汽车EPS动力学模型的建立与仿真分析.doc

1、汽车EPS动力学模型的建立与仿真分析曹艳芹 车辆工程 50100802405摘 要：建立了电动助力转向系统主要部分的数学模型和车辆二自由度模型，根据助力原理设计了基于模糊控制的EPS系统助力控制策略，得出了助力特性曲线，采用Matlab/Simulink工具箱设计了电动机PID控制算法助力仿真模型，并利用Simulink模块搭建系统模型对所建立的EPS动力学模型进行仿真分析。关键词：EPS动力学模型；模糊控制；PID控制1系统组成及工作原理电动助力转向系统(electric power steering，简称EPS)主要由机械转向系统、转矩传感器、车速传感器、电流传感器、控制单元(ECU)、离

2、合器、助力电动机及减速机构等组成，如图1所示。其工作原理:汽车在运行过程中，扭矩传感器、车速传感器及电流传感器会产生相应的传感器信号，这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU，ECU经过分析处理后对助力电机进行相应控制。图1 电动助力转向系统结构2电动助力转向系统建模在构建电动助力转向系统模型时，分析了实际电动助力系统与模拟电动助力转向系统的区别，尽量结合实际构建电动助力转向系统模型但转向轴、齿条、助力电机的动力学模型与实际系统差别较大，因此在建模时都加入了相应的仿真系数(如加入了阻尼、刚性系数等)，以达到实际工况，这样有助于对系统进行仿真分析。在图1中，设转向盘和上端转向轴的转动惯量、电动

3、机的转动惯量、前轮及转向机构向转向轴等效后的转动惯量分别为、，单位为；转向盘上施加的转矩、等效到转向轴的转向阻力矩、电动机的电磁转矩和电动机作用到转向轴的助力分别为、，单位为Nm；转向轴与支承之间的摩擦系数、转向机构与前轮等效到转向轴的摩擦系数、电动机转轴与支承之间的摩擦系数分别为、，单位为Nms/rad；转向盘的转角、前轮等效到转向轴的转角、电动机的转角分别为、，单位为rad；转矩传感器刚度为，单位为Nm/rad；从电动机经减速机构到转向轴的传动比为G。为降低问题的复杂性，假设电动机转轴为刚性，即不考虑电动机的扭转刚度。考虑电动机与转向轴之间的速度匹配，有： （1）（1） 转向盘和上端转向轴

4、、下端转向轴模型 （2） （3）（2） 电动机模型直流电动机的等效结构图如图2所示，电动机电枢电压（图中用U表示），电流（图中用I表示），电枢电阻，电感，反电动势系数，电磁转矩系数。图2 直流电机的等效模型 （4） （5） （6）（3）转矩传感器模型对于转矩传感器，其测试值等于其刚度和转向盘与转向柱转角差之积，即： （7）（4） 轮胎模型 （8） （9） （10）其中，轮胎拖距（m）；前轮侧偏角（rad）（5） 车辆二自由度模型由汽车动力学力学定律得出以下运动微分方程： （11） （12）式中：质心到前轴的距离（m）；质心到后轴的距离（m）；绕Z轴的横摆角速度（rad/s）；质心的侧偏角（ra

5、d）；前轮转角（rad）；汽车绕Z轴的转动惯量（kgm2）；V车速（km/h）；m汽车质量（kg）；前轮侧偏刚度（N/rad）；后轮侧偏刚度（N/rad）。（6）系统模型计算所用参数值表1 模型计算的参数值200030001.01.8-1400000.000050.00440.0020.30.150.150.020.024030153系统的仿真框图与仿真结果由上面讨论的EPS系统动力学状态方程可知EPS系统可以采用机械转向系统模型（Mechanical_Model）、电动机模型（Motor_Model）、控制器模型（Contrllor_Model）来进行描述，各模块间的关系如图3。图3电动助力

6、转向系统Simulink仿真结构模型（1） 机械转向系统模型（Mechanical_Model）图4 机械转向系统模型（2） 电动机模型（Motor_Model）图5 电动机模型（3）控制器模型（Contrllor_Model）图6 控制器总体模型图7 基于模糊控制的EPS系统助力控制策略模型（Fuzzy）图8 电动机PID控制算法助力模型（I_PID）（4） 仿真结果图9为阶跃输入起始时间为0.5s，幅值为1.5Nm，速度输入V为30km/h时，未控制时横摆角速度r的仿真结果曲线。图9 未控制时的横摆角速度r仿真结果图10为阶跃输入起始时间为0.5s，幅值为1.5Nm，速度输入V为30km/

7、h时，目标电流Icmd、PID控制电流Ia和下端转向轴转角仿真结果曲线。图10 目标电流、PID控制电流、下端转向轴转角仿真结果由图10可以看出PID控制的实际电流，能很好的追随目标电流。图11为阶跃输入幅值为1.5Nm，速度输入V为30km/h时，横摆角速度的仿真结果曲线。图11 横摆角速度仿真结果由图11可以看出，在阶跃输入下，横摆角速度于2s时趋于稳定值0.015rad/s。4小结根据汽车转向特性，建立了汽车仿真模型，仿真结果表明了所建立的EPS动力学模型准确性，也验证了所采用的控制策略的可行性和准确性。参考文献：1文艺汽车电动助力转向系统的控制方法与仿真分析D广州：华南理工大学，20102王若平，杨国荣电动助力转向系统助力特性的仿真研究J拖拉机与农用运输车2008，35(4)：93-973唐新蓬，杨树电动助力转向系统与汽车转向盘力特性的仿真研究J机械科学与技术，2005，24(12)：1387-13904何仁，耿国庆，苗立东等电动助力转向系统的曲线型助力特性设计及分析J中国机械工程，2007，18(20)：2515-2518