（光学工程专业论文）电动助力转向控制策略的研究.pdf

摘要 摘要 本文致力于电动助力转向系统控制策略的研究。 首先，建立了电动助力转向系统的仿真模型，包括转向系统模型、车辆模 型、轮胎模型和电控系统模型，并对建立的模型进行了试验验证。然后，介绍 了研究中用到的台架和实车试验系统，主要包括试验系统的总体结构以及软、 硬件组成等。在有了模型基础和试验条件之后，综合应用“理论分析”、“离 线仿真”、“台架试验”和“实车试验”等多种技术手段，进行了控制策略的 研究。 研究结果表明，从结构上来说，电动助力转向系统的控制策略应包括以下 四个功能模块：基本助力控制、力矩微分控制、电机补偿控制和回正与主动阻 尼控制。本文对车辆的转向盘力矩特性进行了理论分析，提出了适用于各种车 速工况下的转向盘力矩的统一表达式；然后结合试验车辆的具体情况，定量化 给出了驾驶员期望的转向盘力矩与车速和侧向加速度的关系：并给出了车速感 应型基本助力控制的具体实现方法与调试准则。为了协调转向轻便性和“路感” 之间的矛盾，以及改善电动助力转向系统的动态性能，在基本助力控制的基础 上引入了力矩微分控制。此外，为了克服电机惯量、阻尼和摩擦等机械特性对 电机输出力矩的影响，改善电动助力转向系统的动态性能，又引入了电机补偿 控制。本文首次采用一个单自由度非线性振动模型来描述车辆的回正过程，并 引入非线性振动理论，对车辆的回正性进行了深入的理论分析。为了提高车辆 的回正性能，在充分研究基于转角闭环的回正与主动阻尼控制算法的基础上， 创新性地提出了基于功能原理的回正与主动阻尼控制算法。 台架和实车试验结果表明，在本文提出的控制策略的作用下，车辆的转向 轻便性、操纵稳定性、转向动态响应和回正性能均得到了提高与改善。 关键词：电动助力转向系统，控制策略，仿真，台架试验，实车试验 a b s t r a c t - 一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yf o re l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m a tf i r s t ，as i m u l a t i o nm o d e lo fe p si s i m p l e m e n t e d i tc o n s i s t so fs t e e r i n g s y s t e mm o d e l ，v e h i c l em o d e l ，t i r em o d e la n de c um o d e l a f t e rt h a t ，t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mf o rb e n c ht e s ta n dv e h i c l et e s ti si n t r o d u c e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l a n dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h es t u d yo nt h ec o n t r o ls t r a t e g yf o r e p si sc o n d u c t e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l s t r a t e g yf o re p sc o n s i s t so f4 f u n c t i o n a lm o d u l e s ： b a s ea s s i s t c o n t r o l ，t o r q u ed i f f e r e n t i a l c o n t r o l m o t o r c o m p e n s a t i o nc o n t r o l ，r e t u r na n da c t i v ed a m p i n gc o n t r 0 1 a tf i r s t ，t h es t e e r i n ge f f o r t c h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l ei sa n a l y z e da n daf o r m u l at oc a l c u l a t et h es t e e r i n gt o r q u e i sd e d u c e d ，w h i c hi sa p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n tv e h i c l e s p e e d s a n dt h e nt h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t e e r i n ge f f o r tp r e f e r e n c ea n dt h ev e h i c l es p e e d sa n dt h e l a t e