电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法

第37卷第5期 2015-05(上

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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 characteristics

for electric power steering system李绍松 1,2, 牛加飞 2, 于志新 2, 李连京 2, 钟博浩 2

LI 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。

关键词:电动助力转向;阻尼特性;阻尼补偿系数中图分类号:U461.6 文献标识

码 :A 文章编号:1009-0134(201505(上-0099-03Doi:10.3969/j.issn.1009-

0134.2015.05(上.28

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

[2~4]

。

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

1.1.1 EPS 控制器

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。

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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。

1.1.2 电机模型

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 =⋅ (1

p u R i K G ωω=⋅+⋅⋅

(2

式中:T m 为电机输出力矩; K t 为电机转矩系数; i 为电机电流; u 为电机电枢电压; R 为电机内阻;ωp 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。

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图 3 有无阻尼补偿控制时转向盘力矩对比曲线