電動液壓助力轉向系統電機轉速特性試驗研究

解后循，高 翔

1 引言

電動液壓助力轉向系統（EHPS）是變助力液壓助力轉向系統，系統可以根據車速及方向盤轉速控制電動液壓泵輸出流量，從而改變液壓助力機構的助力效果，實現車輛低速操縱輕便，高速路感適中的效果。電動液壓泵的輸出流量由驅動電機轉速確定，所以電機轉速與車速等參數的關系是EHPS控制系統的核心，是EHPS系統研究的主要問題之一。

可能是出于技術保密，國外相關研究的專門文獻較少，在涉及電機具體控制參數時，介紹過于簡單[1-4]；國內有關電動液壓助力轉向技術的文獻[5-8]對此也有所介紹，但是在涉及如何確定電動液壓泵目標轉速時主要進行定性介紹，沒有進行量化的闡述和分析，對系統設計的指導性不夠，系統設計理論和方法有待進一步完善。結合實車試驗對電動液壓泵目標轉速及其助力特性進行分析。

2 電動液壓助力轉向系統數據采集方案

2.1 試驗采集的主要數據

以某型轎車EHPS系統為對象進行實車試驗。為了獲得電動液壓泵目標轉速特性，試驗需要采集數據主要有：

（1）電動液壓泵轉速；

（2）車輛行駛速度；

（3）方向盤角速度。

通過采集的數據分析電動液壓泵轉速與車速及方向盤角速度的變化關系。通過適當采集次數，可以根據試驗數據繪制電動液壓泵目標轉速特性圖。

為了分析電動液壓助力轉向機構對車輛操縱路感的影響，試驗需要獲得方向盤操縱力矩特性，需要采集的數據為：

（4）方向盤力矩；

（5）車身側向加速度；

通過數據可以分析不同車速工況下的方向盤力矩與車身側向加速度關系（路感）。

2.2 數據采集系統方案及設備

由上面的分析，可知試驗需要采集的主要數據為：車輛行駛速度，車身側向加速度，方向盤角速度、方向盤力矩、電動液壓泵轉速。

由于所試驗車輛的電動液壓泵模塊封閉，其驅動電機的轉速值不能利用外加傳感器的方式獲得，但是其控制及狀態數據通過動力CAN總線與其他系統共享，為了能采集電動液壓泵實時轉速，試驗采用外置CAN模塊與之進行通訊的方法來獲得電動液壓泵實時轉速值。數據采集系統原理，如圖1所示。

采集系統采用兩個相對獨立的子系統，即電動液壓泵目標轉速特性采集子系統、方向盤力矩特性采集子系統。試驗所使用的主要設備及測試現場，如表1、圖2所示。

圖1 測試系統數據采集原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Test Data Acquisition System

表1 試驗設備Tab.1 Test Equipment

圖2 試驗設備及現場Fig.2 Test Equipment and Testing Site

3 試驗工況選擇

3.1 （0～120）km/h直行工況

直行（非轉向）工況下，測試車輛做（0～120）km/h平穩直線加速行駛（方向盤轉角、角速度為零），通過車載CAN總線采集電動液壓泵轉速及車輛行駛速度。

本測試工況主要目的為研究車輛行駛速度對電動液壓泵目標轉速控制的影響，獲得隨車速變化的電動液壓泵轉速特性。

3.2 （0～60）km/h轉向工況

本測試工況主要目的是研究方向盤角速度對電動液壓泵目標轉速的影響，獲得電動液壓泵目標轉速的隨動控制特性。為了較全面的電動液壓泵的轉速特性，試驗分多個車速工況進行。

由于是實車試驗，考慮到場地條件、安全性等限制，該項目進行了中、低速工況下的轉向試驗。試驗過程中，方向盤角速度連續變化以便獲得連續的方向盤角速度數據，通過車載CAN總線數據口采集電動液壓泵實時轉速、車輛行駛速度及方向盤角速度數據流。由于車速是人為控制，很難精確控制為某一定值，主要進行的試驗工況及采集信號，如表2所示。

表2 設計試驗工況及采集信號Tab.2 Test Drive Conditions and Data Collection

3.3 不同車速工況下，方向盤轉矩與車身側向加速度數據采集

本項目主要目的是研究電動液壓助力轉向系統的控制效果，即對駕駛員方向盤操縱路感的影響。

本試驗項目進行了行駛速度為40km/h和60km/h下的轉向操縱試驗。試驗中方向盤的轉角以正弦輸入，方向盤轉角幅度為90°，通過車載數據測試系統采集方向盤轉矩及車身側向加速度。

4 試驗數據處理及分析

4.1 測試數據處理

4.1.1 直行工況電動液壓泵轉速隨車速變化

本測試工況用于采集汽車直行工況下，車速在（0～120）km/h之間變化時電動液壓泵的轉速，根據采集的數據繪制了電動液壓泵轉速隨車速變化圖，如圖3所示。

圖3 直行工況電動液壓泵轉速與車速變化曲線Fig.3 Motor-Pump Speed Under Straight Line Running Conditions

