（通信与信息系统专业论文）汽车电动助力转向系统硬件在环仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车的转向系统是汽车控制的重要机构，其性能好坏直接影响着车辆的行驶 安全性、操纵稳定性和舒适性。鉴于电动助力转向系统( e p s ) 相比于传统液压助 力系统所具有的助力灵活、节能、高效、易匹配和维修等优点，已经获得了社会 的广泛关注和认可，成为了转向系统行业的研发焦点。但由于电子控制系统的研 发具有系统复杂性、故障高可能性和研发长周期性的特点，利用近年来备受瞩目 的硬件在环( h i l ) 仿真技术进行实时仿真，可大大的缩短研发周期、节约研发成 本。本文利用m a t l a b s i m u l i n k 、d s p a c e c o n t r o l d e s k 等软件来对电动助力转向系 统进行数学建模、离线仿真和硬件在环仿真试验，验证电动助力转向系统模型及 控制策略的正确性，为电动助力转向系统的开发和今后的快速控制原型搭建积累 经验。 首先，对电动助力转向系统进行动力学数学分析，并利用m a t l a b s i m u l i n k 建立汽车动力学s i m u l i n k 模型，包括转向柱模块、车辆二自由度模块、车轮转 向阻力矩模块和电动机模块的s i m u l i n k 模型，并基于车辆二自由度模型验证汽 车的操纵稳定性。 然后，研究e p s 助力曲线及控制策略，建立目标电流模糊控制模型和模糊 自适应整定p i d 控制模型，并对基于模糊自适应p i d 控制的e p s 模型进行离线 仿真和分析，验证e p s 控制策略及系统功能的合理性和正确性。 接着，搭建基于d s p a c e 实时仿真系统的e p s 硬件在环仿真试验台架，并 利用其仿真软件r t i ( d s p a c e r e a l t i m ei n t e r f a c e ) 和r t w ( m a t l a b r e a l - t i m e w o r k s h o p ) 自动生成实时控制c 代码，并下载到d s p a c e 嵌入式硬件系统中。 最后，利用d s p a c e 实时仿真系统提供的综合实验测试软件c o n t r o l d e s k 进 行e p s 硬件在环仿真试验，进一步验证e p s 模型和控制策略的正确性及有效性， 并总结经验和不足。 关键字：电动助力转向，建模，控制策略，快速控制原型，硬件在环仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t e e r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n ti n s t i t u t i o no ft h ec o n t r o lo ft h ev e h i c l ea n d i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h ev e h i c l es a f e t y ，h a n d l i n gs t a b i l i t ya n dc o m f o r t i n v i e wo ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lh y d r a u l i c p o w e rs y s t e mw i t ht h ea s s i s t a n c eo ff l e x i b i l i t y ，e n e r g y s a v i n g ，e f f i c i e n c y ，e a s yt om a t c h a n dm a i n t e n a n c ea n do t h e ra d v a n t a g e s ，h a sr e c e i v e d 丽d ea t t e n t i o na n dr e c o g n i t i o no f t h es o c i e t y ，h a sb e c o m et h ef o c u so ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h es t e e r i n g s y s t e m si n d u s t r y h o w e v e r , d u et ot h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mh a sh i f g hc o m p l e x i t y , h i g hf a i l u r ep o s s i b i l i t i e sa n dl o n gp e r i o d i c i t y ，u s i n gr e c e n th i g h p r o f i l eh i ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g yf o rr e a l t i m es i m u l a t i o n , c a ng r e a t l ys