（车辆工程专业论文）面向eps的建模与联合仿真研究.pdf

浙江大学硕- 上学f c 7 ：论文 摘要 摘要 转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全 性。随着人们对汽车舒适性和安全性要求的日益提升，越来越多的汽车开始应用 集环保、节能、安全、舒适为一体的电动助力转向系统。计算机技术的迅速发展， 机械系统多体动力学软件a d a m s 和科学工程计算软件m a t l a b 的开发，为电 动助力转向系统的研究提供了更为方便有效的平台。 本文借助浙江省莺点区域攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研 究”，在对e p s 深入研究的基础上，用a d a m s 软件建立整车模型，并用m a t l a b 软件建立e p s 控制系统模型。应用m a t l a b 与a d a m s 软件相联合，将电动助 力转向摔制系统与整车模型相结合，进行联合仿真研究。 本文研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 论文介绍了e p s 发展过程、工作原理、构造特点及类型，阐述了国内外 e p s 的研究现状。并针对当前e p s 研究所存在的一些问题，确立了本文 的总体研究内容。 2 ) 利用多体动力学理论，应用a d a m s 软件建立了整车模型，包括前、后 悬架系统模型，转向系统模型、轮胎模型和传动与制动系统模型。通过 对建立整车模型进行仿真与实车实验的对比，确定模型的正确性。 3 ) 对e p s 的动力学模型、助力特性、助力摔制策略进行了分析，并在 m a t l a b 环境中建立了e p s 的控制系统模型，仿真结果表明此设计有 效。 4 ) 对m a t l a b 与a d a m s 联合控制仿真进行了探讨，应用m a t l a b 与 a d a m s 软件的各自优点，将基于a d a m s 的整车模型和基于m a t l a b 的e p s 控制系统模型进行针对操纵稳定性的联合仿真试验，研究e p s 对操纵稳定性的影响。 5 ) 从转向灵敏度和驾驶员路感两方面来分析e p s 各参数对转向操纵稳定 性的影响，为e p s 各参数的确定提供一定的参考价值。 本文对于e p s 的联合仿真研究，对e p s 产品的开发具有一定指导作用和参 考价值。 关键词：电动助力转向 a d a m sm a t l a b 联合仿真 操纵稳定性 浙江人学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t s t e e r i n gs y s t e mi so n eo ft h em a j o rs u b s y s t e m so fv e h i c l e s ，t h ep e r f o r m a n c e d i r e c t l yr e l a t e dt o t h ec o m f o r ta n ds a f e t yo fv e h i c l e s 、m t hp e o p l e sd e m a n d so f v e h i c l ec o m f o r ta n ds a f e t y , ag r o w i n gn u m b e ro fv e h i c l e su s et h ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) w h i c hh a st h em e r i to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n e r g ys a v i n g ， s a f ea n dc o m f o r t a b l e t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a l s o f t w a r ea d a m sa n ds c i e n t i f i cs o f t w a r em a t l a b p r o v i d e sam o r ec o n v e n i e n ta n d e f f e c t i v ep l a t f o r mf o r t h es t u d yo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i nv i r t u eo f , t h ez h e ji a n gp r o v i n c ek e yp r o j e c t c e p sr e s e a r c h ，b a s e do nt h e a n a l y s i so fe p s ，aw h o l ea u t o m o t i v em o d e lw a sb u i l tb ys o f t w a r ea d a m sa n dt h e c o n t r o l s y s t e m m o d e lw a se s t