r a la c c e l e r a t i o n si sd e t e r m i n e d t h e r e a f t e r , t h es p e e d s e n s i t i v eb a s ea s s i s tc o n t r o l a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d i no r d e rt oh a r m o n i z et h es t e e r i n ge f f o r ta n dt h er o a df e e l a n dt oi m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fe p s ，t h et o r q u ed i f f e r e n t i a lc o n t r o li s a d d e di n t ot h ec o n t r o ls t r a t e g y a n dm o t o rc o m p e n s a t i o nc o n t r o lc a l lc a n c e lo u tt h e d i s t u r b a n c et o r q u ec a u s e db yt h em o t o ri n e r t i a lm o m e n t ，t h em o t o rd a m p i n g m o m e n t a n dt h em o t o rf r i c t i o nm o m e n t t h e r e a f t e r , a n1 - d o fn o n l i n e a rv i b r a t i o nm o d e li s i m p l e m e n t e dt od e s c r i b et h er e t u r nc h a r a c t e r i s t i co ft h ev e h i c l e a n dt h en o n l i n e a r v i b r a t i o nt h e o r yi su s e dt oa n a l y z et ot h er e t u r nc h a r a c t e r i s t i c i no r d e rt oi m p r o v et h e r e t u r n - - t o c e n t e rp e r f o r m a n c eo fe p sa n da f t e rs t u d y i n go nt h ep i dr e t u r na n da c t i v e d a m p i n gc o n t r o la l g o r i t h m ，an e wt y p er e t u r na n da c t i v ed a m p i n gc o n t r o la l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ew o r k e n e r g y - p r i n c i p l e e x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o wt h a tt h ep r o p o s e de p sc o n t r o ls t r a t e g yc a ni m p r o v e t h es t e e r i n gp e r f o r m a n c ea n dr e t u m t o c e n t e rp e r f o r m a n c eo ft h et e s tv e h i c l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o n ，b e n c h t e s t ，v e h i c l et e s t i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 强跨 加6 年j 月亿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在五年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 彗络 v 年月 日 谢年j 月2 日 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。 第1 章绪论 1 1 问题的来源 第1 章绪论 在汽车一百二十年( 1 8 8 6 - - 一2 0 0 6 ) 的发展历程中，转向系统经历了四个发 展阶段：从最初的机械式转向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，简称m s ) 发展为液压助 力转向系统( 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 ) ，然后又先后出现了电控液 压助力转向系统( 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 ，简称e h p s ) 和电动助力转向 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 ) 。 