统开始助力时转向盘输入力矩； Tmax 为系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。 (2)折线型助力特性 图 24(b)所示为典型折线型助力特性。 该助力特性曲线可用下式函数表示 错误 !未找到引用源。 (23) 式中， K1(v)、 K2(v)分别为助力特性曲线梯度，随车速增加而减小； Td1 为助力特性曲线梯度增大为 K2(v)时的转向盘输入力矩。 (3)曲线型助力特性 图 24(c)所示为典型曲线型助力特性。 该助力特性曲线可用下式函数表示 错误 !未找到引用源。 (24) 比较上述 3 种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，数据量小，存储方便，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，数据存储量大，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。 助力特性曲线特征与参数11 的确定要与车型、驾驶员的要求相匹配。 一般直线型助力特性适用于前轴负荷较小的车型，曲线型助力特性适用于前轴负荷较大的车型，折线型助力特性则介于两者之间。 我们根据采集的电动机电流、转向盘主扭矩和车速的数据画成与助 力特性类似的曲线，然后和助力特性曲线比较，如果与之比较相符的话，就说明汽车电动助力转向装置的性能比较好；反之，就说明性能不是很好，针对这些就应该对电子控制器进行硬件和软件上的修改。 所以本测试系统既可以用于研究开发人员对自己设计的 EPS 系统进行检测；也可以用于成品的检查，这样可以使不符合要求的产品从性能良好的产品中分离出去。 12 第三章 电动助力转向试验台各部件的选用 系统主要部件 测控系统主要有电子控制单元 (ECU)，电动机，减速机构，磁粉制动器，多功能数据采集卡，车速传感器，转矩传感器等部件组成。 检测的主要性能参数为：汽车的车速，转向盘的主扭矩和角度及车轮的阻力矩，电动机的电流、电压和转矩。 电子控制单元 (ECU) ECU 的功能是根据车速信号、转向盘扭矩信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电动机和离合器的动作。 此外， ECU 还有安全保护和自我诊断功能， ECU 通过采集电动机的电流、电动机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动取消，系统转变为手动转向状态，同时 ECU 将进行故障诊断分析。 ECU 通常是一个 8 位单片机系统或者是 16 位电动机控制专用微处 理器芯片，也可采用数字信号处理器 (Digital Signal Processing，简称 DSP)作为控制单元。 由于电动助力转向系统存在非线性元件 (如摩擦和阻尼 )，另外元件的磨损、路面条件的变化和传感器噪声也会给系统带来不确定性，因此控制系统与控制算法也是 EPS 的关键之一。 控制系统应有较强抗干扰能力，以适应汽车复杂的行驶环境。 控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。 它是本系统检测的关键部件。 电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助转矩，是 EPS 的动力源。 电动机对 EPS 的性能有很大的影响，是 EPS 的关键部件之一，所以 EPS对电动机有很高的要求，这些要求主要有： (1)由于大多车载电源为 12V 直流电，因此要求助力电动机的工作电压低和具有足够大的额定功率和额定电流； (2)转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平稳，力矩波动小； (3)大的齿轮传动比将增加机械惯量，降低 EPS 系统的动态性能，所以齿轮传动比较小，因此，电动机转速不能太高； (4)为减小转子的惯性力矩，电动机的体积应尽可能小； (5)在堵转时也要能够提供助力作用，对于大型的 车辆，甚至要求电动机能够提供与转动方向相反的助力转矩。 13 表 31 分析了不同电动机的技术特点及其满足 EPS 使用要求的情况。 这几种电动机不仅在结构方面有各自的特点，而且在效率、功率密度、力矩波动等技术参数也互不相同。 考虑到汽车的特点，要求 EPS 选用的电动机应该具有尺寸小、质量轻、效率高、力矩波动与噪声小，可靠性高、能与汽车使用环境相适应，包括对电源的需求等。 表 31 不同类型电动机技术特点比较 电机类型 项目 感应电动机 永磁有刷电动机 永磁无刷电动机 开关磁阻电动机 结构特点 结构简单 三 相定子 铝或铜笼转子无永磁体 转动绕组 机械换向器 三相定子 永磁转子 电子换向 四相定子 钢铁转子 无转子绕组 无永磁体 负荷效率 (%) 9092 8597 8597 7886 系统复杂程度 驱动电路复 杂 控制器简单 控制器简单 高度复杂 使用技术 成熟 成熟 仍在发展 仍在发展 可靠性 一般 较好 优 较好 力矩波动 小 电动机设计时 考虑 基本通过电磁 设计考虑 由电磁设计和电子控制考虑 功率密度 中 中 高 中 对助力大小要求较低的汽车，选用永磁有刷直流电动机是一个好的选择，因为有 刷直流电动机技术成熟、控制器结构简单、成本低；对要求助力较大的轿车，应选择永磁无刷直流电动机，因为永磁无刷直流电动机比其它类型电动机更具有优势。 