（载运工具运用工程专业论文）电动助力转向系统仿真与控制算法对比研究.pdf

摘要 汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、行驶安全性和驾驶舒适性的关键部件。在追 求高效节能、高舒适性和高安全性的今天，电动助力转向系统作为一种全新的汽车动力 转向系统，以其节能、环保、更佳的操纵特性和转向路感，成为动力转向技术研究的焦 点。 为了深入研究和开发电动助力转向系统，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真技术，结 合现有电动助力转向系统的真实硬件设备，设计并建造出一套电动助力转向系统半实物 仿真试验平台。 通过在仿真试验平台上的试验，本文不但证实了汽车电动助力转向系统的可行性和 对汽车行驶特性的积极影响，同时也验证了半实物仿真试验所具有的综合性好，无破怀 性，可重复性，安全、经济、可控、不受气候条件和场地空问的限制等优点，这是传统 的实物试验所无法比拟的。 。文中先后选择比例控制和比例微分控制两种控制算法，对电动助力转向系统半实物 仿真试验平台进行控制对比研究试验。根据试验结果，绘制了相应的曲线图，从而直观 的对比例控制和比例微分控制两种控制算法进行了测试和评估，并得出了相应结论。 关键词：电动助力转向，仿真，控制算法 a b s t r a c t a u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e mp l a y sak e yr o l e i ni n f l u e n c i n ga u t o m o b i l ec o n t r o l s t a b i l i t y , s e c u r i t ya n dc o m f o r t s i n o r d e rt o g a i nt h ea d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n g ， c o n _ f o r t sa n ds e c u r i t y , t 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 ，a san e wa u t o m o b i l ep o w e r s t e e r i n gs y s t e m w i t hi t sa d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， e a s y c o n t r o la n ds t e e r i n g ，i st h ef o c u so f t h es t u d yo fp o w e rs t e e r i n gt e c h n i q u e s i no r d e rt od e v e l o pt 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 ，t h i s a r t i c l eu s e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t ht h er e a lh a r d w a r ee q u i p m e n t ，d e s i g n sa n d c o n s t r u c t sas e to fe p st e s tp l a t f o r m v i at h ee x p e r i m e n to fh i l sp l a t f o r m ，t h i sa r t i c l en o to n l yc o n f i r m e dt h ef e a s i b l i t y o fe p sa n dt h ep o s i t i v ei n f l u e n c et oa u t o m o b i l eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s o c o n f i r m e ds o m eh i l s m e r i t s ，s u c ha sb e t t e rc o m p r e h e n s i v en a t u r e ，n o n d e s t r u c t i v e n e s s ， r e p e a t a b i l i t y , s e c u r i t y , e c o n o m y , u n d e rc o n t r o l ，n o n c l i m a t i cc o n d i t i o n sl i m i t ，n o n - s p a c e l i m i t ，e t c a l lt h e s ec a nn o tb eo b t a i n e db yt r a d i t i o n a ll a b o r a t o r y t h i sa r t i c l ec h o o s e st h er a t i oc o n t r o la l g o r i t h ma n dr a t i od i f f e r e n t i a t i o nc o n t r o l a l g o r i t h ma l t e r n a t e l y t om a k ea ne x p e r i m e n to nt h es e to fe p st e s tp l a t f o r m c o n s e q u e n t l y , t h i sa r t i c l ed r a w sad i a g r a mo