a b l i s h e d t h r o u g hs o f t w a r e m a t l a b t h e c o s i m u l a t i o nw e r ec a r r i e do u tb yu s i n gt h es o f t w a r eo fa d a m sa n dm a t l a bt o c o n n e c tt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e mm o d e lw i t ht h ew h o l ea u t o m o t i v e m o d e l t h e f o l l o w i n gp o i n t sa r ef i n i s h e di nt h i st h e s i s ： 1 ) t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fe p sa n di t sf e a t u r e si n c l u d i n g f u n c t i o n ，t y p e sa n da d v a n t a g e s ，a n ds u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u sa b o u tt h e e p s t h er e s e a r c hc o n t e n ti sc o n f i r m e db a s e do nt h ep a r t i c u l a rd e f e c t so ft h e e p s 2 ) b a s e d o nt h em u l t i - b o d yd y n a m i c st h e o r y ，u s i n gt h ea d a m ss o f t w a r e ，b u i l t t h ev e h i c l em o d e li n c l u d i n gt h ef r o n ta n dr e a r s u s p e n s i o ns y s t e m ，t h e s t e e r i n gs y s t e m ，t i r e ss y s t e ma n dp o w e rt r a i na n db r a k es y s t e m c o m p a r e d w i t l lt h er e a le x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h em o d e li sp r o v e dt ob er e a s o n a b l ea n d a p p l i c a b l e 3 ) t h ed y n a m i cm o d e l ，a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，a s s i s tc o n t r o ls t r a t e g yo fe p s w e r ea n a l y z e da n dt h ee p sc o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sb u i l ti nm a t l a b e n v i r o n m e n t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni se f f e c t i v e 4 ) j o i n ts i m u l a t i o no fm a t l a ba n da d a m sw a ss t u d i e db yu s i n gt h e r e s p e c t i v ea d v a n t a g e so ft h es o f t w a r ea d a m sa n dm a t l a b ，t h ev e h i c l e m o d e lw i l lb eb a s e do na d a m sa n dt h ee p s b a s e dc o n t r o l s y s t e m m a t a l a bm o d e lf o r h a n d l i n gs t a b i l i t y s i m u l a t i o nt o s t u d y t h e m a n i p u l a t i o no fs t a b i l i t ye p so f t h ei m p a c t 5 ) t h ei m p a c t so ft h ep a r a m e t e r so fe p so nh a n d l i n gs t a b i l i t yw e r ea n a l y z e d f r o mt h ea s p e c t so fs t e e r i n gs e n s i t i v i t ya n dt h ed r i v e r