汽车电动助力系统性能仿真与设计分析.pdf

第3 1 卷第3 期计算机仿真2 0 1 4 年3 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 1 7 5 一0 5 汽车电动助力系统性能仿真与设计分析 郑晓琳。马纪明 ( 北京航空航天大学中法工程师学院，北京1 0 0 1 9 1 ) 摘要：研究R e n a I I ltT N G 0 型汽车的助力系统性能问题，根据汽车电动助力转向系统的基本结构及工作原理。利用M a t la b s im I lliI I k 平台建立了系统的整体模型。模型涉及机械机构、电子、控制多个学科领域，是典型的多领域模型。通过仿真得到 了助力系统在环境参数变化时的性能特征，并与设计指标进行了对比。最后将仿真结果与实际运行参数进行了对比，对模 型的正确性和准确性进行了校核与验证，为汽车电动助力系统提出了一种新的建模思路，基于多领域模型的仿真分析结果 有助于类似产品的设计与优化，减少开发的周期和成本。 关键词：电动助力转向；多领域建模；控制系统；仿真 中图分类号：1 P3 9 1 9 文献标识码：B D e s i驴a n dS im llla t io no fE le ct r ic P o w e rS t e e r in gS y s t e m Z H E N GX ia o lin ，M A J i m in g ( S in o F r e n chE n 画n e e rS ch 0 0 l，B e ih a n gU n iv e r s 畸，B e ij in g1 0 0 1 9 l，C h in a ) A B S T R A C T ：眦sr e s e a r chu s e d R e n a u ltT W I N G oca r s 踞出er e s e a I cho b j e ct ，in t r o d u ce dt h es t n lct u r e 孤d p f in cip le so ft I lee le ct r icp o w e rs t e e r in g ( E P S ) s y s t e m ，b u iltam o d e l b 鹊e do nM a 吐a 上) S im u lin ko ft lI es y s t e m 7 I h e I I 砌e lin v o lv e sm u lt ip led is cip lin e ss u ch 粕m e ch 蚰ics ，e le ct I D n icsa n da u t o m a t ics ，明disa 帅ica lm u lt i d o m a in m o d e lR e s u lt so ft lles im u la t io ns h o w 山ep e r f 曲锄cech a r a ct e r is t ics0 ft h es y s t e mind iI e r e n te n v im n m e n t a l co n 矗g u - r a t io n s ，锄dt lI e s ep e r f b 珊柚cech 锄ct e r is t icsw e r eco m p a r e dw 油山ed e s i印s p e ci6 ca t io n s F in a lly ，t h er e s u lt so f t I les im u la t io nw e r eco m p a r e dw it I lt h e a ct u a lo p e r a t illgp 眦m e t e r s ，t lleco n - e ct n e s sa n da ccu r a cyo ft h em o d e lh a v e b e e nv a lid a t e da n dv e r if ie