h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ， s a v i n gt h ec o s to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r ，b u i l d i n ge l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m o fm a t h e m a t i c a l m o d e l i n g ，a n d o f f - l i n es i m u l a t i o na n d h a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o nt e s t 谢mm a t l a b s i m u l i n k ，d s p a c e c o n t r o l d e s k ， v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mm o d e la n dc o n t r o l s t r a t e g yf o re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，a c c u m u l a t i n gt h ed e v e l o p i n ge x p e r i e n c e o fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n dt h eb u i l d i n ge x p e r i e n c eo fr a p i dp r o t o t y p i n g f i r s t l y ，a n a l y z i n gt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e md y n a m i c sm a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n de s t a b l i s h i n gt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e lo fs i m u l i n kb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，i n c l u d i n gas t e e r i n gc o l u m nm o d u l e ，v e h i c l em o d u l ew i t lt w od e g r e e so f f r e e d o m ，w h e e ls t e e r i n gr e s i s t a n c em o d u l ea n dam o t o rm o d u l em o d e l ，v a l i d a t i n gt h e h a n d l i n gs t a b i l i t yo fv e h i c l eb a s e do nt h ev e h i c l em o d e lw i t ht w od e g r e e so ff r e e d o m t h e n , s t u d y i n gt h ee p sp o w e rc u r v ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，e s t a b l i s h i n g t h e t a r g e tc u r r e n tf u = yc o n t r o lm o d e la n da d a p t i v et u n i n go fp i df u z z yc o n t r o lm o d e l ， m a k i n go f f - l i n es i m u l a t i o nb a s e do nf u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o lo ft h ee p sm o d e l ， v e r i f y i n gt h er a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ee p sc o n t r o l s t r a t e g ya n ds y s t e mf u n c t i o n n e x t ，b u i l d i n gas y s t e mt h a te p sh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o nt e s tb e n c h b a s e do nt h ed s p a c es y s t e m ，a n dg e n e r a t i n gr e a l t i m ec o n t r o lcc o d eu s i n gt h er t i a n dt h er t w a u t o m a