电动汽车EPS数字模型与电路原理分析

　　转向系统是汽车的重要组成部分，其性能直接影响着汽车行驶的稳定性和安全性。早期的汽车转向系统为纯机械转向系统，没有助力，转向动力完全由驾驶员 提供，驾驶体验差。从上世纪30年代以后，逐渐出现了助力转向系统。目前，汽车助力转向主要有3种形式：液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，HPS），电控式液压助力转向系统（Electric Hydraulic Power Steeing，EHPS）以及电动助力转向系统（Electric Power Steering System，EPS）。

　　相比前两种，EPS由电机提供辅助力矩，没有油系统，很大程度降低了汽车转向系统的复杂度，且在燃油效率、模块化、助力效果和环境友好性等各方面具有明显的优势。根据EPS助力电机在齿轮和转向柱总成上位置的不同，EPS系统分为转向柱助力式、齿条助力式、小齿轮助力式和双小齿轮 助力式4种类型。小齿轮和转向柱助力式应用于轻型车辆，双小齿轮助力式应用于重型车辆。它们在构成上都具有3个基本部件：电控单元（Electrie Control Unit，ECU）、助力电机和安装在转向柱上的扭矩传感器。文中针对小型轿车，以美国Freescale公司的16位单片机MC9S12DP256为核 心进行了EPS控制器的设计。

　　1、电动助力转向系统结构和工作原理

　　电动助力转向系统结构如图1所示，主要由方向盘、扭矩传感器、电子控制单元（ECU）、电机、电磁离合器、减速机构、齿轮齿条转向器组成。在汽车发 动机点火后，转动方向盘时，由安装在转向轴上的扭矩传感器测得转向力矩，并送给ECU，ECU根据转矩和车速，通过预先设置好的助力特性曲线和控制策略计 算出一个电机所需的最佳电流，从而控制电机输出力矩和转动方向，然后经过减速机构施加到转向机构，最终得到一个与行驶工况相适应的转向作用力，辅助驾驶员 转向。

　　2、控制策略

　　2.1 EPS模型建立

　　根据牛顿定律，可建立转向系统数学模型。

　　其中：Th为方向盘输入转矩，Js为转向柱、盘总成转动惯量，Bs为输入轴阻尼系数，Ks为力矩传感器刚度系数，Tm电机输出力矩，Km为助力电机 和减速机构的刚度系数，Jm为助力电机转动惯量，Bm为助力电机阻尼系数，M为齿条质量，Br为齿条和转向轮粘性阻尼系数，Kr为齿条当量刚度，G为助力 机构传动比，rp为小齿轮半径，θs为方向盘转角，θm为电机转角，xr为齿条位移，Fr为转向阻力。

1  2  3