（光学工程专业论文）eps评价用硬件在环仿真系统研究.pdf

c o n f i d e n t i a l - k 2 y e a r s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j i u n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s t u d y o fh a r d w a r e - i n - - t h e - - l o o p s i mul a t in gs y s t e mf o r e p se v a l u a t i o n s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：z h e nz h a n g s u l ：p r o f h u 。c 叁i u o e r v l s o r ：h u l h e n m a r c h ，2 0 0 8 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：燃 如国子年多月陋日 摘螫 摘要 硬件在环仿真技术在汽车控制系统的开发中有大量的应用，基于硬件在环 技术的驾驶模拟仿真系统具有控制方便，实时性好等优点。利用e p s 评价用硬 件在环仿真系统能模拟转向系统在各种转向系统工况下，特别是极限工况( 如原 地转向、高速回正、瞬态响应和蛇行试验等) 条件下的试验，可用于各类转向系 统特别是e p s 系统的主客观评价。 本文所述的e p s 评价用硬件在环仿真系统基于d s p a c e 控制系统，采用了电 动加载方式及加载力闭环控制策略，其整车车辆模型采用v e d y n a 软件。 本文首先在整理中外相关参考资料的基础上，对e p s 评价用硬件在环仿真 系统作了系统的阐述，并重点分析了伺服加载系统常用控制策略。然后针对本 文系统分别选用了扰动观测器加p i d 控制的混合控制方法和内模二自由度控制 方法，均取得了良好的效果。考虑到系统阶次较高，在应用内模二自由度控制 方法时易产生参考模型失配的问题，继而提出了一种带内模误差反馈的二自由 度控制方法，通过仿真和试验验证了该方法的有效性。 接着本文通过实车试验数据验证了所采用的v e d y n a 模型的正确性，确保了 硬件在环仿真的可靠性。 最后在e p s 评价用硬件在环仿真系统上，对改善路感的e p s 鲁棒控制策略 进行了验证，台架试验证明所改进的鲁棒控制策略有利于提高电动助力转向系 统( e p s ) 的路感。 关键词：电动加载，扰动观测器，内模二自由度控制，v e d y n a ，硬件在环 a b s t r a c t a b s t r a c t h a r d w a r e i n t h e l o o p ( h i l ) t e c h n o l o g y h a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n s i n d e v e l o p m e n t so fv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m s ad r i v i n gs i m u l a t i n gs y s t e mb a s e d o nh i l t e c h n o l o g y h a s a d v a n t a g e s o fc o n v e n i e n tc o n t r o la n de x c e l l e n t r e a l - t i m e p e r f o r m a n c e u s i n gh i ls i m u l a t i n gs y s t e mf o rt h ee v a l u a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) c a ns i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s u n d e rk i n d so fc o n d i t i o n s ， e s p e c i a l l ye x t r e m ec o n d i t i o n s ，f o re x a m p l e ，s t e e r i n ga t0s p e e d ，r e t u r n t o - c e n t r e p e r f o r m a n c ea th i 。