底盘电子控制技术第4课转向控制技术.ppt

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1、汽车拖拉机学电器与电子设备,汽车拖拉机学电器与电子设备课件,2023年11月2日星期四,内 容：第十章 底盘电子控制技术(第4课 转向控制技术)主讲人：鲁植雄 教授Email：Q Q：1607357229,2,2023年11月2日星期四,本章内容安排,第十章 底盘电子控制技术,第1课 自动变速器控制技术第2课 制动控制技术第3课 驱动防滑控制技术第4课 转向控制技术第5课 悬架控制技术,3,2023年11月2日星期四,一、电动式EPS的结构二、电动式EPS的工作原理三、电动式EPS的类型四、电动式EPS的特点五、电动式EPS的控制功能六、线控转向系统七、四轮转向系统,本节课的主要内容,第4课

2、转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,4,2023年11月2日星期四,电子控制动力转向系统简写为EPS，是英文Electronic Power Steering的简写。汽车电控转向系统根据车速或发动机转速，改变动力放大倍数，可使汽车在停车或低速行驶时转动转向盘所需的力减少。当汽车高速行驶时，系统能保证最优控制传动比和稳定的手感，从而提高高速行驶时的稳定性。类型：电动式EPS和液力式EPS两种。,一、电动式EPS的结构,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,5,2023年11月2日星期四,组成：传感器、控制单元(ECU)、电动机、减速机构和离合器等,一、电动式EPS的结构,第4课 转

3、向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,6,2023年11月2日星期四,1.传感器在电动式EPS中传感器主要应用了转矩传感器、转速传感器、速度传感器。转矩传感器时刻检测转向盘的运动情况，将驾驶员转动转向盘的方向、角度信息传送给控制单元作输入信号。转速传感器用于测量转向盘的旋转速度，速度传感器测量汽车的行驶速度，两者的测量结果同样送到控制单元作为输入。转矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定电动助力转向系统能否占领市场的关键因素之一。目前采用较多的是在转向轴位置加一扭杆，通过测量扭杆的变形得到转矩。另外也有采用非接触式转矩传感器。它的优点是体积小，精度高，缺点是成本

4、高。,一、电动式EPS的结构,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,7,2023年11月2日星期四,2.控制单元控制单元：8位或16位微处理器为核心，外围集成模数电路、输入信号接口电路、报警电路、电源。具有计算、查表、故障诊断处理、存储、报警、驱动等功能。3.电动机直流电动机和无刷永磁式直流电动机，驱动电路根据采用的电动机和控制策略不同而不同。,一、电动式EPS的结构,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,8,2023年11月2日星期四,4.减速机构电动助力转向系统的减速机构与电动机相连，起减速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆机构，也有采用行星齿轮机构。5.离合器保证电动助力转向系

5、统只在预先设定的车速行驶范围内起作用。当车速达到某一值时，离合器分离，电动机停止工作，转向系统转为手动转向。当电动机发生故障时离合器将自动分离。,一、电动式EPS的结构,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,9,2023年11月2日星期四,电动式EPS是在传统机械转向机构基础上增加信号传感装置、控制单元和转向助力机构。电动助力转向系统的转向轴由靠扭杆相连的输入轴和输出轴组成，输出轴通过传动机构带动转向拉杆使车轮转向，输出轴除通过扭杆与输入轴相连外，还经行星齿轮减速机构-离合器与助力电动机相连。驾驶员在操纵转向盘时，给输入轴输入了一个角位移，输入轴和输出轴之间的相对角位移使扭杆受扭，转

6、矩传感器将扭杆所受到的转矩转化为电压信号输入电控单元；与此同时，车速传感器检测到的车速信号也输入电控单元，电控单元综合转向盘的输入力矩、转动方向以及车速等输入信号，判断是否需要助力以及助力的方向。,二、电动式EPS的工作原理,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,10,2023年11月2日星期四,若需要助力，则依照既定的助力控制策略计算电动机助力转矩的大小并输出相应的控制信号给驱动电路，驱动电路提供相应的电压或电流给电动机，电动机输出转矩由蜗轮蜗杆传动装置放大再施加给转向轴起助力作用，从而完成实时控制助力转向；若出现故障或车速超出设定值则停止对电动机供电，系统不提供助力，同时，离合器

7、切断，以避免转向系统受电动机惯性力矩的影响，系统转为人工手动助力。,二、电动式EPS的工作原理,第4课 转向控制技术,图410 电动式EPS工作过程框图,第十章 底盘电子控制技术,11,2023年11月2日星期四,电动式EPS的控制过程：转矩和转向角信号经过A/D转换器后输入ECU，ECU根据这些信号和车速计算出最优化的助力转矩。ECU把输出的数字量经D/A转换器转换为模拟量，再将其输入电流控制电路。电流控制电路把来自微处理器的电流命令值同电动机电流的实际值进行比较，并生成一个差值信号。该差值信号被送到电动机驱动电路，该电路可驱动动力装置并向电动机提供控制电流。,二、电动式EPS的工作原理,第

