电动助力转向结构与控制参数的集成优化
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（ Ｐ ）ｗ ｓ ｎｌ ｅ ， ｎ － Ｏ ｉ ａ ｍ ｔ ｍ ｔ ａ ｍｏｅ ｏ ｅ ｉ ｅｗｔ ａ Ｐ ａ ｅ ｕ ． Ｅ Ｓ ａ ａ ｚｄ ａｄａ３Ｄ Ｆ ｌ ｅｒ ａ ｅ ａｉ ｌ ｄ ｌ ｆ ｖｈｃ ｉ ｎＥ Ｓｗ ｓｓｔ ｐ ａ ｙ ｎ ｈ ｃ ａ ｌ ｈ
助力 电机 之 间 的 扭 矩 传 感 器 将 测 量 得 到 转 向 扭 矩 。基于转 向扭 矩 （ 由扭 矩 传 感 器测 量 得 到 ） 车 、
转 向柱 模型 ： ＋ ６ ＋ （ 一 ｌ ｈ ６）＝ 前 轮转 向模 型 ： ＋ ６ ＋ ， — Ｄ ｒ 后６ ＝
１ １ Ｅ Ｓ 系统 模 型 ． Ｐ
员转动 方 向盘 时 ， 人 轴 被 对 应 的 施 加 上某 个 角 输 度， 这个 角 度代 表 着 驾驶 员 的转 向意 图。根 据 转 动 圈数 和驾驶 员 转 向意 图 ， 当输 入 轴 和输 出轴 之 间的期望 角度 存 在 一 个 偏 差 时 ， 装 在 转 向盘 和 安
电动助 力转 向结 构 与控 制 参 数 的集 成 优化
沈扬 凤 曹 勇 蝴 泽胜 （ ｂ 武汉理工大学汽车工程学院， 武汉 ４０７ ） ３００
【 摘要】 在 对汽车电 动助力转向 系统（Ｐ） Ｅｓ的结构及 其动 力学特性分析的 基础上， 建立了线性３ 度 自由
汽车模型与 Ｅ Ｓ系统的集成数学模 型。在此基 础上 ， Ｐ 用遗传算 法对 Ｅ Ｓ系统结构参 数和控 制参数进行 集成优 Ｐ
【 主题词】 电动助力转 向 汽车 优化设计
在建 立 了线性 ３自由度 汽车模 型 与 Ｅ Ｓ系统 Ｐ
产 生 的扭矩 通 过 减 速 机 构 放 大 并 提 供 给 转 向 柱 。
集成 的数 学模 型基 础上 ， 用 电流 Ｐ 采 Ｄ控 制 策 略 ， 推导 出系 统 评 价 标 准 的 表 达 式 。在 此 基 础 上 ， 建 立 汽车系统 和 电动助力 转 向系统 的综 合 系统 多 目 标优化 设 计模 型 ， 采 用 遗 传 算 法 工 具 箱 对 Ｅ Ｓ 并 Ｐ 的主要 参数进 行优 化设 计 。最 后对 所 设计 的参 数 和控制算 法 的有 效 性 进 行 了仿 真 验 证 ， 到 了较 得 好 的效果 。
图 ２ Ｅ Ｓ系 统 结 构 原 理及 动 力 学 示 意 图 Ｐ
（
一ｚ ） ＋Ｉ ｒ＋（ 卢 ｚ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
＋
）／ — 咖 ｒ
＋（ｒ￣ 一 １ ， ｋ－ Ｅ
Ｅ 矿＋
一ｌ ） ＝ ｒ Ｅ， ｋ （） ５
由于 刚度 系 数 ｋ 非 常 微 小 ， 以忽 略 ， 可 因此 前轮 转 向模 型可 以简 化为 ：
・
４ ・ ２
上海汽车
２ １． １ ０ ０ １
式 中 ：ｍ Ｄ ， 、 分 别 为 电 机 转 动 惯 量 和 阻 尼 系
输 入 轴
数 ； 为 电动机 助力 转 矩 ； ｓ ｉ 为减 速器 传 动 比。 ｍ
２ 整 车 动 力 学模 型
为 了对 Ｅ Ｓ系 统 性 能 进 行 更 全 面 的 研 究 ， Ｐ 此
化 。最 后 ， 过 仿 真 验 证 了所 设 计 的 参数 和控 制 算 法 的 有 效 性 。 通
【 ｂｔ ｃ】 Ｔ ｅｓ ｕｔ ｅａｄｄｎｍｃｃａ ｃ ｒ ｔｓｏ ａ ｌ ｔ ｏ ｅ ｓ ｅｎ ｙｔ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｈ ｔ ｃ ｒ ｎ ｙａ ｉ ｈｒ ｔ ｉｉ ｆ ｎ ｅ ｃ ｃｐｗ ｒ ｔ ｒ ｇｓｓ ｍ ｒ ｕ ａ ｅ ｓｃ ｅｒ ｉ ｅｉ ｅ