g l ls p e e d ，s l a l o ma n ds oo n i tc o u l db eu s e d f o rs u b j e c t i v ea n d o b j e c t i v ee v a l u a t i o no fs t e e r i n gs y s t e m t h ed e s c r i p t i v eh i ls i m u l a t i n gs y s t e mf o rt h ee v a l u a t i o no fe p ss y s t e mb a s e s o nd s p a c ec o n t r o ls y s t e m i ta d o p t se l e c t r i c a ll o a d i n gm e t h o da n df e e d b a c kc o n t r o l o fl o a d i n gf o r c e i tu s e sv e d y n as o f t w a r ea sv e h i c l em o d e l f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o n s t r u c to fh i ls i m u l a t i n gs y s t e mf o rt h e e v a l u a t i o no fe p ss y s t e m ，l a y i n ge m p h a s e so nt h ec o m l l l o nc o n t r o ls t r a t e g i e so f s e r v o 1 0 a d i n gs y s t e m s e c o n d l y ,a p p l y i n g m i x e d c o n t r o l s t r a t e g y o f d i s t u r b a n c e - o b s e r v e rp l u sp i dc o n t r o la n di n n e r - m o d et w od e g r e e so ff r e e d o m c o n t r o lr e s p e c t i v e l y , b o t ha c h i e v i n gag o o de f f e c t c o n s i d e r i n gt h a tt h e r ew o u l db ea p r o b l e mo fm o d e l m i s m a t c hw h e n i ti sah i g h - o r d e rs y s t e m ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r dam e t h o do fi n n e r - m o d et w od e g r e e so ff r e e d o mc o n t r o lw i t hi n n e r - m o d e e r r o rf e e d b a c k b ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，i t sv a l i d i t yi sp r o v e d t h e n ，w i t ht h eh e l po fv e h i c l ee x p e r i m e n t ，t h e c o r r e c t n e s so ft h ea d o p t e d v e d y n am o d e li sc h e c k e d 。w h i c he n s u r e st h ec o r r e c t n e s so ft h es y s t e m a tl a s t ，ae p sr o b u s tc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p r o v er o a d f e e li sv a l i d a t e dw i t ht h e h e l po ft h eh i ls i m u l a t i n gs y s t e m i tp r o v e st h es t r a t e g y c a ne n h a n c et h e e p s s r o a d f e e l k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ll o a d i n g ，d i s t u r b a n c e o b s e r v e r , i n n e r - m o d et w od e g r e e s o f f r e e d o mc o n t r o l ，v e d y n a ，hi l n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源与背景1 1 3 国内外发展现状2 1 4 课题的研究内容和主要工作4 第2 章e p s 评价用硬件在环仿真系统概述5 2 1 硬件在环系统的原理和作用。