隨著汽車技術(shù)向安全、節(jié)能和環(huán)保方向發(fā)展，如何提高助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)能耗已成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和消費(fèi)者關(guān)注的問題。
傳統(tǒng)純液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在助力比固定、高速路感差及能源利用效率低等缺點(diǎn); 通過采用電磁閥對(duì)助力控制閥的流量進(jìn)行控制，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變助力，提高了車輛的操縱路感，但由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵輸出流量基本恒定，系統(tǒng)仍造成大量的能源浪費(fèi)。
近年來，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)取得了較快的發(fā)展，在乘用車上也得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于使用的助力電機(jī)功率較小、控制方法復(fù)雜，且不具備人員長期習(xí)慣的液力感覺和路感，使得其使用范圍受到一定的限制; 而液壓助力系統(tǒng)具有輸出力大，衰減振動(dòng)，轉(zhuǎn)向感覺平順，可靠安全的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于中等功率( 500～1 000 W) 和大功率的伺服助力機(jī)構(gòu)，液壓方案仍為*選擇。
電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)( EHPS) 將成熟的電機(jī)控制技術(shù)與液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)結(jié)合，既具有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大助力及技術(shù)成熟可靠的特點(diǎn)，又具有電機(jī)的率、易控制優(yōu)點(diǎn)，適用于各種車型。控制器( ECU) 根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角和車速傳感器等信號(hào)計(jì)算電動(dòng)液壓泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)液壓泵跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速以達(dá)到理想的助力要求。由于助力液壓泵采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得液壓泵的運(yùn)行狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況無關(guān)，可以按照車輛轉(zhuǎn)向所需的助力大小要求控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得降低系統(tǒng)能耗水平及提高轉(zhuǎn)向助力性能的效果。
筆者對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探討并對(duì)亟需研究和解決的問題進(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(zhuǎn)向技術(shù)方面的文獻(xiàn)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(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)
1．1．1 單參數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
20 世紀(jì)80 年代，為使液壓泵的運(yùn)行狀態(tài)易于控制以實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)能耗及可變助力的功能，國外學(xué)者開始研究由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。對(duì)前軸載荷低于600 kg 小型車輛使用電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)只采用單一車速信號(hào)對(duì)電動(dòng)液壓泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)控制，可根據(jù)車速變化而改變系統(tǒng)助力比，實(shí)現(xiàn)可變助力轉(zhuǎn)向功能，改善車輛的操縱性能。由于液壓泵的運(yùn)行與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)脫離，車速高時(shí)，液壓泵轉(zhuǎn)速降低，消耗功率降低。該系統(tǒng)的能源消耗約為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵系統(tǒng)的35%。但在非轉(zhuǎn)向工況，電機(jī)仍以正常轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成的能源浪費(fèi)仍然較大。
20 世紀(jì)90 年代，系統(tǒng)得到了進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)系統(tǒng)電控單元。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)向操作時(shí)，系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)速和能耗。
1．1．2 雙參數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
進(jìn)入21 世紀(jì)，研究者采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命; 同時(shí)根據(jù)車速和方向盤角速度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向操縱的響應(yīng)性能，在降低系統(tǒng)能耗同時(shí)，使得控制更加。
TＲW 公司在我國為上海大眾POLO 轎車配備了該種EHPS 系統(tǒng)。由于其良好助力轉(zhuǎn)向性能，贏得了良好口碑。
1．1．3 系統(tǒng)能耗分析及多工況控制策略
通過建立系統(tǒng)能耗數(shù)學(xué)模型分析了影響能耗的主要因素，認(rèn)為在非轉(zhuǎn)向工況下系統(tǒng)的液壓油壓降對(duì)能源消耗具有重要影響。
為了進(jìn)一步降低非轉(zhuǎn)向工況系統(tǒng)的能耗，分析了不同行車工況下電動(dòng)液壓泵的節(jié)能策略，提出了適應(yīng)多種駕駛工況的電動(dòng)液壓泵控制方式。
1．2 商用車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)
由于要求的助力系統(tǒng)功率較高，商用車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能源的利用效率較差，如何對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造是其助力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的主要方向。
系統(tǒng)地介紹了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件及控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。介紹基于永磁同步電機(jī)的42VEHPS 電動(dòng)液壓泵單元的研發(fā)過程。介紹了輕型商務(wù)車的大功率( 1kW 以上) EHPS 系統(tǒng)系列產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用實(shí)例。則對(duì)某大型商用鉸接車輛的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了分析，根據(jù)該類車輛的轉(zhuǎn)向力矩特點(diǎn)，研究對(duì)車輛鉸接角度變化率進(jìn)行反饋控制的方法。
2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要集中在3 個(gè)方向。
2．1 系統(tǒng)助力特性
助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)既要滿足車輛轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了幾種助力特性設(shè)計(jì)方法。
2．1．1 助力轉(zhuǎn)閥特性分析
