1、设计的目的和意义
现在汽车技术追求高效节能，高舒适性和高安全性三大目标。目前，广泛用于现代汽车上的液压助力转向系统以及部分车辆上应用的电控液压转向系统，距离上述目标仍有相当的差距，而电动助力转向系统能够完全实现上述目标。
汽车电动助力转向系统节能并有助于环保，EPS系统是现有各种动力转向系统中燃料消耗率最低的系统，系统中没有油泵、液压控制阀、动力缸、油缸等液压部件，故而不存在液压部件意外损坏造成工作油液泄漏等直接污染的环境问题。高度的控制性能，EPS系统中不仅包含转向器、传感器、控制器和执行机构等硬件，而且还包含大量隐而不漏的所谓软（件）的、虚（拟）的技术。高性能化，汽车电动助力转向系统具有较强的路感、跟踪性、高抗干扰性、高稳定性、可靠性。
随着汽车性能的不断提高，不但要求汽车在低速和驻车时的转向轻便性，同时也要求汽车在高速时的操纵稳定性，然而传统的机械式转向系统（MS）、液压动力转向系统（HPS）都不能同时满足低速转向轻便性和高速操纵稳定性的要求。电动助力转向系统（EPS）可以解决汽车转向“轻与灵”的矛盾，与传统液压动力转向系统相比有许多优势。
EPS是现代汽车转向系统发展的必然趋势。该系统在国外已经由研究、开发和试用阶段，转入批量生产阶段，并成为现代汽车零部件生产的“高新技术产品”。       随着电子电力技术和控制技术的发展，EPS取代HPS已经成为必然，近几年来，国内也有许多单位和个人先后开展了电动助力转向系统的研究工作，也取得了一定的成绩，但我国在这方面与国际先进水平仍然存在很大的差距。着眼于未来汽车转向系统巨大的市场潜力，进行电动助力转向系统的开发将是一件非常有意义的工作。
同时作为车辆工程专业的本科生，对转向系统的设计是十分必要的，通过在毕业设计过程中，对所学知识进行复习总结，同时学习新的知识，为以后的工作打下坚实的基础。
2、文献综述（课题研究现状及分析）
2.1 EPS系统的国内研究现状
清华大学自1992年开始研究EPS，目前已完成了台架性能试验，正准备台架寿命试验和整车试验。清华大学的陈奎元教授对EPS的助力控制、回正控制和阻尼控制技术分别进行了研究[4]。清华大学的季学武教授对EPS的直流伺服技术进行了研究[2][3]，针对EPS原有的单一控制方式的不足，采用带有助力和阻尼两种模式的综合控制方式，提出一种针对占空比和控制模式的修正方法。同时，季学武教授还申请了“一种车用光电式扭矩传感器”的专利，因为扭矩传感器一直是电动助力转向的核心部件。
    吉林大学的宗长富通过对方向盘回正力矩的建模[5][6]，模拟生成了为驾驶员提供路感的方向盘回正力矩，利用所提出的前轮转向控制算法，对模摆角速度和侧向加速度进行反馈控制，提高了汽车的稳定性。目前吉林大学完成了汽车电动助力转向系统(EPS)研究，通过在捷达车上测试并通过吉林省科技厅鉴定。
    合肥工业大学的王启瑞和郁明等对EPS的单片机控制进行了研究[7]。蒋浩丰，黄森仁等建立了基于笛卡儿坐标的EPS多刚体动力学模型、轮胎模型及整车二自由度转向模型，采用基于PID的模糊神经网络控制方法进行控制[8]。陈无畏和王启瑞先后提出了性能较好的模糊自调整PD控制[9]和具有鲁棒性较强的基于H控制[10]的不同方式对EPS进行控制。
    江苏大学的徐建平提出了EPS的阻尼控制方法和回正控制算法[11]，对特定频段应用主动阻尼控制方法来增加系统阻尼，并基于转向盘转角估计方向盘的回正力矩，省去了转角和转速传感器，降低了控制系统的成本。何仁对EPS稳定性进行了分析，提出在满足助力的前提下，应尽量取小的助力增益值使系统更稳定[12]。另外江苏大学的罗石等提出并设计了电动助力转向系统驱动电路方案，即H桥式驱动电路中上、下管均采用N沟道MOS管，上管常通或常闭，下管由PWM逻辑电平控制的驱动方案[13]。
    天津大学的许镇琳等人基于综合目标函数的误差反向传播学习算法，实现了全车速范围的非线性转向助力，克服了转向助力盲区[14]。王豪等人设计的EPS系统动态补偿控制器进行补偿控制后，使得转矩信号的抗扰动能力提高了67％，系统暂态性能和稳态性能满足了实际使用要求，同时也明显减小了系统的振荡[15]。
    华中科技大学的唐新蓬定性地说明了EPS系统的控制方式和结构参数对汽车转向盘阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响[16]。另外还讨论了EPS系统对汽车转向盘力特性的影响，提出了并验证了将EPS系统比例控制系数设计随车速和侧向加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法[17]。刘照和杨家军等对EPS系统进行动态分析研究并分别提出了基于混合灵敏度和基于H鲁棒控制方法[18][19]。