5 2 2e p s 评价用硬件在环仿真系统结构和原理6 2 2 1e p s 评价用硬件在环仿真系统构成6 2 2 2 电动加载装置的性能指标7 2 3 伺服加载系统概述7 2 3 1 伺服加载概述及分类7 2 3 2 伺服加载系统的主要问题8 2 4 本章小节9 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究1 0 3 1 电动加载系统的总体结构1 0 3 2 电动加载装置建模11 3 3 电动加载装置控制策略研究1 5 3 3 1 伺服加载系统常州控制策略概述1 5 3 3 2 电动加载装置控制策略选择1 5 3 4 电动加载装置的混合控制策略研究1 7 3 4 1 摩擦力补偿1 7 3 4 2 扰动观测器2 0 3 4 3 电动加载装置的p i d 控制2 6 l 目录 3 5 电动加载装置的内模二自由度控制2 8 3 5 1 内模二自由度控制的原理2 8 3 5 2 内模二自由度控制的理论分析3 0 3 5 3 电动加载装置的内模二自由度控制仿真研究3 6 3 5 ：4 电动加载装置的内模二自由度控制试验4 2 3 6 电动加载装置带内模误差反馈补偿的二自由度控制：4 4 3 6 1 问题的提出4 4 3 6 2 带内模误差反馈补偿的二自由度控制的设计和分析4 4 3 6 3 带内模误差反馈补偿的二自由度控制的仿真分析4 8 3 6 4 带内模误差反馈补偿的二自由度控制试验5 1 3 7 本章小结5 4 第4 章基于硬件在环仿真系统的e p s 评价试验5 5 4 1v e d y n a 车辆模型及其验证5 5 4 1 1v e d y n a 软件介绍5 5 4 1 2v e d y n a 车辆模型验证5 6 4 2e p s 评价用硬件在环仿真系统试验6 5 4 2 1e p s 评价用硬件在环仿真系统试验介绍6 5 4 2 2 用硬件在环仿真系统对e p s 转向系统进行评价6 8 4 3 本章小节7 2 第5 章全文总结7 3 致谢7 5 参考文献7 6 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 8 i v 第1 章绪论 1 1 课题的来源与背景 第1 章绪论 继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后， 国内外汽车电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 已部分取代传统 液压动力转( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 。电动助力转向已成为世界汽 车技术发展的研究热点。e p s 用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元控 制。它能节约燃料，提高主动安全性，且利于环保，所以一经出现就受到高度 重视。国外汽车公司对e p s 的研究已有2 0 多年的历史，但是以前一直没有取 得大的进展，其主要原因是e p s 的成本太高。近年来随着电子技术的发展，大 幅度降低e p s 的成本已成为可能，当前e p s 已在轻型和中型车上得到应用，其 性能已得到人们的普遍认可。随着直流电机性能的改进，e p s 助力能力的提高， 其应用范围将进一步拓宽。尽管e p s 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在 着一些问题需要解决，其中，进一步改善电动机的性能是关键问题。电动机本 身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向路感等 问题。概括的说，电动助力转向技术的发展方向主要为：改进控制系统性能和 降低控制系统的制造成本，只有进一步改进控制系统策略，才能满足更高档轿 车的使用要求。另外，e p s 的控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩，而是根据 转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号进行与汽车特性相吻合 的综合控制，以获得更好的转向路感。因此，迫切需要不断改进e p s 控制系统 的控制策略以及需要最佳的系统匹配，以达到更高的性能，这就迫使研发人员 拥有更有效和便利的研发手斟一- 。 利用开发型驾驶模拟器或称驾驶模拟仿真系统进行人车环境系统的主动 安全研究和车用控制系统开发，改善汽车的性能是国际上近来的主要发展方向 之一。8 0 年代以来，德国、瑞典、同本、美国的各大汽车厂家都分别建立了开 发型驾驶模拟器及仿真试验系统【2 】【3 1 。具体针对转向控制系统的开发，近年来 国内外的高校和厂家都纷纷建立试验台架与仿真系统。但对于基于d s p a c e 的 包含完整的整车模型的e p s 实时仿真系统，特别是能够提供较高带宽的力伺服 加载的实时仿真系统还没有。 