fc u r v e sc o r r e s p o n d i n g l ys ot h a tt h e s et w o a l g o r i t h mm e t h o d sc o u l db et e s t e da n de v a l u a t e da n dt h ec o n c l u s i o nc o u l db em a d e a c c o r d i n g l y 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 ；s i m u l a t i o n ；c o n t r o la l g o r i t h m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 豸考枷 g 释s 其阳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 多亏撇 弓友僻7 托 9 年5 f 只吖日 口矿年厂月r 日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1汽车助力转向系统的发展 汽车助力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动 机驱动力来实现车轮转向。相对于机械转向系统，对助力转向系统的要求是：在保证转 向灵敏性不变的条件下，有效的提高转向操纵轻便性，提高响应特性，保证高速行车安 全，减少转向盘的冲击，因此助力转向系统在很多车型中普遍采用。 助力转向系统应具有如下功用： 1 ) 汽车转弯时，减少驾驶员对方向盘的操纵力； 2 、) 限制转向系统的减速比； 3 ) 在原地转向时，能提供必要的助力； 4 ) 限制车辆在高速或在薄冰上的助力，具有较好的转向稳定性； 5 ) 在助力转向系统失效时，能保持机械转向系统的有效工作。 汽车助力转向系统的发展经历了以下几个阶段： 1 1 1液压助力转向系统( h p s ) 液压助力转向系统( h p s h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 一般由机械转向器、转向控制 阀、转向油罐和转向油泵等组成【i 】。由于该系统使转向操纵灵活、轻便，在设计汽车时 对转向器结构形式的选择灵活性大，能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，因此已在各 国的汽车设计、制造中普遍采用。但是，具有固定放大倍率的液压助力转向系统的主要 缺点是：如果所设计的固定放大倍率的助力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶 状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速行驶时，这一固定放大倍率的助力转向系统会 使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设 计的固定放大倍率的助力转向系统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车静 止或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力。 在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气压助力转向的。但这类助力 转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。 1 1 2 液压式电子控制助力转向系统( e h p s ) 液压式电子控制助力转向系统( e h p s ，e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) ， 是在传统的液压助力转向系统的基础上，增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和 第一章绪论 电子控制单元等电子控制装置，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使 转向动力放大倍率实现连续可调，使转向系统可以在汽车低速行驶时减轻转向力，以提 高转向系统的操纵性；在高速时则可适当加重转向力，以提高操纵稳定性。从而满足高、 低速时的转向助力要求。根据控制方式的不同，液压式电子控制助力转向系统又可分为 流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式【2 】。 液压式电子控制助力转向系统，在某些性能方面虽然优于传统的液压助力转向系 统，但仍然无法根除增加汽车的燃油消耗量等固有缺憾。 1 1 3电动式电子控制助力转向系统( e p s ) 电子控制电动式助力转向系统( 以下简称电动助力转向系统：e p s ，e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ) 是利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等 信号，控制电动机扭矩的大小和方向。电动机的扭矩由减速机构减速增矩后，加载到汽 车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。在低速行驶时可使转向轻 便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转 向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 电动助力转向系统完全取消液压装置，用电能取代液压能，减少了发动机的能量消 耗。