t i c a l l y ，a n dd o w n l o a d i n gt ot h et h ed s p a c es y s t e m f i n a l l y ，m a k i n ge p sh a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o nt e s tb yt h ec o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a lt e s ts o f t w a r ec o n t r o l d e s k ，v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h e e p sm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g y ，a n ds u m m a r i z i n gt h ee x p e r i e n c ea n ds h o r t c o m i n g s k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) ，m o d e l i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y , r a p i dc o n t r o l p r o t o t y p i n g ，h a r d w a r e i n - t h e l o o ps i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本课题来源于中国汽车技术研究中心的项目_ 汽车电动助力转向系统试 验台架”。 课题目的是对电动助力转向系统e p s 进行数学建模分析、控制策略研究及 离线仿真，并搭建基于d s p a c e 的快速控制原型平台并进行硬件在环仿真试验， 验证电动助力转向系统的控制策略及功能，为自主开发电动助力转向系统和今后 搭建快速控制原型平台打好基础并积累经验。 1 1 汽车电动助力转向系统概述 从2 0 世纪4 0 年代开始，为减轻驾驶员体力消耗，提高驾驶的舒适性，在汽 车机械转向系统基础上研发出了液压助力系统h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 和 电动液压助力系统e h p s ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 。h p s 系统由于其助力 效果好，能够适应复杂路况，给驾驶员提供较好的转向操控感，曾经在上个世纪 五六十年代作为各大汽车厂商青睐的产品。但随后由于其笨重的液压设备和高昂 的维护费用而逐渐的退出大部分转向系统的市场。而e h p s 系统引入了电控系 统，整个助力过程不再是纯粹的机械过程，可以随着车速的不同做出不同的助力， 减少汽车高速行驶时驾驶员的方向盘太过灵活的感觉。转向系统的转向灵活性和 操控性因此得到大大提高，但是整个系统造价高昂，结构也非常复杂1 1 j 1 4 j 。 近年来，随着电子传感器、电机、计算机控制等技术的快速发展，出现了电 动助力转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 。e p s 系统以助力动机( 包括离合 器) 作为动力源，代替了液压助力，在机械转向基础上添加电控制器、减速机构、 蜗轮蜗杆及扭矩传感器等所需器件。目前，e p s 系统已渐渐成为了市场的主流。 与传统液压转向系统相比，电动助力转向系统有如下优点【5 h 7 l ： ( 1 ) 助力灵活，安全可靠。e p s 能够减小路面扰动，减轻低速转向时的操纵力， 提高高速转向时的稳定性，提高汽车主动安全性和可靠性。 ( 2 ) 节省能耗。e p s 是“按需供能型”，电动机只有在转向时才向系统提供助力， e p s 一般能够减少3 - - - 5 的能耗。 ( 3 ) 结构简单，无液压回路。e p s 所需零部件比h p s 大大减少，易安装，易 调整和检测，能快速匹配不同车型，大大缩短开发和生产周期。 根据助力电动机作用于不同位置，e p s 分为转向轴助力式( c e p s ) 、转向 小齿轮助力式( p e p s ) 和转向齿条助力式( r e p s ) 三种结构。其中，转向轴 武汉理工大学硕士学位论文 助力式c - - e p s 的结构示意图如图1 - 1 所示 8 1 。 器 图1 - 1c e p s 结构示意图 近年来，鉴于e p s 的优异性能，受到越来越多的生产商和顾客的青睐。 1 2 硬件在环仿真的产生与发展 当今电子控制产品的更新速度越来越快，哪一家企业能够更快的开发出高性 能的新产品就能在激烈的市场竞争中占有一定的优势。因此，电子控制系统( 如 e p s ) 的研制既要保证高性能性，又要尽可能的缩短开发生产周期。随着电子 控制系统e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n j t ) 的日益复杂，其研发难度、复杂度和出 故障可能性不断增加，而传统的产品测试方法耗时、耗功、耗材，不利于新产品 的快速开发 9 1 。 