D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.019 第25卷第1期 北京科技大学学报 Vol.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 一种智能电动助力转向系统 张卫冬 余达太晏蔚光李果张洋平黄孝斌 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要。设计了一种智能电动式电子控制动力转向系统.该系统实时检测人力作用在方向 盘上力矩的值，根据车速等环境因素控制交流感应电机以便自动按一定比例输出最佳的转 矩.实验表明，该系统转矩跟随准确，响应速度快， 关键词电动汽车；矢量控制；转向；智能控制 分类号TP182;U463.444 汽车转向系统是非常重要的部件，它的性能 器(2)的值减去扭矩传感器(1)的值就是电机输出 直接关系到车辆行驶的安全性及舒适性.安全可 的转矩值，控制器综合各个传感器的信号控制电 靠、转向灵敏、有道路感觉是转向系统追求的目 机输出转矩的大小和转向. 标.传统的动力转向一般采用液压式或气压式转 方向盘 向，这类转向系统的缺点是结构复杂，功率消耗 转角偏转传感器（光码盘） 大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等.而电 转向轴（输入轴） ■ 控制器 动式电子控制动力转向系统具有结构简单紧凑、 扭矩传感器(1) 电磁离合器 电动机 质量轻、耗能少、安全性高、便于修改的优点.近 年来，随着电机控制技术的发展，国外出现了以 减速器 电动式电子控制动力转向系统取代传统转向系 输出轴士 扭矩传感器(2) 统的趋势，国内在这方面的研究刚刚起步，并且 连接杆 大都处于实验室研发阶段.目前的电动式电子 令转向齿轮转向齿条 ■■口二 控制动力转向系统助力电机采用直流电机，控制 方式是产生PWM控制电机电压或电流实现转向 轮对方向盘的跟随. 图1电动式电子控制动力转向系统结构示意图 Fig.1 Constructure of the electric power steering system 根据汽车对电动助力转向系统的要求，本 文研制了一种智能电动助力转向系统.实验表 12感应电机交流转矩伺服系统 明，本系统响应速度快，运行平稳，操纵性能好， 电动助力转向系统的实质就是根据检测到 的信息使助力电机的转矩按一定的比例跟随人 1系统结构 力输出的转矩，对于采用直流电机的系统，采用 11结构示意图 控制电压或电流的方式来间接控制转矩.本系统 电动式电子控制动力转向系统结构如图1所 采用的是交流感应电机，电机本身结构简单、坚 固、廉价，但是控制系统比较复杂 示.当转动方向盘时，扭矩传感器()不断测出转 为了提高系统的控制精度和低速性能，本系 向轴上的扭矩的数值和方向并将信号送到控制 统采用了基于电压矢量控制的转矩随动系统，来 器，转角偏转传感器检测方向盘的转角偏转的大 小和方向并将信号传到控制器，车速传感器将车 保证电机轴输出的转矩按一定比例跟随人力输 出的转矩.基于电压矢量控制的转矩跟随系统实 速信息送到控制器，扭矩传感器(2)实时检测人 现框图如图2所示. 力和电机输出的总转矩并送给控制器.扭矩传感 转矩给定值T经转矩限制器变成有效的转 收稿日期2001-12-30张卫冬男，27岁，博士 矩给定值T.其他类型的随动系统直接把观测
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 一 种 智 能 电动 助 力 转 向 系 统 张 卫 冬 余 达 太 晏蔚光 李 果 张 洋平 黄 孝斌 北 京科技大学信息工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 设计 了一种智能 电动式电子控制动力 转 向系 统 该 系统实时检测 人力作用 在方 向 盘上 力矩 的值 ， 根据车速等环 境 因素控制 交 流感应 电机 以便 自动按 一 定 比例输 出最佳 的转 矩 实验表 明 ， 该 系统转矩 跟 随准 确 ， 响应 速度 快 关键词 电动汽 车 矢量控制 转 向 智能控 制 分 类号 ， 汽车转 向系统是非 常重 要 的部件 ， 它 的性 能 直接关系到车辆行驶 的安全性及舒适性 安 全可 靠 、 转 向灵 敏 、 有 道 路感 觉是转 向系统追 求 的 目 标 传统 的动力转 向一 般采用 液压式或气压式转 向 ， 这类转 向系统 