研究与开发电动助力转向系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻 合的，因而具有一定的现实意义f 3 1 。近年来随着电子控制技术在汽车上的广泛应用，有 更多的车辆装配了电动助力转向系统。 1 1 4 线控电动转向系统 随着电子技术和控制方法的进一步发展，有人提出了一个大胆的假设：即取消方向盘 与转向轮之问的机械连接，完全由电能实现转向，这就是线控转向系统( s t e e d n g b y w i r e ，简称s b w ) 。 1 1 4 1 线控电动转向系统的特点 提高了驾驶员的安全性：由于减少了转向柱等机械机构，使得驾驶员周围空间变大， 正面碰撞时对驾驶员的伤害得到了大大的降低。同样，安全气囊与驾驶员间的距离加大， 使得安全气囊可以张得更大，以增强对驾驶员的保护。 提高了汽车的操纵性：由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的车速、转向 状况进行参数补偿，从而提高汽车的操纵性。 线控转向还将与其它的汽车电气系统通过c a n 总线连接到中央控制器上，由中央 2 长安大学硕上学位论文 控制器统一协调控制汽车的运动，从而实现汽车电气的一体化控制。 提高汽车的全面智能化：线控转向系统可以和其它的设备如a b s ，s r s ，自动导航， 自动驾驶等系统结合起来，最终实现汽车的全面智能化。 改善驾驶员的路感：在s b w 中路感由模拟生成，使得在回正力矩控制方面可以从 信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控 制变量，使方向盘仅仅向驾驶员提供有用的信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。 1 1 4 2 线控电动转向系统的前景 线控转向系统还存在着可靠性的问题，目前欧洲的汽车法规还要求驾驶员与转向车 轮之间必须有机械连接，而线控转向系统作为一个还不成熟的技术目前还不能有足够的 证据来证明其可靠性。其次，线控转向系统还需要在可靠性与成本之间做出较好的平衡。 总之，线控转向在e p s 的基础上，将转向系统的发展又推进了一步，它将为实现汽 车智能化驾驶提供技术支持。 1 2 汽车电动助力转向系统( e p s ) 介绍 1 2 1e p s 系统的特点 与液压助力转向( h p s ) 相比电动助力转向( e p s ) 有以下特点h 5 6 】： 1 降低了燃油消耗 液压助力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能 量。相反电动助力转向系统( e p s ) 仅在进行转向操作时才需要电机提供的能量，该能 量可以来自蓄电池，也可来自发动机。而且，能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速 有关。当转向盘不转向时，电机不工作，需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工 作，输出相应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩，而且，该系统在汽车原地转向时 输出最大转向力矩，随着汽车速度的改变，输出的力矩也随之改变。该系统真正实现了 “按需供能 ，是真正的“按需供能型 ( o n - d e m a n d ) 系统。汽车在较冷的冬季起动 时，传统的液压系统反应缓慢，直至液压油预热后才能正常工作。由于电动助力转向系 统设计时不依赖于发动机而且没有液压油管，对冷天气不敏感，系统即使在一4 0 。c 时也 能工作，所以提供了快速的冷起动。由于该系统没有起动时的预热，节省了能量。不使 用液压泵，避免了发动机的寄生能量损失，提高了燃油经济性，装有电动助力转向系统 的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下，装有电动助力 3 第一章绪论 转向系统的车辆燃油消耗降低2 5 ，在使用转向情况下，燃油消耗降低了5 5 。相同 条件下，分别装配传统的液压助力转向、电子控制的液压助力转向、电动助力转向车辆 的燃料消耗对比( 如图1 1 所示) 。 c o m p a r i s o no fe n e r g yc o n s u m p t i o n 图1 1 不同类型助力转向系统的燃料消耗对比 2 增强了转向跟随性 在电动助力转向系统中，助力电动机与助力机构直接相连可以使其能量直接用于车 轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小，因 此转向系统的抗扰动能力大大增强。和液压助力转向系统相比，电动助力转向系统的旋 转力矩产生于电机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟 随性能。 3 改善了转向回正特性 直到今天，液压助力转向系统性能的发展已经到了极限，电动助力转向系统的回正 特性改变了这一切。当驾驶员使转向盘转动一角度后松开时，该系统能够自动调整使车 轮回到正中。该系统还可以让工程师们利用软件在最大限度内调整设计参数以获得最佳 的回正特性。从最低车速到最高车速，可得到回正特性曲线。通过灵活的软件编程，容 易得到电机在不同车速及不同车况下的转矩特性，这种转矩特性使得该系统能显著地提 高转向能力，提供了与车辆动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的液压控制系统 中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难。 