d An e wm o d e lin gid e aw a L sp r e s e n t e d ，a n dt h es im u la t io nr e s u lt sb a s e do nm u lt i d o m a in I I lo d e lf 如ilit a t ed e s ig n 锄do p t im iz a t io nf o rs im ila rin d u s t r ia lp m d u ct s ，t I lu sr e d u cin gt h et im ea n dco s to ft lled e v e lo p m e n t Y W o 砌) s ：E le ct r icp o w e rs t e e r in g ( E P S ) ；M u lt i d o m a inm o d e lin g ；C o n t r o ls y s t e m ；S im u la t io n l 引言 汽车转向系统是汽车的重要组成部分，其性能好坏直接 影响到汽车行驶操作的稳定性和安全性。汽车助力主要有 三种形式：液压助力转向系统( H y d r a u lic P o w e rs t e e r in g ， H P s ) ，电控式液压助力转向系统( E le ct r icH y d r a u lic P 0 w e r S t e e r in g ，E H P s ) 以及本文所研究的电动助力转向系统( E le c t r icP 0 w e rS t e e r in g ，E P S ) 。早期汽车助力多采用的是液压 助力转向系统，但液压助力系统存在诸多缺陷，如漏油、占用 汽车前端空间较大等。并且驾驶员只有在低速行驶时需要 较大助力。在高速行驶时需要较小助力，而液压助力转向系 统的助力不能随着车速变化 2 。电控式液压助力转向系统 在液压助力转向系统的基础上发展起来。即在H P S 原有结构 基金项目：北京航空航天大学研究生教育与发展研究专项基金 ( 4 3 1 6 1 4 ) 收稿日期：2 0 1 3 一0 6 1 7 基础上，加上一个电子控制单元E cu ( E le ct r icco n t r o lu n it ) ， 根据车速、方向盘力矩等参数的变化控制助力力矩 3 儿“，但 H P s 中诸如漏油等各种问题在E H P S 中依旧存在。 本文以R e n a u ltT w I N G 0 型汽车的助力系统为对象开展 研究。T N G O 汽车采用电动助力转向系统，以电子控制器 E cu ( E le ct d cco n t r o lu n it ) 为核心的控制系统，根据车速、方 向盘力矩等信息，控制助力电机按照设定规则提供助力。 E P S 具有体积小、控制策略灵活、能耗低等诸多优点 5 ，在目 前汽车设计中得到了广泛应用。 通过分析汽车电动助力转向系统结构、组成、工作原理， 基于统一建模工具M a n a b s im u lin k 建立了系统的整体模型， 模型涉及系统的控制系统( 方向盘、力矩传感器、控制器、电 机、输出轴) 以及机械系统。通过仿真观察助力系统在方向 盘转角、车速、前轮摩擦阻力矩等参数变化时的性能特征，并 与设计指标进行了对比。最后将仿真结果与实际运行数据 进行对比，对模型的正确性和准确性进行了校核与验证。 一1 7 5 2系统的结构及工作原理 E P S 的基本结构如图l所示。 转向节 图lE P s 系统结构图 驾驶员操纵方向盘，对方向盘施加力矩，力矩与扭杆两 端的角度差成正比。安装在扭杆上的力矩传感器将力矩信 号输人E cu ，同时，车速传感器将车速信号传给E cu 。E cu 在检测到汽车点火信号有效后。基于设定的助力规则。输出 控制信号控制电机输出助力力矩，再经过离合器和减速器将 助力力矩传递给输出轴。按照设定规则提供助力。