装备了机械式转向系统的汽车，在泊车时和低速行驶时驾驶员的转向操纵 负担过于沉重，为了解决这个问题，美国g m 在2 0 世纪5 0 年代时率先在轿车 上采用了液压助力转向系统【l 】。但是，液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的 转向轻便性和高速时的操纵稳定性，因此在1 9 8 3 年日本k o y o 推出了具备车速 感应功能的电控液压助力转向系统。这种新型的转向系统可以随着车速的升高 提供逐渐减小的转向助力，但是结构复杂、造价较高，而且无法克服液压系统 自身所具有的许多缺点，是一种介于液压助力转向和电动助力转向之间的过渡 产品。到了1 9 8 8 年，日本s u z u k i 首先在小型轿车c e r v o 上配备了k o y o 公司研 发的转向柱助力式电动助力转向系统；1 9 9 0 年，日本h o n d a 也在运动型轿车n s x 上采用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向 系统在汽车上应用的历史l 引。 与传统的液压助力转向系统相比，电动助力转向系统具有下述优点： ( 1 ) 降低燃油消耗 传统的液压助力转向系统由发动机带动转向油泵，不管转向或者不转向都 要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力， 不转向时不消耗能量。因此，电动助力转向系统可以降低车辆的燃油消耗。 与液压助力转向对比试验表明：在不转向时，电动助力转向可以降低燃油 消耗2 5 ；在转向时，电动助力转向可以降低燃油消耗5 5 t l l 】。 ( 2 ) 转向助力大小可以通过软件调整，能够兼顾车辆低速时的转向轻便性 和高速时的操纵稳定性 第1 章绪论 传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的提高而改 变。这样就使得车辆虽然在低速时具有良好的转向轻便性，但是在高速行驶时 转向盘太轻，产生转向“发飘 的现象，驾驶员缺少显著的“路感 ，降低了 高速行驶时的车辆稳定性和驾驶员的安全感。 电动助力转向系统提供的转向助力大小可以通过软件来方便的加以调整。 在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提高车辆的转向轻便 性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小，转向 时驾驶员所需提供的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路感”， 提高了车辆的稳定性。 ( 3 ) 能够兼顾车辆的低速回正性能和高速回正性能 传统的液压助力转向系统无法兼顾车辆的低速回正性能和高速回正性能。 为了提高低速回正性能，要求转向系统的摩擦和阻尼比较小，这样可以减小低 速回正时的残留转向盘转角；但是，为了获得理想的高速回正性能，又要求转 向系统的摩擦和阻尼不能太小，以抑制高速回正时转向盘转角的振荡与超调。 而液压助力转向系统的设计无法同时满足低速回正性和高速回正性的要求。 电动助力转向可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速时转向 盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振荡和超 调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。 ( 4 ) 结构紧凑，质量轻，生产线装配性好 电动助力转向系统取消了液压转向油泵、转向油缸、液压管路、转向油罐 等，而且电机及其减速机构可以和转向柱、转向器等做成一个整体，使得整个 转向系统结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间。 由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了广泛的应用。 在上述优点中，第4 项是由电动助力转向系统的结构所决定的，而第1 、2 、 3 项优点都需要通过控制策略的合理设计才能够获得。所以，对车辆的行驶特性 进行深入的研究，进而设计出合理、有效的控制策略是电动助力转向系统开发 过程中非常重要的一个环节。 本文将致力于电动助力转向系统控制策略的研究。 2 第1 章绪论 1 2 国内外相关研究概况 1 2 1 电动助力转向系统的研究现状与发展趋势 电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，加装了电机及减速机构、 扭矩传感器、车速传感器和e c u 等电控单元而成。