的缺点是结构 复杂 ， 功 率消耗 大 ，容易产生 泄漏 ， 转 向力 不 易有效控 制等 而 电 动式 电子控 制动 力转 向系统具有结构简单 紧凑 、 质 量轻 、 耗 能少 、 安 全性 高 、 便 于修改 的优点 近 年来 ， 随着 电机控制技术 的发展 ， 国外 出现 了 以 电动式 电子 控 制 动 力转 向系统取代传统 转 向系 统 的趋 势 ， 国 内在这 方 面 的研究 刚 刚起 步 ， 并且 ‘ 大都处 于实验 室研 发 阶段‘冈 目前的 电动 式 电子 控制动力转 向系统助力 电机采用 直流 电机 ， 控制 方式是产生 控 制 电机 电压 或 电流 实 现转 向 轮对方 向盘 的跟 随 根 据 汽 车对 电动 助 力转 向系统 的要 求 ’ ， 本 文 研制 了一 种 智能 电动 助 力转 向系统 实验 表 明 ， 本 系统 响应速 度快 ， 运 行平稳 ， 操纵性 能好 器 的值减去 扭矩 传感器 的值就是 电机输 出 的转矩 值 ， 控制器综 合各个传感器 的信号 控制 电 机输 出转 矩 的大小 和转 向 、 、 ‘ 图 电动式 电子控 制 动 力转 向 系统 结构 示 意 图 · 系统 结 构 结构 示 意 图 电动式 电子控制动力转向系统结 构 如 图 所 示 当转 动方 向盘时 ， 扭 矩 传感器 不 断测 出转 向轴 上 的扭 矩 的数值和 方 向并将信 号送 到控 制 器 ， 转 角偏 转传感器检测 方 向盘 的转角偏转 的大 小 和方 向并将信号 传到控制器 ， 车速传感器将 车 速信息送 到控 制器 ， 扭矩传感 器 实 时检测人 力 和 电机输 出的总转矩并送 给控制器 扭矩传感 收稿 日期 一 一 张卫冬 男 ， 岁 ， 博士 感 应 电机 交流 转 矩 伺 服 系统 电动 助 力 转 向 系统 的实 质 就 是 根 据 检 测 到 的信息 使助力 电机 的转矩 按 一 定 的 比例跟 随人 力 输 出 的转矩 对 于采用 直 流 电机 的 系统 ， 采用 控 制 电压 或电流 的方式来 间接控 制转矩 本 系统 采 用 的是交 流感应 电机 ， 电机 本 身结构 简单 、 坚 固 、 廉 价 ， 但是 控制 系统 比较 复杂 为 了提 高系统 的控制精度 和低 速性 能 ， 本 系 统采用 了基 于 电压矢 量控制 的转矩 随动系统 ， 来 保 证 电机 轴输 出 的转 矩 按 一 定 比例跟 随人 力 输 出的转矩 基 于 电压 矢 量控制 的转矩 跟 随 系统 实 现 框 图如 图 所示 转 矩 给 定 值 经 转矩 限 制 器 变 成 有 效 的转 矩 给定 值 厂 其他类 型 的 随动 系统 直接 把 观测 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．01．019
Vol.25 No.1 张卫冬等：一种智能电动助力转向系统 ·67· 莼云器 调节器 电流调节器 解电池 电压 电压源型 2r/3s PWM 运算器 逆变器 转矩限制器 矩调节2器 电流调节器 工□ p]□ 磁链 观测器 p 图2基于电压矢量控制的转矩伺服系统实现框图 码盘 Fig.2 Torque servo system based on voltage vector control 器观测到的电磁转矩T。作为转矩反馈.由于转矩 磁链运算器用于磁通参考值的运算，在额定 随动系统控制的是电机轴上输出的电磁转矩，所 转速以内运行（即电机恒转矩范围）.若转子磁通 以本系统的转矩反馈采用交流电机输出的电磁 恒定，则转矩与定子电流转矩分量成正比，转矩 转矩T。减去电机自身在加、减速过程消耗的转矩跟随可以实现：但是如果电机转速超过了额定转 出和轴上的摩擦转矩T，最终得到反馈转矩 速（即电机恒功率范围），则转矩与定子电流转矩 T.转矩给定值了与反馈转矩T之差作为给定送 分量不成正比，转矩跟随不能实现.由于转矩随 到转矩调节器 动系统应用在低速的场合，转矩限制器保证了在 在这个系统中，转矩、电流、磁链均实现了闭 电机运行过程中始终处于恒转矩范围.磁链给定 环控制.采用霍耳电流传感器检测定子三相电 值与实际值4，的偏差被送到磁链调节器 流，采用光码盘直接获得电机转子的位置信息. 1.3专家控制系统 将三相电流a,i,ic经矢量变换后和转子位置p, 专家控制系统是一个应用专家系统技术的控 输入转子磁链模型，得出转子磁链“，和电机同步 制系统，也是一个典型的和广泛应用的基于知识 转角p.将，ω，和经矢量变换得到的定子电流转 的控制系统例 矩分量。