电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法

1、第37卷 第5期 2015-05(上 【99】电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法The analysis and test method of damping characteristicsfor electric power steering system李绍松 1,2, 牛加飞 2, 于志新 2, 李连京 2, 钟博浩 2LI Shao-song1,2, NIU Jia-fei2, YU Zhi-xin2, LI Lian-jing2, ZHONG Bo-hao2(1. 长春工业大学 汽车工程研究院 , 长春 130012; 2. 长春工业大学 机电工程学院 , 长春 130012 摘

2、 要:电动助力转向(Electric Power Steering,EPS在提供转向助力、减轻驾驶员操纵负担的 同时,也能够提高汽车转向性能和驾驶舒适性,进而提高汽车的主动安全性。建立EPS系统仿 真验证平台,分析阻尼补偿控制对汽车转向性能影响,结果表明阻尼补偿控制通过设定阻尼 补偿控制系数,可改善EPS动态响应及回正性能。提出EPS系统阻尼特性测试方法,准确获得 转向系统阻尼系数,为EPS阻尼补偿控制系数的设定提供参数依据。收稿日期:2014-12-03作者简介:李绍松 (1986 -, 男 , 讲师 , 博士 , 研究方向为汽车动力学仿真与控制 。0 引言EPS 系统作为电子技术与转向系统

3、相结合的产物, 紧扣现代汽车发展的低碳、环保、安全三大主题 1,在 提供助力、减轻驾驶员操纵负担的同时,也能够提高汽 车转向性能,以其优越的性能和特点有逐步替代液压助 力转向的趋势24。EPS 系统增加了转向电机及减速机构,大幅地增加 了转向系统的阻尼,这给驾驶员转向过程中带来了更大 的 “ 粘滞 ” 感觉,这种感觉的强弱可以通过对转向助力 电机施加阻尼补偿力矩来调整 5。此外, EPS 阻尼控制 对提高汽车高速行驶时横摆角速度的收敛性,改善转向 稳定性有重要作用 6。转向系统阻尼力矩表示为转向系统阻尼系数与转向 小齿轮角速度的乘积,随着转向盘转速的变化而变化,转 向系统阻尼系数的确定多借鉴参

4、考文献。因此,本文提出 EPS 阻尼特性测试方法,基于 K&C试验台测试转向系统阻 尼系数,为 EPS 阻尼补偿控制系数的设定提供依据。1 EPS 系统仿真验证平台EPS 系统仿真验证平台是指具有 EPS 系统的乘用车 动力学模型,包括基于 Matlab/Simulink建立的 EPS 控制 系统模型和 CarSim 软件中的车辆模型。 EPS系统仿真验 证平台结构框图如图 1所示。 1. 电机电枢电压 ; 2. 电机电流 ; 3. 转向盘力矩 ; 4. 车速 ; 5. 转向小齿轮角速度 ; 6. 电机助力矩图 1 EPS系统仿真验证平台结构框图EPS 系统仿真验证平台中, EPS 控

5、制系统模型输出 电机助力矩给 CarSim 车辆模型, CarSim 车辆模型对 EPS 控制系统模型的输出包括转向盘力矩、车速和转向小齿 轮角速度,实现 Matlab 与 CarSim 的联合仿真,下面分别 对这两部分进行介绍。 1.1 EPS 控制系统模型EPS 控制器功能框图如图 2所示,包括 EPS 基本助力 控制和电机补偿控制两部分。【100】 第37卷 第5期 2015-05(上图 2 EPS控制器功能框图EPS 基本助力控制功能实现时,采用多点折线拟合 曲线助力特性,在获得曲线型助力效果的同时,减少系 统的计算量,更容易在控制器中实现 7。 EPS 电机补偿 控制包括电机惯量、阻

6、尼和摩擦补偿控制,主要基于车 速、电机角速度和角加速度信号确定补偿控制电流,对 EPS 基本助力控制电流进行修正,降低 EPS 电机及减速机构的惯量、阻尼和摩擦对转向性能的影响 8,9。最后, 通过 PID 控制器确定电机的电枢电压,控制电机产生助 力,消除电机目标电流与实际电流的偏差。电机模型的输入是转向小齿轮角速度和电机电枢电 压,输出则是电机电流和电机助力矩。电机及其减速机 构的转动惯量、阻尼和摩擦分别等效到 CarSim 转向系统 的相应参数中。因此,电机模型的表达式如下: m t T K i = (1p u R i K G =+(2式中:T m 为电机输出力矩; K t 为电机转矩系

7、数; i 为电机电流; u 为电机电枢电压; R 为电机内阻;p 为 转向小齿轮角速度; G 电机减速机构减速比。 1.2 CarSim 车辆模型CarSim 是专门针对车辆动力学的仿真软件,软件适 用于乘用车的建模仿真,车辆的操纵稳定性分析,并能 够实现与 Matlab/Simulink的相互调用。这些特点为 EPS 系统阻尼特性分析,提供了可靠的车辆动力学模型。本 文选择了与 EPS 试验车尺寸相近的 CarSim 车辆参数和总 成设置,表 1列出了车辆模型的主要参数。2 EPS 系统阻尼特性分析EPS 系统阻尼特性对转向性能影响分析时,试验工 况选择转向角阶跃输入和低速回正试验。转向角阶

8、跃试验时,车速 100km/h,阶跃幅值 30deg ,起跃时间小于 0.2秒。有无阻尼补偿控制的转向 盘力矩对比曲线,如图 3所示。可以看出,在基本助力 控制的基础上引入阻尼补偿控制后,转向盘力矩的第一个峰值从 4.06Nm 下降到 3.89Nm ,超调量从 15%减小到 10.2%。结果表明:适当的阻尼补偿控制能够改善 EPS 系统 的动态性能,减小快速转向时转向盘力矩超调量。 1P V图 3 有无阻尼补偿控制时转向盘力矩对比曲线低速回正试验时,汽车以车速 30km/h直线行驶,在 5s 时对转向盘进行一定的力矩输入,稳定数秒后撒手 回正,转向盘转角对比曲线如图 4所示。看以看出施加 阻尼

