電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測試方法

1、第37卷 第5期 2015-05(上 【99】電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測試方法The analysis and test method of damping characteristicsfor electric power steering system李紹松 1,2, 牛加飛 2, 于志新 2, 李連京 2, 鐘博浩 2LI Shao-song1,2, NIU Jia-fei2, YU Zhi-xin2, LI Lian-jing2, ZHONG Bo-hao2(1. 長春工業(yè)大學(xué) 汽車工程研究院 , 長春 130012; 2. 長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 , 長春 130012 摘

2、 要:電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering,EPS在提供轉(zhuǎn)向助力、減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)的 同時(shí),也能夠提高汽車轉(zhuǎn)向性能和駕駛舒適性,進(jìn)而提高汽車的主動安全性。建立EPS系統(tǒng)仿 真驗(yàn)證平臺,分析阻尼補(bǔ)償控制對汽車轉(zhuǎn)向性能影響,結(jié)果表明阻尼補(bǔ)償控制通過設(shè)定阻尼 補(bǔ)償控制系數(shù),可改善EPS動態(tài)響應(yīng)及回正性能。提出EPS系統(tǒng)阻尼特性測試方法,準(zhǔn)確獲得 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼系數(shù),為EPS阻尼補(bǔ)償控制系數(shù)的設(shè)定提供參數(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞:電動助力轉(zhuǎn)向;阻尼特性;阻尼補(bǔ)償系數(shù) 中圖分類號:U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號:1009-0134(201505(上-0099-03Doi:10.39

3、69/j.issn.1009-0134.2015.05(上.28收稿日期:2014-12-03作者簡介:李紹松 (1986 -, 男 , 講師 , 博士 , 研究方向?yàn)槠噭恿W(xué)仿真與控制 。0 引言EPS 系統(tǒng)作為電子技術(shù)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物, 緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展的低碳、環(huán)保、安全三大主題 1,在 提供助力、減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)的同時(shí),也能夠提高汽 車轉(zhuǎn)向性能,以其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)有逐步替代液壓助 力轉(zhuǎn)向的趨勢24。EPS 系統(tǒng)增加了轉(zhuǎn)向電機(jī)及減速機(jī)構(gòu),大幅地增加 了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼,這給駕駛員轉(zhuǎn)向過程中帶來了更大 的 “ 粘滯 ” 感覺,這種感覺的強(qiáng)弱可以通過對轉(zhuǎn)向助力 電機(jī)施加阻尼補(bǔ)償力矩來

4、調(diào)整 5。此外, EPS 阻尼控制 對提高汽車高速行駛時(shí)橫擺角速度的收斂性,改善轉(zhuǎn)向 穩(wěn)定性有重要作用 6。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼力矩表示為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼系數(shù)與轉(zhuǎn)向 小齒輪角速度的乘積,隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的變化而變化,轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)阻尼系數(shù)的確定多借鑒參考文獻(xiàn)。因此,本文提出 EPS 阻尼特性測試方法,基于 K&C試驗(yàn)臺測試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻 尼系數(shù),為 EPS 阻尼補(bǔ)償控制系數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)。1 EPS 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺EPS 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺是指具有 EPS 系統(tǒng)的乘用車 動力學(xué)模型,包括基于 Matlab/Simulink建立的 EPS 控制 系統(tǒng)模型和 CarSim 軟件中的車輛模型。 EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)

5、證平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。 1. 電機(jī)電樞電壓 ; 2. 電機(jī)電流 ; 3. 轉(zhuǎn)向盤力矩 ; 4. 車速 ; 5. 轉(zhuǎn)向小齒輪角速度 ; 6. 電機(jī)助力矩圖 1 EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺結(jié)構(gòu)框圖EPS 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺中, EPS 控制系統(tǒng)模型輸出 電機(jī)助力矩給 CarSim 車輛模型, CarSim 車輛模型對 EPS 控制系統(tǒng)模型的輸出包括轉(zhuǎn)向盤力矩、車速和轉(zhuǎn)向小齒 輪角速度,實(shí)現(xiàn) Matlab 與 CarSim 的聯(lián)合仿真,下面分別 對這兩部分進(jìn)行介紹。 1.1 EPS 控制系統(tǒng)模型1.1.1 EPS 控制器EPS 控制器功能框圖如圖 2所示,包括 EPS 基本助力 控制和電機(jī)補(bǔ)償控制兩

