電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)研究現狀分析

隨著(zhù)汽車(chē)技術(shù)向安全、節能和環(huán)保方向發(fā)展，如何提高助力轉向系統性能，降低系統能耗已成為轉向系統設計人員和消費者關(guān)注的問(wèn)題。
傳統純液壓助力轉向系統存在助力比固定、高速路感差及能源利用效率低等缺點(diǎn); 通過(guò)采用電磁閥對助力控制閥的流量進(jìn)行控制，電液助力轉向系統實(shí)現了變助力，提高了車(chē)輛的操縱路感，但由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的液壓泵輸出流量基本恒定，系統仍造成大量的能源浪費。
近年來(lái)，電動(dòng)助力轉向技術(shù)取得了較快的發(fā)展，在乘用車(chē)上也得到了較為廣泛的應用。但由于使用的助力電機功率較小、控制方法復雜，且不具備人員長(cháng)期習慣的液力感覺(jué)和路感，使得其使用范圍受到一定的限制; 而液壓助力系統具有輸出力大，衰減振動(dòng)，轉向感覺(jué)平順，可靠安全的優(yōu)點(diǎn)。對于中等功率( 500～1 000 W) 和大功率的伺服助力機構，液壓方案仍為*選擇。
電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)( EHPS) 將成熟的電機控制技術(shù)與液壓助力轉向技術(shù)結合，既具有液壓助力轉向系統大助力及技術(shù)成熟可靠的特點(diǎn)，又具有電機的率、易控制優(yōu)點(diǎn)，適用于各種車(chē)型?？刂破? ECU) 根據方向盤(pán)轉角和車(chē)速傳感器等信號計算電動(dòng)液壓泵目標轉速，驅動(dòng)液壓泵跟隨目標轉速以達到理想的助力要求。由于助力液壓泵采用電機驅動(dòng)，使得液壓泵的運行狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機工況無(wú)關(guān)，可以按照車(chē)輛轉向所需的助力大小要求控制電動(dòng)機的轉速，獲得降低系統能耗水平及提高轉向助力性能的效果。
筆者對電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)的研究現狀進(jìn)行了探討并對亟需研究和解決的問(wèn)題進(jìn)行了分析。
1 國外研究概況
國外關(guān)于電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)方面的文獻較少，相關(guān)學(xué)者主要在以下方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
1．1 系統節能控制技術(shù)
1．1．1 單參數電機轉速控制
20 世紀80 年代，為使液壓泵的運行狀態(tài)易于控制以實(shí)現降低系統能耗及可變助力的功能，國外學(xué)者開(kāi)始研究由直流電機驅動(dòng)的液壓助力轉向系統。對前軸載荷低于600 kg 小型車(chē)輛使用電動(dòng)液壓助力轉向系統的研發(fā)過(guò)程進(jìn)行了詳細介紹，該系統只采用單一車(chē)速信號對電動(dòng)液壓泵的轉速進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，可根據車(chē)速變化而改變系統助力比，實(shí)現可變助力轉向功能，改善車(chē)輛的操縱性能。由于液壓泵的運行與發(fā)動(dòng)機轉速狀態(tài)脫離，車(chē)速高時(shí)，液壓泵轉速降低，消耗功率降低。該系統的能源消耗約為發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)油泵系統的35%。但在非轉向工況，電機仍以正常轉速運轉，造成的能源浪費仍然較大。
20 世紀90 年代，系統得到了進(jìn)一步發(fā)展，出現系統電控單元。為了進(jìn)一步降低系統能耗，當沒(méi)有轉向操作時(shí)，系統對驅動(dòng)電機的轉速進(jìn)行控制，降低了電機的轉速和能耗。