当汽车处 于直线行驶状态时，由于输出轴转角与方向盘转角相等，即 扭杆两端的角度相等，力矩传感器接收到的信号为零，系统 不提供助力，电动机停止工作，只有在汽车转向时，系统才提 供助力6 | 。 3 建模过程 E P s 的模型框架如图2 所示。方向盘输入转角信号a ， 方向盘与扭杆的输入端相连，减速器输出转角d ，方向盘的 力矩与a 。、n ：两角之差s 成正比。力矩信号e 和汽车行驶速 度”输入至E cu ，E cu 输出控制信号，经功率放大后控制 电机转动。电机输出转矩c。驱动减速器，减速器输出转角 a ：。同时，综合方向盘力矩c，、电机输出力矩C 。以及前轮摩 擦力矩c，等效到输出轴上的力矩c，( 力矩等效关系在图2 中 由虚线表示) ，使输出轴转动，输出轴的转动也会驱动齿条， 位移为A ，齿条带动左右连杆运动，继而带动转向臂移动，从 而使转向节产生转动。左右连杆、转向臂的移动使其角度发 生变化，从而使前轮摩擦力矩等效到输出轴上的力矩c，发生 变化。本文将对剧峪的整体运用朋h Z 0 6 | s im 以in lj 进行建模， 转向过程中遇到的前轮摩擦阻力矩由作用到转向节上的阻 力矩c来代替。 3 1 控制系统建模 依据图2 分别建立控制系统各部件的模型如下。 1 ) 力矩传感器 方向盘施加力矩c。等于扭杆上的力矩，与方向盘转角 a 、输出轴转角呜之差占成正比： C y = ( a 1 一2 )( 1 ) 一1 7 6 一 图2E P _ s 系统的模型框架图 其中，K 为扭杆的刚度系数。 同时，力矩传感器将扭杆的力矩e 等比例的转化为电压 信号u ： 玑= 豇C 。( 2 ) 后是力矩转化为电压信号的比例系数。 2 ) 控制器 控制器基于册算法实现。根据扭杆检测到的力矩信号 G 以及车速信号”，计算出电动机电枢电压肿。 一n o = s 劬( e ) K ( ”) ( Ic川) + 畅鲁+ K 灿 。 式中，c是施加助力的方向盘力矩阈值。心是微分系数，K 是积分系数。比例系数K ( ”) 是车速w 的函数”。K ( 。) 根据 设计的助力规则确定，如图3 所示。 图3汽车电动助力系统的助力特性曲线 车速 V ( N m ) 方向盘转矩 图3 给出的是方向盘转矩与电动机电枢电流i的关系， 由于控制器实际是通过控制电机电机电枢电压乩实现 8 ， 因此在实际建模过程中通过控制电机电枢电压实现对方向 盘转矩的控制。 在不同的车速”下，为了保护电机，设定了电枢电压的最 大值一。 U 。_ m 。= p IC ylK ( 口) ( 4 ) 其中，p 是给定的系数，使电枢电压最大值与方向盘力矩C 。 以及车速。成正比。 同时，为了提高车辆高速行驶时的稳定性，在车速大于 设定速度”一时，控制器将控制离合器使电机与减速器分离， 啪= 睦隰岩 ( 5 ) 3 ) 电动机、减速器以及输出轴 方向盘转角为a 。，输出轴转角为口：，电动机的角速度为 脚，可得 譬：乞 ( 6 )- 一 、一， m 其中f 。为减速器的减速比。 电机电枢电流i与电枢电压巩满足： = L 詈+ 尉+ 瓦n ， ( 7 ) 其中L 为电动机的电感，尺为电动机的电枢电阻，K 为反 电动势系数。 电动机输出的力矩c。与电枢电流i成正比： C 。= 疋i( 8 ) K 为电机的磁力常数。 电动机的输出力矩，驱动减速器，作用在输出轴上的力 矩为： C 一= im C 爪 ( 9 ) 以输出轴为对象，建立力矩平衡方程 ，争+ B 鲁+ = c耐心一cr ( 1 。) 式中：_ ，为电动机、传动机构、小齿轮和齿条在输出轴上 的等效转动惯量；曰为输出轴有效阻尼系数；K 为输出轴刚 度系数。为减速后的电机转矩；c，为方向盘转矩，c，为前 轮摩擦阻力矩等效到转向轴上的力矩9 j 【1 0 】。 电动机、减速器以及输出轴模型如图4 所示，该子系统 共有三个输入：电机的电枢电压( 来自控制器模块) ，方向 盘转矩c。