近几年，随着硬件在环h i l ( h a r d w a r e i n t h e l o o p ) 仿真技术的出现和 不断成熟，很好的解决了目前e p s 从软硬件设计、系统开发、实车试验到e c u 定型过程中的重复工作，节省了大量的人力和资源，大大的缩短了开发周期，提 升了e c u 的开发能力和市场竞争力【l o 】 【1 1 】。利用h i l 仿真来模拟助力转向系统 的外部整车环境，将实车试验转换为可靠、精确、可分析的仿真过程，减少对实 车试验的依赖性。同时，可以不受环境限制的进行重复性试验，不断优化设计方 案，最终得到高性能的e c u 。 在众多h i l 仿真系统中，d s p a c e ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g ) 实时仿真系统以其灵活的组合性，良好的过渡性，实时性强，所有 操作都可以在p c 上实现和超高的可靠性等优点而脱颖而出【l 引。 目前，d s p a c e 系统已广泛应用于航天航空、汽车、电力机车、机器人、工 业控制及驱动等领域。越来越多的研究部门、工厂及学校已经开始使用d s p a c e 系统来解决研究中所碰到的难题，并取得了很好的效果。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 电动助力转向的发展现状和研究趋势 1 9 8 8 年3 月，日本铃木公司首次将e p s 安装在c e r v o 轿车上，掀起了汽车转 向从h p s 进入e p s 时代的序幕。此后，日本的本田、三菱、大发和德国z f 公 司都相继推出了自发研制的电动助力转向系统【1 3 】。经过二十多年的不断发展， 国外中级以上的轿车及中型以上的货车几乎都装备了e p s 。美国福特明确表示， n 2 0 1 2 年福特旗下8 0 到9 0 的车型将采用e p s 系统。目前福特0 8 款e s c a p e 、水 星m a r i n e r 及其混合动力版都配备了e p s ，而下一波将配备这个可以节省燃油装 置的车型是福特f u s i o n 、水星米兰和林肯m k z 。福特还开发了新的安全装置可 以让e p s 与车辆的制动系统进行连接，有助于提高稳定控制系统和主动安全系 统的运行。 目前，我国e p s 自主化进展相对缓慢，仅仅有少数研究机构和高校从事该 课题的研究。1 9 9 2 年清华大学开始研究e p s 结构设计，进行了动力学、数学建 模和动力分析。1 9 9 8 年吉林大学开展了对轿车e p s 的研究，进行了装车试验， 取得了良好的效果【1 4 】。现在各个国产厂商也在花费大量精力研究电动助力转向， 并且在电动助力转向e c u 设计方面已经有一些经验。对于电动助力转向的总成 系统，国内由于加工精度的问题仅仅只有少量的公司能够达到，阻碍了电动助力 转向在国内的进一步发展。 根据相关统计，2 0 1 0 年我国轿车约9 2 的e p s 由国外供应商提供。国内仅 有浙江福林国润和株洲易力达两家企业进行批量生产，但其配套量也都不是很 大。究其原因主要是国产e p s 的稳定性还不够，其在特殊环境( 如特殊高温、 低温天气环境，复杂路况等) 下工作可靠性还有一定差距【”】。因此，要提高国 产e p s 的竞争力就必须坚持提高e p s 性能，只有生产出高性能的e p s 才能赢取 市场，而不被淘汰掉。 随着电子控制产品不断多样化、快速化的趋势，为解决多样化需求与快速开 发间的矛盾及满足产品低成本和高安全可靠性的要求，采用h i l 仿真技术，减 少重复工作，节省资源和时间，对于生产高性能的控制器具有重要的市场价值和 社会意义。 1 4 主要研究内容 本文研究的主要内容有： 第1 章绪论，了解汽车助力转向发展概况和h i l 仿真的发展及意义； 第2 章电动助力转向系统数学建模，分析和建立转向柱模块、汽车二自由度 模块、汽车车轮转向阻力矩模块和助力电动机模块s i m u l i n k 模型，并仿真分析 武汉理工大学硕士学位论文 汽车操纵稳定性； 第3 章电动助力转向系统控制策略模型，研究e p s 控制策略，建立目标电 流模糊控制模型和模糊自适应整定p i d 控制模型，并对基于模糊自适应p i d 控 制的e p s 模型进行离线仿真和分析，验证控制策略及系统功能的正确性； 第4 章基于d s p a c e 的e p s 硬件在环仿真，搭建基于d s p a c e 系统搭建e p s 硬件在环仿真试验台架，并利用其仿真软件r t i ( d s p a c e r e a l t i m ei n t e r f a c e ) 和 r t w ( m a t l a b r e a l t i m ew o r k s h o p ) 自动生成实时控制c 代码，并下载到d s p a c e 嵌入式硬件系统； 第5 章e p s 硬件在环仿真试验分析，利用d s p a c e 提供的综合实验及测试 软件c o n t r o l d e s k 进行e p s 硬件在环仿真试验，进一步验证e p s 模型和控制策略 的正确性及有效性； 第6 章总结与展望，给出结论并总结经验和不足。