6、部分?！?00】 第37卷 第5期 2015-05(上圖 2 EPS控制器功能框圖EPS 基本助力控制功能實(shí)現(xiàn)時(shí),采用多點(diǎn)折線擬合 曲線助力特性,在獲得曲線型助力效果的同時(shí),減少系 統(tǒng)的計(jì)算量,更容易在控制器中實(shí)現(xiàn) 7。 EPS 電機(jī)補(bǔ)償 控制包括電機(jī)慣量、阻尼和摩擦補(bǔ)償控制,主要基于車 速、電機(jī)角速度和角加速度信號確定補(bǔ)償控制電流,對 EPS 基本助力控制電流進(jìn)行修正,降低 EPS 電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)的慣量、阻尼和摩擦對轉(zhuǎn)向性能的影響 8,9。最后, 通過 PID 控制器確定電機(jī)的電樞電壓,控制電機(jī)產(chǎn)生助 力,消除電機(jī)目標(biāo)電流與實(shí)際電流的偏差。1.1.2 電機(jī)模型電機(jī)模型的輸入是轉(zhuǎn)向小齒輪角速度

7、和電機(jī)電樞電 壓,輸出則是電機(jī)電流和電機(jī)助力矩。電機(jī)及其減速機(jī) 構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼和摩擦分別等效到 CarSim 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的相應(yīng)參數(shù)中。因此,電機(jī)模型的表達(dá)式如下: m t T K i = (1p u R i K G =+(2式中:T m 為電機(jī)輸出力矩; K t 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù); i 為電機(jī)電流; u 為電機(jī)電樞電壓; R 為電機(jī)內(nèi)阻;p 為 轉(zhuǎn)向小齒輪角速度; G 電機(jī)減速機(jī)構(gòu)減速比。 1.2 CarSim 車輛模型CarSim 是專門針對車輛動力學(xué)的仿真軟件,軟件適 用于乘用車的建模仿真,車輛的操縱穩(wěn)定性分析,并能 夠?qū)崿F(xiàn)與 Matlab/Simulink的相互調(diào)用。這些特點(diǎn)為 EPS

8、 系統(tǒng)阻尼特性分析,提供了可靠的車輛動力學(xué)模型。本 文選擇了與 EPS 試驗(yàn)車尺寸相近的 CarSim 車輛參數(shù)和總 成設(shè)置,表 1列出了車輛模型的主要參數(shù)。2 EPS 系統(tǒng)阻尼特性分析EPS 系統(tǒng)阻尼特性對轉(zhuǎn)向性能影響分析時(shí),試驗(yàn)工 況選擇轉(zhuǎn)向角階躍輸入和低速回正試驗(yàn)。轉(zhuǎn)向角階躍試驗(yàn)時(shí),車速 100km/h,階躍幅值 30deg ,起躍時(shí)間小于 0.2秒。有無阻尼補(bǔ)償控制的轉(zhuǎn)向 盤力矩對比曲線,如圖 3所示?？梢钥闯?在基本助力 控制的基礎(chǔ)上引入阻尼補(bǔ)償控制后,轉(zhuǎn)向盤力矩的第一個(gè)峰值從 4.06Nm 下降到 3.89Nm ,超調(diào)量從 15%減小到 10.2%。結(jié)果表明:適當(dāng)?shù)淖枘嵫a(bǔ)償控制能夠

9、改善 EPS 系統(tǒng) 的動態(tài)性能,減小快速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩超調(diào)量。 1P V圖 3 有無阻尼補(bǔ)償控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩對比曲線低速回正試驗(yàn)時(shí),汽車以車速 30km/h直線行駛,在 5s 時(shí)對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行一定的力矩輸入,穩(wěn)定數(shù)秒后撒手 回正,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對比曲線如圖 4所示。看以看出施加 阻尼摩擦補(bǔ)償控制后,撒手回正時(shí)方向盤殘留角度由 25deg 降低到 20deg ,降低了 5deg 。結(jié)果表明, EPS 阻尼 補(bǔ)償控制能夠改善 EPS 汽車的回正性能。 G H J V圖 4 有無阻尼補(bǔ)償控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對比曲線3 EPS 系統(tǒng)阻尼特性測試方法綜上, EPS 系統(tǒng)阻尼特性對快速轉(zhuǎn)向時(shí) EPS 系統(tǒng)動態(tài) 響