    浙江大学中标了浙江万达汽车方向机有限公司联合招标的重大科技攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研究”项目[20]。
    由于国内各大企业与研究机构对该项技术的控制理论与控制原理并未完全掌握，仍处于探讨实践阶段，EPS的批量国产化工作仍需一个摸索的过程。
2.2 EPS系统的国外研究现状
 EPS系统最先在日本获得实际应用。日本铃木公司于1988年首次在其生产的Cervo车上装备了EPS系统，随后用在Alto车上[1]。此后，电动助力转向技术得到了迅速的发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司、美国的Delphi汽车公司[21][22]、TRW公司[23]，德国的ZF公司[24][25]，都相继研制出各自的EPS系统。其中技术发展最快、应用较为成熟的当属TRW转向系统和Delphi Saginaw(萨吉诺)转向系统，而Delphi Saginaw(萨吉诺)转向系统又代表着电动转向系统发展的前沿。TRW公司从1998年开始便投入大量的人力、物力用于EPS系统的开发。最初针对客车转向柱助力式EPS系统，其后的小齿轮助力式EPS系统开发也获得成功。1999年，TRW公司的EPS系统已经装备在轿车上，如Ford Fiesta和Mazda 323F等。Delphi汽车系统公司已经为大众的Polo、欧宝318i以及菲亚特的Punto开发出EPS系统。
2.3 EPS系统的发展趋势
    (1)控制性能的加强：
 EPS能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还必须有良好的控制软件做支撑，随着智能控制技术的进一步发展，智能控制技术必将应用于EPS的开发。
    (2)合理助力特性的确定：
 助力特性的好坏取决于转向的轻便性和路感。对于路感问题国内外还没有成熟的理论研究结果，研究手段还以试验为主。
(3)电动机性能的改善：
    电动机的性能是影响控制系统性能的主要因素，电动机本身的性能及其与EPS的匹配都将影响转向操纵力、转向路感等重要问题。
    (4)系统可靠性的提高：
 EPS通过采用电动机和计算机控制系统，部分地将转向操作独立于驾驶员的控制，因此EPS系统比液压系统会有更多不同的故障模式。
3、基本内容、拟解决的主要问题
电动助力转向系统在原有汽车转向系统的基础上, 改造并且增加了以下几个部分: 电子控制单元、传感器部分( 扭矩传感器、车速传感器等) 、助力电机等。
3.1 主要研究内容
    1、研究汽车行驶状态参数，汽车的状态参数包括：汽车发动机信号、车速信号、点火信号、扭矩传感器、转向电机电磁离合器信号等。
    2、汽车电动助力转向系统的工作原理。
    3、采用AMEsim进行电动助力转向系统结构仿真的方法。
    4、采用Simulink设计电动助力转向系统控制策略的方法。
    5、基于AMEsim和Simulink的汽车电动助力转向控制系统的联合仿真分析方法。
3.2 解决的主要问题
    1、利用软件模拟车速信号、方向盘扭矩信号和发动机信号等汽车状态参数。
    2、采用运动学和动力学方法建立汽车动态模型，研究汽车状态参数对汽车转向控制系统的影响，制定转向控制策略。
    3、利用自主研发的汽车电动助力转向控制平台对汽车电动助力转向控制系统进行模拟和分析。通过对不同车速、不同发动机转速和不同转向扭矩等汽车状态的仿真，验证控制策略的有效性。
4、技术路线或研究方法
4.1 电动助力转向系统的建模            
    (1)AMEsim软件
     AMEsim是一个图形化的开发环境, 用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析。AMEsim提供了和(Matlab/Simulink) 的接口。
    (2)AMEsim和Simulink的联合建摸
    利用AMESim软件, 结合Simulink 对EPS系统进行了建模。在AMESim中建立了电动助力转向系统的机械部分模型、电动机模型和Simulink 接口模块; 在Simulink中的控制器模型和AMESim接口模块。每个模块可以方便地设置各自的参数,还可以方便地选择合适的计算模型, EPS系统的里机械部分和电子部分可以简单得到, 通过两个软件的接口, 只要在Simulink建立起控制器模型就可以实现整个EPS系统的仿真。