sr o a df e e li nt h i s 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e s i s a n di t sr e s u l t sh a v er e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e p a r a m e t e r so fe p s t h i st h e s i sm a k e sa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nt h ee p s a n di t sr e s u l t sa r eh e l p f u l a n dh a v er e f e r e n c ev a l u ef o rt h ee p sp r o d u c tr e s e a r c h 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 g ；a d a m s ；m a t l a b ：u n i t e ds i m u l a t i o n ； h a n d l i n gs t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权监 垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙汀人学硕：t 学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 汽车转向系统是非常重要的部件，它的性能直接关系到车辆行驶的安全性及 舒适性，安全可靠、转向灵敏、有道路感觉是转向系统追求的目标。任何汽车转 向系在设计上都会保证一定的回正力矩，这样可以增强汽车操纵稳定性，但却加 大了驾驶员的转向阻力，尤其是在大型车辆的低速转向过程中，驾驶员的工作强 度很高。为了解决这个矛盾，最初汽车工程师想到增大转向系中的减速比，不过 这时转向就会变得十分迟钝，这构成了传统转向系统中一对“轻”与“灵的矛 盾。 为了解决这个矛盾，过去人们常将转向器设计成可变速比，在方向盘小转角 时以灵为主，在方向盘大转角时以轻为主。但灵的范围只在方向盘中间位置附近， 仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决 这一矛盾。 从二十世纪五十年代起汽车工程师就研制了汽车助力转向系统，在此后的三 十年中，助力转向系统经历了液压式、电控液压式两个阶段。传统的动力转向一 般采用液压或气压助力，其结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制。 此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向系统的性能就确定 了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动力转向系统协调转向力与操纵 路感的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、路感差，甚至 感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速 时转向力往往过大。随着电子技术的发展，电子控制式机械一液压动力转向系统 应运而生，该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根 除液压动力转向系统的固有缺憾。因此汽车工程师一直在寻求一种更好的助力方 式，以获得较强的路感、较轻的操纵力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较 快的响应性。从二十世纪八十年代开始，人们开始研究电子控制式电动助力转向， 简称e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 。最初因为成本问题，有关e p s 的研究在实 验室阶段停留了许多年。随着控制元件成本大幅度降低，以及人们对于环保问题 关注程度的不断上升，使e p s 这个集环保、节能、安全、舒适为一体的高科技 产品的实际应用成为可能。 经过多年的研究和发展，转向装置经历了传统机械转向装置、液压助力转向 装置、电控液压助力转向装置及目前的电动助力转向装置四个发展过程。 电动助力转向系统( e p s ) ，是一种新的动力转向系统【lj 。它由电动机提供助 力，助力大小由电控单元( e c u ) 适时调节与控制，可以较好的解决上述液压动 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 力转向系统所不能解决的矛盾。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，符合汽车发展中的安全、环保、节能三大主题，已成为世界 汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。电动助力转向 系统有代替液压动力转向系统的趋势。 