电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响

2 控制策略对改善汽车操纵稳定性 的影响
采用上面的联合仿真方法 , 可以对 EPS 系统 在不同控制策略下对整车操纵稳定性的影响进行 深入直观的分析, 进而考查改进控制策略后对改 善操纵稳定性的效果 . 系统的控制策略如图 3 所示 , 设 T d 和 v 为传
图 3 助力控制模式下的控制策略
感器测得的力矩和车速, T a 为最终确定的实际助 力力矩. 这时的助力扭矩 , K a 为助力增益, 则 T a = K aTd . ( 1) 考虑到改善汽车操纵稳定性的需要 , 在以上 控制策略中引入横摆角速度的反馈. 即由一个横 摆角速度传感器测量收集横摆角速度的数值, 而 在助力扭矩中考虑这个横摆角速度的反馈 , 这时 的助力扭矩表达为 T a = K a T d - C( s) r , ( 2) 式中 : r 为横摆角速度 ; C( s) 为针对横摆角速度值 的补偿系数, 为保证实时性采用简单的低阶线性 领先补偿 . 采用这样的控制策略, 得到在方向盘角 阶跃输入下、 整车横摆角速度输出的数值, 与没有 引入反馈的情况进行比较 , 结果如图 4 所示.
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报 ( 自然科学版 )
第 36 卷
本研究采用多体系统动力学与 CACSD 相结 合的方法 , 分析 EP S 系统对汽车操纵稳定性的影 响. 这 种 方 法 在 多 体 系 统 动 力 学 ( 以 M SC. ADAM S软件为支撑 ) 基础上建立包括转向系统、 前后悬架系统和前后轮胎的整车动力学模型, 作 为考察 EPS 系统对整车性能影响的一个外部环 境 ; 在 CACSD( 以 Mat lab/ Sim ulink 软件为支 撑) 基础上建立 EPS 系统控制规律的模型, 对助 力特性及其控制策略进行深入研究 .
1 联合仿真建模
由于操纵 稳定性是整车机 械系统的 重要性 能, 而 EP S 系统则包含了机械部分和电控部分, 因此在整车环境下考量 EPS 系统对整车性能的 影响 , 就要将机械部分和电控部分联合起来进行 建模和仿真分析 . 采用 M SC. ADAM S 软件建立汽车动力学模 型过程中 , 首先是建立底盘和前悬架系统的模型. 底盘系统中没有相对运动的部分简化为一个具有 集中质量和转动惯量的整体. 前悬架系统为双横 臂式独立悬架, 转向节总成的各零件间无相对运 动的视为一个整体, 上横臂与底盘、 上横臂与转向 节总成、 下横臂与底盘、 下横臂与转向节总成、 转 向节总成与转向拉杆间均通过铰链 ( 旋转副或球 铰) 连接, 上横臂与底盘间由弹簧连接 . 然后建立 后悬架系统模型 , 方法与前悬架类似. 轮胎模型采 用 UA 模型 , 用经试验采集得到的数据建立轮胎 数据文件、 地面描述文件 , 读入软件中进行建模. 转向 系 统 机 械 部 分 的 建 模 也 采 用 M SC. ADAM S 软件 . 转向系统包括转向盘、 转向轴、 转
转向系统包括转向盘转向轴转向机转向摇臂转向横拉杆等在mscadams软件中建立这些部分的模型转向盘与底盘之间转向轴与转向机之间转向机和底盘转向摇臂与底盘转向摇臂与转向横拉杆间转向横拉杆与左右转向拉杆等通过铰链旋转副球铰万向节副等连接
第 36 卷 2008 年
第9 期 9月
华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自然科学版 ) J. H uazhong U niv . of Sci. & T ech. ( N atural Science Edit ion)
Analysis of the effect of electric power steering system to vehicle handling performance
Ren W eiqun
1, 2
Chen H ui p eng
1
X ie B in
1
Song J ian
2
( 1 T he State Engineer ing Research Center of CAD So ftwa re, H uazhong U niversit y of Science and T echno log y, W uhan 430074, China; 2 State K ey L abor ator y of Automo tive Safety and Ener gy Co nser vatio n, T sing hua U niv ersity , Beijing 100084, China)
收稿日期 : 2007 - 10 - 09. 作者简介 : 任卫群 ( 1971 - ) , 男 , 副教授 , E - mail: renweiqun@ tsing hua. org . cn. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 60674067) ; 清华大学汽车安 全与节能国 家重点实 验室开放基 金资助项 目 ( KF 2006 - 02) .