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动助力转向系统建模分析 本章主要分析和建立转向柱模块、车辆二自由度模块、车轮转向阻力矩模块 和电动机模块s i m u l i n k 模型，并对汽车的操纵稳定性进行仿真分析。 2 1 电动助力转向系统功能要求 汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性是驾驶员评价汽车转向性能好坏的重要标 准。汽车的操纵稳定性是指在正常驾驶条件下，汽车遵循驾驶员通过方向盘给定 的行驶方向，并且能够抵抗外界的干扰而始终保持其稳定行驶的性能【l6 j 。 汽车转向过程中，由于轮胎阻力矩及机械摩擦阻力矩等，会产生阻碍车轮转 向的阻力( 即回正力矩) 。驾驶员在转向过程中需要克服阻力矩进行转向，因此 可以通过转动方向盘感受汽车的运动状态( 即路感) 。驾驶员可以通过路感来判 断汽车的运动状态而做出正确的转向判断。良好的路感可以保证驾驶员对车辆的 准确控制，大大提高驾驶稳定性和安全性。 对于汽车控制来讲，良好的路感从方向盘感知，而助力转向是提供外加助力， 以减少驾驶员的体力消耗，这提高了驾驶的轻便性，但是却减少了对汽车运动状 态及路面信息的获取，路感变差，这使得路感的准确性和转向的灵活性相矛盾。 因此，为了解决以上矛盾，汽车生产商和顾客都对e p s 有着较高的功能要 求，性能优异的e p s 必须兼顾汽车操纵的稳定性和灵活性。其具体要求主要表 现在以下几个方面【17 1 【1 8 】： ( 1 ) 当汽车点火起步、停车泊位或低速行驶时，主要解决其灵活性不足的 问题，e p s 提供较大的转向助力，减少驾驶员的体力消耗，增加驾驶的舒适性， 其路感有所减弱，但对方向盘操纵稳定性影响很小。 ( 2 ) 当汽车高速行驶时，主要解决其稳定性的问题，e p s 提供较小的转向 助力，并随着车速的增加而减小，使驾驶员可以获取合适的路感，保障汽车驾驶 的稳定性。 ( 3 ) 当汽车变速行驶时，为避免驾驶员产生跳跃感，e p s 助力必须连续且 过渡圆滑。 由上述要求可知，助力控制策略就显的非常重要。在对e p s 研究时，要注 重对控制策略的研究，并不断的通过仿真试验修改控制参数，优化系统控制策略， 最终达到最佳助力效果。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 电动助力转向系统模型 在传统的机械转向机构基础上，增添e c u 、各种信号传感器装置、转向助 力电机( 含电磁离合器) 及减速机构等，就构成了e p s 系统。 2 2 1 转向系统数学模型 本文选择广泛应用于轻型车的转向轴助力式c e p s 为研究对象。经过分析， 得到简化的c e p s 动力学模型如图2 1 所示【1 9 1 。 图2 1c e p s 动力学模型 为分析问题方便，忽略了转向盘与支承、电动机转轴与支承、转向柱转向机 构和前轮之间的干摩擦力，并r d , 齿轮通过等速万向节与输出轴相连，则有： 巳= 代入( 2 1 ) 式，得到简化后的系统动力学方程为【2 1 】： 转向柱 ( 2 1 ) 以哦= 五一k ( 吼一z ) 一或或= 毛一互一邑幺 ( 2 - 2 ) 扭矩传感器 正= 蜒( 绋一) = 蜒( 吼一铭) 电动机 瓦= 乙一厶眈一屯= 乙一s o g o ) - 8 g o p 转向小齿轮 以吒- r , 一i 一易嘭+ g l 6 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中： 五转向盘输入扭矩( n m )互扭矩传感器扭矩( n 而) 瓦电动机输出转矩f n m )瓦助力力矩( n m ) z 车轮作用于小齿轮的等效转向阻力矩( n m ) 以转向盘转动惯量( k g m 2 )厶电动机的转动惯量( 蚝m 2 ) 以车轮到小齿轮的等效转动惯量( k g m 2 )印小齿轮半径( m ) 反转向盘阻尼系数( n m ( r a d s ) )民电机轴阻尼系数( n m ( r a d s ) ) 绞车轮到小齿轮的等效阻尼系数( n m ( r a d s ) ) o h 转向柱转角( r a d )氏电动机转角( r a d ) 吃小齿轮转角( r a d )g 电机到转向轴的传动比氏= g o p k 扭杆刚度( n m r a d )勋齿条位移( m ) 2 2 2 助力电动机数学模型 本文e p s 系统中选用永磁直流电机，其等效电路如图2 2 所示。 图2 2 电枢式永磁直流电机模型 根据基尔霍夫电压定律及电动机特性可得【2 2 】1 2 3 】： 电枢电压方程 厶之= q 一一恐乞 电动机反电动势 岛= 砭晚= 圪碱 电动机转矩 乙= 砗 式中： 厶电枢绕组电感( h ) 屯电枢电流( a ) 龟反电动势( v ) 峰电动机转矩常数( n n v a ) 2 2 3 车辆二自由度数学模型 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 兄电枢绕组电阻( q ) e i 端电压( v ) 乙电动机输出转矩f n m ) 蚝电动机反电动势常数( v r a d s ) 利用固定于运动汽车上的动坐标系( 即车辆坐标系) 来描述汽车运动状况。 如图2 3 所示的车辆直角动坐标系o x y z 。坐标系原点0 和质心重合，x 轴与地面 平行并指向汽车前进方向。