目前，有关e p s 的研发和市场应用正在快速发展中。据估计，到2 0 1 0 年， 全世界轿车的动力转向系统中，e p s 将占1 3 【1 3 1 。按此速度发展下去，用不了 几年e p s 将完全占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。据美国a b i 调查公司预测，随着汽车平台的共享，以及制造商对于燃油经济性的追求，e p s 将在全世界汽车市场内进一步普及。到2 0 1 0 年电子转向( e p s ，e h p s ，以及 r e a r - w h e e lb yw i r es t e e r i n gs y s t e m s ) 的市场价值将超过8 0 亿美元，而目前还不到 3 0 亿美元。由此可见，e p s 产品的发展前景还十分广阔。 我国e p s 研究开展较晚，目前国内还没有具有独立知识产权的e p s 产品。 国内汽车市场上装有e p s 的车型，如昌河北斗星、广州本田f i t 等，均采用进 口e p s 产品，因此e p s 国内市场潜力巨大，国内高校和有关科研院所开展这方 面的研究的必要性是很显然的。国内对e p s 的研究主要是通过对国外e p s 样件 的试验摸索进行仿制与确认，e p s 的批量国产化工作还要有一个探索的过程。 1 2 电动助力转向系统简介 1 2 1e p s 基本构造和工作原理 电动助力转向系统是利用助力电机产生的动力来帮助驾驶员进行转向的。系 统主要由三大部分构成h , 5 】，信号传感装置( 包括扭矩传感器、转角传感器和车 速传感器) ，转向助力机构( 电机、离合器、减速传动机构) 及电子控制装置。 电机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭 矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元 根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。 其结构示意图如图卜l 所示。 2 图卜1 电动助力转向结构示意国 1 2 2e p s 分类 电动助力转向系统按照辅助电机的布置方式分为以下四种睁”1 ：转向柱助力 式( c o l u m n a s s i s tt y p ee p s ) 、齿轮助力式( p i n i o n a s s i s tt y p ee p s ) 、齿条 助力式( r a c k a s s is tt y p ee p s ) 、直接助力式( d i r e c td r i v et y p ee p s ) 四种， 它们之间的主要区别在于动力辅助元件矗转向系中的安装位置不同，其控制原理 本身没有较大差异。具体如图1 2 所示。 电嘿壤 芦步 ，拶 f a )f b ) ( c ) 浙i i ：人学硕上学位论文 第章绪论 图1 - 2e p s 基本分类 ( 1 ) 转向柱助力式( c - e p s ) 如图i - 2 ( a ) 所示，转向柱助力式电动转向系统的动力辅助单元、电控单元 和扭矩传感器都安装在转向柱的位置。这种电动助力转向系统结构紧凑，易于安 装在汽车上。助力提供装置可以设计成适用于各种转向柱，如固定转向柱( f i x e d s t e e r i n gc o l u m n ) 、斜度可调式转向柱( t i i t t y p es t e e r i n gc o l u m n ) 和其它 形式的转向柱。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间布置和噪音的限制， 电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上。 ( 2 ) 齿轮助力式( p - e p s ) 齿轮助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单元安装在齿轮齿条转 向器的齿轮轴上，如图1 - 2 ( b ) 所示。由于辅助电机不是安装在汽车乘客舱内， 因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大 产生的噪音。可用于中型车辆，提供较大的助力值。同时，由于辅助电机转动惯 量的增大，也给电机的控制带来了难度。这种转向系统通过控制和传动比可变的 转向器齿轮相连接的电机，可以提供很好的转向操纵特性。 ( 3 ) 齿条助力式( r - e p s ) 如图1 - 2 ( c ) 所示，齿条助力式齿轮齿条电动助力转向系统的动力辅助单元 安装在齿轮齿条式转向器的齿条上，安装于齿条上的具体位置比较自由，因此在 汽车的底盘布置时非常方便。此外，同齿轮助力式相比，可以提供更大的助力值， 一般用于大型车辆上。通过调节电控单元的控制参数，也可以获得很满意的转向 操纵特性。 ( 4 ) 直接助力式( d e p s ) 如图i - 2 ( d ) 所示，这种电动助力转向系统的动力辅助机构和转向器的齿条组 成一个独立的单元，因此很容易布置在发动机舱内。向齿条直接提供助力可以获 得理想的转向操纵感觉。