根据电机安装位置的不同， 可以分为转向柱助力式( c e p s ) 、小齿轮助力式( p e p s ) 和齿条助力式( r e p s ) 三种。 电动助力转向系统的工作原理如下：首先，扭矩传感器测出驾驶员施加在 转向盘上的操纵力矩，车速传感器测出车辆当前的行驶速度，然后将这两个信 号传递给e c u ；e c u 根据内置的控制策略，计算出理想的目标助力力矩，而后 发电流指令给电机；然后，电机产生的助力力矩经减速机构放大后作用在机械 式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆的转向。 电动助力转向系统的关键技术主要包括两个方面：硬件和软件。 硬件技术主要涉及扭矩传感器、电机和e c u 。扭矩传感器是整个系统的信 号源，它的精度和可靠性是非常重要的。电机是整个系统的执行器，它的性能 好坏决定了系统的表现。e c u 是整个系统的运算中心，所有的软件都必须依托 于e c u 的正常工作来运行，因此e c u 的性能与可靠性也是至关重要的。 在目前商用化的电动助力转向系统中所采用的是接触式扭矩传感器。而在 将来，具有更高可靠性、更长寿命、更高测量精度的非接触式扭矩传感器必将 获得广泛应用。而且，在扭矩传感器的基础上，还将集成转角传感器的功能， 以满足电动助力转向系统以及整车集成控制的需要 3 , 7 , 1 2 】。 现阶段电动助力转向系统中所使用的是直流有刷电机。随着电动助力转向 系统的广泛应用，它不但被安装在微型车上，还应用于经济性轿车，并逐渐向 中级轿车和高级轿车上发展。随着车辆重量的增加，对电机的输出扭矩提出了 更高的要求。在发展的初期，电机的输出电流是2 5 a ，现在已经达到了9 0 a 。另 外，由于中级轿车对车内噪声有非常严格的要求，因此电机的噪声就成为一个 不可忽视的问题。因此，大扭矩、大功率、低噪声电机的开发是未来的发展方 向之一。当电动助力转向系统应用在高级轿车上时，势必需要更大扭矩、更低 噪声的电机。从根本上来说，目前所广泛采用的有刷电机已经无法满足要求， 必须采用无刷电机，如永磁同步电机( p m s m ) 等。在无刷电机中，以永磁体作 3 第1 章绪论 为转子，电枢绕组成为定子的一部分，这与有刷电机的结构刚好相反。由于这 种结构上的改进，使得无刷电机的惯量减小，能给转向系统提供更加良好的转 向手感。其次，无刷电机中没有了电刷和换向器，减少了电机内部的机械摩擦， 因此寿命长、体积小、噪声低。但是，由于无刷电机采用了电子换向，简单地 通上直流电是无法使它工作的，所以它的控制方法比有刷电机更复杂。其次， 由于增加了电子换向装置，故而无刷电机成本较高，从而限制了它在电动助力 转向系统中的应用 3 , 7 , 6 1 , 6 2 】。 一般来说，电动助力转向系统的e c u 安装在驾驶舱中。但是在某些情况下， e c u 必须安装在发动机罩下面，这时就对e c u 的防水性能和耐高温性能提出了 很高的要求。现在，还对e c u 的通讯功能提出了更高的要求，希望e c u 能够 具备c a n 通讯功能，以适应整车集成控制的潮流【3 ，。7 1 。 软件技术主要包括控制策略、电机控制算法、故障诊断与保护程序三个部 分。控制策略用来确定电机的目标电流，电机控制算法用来跟踪目标电流，故 障诊断与保护程序用来监控系统的运行，并在必要时发出警报和实施一定的保 护措施。 在发展初期，电动助力转向系统仅仅被看作是液压助力转向系统的替代品， 软件功能也比较简单，只在低速时提供转向助力功能。在现阶段，电动助力转 向系统除了提供全车速范围内的助力功能之外，还具备回正控制和主动阻尼控 制的功能。随着整车集成控制系统的发展，电动助力转向系统被赋予了更多的 使命，人们希望它能够集成更多的功能，使得车辆具备更高的舒适性和安全性。 具体来说，舒适性功能主要包括不同助力特性图的存储和选择、自动泊车功能 等；安全性功能主要包括线路保持功能、侧风补偿功能、对开路面抗制动跑偏 功能、低附着系数路面稳定性控制功能、可变传动比功能等 3 , 8 , 6 3 - 6 7 】。 在未来，新一代的转向系统必将是线控转向系统( s t e e r - b y - w i r e ，简称s b w ) 。 它是实现主动前轮转向功能和可变传动比功能的理想载体。在线控转向系统发 展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于线控转向系统中转向盘和转向车轮 之间没有直接的机械连接，当电控系统出现故障时，车辆将无法保证转向功能， 处于失控状态。不过，随着技术的发展，电控系统的可靠性不断得到提高，并 且在系统设计中大量引入了“冗余设计”的理念，比如：传感器的冗余、电机 的冗余、车载电源系统的冗余等，使得线控转向系统的可靠性得到了明显的提 高，加快了线控转向系统在车辆上应用的步伐 3 , 8 1 。 4 第1 章绪论 1 2 2 国内外关于电动助力转向系统控制策略的研究 在国际上，电动助力转向系统的研究早在上世纪8 0 年代就受到了各大零配 件厂和整车厂的重视，并投入巨资研发。关于控制策略的研究也就从那时开始 起步。 控制策略的总体结构( 即控制策略所应包含的功能模块) 经历了从简单到 复杂，从功能单- n 功能丰富的一个发展过程。 