8、4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,12,2023年11月2日星期四,依据助力电动机助力位置不同，可分为转向轴式电动助力转向系统、齿轮轴式电动助力转向系统及齿条轴式电动助力转向系统三种形式。1转向轴式电动助力转向系统转向轴式电动助力转向系统的电动机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向,三、电动式EPS的类型,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,13,2023年11月2日星期四,2齿轮轴式电动助力转向系统齿轮轴式电动助力转向系统的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。与转向轴式相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车。其助力控制特

9、性方面增加了难度。,三、电动式EPS的类型,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,14,2023年11月2日星期四,3齿条轴式电动助力转向系统齿条轴式电动助力转向系统的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。与齿轮轴式相比，齿条助力式可以提供更大的转向力，适用于大型车。对原有的转向传动机构有较大改变。,三、电动式EPS的类型,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,15,2023年11月2日星期四,电动式EPS与液力式EPS相比，具有如下特点：助力性能优。能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力

10、，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性；并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。效率高。电动式EPS为机械与电动机直接连接，效率高，有的可高达90以上。耗能少。汽车在实际行驶过程中，处于转向的时间约占行驶时间的5。对于液力式EPS，发动机运转时，油泵始终处于工作状态，油液一直在管路中循环，从而使汽车燃油消耗率增加46；而电力式EPS仅在需要时供能，使汽车的燃油消耗率仅增加0.5左右。,四、电动式EPS的特点,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,16,2023年11月2日星期四,路感”好。由于电力式EPS内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软

11、件加以控，且可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。回正性好。电力式EPS结构简单，内部阻力小，回正性好，从而可得到最佳的转向回正特性，改善汽车操纵稳定性。可以独立于发动机工作。电力式EPS以电池为能源，以电动机为动力元件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力作用。应用范围广。电力式EPS可用于各种汽车，目前主要用于轿车和轻型载货汽车上；而对于环保型纯电动汽车，由于没有发动机，电力式EPS为最佳选择。装配性好且易于布置。因为电力式EPS系统零部件数目少，主要部件均可以组合一起，所以整体外形尺寸小，这为整车布置带来方便，且易于在装配线上安装。,四、电动式EPS的特点,第4课 转

12、向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,17,2023年11月2日星期四,1.助力控制助力控制是在转向过程（转向角增大）中为减轻转向盘的操纵力，通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统（转向轴、齿轮、齿条）上的一种基本控制模式。助力控制利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中，根据预制的不同车速下“转矩电动机助力目标电流表”，确定电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与电动机目标电流相比较，利用PID调节器进行调节，输出PWM信号到驱动回路，以驱动电动机产生合适的助力。,五、电动式EPS的控制功能,第4课 转向控制技术,

13、电动式EPS的助力控制逻辑,第十章 底盘电子控制技术,18,2023年11月2日星期四,2.回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在，使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高，回正转矩增大，而轮胎与地面的侧向附着系数却减小，二者综合作用使得回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。回正控制主要用于低速行驶，此时电动机控制电路实行断路，保持机械系统原有的回正特性。对于高速行驶，为防止转向回正超调，采用阻尼控制方式。,五、电动式EPS的控制功能,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术

14、,19,2023年11月2日星期四,3.阻尼控制阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式。汽车高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响汽车的行驶稳定性。为提高直线行驶的稳定性，在死区范围内进行阻尼控制。阻尼控制是利用生成的阻尼转矩提供阻尼控制，阻尼转矩的方向与转向方向相反。阻尼控制允许转向系统调整回正速度。此外，阻尼转矩随车速的变化而变化，使得从低速到高速的整个变化范围内，都可得到最优的转向回正和汽车回正速度。,五、电动式EPS的控制功能,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,20,2023年11月2日星期四,4.转矩补偿控制补偿控制系统可根据转向作用力变化率，沿转矩变

15、化的方向产生补偿转矩。预防由于ECU取样、电动机感应等引起的控制系统的延迟所成的自激振荡，确保系统稳定运行。电动机的惯性补偿可限制在正常转向操作过程中转向力变化时和急速转向时，转向作用力上升所产生的任何不规则的传感信号。5.停止助力转矩控制当系统的基本部件（如转矩传感器、电流传感器、ECU及其连线等）出现故障，导致系统不能正常工作时，离合器分离，电源继电器释放，从而停止助力转矩控制，以确保系统安全。,五、电动式EPS的控制功能,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,21,2023年11月2日星期四,6.限制助力转矩控制当发动机怠速、蓄电池充电不足而又过载使用时，若动力转向系统仍继续运