4 提高了操纵稳定性 通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正 4 长安大学硕士学位论文 在高速行驶( 1 0 0k m h _ 1 ) 的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中， 由于采用了微电脑控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。 5 提供可变的转向助力 电动助力转向系统的转向力来自于电机。通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整 个车速的可变转向助力。可变转向助力的大小取决于转向力矩和车速。无论是停车，低 速或高速行驶时，它都能提供可靠的，可控性好的转向助力。对于传统的液压系统，可 变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制 器和其它硬件。但在电动助力转向系统中，可变转向力矩通常写入控制模块中，通过对 软件的重新编写就可获得，并且所需费用很小。 6 采用“绿色能源，适应现代汽车的要求 电动助力转向系统应用“最干净”的电力作为能源，完全取缔了液压装置，不存在液 压助力转向系统中液态油的泄漏问题，可以说该系统顺应了“绿色化 的时代趋势。该 系统由于它没有液压油，没有软管、油泵和密封件，避免了污染。而液压转向系统油管 使用的聚合物不能回收，易对环境造成污染。 7 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越 由于该系统具有良好的模块化设计，所以不需要对不同的系统重新进行设计、试验、 加工等，不但节省了费用，也为设计不同的系统提供了极大的灵活性，而且更易于生产 线装配。由于没有油泵、油管和发动机上的皮带轮，使得工程师们设计该系统时有更大 的余地，而且该系统的控制模块可以和齿轮齿条设计在一起或单独设计，发动机部件的 空间利用率极高。该系统省去了装于发动机上的皮带轮和油泵，留出的空间可以用于安 装其它部件。许多消费者在买车时非常关心车辆的维护与保养问题。装有电动助力转向 系统的汽车没有油泵，没有软管连接，可以减少许多忧虑。实际上，传统的液压转向系 统中，液压油泵和软管的事故率占整个系统故障的5 3 ，如软管漏油和油泵漏油等。 8 生产线装配性好 电动助力转向系统没有液压系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件， 零件数目大大减少，减少了装配的工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。 1 2 2e p s 系统的工作原理 e p s 是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，其系统框图如图1 2 所示 【4 】。 5 第一章绪论 图1 2 电动助力转向系统框图 不同类型的e p s 基本原理是相同的：扭矩传感器与转向轴( 小齿轮轴) 连接一起，当 转向轴转动时，扭矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动 位移变成电信号传给e c u ，e c u 根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋 转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。并且当车速、电流超过限定的 最大值或转向系统发生故障时，e c u 控制电磁离台器自动切断电动机的电源，恢复手动 控制转向。因此e p s 可以很容易地实现在车速不同时依靠电动机提供不同的助力效果， 保证汽车在低速行驶时转向轻便灵活，高速行驶时转向稳定可靠。因此e p s 转向特性的 设置具有较高的自由度。 123e p s 系统的组成 e p s 系统主要由电动机、扭矩传感器、车速传感器、电磁离合器、减速机构和电子 控制单元( e c u ) 、电子驱动单元( e d 功等组成。 l 、电动机 电动机的功能是根据电子控制单元的指令输出适宜的辅助扭矩。是e p s 的动力源。 多采用有刷或无刷永磁式直流电动机。电动机对e p s 的性能有很大影响是e p s 的关 键部件之一，所以e p s 对电动机有很高要求。不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯 量小、尺寸小、质量轻，而且要求工作噪音小、可靠性高、易控制、对工作环境适应性 强。为此，设计时常针对e p s 的特点，对电动机的结构做一些特殊的处理，如沿转子的 表面开出斜槽或螺旋槽，定子磁铁设计成不等厚等门。 图13 所示为一种汽车电动助力转向系统用有刷永磁直流电动机，它具有低转速、 长安大学硕士学位论文 大转矩、噪声小、体积小、重量轻、结构简单等优点。 1 机壳2 滚珠轴承3 磁瓦4 电枢铁芯5 主轴 6 电枢线圈7 前端盖8 换向器9 电磁离合器 图1 3 电动机结构示意图 2 扭矩传感器和车速传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转向盘转 角的大小和方向。扭矩传感器也是汽车e p s 系统的关键部件之一，其输出特性直接影 响到e p s 系统的控制性能。车速传感器的功能是测量汽车行驶速度。这些信号都是e p s 的控制信号。 扭矩测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定 e p s 能否占领市场的关键因素之一。目前采用较多的是在转向轴位置加一扭杆，通过测 量扭杆的变形得到扭矩。另外也有采用非接触式扭矩传感器【引。