第1 章绪论 开发车用控制系统，如电动助力转向系统( e p s ) 的难题之一是通过实车试验 全面检验所开发的控制逻辑。为了满足电动助力转向系统( e p s ) 的设计要求，必 须对已开发的电动助力转向控制系统硬件和软件进行大量的实验来检测，将系 统的性能调整到最佳的工作状态。实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力， 如果在实车试验之前进行必要的台架试验，开展e p s 的控制策略研究，e c u 硬 件平台及软件的设计开发研究，完成低速大扭矩电机及控制器、转向系统机械 结构的设计开发，进行整个系统的集成匹配，为后续的实车试验取得某些必要 的基本参数和算法，是非常有用的。而利用驾驶模拟仿真系统可以进行无危险 且工况可任意控制的试验，驾驶模拟仿真系统无疑是开发车用控制系统如e p s 系统的最佳工具。 硬件在环仿真技术在汽车控制系统的开发中仃大量的应用，基于硬件在环 技术的驾驶模拟仿真系统具有控制方便，实时性好等优点。利用硬件在坏仿真 系统能馍拟转向系统在备种转向系统二f 况下，特别是极限工况 j 原地转向、高 速回i f 、瞬态响应和蛇行试驰等) 条件下的试验，可用于各类转阳系统特别足 e i - s 系统的j ：客脱评价。 为了进一步提升在汽车电子方面的研究丌发水平，上海市科委于2 0 0 3 年设 立了重大科研攻关课题：“电动助力转向系统的研究与开发”，本课题是其中的 相关部分。 1 3 国内外发展现状 针对汽车控制系统开发的硬件在环仿真系统在国内外很多，但大多集中于 在发动机e c u 的硬件在环仿真系统，如a d i 公司开发的汽油机e c u 硬件存环仿 真系统川，1 9 9 7 4 - - l 京耻工大学研制出的柴油机e c u 硬件在环仿真系统 l ；或 者是针对底盘控制系统的硬件在环仿真系统，如吉林大学汽车动态模拟幽家重 点实验室开发的汽车底盘动力学控制硬件在环仿真试验刨2 1 3 1 。 针对汽车转向仿真系统则主要集中在机械式转向系统的试验台和液压助力 转向系统的试验台，对于前者，试验台的功能主要是性能试验和疲劳试验，如 炜星科技有限公司丌发的机械转向器总成性能实验台，能够完成多个项目测试 【6 l ；后者则主要测试液压助力转向系统中液压系统的性能，如炜星科技有限公 第l 章绪论 司开发的汽车液压助力转向器总成微机测试系统能够提供汽车行业标准中描述 的各项性能试验，比如空载特性试验、转向力特性试验、泄漏试验、功能试验、 回j 下性能试验等。 对于e p s 系统性能的硬件在环仿真试验，主要是仿真系统的加载方式和测 试系统组成方式上有所不同。例如清华大学汽车工程系为了对日本进口的整套 e p s 系统进行性能试验而搭建了一个实验台架，这个实验台采用信号发生器来 产生车速信号；由可调节弹簧的预紧力弹簧来模拟汽车转向时的地面阻力的大 小；弹簧与转向器之间安装负载传感器；计算机采集系统可实时采集转向盘转 矩、车速、电机电流以及转向齿条轴的负载等信号。由于采用的是用弹簧来模 拟汽车转向时的地面阻力，在试验过程中不能实时模拟轮胎和地面之间的接触 关系，由于它的弹簧负载箱滑动端的运动摩擦能加剧转向和回正曲线不重合。 其他的还有广东冠粤路桥有限公司和南京理工大学合作设计的电动助力转 向硬件在环仿真系统，包括试验台架、电气系统和微机，汽车转向器安装在试 验台架上，转向柱上安装了扭矩传感器和光学编码器，它们分别测量转向柱的 转角和驾驶员扭矩信号，控制器产生一个输出信号使电机对驾驶员转向助力， 同时控制电磁离合器的离合，驾驶员转角信号同时传给微机系统，磁粉加载器 连接在转向横拉杆上，它能按照虚拟的汽车和路面环境提供变化的负载，在转 向横拉杆上安装有一个位置传感器，它测得的信号通过转换及数字信号处理器 处理后传给微机系统吲。 在国外，应用于大众汽车公司的液压助力转向系统试验台，由m t s 公司开 发，主要是应用于液压助力转向系统的性能试验和疲劳试验方面，还可以进行 高低温试验。采埃孚( z f ) 公司也开发了液压助力转向系统试验台，采用液压 加载方式，主要是助力转向系统的性能试验。但对于包含完整的整车模型和转 向系统模型，基于d s p a c e 的e p s 实时仿真系统还没有【9 1 。韩国光州科技学院开 发了一种基于1 7 自由度车辆模型的硬件在环驾驶模拟器用于开发e p s 与线控转 向系统，其加载装置采用气动装置，其快速性方面还有待提高。三菱公司开发 的基于1 1 自由度汽车模型的e p s 驾驶模拟器已经做到与实车试验数据十分吻 合，并成功运用于e p s 控制策略开发。美国c l e m s o n 大学提出了一种基于硬件 在环与虚拟现实技术的用于线控系统评价的模拟器环境【8 1 。同本j t e k t 公司、 东京大学与东京农业技术大学合作进行了硬件在坏模拟器开发，其车辆模型采 用三自由度车辆模型，转向系统试验台采用交流电机驱动滚珠丝杆对转向系统 第l 章绪论 齿条进行加载的方式【1 0 】。 