( 来自扭杆传感器模块) ，施加在转向节上的阻力力 矩等效到转向轴上的阻力力矩C ，( 来自2 2 节中的力矩计算 模块) ，输出轴的转角a ：为子系统的输出。 方向盘 输出轴转角1 2 图4电动机减速器输出轴模型 机械系统建模 机械机构俯视图如图5 所示。 车身 _ 图5E P S 系统机械机构示意图 ( 注：l一车身；2 一齿条；3 一右横连杆；4 一左横连杆；5 一左 转向臂及转向节；6 一右转向臂及转向节；7 一齿轮) 其中，车身l与齿条2 之间为移动副，齿条2 与左右横连 杆3 、4 之间的联结为球面副，连杆3 、4 与转向臂转向节5 、 6 ( 视为一整个刚体) 之间也为球面副联结。转向臂转向节 5 、6 与车身l为转动副联结，齿轮齿条螺线的倾角为一，齿轮 的圆心点为E 。 r o 为齿轮的半径，a ：为输出轴转角，由几何关系可得： 曰C s i邮+ D C s i吖= 6 ( 1 1 ) B C co 够+ D C co s y = 吐+ r o a 2( 1 2 ) 同样，可以建立右侧转向节、转向臂、连杆的模型，求得 右横连杆以及右转向臂的转角J B 和y 。 求得角卢、7 够和7 的值后，在已知左右两个转向节上 的阻力矩c，、c：的情况下，就可以通过静力学关系求出等效 在输出轴上的阻力矩C ，。 在图8 中，对左转向节5 进行受力分析，可得连杆4 作用 在5 上的力： f F - 2 面F 疏 1 3 ) 同理可得连杆3 作用在右转向节6 上的力： ，1 F 卜面F 赫 1 4 ) 其中c，、c：分别为地面作用在左右两个转向节上的阻 力矩。 对齿条2 进行受力分析，由受力平衡可以求得齿轮7 作 用于齿条2 的作用力R ： F 2 = 坐簧产 ( 1 5 ) 再对齿轮l进行受力分析，即可以求得作用在1 上的等 效阻力矩C ，： C ，= R r 0 ( 1 6 ) 3 3 整体模型 E 雕在J s im u f 讯| | 中的整体模型如图6 所示。 4 实验平台介绍 以in g o 型汽车上配置的汽车E 雕为基础，辅助前轮摩 一1 7 7 输出轴转角1 2 车速v l2 吉怂U | 瓣糕泰 E C U 电机 赣 U m 电机 右侧摩擦I n 3 减速嚣力矩cl广 输出轴 左侧摩擦上 力矩cl圈h 4 前轮摩擦等效到输出轴上的力矩cr 图6E P S 的整体模型 擦力矩模拟装置、数据采集设备、测量传感器、数据通讯装置 和计算机辅助软件，构建实验平台，如图7 所示。 图7E P S 系统实验台 ( A ：左横连杆；B ：左转向节及地面摩擦力矩模拟装置；c：地 面摩擦力矩传感器；D ：左轮转角传感器；E ：方向盘力矩传感器； ，：电子控制单元E cu ；G ：方向盘转角传感器；日：电机；，：减速 器；J ：输出轴力矩传感器；：右横连杆；肘：右转向节及地面摩擦 力矩模拟装置；、r ：地面摩擦力矩传感器；0 ：右轮转角传感器) 和斜坡信号，在M a t la b 中绘制输出轴转角a ：与方向盘转角 d 。，对比结果如图9 所示。从图9 中可以看出，在两种输入 下，仿真得到的输出轴的转角a ：能较好的跟随方向盘的转 角a 输入。 ， ， - - “ ， r 1 = ：；蔷磊藉； 图9方向盘与输出轴转角的仿真结果 同时，为了检测助力仿真部分的结果，还做了两组实验： 分别在速度”等于0 七m 和4 0 七彬 时方向盘自中央向左 转动，观察方向盘力矩C 。以及输出轴力矩( C 耐+ C 。一C ，) 随 时间的变化情况，并将实验数据与仿真数据进行对比。对比 结果如图1 0 1 3 所示。 枷卜。即、 二；2 妻2 毳冀墨 二嚣：戮霪嚣暑 唬 ；舭嘲“ 实验平台各测量传感器测得的数据通过数据采集板传 图1 0仿真与实验结果对比( 。：o ，2 送到计算机中，通过测控软件可以获取到运行数据，如图8 所示。 图8数据采集及测控软件平台 5 结果分析 在仿真分析过程中，方向盘转角输人口。