速（ 由车速传 感 器得 到 ） 和助 力 电机 状 态 ， Ｃ Ｅ Ｕ运 算得 到助力扭 矩并 向助力 电机发 出指令 。 由 电机
为扭 矩传感 器 刚 度 系 数 ； Ｄ 分别 为前 轮 绕 Ｌ、 ｋ 主销 的转 动惯量 、 阻尼 和 刚度系数 。
收稿 日期 ： ００— ７—１ ２１ ０ ２
助 力力 矩连 同输入 轴扭 矩 克服 输 出轴 的反扭 矩 和
转 向机构 摩擦 阻力 转 动转 向柱 。其 系统 结构 原理
及 动力学 示意 图如 图 ２所示 。
１ 转 向系统模 型 的建 立
转 向柱式 Ｅ Ｓ工作 流程 如 图 １所示 。 当驾驶 Ｐ
图 Ｉ 转 向 柱 式 Ｅ Ｓ工 作 流 程 Ｐ
Ｂａ ｅ ｉ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ，ｔ ｅ ＥＰ ｅ ａ ａ ｔｒ ｒ ｐ ｉ ｚ ｄ ｂ ｐ ｌ ｉｇ ｇ ｎ ｔ ｌｏ ｔ ｓ ｄ Ｏｌ ｈ ｄ ｌ ｈ Ｓ ｋ ｙ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｗｅ ｅ ｏ ｔｍｉｅ ｙ ａ ｐ ｙｎ ｅ ｅ ｉ ａｇ ｒ ｈｍ．Ｔｈ ｅ ｃ ｉ ｅｄ— ｓｇ ｅ ａ ａ ｔｒ ｎ ｏ ｔｏ ｔａ ｅ ｙ ｗｅ ｅ ｖ ｌｄ ｔ ｄ ｏ ｈ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ． ｉ ｎ ｄ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌｓｒ ｔｇ ｒ ａｉ ａｅ ｎ ｔ ｅ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｒ ｓ ｌｓ
处 建立 了整 车动 力 学模 型对 其 进 行考 察 。参 照文 献 ［ ］ 列 出如下 考 虑侧倾 的整 车 动力 学 方程 式 ， １可
方 程表 达式 为 ：
一
～
ｍ ＋（ ＋ ） ｋ 卢＋［ ＋（ ｍ
—
一 ｒ ｒ／ ］ ｌ ｏ） ｖ ｒ ｋ
ｍ ｈ ＋（ ｖ ＋ ， 一 ∥ 矿一 Ｅ ＝ ｋ Ｅ ｙ ｓ Ｅ Ｅ 廿） （） ４
式 中 ： 、 、 分别为 转 向盘 扭 矩 、 前轮 绕 主 销扭 矩 和前 轮 转 向阻 力 矩 ； ＾６ 、ｒ 别 为方 向 ８ 、 分 盘转 角 、 出轴转 角 和 前 轮转 角 ； 分别 为 方 输 厶、
向盘和转 向 柱 的 转 动 惯 量 和 转 向柱 阻 尼 系数 ； ｋ
助力 电机 之 间 的 扭 矩 传 感 器 将 测 量 得 到 转 向 扭 矩 。基于转 向扭 矩 （ 由扭 矩 传 感 器测 量 得 到 ） 车 、
转 向柱 模型 ： ＋ ６ ＋ （ 一 ｌ ｈ ６）＝ 前 轮转 向模 型 ： ＋ ６ ＋ ， — Ｄ ｒ 后６ ＝
１ １ Ｅ Ｓ 系统 模 型 ． Ｐ
员转动 方 向盘 时 ， 人 轴 被 对 应 的 施 加 上某 个 角 输 度， 这个 角 度代 表 着 驾驶 员 的转 向意 图。根 据 转 动 圈数 和驾驶 员 转 向意 图 ， 当输 入 轴 和输 出轴 之 间的期望 角度 存 在 一 个 偏 差 时 ， 装 在 转 向盘 和 安
电动助 力转 向结 构 与控 制 参 数 的集 成 优化
沈扬 凤 曹 勇 蝴 泽胜 （ ｂ 武汉理工大学汽车工程学院， 武汉 ４０７ ） ３００
【 摘要】 在 对汽车电 动助力转向 系统（Ｐ） Ｅｓ的结构及 其动 力学特性分析的 基础上， 建立了线性３ 度 自由