1 4 课题的研究内容和主要工作 本文在硬件在环仿真系统上，对转向系统用力伺服控制系统的控制算法和 实现方法进行了研究，并对硬件在环仿真系统所采用的车辆模型进行了验证。 本论文共分五章，其中第二章从系统的角度出发，对整个硬件在环仿真系 统的结构和组成，性能要求和客观评价做简要概述，并对仿真系统中的伺服加 载技术进行了概述。 第三章首先对转向系统用电动加载装置进行了建模，并对模型进行了验证； 接着分析了伺服加载系统常用的控制策略并针对本课题选择了混合控制策略； 接着应用摩擦力补偿、扰动观测器加p i d 控制的混合控制方法对电动加z 戋系统 进行了控制，取得了良好的效果。 对常规内模二自由度控制方法从不同角度进行了研究，找出了二自度控 制方法与传统p i d 方法的一些联系，并将该方法应用于电动：j j i j 载系统；针对常 规内模二自由度控制方法存在的不足之处，提出了带内模误差反馈补偿f ，j 内模 二自由度控制方法，并通过仿真和电动加载装置试验对该方法进行了验证。 第四章对硬件在环仿真系统所采用的v e d y n a 车辆模型进行了验证。通过对 比实车试验数据和v e d y n a 模型的仿真数据，得出v e d y n a 模型与实际车辆系统 有较好的一致性，可以用它来进行转向系统试验。 然后对硬件在环仿真系统所进行的试验进行了介绍。在硬件在环仿真系统 上，对电动助力转向系统( e p s ) 的改进控制策略进行了验证，台架试验证明所改 进的控制策略有利于提高电动助力转向系统( e p s ) 的路感性能。 第五章对全文作了一个总结，并对今后发展作了展望。 本课题的研究结果能够用于电动助力转向系统以及其它转向系统的丌发和 评价，有利于开发和改进新型助力转向系统的控制策略，有较强的应用价值， 也对解决带位置干扰的力伺服控制问题提供了一定的思路。 第2 章e p s 评价用碘件曲：环仿真系统概述 第2 章e p s 评价用硬件在环仿真系统概述 在前一章对e p s 评价用硬件在环仿真系统的国内外发展进行概述的基础上， 本章将对本文所采用的系统尤其是电动加载装置进行详细的阐述。 2 1 硬件在环系统的原理和作用 在很多实际过程中，不可能准确获得系统的数学模型，所以也就无从建立 起仿真模型框图；有时由于实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确，所 以需要将实际系统对象原型放置在仿真系统中进行仿真研究；有时为了缩短开 发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下( 如：控制对象与控制器 并行开发) ，对其进行测试。如对汽车电控单元的测试就要包括不同车型，不同 路况，不同环境( 雨、雪、风、冰等) 下的测试。但如果用计算机辅助工具对 控制对象和环境进行实时仿真，就可以进行各种条件下的测试，特别是故障和 极限条件下的测试，而这正是传统开发方法所不具备的。在基于d s p a c e 的h i l s 仿真中，由于d s p a c e 提供了和m a t l a b s i m u li n k 环境的无缝接口，在 m a t l a b s i m u l i n k 设计的模型，用户可以直接下载到d s p a c e 的硬件系统中实时 运行，由d s p a c e 来模拟一部分的真实环境或设备，难以建立数学仿真模型的部 件( 如液压系统) 可以保留在闭环中，这样就可以在实验室环境下完成对e c u 的 测试，从而可以大大降低开发费用，缩短开发周期。这样的仿真通常称为“硬 件在环”的仿真，我们又常称之为半实物仿真【7 1 i s 1 9 1 0 0 1 。 将这一原理运用到汽车转向系统的开发中，将实际的尚未完全开发的转向 系统放置在仿真系统中，而转向系统之外的汽车系统以及路面环境等用仿真模 型来代替，加上驾驶员就可以组成人一车一路闭环仿真。这样在转向系统开发过 程中就可以不断的对转向系统控制策略进行改进和检验。并且，由于这种硬件 在坏仿真的试验环境可以简便的任意更改，这就有利于在实车试验之前对转向 系统可能存在的问题作出全面的检查，并对转向系统在操纵性与安全性方面作 出主客观评价。 第2 章e p s 评价用硬件在环仿真系统概述 2 2e p s 评价用硬件在环仿真系统结构和原理 2 2 1e p s 评价用硬件在环仿真系统构成 真实系统加载系统 图2 1e p s 评价用硬件在环仿真系统结构图 图2 1 是所设计的e p s 评价用硬件在环仿真系统的结构图。它主要由四部 分组成：真实的汽车子系统( 包括电动助力转向系统、油门和制动踏板，、加载 装置( 直流无刷电动机、电机驱动器、减速机构、齿轮齿条系统、位置传感器 和拉压力传感器等) 、d s p a c e 控制系统( 包含加载控制程序和车辆模型) 和场景 镀示系统。 系统工作时，驾驶员控制油门踏板、制动踏板和转向盘。首先，由踏板传 感器获得的油门及制动信号，以及由位置传感器获得的转向器齿条位置信号通 过i o 口都传递给d s p a c e 控制系统中的车辆模型，经过控制系统计算后产生实 时的转向阻力指令，然后该指令值输出给加载系统，由加载系统的齿条输出加 载力使转向系统受到模拟的阻力。