图1 4 所示的非接触式 线圈 图1 4 非接触式扭矩传感器 7 第一章绪论 扭矩传感器中有一对磁极环，其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时， 磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数变化。非接触式扭矩传感器的 优点是体积小、精度高，缺点是成本较高。 1 9 9 3 年人们开发了一种用于e p s 系统的光电式转矩传感器( 如图1 5 所示) 发光 管发出的光穿过2 个带孔的光码盘照射到由6 4 个光敏二极管组成的光接收装置上，两 个光码盘分别与扭杆的两端相连，其上各有2 圈共2 4 个孔，1 个光码盘上的孔同相位分 布，另一个光码盘上的孔反相位布置。当扭杆受转矩作用时，两光码盘上的内、外两圈 孔的重叠面积将变化，从而光敏二极管的输出电压也变化，据此可检测出所施加转矩的 大小和方向。传感器对光码盘上孔的加工精度和位置精度要求很高。 光 图1 5 光电式转矩传感器原理示意图 车速传感器检测汽车的车速，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自动变 速器的变矩器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。 车速传感器的输出信号可以是电磁式交变信号，也可以是霍尔式脉冲信号或者是光电式 脉冲信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在 屏蔽的外套内，这是为了消除点火高压线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频 干扰，用于保证电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其他问题，在汽车上电 磁式及光电式传感器是应用最多的两种车速传感器，在欧洲、北美和亚洲的各种汽车上 广泛采用电磁式传感器来进行车速( v s s ) 、曲轴转角( c k p ) 和凸轮轴转角( c m p ) 的检测。 3 电磁离合器 电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限定的最 大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动控制转向。此 外，在不助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的影响。为了减少与不加 转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输出特性，同时还具有半离合器 状态区域。 8 长安大学硕士学位论文 4 减速机构 e p s 的减速机构与电动机相连( 如图1 6 所示) ，起减速增扭作用。常采用蜗轮蜗杆 机构，也有采用行星齿轮机构。 蜗轮 图1 6 减速机构 5 电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 的功能是根据扭矩传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑 分析与计算后，发出指令控制驱动电动机的电流方向与大小，从而控制电动机的运动方 向和产生的扭矩大小。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，e c u 通过采集电动 机的电流、发电机电压、发动机工况等信号判断其系统工作状况是否正常，旦系统工 作异常，助力将自动取消，同时e c u 将进行故障诊断分析。e c u 通常是一个8 位、1 6 位或3 2 位的单片机系统，也有采用数字信号处理器( d i g i t a js i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 作为控制单元【1 5 】。控制系统与控制算法也是e p s 的关键之一，控制系统应有很强抗干 扰的能力，以适应汽车恶劣多变的行驶环境。控制算法应快速正确，满足实时控制的要 求，并能有效地实现理想的助力规律与特性。 1 2 4e p s 系统对转向性能的影响 1 、转向轻便性 e p s 的基本目标是提高汽车停车泊位和低速 行驶时的转向轻便性，以及高速行驶时的操纵稳 定性。装有e p s 的汽车可大大减小静态转向和低 速行驶时所需的方向盘转向力矩。图1 7 是a l t o 车原地转向的转向力对比曲线，e p s 为转向柱助 力式，前轴负荷为4k n ，电动机最大电流为2 0 a 。 9 图1 7 转向轻便性对比曲线图 第一章绪论 由图可知，装有e p s 后，原地转向的转向力下降了4 0 左右。 2 、转向回正性 通过指定适当的控制策略，e p s 能显著提高汽车转向盘的回正特性。图1 8 是汽车 在3 0 k m h 左右行驶时的回正特性试验结果。试验中，微小转动转向盘后松开。从图中 我们可以清楚的看到在松开转向盘后，转向盘能立刻回到中间位置。 一s o 薹2 5 鬈0 鐾一2 5 辫一5 0 巨 1 未 二 竣 o 采 遣一2 挺 ol234s ol23 45 时闯旭 图1 8 转向回正性曲线图 3 、操纵稳定性 汽车转向系的设计一直存在着转向“轻 与“灵的矛盾。为此，在没有出现动力 转向器之前，常将转向器设计成变传动比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘 大转角时以“轻 为主。但是“灵”的范围只在转向盘中问位置附近，这仅对高速行驶 有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根木上解决这一矛盾。另外， 转向力矩与“路感 也相互制约，转向力矩小能减少驾驶者的体力消耗，但转向力过小 就缺乏“路感 。