對(duì)分流式ECHPS 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并對(duì)其轉(zhuǎn)向力特性曲線進(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(chǔ)上，對(duì)典型液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性進(jìn)行了分析研究。
2．1．2 助力特性的分析和設(shè)計(jì)
通過對(duì)多種助力特性曲線的特點(diǎn)進(jìn)行分析，建議采用直線型助力特性曲線。為滿足緊急工況下的助力矩控制要求，提出一種基于方向盤角速度的附加力矩控制策略。提出基于"路感"的助力特性設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明: 所設(shè)計(jì)的助力特性，在保證高速工況有合適的操縱路感和車輛穩(wěn)定性的前提下，能滿足低速工況所需的轉(zhuǎn)向操縱輕便性要求。
2．2 系統(tǒng)建模及控制技術(shù)
2．2．1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模及仿真
建立了考慮液流動(dòng)態(tài)摩擦效應(yīng)的液壓管路數(shù)學(xué)模型，提出了EHPS 原地轉(zhuǎn)向、行駛轉(zhuǎn)向和直線行駛控制策略。運(yùn)用AMESim 仿真軟件對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用車速及方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度作為系統(tǒng)控制參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)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(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力隨動(dòng)性能及方向盤回正性能也得到了相應(yīng)的提高。介紹了一種電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)，應(yīng)用此試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)在農(nóng)村道路駕駛工況下影響系統(tǒng)能耗的主要因素進(jìn)行了研究。采用仿真和實(shí)車試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，結(jié)果表明非轉(zhuǎn)向工況下電機(jī)怠速損失是主要因素，轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的擬合及轉(zhuǎn)速控制方法。
考慮控制系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的限制，系統(tǒng)儲(chǔ)存的為離散車速下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，對(duì)中間車速下出現(xiàn)的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速盲區(qū)，提出了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，優(yōu)化得到所有車速下的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，克服了轉(zhuǎn)速盲區(qū)對(duì)助力效果的影響。通過仿真模擬，分析了具有助力死區(qū)補(bǔ)償算法的轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PI 控制，分析了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行改進(jìn)，仿真結(jié)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(yīng)性能; 降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，無刷直流電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性得到了明顯改善。
2．3 控制系統(tǒng)軟硬件研發(fā)
目前國內(nèi)還沒有成熟的商用電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品。部分研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和試制的探索。
研發(fā)了一種采用AＲM 微處理器的EHPS 系統(tǒng)，系統(tǒng)采集方向盤角速度、方向盤轉(zhuǎn)矩和車速信號(hào)，通過PWM 斬波信號(hào)控制電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)的助力大小。對(duì)中國重汽集團(tuán)公司電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU 軟、硬件設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行介紹，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)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(jié)語及展望
對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)控制策略分析、助力特性曲線分析、系統(tǒng)建模仿真、主要部件研發(fā)過程的介紹等方面; 相關(guān)學(xué)者在涉及系統(tǒng)助力特性、電動(dòng)液壓泵特性設(shè)計(jì)及系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)等方面時(shí)，主要以一些試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性不夠，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要功能是為駕駛員提供一個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力矩，降低駕駛員操縱強(qiáng)度; 同時(shí)方向盤必須給駕駛員一個(gè)適當(dāng)?shù)姆答伭?，?路感"。
雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)"路感"概念有所論述，但主要為定性分析，學(xué)界還沒有*、量化的定義，不能有效指導(dǎo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的設(shè)計(jì)，也不能對(duì)各種助力特性的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行客觀公正的評(píng)價(jià)。
可見，如何對(duì)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱"路感"進(jìn)行定義和量化是助力特性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，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(píng)價(jià)
電動(dòng)液壓泵既要對(duì)駕駛員的轉(zhuǎn)向操作快速響應(yīng)，又要具有較高能源利用效率，降低油耗。如何實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，涉及到對(duì)電動(dòng)液壓泵的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括不同轉(zhuǎn)向工況下電動(dòng)液壓泵的目標(biāo)轉(zhuǎn)速及流量、電動(dòng)液壓泵設(shè)計(jì)及電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;而涉及這方面的設(shè)計(jì)理論欠缺，開展對(duì)EHPS 電動(dòng)液壓泵特性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法的研究具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。
3．3 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮方向盤操縱輕便性、*路感反饋及zui小能源消耗等多個(gè)方面的因素，是多參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
目前，有關(guān)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)也主要局限于對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇方法及參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析等，不能有效指導(dǎo)對(duì)系統(tǒng)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)一步的研究。