直接驱动式e p s 的扭矩传感器的安装位置不同于齿条助 力式e p s 。 1 2 3e p s 优势 与传统的液压助力转向相比，e p s 系统具有一系列的优点n m 5 1 ： ( 1 ) 与液压助力系统相比，降低了燃油消耗。试验表明，与传统的液压系 统相比，在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低了2 5 ，在转向情况 下，降低了5 5 。 ( 2 ) 采用电能做能源，有利于环保。e p s 系统不使用液压油，避免了污染， 采用了电能作为能源，适应了当前汽车工业的发展潮流。此外，e p s 产品的重复 利用率高。e p s 中的9 5 可以再回收利用，而传统的液压助力转向系统的回收利 4 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 用率只有8 5 左右；e p s 还降低了噪声。 ( 3 ) 减小了转向迟滞效应，增强了转向跟随性。在电动助力转向系统中， 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，e p s 的助力力矩产生于电机，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。 ( 4 ) 改善了车辆的回正特性。由于采用了微电子技术，利用软件控制电动 机动作，在最大限度内调整设计参数以获得最佳回正特性。车辆试验可以得到从 最低车速到最高车速的一系列回正特性曲线，通过编程实现电机在不同车速及不 同车况下的转矩特性，这些转矩特性使得e p s 系统能显著提高转向能力，提供了 与车辆动态性能相匹配的转向回正特性，而传统的液压助力转向系统无法做到这 一点。 ( 5 ) 提高了车辆的操纵稳定性。高速行驶( 1 0 0 k m h ) 的汽车在转过一个过 度的转角是被迫倾斜，在短时间的自回正过程中，e p s 由于采用了微电子控制， 使得汽车具有更高的稳定性，使驾驶员不至于有不适的感觉。同时利用电机质量 的惯性阻尼效应，可以使转向轴的颤动和反冲降到最小。 ( 6 ) 系统结构简单，占用空间小，布置方便，性能优越。相对于液压助力 转向，e p s 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。 除此之外，相对于液压助力转向系统，e p s 还具有耐严寒、易于维护与保养、 容易在整车上进行装配和调整等优点。 1 3e p s 国内外研究状况 国外e p s 研究开展于上世纪8 0 年代，主要集中在一些高校和汽车公司。有 多家公司早己推出了自己的e p s ，如欧美的d e l p h i 、t r w ，日本的n s k 等。由于 开发的难易程度、整个转向系的布置、价格、大批量生产等因素，许多公司在转 向柱式电动助力转向( 简称c e p s ) 研发上投入了大量的精力。其中，国外e p s 技术发展以d e l p h i 公司和n s k 公司为主要代表【9 以2 1 。 从e p s 的开发流程来看，d e l p h i 公司和n s k 公司均采用了较为先进的开发 理念，即从数学、物理模型的研究开始，经过纯数字仿真、半实物仿真、试验平 台的搭建和整车试验阶段，最后投产。两家公司都比较注重仿真的研究，为了获 得较为精确的仿真结果，对整个转向系统乃至整车系统的动力学模型进行了较为 深入的研究，并对模型进行了一定的简化。d e l p h i 在仿真当中还编制了自己的 仿真软件e t u r n 。从仿真结果来看，均达到了一定的精度。 5 浙汀人学硕上学位论文 第一章绪论 d e l p h i 和n s k 的e p s 产品最大的区别在于他们的扭矩传感器的结构和功能 上。d e l p h i 公司研制的e p s 采用的是扭矩一转角传感器，它不但能向控制系统 提供方向盘的扭矩信号还能向控制系统提供方向盘的转角信号，这对e p s 回正特 性的研究带来了很大的方便。n s k 公司研制的e p s 采用的传感器是扭矩传感器， 其结构比较复杂，只能向e c u 提供方向盘扭矩信息。 从目前的研究和实际产品来看，d e l p h i 公司的e p s 结构简单，对于工艺的 要求不是很高，更易于实际的生产。而且其e p s 采用的是扭矩一转角传感器，它 所提供的转角信息是控制提高整车操纵稳定性的重要参数。 从上世纪9 0 年代开始，国内一些主要高校，如清华大学、吉林大学、江苏 大学等，都对e p s 进行了一定的研究，其中以理论研究居多。虽然落后了国外近 1 0 年，但是比起其他汽车技术的研究而言，起步比较早。但是由于国内汽车市 场的限制，多数汽车厂家在最初阶段对e p s 并没有给予足够的重视。这个原因使 得目前国内e p s 的研究多数还只是停留在理论模型阶段，即对e p s 的控制策略进 行了一定的研究，但并没有进行大量的试验来验证模型。这也直接导致有关e p s 产品的国内外研究现状存在较大差距，目前国内还没有具有独立自主知识产权的 e p s 产品。 目前e p s 控制逻辑中使用最多的是控制理论中较为经典的p i d 控制。具体来 说，在助力控制中根据不同的被控对象采用p p d 或p i 控制，而在回正和阻尼控 制采用p i p i d 控制。