及励磁分量i,送人电压运算器得到定 要使人在驾驶时具有良好的感觉，就要求电 子电压转矩分量和励磁分量4m,h和m分别与 动转向助力系统能根据人力输出转矩、车速等因 电流调节器输出的4,4m相减，经矢量变换作为 素输出最佳转矩.另外，系统还应具有自诊断功 PWM逆变器的给定信号. 能，当出现电机转速过快、转矩传感器输出值超 通常在额定转速以下感应电机恒转矩运行， 标、转角达到极限值等现象时，系统能自动切断 在额定转速以上为恒功率运行.为了保证转矩随 电磁离合器，解除助力，确保安全.系统控制框图 动系统能实时跟踪转矩的给定值，把转矩随动系 如图3所示. 统的有效T作区域设定在电机的额定转速以下 人力转矩是电机输出转矩的基础，电机输出 即恒转矩运行区域.另外，与电机轴相连的机构 转矩跟随人力转矩的输出；转角信息主要是提供 对转速也有限制，如果转矩输出较大，阻力转矩 有效的助力区域：车速信息是助力比的依据，车 较小，电机会持续、快速加速，可能造成危险.所 速越高助力比越小，车速越低助力比越大 以，在系统中加入了转矩限制器，限制器根据转 专家控制系统主要计算转矩伺服系统的转矩 速的设定极限值和检测到的电机转速即ω，来判 给定，算法为： 断力矩给定值是否有效.如果检测到的电机转速 Tod=Th p(e.D. 超过转速的设定极限值则把转矩的给定值设为 其中，T为转矩给定；T为转矩传感器检测到 0,以免出现危险 的人力输出转矩；8为方向盘转角；V为车速；
心 张卫 冬 等 一 种智 能 电动 助 力转 向系 统 户爷洲 电流调节 蓄电池 赵 况， 电压 运算器 电压源型 逆变器 叭一丸 。 铸 一 内不飞 一， 弘 津 ，‘一了， 矩限制器 电而调 互一 不又云仄 咬 ‘助 · 一纽扮 磁链 观测器 图 基 于 电压 矢 ，控 制 的转矩 伺服 系统 实现框 图 码盘 器观测 到 的 电磁转 矩 作 为转矩 反 馈 由于转矩 随动 系统控 制 的是 电机轴 上 输 出 的 电磁 转矩 ， 所 以本 系 统 的转 矩 反 馈 采 用 交 流 电 机 输 出 的 电 磁 转矩 减 去 电机 自身在 加 、 减速 过 程 消耗 的转矩 漂 和 轴 上 的摩 擦 转 矩 界 ， 最 终得 到反 馈 转矩 “ ‘ ，” ，川 一 曰 外 ， 嘴 ‘ ” 产孟 耳 少 以 洲 厂 转矩 给定值 厂 与反馈 转矩 厂 之差 作 为 给定 送 到转 矩 调 节 器 在这个 系统 中 ， 转 矩 、 电流 、 磁链 均 实 现 了闭 环 控 制 采 用 霍 耳 电 流 传感 器 检 测 定 子 三 相 电 流 ， 采用 光码 盘 直 接 获 得 电机 转 子 的位 置 信息 将三相 电流 ， 。 ， 经 矢 量 变换 后 和 转子 位 置 ， 输人转 子 磁链 模型 ， 得 出转 子 磁链 黔 和 电机 同步 转角 尹 将 哟 ， 。 ， 和经矢 量 变换得 到 的定 子 电流转 矩 分量 。 及 励 磁 分量 ， 送 入 电压 运 算器 得 到定 子 电压转矩 分量 城 和励磁分量 氛 ， 和 氛分别 与 电流调 节 器输 出的 偏 ， 。 相 减 ， 经 矢 量 变换 作为 逆 变 器 的给定 信号 【 通 常在 额 定 转 速 以 下 感应 电机 恒 转矩 运 行 ， 在 额 定 转速 以 上 为 恒 功 率运 行 为 了保证转 矩 随 动 系统 能实 时跟 踪 转 矩 的 给定 值 ， 把 转矩 随动 系 统 的有 效 工 作 区 域 设 定 在 电机 的额 定 转 速 以 下 即恒 转矩 运 行 区域 另 外 ， 与 电机 轴 相 连 的机 构 对 转速 也有 限 制 如果 转 矩 输 出较 大 ， 阻力转矩 较小 ， 电机会持续 、 快 速 加速 ， 可 能造 成 危 险 所 以 ， 在 系统 中加 人 了转 矩 限制 器 ， 限制 器根 据转 速 的设 定 极 限值 和 检 测 到 的 电机 转 速 即 。 ， 来 判 断 力矩 给定值 是否 有效 如果 检测 到 的 电机转速 超 过 转 速 的设 定 极 限 值则 把 转矩 的 给 定 值 设 为 ， 以 免 出现 危 险 磁链 运 算器用 于 磁通 参考值 的运 算 ， 在额定 转速 以 内运 行 即 电机 恒转矩 范 围 若转 子 磁通 恒 定 ， 则 转 矩 与定 子 电流 转矩 分量 成 正 比 ， 转矩 · 跟 随可 以 实 现 但是 如果 电机 转速 超 过 了额 定转 速 即 电机 恒 功 率范 围 ， 则 转矩 与定 子 电流转矩 分 量 不 成 正 比 ， 转 矩 跟 随不 能 实 现 由于转 矩 随 动 系统 应 用 在低 速 的场 合 ， 转 矩 限制 器保证 了在 电机 运 行 过 程 中始 终处 于恒转矩 范 围 磁链 给定 值 试与实 际值 件 的偏 差 被送 到磁链 调 节 器 专 家 控 制 系统 专 家控制 系统是 一个应 用专家系统技 术 的控 制 系统 ， 也 是 一 个 典 型 的 和 广 泛 应 用 的基 于 知识 的控 制 系统 沙， 要 使人 在驾驶 时具有 良好 的感觉 ， 就要 求 电 动转 向助 力 系统 能 根 据人力输 出转矩 、 车速 等 因 素输 出最 佳转 矩 另 外 ， 系统 还 应 具 有 自诊 断功 能 ， 当 出现 电机转 速 过快 、 转矩 传 感 器输 出值超 标 、 转角达 到极 限值 等现 象 时 ， 系统 能 自动切 断 电磁 离合器 ， 解 除 助 力 ， 确保安全 系统控 制框 图 如 图 所示 人 力 转矩 是 电机输 出转矩 的基础 ， 电机输 出 转 矩 跟 随人力 转 矩 的输 出 转角信息 主要 是 提供 有 效 的助 力 区域 车 速信 息是 助 力 比的依 据 ， 车 速 越 高助 力 比越 小 ， 车速 越 低助 力 比越 大 专 家控 制系统 主要 计算 转矩 伺服 系统 的转矩 给定 ， 算法 为 几 式户 氏 ， 价 ， 其 中 ， 凡 为转 矩 给定 兀 为转 矩 传感 器 检测 到 的人 力 输 出 转 矩 氏 为 方 向 盘 转 角 为 车 速
68 北京科技大 学学 报 2003年第1期 人力转矩 转矩给定 转矩输出 感应电机 5 转角信息 家控制系统 交流转矩 0 伺服系统 -5 人 车速信息 -10 -15 图3控制框图 20 Fig.3 Structural diagram of the control system 0 100 200 300 400 500 600 p(8,)为助力比（即电机输出转矩和人力输出转 采样点 矩的比值)，它是A和V的函数 图4实验结果 (1)转角信息控制逻辑.设方向盘处于中间位 Fig.4 Experimental results 置时的转角A为0，方向盘从0位开始逆时针转 3 结论 动时转角为正，顺时针转动时转角久为负， 本文设计了智能电动式电子控制动力转向 ±8为正反向的转向极限.转角控制逻辑为： 系统.该系统具有跟随性能好、响应速度快的优 if[(a0.)】thenp(a,)=0. 点，能够满足转向助力系统的要求 (2)车速控制逻辑.助力比p(以，)本质上是响 参考文献 应速度的量，在这里根据实际工况把车度'分成 1郭锋，方凯，杨生，等.一种电瓶车辆的智能电子转 四个区域分别进行控制：①V=0,即停车时.② 向系统的设计与实现).计算机工程与科学，2000， 070kgh,即高速区.车速控制逻辑为： 2郭建新，伍少初，电动助力转向系统的研究与开发 if(V=0)thenp(,)=3; [U.机械设计与制造工程，19999)：18 if(070)thenp(0.,W=0.5. 4陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工 业出版社，1992 2实验结果 5周绍英，储方杰.交流调速系统M.北京：机械工业 出版社，1996 实验电机采用220V,750W鼠笼型变频电机， 6朱迅.新型电子控制电动助力转向系统).北京汽 控制系统CPU采用32位专用芯片，功率模块采 车，1996(4)：33 用PM(即智能功率模块)，用数据采集系统实时 7 Scott A,Millsap E,Harry Law.Handing Enhancement 检测、记录人力、电机输出扭矩的值.为了使实验 Due to an Automotive Variable Ratio Electric Power 结果更明显，本实验使电机输出扭矩为1：1跟随 Sreering System Using Model Reference Robust Tracking 人力输出转矩，转矩跟随实验结果如图4所示. Control [M].SAE,1996.101 图中曲线1为人转动方向盘输出转矩；曲线2为 8 Tatsuya Sagiyama,Fumihiko Baba.Study of Improving Road-Load Simulation Power Steering Dynamic Testing 电机输出转矩；曲线3为总转向阻力，即人和电机 System [M].SAE,1996.94 输出转矩之和.