同时，控制系统将车辆状态参数传递给场景 显示模块m o t i o n d e s k 软件以产生实时场景。 第2 章e p s 评价用硬件柏i 环仿真系统概述 2 2 2 加载装置的性能指标 加载装置对e p s 评价用硬件在环仿真系统来说至关重大。由于硬件在环仿 真系统是用于对转向系统尤其是e p s 系统评价用的，而e p s 系统最关注的指标就 是转向系统的力或力矩，因此需要用它对来真实反映路面对转向系统的阻力以 评价转向系统，这与航空用的飞机负载模拟器相比，对加载装置力响应的性能 提出了更高的要求】。 本文所采用加载装置的基本性能指标如下： 1 为了检验e p s 系统抗不平颠簸路面的能力，加载系统需能提供高频力输 出给被加载e p s 系统以模拟汽车开上颠簸路面的工况，为此加载系统需达到一 定带宽。根据路面路谱到转向系统的频率特性，加载装置的响应频率必须达到 4 0 h z 。 2 驾驶员在正常转向被加载转向系统方向盘时特别是做回正动作时，此时 由车辆模型根据车速、方向盘转角、转速等计算出来的力是任意的，要求此时的 力响应误差在6 0 n 以内。 2 3 伺服加载系统概述 2 3 1 伺服加载概述及分类 伺服加载系统又名模拟负载器，它属于伺服控制系统的范畴。伺服加载系 统是目前最为常用的一种地面动态模拟仿真设备，广泛的应用于航空、航天以 及汽车领域的项目研制中，用于模拟飞行器或车辆在运行过程中作用在承载对 象上的动力或动力矩载荷。 伺服系统按照其作用对象的运动与否通常可分为两种类型，一类是对结构、 材料进行静、动强度试验的加载系统，它以承载对象在作用过程中始终保持静 止状态为前提，可称为静止加载或主动加载由于承载对象静止不动所以这类 系统的结构比较简单，校正容易实现：另一类是对有主动运动的承载对象进行加 载如舵机、起落架系统等的加载，可称为运动加载或被动式加载但是这类系 统由干承载对象运动参量的干扰。使系统结构复杂，分析和设计都比较困难。 这两类加载系统的实质区别足承载对象是否存在独立于加载系统的自主运动。 第2 章e p s 评价用硬件在环仿真系统概述 在本设计中由于承载对象舵机存在着主动运动，所以属于被动式加载的范畴。 伺服加载系统按照所用加载元件的不同可分为液压伺服加载系统、气动伺 服加载系统和电机伺服加载系统等。这三种加载系统各有其优缺点，其中液压 与气动加载系统具有如下相似的特点：输出力矩较大，但机械机构、工艺操作复 杂，重量体积也大，而且它们与主控制器可传递的信息量小、简单响应慢，精 度与可靠性也不高。摩擦力较大，启动缓慢，同时还需要一套油源、泵站和相 应的油路支持，从而大大提高了成本。而电机加载系统的特点是：响应快、机械 结构、工艺流程相对简单，重量休积小，易与控制器通讯，稍度和可靠性高， 但它的力矩较小。根据上述优缺点可知在要求输出力或力矩较大且有油路、气 站等条件支持的情况下多使用电液和气动伺服加载系统而在要求输出力矩较 小及加载精度较高时使用电机加划1 1 】 1 2 1 。 在本系统中由于要求输出力矩不大，而对加载的精度特别足响应性要求较 高的情况下故选用电动加载系统。 2 3 2 伺服加载系统的主要问题 在伺服加载系统中采用的加载元件以电液伺服阀和液雎马达( 液压缸) 为 主，电液负载仿真台是典型的被动式电液力伺服加载系统，它由被加载对象和 加载系统组成。但是由于被加载对象的主动运动，对加载系统造成很强的位置 干扰，此位置干扰导致加载系统产生多余力。 多余力的定义为：伺服加载系统的指令输入力或力矩为零时，由被加载对 象的运动引起的加载系统的输出力或力矩。 山于被加载系统快速运动引起的多余力干扰是直接作用于输出端，没商任 何的滞后环节且速度快，而任何补偿措施都要通过控制器起作用，即控制信号 棚对f 输出f ! 一定程它的滞后，冈而无法埘他置丁扰逍行有效的补偿，加f ：j l ! 钱系统的非线性和参数变化，i 列此只采用传统的反馈方式i b 难使多余力消除。 所谓的多余力的值往往很大，它的存在严重形响了负载仿真台的加载精度 和动态品质，因此必须设法予以尽可能的降低或完全消除。 而在本电动加载系统中，分别采用永磁直流无刷电机和齿轮齿条运动变换 副作为加载元件和传动元件。和电液伺服加载系统一样，存在着被加载对象的 主动运动，将给加载系统带来很强的多余力干扰，影响系统加载精度和系统带 第2 章e p s 评价用硬件在环仿真系统概述 2 4 本章小节 本章节从系统的角度出发，对整个硬件在环仿真系统的结构和组成，性能 要求和工作原理做了简要概述，、并对仿真系统中的电动加载技术进行了概述。 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 为了在实验室条件下开发先进的助力转向系统，就必须设计与开发一个高 性能的力伺服加载系统，以使硬件在环仿真系统能在任意虚拟工况下，特别是 极限工况下提供准确的转向负载力，为e p s 系统的开发和评价奠定试验基础。 