在电动助力转向系统应用的初期，控制策略比较简单，主要限于低速时的 助力控制，比如配备了电动助力转向系统的奥拓牌( a l t o ) 汽车在低于4 5 k m h 时提供转向助力，米尼卡牌( m i n i e a ) 汽车在低于3 0 k r n h 时提供转向助力【57 1 。 1 9 9 1 年，日本h o n d a 公司首次提出电动助力转向系统的控制策略应由普通 控制、回正控制和阻尼控制等模式组成，并提出了根据不同的转向工况在不同 的模式之间切换的概念。为了实现模式的切换，h o n d a 公司在所采用的转向传感 器中集成了扭矩传感器和转速传感器。当扭矩的方向和转速的方向相同的时候， 就切换到普通控制模式：当扭矩的方向和转速的方向相反的时候，就切换到回 正控制模式；当扭矩很小而转速很快的时候，就切换到阻尼控制模式【1 1 1 。这就 大大丰富了控制策略的内容，扩展了电动助力转向系统的功能。 1 9 9 9 年，日本n s k 公司提出控制策略应由目标基准电流控制、微分补偿控 制、摩擦补偿控制、阻尼补偿控制和最大电流控制等模块组成。其中，目标基 准电流控制根据车速和输入扭矩确定理想的助力力矩，微分补偿控制用于抑制 输入扭矩波动所引起的电机助力力矩的波动，摩擦补偿控制用于提高车辆低速 时的回正性，阻尼补偿控制用于提高车辆高速时的稳定性，最大电流控制用于 保护e c u 和电机不因过热而损坏【1 2 】。这就进一步细化、丰富了控制策略的内容。 在n s k 公司的电动助力转向系统中，仅使用了扭矩传感器，而没有使用转速传 感器或转角传感器，电机的转速是通过软件来估算的。 在1 9 9 9 年至2 0 0 4 年期间，日本k o y o 公司提出控制策略应由基本助力控制、 力矩微分控制、阻尼控制、回正控制和电机惯量补偿控制等模块组成【6 抚6 9 】，各个 模块计算出的目标电流之间是加和的关系，而不再使用模式切换的方法；并根 据电机电流和电机端电压来构建了一个电机转速观测器，用软件的方法来估算 电机的转动角速度，而不需要增加额外的传感器来测量电机的转速。在k o y o 公 5 第1 章绪论 司的电动助力转向系统中，同样仅使用了扭矩传感器，而没有使用转速传感器 或转角传感器。 日本m i t s u b i s h ie l e c t r i c 公司作为专业的电机和e c u 生产商，对控制策略也 进行了一定的研究。针对原地转向时转向盘力矩抖动的现象提出了一种阻尼算 法，给出了两种电机转速观测器的构造方法，并在试验中取得了良好的效果【7 0 1 。 对于回正控制，提出了一种基于回正力矩观测器的回正算法，当观测到的回正 力矩小于摩擦力矩时，就由电机产生一个附加的回正力矩，从而增大有效回正 力矩，提高车辆的回正性r 7 1 】。针对在湿滑路面上车辆回正性较差的问题，提出 了一种基于回正力矩观测器的转向盘转角反馈控制算法，可以提高车辆在低附 着系数路面上的回正性，同时又不会影响在高附着系数路面上的转向感觉【7 2 1 。 韩国的j i h o o nk i m 和j a e b o ks o n g 对助力控制和回正控制进行了研究，提 出了利用转向盘转角和车速信号来确定理想的力矩特性图，然后进行力矩闭环 控制，这种方法与传统的由扭矩和车速信号来确定电机助力矩的方法完全不同， 有一定的新意，但是在实际的应用中还有许多问题需要解决，缺乏实用价值； 在文中，还提出利用转角p i d 闭环控制的方法来提高车辆的回正性能，并进行 了台架试验，取得了一定的效果【9 1 。 总的来说，经过二十几年的发展，电动助力转向系统的控制策略得到了极 大地扩展，不仅能够提供转向助力，使得驾驶员获得良好的转向“路感 和“手 感”，并可以提高车辆的回正性和稳定性。 在国内，对电动助力转向系统的研究还处于起步阶段，但是近几年来发展 非常迅速。 同济大学在上海市科委基金的资助下，与上海汇众汽车制造有限公司、上 海新代车辆技术有限公司和上海安乃达驱动技术有限公司合作，掌握了控制策 略、电机控制算法、故障诊断与保护程序、永磁同步电机、e c u 以及转向系统 集成与匹配等关键技术，完成了a 、b 、c 三代样机的开发，基本达到装车的要 求。清华大学、吉林大学、江苏理工大学、合肥工业大学和华中科技大学等高 校也分别与企业合作，在电动助力转向系统的研究上取得了一定的成果。直至 目前，国内还没有企业推出成熟的、商用化的、具有完全自主知识产权的电动 助力转向产品。但是，相信在不远的将来就会有国内自主研发的电动助力转向 产品面市。 6 第1 章绪论 对于控制策略的研究，国内对助力控制的探讨较多【6 ，5 8 拶j ，除了利用了车速 感应型助力控制外，还将神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制等先进控制方法 应用于助力控制。对于回正控制，文献 6 0 1 提出了基于估算出的转向盘转角信 号的p i d 闭环控制的方法，并进行了仿真研究。总的来说，国内对于控制策略 的研究还处于初级阶段。 目前，在电动助力转向系统控制策略的研究与开发过程中还存在下述问题： ( 1 ) 在国内、外，普遍采用先自行开发e c u ，然后将之应用于电动助力转 向系统的控制，这就造成了开发周期过长。