16、转，则蓄电池将大量放电，会导致蓄电池失效。为了预防这种情况和保护蓄电池，系统将限制电流的大小。ECU安装在发动机内，若汽车长时间爬坡或热天在拥挤的道路上行驶，转向系统在发动机怠速下运行时，ECU温度会升高。因此，系统在ECU达到警戒温度之前就要服制电流，由于ECU温度和电动机温度有关，又可防止电动机温度过高。为了防止过热，系统对连续几秒钟内的电流消耗进行监测，且保持电流消耗不超过预设值。,五、电动式EPS的控制功能,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,22,2023年11月2日星期四,汽车线控转向系统（Steering By Wire System，简写SBW）取消了转向盘与转向轮

17、之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以给自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。汽车线控转向系统是汽车转向方面最为先进和最前沿的技术之一。1.功能满足了汽车智能化发展的需要。提高了汽车的操纵稳定性。改善驾驶员的路感。,六、线控转向系统,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,23,2023年11月2日星期四,2.组成转向盘系统、电子控制单元(ECU)、转向执行系统以及自动防故障系统、电源等辅助系统。,第4课 转向控制技术,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,24,2023年

18、11月2日星期四,第4课 转向控制技术,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,25,2023年11月2日星期四,3.工作原理当转向盘转动时，转矩传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到电子控制单元，电子控制单元依据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向，并根据转向力模拟、生成反馈转矩，控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转的角度，通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员所期望的轨迹行驶。,第4课 转向控制技术,汽车线控转向系统的工作原理图,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,26,2023年

19、11月2日星期四,4.冗余系统（rongyu system）（1）传统的转向系统是最安全的？传统的转向系统由于采用的是机械传递系统，因此被认为是最安全的，因为机械系统在发生损坏之前会有一个预警信号提供给驾驶员，而且在发生损坏后的一段时间内，机械系统仍然能够实现或者部分实现其功能。（2）线控转向为何不安全？为何要设计转向冗余系统？而线控转向系统由于其采用的是转角传感器、力矩传感器、主控制器、模拟反馈系统以及转向电动机等一系列的电子元件，这些电子部件的破坏很有可能是没有预警信号的，一旦系统失效其设计功能有可能完全丧失，因此如何保证线控转向系统安全可靠工作是其能否全面推广应用的一个重要因素。这就涉及

20、线控转向系统的冗余系统设计，线控转向系统的冗余设计是完全必要、而且是十分重要的。,第4课 转向控制技术,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,27,2023年11月2日星期四,（3）冗余系统的功用当线控转向系统失效时，冗余系统能立即投入使用，并对不同的转向故障形式和故障等级做出相应处理，以求最大限度的保证汽车正常行驶，保证汽车的安全性和可靠性。（4）冗余系统的设计方法硬件系统的冗余设计、软件系统的容错设计,第4课 转向控制技术,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,28,2023年11月2日星期四,（5）硬件系统冗余设计的三种形式：第一种是采用“线控转向系统+液压转向系统”的冗余设

21、计。顾名思义，采用液压转向系统作为应急转向系统。该系统同时具有线控转向系统和液压转向系统两套转向系统，通常情况下，使用线控转向系统体现了系统良好的转向特性，当系统出现故障后，使用液压蓄能器的液力提供转向动力。第二种是采用“线控转向系统+线控转向系统”的冗余设计。这种转向系统几乎所有的部件都采用双套的，因而成本较高，但能有效避免其他方式中因为电子系统的失效，而引起的汽车输出特性急变，从而进一步提高了汽车性能。,第4课 转向控制技术,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,29,2023年11月2日星期四,第三种是采用“线控转向系统+机械转向系统”的冗余设计。这种系统结构简单，便于实现和控制，

22、在电子系统失效后汽车性能会出现很大变化，引起驾驶员不适，增加驾驶员负担。采用行星齿轮作为故障离合器和减速机构。当线控转向系统失效时，行星齿轮由减速器转换为离合器，结合转向盘与地面车轮，驾驶员仍可操纵汽车转向。,第4课 转向控制技术,行星齿轮作为故障离合器和减速机构,六、线控转向系统,第十章 底盘电子控制技术,30,2023年11月2日星期四,能够全面改善汽车的转向性能，汽车在低速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮反向偏转，可以减小汽车的转向半径；汽车在中速行驶过程中进行转向时，使后轮与前轮同向偏转，可以提高汽车的转向灵敏性；汽车在高速行驶过程中进行转向时，使后轮也与前轮同向偏转，可以减小汽车在