10、應(yīng)及汽車回正性能有重要影響。實(shí)車調(diào)試過程中,需要 根據(jù)駕駛員主觀感覺確定阻尼補(bǔ)償控制系數(shù)隨車速的變化 規(guī)律,標(biāo)定過程比較繁瑣。通過 EPS 系統(tǒng)阻尼特性測試, 獲得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼系數(shù),為實(shí)車標(biāo)定提供參數(shù)依據(jù)。表 1 車輛模型的主要參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 質(zhì)心至前軸距離 1.04m 質(zhì)心至后軸距離 1.56m 質(zhì)心至地面距離 0.54m 前后輪距 1.60m 整車質(zhì)量 1231kg 簧載質(zhì)量1111kg 簧載質(zhì)量繞車身縱軸轉(zhuǎn)動慣量 288kgm 2、 轉(zhuǎn)動慣量 2031.4kgm 2輪胎尺寸185/65R15第37卷 第5期 2015-05(上 【101】3.1 EPS 系統(tǒng)阻尼特性測試方法轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼

11、特性測試時(shí),將轉(zhuǎn)向機(jī)器人安裝于轉(zhuǎn) 向盤上,保證轉(zhuǎn)向盤處于中間位置。關(guān)閉轉(zhuǎn)向助力,開 啟轉(zhuǎn)向機(jī)器人,驅(qū)動轉(zhuǎn)向盤左右兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動,旋轉(zhuǎn)角 度為三角波輸入,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入速度為 100600deg/s(100deg/s遞增,峰值為距離轉(zhuǎn)角死點(diǎn) 30deg 位置,每 次試驗(yàn)兩個(gè)周期。獲取各轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)向盤力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 的時(shí)域數(shù)據(jù),并分別對轉(zhuǎn)向盤力矩和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時(shí)域 數(shù)據(jù)進(jìn)行截止頻率 2Hz 的低通濾波處理。并分別對各轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下左、右兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)向盤力矩在 -360deg, 360deg轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做線性擬合。以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入速 度 100deg/s和 600deg/s為例,轉(zhuǎn)向盤力矩相對轉(zhuǎn)向盤

12、轉(zhuǎn) 角的變化擬合曲線分別如圖 5和圖 6所示。-4-2024 1P GHJ圖 5 100deg/s時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩變化擬合曲線-6-4-20246 1P GHJ圖 6 600deg/s時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩變化擬合曲線3.2 EPS 系統(tǒng)阻尼特性測試結(jié)果各轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下,左、右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向轉(zhuǎn)向盤力矩在 -360deg, 360deg轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)線性擬合直線的截距,為 轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向輪部分的轉(zhuǎn)向阻力矩,包括系統(tǒng)摩擦力矩 與阻尼力矩,具體數(shù)值如表 2所示。繪制左、右兩個(gè)方向,轉(zhuǎn)向阻力矩相對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 速的變化曲線,如圖 7所示,斜率即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼系 數(shù),數(shù)值為 0.29Nms/rad。4 結(jié)束語1建立 EPS 系統(tǒng)仿真

13、驗(yàn)證平臺,進(jìn)行轉(zhuǎn)向角階躍 和低速回正仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,阻尼補(bǔ)償控制可 改善 EPS 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和回正性能。2基于 K&C試驗(yàn)臺進(jìn)行不同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速輸入試 驗(yàn),獲取各轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)向盤力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的時(shí)域數(shù)據(jù)。3繪制各轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下,左、右兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)向 阻力矩相對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的變化曲線,斜率即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 阻尼系數(shù)。參考文獻(xiàn) :1 Aijun Hu.Development of the Automobile Steering SystemJ.Applied Mechanics and Materials,2011,42:272-275.2 FAN Chang-sheng, GUO

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17、03.66-3.492003.81-3.713004.01-3.86400 4.12-4.025004.23-4.116004.36-4.20 1P GHJ V圖 7 轉(zhuǎn)向阻力矩相對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的變化曲線 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測試方法作者:李紹松 , 牛加飛 , 于志新 , 李連京 , 鐘博浩 , LI Shao-song, NIU Jia-fei, YU Zhi-xin, LI Lian-jing , ZHONG Bo-hao作者單位:李紹松,LI Shao-song(長春工業(yè)大學(xué)汽車工程研究院,長春 130012; 長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長春130012 , 牛加飛,于志新,李連京,鐘博