结果表明，电机输出转矩能很好 9蔡自兴.智能控制一基础与应用M.北京：国防T. 的跟随人力蹬踏力矩 业出版社.1998 An Intelligent Electric Power Steering System ZHANG Weidong,YU Datai,YAN Weiguang,LI Guo,ZHANG Yangping,HUANG Xiaobin Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT An intelligent electric power steering system was designed.The system can detect the torque by human steering real-timely,and control the torque by an induction motor according to that by human and the peed in a prescribed ratio.Experimental results show that the torque by a motor responds to the change of the torque by human quickly and precisely KEY WORDS electric vehicle;vector control;steer;intelligent control
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 控 制框 图 风氏 ， 的为助 力 比 即 电机输 出转 矩 和人力输 出转 矩 的 比值 ， 它 是氏 和 的 函数 转 角信息控制逻 辑 设方 向盘处 于 中间位 置 时 的转 角 氏 为 ， 方 向盘从 位开 始逆 时针 转 动 时 转 角氏 为 正 ， 顺 时 针 转 动 时 转 角 氏 为 负 ， 土氏 “ 为正 反 向的转 向极 限 转角控 制逻 辑 为 【 氏 一 兔 、 氏 」 氏 ， 约 车速控制逻 辑 助 力 比风氏 ， 均本 质上 是 响 应 速度 的量 ， 在 这 里 根据实际工况把车度 犷分成 四 个 区 域 分 别 进 行 控 制 ① 犷 ， 即 停 车 时 ② ， 即低 速 区 ③ 小 小 ， 即 中 速 区 ④ 价 爪 ， 即高速 区 车速控制 逻 辑 为 氏 ， 约 氏 ， 的 作 氏 ， 约 价 氏 ， 约 一 一 」 采样 点 人力转矩 专 卜 家 感应 电机 控 ’ 交流转矩 转角信息 制 伺服系统 系 统 车速信息 实验 结 果 实验 电机采用 ， 鼠笼型变频 电机 ， 控制 系统 采用 犯 位专用 芯 片 ， 功率模块采 用 即智 能 功 率模 块 ， 用 数据 采集 系统 实 时 检测 、 记 录人力 、 电机输 出扭矩 的值 为 了使实验 结果 更 明显 ， 本 实验使电机输 出扭矩 为 跟 随 人力输 出转 矩 ， 转 矩 跟 随实验结 果 如 图 所示 图 中 曲线 为人转动方 向盘输 出转矩 曲线 为 电机输 出转矩 曲线 为总转 向阻力 ， 即人 和 电机 输 出转矩 之 和 结果 表 明 ， 电机输 出转矩 能很好 的跟 随人力蹬 踏力 矩 图 实 验结 果 · 结 论 本 文设 计 了智 能 电 动式 电 子 控 制 动 力 转 向 系统 该 系统 具 有跟 随性 能好 、 响应 速 度快 的优 点 ， 能够满 足转 向助 力 系统 的要 求 参 考 文 献 郭锋 ， 方 凯 ， 杨生 ， 等一种 电瓶车辆 的智能 电子 转 向系统 的设计与实现 计算机工 程 与科学 ， ， 郭建新 ， 伍少 初 电动助力 转 向系统 的研究 与开 发 【 机械设计与制造 工 程 ， 昊 克棋 汽车液 压 与液 力传动 装置构 造 与维修汇 辽 宁 辽 宁科学技 术 出版社 ， 陈伯时 电力 拖 动 自动控制系统 】 北 京 机 械 工 业 出版社 ， 周绍 英 ， 储方杰 交流调 速 系统 』北 京 机械 工 业 出版社 ， 朱迅 新型 电子控制电动助力转 向系统 北 京汽 车 ， ， ， 了 、 乞 ， ， 勿 一 【 ， 蔡 自兴 智能控制一基础 与应 用 北 京 国 防工 业 出版社 通刀 肠落如， ， 肠妙 ， ， 月只 尹毯尹 ， ， ， ， 飞 叮 坦 一 ， ·