通过选择彳、= 同的比例系数来达到最优控制。针对已定的控 制策略，建立控制模型并进行仿真研究，国内外已有部分专家学者取得了一些研 究成果。 张钟光p j 指出在一定范围内选择不同的比例增益、积分增益和微分增益，可 以使幅频特性和相频特性发生变化，达到优化转向系统的助力作用、控制助力稳 态误差和提高响应的灵敏度的目的。何仁f l5 】等的研究表明，对于一个设计定型的 电动助力转向系统，各机构部件的许多参数很难改变，可以采用改变电子控制单 元中助力增益的方法来使系统稳定工作，即在控制器设计中采用较小的助力增 益。这与a l yb a d a w y 0 6 1 等的研究结果是一致的。除了p i d 控制之外，人们也在 探索其他的控制方法，些其他控制方法及策略也运用到e p s 的控制之中。 t a k a y u k ik i f u k u i s l 等针对e p s 在大型车辆上无法使用的原因之一，即大型车辆 上使用的大功率电机由于其本身大的惯量和摩擦，会使得驾驶员的路感减少、车 轮回正缓慢，提出了两种解决的方法，即，减少电机的摩擦力矩和补偿电机的惯 量和摩擦的损失。m a s a h i k ok u r i s h i g 1 7 】等开发了一种新的e p s 控制系统，这个 系统能在不增加车辆静态转向操纵力矩的同时，进一步提高e p s 的控制性能。增 加助力增益能够减少转向时的操纵力矩，但是这样在高频3 0 h z 时会使转向盘产 生摆振，使驾驶员产生彳 适感。为了减少这种摆振，就需要在系统中加入阻尼控 制。不过这就需要知道电机的转速，而这个是无法直接获得的。于是设计了一个 6 浙江人学硕- 上学付论文第章绪论 观测器来获得电机的转速，并存系统中加入了阻尼控制。从仿真和实车试验的结 果来看，这种方法对于减少转向盘高频摆振是很有效果的，同时并不牺牲静态转 向的轻便性。文献 6 7 1 8 提出了自适应模糊控制。通过与p i d 控制的比较， 发现这种控制方法具有更好的鲁棒性。邱吲1 9 j 等针对汽车电动助力转向系统是一 个非线性的多输入多输出的特点，提出了h o o 鲁棒控制方法，建立了系统状态空 间方程和增广被控对象矩阵，在此基础上用h o o 方法极小化系统中各种干扰对被 控输出的影响。n o b u 0s u g i t a n i 2 0 j 等为了使得e p s 系统更好的获得路感，建立了 简化的系统模型，通过选择合理的权函数和控制输出变量，使用h 鲁棒控制方 法求得控制器，仿真结果表明不同的权函数能有效缓解路面高频冲击，并能调节 路感。s e r g e iv g u s e v f 2 l j 等针对e p s 系统中存在的传感器噪声的问题，利用l m i 方法，求得e p s 控制器，并通过降阶得到易于实现的控制器模型。刘照【2 2 j 等为减 少模型中的不确定性与抑制路面干扰和传感器噪声对控制误差的影响，采用控制 理论中的混合灵敏度设计方法。张卫冬1 2 副设计了一种基于专家系统的智能电动式 电子控制动力转向系统。该系统实时检测人力作用在方向盘上力矩的值，根据车 速等环境因素控制交流感应电机以便自动按一定比例输出最佳的转矩。 从e p s 控制策略的发展趋势来看，今后控制信号将不再仅仅依靠车速与扭矩 信号，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。目前已经开始这方面的研究。 r o ym c c a n n 2 4 j 通过将横摆角速度信号作为反馈信息引入到e p s 的控制中，用于加 强汽车在低附着率的地面上行驶的操纵稳定性。 在e p s 的助力特性、性能评价、故障诊断及测试系统方面也有专家学者进行 这方面的研究。t a k a y u k ik i f u k u ，s h u n i c h iw a d a 8 】对电动助力转向助力特性 进行了分类介绍，给出了图形。r a k a ncc h a b a a n ，l ey iw a n g i t m 应用h o o 方法 来提高助力特性控制的鲁棒性，介绍了助力特性并给出了助力特性图。z a r e m b aa ， d a v i sr i 针对e p s 系统的稳定性进行了动力学分析，并指出稳定性是由助力特 性曲线的方程的参数决定的，并根据路感等给出了助力特性的定性描述【2 6 j 【27 1 。 吉林大学的林逸、施国标1 2 s j 等人对助力特性进行了研究，定性分析了各种助力特 性的特征形式对路感等的影响，讨论了确定助力特性的一般过程，并设计了其控 制策略，研究了的e p s 控制方法等。但对于助力特性没有定量分析。天津大学 的王豪【2 9 】等人以装在中型轿车上的齿轮轴式电动助力转向系统为研究对象，分析 了影响转向助力特性的变量。提出了简化的转向阻力计算公式等关系。研究了非 线性的助力特性图。主要研究系统的设计与控制方法，并提出了路感系数的方程。 华中科技大学的唐新蓬、杨树【3 0 1 对电动助力转向系统对转向盘力特性的影响进行 了研究和分析。提出并验证了将e p s 系统比例控制系数设计成随车速和侧向加速 度递减的函数来改善转向盘力特性的方法。吉林大学的潘海鹏【3 l j 结合故障树理论 和神经网络方法对电动助力转向的故障诊断技术进行了研究。