電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測試方法

1、【99】電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性分析及測試方法The an alysis and test method of damp ing characteristicsfor electric power steeri ng 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摘要:電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Ste

2、ering,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(dòng)安全性。建立EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，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(dòng)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(dòng)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(shí)碼:A 文章編號:1009-0134（201505上-0099-03Doi:10.3969/j.issn.1009- 0134.2015.05

3、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?dòng)力學(xué)仿真與控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

4、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(tái)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(tái)EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)是指具有EPS系統(tǒng)的乘用車動(dòng)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) 證平臺(tái)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

5、臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)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)償控制兩部【100】 第37卷第5期制也4匂甲把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)7o EP

6、S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(dòng)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 Gg?(+? ?式中:T m為電機(jī)輸出

7、力矩；Kt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；s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(dòng)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 系統(tǒng)阻尼特性分析，提供了可靠的車輛動(dòng)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1

8、00km/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)償控制能夠改善 EPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減小快速轉(zhuǎn)向 時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩超調(diào)量。? ? ? ?1P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?？匆钥闯鍪┘?阻尼摩擦補(bǔ)償控制后，撒手回正時(shí)方向盤殘留角度由

9、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(dòng)態(tài) 響應(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12

10、31kg簧載質(zhì)量1111kg簧載質(zhì)量繞車身縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 288kgm 2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2031.4kgm 2輪胎尺寸【101】3.1 EPS系統(tǒng)阻尼特性測試方法轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼特性測試時(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(dòng)轉(zhuǎn)向盤左右兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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/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

11、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 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

12、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)擻值為0.29Nms/rad。4結(jié)束語1建立EPS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)和回正性能。2基于K&C試驗(yàn)臺(tái)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.Developme nt of the Automobile Steeri ng

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15、99.7 余為清，熊國良，梁占峰.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線的分析與改進(jìn)J.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2011,38(3:11-16.8 孟濤，余卓平，陳慧，等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證J.汽車技術(shù),2005(5:26-30.9 Yan gli ng Cao, Shus ong Yan g.Study on Assista nee Torque Con trolStrategyof Electric Power Steeri ng SystemA.Electric In formatio n and Con trol Engineering (ICEICEC.2011:5372-5374

16、.表2不同轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速下左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向阻力矩轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速(deg/s左側(cè)轉(zhuǎn)向阻力矩(Nm右側(cè)轉(zhuǎn)向阻力矩(Nm1003.66-3.492003.81-3.713004.01-3.864004.12-4.025004.23-4.116004.36-4.20? ? ? 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WANFANG DATA電動(dòng)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, YUZhi-xin, LI Lian-jing , ZHONG Bo-hao作者單位:李紹松丄I 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