4.2 EPS系统的控制模式与控制策略分析
4.2.1 助力控制模式
    助力控制是汽车在低速行驶过程中进行转向时，为减轻转向盘的操纵力，使其转向操纵轻便灵敏，可通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统上的一种基本控制模式。该控制模式是利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向盘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人控制器中，根据预测的不同车速下“转矩一电动机助力目标电流表"，确定出电动机助力的目标电流，通过对反馈电流与目标电流相比较，利用PD调节器等来进行调节，输出PWM(脉宽调制)信号到驱动回路以驱动电动机产生合适的助力。
4.2.2 回正控制模式
    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。在汽车静止或低速行驶时，由于地面摩擦力、转向系库仑干摩擦力和阻尼力以及车辆相位滞后的影响，汽车本身的回正力矩无法使转向盘自然地回到中间位置区域，此时，EPS系统需进行回正助力控制，以使转向盘快速准确地回到中间位置；随着汽车车速的提高，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，此时不需要进行回正助力控制，保持机械系统原有的回正特性。但是在高速行驶回正过程中时常会出现转向盘在中间位置来回摆动，这就是所谓的回正超调。为了防止汽车在高速行驶时出现回正超调，此时可采用回正阻尼控制。
4.2.3 阻尼控制模式
    阻尼控制是为提高汽车高速直线行驶稳定性的一种控制模式，其工作原理是：当电动机绕组发生短路时，电动机将产生一个大小与其转速成正比的反向转矩，用以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象，消除转向车轮因路面扰动而引起的摆振。因而，当汽车高速行驶时，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。
4.2.4 EPS系统电流闭环控制策略
    目前国内对EPS的研究主要集中于控制算法上，主要是常规的PID控制，又称为比例积微分控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量，对目标电流进行控制。PID控制由于其具有控制方法简单、稳定性好、可靠性高和易于现场调试等优点，所以本文选用闭环PID控制方式作为控制器的控制算法。

                      EPS系统控制器控制算法示意图
    图中是方向盘扭矩，V是车速，Icrnd是电动机目标电流，I是电动机实际电流，Tm是电动机实际扭矩。PID控制中，三个参数KP、KI和KD的合理选择是一个重要的问题。比例系数KP越大，系统响应越快，但容易超调，引起电动机扭矩的波动，使系统不稳定；另一方面，如果比例系数KP过小，虽然超调量比较小，甚至没有超调量，电动机的波动小，但是系统响应较慢。积分常数K。增大，积分作用越强，超调量也较大，调节时间增大，但能消除静态误差。微分系数KD，对系统的变化敏感，可判断系统的发展趋势，对偏差进行提前预报。但KD过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，降低系统的抗干扰性能。

                          图为EPS系统的控制流程图
5、进度安排
（1）调研、资料收集、完成开题报告    第1、2周（2月27日～3月5日）
（2）根据参数进行相关部件的参数计算，并进行验证  第3、4周 （3月6日～3月19日）
（3）在软件平台上建立电动助力转向系统仿真模型 第5、6、7周 （3月20日～4月9日）
（4）对电动助力转向系统进行仿真研究 第8、9、10、11周（4月10日～5月7日）
（5）设计1.5万字说明书一份，零件图一套 第12、13、14周（5月8日～5月28日）
（6）毕业设计审核、修改  第15、16周（5月29日～6月11日）
（7）毕业设计答辩准备及答辩 第17周 （6月12日～6月18日）
6、主要参考文献
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