4.1.2不同車速下的電動液壓泵轉速隨方向盤角速度變化

轉向操縱試驗的車速范圍為（0～60）km/h，方向盤角速度范圍為（0～600）°/s；每間隔 10km/h 車速進行轉向操縱試驗，操縱角速度采取變化的方式以便于獲得連續的方向盤轉速，同時采集方向盤角速度及電動液壓泵轉速；經過數據處理得到了電動液壓泵轉速隨方向盤角速度及車速變化特性圖，如圖4所示。

圖4 電動液壓泵目標轉速特性圖Fig.4 Control Diagram of Motor-Pump Speed

4.1.3 不同車速下，方向盤轉矩與車身側向加速度關系

設定方向盤的轉角以正弦輸入，方向盤轉角幅度為90°，為了提高測量數據的可信性，盡量降低轉向機構的動態響應對測量數據的影響，方向盤轉動的周期約為4s。在車速40km/h和60km/h下進行轉向試驗。根據測試數據給出的方向盤轉矩和車身側向加速度之間的關系圖，如圖5所示。

圖5 方向盤轉矩與車身側向加速度關系曲線Fig.5 Relation Between Steer Torque and Lateral Acceleration of Vehicle Body

4.2 試驗結果分析

4.2.1 直行加速工況下，電動液壓泵轉速控制特性

由圖（3）可見，在車輛中、低速直行工況下，隨著車速的提高電動液壓泵的轉速逐步下降；在高速直行工況下，電動液壓泵轉速緩慢下降并趨于平穩。由于液壓泵的輸出流量與轉速成正比，隨著轉速的下降，系統的助力效果下降，從而達到隨著車速提高降低系統的助力水平，加大方向盤操縱力矩，提高高速路感的目的。

圖（3）的特性曲線基本可以分為三個具有不同特點的部分。即：

（0～15）km/h段：該工況為車輛泊車工況，電動液壓泵轉速基本穩定。由于該工況下，方向盤的轉角操縱范圍較大，系統的功能以獲得轉向操縱輕便性為主，需要提供較大的助力矩以降低駕駛員的操縱負荷，電動液壓泵轉速最高。

（15～60）km/h段：該工況為低、中速工況，電動液壓泵轉速隨車速下降較快。該工況，方向盤轉角操縱范圍下降較快[9]，駕駛員對路感反饋的要求提高很快，所以該階段電動液壓泵轉速隨車速下降較快。

（60～120）km/h段：該工況為中、高速工況，電動液壓泵轉速隨車速下降緩慢并趨于穩定。該工況，方向盤的轉角操縱范圍逐步減小并趨于穩定[9]，駕駛員對路感反饋的要求較高，所以該階段電動液壓泵轉速下降較慢，并趨于穩定。

4.2.2 轉向工況下，電動液壓泵轉速隨動控制特性

由圖（4）可知，轉向工況下，電動液壓泵轉速與方向盤角速度成正比關系；由于助力液壓缸活塞的運動，使得助力轉閥閥口的流量發生變化，液壓缸左右腔壓力也會發生變化，導致助力矩降低，為了抵消駕駛員轉向操作對系統助力的負面影響，提高車輛轉向操作的隨動性能，液壓助力系統的供油量應隨著方向盤轉動角速度的提高而加大，以抵消液壓缸活塞運動造成的助力矩變化。

對于常規的液壓助力轉向系統而言，齒輪齒條式動力轉向器所需的流量可按下式計算[10]：

式中：Qz0—方向盤處于某一固定位置時，系統所需液壓油流量；r—轉向小齒輪節圓半徑；SA—轉向助力液壓缸缸徑；nh—方向盤角速度。

常規動力轉向系統的流量不能調節，往往以系統所需的最大流量供給，造成大量的能量浪費，而電動液壓助力系統則可以通過采用方向盤角速度調節電機轉速的控制策略來解決這個問題。圖示曲線清晰反映了控制系統這種流量控制策略。

隨著電動液壓泵的轉速升高超過2000r/min，轉速升高的比例逐步減低，以保證電機的轉速不會過高。

4.2.3 助力控制效果

從圖（5）可知，方向盤反饋力矩在相同側向加速度下60km/h車速工況明顯大于40km/h車速工況；可見采取隨著車速提高降低電動液壓泵轉速，從而降低液壓泵輸出流量，起到加大方向盤操縱力矩，提高駕駛員高速路感的作用。

5 總結

對某乘用車的電動液壓助力轉向系統進行試驗研究，試驗采集了多種工況下電動液壓泵轉速、方向盤角速度、車速、車身側向加速度及方向盤力矩等數據。通過采集的數據繪制了電動液壓泵目標轉速特性圖和方向盤力矩特性圖；在此基礎上對車輛直行和轉向工況下，電動液壓泵目標轉速的控制策略及控制效果進行了詳細的分析，為電動液壓助力轉向系統的電動液壓泵目標轉速的設計提供參考。