汽车模型与 Ｅ Ｓ系统的集成数学模 型。在此基 础上 ， Ｐ 用遗传算 法对 Ｅ Ｓ系统结构参 数和控 制参数进行 集成优 Ｐ
【 主题词】 电动助力转 向 汽车 优化设计
在建 立 了线性 ３自由度 汽车模 型 与 Ｅ Ｓ系统 Ｐ
产 生 的扭矩 通 过 减 速 机 构 放 大 并 提 供 给 转 向 柱 。
集成 的数 学模 型基 础上 ， 用 电流 Ｐ 采 Ｄ控 制 策 略 ， 推导 出系 统 评 价 标 准 的 表 达 式 。在 此 基 础 上 ， 建 立 汽车系统 和 电动助力 转 向系统 的综 合 系统 多 目 标优化 设 计模 型 ， 采 用 遗 传 算 法 工 具 箱 对 Ｅ Ｓ 并 Ｐ 的主要 参数进 行优 化设 计 。最 后对 所 设计 的参 数 和控制算 法 的有 效 性 进 行 了仿 真 验 证 ， 到 了较 得 好 的效果 。
图 ２ Ｅ Ｓ系 统 结 构 原 理及 动 力 学 示 意 图 Ｐ
（
一ｚ ） ＋Ｉ ｒ＋（ 卢 ｚ
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由于 刚度 系 数 ｋ 非 常 微 小 ， 以忽 略 ， 可 因此 前轮 转 向模 型可 以简 化为 ：
・
４ ・ ２
上海汽车
２ １． １ ０ ０ １
式 中 ：ｍ Ｄ ， 、 分 别 为 电 机 转 动 惯 量 和 阻 尼 系
输 入 轴
数 ； 为 电动机 助力 转 矩 ； ｓ ｉ 为减 速器 传 动 比。 ｍ
２ 整 车 动 力 学模 型
为 了对 Ｅ Ｓ系 统 性 能 进 行 更 全 面 的 研 究 ， Ｐ 此
化 。最 后 ， 过 仿 真 验 证 了所 设 计 的 参数 和控 制 算 法 的 有 效 性 。 通
【 ｂｔ ｃ】 Ｔ ｅｓ ｕｔ ｅａｄｄｎｍｃｃａ ｃ ｒ ｔｓｏ ａ ｌ ｔ ｏ ｅ ｓ ｅｎ ｙｔ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｈ ｔ ｃ ｒ ｎ ｙａ ｉ ｈｒ ｔ ｉｉ ｆ ｎ ｅ ｃ ｃｐｗ ｒ ｔ ｒ ｇｓｓ ｍ ｒ ｕ ａ ｅ ｓｃ ｅｒ ｉ ｅｉ ｅ
速（ 由车速传 感 器得 到 ） 和助 力 电机 状 态 ， Ｃ Ｅ Ｕ运 算得 到助力扭 矩并 向助力 电机发 出指令 。 由 电机
为扭 矩传感 器 刚 度 系 数 ； Ｄ 分别 为前 轮 绕 Ｌ、 ｋ 主销 的转 动惯量 、 阻尼 和 刚度系数 。
收稿 日期 ： ００— ７—１ ２１ ０ ２
助 力力 矩连 同输入 轴扭 矩 克服 输 出轴 的反扭 矩 和
转 向机构 摩擦 阻力 转 动转 向柱 。其 系统 结构 原理
及 动力学 示意 图如 图 ２所示 。
１ 转 向系统模 型 的建 立
转 向柱式 Ｅ Ｓ工作 流程 如 图 １所示 。 当驾驶 Ｐ
图 Ｉ 转 向 柱 式 Ｅ Ｓ工 作 流 程 Ｐ
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处 建立 了整 车动 力 学模 型对 其 进 行考 察 。参 照文 献 ［ ］ 列 出如下 考 虑侧倾 的整 车 动力 学 方程 式 ， １可
方 程表 达式 为 ：
一
～
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式 中 ： 、 、 分别为 转 向盘 扭 矩 、 前轮 绕 主 销扭 矩 和前 轮 转 向阻 力 矩 ； ＾６ 、ｒ 别 为方 向 ８ 、 分 盘转 角 、 出轴转 角 和 前 轮转 角 ； 分别 为 方 输 厶、
向盘和转 向 柱 的 转 动 惯 量 和 转 向柱 阻 尼 系数 ； ｋ