z 轴上垂直速度、横摆角速度q 及y 轴上侧向速度 0 、俯仰角速度等运动参量主要影响着汽车操纵稳定性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 孓 图2 3 车辆直角坐标系 为方便研究汽车操纵稳定性，本文采用简化的线性二自由度汽车模型分析研 究。模型忽略了悬架作用，设定汽车绕x 轴的侧倾角、绕y 轴的俯仰角和沿z 轴 的速度均为零，汽车作平行地面的平面运动。该模型以前轮转角艿为输入，假设 v ，恒定不变，只考虑两个自由度：沿y 轴的侧向运动及绕z 轴的横摆运动。 忽略地面切向力及载荷变化等因素对轮胎特性的影响，建立只有侧向运动和 横摆运动的汽车二自由度模型，如下图2 4 所示阱】。 图2 4 汽车二自由度模型 对汽车二自由度模型进行力学分析，可得汽车沿j ，轴方向所受合力及绕质心 合力矩的方程1 2 5 】： 三22 耳! 0 8 6 + 墨：l ( 2 9 ) 心= 蜗c o s 6 一b f r ：j 一7 式中，耳。、e 2 分别为地面对前后轮的侧偏力( n ) ；口、b 分别为质心到前后轴的 距离( m ) ；6 为前轮转角( r a d ) 。 考虑到艿值很小，则有c o s t s = l ，上式可化简为： 三耻即1 + 印：l ( 2 - 1 0 ) m z = a g l a l - b k 2 a 2j p 一7 式中，墨、k 分别为前后轮侧偏刚度( n m r a d ) 。 汽车前后轮侧偏角a 。和仅：( r a d ) 与其运动参数有关。如图2 - 4 所示，汽车质 心侧偏角为p ( r a d ) ，且卢 一 + 图2 1 1 车轮转向阻力矩模型 将上述的四个模块分别封装连接起来，就得到了s i m u l i n k 中e p s 系统动力 学仿真模型方框图，如图2 1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 2e p s 系统动力学仿真模型方框图 2 4 汽车操纵稳定性仿真分析 根据公式( 2 1 5 ) ，建立基于汽车线性二自由度的s i m u l i n k 仿真模型，代入 相关参数【2 7 1 ，求出状态方程系数，模拟汽车在不同前轮转角6 和车速“下的行驶 姿态，测试汽车的操纵稳定性，其仿真模型如图2 1 3 所示。 图2 13e p s 操纵稳定性s i m u l i n k 仿真模型 ( 1 ) 车速甜为8 0 k m h ，前轮转向角6 为1 。( 即o r a d ) ，通过s i m u l i n k 仿真得到的曲线图如图2 1 4 所示。 图2 1 4 阶跃转角输入时横摆角速度和质心侧偏角曲线 武汉理工大学硕士学位论文 前轮转向角6 = l 。的阶跃信号在0 5 s 时触发，横摆角速度鳞在0 5 s 从0 开始 增大并最终稳定到0 0 6 r a d s ；质心侧偏角p 从0 5 s 开始从0 略微变大后迅速减小 并稳定到0 0 0 6 r a d 。 ( 2 ) 车速u 为8 0 k r n h ，不同前轮转向角6 阶跃输入( 分别是1 0 、2 。、3 0 ) ， 将3 路6 信号同时输入的仿真模型，得到横摆角速度，和质心侧偏角卢响应曲 线分别如图2 1 5 、2 1 6 所示。 图2 1 5 不同前轮转角下的横摆角速度响应曲线 图2 1 6 不同前轮转角下的质心侧偏角响应曲线 对比分析上述两组曲线图，可知：在一定车速( 如8 0 k i n h ) 下，汽车横摆 角速度国，随着前轮转角6 的增大( 1 0 ，2 。，3 0 ) 而增大，并且超调量和稳定时 间增加；汽车质心侧偏角口随着前轮转角6 的增大( 1 0 ，2 。，3 。) 而明显增大， 并开始出现振荡现象，其阻尼比及固有圆频率减小，超调量增加，稳定时间延长。 因此，在汽车行驶过程中，驾驶员应该尽量避免急转方向盘而产生的过大前轮转 角艿，以保证汽车的稳定驾驶。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 前轮转角万为2 。，不同车速甜( 5 0 k m h 、8 0 k m h 、1 1 0 k i n h ) 时的横 摆角速度( - 0 r 响应曲线和质心侧偏角卢响应曲线分别如图2 1 7 、2 1 8 所示。 图2 1 7 不同车速下的横摆角速度响应曲线 图2 1 8 不同车速下的质心侧偏角响应曲线 分析上述两组曲线图，可知：在相同的前轮转向角占时，随着车速u 的增大， 汽车横摆角速度，增大，并且超调量和稳定时间都增大；在相同的前轮转向角6 时，随着车速u 的增大，汽车质心侧偏角p 明显增大，其超调量和稳定时间都变 大，但反应速度提高、时间变短。因此，降低汽车行驶的速度u ，可以减小质心 侧偏角口，增加阻尼比和固有圆频率，减少超调量及稳定时间，使汽车稳定行驶。 通过对e p s 操纵稳定性的模拟仿真分析，得到的响应特性曲线符合汽车理 论，取得了较好的效果。并且可以知道影响二自由度汽车操纵稳定性的关键因素 是车速u 和前轮转向角6 。当汽车低速、小前轮转角行驶时，是最安全的。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电动助力转向系统控制策略模型 在电动助力转向系统的开发过程中，控制策略是指导e c u 工作的依据，是 影响系统性能的核心因素。