9、摩擦补偿控制后,撒手回正时方向盘残留角度由 25deg 降低到 20deg ,降低了 5deg 。结果表明, EPS 阻尼 补偿控制能够改善 EPS 汽车的回正性能。 G H J V图 4 有无阻尼补偿控制时转向盘转角对比曲线3 EPS 系统阻尼特性测试方法综上, EPS 系统阻尼特性对快速转向时 EPS 系统动态 响应及汽车回正性能有重要影响。实车调试过程中,需要 根据驾驶员主观感觉确定阻尼补偿控制系数随车速的变化 规律,标定过程比较繁琐。通过 EPS 系统阻尼特性测试, 获得转向系统阻尼系数,为实车标定提供参数依据。表 1 车辆模型的主要参数 参数 数值 质心至前轴距离 1.04m 质心至

10、后轴距离 1.56m 质心至地面距离 0.54m 前后轮距 1.60m 整车质量 1231kg 簧载质量1111kg 簧载质量绕车身纵轴转动惯量 288kgm 2、 转动惯量 2031.4kgm 2轮胎尺寸185/65R15第37卷 第5期 2015-05(上 【101】3.1 EPS 系统阻尼特性测试方法转向系统阻尼特性测试时,将转向机器人安装于转 向盘上,保证转向盘处于中间位置。关闭转向助力,开 启转向机器人,驱动转向盘左右两个方向转动,旋转角 度为三角波输入,转向盘转角输入速度为 100600deg/s(100deg/s递增,峰值为距离转角死点 30deg 位置,每 次试验两个周期。获取

11、各转向盘转速下,转向盘力矩与转向盘转角 的时域数据,并分别对转向盘力矩和转向盘转角时域 数据进行截止频率 2Hz 的低通滤波处理。并分别对各转向盘转速下左、右两个方向的转向盘力矩在 -360deg, 360deg转角范围内做线性拟合。以转向盘转角输入速 度 100deg/s和 600deg/s为例,转向盘力矩相对转向盘转 角的变化拟合曲线分别如图 5和图 6所示。-4-2024 1P GHJ图 5 100deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线-6-4-20246 1P GHJ图 6 600deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线3.2 EPS 系统阻尼特性测试结果各转向盘转速下,左、右转两个方向转向盘力

12、矩在 -360deg, 360deg转角范围内线性拟合直线的截距,为 转向盘到转向轮部分的转向阻力矩,包括系统摩擦力矩 与阻尼力矩,具体数值如表 2所示。绘制左、右两个方向,转向阻力矩相对转向盘转 速的变化曲线,如图 7所示,斜率即为转向系统阻尼系 数,数值为 0.29Nms/rad。4 结束语1建立 EPS 系统仿真验证平台,进行转向角阶跃 和低速回正仿真试验。试验结果表明,阻尼补偿控制可 改善 EPS 系统动态响应和回正性能。2基于 K&C试验台进行不同转向盘转速输入试 验,获取各转向盘转速下,转向盘力矩与转向盘转角的时域数据。3绘制各转向盘转速下,左、右两个方向的转向 阻力矩相对

13、转向盘转速的变化曲线,斜率即为转向系统 阻尼系数。参考文献 :1 Aijun Hu.Development of the Automobile Steering SystemJ.Applied Mechanics and Materials,2011,42:272-275.2 FAN Chang-sheng, GUO Yan-ling. Design of the Auto ElectricPower Steering System ControllerJ.Procedia Engineering, 2012, 29:3200-3206.3 林逸 , 施国标 , 邹常丰 , 等 . 电动助力转

14、向助力控制策略的研究 J.汽车技术 ,2003,(3:8-11.4 Baharom, Masri B.;Hussain, Khalid; Day, Andrew J. Designof full electric power steering with enhanced performance over that of hydraulic power-assisted steeringJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2013,227(3:390-399.5 王祥 . 汽车线控转向系统双向控制及变传动比特性研究 D

15、.长春 :吉林大学 ,2013.6 赵景波 , 周冰 , 贝绍轶 . 电动汽车 EPS 系统阻尼工况 Bang-Bang-PID 控制 J.电机与控制学报 ,2011,15(11:95-99.7 余为清 , 熊国良 , 梁占峰 . 电动助力转向系统助力特性曲线的分析与改进 J.拖拉机与农用运输车 ,2011,38(3:11-16.8 孟涛 , 余卓平 , 陈慧 , 等 . 电动助力转向控制策略研究及实验验证J. 汽车技术 ,2005(5:26-30.9 Yangling Cao, Shusong Yang.Study on Assistance Torque ControlStrategyof

16、 Electric Power Steering SystemA.Electric Information and Control Engineering (ICEICEC.2011:5372-5374.表 2 不同转向盘转速下左右两侧转向阻力矩 转向盘转速 (deg/s左侧转向阻力矩(Nm 右侧转向阻力矩(Nm 4.36-4.20 1P GHJ V图 7 转向阻力矩相对转向盘转速的变化曲线 电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法作者:李绍松 , 牛加飞 , 于志新 , 李连京 , 钟博浩 , LI Shao-song, NIU Jia-fei, YU Zhi-xin, LI Lian-jing , ZHONG Bo-hao作者单位:李绍松,LI Shao-song(长春工业大学汽车工程研究院,长春 130012; 长春工业大学机电工程学院,长春130012 , 牛加飞,于志新,李连京,钟博浩,NIU Jia-