而且e c u 硬件的可靠性低、通用性 差，若用于控制软件的调试，则出了问题之后无法准确判断是硬件问题还是软 件问题，增加了开发的难度。 ( 2 ) 由于控制策略属于电动助力转向系统的核心技术之一，在国外各大公 司公开发表的论文中，对于控制策略的具体实现方法与调试准则均没有详细、 深入的阐述。而国内对于控制策略的研究大多集中在基本助力控制，对于其它 的控制功能还没有深入的研究。 ( 4 ) 在国内、外，对于车辆在不同行驶工况下的转向盘力矩特性和回正特 性还没有从理论上进行系统而深入的阐述。 ( 5 ) 由于e p s 采用了电机和机械减速机构，使得摩擦力矩与液压助力转向 系统相比大大增加，低速回正性能受到了一定的影响，而且目前国内外对于电 动助力转向系统的回正控制还没有十分有效的方法。 1 3 本文研究的方法论 本文依托于上海市科委基金资助项目“汽车电动助力转向系统”，以电动 助力转向系统控制策略的研究为核心，进行了大量的研究工作。 在工作过程中，遵循国际上流行的控制系统“v ”字型开发模式，研究的技 术平台采用从“离线仿真”到“台架试验”，然后再到“实车试验”的顺序过 渡。在研究的过程中，充分利用上述三种技术平台各自的优点，并将之紧密结 合，服务于一个共同的目标一控制策略的研究。其中，在台架试验系统和实车 试验系统中使用了d s p a c e 公司提供的快速控制原型开发工具，大大提高了工 作效率，缩短了开发周期。 7 第1 章绪论 在总结前人工作的基础上，文中提出应将电动助力转向系统的控制策略划 分为四个功能模块：基本助力控制、力矩微分控制、电机补偿控制和回正与主 动阻尼控制。在基本助力控制部分，首先从理论上深入分析车辆固有的转向盘 力矩特性，然后探讨驾驶员期望的转向盘力矩特性，根据二者之间的差距设计 一套车速感应型的基本助力控制算法，并结合试验车辆的特性给出关键控制参 数的调试方法和具体数值，之后进行实车试验的验证。其次，为了协调转向轻 便性和“路感”之间的矛盾，以及为了提高电动助力转向系统的动态性能，在 基本助力控制的基础上引入力矩微分控制。为了克服电机的惯量、阻尼和摩擦 对电机输出力矩的影响，又引入电机补偿控制。最后，为了提高车辆的回正性 能，将引入回正与主动阻尼控制。在该部分，首先利用简化的车辆模型分析了 车辆参数和车辆运动状态对回正性能的影响，并采用非线性振动理论对车辆的 回正特性进行了理论解析；在此基础之上，研究了目前应用较广的基于转角闭 环控制的回正与主动阻尼控制算法；最后，提出一种新型的基于功能原理的回 正与主动阻尼控制算法，并进行台架和实车试验，以确信车辆的回正性能得到 了提高。 8 第2 章电动助力转向的建模与仿真 第2 章电动助力转向的建模与仿真 2 1 电动助力转向系统模型的总体结构 为了从理论上深入地研究电动助力转向系统，并且出于缩短开发周期、加 快开发进度、节约开发费用、实现同步开发以及降低试验风险等方面的考虑， 必须建立电动助力转向系统的数学模型，利用仿真的手段进行初步的研究、开 发与匹配。 图2 1 是电动助力转向系统模型的总体结构图。 转向盘转角 整塑堡垄堑 图2 1 电动助力转向系统模型的总体结构图 整个系统的输入是转向盘转角( 称为“角输入”) 或转向盘力矩( 称为“力 输入”) ，这个转角或力矩首先作用到转向系统上；然后经过转向系统的传递， 会产生一个前轮转角，该转角成为车辆和轮胎子系统的输入；反过来，车辆和 轮胎子系统会产生一个回正力矩，并反馈到转向系统上，成为转向系统的主要 负载。对于电动助力转向系统，还会有一套转向加力装置，此处称之为电控系 统，该子系统的输入是力矩传感器测出的驾驶员操纵力矩，经过e c u 的计算， 会由电机产生一个助力力矩，该助力力矩和驾驶员的操纵力矩一起克服车辆的 转向阻力矩( 主要包括轮胎的回正力矩、转向系统的摩擦力矩、阻尼力矩和惯 性力矩等) ，完成转向过程。 9 第2 章电动助力转向的建模与仿真 22 转向系统模型 电动助力转向系统有转向柱助力式、小齿轮助力式和齿条助力式三种，下 面将建立小齿轮助力式的电动助力转向系统模型，其它两种形式的电动助力转 向系统的模型与此相类似，不再专门给出。由于摩擦力矩对转向系统的动态特 性具有非常大的影响，并且考虑到摩擦力矩的非线性特性，将对它的建模进行 详细的阐述。 图2 2 是小齿轮助力式的电动助力转向系统的实物图和模型图。 根据降阶建模的思想，将该系统抽象化为转向盘、转向柱、电机和前轮四 个集中质量块。各个集中质量块具有一定的转动惯量，井受到一定的阻尼力矩 和摩擦力矩的作用；而各个集中质量块之间由扭转弹簧加以弹性连接，可以互 相传递运动和力。 、：二! j 前轮 a ) 实物图b ) 模型图 图2 2 小齿轮助力式的电动助力转向系统 描述该系统动态特性的微分方程组如下 第2 章电动助力转向的建模与仿真 i n 口+ k c 。【口一) 22 _ 芘+ c c 幺+ k c ( 艮- a ) + k 硌( 艮一啡) + s 劬( 晚) 最= 0 以盖乙奠+ 刀刍厶印+ 如( 啡一良) + 1 k o ( 生一万) ，i g仃g + s 劬( 钆) = 乃肌 岛彦+ c 0 彦+ k o ( 万一堡) + s i g n ( 3 ) 昂：乃 驴参 秒。 