因此，如何设计出理想的助力特性和怎样让助力电机 有效执行助力特性是两个重要的环节，其次，检验控制策略的正确性和合理性也 是需要考虑的内容。 30 1e p s 助力特性曲线分析 在实际驾驶中，汽车低速行驶时，驾驶员转向操作比较费力；高速行驶时， 驾驶员转向操作比较轻松。由此可见车速不同时，转向时所需的力矩不同。因此 e p s 的助力大小应根据车辆的不同行驶及转向状态而改变【2 8 1 。为了不悖于驾驶员 的驾驶习惯和转向路感，因此e p s 要同时满足转向轻便性和操纵稳定性。为达 到此要求，方便后期对系统进行综合性能设计，在e p s 设计初期须先确定转向 助力特性曲线。因此助力特性曲线的好坏几乎决定了系统最终性能的好坏。 为了尽可能的不改变驾驶员原有的驾驶习惯，电机助力矩与方向盘转向力矩 之间的关系应具备以下特点( 2 9 卜【3 1 1 ： ( 1 ) 同一车速下，助力矩随着转向力矩的增大而增大、减小而减小，以保 持转向平稳。 ( 2 ) 同一转向力矩下，助力矩随车速降低而增大，随车速升高而减小，以 保持足够的“路感”。 ( 3 ) 转向力矩很低( 小于2 n m ) 时， 器件损耗，节约能源。 ( 4 ) 转向力矩很高( 大于8 n m ) 时， 而出现故障。 助力电机不助力，助力矩为零，以减少 助力矩保持恒定，避免助力电机过负荷 ( 5 ) 同工况条件下，助力矩必须要小于无助力时的阻力矩，避免出现过助 力“打手”现象。 ( 6 ) 各区段的助力过渡要尽量平滑，避免电机电流突变出现“跳跃”现象。 综上所述，助力转向是一种跟随转向助力，不同车速对应不同的助力特性曲 线；在某一车速条件下，助力曲线包括小角度无助力区、助力变化区和恒助力区。 在对助力特性定性分析后，需要进行定量分析。常用的助力曲线包括三种： 直线型、折线型和曲线型，如下图3 一l 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 转向盘扭矩( n m ) 转向盘扭矩( n m ) 转向盘扭矩( n m ) ( a ) 直线型助力曲线( b ) 折线型助力曲线( c ) 曲线型助力曲线 图3 1 电动助力三种特性曲线1 3 2 j 通过对三种助力特性曲线进行对比可知：直线型助力形式的不同车速对应着 不同的斜率，参数易调整，算法简单，缺点是助力方式单一，路感和轻便性无法 很好的协调；曲线型助力形式是较理想的特性曲线，理论上能够达! i i i i i 好的助力 效果，但是实际控制算法过于复杂，耗时长，降低了实时性，并且参数难调整； 折线型助力是一种折中的特性曲线，兼顾“路感”和实时性，调节比直线型复杂。 经过上述的分析与比较，为简化设计，本文选用直线型助力曲线作为助力的 基本控制方式。 、 3 2e p s 控制策略 电动助力转向系统的控制策略主要包括两个方面：一是确定电机助力特性， 即确定目标电流；二是对助力电机电流进行闭环控制，即控制电机电流【3 3 1 。e p s 控制系统结构框图如图3 2 所示。 图3 2e p s 控制系统结构框图 e p s 的工作环境是复杂多变的，在转向过程中，路况变化、转矩波动、电磁 干扰、传感器噪声及发动机的热辐射等都可能对系统产生影响。因此要满足实时 控制的要求，需要寻求快速准确的控制算法。汽车在行驶过程中，传感器装置不 断检测方向盘状态，并依据控制指令实时的输出合适的电机助力电流，以达到最 佳的助力效果。 助力控制是e p s 最基本和最重要的一种控制方式。它在转向过程( 不包括 回正) 中，为了减轻驾驶员的体力消耗，将输入力矩和作用于转向轴上的电机助 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 力转矩叠加后共同克服阻力矩来驱动车轮转向，是使转向操纵灵敏轻便的一种基 本控制方式。其具体实现过程为：m c u 依据“车速扭矩助力电机目标电流”关 系将采集的方向盘转矩信号及车速信号对应为输入到助力电机的理想目标电流， 通过驱动模块驱动助力电机，并检测电机实际电流，实现p i d 自动闭环调节， 尽量减小误差，实现合理的电动助力。 3 3 目标电流的确定 通过对图3 1 中直线型助力曲线分析得知，e p s 系统是一个随动系统，车速 和扭矩的大小共同决定了电机的助力大小。由于驾驶员的操纵具有经验性和习惯 性，对转向盘的控制力是一种“感觉，【3 4 1 。同时汽车受到各种物理因素的影响，在 不同的路况和条件下，阻力矩是变化的，助力需要适当浮动，以适应驾驶员的“感 觉”。因此本设计中可采用模糊控制的方法来确定电机目标电流。 3 3 1 目标电流的模糊控制 模糊控制过程分为模糊化、模糊规则推理和去模糊化( 或解模糊化) 三步， 且都建立在知识库的基础上【3 5 卜【3 6 】。其主要功能是在很短时间内完成对一个实时 控制系统的精确输入值( 如扭矩、车速) 进行模糊化、规则推理及反模糊化的处 理后，得到符合逻辑思维的合适的精确输出控制值。模糊控制原理框图如图3 3 所示。 图3 3 目标电流模糊控制原理框图 本文采用m a t l a b s i m u l i n ke p 的f u z z yl o g i c 模块进行目标决策电流的仿真 和分析，如图3 4 所示，其中输入量设为扭矩和车速，输出量设为目标电流。 