1．1．2 雙參數電機轉速控制
進(jìn)入21 世紀，研究者采用無(wú)刷直流電機驅動(dòng)液壓泵，提高了系統的可靠性和壽命; 同時(shí)根據車(chē)速和方向盤(pán)角速度對電機轉速進(jìn)行控制，提高了系統對轉向操縱的響應性能，在降低系統能耗同時(shí)，使得控制更加。
TＲW 公司在我國為上海大眾POLO 轎車(chē)配備了該種EHPS 系統。由于其良好助力轉向性能，贏(yíng)得了良好口碑。
1．1．3 系統能耗分析及多工況控制策略
通過(guò)建立系統能耗數學(xué)模型分析了影響能耗的主要因素，認為在非轉向工況下系統的液壓油壓降對能源消耗具有重要影響。
為了進(jìn)一步降低非轉向工況系統的能耗，分析了不同行車(chē)工況下電動(dòng)液壓泵的節能策略，提出了適應多種駕駛工況的電動(dòng)液壓泵控制方式。
1．2 商用車(chē)電動(dòng)液壓助力轉向系統研發(fā)
由于要求的助力系統功率較高，商用車(chē)的動(dòng)力轉向系統一般采用傳統的液壓助力轉向系統，能源的利用效率較差，如何對其進(jìn)行節能改造是其助力轉向技術(shù)研究的主要方向。
系統地介紹了電動(dòng)液壓助力轉向系統主要部件及控制系統的數學(xué)建模方法，并對系統進(jìn)行了仿真研究。介紹基于永磁同步電機的42VEHPS 電動(dòng)液壓泵單元的研發(fā)過(guò)程。介紹了輕型商務(wù)車(chē)的大功率( 1kW 以上) EHPS 系統系列產(chǎn)品的技術(shù)參數及應用實(shí)例。則對某大型商用鉸接車(chē)輛的電動(dòng)液壓助力轉向系統控制策略進(jìn)行了分析，根據該類(lèi)車(chē)輛的轉向力矩特點(diǎn)，研究對車(chē)輛鉸接角度變化率進(jìn)行反饋控制的方法。
2 國內研究現狀
國內科研機構對電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)的研究主要集中在3 個(gè)方向。
2．1 系統助力特性
助力轉向系統既要滿(mǎn)足車(chē)輛轉向操作的輕便性，又要使駕駛員在操縱時(shí)獲得足夠的"路感"，所以助力特性的設計是助力轉向系統設計的基礎。相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究，提出了幾種助力特性設計方法。
2．1．1 助力轉閥特性分析
對分流式ECHPS 助力轉向系統進(jìn)行數學(xué)建模，并對其轉向力特性曲線(xiàn)進(jìn)行了分析。
提出基于串、并聯(lián)關(guān)系的等效液阻網(wǎng)絡(luò )和分析方法，在此基礎上，對典型液壓助力轉向系統助力特性進(jìn)行了分析研究。
2．1．2 助力特性的分析和設計
通過(guò)對多種助力特性曲線(xiàn)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建議采用直線(xiàn)型助力特性曲線(xiàn)。為滿(mǎn)足緊急工況下的助力矩控制要求，提出一種基于方向盤(pán)角速度的附加力矩控制策略。提出基于"路感"的助力特性設計方法。仿真結果表明: 所設計的助力特性，在保證高速工況有合適的操縱路感和車(chē)輛穩定性的前提下，能滿(mǎn)足低速工況所需的轉向操縱輕便性要求。
2．2 系統建模及控制技術(shù)
2．2．1 系統數學(xué)建模及仿真
建立了考慮液流動(dòng)態(tài)摩擦效應的液壓管路數學(xué)模型，提出了EHPS 原地轉向、行駛轉向和直線(xiàn)行駛控制策略。運用AMESim 仿真軟件對電動(dòng)液壓助力轉向系統進(jìn)行建模，采用車(chē)速及方向盤(pán)轉動(dòng)角速度作為系統控制參數。仿真結果表明，該系統具有高速工況小助力、低速工況大助力等特點(diǎn)，同時(shí)系統的轉向助力隨動(dòng)性能及方向盤(pán)回正性能也得到了相應的提高。介紹了一種電動(dòng)液壓助力轉向系統仿真試驗平臺的研發(fā)，應用此試驗平臺對在農村道路駕駛工況下影響系統能耗的主要因素進(jìn)行了研究。采用仿真和實(shí)車(chē)試驗相結合的方法對電動(dòng)液壓助力轉向系統的能耗進(jìn)行分析，結果表明非轉向工況下電機怠速損失是主要因素，轉向工況下轉向閥的功率損失是zui大的。