针对伺服加载系统所存在的共同问题，以及本加载装置对系统带宽的要求， 本章将对e p s 评价用电动加载装置的控制策略进行专门研究，以设计出能同时 改善系统带宽与抗干扰性能的控制策略。 3 1 电动加载系统的总体结构 本文所采用的电动加载装置卡要包括加载电机驱动器、加载电机( 如亩流 或交流旋转电机或商线电机) 及减速机构( 如涡轮蜗杆) 、运动变换机构( 如齿 轮齿条 j 【构) 、加裁力传感器( 如扎压力传感器) 、加载运动传感器( 转角传感 器如光电编码器或位移f 擘感器如直线位移传感器等) 和控制器，如图3 1 所示。 挂疆力f 称嚣信号 擎慧花 1 jl = 聋捌 潦 蚯冀一鳍皇嚣考条位置 车 蔓帮 广一 划 )= = 爿转 l 一 图3 1电动加载系统的总体结构 第3 章e p s 评价用l 乜动加载装置控制策略研究 其工作原理是，车速信号以及转角传感器或位移传感器检测到的转向盘转 角信号输入到控制器，控制器根据车辆模型计算实时生成动态的转向系统加载 指令力信号。加载指令力信号、拉压力传感器检测到的实际加载力信号与转角 传感器或位移传感器检测到的转角或位移信号一起输入到控制器的控制模块 中，计算出加载力控制信号。该加载力控制信号传递给电机驱动器，电机驱动 器使加载电机实时输出控制力，控制力通过运动变换装置对转向系统转向器的 齿条进行直线运动力加载。 3 2 电动加载装置建模 为了分析助力时电动加载系统的稳定性能和进一步设计控制系统，首先需 要建立电动加载系统的数学模型。由于电动加载系统的结构模型较为复杂，直 接建立系统的数学模型有一定的困难，为此，将电动加载系统的结构模型进行 简化，在简化结构模型的基础上建立电动加载系统的数学模型。 图3 2 电动加载装置模型 向盘 向柱 考虑到运用电机驱动器来对直流无刷电机进行电流闭环，其控制带宽达到 5 0 0 h z ，因此这晕将从电机驱动器电压输入到电机电磁力矩输出简化为比例环 节。 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 瓦一厶汐。一吃0 f f l - - s i g n ( e ) = 吒( 眈一g 兰) ( 3 1 ) 名 g 吒( 以一g 立) _ _ 上啦一毫也l 一咖( 毫) 嚼= c ( 3 2 ) ( f , - m ，：毫一6 ，：毫) 名一j 劬( 毫) e ：= 缸( 兰一包) ( 3 3 ) 乙 k , ( x - - ， 一印一以台。一e 匆广j 初( 匆。) 巳：t ( 良一p 。) ( 3 4 ) 名 。 。 恕( 秒c o h m ) 一以。口 ，= 乃 式中， 乙为加载电机电磁力矩； 瓦。为转向盘操纵扭矩： j 。为加载电机转动惯量； 6 ，。为加载电机阻尼系数； k 。为加载电机刚度系数； ，。为转向轴转动惯量； b 。为转向轴阻尼系数； t 为转向轴刚度系数； ，r l 、朋，2 为齿条质量； 6 ，l 、6 ，：为齿条齿轮结构阻尼系数； ，。为转向盘转动惯量； 吼、屯、吃为加载电机转角、角速度、角加速度； ( 3 5 ) 第3 帝e p s 评价用i 乜动加载装置控制策略研究 见、晚、晓为转向轴转角、角速度、角加速度； 吼，、或。为转向盘转角、转角加速度； x ，为齿条位移： ，。为小齿轮半径； k 。为扭杆刚度； g 为蜗轮蜗杆减速器减速比； 电动加载装置动力学模型建立以后，应该验证系统参数和模型是否符合实 际的加载系统。考虑到运用时域方法验证，物理意义不明确，并且对具有谐振 特性系统的特征参数较难精确评价，所以采用频域特性来验证。而其中最有效 和最简便的验证方法是利用频率特性分析仪测出实际加载系统的开环频率特性 与所建模型的开环频率特性进行比较。 电动加载装置控制系统可以由图3 3 所示框图来描述，其中c 为拉压力传 感器测得的拉压力，为目标控制力。 厂 瞎向系别 l 二 l i 巫晒塑= ； 图3 3 电动加载装置开环系统特性测量 拉压力传感器和电机驱动器之间接入频率特性分析仪形成开环系统m 。在 无转向盘操纵输入的条件下，频率特性分析仪给出一定频段的扫频信号作为电 机驱动器的指令输入，拉压力传感器输出信号作为系统输出，得到伯德图，即 为系统开环频率特性。 然后调整模型参数，使得模型的开环频率特性和实际系统的频率特性一致。 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 图3 4 即为实际系统和所建模型的频率特性比较。 ，0 1 0 f r e q u e n c y ( r e d s ) 图3 4 实际加载系统系统与仿真模型伯德图 由上图可知，所建电动加载装置模型能较好的反映实际系统。该电动加载 系统开环频率特性的幅值穿越( g a i nc r o s s o v e rf r e q u e n c y ) 频率为3 0 r a d s ， 相位裕度在3 0 度附近。 为了便于系统仿真和控制算法的设计，这里简化系统模型，将加载系统用 下面的传递函数等效： m 、： 塑三竺! 1 2 型土三! ：堡兰! ! 