电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法.docx

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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 

【99】

电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法

Theanalysisandtestmethodofdampingcharacteristics

forelectricpowersteeringsystem李绍松1,2,牛加飞2,于志新2,李连京2,钟博浩2

LIShao-song1,2,NIUJia-fei2,YUZhi-xin2,LILian-jing2,ZHONGBo-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（ElectricPowerSteering,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。

1EPS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1EPS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。

1.1EPS控制系统模型

1.1.1EPS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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2015-05（上

图2EPS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:

mtTKi=⋅（1

puRiKGωω=⋅+⋅⋅

（2

式中:

Tm为电机输出力矩;Kt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。

1.2CarSim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。

2EPS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

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。

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图4有无阻尼补偿控制时转向盘转角对比曲线

3EPS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288kgm2、转动惯量2031.4kgm2轮胎尺寸

185/65R15

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3.1EPS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100~600deg/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。

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图5100deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线

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图6600deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线

3.2EPS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:

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AppliedMechanicsandMaterials,2011,42:

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[3]林逸,施国标,邹常丰,等.电动助力转向助力控制策略的研究[J].

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StrategyofElectricPowerSteeringSystem[A].ElectricInformationandControlEngineering（ICEICE[C].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

1003.66-3.492003.81-3.713004.01-3.86400

4.12-4.025004.23-4.11600

4.36

-4.20

䕀䰏ⶽ1P

䕀Ⲭ䕀䗳GHJV

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,LIShao-song,NIUJia-fei,YUZhi-xin,LILian-jing,ZHONGBo-hao

作者单位:

李绍松,LIShao-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,NIUJia-fei,YUZhi-xin,LILian-jing,ZHONGBo-hao（长春工业大学机电工程学院,长春,130012刊名:

制造业自动化

英文刊名:

ManufacturingAutomation年,卷（期:

2015（9

引用本文格式:

李绍松.牛加飞.于志新.李连京.钟博浩.LIShao-song.NIUJia-fei.YUZhi-xin.LILian-jing.ZHONGBo-hao电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法[期刊论文]-制造业自动化2015（9