分别采用阶跃 一1 7 8 一 卜专卜竹嘶J r _ 1 ld “ 一一一方向盘力矩仿真值 方向盘力矩实测值 一一一输出轴力矩仿真值d 输出轴力矩，实舞值 獬蝴州齄 图1 l 仿真与实验数据对比( ”= 加m 朋) 6 结论 1 ) 建立的汽车电动助力转向系统的模型能够全面描述 其内部机构组成、功能和助力原理，系统输出( 输出轴的转 角) 能够跟随系统的输人( 方向盘的转角) ，仿真结果与实际 结果相匹配。 ， o 巧 m ” 加 巧 炬m 上，N 力矩 ， Nm 图1 2 仿真与实验数据对比( cl= 2 5 ，v m ) 图1 3 仿真与实验数据对比( cI = 1 5 m ) 2 ) 随着车速的增加，助力力矩减小，在同样的路况条件 下，方向盘需要施加较大的力矩才能驱动前轮转向；在相同 车速情况下，虽然路况变差会导致前轮摩擦力矩增大，但助 力系统会控制输出合适大小的助力，使方向盘转矩基本不 变。 3 ) 仿真与实验结果匹配度较好基于论文设计模型，将 来可以对助力系统的控制器进行设计优化，实现在不同行驶 速度下助力控制的自适应、自调节功能，以达到更为理想的 控制效果。 参考文献： 1 王春华汽车助力转向系统的正确使用与维护 J 轻型汽车 技术，2 0 0 9 ，2 3 5 ( 3 ) ：6 2 6 3 2 刘步丰汽车中的E P S 系统应用分析 J 科技资讯，2 0 1 2 ， ( 1 0 ) ：1 2 3 廖抒华，杨彩红汽车助力转向技术及其控制策略的研究 J 汽车电器，2 0 1 2 ，( 1 2 ) ：5 8 6 1 4 Hch e n ，YY 扑g ，Rz h a I I g s h ld y0 nE le ct r icP 0 w e rS t e e r in gS y s t e mB a s e do nA D A M s J P r o ce d iaE n g in e e I in g2 0 11 ，1 5 ：4 7 4 4 7 5 csF 粕，YLG u o D e s i印0 f t h eA u t oE le ct r icP o w e rs t e 商n g s y s t e mco n t r o u e r J P m ce d iaE n g in e e r in g ，2 0 1 2 ，2 9 ( 1 ) ：3 2 0 0 3 2 0 6 6 杨慰汽车电动助力转向系统控制策略研究 D 湖北：武汉 理工大学2 0 ll一5 7 周鑫基于A d m s 与M a d a b 的汽车电动助力转向系统的联合 仿真 D 武汉理工大学，2 0 0 9 5 8 胡康博电动助力转向系统的建模与仿真研究 D 重庆大 学2 0 lO 一4 9 施国标，申荣卫，林逸电动助力转向系统的建模与仿真技术 J 吉林大学学报( 工学版) ，2 0 0 7 ，3 7 ( 1 ) ：3 l一3 6 1 0 J e o n g 1 0 0 nS 0 n g ，K w 粕铲u ckB o o M o d e lD e v e I 叩m e n ta n dco n - t r o lM e t h o d o lo g y0 faN e wE le c试cP o w e rS t e e r in gs y s t e m J I 小 s t llM e ch ，2 0 0 4 ，5 ( 2 0 ) ：3 2 0 一3 3 3 ， 作者简介 郑晓琳( 1 9 8 9 一) ，女( 汉族) ，河北省石家庄市人，硕 士研究生，主要研究领域为控制系统建模与仿真； 马纪明( 1 9 7 9 一) ，男( 汉族) ，河南省周口店市人，讲 、翌荔鬟翥錾翥鬻蚋她删J ( 上接第1 1 2 页) 2 雷绍兰，孙才新，周淙，张晓星，程其云基于径向基神经网络 和自适应神经模糊系统的电力短期负荷预测方法 J 中国 电机工程学报，2 0 0 5 ，2 5 ( 2 2 ) ：7 8 8 2 3 康重庆，夏清，张伯明电力系统负荷预测研究综述与发展方 向的探讨 J 电力系统自动化，2 0 0 4 ，2 8 (