虽然也可以用开关磁阻电动机，但是需要进行许多的研究来克服其缺点。 减速机构 EPS 的减速机构与电动机相连，用来增大电动机的输出扭矩。 主要有两种形式：蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。 前者主要用于转向轴助力式转向系统，后者主要用于齿轮助力式和齿条助力式转向系统。 本试验台的测试减速机构为蜗轮蜗杆减速机构，减速比为。 14 图 31 蜗轮蜗杆减速机构 转向电动机 磁粉制动器的阻力矩最大值 Tc=100Nm， i=，转向盘所需施加的转矩 Td=Tc/i=100/ = PW错误 !未找到引用源。 选择 Y90L4 电动机，将其有关参数带入验算 错误 !未找到引用源。 取 ， n=1400 r/min T= 错误 !未找到引用源。 9550 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =10Nm T 错误 !未找到引用源。 Td 所以转向电动机选 Y90L4。 磁粉制动器 本系统中应 用磁粉制动器来模拟转向系统的阻力矩。 磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。 在该系统中，利用磁粉制动器来模拟汽车整个转向装置所受的阻力矩。 尽管磁粉制动器难以精确模拟行驶路况，但是可以实现磁粉制动器负载的变化趋势与路面行驶一致。 因此，通过磁粉制动器研究可以探索电动机15 的助力规律，检验助力控制程序的运行效 果，分析 EPS 对汽车转向轻便性的影响。 同时也可以降低直接装车进行路试的危险性和研究成本。 本试验台采用瑞安市中瑞控制器厂生产的 CZ 型磁粉制动器 (如图 32)，其技术参数如表 32。 图 32 CZ 型磁粉制动器 表 32 CZ 磁粉制动器技术参数 参数 额定转矩 激磁电流 A 允许滑差功率 KW 冷却方式 磁粉量 g 指标 100 1 8 单双水冷 150 其主要有激磁电流 力矩、转速 力矩和负载三个特性： (1) 激磁电流 力矩特性 激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的 大小。 其特性如图 33 所示。 图 33 激磁电流 力矩特性 16 图 34 转速 力矩特性 (2) 转速 力矩特性 力矩与转速无关，保持定值。 静力矩和动力矩没有差别。 特性如图 34 所示。 (3) 负载特性 磁粉制动器的允许滑差功率在散热条件一定时是定值。 其连续运行时，实际滑差需在允许滑差功率以内。 使用转速高时，需降低力矩使用。 其特性如图 35所示。 图 35 负载特性 传感器的选择 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 一般来讲传感器的选用与以下几个方 面密切相关：  控制方面的要求：涉及测定的目的、测量的对象、测量的范围以及精度要求等；  今传感器的性质：包括精度等级、稳定性、对象的特性影响等； 17  使用条件：主要涉及应用现场的环境因素；  供求水平和维护：也即经济性和良好的维护性。 同时试验台系统的工作环境的多变性，以及来自电动机和功率驱动电路的电磁干扰比较大，考虑到人身安全要求的高可靠性等。 表 33 现场信号清单 序号 信号名称 信号类型 信号源 路数 信号标准 1 车速信号 模拟量输 入 波形发生器 1 方波 2 角度信号 数字量输 入 角度传感器 1 方 波 3 转向转矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 4 电动机转矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 5 转向阻力矩 模拟量输 入 扭矩传感器 1 方波 6 电动机电流 模拟量输 入 电动机输出端子 1 5~+5v 7 电动机电压 模拟量输 入 电动机输出端子 1 5~+5v 试验台用传感器也有其自身的特殊要求。 具体体现在以下几个方面： (1)有较好的环境适应性； (2)批量生产，并具有互换性； (3)高可靠性，稳定性好； (4)尽可能小型、轻量，便于安装； (5)抗电磁干扰能力强； (6)性能 :精度高、响应快，从而满足试验台实时采集数据的要求。 从表 33 中可以看出，本系统中待检测的信号比较多，而且信号的种类又不同，主要有转矩信号、速度信号、转角信号、电流信号、电压信号等。 在该系统中，最主要的性能参数为汽车的车速，转向盘的主扭矩和电动机目标电流，下面对这三者所用的传感器和检测方法加以详细的说明。 18 转速传感器 (1)转速传感器的分类及特点 速度传感器是将机械运动速度这个非电量变换成电量信号的传感器，如果按输出信号的模式可分为模拟式和数字式两种，按工作原理又可分为电容式、光电式、磁电式等 ，其分类方法如图 36 所示。 1)模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为测速发电机。 测速发电机的构造简单可靠，耐振动冲击，速度范围小，但温漂较大，不适于高温环境。 2)数字式传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号，按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 直流测速机。