（Shanghai Haima Automotive R&D Co., LTD, No.6111, Longdong Ave，Shanghai, 201201, China）
2020/3/22
《电动助力转向系统的控制系统设计》 毛建伟 杨建中 蔡志标 陈仁史
目录
1、引言 2、电动助力转向系统数学模型的建立 3、EPS控制系统设计及仿真研究 4、台架试验及结果分析 5、结论
式中 Ie ——减速机构的转动惯量， Kg m2 ； Be ——减速机构的阻尼系数， N m /(rad / s) ； n1 ——蜗轮-蜗杆减速机构的减速比； Tw ——作用在输出轴上的反作用转矩， N m 。
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式中
I m ——电动机和离合器的转动惯量，Kg m2 ； Bm ——电动机粘性阻尼系数， N m /(rad / s) ；
电动机等效电路图
m ——电动机的转角， rad ；
Tm ——电动机电磁转矩，这里即是电动机的控制输入， N m ；
Ta ——电动机负载，这里即为电动机输出助力转矩， N m 。
首先，需要建立研究对象的数学模型，本文建立了线性 三自由度汽车模型与EPS系统的集成数学模型 。
2. 1 线性三自由度汽车模型
在侧倾转向效应较大时，线性二自由度的汽车模型就不 够精确了，这时就必须计入侧倾自由度对角输入操纵运动 的影响。
列出三自由度车辆运动微分方程并整理得到：
I zr I xz p N rr N N N
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电动机模型
EPS 系统的电动机一般采用直流电动机： U LI RI kbm
电动机产生的电磁转矩为：
Tm Ka I
式中 Ka ——电动机的转矩系数： N m A1 。
电动机的机械特性模型为：
I mm Bm设计》 毛建伟 杨建中 蔡志标 陈仁史
1、引言
1.1 汽车转向系统发展历程
机械式转向系统
动力转向系统
液压助力 转向系统
电液助力 转向系统
电动助力 转向系统
线控 转向系统
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电动助力转向系统的控制系统设计
Design of Control System for Electric Power Steering System
毛建伟 杨建中 蔡志标 陈仁史
Mao Jianwei, Yang Jianzhong, Cai Zhibiao, Chen Renshi
（上海海马汽车研发有限公司 上海龙东大道 6111号 201201）
1.2 电动助力转向系统的简介
EPS系统主要由机械 转向装置、转矩传感器、 车速传感器、助力电机、 减速机构、电子控制单 元（ECU）组成，如右 图所示。
电动助力转向系统 由于具有节能，安全， 环保，转向性能好而受 到业内人士的青睐。代 表了汽车转向技术的发 展方向，具有广阔的产 业化前景。
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转向轴助力式电动助力转向系统
毛建伟 杨建中 蔡志标 陈仁史
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1.3 研究的目的和意义
汽车转向系一直存在着“轻”与“灵”的矛盾，而且转 向力与路感也相互制约。EPS由电机提供助力，助力大小由 电控单元(ECU) 实时调节与控制，可以较好地解决上述矛盾。 EPS控制策略的设计是EPS系统的关键技术之一，如何得到 任意车速下的助力曲线是研究EPS技术的重点与难点。
在实际的控制系统中，电动机助力转矩Ta 可以表示为：
Ta 式中
K
mK(mm— —n1电1 )动机和减20速20机/3/2构2 的刚性系数，
N
m
/
rad
。
输出轴子模型
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对转向柱输出轴及电机输出轴进行动力学分析，得到下面的运动学方程： I e1 Be1 Tsen n1Ta Tw
MV(r ) M shp Yrr Y Y Y
I x p M shV(r ) I xzr Lp p L
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图1 转向俯视图
图2 转向后视图
以前轮转角(转向盘转角)作输入时，整个汽车的运动状态可以用三个广义坐标来
转向盘和转向轴子模型
对转向盘和转向轴受力分析，这里考虑了转向盘的转动惯量，并且把转向轴的粘性阻尼
考虑在内，可以得到如下运动方程
式中
I hh B h h Th Tsen I h ——转向盘、转向轴的转动惯量， Kg m2 ；
Bh ——转向轴的粘性阻尼系数， N m /(rad / s) ；
h ——转向轴的旋转角， rad ；
表示（如图 1 和 2 所示）：航向角 、质心侧偏角 和车身侧倾角 。
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2. 2 EPS系统动力学模型
转向盘和转向柱输入轴子模型 电动机模型 输出轴子模型 齿条子模型
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EPS动态模型
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Th ——作用在转向盘上的转向转矩， N m ；
Tsen ——扭杆的反作用转矩， N m 。
由于转矩传感器是依靠扭杆的相对转动产生扭转变形，扭杆受到的转矩与扭杆的扭转角
度成正比，即有
式中
Tsen ks ( h 1 ) ks ——扭杆的刚性系数， N m / rad ；
1 ——输出轴的旋转角， rad 。 2020/3/22
国内电动助力转向研究领域，对EPS控制策略的研究主 要集中在常规助力控制，对以提高汽车高速行驶稳定性为目 标的阻尼控制研究较少，因此有必要开展该方面的研究，使 设计的EPS性能更适合汽车实际行驶需要。
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2 电动助力转向系统数学模型