兰! ( 3 6 ) ，【s)2(s2+74s+99232+61ss2l 7 s + 1 9 6 8 0 0 7 4 s 9 9 2 ) ( s 6s 4 5 3 6 ) ( s 5 2 77 s1 9 6 8 0 0 ) 、。u7 ， 第3 章e p s 评价用i 乜动加载装置控制策略研究 3 3 电动加载装置控制策略研究 3 3 1 伺服加载系统常用控制策略概述 伺服加载系统性能的提高主要受多余力影响的限制，因此解决伺服加载装 置中的主要技术问题的关键在于如何克服多余力。此问题一直是本领域内国内 外学者研究的重点，提出了许多克服多余力的理论和方法。 总体来说克服多余力的方法从控制策略入手是采用补偿网络在加载系统中 产生附加控制作用，达到克服多余力矩的目的。主要方法有： ( 1 ) 结构不变性原理。结构不变性是经典控制理论中前馈补偿的方案，利用 电动加载系统的速度信号进行前馈，达到克服多余力或力矩的目的。这种方法 是目前伺服加载台普遍采用的方法。但由于加载系统的多余力或力矩除了与加 载舵机角速度有关外，还与加载舵机的角加速度甚至角加速度的微分有关，因 此补偿环节中含有高阶微分项，工程上只能实现近似的补偿。 ( 2 ) 多变量解耦控制。解耦控制克服多余力或力矩的工作原理是将加载系统 看成是多变量系统，其输入量和输出量分别为加载系统的输入量和输出量。此 方法要达到理想的控制效果目前还不成熟。 ( 3 ) 混合控制方法。所谓的混合控制方法是按照控制职能分工设计控制器， 控制系统包含多种控制方法的一种控制方案。一般由定常补偿部分、内环鲁棒 自适应补偿部分和前向校正部分组成。定常补偿部分来抑制多余力或力矩的影 响，内环鲁棒自适应补偿控制器用来提高抑制多余力或力矩通道的鲁棒性，前 向控制器保证系统有满意的跟踪性能。 3 3 2 电动加载装置控制策略选择 具体针对本文所采用的电动加载系统，用其开环系统做以下试验： 给加载系统一个与被加载转向系统齿条位置成正比例的指令力信号，测量 加载系统拉压力传感器信号输出。其开环加载力响应如图3 5 所示， 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 图3 5 加载系统开环系统时域响应 从图3 4 和幽3 5 中可以看h j 系统中存在着严重的哮擦现象，丌坏响应滞 后系统带宽较小，上1 仔在着因设加载转向系统f z 嚣于扰所带来的多余：乃 因此，本课题的电动加载系统的控制策略将从以上角度上考虑，重心放 0 ，有： p ( j ) c 0 ) 0 将图4 1 3 进行控制框图简化可以得到4 1 4 图： 由图3 2 9 有： 由图3 3 0 有： 图3 3 0 带内模误差反馈补偿的二自由度控制等效图 g ”：兰：掣墼丝颦l ( 3 3 2 ) p r 1 + q 2 ( s ) ( 尸( s ) 一m ( j ) ) + p ( s ) c ( s ) 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 g ：兰： 兰盟 ( 3 3 3 ) 2 一r2 再面丽c 涵, - i 而 由式3 3 2 、3 3 3 得： p c ( 班掣篱 3 4 ， 3 621 内模误差反馈补偿对模型失配的影响 同时考虑被控对象p ( s 1 包含乘性摄动与加性摄动。 设被控对象p ( s ) 有： p = m + m 5 m + m ( 3 3 5 ) 其中m 占为乘性摄动，m 为加性摄动； 代入式4 2 j 得： p ：m + l 一m + 三一m ( 3 3 6 ) l + p ( s ) c ( s ) 。 1 + p t s ) c ( s ) 1 对比( 3 ： 5 ) 和1 3 3 6 ) ，f 丁以看出：如果尸c 0 ，则被控对象p c s ) 的摄动影；4 ：9 程度将会减小，带内模误差反馈补偿的系统可以抑制模型失配的程度。 在c ( s ) 满足式3 3 l 的条件下，若c ( s ) 足够大，即c ( s ) 专0 0 ，则： ! 一0 ，进而e 一肘，这表示带内模误差反馈补偿后的被控对象 1 + p 0 ) c 0 ) 完全趋近于膨，此时系统可以完全摆脱模型失配带来的影响。 当然c ( s ) 不可能取的无限大，否则系统会出现不稳定。 3 6 2 2 内模误差反馈补偿对扰动的影响 考滤干扰d 对系统的影响( 此时假设p = 1 ) ： 对于一个没有内模误篷反馈补偿的系统，1 i ；图3 1 8 育： =一y=百趸1趸-页m瓦(s)万q2j(s汲)d而= l 一肘( j ) q ( j ， ( 3 3 7 ) 2 2 鬲丽丽面丽y 刮叫坦j 踢j “川 对于一个带内模误差反馈补偿的系统，由图3 2 9 有： g ，：一y ： ! 二丝! 兰! 鱼! 兰! ：1 - m ( s ) q 2 ( s ) ( 3 3 8 ) l r 一= 一= 一= 一 j 第3 章e p s 评价用电动加载装置控制策略研究 对比式3 2 7 和3 2 8 ，可以看出带内模误差反馈补偿的系统对干扰的抑制 能力提高了。