液压动力转向由于不能对助力按照车速及转角等条件进行实时调节与 控制，所以协调转向力与“路感”的关系非常困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提 供较大助力，使驾驶员缺乏“路感”，甚至感觉汽车发“飘。而e p s 的助力大小可以根 据设计者设定的规律，按照车速、方向盘输入力矩和方向盘转角的变化，进行实时地调 节与控制，因此能较好地解决上述矛盾。 由于电动机具有弹簧阻尼的效果，e p s 能减小不平路面对转向盘的冲击力和车轮不 平衡质量引起的振动，图1 9 a ，1 9 b 分别是e p s 和h p s 抑制路而冲击能力的对比曲线， 曲线表明在相同的路而冲击下，e p s 的转向盘转角和转向力矩的振动幅值比h p s 都有 ， 明显降低。 1 0 长安大学硕十学位论文 1 3 半实物仿真 1 3 1 半实物仿真原理 售 冬 毅 r 盂 磐 皇 荟 捌 r 盂 簿 图1 9 操纵稳定性对比曲线图 p ￥ 舞 鬈 穰 星 螺 詹 客 鼎 詹 零 系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型，来研究系统性能的一门学科，现在 尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。系统的数学模型是描述系统动态特性的数 学表达式，可用来表示系统运动过程中各个量的关系，是分析和设计系统的依据。系统 的计算机仿真基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析 与验证等环节【1 0 l 。 在很多实际过程中，有时因为实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确。所以 需要将实际系统模型放置在仿真系统中进行仿真研究。这样的仿真经常被称为“硬件在 环”( h a r d w a r e i n - l o o p ，h i l ) 仿真，又叫半实物仿真。因为这样的硬件在环仿真是针 对实际过程的仿真，又是实时进行的，所以又被称为“实时 ( r e a lt i m e ，l 玎) 仿真。 在实际控制中，半实物仿真通常有两种情况：一种是控制器用实物，而受控对象使用数 字模型，这种情况多见于航空航天领域。另一种是用计算机实现其控制器，而将受控对 象作为实物直接放置在仿真回路中，这种情况多见于一般工业控制，本文中应用的就是 这种方式。 第一章绪论 在实际的工程项目中，经常需要花费大量时间从真实的过程中收集可靠数据，再与 仿真结果比较。若比较的结果超出误差的允许范围，就需要对仿真模型进行改进，得出 的结果还需进行多次往复试验，才能最终相信仿真结果。 半实物仿真的最大优势是仿真结果的验证过程是直观的，所以在一些工业过程中， 采用硬件在环仿真的方法可以大幅缩减开发周期和费用。此外，硬件在环仿真试验还具 有综合性好，无破怀性，可重复性，安全、经济、可控、不受气候条件和场地空间的限 制等优点，这是传统实物试验所无法比拟的。 半实物仿真系统是以p c 机作为宿主计算机的紧密耦合多处理器并行系统。通常由 三个模块组成：( 1 ) 可灵活进行数据处理、方便操作者使用的监控模块；( 2 ) 可快速进 行信号转换并具备一定控制能力的高速传输模块；( 3 ) 具有高速运算能力的模型仿真模 块。每个模块各由一个独立的处理器来完成。 1 3 2 系统仿真与建模 仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真运用领域相关技术为基础， 利用计算机系统，并应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统进行研 究的- - f - j 多学科的综合性的技术【1 们。 典型的系统仿真过程包括：系统模型的创建、仿真模型建立、仿真程序设计、模型 确认、仿真试验和数据处理等。系统仿真有多种分类方法：按模型的分类可分为：连续 系统模型、离散系统模型、连续离散( 时间) 混合系统仿真和定型系统仿真；按仿真的 实现方法和手段可分为：物理仿真、计算机仿真、硬件在回路中的仿真( 硬件在环仿真) 和人在回路中的仿真；根据人和设备的真实程度可以分为：实况仿真、虚拟仿真和构造 仿真。计算机仿真的三个基本要素是：系统、模型和计算机，联系着它们的三项基本活 动是：模型的建立、仿真模型的建立( 又称为二次建模) 和仿真试验。 仿真建模基本要求：清晰性、切题性、精确性、集合性。 1 3 3e p s 系统的半实物仿真 e p s 系统是一个多输入多输出的非线性系统，要求其具有高鲁棒性、自适应性及人 机协调性，因而应用传统的设计方法对其外部电控单元进行设计，十分复杂和困难。半 实物仿真技术可以进行控制系统的软硬件测试，帮助设计者了解系统的动态特性，并且 可以准确的分析每一参数独立变化对系统特性的影响，大大缩短了产品设计周期，降低 1 2 长安大学硕上学位论文 了设计的复杂程度。 半实物仿真技术已经在国外汽车电子控制系统的开发过程中得到了广泛的应用。 本课题将对自行设计并建立的e p s 半实物仿真试验平台作全面的介绍。并在介绍其系统 构成的基础上，具体分析了其软硬件构成和动态模型结构。整个仿真系统具有控制方便， 实时性好等优点。 半实物仿真是在仿真环节中存在实物硬件的实时动态仿真技术，可实时地运算电动 助力转向控制的动力学模型，实时地传输和监测试验数据，并可以通过改变控制系统参 数来观察系统性能的变化，大大提高了电动助力转向系统的设计效率。 