2 孑 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 上述各式中的参数和变量的含义如下： 历为转向盘的转动惯量，七为转向柱的转动惯量，为电机的转动惯量，咖 为前轮的转动惯量( 两个) ，c c 为转向柱的阻尼系数，c h 为电机的阻尼系数， c w 为前轮的阻尼系数( 两个) ，k c 为转向柱的刚度，k r s 为扭矩传感器的刚度， 磁为转向器的刚度，r 为转向柱的摩擦力矩，助为电机的摩擦力矩，为前 轮的摩擦力矩( 两个) ，n 肘为电机减速机构的传动比，n g 为转向器的传动比，仅 为转向盘的转角，先为转向柱的转角，锄为电机的转角，郇为小齿轮的转角，6 为前轮的转角，功为转向盘上的转向力矩，肋为前轮上的回正力矩( 两个) ， 死m 陀为电机转子上的电磁转矩。 在转向系统中，存在着摩擦力矩。这个摩擦力矩增加了驾驶员的操纵负担， 影响了转向路感，而且降低了车辆的回正性能；但是，它又有利于抑制转向系 统的振荡，提高了车辆的稳定性。因此，摩擦力矩是转向系统的一个很重要的 特征，必须进行建模。 下面，将采用两种形式来描述转向系统中的摩擦力矩。 ( 1 ) 摩擦力矩跳变型 采用此种形式时，摩擦力矩如图2 3 所示。 用数学公式来表达，则摩擦力矩f = 一s i g n ( c o ) f a 上式可以写成下面的分段函数的形式： 1 1 第2 章电动助力转向的建模与仿真 f 一屁 i f = 0 l 忍 式中，功为转动角速度，励为摩擦力矩的绝对值。 ( 2 ) 摩擦力矩渐变型【1 4 】 采用此种形式时，摩擦力矩如图2 4 所示。 用数学公式来表达，则摩擦力矩可以写成下面的分段函数的形式： f f a 缈 缈c ，= 0一彩c 国 缈c ( 2 8 ) 【凡缈 = 彩 彩 彩 第2 章电动助力转向的建模与仿真 系统必须克服转向阻力矩才能够完成转向过程。从上述分析可以看出，转向系 统和车辆之间是一种力和运动的耦合关系。 为了计算车辆转向过程中的回正力矩，必须建立车辆模型和轮胎模型。常 用的车辆模型有较简单的二自由度模型和较复杂的多自由度模型，轮胎模型有 较简单的线性轮胎模型和较复杂的非线性轮胎模型。一般来说，用简单的二自 由度车辆模型和线性轮胎模型就可以描述车辆的基本动力学特性。根据研究， 轮胎线性化的极限是侧向加速度小于o 4 9 ，而在正常的行驶过程中，车辆的侧 向加速度大多保持在o 4 9 以下【l5 1 ，因此二自由度车辆模型和线性轮胎模型适用 于描述绝大多数行驶工况。但是，如果为了研究车辆在极限工况下的行驶特性 ( 这时轮胎已工作在非线性区) ，或者研究车辆纵滑一侧偏联合工况，或者要 考虑载荷转移的影响等，就必须建立多自由度的车辆模型和非线性的轮胎模型。 此外，目前所广泛使用的轮胎模型还无法准确的模拟车辆原地转向( 车速为零) 时的转向阻力矩特性，因此在下文中将利用经验公式对该工况进行单独建模。 2 3 1 二自由度车辆模型和线性轮胎模型 为了建立二自由度车辆模型，必须对实际的车辆进行如下的简化 1 5 , 1 6 】： ( 1 ) 车辆质心在路面高度上。这样，车辆质心上作用的离心力就不会改变两 侧轮荷的大小，车辆也不会出现侧倾现象。 ( 2 ) 车辆是线性的。 在二自由度车辆模型中，假定车辆的纵向速度不变，只考察车辆的侧向运 动和横摆运动。在线性轮胎模型中，轮胎的侧偏力和侧偏角成正比。图2 5 是二 自由度车辆模型示意图。 d 图2 5 二自由度车辆模型 1 3 第2 章电动助力转向的建模与仿真 根据达朗伯原理，车辆的运动可以用下面的方程来描述【1 7 】： m 。a y = f 订+ f 矿 i 笔：嗡tr v l r m 1j7 l ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中， 旷等州 ( 2 1 1 ) 一2 k r 吁一2 巧( f l + l s 。参一万) ( 2 1 2 ) 矗一2 k ，q 一2 k ，( 一l ， ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 代入式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) ，则得到下面的描述车辆运动 的微分方程： 掰矿云d b + 2 ( 即珊卜掣 r = 2 即( 2 1 4 ) 2 ( i k - l k ，) 夕+ ，尘d t + 2 ( 1 ；k r ：+ 2 r k r ) ，= 2 。k ，艿 ( 2 1 5 ) 回正力矩的计算公式如下： 瓦= 2 4 。k ，。( + 0 ，歹r 一万) + 互1f 矿d s i n ( 2 盯) s i n 万 ( 2 1 6 ) 瓦i = 2 孝k 。( + ，号一万) ( 2 1 7 ) = 乃d s i n ( 2 c r ) s i n 8 ( 2 1 8 ) 式中，1 是由侧向力引起的回正力矩，主要在高速时起回正作用；是 由重力引起的回正力矩，主要在低速时起回正作用。这两者互相补充，使汽车 在整个车速范围内都具有适当的回正作用田i 。回正力矩的形成机理与数学分析 将在第4 章中加以详细阐述。 