23、转向过程中的横摆运动，改善汽车的稳定性。,七、四轮转向系统,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,31,2023年11月2日星期四,四轮转向汽车与两轮转向汽车相比，具有以下优点：提高了汽车在高速行驶时和在湿滑路面上的转向性能；驾驶员操纵转向盘反应灵敏，动作准确；在不良路面和侧风等条件下，汽车也具有较好的方向稳定性，提高了高速下的直线行驶稳定性；提高了汽车高速转向的行驶稳定性，不但便于转向操纵，而且在进行急转弯时，也能保持汽车的行驶稳定性；通过使后轮转向与前轮转向相反，减小了低速行驶时的转向半径，不但便于在狭窄路面上进行U形转弯，而且在驶入车库等情况下便于驾驶。,第4课 转向控制技术,

24、七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,32,2023年11月2日星期四,第4课 转向控制技术,二轮转向汽车与四轮转向汽车的比较,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,33,2023年11月2日星期四,机械式、液压式、电动式和复合式。1机械式4WS机械式四轮转向的工作原理是根据转向盘的转角进行控制，它利用后轮齿轮转向机构中的偏心轴、行星齿轮等部件的工作来实现同相位和逆相位的转向。后轮的转向运动只是在前轮转动时才有。后轮齿轮转向机构在转向盘角度约为120时，同相位转角达到最大值，然后后轮逐渐恢复直线行驶状态；当转向盘角度约为240时，后轮重新回到直线行驶状态。当转向盘角度继续增大，后轮

25、就会向与前轮反方向转动。该系统利用了随着车速的提高，驾驶员转动转向盘的角度变小的操纵特点，实现了前后轮的同时转向，结构简单，成本低，但它无法根据车速进行精确地控制。,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,34,2023年11月2日星期四,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,35,2023年11月2日星期四,2液压式4WS液压四轮转向系统可以采用液压控制和电子控制两种方式。转动转向盘产生的转向液压被传到控制后轮的控制阀上，使滑阀移动，从而控制油泵的油路把液压传至后轮转向的动力缸，实现液压推动后轮转向。后轮的转向角还可根据行驶速度产生不同的

26、液压，当停车时，油泵不产生油压，后轮不转向，随着车速的提高，液压升高，后轮便可转向。另外还可以根据路面的阻力大小来实现对后轮转向角的控制。,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,36,2023年11月2日星期四,3电动式4WS电子控制电动式四轮转向的前轮就是普通的机械转向，后轮的转向是由装在后轮的电动机来实现的，后轮的转向角由计算机控制。控制后轮的计算机通过检测转向角、转向时车身的角速度、角加速度等参数来监视汽车的转向状况。根据转向盘的操作状态及车速，计算出后轮的目标转向角，向步进电动机输入脉冲电流使后轮转向，并且可以实时监视汽车状况来计算目标转向角与后轮的实际转向

27、角之间的差来实时调整后轮的转向角。,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,37,2023年11月2日星期四,电子控制四轮转向系统主要有ECU、车速传感器、转向角比例传感器和执行器等组成。前、后转向机构由机械连接。转向盘的转动通过前转向齿轮箱（齿轮齿条式）中的齿条带动前横拉杆左右移动，使前轮产生偏转。同时，使前转向齿轮转动的输出齿轮转动，并通过一个连接杆将转动传动到后转向器中。,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,38,2023年11月2日星期四,4.复合式4WS可以将几种结构方式结合起来，形成复合式4WS系统，但是结构较为复杂。电子控制

28、电动系统是四轮转向系统中可以进行精确控制的一种方式，它是由计算机进行控制，驱动可靠，而且体积小，便于布置。,第4课 转向控制技术,七、四轮转向系统,第十章 底盘电子控制技术,39,2023年11月2日星期四,介绍了电动式EPS的结构介绍了电动式EPS的工作原理介绍了电动式EPS的类型介绍了电动式EPS的特点介绍了电动式EPS的控制功能介绍了线控转向系统的功用介绍了线控转向系统的组成、工作原理、结构特点、冗余系统介绍了四轮转向系统的优点、类型,小结,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,40,思考题,2023年11月2日星期四,名词解释：EPS、转向路感、线控转向、冗余系统、4WS简述电动式EPS的结构及工作原理。电动式EPS主要有哪几种类型?电动式EPS有哪些控制功能？汽车线控转向系统为何要设置冗余系统？汽车四轮转向系统有何特点?汽车后轮转向控制有哪几种类型?,第4课 转向控制技术,第十章 底盘电子控制技术,41,2023年11月2日星期四,本节课内容结束,下一讲,第5课 悬架控制技术,第十章 底盘电子控制技术,第4课 转向控制技术,