该仿真系统具有以下功能： ( 1 ) 使电子控制单元在硬件在环的情况下进行电动助力转向助力工况的实时仿真； ( 2 ) 可进行e c u 及扭矩传感器、角位移传感器在环的实时仿真； ( 3 ) 可选择电动助力转向器状态参数和控制参数进行图形化和数字化实时显 示； ( 4 ) 可对仿真结果进行有选择的存储，并可进行离线处理； ( 5 ) e c u 可以以模型形式参与仿真构成软件在环仿真系统； ( 6 ) 可对仿真结果数据文件及结果曲线进行打印输出。 其系统构成图如下： 图1 1 0e p s 半实物仿真系统构成图 1 3 第一章绪论 1 4 课题研究的目的与意义 1 、课题研究的意义 液压助力转向系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技 术的发展，对汽车节能性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成 的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。特别是在汽车保有量 急剧扩大化、车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天。汽车的转向助力性 能就显得尤为重要。 与液压助力转向系统相比，汽车电动助力转向系统属于另一种动力转向系统。它完 全取消液压装置，将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系 统，用电能取代液压能，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒 适性和安全性、减少发动机的能量消耗和对环境的污染等。因此，该系统一经提出，就 受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中电动助力转向将成 为转向系统主流，研究与开发电动助力转向系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能 三大主题相吻合的。 2 、课题研究的目的 第一，运用半实物仿真的研究方法，建立电动助力转向系统半实物仿真试验平台。 利用建立的仿真试验平台，测算不同转向条件下的转向盘转角、转向盘力矩、转向阻力 矩、电动机助力电流等以及相互之间的关系。该仿真试验平台也可作为e p s 系统电控单 元的开发调试平台，可以方便地模拟出各种需要的车辆转向情况，并对电控系统的控制 效果进行迅速直观地判断分析。 第二，在建立的仿真试验平台上，对电动助力转向系统的控制算法进行对比研究( 本 文将分别采用比例控制和p d 控制两种控制算法进行试验对比) ：并根据试验结果，判断 何种控制算法能提供更优的助力控制。 1 5 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 本课题对e p s 系统的结构组成、工作原理、发展现状及前景等进行了简要介 绍，并在充分分析e p s 系统力学原理的基础上，详细介绍系统关键部件的选配，以及 e p s 半实物仿真试验平台的组建。 1 4 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 课题利用我们独立建立起来的e p s 半实物仿真试验平台，进行了相关的转向 特性试验，并对试验结果进行分析，得出结论。 ( 3 ) 课题在所建立的e p s 半实物仿真试验平台上，对电动助力转向系统的控制算 法进行对比研究，并对研究结果进行分析。 1 5 第二章e p s 系统半实物仿真试验平台的组建 第二章e p s 系统半实物仿真试验平台的组建 2 1e p s 系统的受力分析 2 1 1 系统受力 e p s 系统所受的力主要有驾驶员作用在方向盘的操纵力、电机的助扭矩和整个转向 系统所受的阻扭矩。驾驶员在转向时作用在方向盘的操纵力，同时在e p s 系统的电机助 力下，通过转向机构克服转向阻扭矩，从而实现对汽车的转向。转向时驾驶员作用在方 向盘上的作用力以及电机作用的阻扭矩大小与汽车整个转向系统所受的阻扭矩有关。 1 、驾驶员的操纵力 在汽车曲线运动中，由驾驶员通过作用在方向盘的切向力对汽车进行操纵。一般驾 驶员都希望转向时能操纵轻便，在高速时仍能保持稳定，且具有良好的“路感”。因此 驾驶员对汽车的操纵力分为两种情况：一是改变汽车行驶方向时驾驶员作用在方向盘上 的切向力；二是保持汽车行驶方向不变( 包括直线运动和固定某个方向的运动) 时驾驶 员保持方向盘不动的力。这种在车轮转向角位置保持不变行车时，驾驶员作用在方向盘 上的力称为方向盘把持力。 2 、e p s 的阻力源 按产生的来源不同，e p s 的阻扭矩大体上可分为绕主销的阻扭矩和转向系统的阻扭 矩两大部分组成。这些转向阻扭矩的各组成部分都随方向盘转角、车速、轮胎偏离角、 方向盘转动角速度和车辆侧偏角变化而变化。 ( 1 ) 转向系统阻扭矩主要包括转向系统摩擦扭矩，转向系统复原扭矩和转向系统 惯性扭矩三部分。转向系统摩擦扭矩主要指转向系统的各部分之间的摩擦阻扭矩的总 和。转向系复原扭矩主要由转向系内回位弹簧、内橡胶衬套等的弹性变形引起的回复力 产生的。转向系惯性扭矩主要由转向系内各部分在运动过程转速的变化所形成的。 ( 2 ) 绕主销的阻扭矩是由路面和轮胎间的扭矩形成的，它受路面状态、轮胎特性、 车轮定位和负荷等的影响，随着车速和转向偏离角的变化而变化。通常绕主销的阻扭矩 按汽车不同的行驶方式分为原地转向阻扭矩和行车转向阻扭矩两种。当汽车静止不动进 行转向时，首先是轮胎发生扭转变形，继之与路面之间发生滑移，称这一情况所产生的 转向阻扭矩为原地转向阻扭矩。而行驶中的汽车进行转向时产生的阻扭矩则为行车转向 阻扭矩。高速行车中，由车胎偏离角所引起的转向助扭矩是随主销后倾角增大而增大的。 1 6 长安人学硕士学位论文 因此影响绕主销的阻扭矩的因素有轮胎接地的单位面积压力、接地面积、摩擦系数等。 显然，负荷愈大，轮胎气压愈低，原地转向阻扭矩也将愈大。同时轮胎和路面间的摩擦 系数增大，原地转向阻扭矩也将增大。 