上述各式和图中的参数和变量含义如下： m 为车辆的质量，为车辆的横摆转动惯量，晦为前轮的侧偏刚度，厨为后 轮的侧偏刚度，咖为车辆质心到前轴的距离，t r 为车辆质心到后轴的距离，善为 轮胎的总拖距，d 为主销的内移量，盯为主销的内倾角，v 为车辆质心的纵向车 速，吩为前轮轮心的纵向速度，以为后轮轮心的纵向速度，为车辆质心处的侧 第2 章电动助力转向的建模与仿真 偏角，为车辆的横摆角速度，6 为车辆的前轮转角，口，为前轮的侧偏角，口，为 后轮的侧偏角，勖为前轮的侧偏力，f y y 为后轮的侧偏力，乃为前轮的垂向载荷， 毋为车辆质心处的侧向加速度，瓦为回正力矩。 2 3 2 九自由度车辆模型和非线性轮胎模型 2 3 2 1 车辆坐标系和轮胎坐标系 为了考察车辆的动力学特性，必须首先建立车辆坐标系。 取车辆的质心为坐标系的原点o ，车辆的纵向为x 轴，侧向为y 轴，垂向为 z 轴，整个坐标系符合右手螺旋定则，如图2 6 所示。 以此坐标系为基础，车辆的运动自由度可以分为以下六个【1 7 】： ( 1 ) 纵向运动：沿x 轴方向的平动 ( 2 ) 侧向运动：沿y 轴方向的平动 ( 3 ) 垂向运动：沿z 轴方向的平动 ( 4 ) 侧倾运动：绕x 轴的转动 ( 5 ) 俯仰运动：绕y 轴的转动 ( 6 ) 横摆运动：绕z 轴的转动 图2 6 车辆坐标系 y 在轮胎力学研究中，常用的坐标系有i s o c 和i s o w 两种【1 8 】，如图2 7 所 示。 轮胎在一大尺度不平路面上滚动，轮胎与路面间的理论印迹中心( 不考虑 印迹在力的作用下的平移、弯曲和扭转等变形) 记为c ，理论印迹中心处地面 的切平面记为a ( 不一定水平) 。 1 5 第2 章电动助力转向的建模与仿真 i s o c 坐标系的原点为轮胎旋转中心( 即轮胎的悬挂点) ，工，在轮胎中心平 面内且平行于切平面a ，正方向为轮胎行进方向，z ，在中心平面内且背离切平 面a ，y ，垂直于轮胎中心平面，正方向通过右手规则确定。 i s o w 坐标系以理论印迹中心c 为原点，x 。，为轮胎中心平面与切平面a 的 交线，正方向指向轮胎行进方向，z 。，为切平面a 的法向量刀，正方向背离路面， 其余由右手规则确定。 两坐标系i s o c 和i s o w 的z 轴夹角即为轮胎的侧倾角y 。 z 图2 7 轮胎坐标系( i s o - c 和i s o 、价 就描述轮胎力学特性而言，在印迹坐标系下描述比较直接，但对于整车系 统动力学和多体系统动力学建模而言，在轮胎悬挂点坐标系下描述将比较方便。 2 3 2 2 九自由度车辆模型n 矿翻 在下文将要建立的九自由度车辆模型中，将主要考察车辆的纵向运动、侧 向运动、侧倾运动、俯仰运动和横摆运动五个自由度，以及四个车轮的滚动自 由度。其中，将车辆看作是由簧载质量( 质心o 。) 和非簧载质量( 质心o u ) 两 部分组成。为了简单起见，对车辆作如下假设： ( 1 ) 假定簧载质量绕x 轴作侧倾运动( 一般来说车辆的侧倾轴和x 轴不一定 一致，侧倾轴的位置与悬架形式有关) ，非簧载质量不作侧倾运动。 ( 2 ) 假定簧载质量绕y 轴作俯仰运动，非簧载质量不作俯仰运动 ( 3 ) 假定簧载质量和非簧载质量绕z 轴作相同的横摆运动、纵向运动和侧向 运动。 1 6 第2 章电动助力转向的建模与仿真 ( 4 ) 假定侧倾角和俯仰角都很小。 ( 5 ) 假定空气阻力作用在簧载质量的质心上，方向沿x 轴负方向，也就是说， 忽略空气阻力对车辆的侧向运动、侧倾运动和横摆运动的影响。 图2 8 所示是九自由度车辆模型示意图。 图2 8 九自由度车辆模型 1 7 第2 章电动助力转向的建模与仿真 车辆的纵向动力学微分方程： m 一1 ，r ) + m ，口h ，= f ；i + 呓+ 疋3 + t 4 一f l ( 2 1 9 ) 车辆的侧向动力学微分方程： m + “，) 一m ，p h ，= 形l + e 2 + e 3 + 4 ( 2 2 0 ) 车辆的侧倾动力学微分方程： ，p m ，( 砂+ ”，) h ，= m ，g h ，驴一c p k 矽( 2 2 1 ) 车辆的俯仰动力学微分方程： ，口+ m ，( z i 一，) h ，= m ，g h ，0 一c o q k 口0 一兄h ， ( 2 2 2 ) 车辆的横摆动力学微分方程： l 户= ( 一己+ 易) 誓+ ( 一e ，+ c 。) 丁d r + ( 玛+ ) 。一以，+ 只。) ( 2 2 3 ) + m z l + mz l + m z j + mz 其中， 咒= 只l c o s 6 一e l s i n 万 ( 2 2 4 ) 砭= 只2 c o s 8 一e 2 s i n 6( 2 2 5 ) e l = c l s i n 6 + l c o s 8 ( 2 2 6 ) 形2 = c 2 s i n 6 + 2 。c o s 8 ( 2 2 7 ) 瓦= i p c a “2 ( 2 2 8 ) 由于车辆的侧倾运动和俯仰运动，会引起车轮垂向载荷的变化，这种现象 称为载荷转移。当车辆侧向加速度或者纵向加速度非常大时，载荷转移也会非 常大，这将严重的影响车辆的操纵稳定性。计及这些动态影响后，车轮垂向载 荷的计算公式如下： f a l - 丢一一