图3 4 目标电流模糊控制 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 车速v 和扭矩瓦的模糊化 模糊化是输入精确值，输出模糊量，主要功能是求出精确输入值相对于输入 变量各模糊集的隶属度函数。其关键点是求出输入变量v 和瓦的隶属度函数。 依据驾驶员驾驶经验及对助力特性的分析，对于输入信号的模糊化，车速信 号v 的变化范围为0 k m h 1 2 0 k m h ，论域u l = f o ，1 2 0 ，模糊子集选取为： p b b b ， p b b ，p b ，p m ，p s ，p s s ，p s s s ，其中p b b b = 特快、p b b = 很快、p b = 快、p m = 中速、p s = 慢、p s s = 很慢、p s s s = 特慢。转矩信号五的变化范围为0 n m - 1 2 n m ， 论域u 2 = e o ，1 2 ，模糊子集选取为： p b b b ，p b b ，p b ，p m ，p s ，p s s ，p s s s ) ， 其中p b b b = 特大、p b b = 很大、p b = 大、p m = 中等、p s = 小、p s s = # 艮t j , 、p s s s = 特小。为了减少边际模糊化的跳跃性，使曲线尽量平滑，车速和扭矩信号的隶属 函数均采用最左侧为z 函数，最右侧为s 函数，为了简化计算和参数修改，其 余的采用三角型函数。图3 5 、图3 - 6 分别为车速v 和扭矩乃的隶属度函数。 f 曩二 i n p u tv a a “e ”车速v ( k m , h ) ” 图3 5 车速v 的隶属度函数 p s sp sp m阳p e 日p 嘟 t n p u tv a r i a b l e 啦t h ( n m ) ” 图3 - 6 扭矩瓦的隶属度函数 ( 2 ) 模糊规则推理 模糊规则推理的输入和输出都是模糊量，输入是所有输入变量模糊集的隶属 度函数，输出是输出变量模糊集的隶属度函数，因此关键点是确定输出变量的隶 属度函数和建立模糊规则库口7 1 。 根据经验及助力电机的额定电流值，目标电流l 的变化范围为0 a - 3 0 a ，论 域u 3 = 0 ，3 0 ，模糊子集选取为：fp b b b ，p b b ，p b ，p m ，p s ，p s s ，p s s s ) ， 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 其中p b b b = 特大、p b b = g 艮大、p b = 大、p m = 中等、p s = d x 、p s s = 很d x 、p s s s = 特小。同样隶属函数采用最左侧为z 函数，最右侧为s 函数，其余的为三角型 函数，图3 7 为目标电流t 的隶属度函数。 p $ 1 9 sp s sp sp mp 8p b b o l t 涮t v 雷碡b i e “目环乓瞳耻a 】“ 图3 7 目标电流f 的隶属度函数 模糊控制规则是模糊规则推理的依据，不同车型的助力需求不同，需要根据 具体车型确定来控制规则。本文以五菱之光小轿车为研究对象，基于e p s 系统 精度考虑，根据经验及查询相关资料，列出了影响目标电流决策的4 9 个规则， 如表3 1 所示。 表3 - 1 电机目标电流模糊控制规则表【3 8 】 蕊 p b b bp b bp bp mp sp s sp s s s p b b bp s sp s sp s sp s sp s s sp s s sp s s s p b bp sp s sp s sp s sp s sp s s sp s s s p bp sp sp sp sp s sp s sp s s s p mp mp mp sp sp s sp s sp s s s p sp bp m p mp sp sp s sp s s s p s sp b bp bp m p mp sp sp s s s p s s sp b b bp b bp bp mp sp sp s s s 模糊规则推理方法采用最大最小法( m a x m i n ) ，即当目标电流输出规则 强度不同时，模糊输出取各输入条件的满足度和输入量隶属函数值中的最大者， 该模糊输出为一多边形面积。 ( 3 ) 反模糊化 反模糊化是根据输出变量j 的隶属度函数，将模糊输出转换成隶属度函数对 应精确值输出，采用面积重心法。反模糊化运算后得到如图3 8 的三维e p s 系统 助力曲线。从e p s 助力曲线三维图中可以观察到输入车速v 和扭矩瓦与目标电 流l 之间的对应关系。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 s 2 。 = 5 露 嚣伯 越s 0 图3 8 基于模糊控制的e p s 助力曲线三维图 由上图可知：助力曲线分区不够合理、曲线跳跃性大。为方便调节和优化助 力曲线，采用控制变量方法，观察不同车速下t 瓦二维曲线图，如图3 - 9 所示。 ( a ) v = 0 k m h 时l 瓦曲线( b ) v = 2 0 k r n h 时瓦曲线 图3 - 9 不同车速下瓦关系曲线 观察上图中v = 0 k m h 和v = 2 0 k m h 的l 瓦曲线，与理想助力曲线和很大 的差别：助力分区不合理、曲线跳跃性大。经过分析，是由于没有认真考虑助力 的分区特性( 即0 n m 2 n m 无助力