3 、电机的助力扭矩 电机助力扭矩是电机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的扭矩。它的大小 是由e p s 的e c u 根据传感器传来的扭矩信号、车速以及控制策略来决定。 2 1 2 转向阻力与路感 汽车转弯时，前轮上作用着与转向力相应的绕主销的阻扭矩，通常笼统地称为回正 扭矩。回正扭矩除以传动比，就是驾驶员为了使汽车转弯所需要克服的扭矩。 驾驶员在转向时所需克服的阻扭矩包括两个主要部分：一是回正扭矩；二是摩擦扭 矩。当转向力大时，意味着减少驾驶员的体力消耗增大，但转向力中还包含着前轮侧向 力的信息，使汽车的运动状态( 包括车轮与路面的附着状态) 与驾驶员的手力有一种对 应关系，这就是路感。如果这种路感很清晰，驾驶员就会感到心中有数。如果方向盘上 的转向力太小了，路感也就没有了。所以从这个意义上说，转向力又不能太小。 2 2e p s 系统数学模型的建立 经过简化后的转向齿轮助力式e p s 系统的动力学原理图【1 2 、1 3 1 ( 如图2 1 所示) 。 够l 喀t r i r ，6 r 图2 1e p s 系统动力学原理图 1 7 t h im ，0m 第二章e p s 系统半实物仿真试验平台的组建 设转向盘的转动惯量、转角和转矩分别为i h ，0 h ，t h ；前轮和转向机构向转向轴简 化后的转动惯量、转角和转矩分别为i ，0 ，t ，；转向轴与支承之间的等效摩擦系数及转 向机构和前轮的等效摩擦系数分别为b h 和b r ；从电动机到转向轴的传动比为g 1 ；转矩 传感器的扭转刚度为k s ；则可以写出下述二阶系统的动力学方程【1 4 】： 厶争+ 岛鲁+ k ( 皖硎= 五 j d 2 芦8 l + ej d 4 f i q c o 。一磊) = g l 瓦一i ( 2 1 ) ( 2 2 ) 设u 为电动机的电压，k a 、k b 分别是电动机的转矩系数和反电动势系数，r 为电 枢绕组电阻。则电动机的电磁转矩为【1 5 】： 乙= 鲁( u 一蚝g l 磊) ( 2 3 ) 若电机采用比例控制方式，其电压为u = 勋必f ，0 h 一占；若电机采用比例微分( p d ) 控制方式，则u = 印缸f ，i i 万，+ k dk sf ，_ 1 1 万，式中l ( p 、k d 分别称为比例控制系 数和微分控制系数。设电动机的转动惯量、阻尼系数、转角和阻力矩分别为i m 、b m 、0 m 和t a ，则有 乇= 乙一厶争一瓯鲁 ( 2 4 ) 地面阻力矩可根据下式确定f 2 9 1 ： 卜警= 一等c + 等埘 ( 2 5 ) 式中f 3 是车辆质心侧偏角，6 0r 是横摆角速度，k l 是前轴侧偏刚度，d 是前轮拖距， 6 为前轮转角。设转向盘到前轮的传动比为g 2 ，考虑电动机和转向轴之间的速度匹配， 系统的几个转角之间的关系为： 8 1 = g 2 万 m = g l6 1 = g lg 2 万 1 8 长安人学硕士学位论文 参考相关文献【3 0 1 列出线性2 自由度汽车模型的运动方程如下： ( 毛+ 哎) + ! ( 嘶一6 如) q 一毛万= m u ( 声+ q ) “ ( 口毛一b k 2 ) f l + l ( a 2 k a + b 2 恕) 哆一口白万：厶哆 甜 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中m 、i z 分别为汽车质量和绕z 轴的转动惯量；u 为车速；k l 、k 2 分别为前、后 轴的侧偏刚度；a 、b 分别为前、后轴到汽车质心的距离。 将式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 作拉氏变换，分别求出汽车质心侧偏角、横摆角速度对前轮转向 角的传递函数为： 籍嘲沪咖蕊i + t s 蝣 篙嘲驴踟，趸l + 翠t o , s 瞄 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中： = 等+ 学 为汽车转向响应的固有犏 k = 詈c 詈一争 嘭( o ) = 1 + k u 2三 为汽车转向响应的阻力比。 为稳定性因数； 为稳态侧偏角增益； 为稳态横摆角速度增益； 乙= 一瓦m a n 1 9 一砝。 面一矿 兰 一馏 嘉 而 f 兰魄 1 互协 一 鲜 乃 第二章e p s 系统半实物仿真试验平台的组建 l 为汽车的轴距 将式( 2 2 ) 一式( 2 5 ) 做拉氏变换，并将汽车2 自由度转向模型的传递函数代入，可得到 e p s 系统的汽车横摆角速度对转向盘转角的传递函数。 对于比例控制方式： 耳( s ) = 虿s 2 + 等+ l ；c ( j ) = 砑k q d ( 1 一喏( s ) 一詈曰( 呦 对于p d 控制方式： ( 2 1 0 ) ( 器) 肋= ( 哪) 肋= 百g 萝( s ) 琢t p 而o s + 丽1 ( 2 1 l 式中： h a 垆专+ 等扎= 老a k听 一 。 其中= g l 半；捌+ 竿g l 为助力触 6 1h 为e p s 转向系的固有频率： 魄2 “为比例控$ 1 j e p s 系统阻尼比： 广一堡堡垡签垡! 墨 l ， 一r _ 2 , a k , ur + i ；、) “d 为p d 控$ 1 j e p s 系统阻尼比： 2 0 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 一d c 。一卜 可 d 一 坐q 0瞄 l d d ： ，l一， 丁 纵钒 神 卫、 式 长安人学硕士学位论文 p b r + b 沁：+ k ，k ：r + l t l ，1 , d 一产2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 2