2．2．2 電動(dòng)液壓泵控制技術(shù)
電動(dòng)液壓泵控制技術(shù)的研究包括兩個(gè)方面: 驅動(dòng)電機目標轉速的擬合及轉速控制方法。
考慮控制系統硬件數據存儲空間的限制，系統儲存的為離散車(chē)速下的驅動(dòng)電機目標轉速，對中間車(chē)速下出現的電機目標轉速盲區，提出了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制算法，優(yōu)化得到所有車(chē)速下的電機目標轉速，克服了轉速盲區對助力效果的影響。通過(guò)仿真模擬，分析了具有助力死區補償算法的轉速雙閉環(huán)PI 控制，分析了電機轉矩脈動(dòng)原因。對電機驅動(dòng)方法進(jìn)行改進(jìn)，仿真結果表明改進(jìn)的控制方法提高了電動(dòng)液壓泵起動(dòng)性能和實(shí)時(shí)響應性能; 降低了電機轉矩脈動(dòng)，無(wú)刷直流電機運行平穩性得到了明顯改善。
2．3 控制系統軟硬件研發(fā)
目前國內還沒(méi)有成熟的商用電動(dòng)液壓助力轉向系統產(chǎn)品。部分研究人員進(jìn)行了系統工程設計和試制的探索。
研發(fā)了一種采用AＲM 微處理器的EHPS 系統，系統采集方向盤(pán)角速度、方向盤(pán)轉矩和車(chē)速信號，通過(guò)PWM 斬波信號控制電動(dòng)液壓泵驅動(dòng)電機的轉速，控制系統的助力大小。對中國重汽集團公司電動(dòng)液壓助力轉向系統ECU 軟、硬件設計開(kāi)發(fā)進(jìn)行介紹，試驗結果表明所設計的產(chǎn)品接近國外產(chǎn)品的水平，具有較大的商業(yè)化前景。
3 結語(yǔ)及展望
對電動(dòng)液壓助力轉向技術(shù)的研究主要集中在系統控制策略分析、助力特性曲線(xiàn)分析、系統建模仿真、主要部件研發(fā)過(guò)程的介紹等方面; 相關(guān)學(xué)者在涉及系統助力特性、電動(dòng)液壓泵特性設計及系統主要參數設計等方面時(shí)，主要以一些試驗或經(jīng)驗數據做支撐，對產(chǎn)品設計的指導性不夠，系統的設計理論和方法有待進(jìn)一步研究和完善。
3．1 操縱"路感"的定義和量化
助力轉向系統的主要功能是為駕駛員提供一個(gè)適當的轉向助力矩，降低駕駛員操縱強度; 同時(shí)方向盤(pán)必須給駕駛員一個(gè)適當的反饋力矩，即"路感"。
雖然國內外學(xué)者對"路感"概念有所論述，但主要為定性分析，學(xué)界還沒(méi)有*、量化的定義，不能有效指導轉向系統助力特性的設計，也不能對各種助力特性的設計方案進(jìn)行客觀(guān)公正的評價(jià)。
可見(jiàn)，如何對駕駛員的轉向操縱"路感"進(jìn)行定義和量化是助力特性設計的理論基礎，具有非常重要的意義。
3．2 電動(dòng)液壓泵動(dòng)態(tài)特性的評價(jià)
電動(dòng)液壓泵既要對駕駛員的轉向操作快速響應，又要具有較高能源利用效率，降低油耗。如何實(shí)現上述目標，涉及到對電動(dòng)液壓泵的動(dòng)態(tài)特性設計，主要內容包括不同轉向工況下電動(dòng)液壓泵的目標轉速及流量、電動(dòng)液壓泵設計及電機控制系統設計等;而涉及這方面的設計理論欠缺，開(kāi)展對EHPS 電動(dòng)液壓泵特性設計與評價(jià)方法的研究具有較高的工程應用價(jià)值。
3．3 電動(dòng)液壓助力轉向系統優(yōu)化設計
電動(dòng)液壓助力轉向系統的設計需要考慮方向盤(pán)操縱輕便性、*路感反饋及zui小能源消耗等多個(gè)方面的因素，是多參數的優(yōu)化設計。
目前，有關(guān)電動(dòng)液壓助力轉向系統的參數匹配優(yōu)化設計的研究文獻較少，現有文獻也主要局限于對系統主要參數的選擇方法及參數變化對系統性能的影響分析等，不能有效指導對系統的多目標參數優(yōu)化匹配設計。該系統的多目標參數優(yōu)化設計方法有待進(jìn)一步的研究。