Vo l. 36 No . 9 Sep. 2008
电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响
任卫群
1, 2
陈慧鹏
1
谢
彬
1
宋
健
2
( 1 华中科技大学 国家 CA D 支撑软件工程技术研究中心, 湖北 武汉 430074; 2 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室 , 北京 100084)
摘要 : 采用多体系统动力学 ( M BD) 与计算机辅助控 制系统 设计 ( CA CSD) 相结 合的方 法 , 分析电动 助力转 向 ( EPS) 系统对汽车操纵稳定性的影响 . 在多体系 统动力学 ( 以 M SC. A DA M S 软件为 支撑 ) 基础上建 立包括 转 向系统、 前后悬架系统和前 后轮 胎的 整车 动力 学模 型 , 作为 考察 EPS 系 统对 整车 性能 影响 的外 部环 境 ; 在 CA CSD( 以 M atlab/ Simulink 软件为支撑 ) 基础上建立 EPS 系统 控制模型 , 研究其助力特性和 控制策略 . 经试 验验证 , 联合仿真模型相对误差在 6 % 以内 , 准确地反映了整车的实际情况 . 关 键 词 : 电动助力转向系统 ; 汽车操纵稳定性 ; 计算 机辅助控制系统设计 ; 控制策略 ; 联合仿真 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 4512( 2008) 09 - 0083 -03 中图分类号 : T P3f fect o f elect ric pow er st eering ( EPS) syst em t o v ehicle handling perfo rmance w as ana l yzed by combinat ion of multi bo dy syst em dynamics ( M BD) met hod w it h com put er aided cont rol syst em desig n ( CACSD) m et hod. A det ailed m ulti body sy st em dy namics model f or t he f ull v ehicle w as est ablished on MSC. ADAMS sof tw are, including t he st eering syst em, fro nt and rear suspensio n syst em, and t he tire syst em. In this dynamics env ir onment , t he EPS contr ol system model is est ablished on M atlab/ Simulink sof tw are. T his co - simulation m odel is v er if ied by t est dat a, and t he relat iv e erro r is below 6 % , w hich is precise enough f or t he engineering applicat ion. Key words: elect ric pow er steering sy st em; vehicle handling perf ormance; comput er - aided cont rol syst em design; cont rol st rat eg y; co - sim ulat ion 电动助力转向( EPS) 系统能够对来自转向盘 转矩传感器和车速传感器的信号进行分析处理, 然后控制电机产生适当的助力转矩, 协助驾驶员 完成 转向操 作. EPS 系统能 够有效 改善车 辆性 能, 同时还具有环保节能的作用, 已经越来越广泛 地应用于多种车辆上 , 充分体现出了汽车向智能 化、 适应未来安全性要求和环保要求的方向发展 的趋势[ 1] .
对于 EP S 系统的研究与开发, 一般采用计算 机辅 助 控 制 系 统 设 计 ( CACSD ) 方 法, 采 用 CA CSD 的支 撑软件 ( 如 M at lab/ Simulink) 建立 EPS 系统中控制部分的模型, 研究其控制规律是 否能够满足使用要求[ 2~ 5] . 但是, 传统的 CACSD 方法仅侧重对控制规律的分析研究, 而对于在这 种控 制规律 作用 下、 EP S 系 统对整 车性能 的影 响, 则缺乏有力的分析手段支持.
[ 6, 7]
向 机、 转 向 摇 臂、 转 向 横 拉 杆 等 , 在 M SC. ADAM S软件中 建立这些部分的模型 , 转向盘与 底盘之间、 转向轴与转向机之间、 转向机和底盘、 转向摇臂与底盘、 转向摇臂与转向横拉杆间、 转向 横拉杆与左右转向拉杆等, 通过铰链 ( 旋转副、 球 铰、 万向节副等 ) 连接. 采用 MSC. ADAM S 软件 完成机械部分的建模后, 得到的整车系统( 包括上 述转向系统机械部分 ) 模型如图 1 所示 .
图 1 整车系统模型
电控 系统 的 仿真 , 一 般 采用 M atlab/ Simu link 进行. 在建立好 M SC. ADAM S 的模型后 , 定 义模型的输入和输出变量 , 其中 ADA MS 模型的 输出就是进入控制系统的变量, 而从控制系统返 回到 ADAMS 模型的变量就是 ADAM S 模型的 输入 , 通过设定控制系统的输入、 输出变量 , 就使 得机械部分的模型和 控制系统的模 型建立起联 系. 然后, 将已经定义了输入输出变量的 ADAM S 模型 , 经 ADAM S/ Contro ls 模 块 转 换 成 一 个 Mat lab/ Sim ulink 能 够 接 受 的 块, 再 在 M at lab/ Sim ulink 中建立电控系统的模型 . 包含 ADAM S 块的电控系统模 型如图 2 所示 , 经由 ADAM S/ Cont ro ls 模块输出 的 ADAM S 模型块代 表了整 个模 型 中的 机 械部 分, 其 他 部 分则 是 M at lab/ Sim ulink 中建立的电控系统的模型. 其中电控系
统动力学方法与 CA CSD 方法相结合的联合仿真 方法 , 由于考虑了整车机械系统与 EP S 系统中电 控部分的耦合 , 能够直观有效地反映控制策略对 操纵稳定性的影响.
3 联合仿真模型的验证
为了考察仿真模型与实际系统之间的关系, 一般采用比较在相同输入条件和运行环境下仿真 模型与实际系统输出之间一致性的方法 , 来评价 仿真模型的可信度或可用性. 考虑到汽车系统的 复杂性和输入数据的精确程度, 以及实际实验条 件的不确定性 , 规定两种输出的一致性表述为: 输 出曲线波动趋势大致相同 , 所达到峰值的量级相 同, 局部相对误差一般控制在 10 % 以内 . 以这样 的标准作为评价仿真模型有效性的准则 . 整车动力 学系统操纵稳 定性的联合 仿真模 型, 采用根据国家标准 ( 参考 ISO 标准) 规定的试 验外部输入条件作为模型验证的边界条件 , 根据 试验结果与仿真结果的对比来进行仿真模型的验
图2
电控系统模型
第9期
任卫群等 : 电动 助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响
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统的输出 , 就是机械系统的输入, 是经过电控系统 计算得到的转向助力扭矩的大小; 而电控系统的 输入 , 就是机械系统的输出, 也即实际系统中的传 感器测定得到的数据 , 包括方向盘转矩、 转角、 车 速等 . 经过上述过程的联合仿真 , 建立起一套包含 了机械部分和电控部分的联合仿真模型 , 就能够 用于 EP S 系统对操纵稳定性影响的研究.