杨楠p z j 提出了对电 动助力转向系统的在线故障诊断结合离线故障诊断的总体设计方案。清华大学的 7 浙江人中硕上学俯论文第章绪论 季学武1 3 3 j 设计了电动助力转向系统性能试验台，对进口电动助力转向系统的转矩 传感器、电机电流传感器进行标定，并进行台架性能测试。杨其华f 3 4 j 针对汽车电 动助力转向总成性能试验，给出前期研究与实践的方法、理解要点，特别提出标准 制定中应规范台架试验方法，细化推荐评价指标，以便为产品开发和性能改进提 供对照。合肥工业大学的赵君卿、王其东p 5 j 建立了汽车电动助力转向和主动悬架 集成控制的动力学模型，对p d 控制的e p s 最优控制下悬架和集成控制的系统进 行了仿真计算，计算结果表明，e p s 和主动悬架的集成控制的效果优于单独控制， 为系统的集成优化打下了基础。 综合国内外的研究来看，目前对e p s 技术的控制逻辑、电机助力特性和系统 设计、建模仿真、性能评价以及e p s 与其它汽车子系统的集成优化设计方面的研 究取得了很大的成果。但是国内很少有针对e p s 产品设计研究采用控制系统软件 与动力分析学软件联合进行仿真的方法，并通过联合仿真来分析e p s 对转向操纵 性能的影响。 1 4 本文研究内容和研究目的 1 4 1 课题来源 本课题来源于浙江省重大科技攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技 术研究”的一个子课题，由浙江大学车辆工程研究所与浙江万达汽车零部件有限 公司合作完成。该子课题的主要研究内容是如何建立e p s 系统控制模型和整车 的动力学模型，将这两个模型进行联合仿真，分析e p s 参数对车辆操纵稳定性 的影响，以期更好的为e p s 产品设计和制造服务。 1 4 2 研究内容 e p s 在国外已经相当成熟，并在许多车型上作为标准配置，取得了很好的市 场收益。而目前国内e p s 大批量投产的几乎没有，而且产品还很不成熟和稳定。 为此国内许多高校和相关汽车研究机构都投入大量的人力、物力对e p s 进行系统 的研究。本文的研究内容正是为e p s 产品的设计研究提供了新的思路和方法，可 以降低e p s 产品设计开发周期。 本文第一章综述了有关e p s 的国内外研究情况，简单介绍了e p s 的基本结 构、特点及工作原理，第二章介绍了多体系统动力学理论基础，简要叙述了多体 系统动力学和虚拟样机技术的相关概念，并对多体动力学分析软件a d a m s 作了简 单介绍。 本文第三章利用a d a m s 软件建立了前悬架、后悬架、转向系、轮胎、传动系 制动系模型，并在各子系统模型的基础上建立了整车动力学模型。第四章对e p s 系统的动力学模型、助力特性、控制策略进行了分析，简要介绍了控制系统软件 8 浙江人学硕上学位论文 第幸绍论 工具m a t l a b s i m u l i n k ，并建立了e p s 控制系统仿真模型。 本文第五章是在第三、四两章工作的基础上，对整车动力学模型和e p s 控制 系统模型进行联合仿真，探索这一方法在e p s 设计研究中的应用，第六章分析了 e p s 各参数对转向操纵性能的影响，为e p s 各参数的设置提供依据。 本文的总结与展望中进一步提出了在建好的整车动力学模型的基础上，可考 虑其它的e p s 控制策略来进行联合仿真分析，确定比较理想的控制策略和模型。 1 4 3 研究目的和意义 电动转向系统的研制和开发涉及机械、电子、材料等多学科多领域，开发周 期长而且成本高，传统的设计方法和研究于段是无法适应。再加上我国目前制造 业研发水平普遍偏低、科研经费投入偏少的现状，决定了必须采用先进的设计方 法和手段来进行e p s 产品的开发。而采用虚拟样机技术可以最大限度地减少电动 转向系统开发周期，降低开发成本，增加经济和社会效益。 利用a d a m s 软件，用户可以建立并测试包括悬架、轮胎和转向机构在内的整 车计算机模型，可以在屏幕上模拟汽车的运动状态，显示重要参数的图形曲线。 计算机可以在不同道路( 冰雪路面、湿滑路面、混凝土路面) 状态下使其虚拟样机 完成试验赛道上进行的各种操纵稳定性试验，从而在建造物理样机之前，就可以 更准确地预测到整车操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性和其他性能参数【1 3 , 1 4 1 。这 样就可以减少试制、试验的次数，在产品开发阶段，节省设计经费，缩短设计周 期，实现并行工程的设计思想。 本课题运用动力学仿真软件a d a m s ，在c a r 模块中建立整车的三维参数化模 型，再通过与控制系统软件m a t l a b s m i u l i n k 进行联合仿真，对e p s 在不同助力 策略( 经典控制策略以及现代控制方法) 下，进行了探讨和研究，以实现多种设计 分析软件的综合，为e p s 的研究开发提供一种新的思路和手段。为e p s 生产企业 开发和改进产品设计提供必要的技术参数和技术支持。 1 5 本章小结 本章首先介绍了电动助力转向系统的发展过程、工作原理、主要类型及优势； 并简要概述了国内外研究现状，阐述了本文的研究目的，最后确定了本文的主要 研究内容。 9 浙江大学颂上学位论文第_ 章多体系统动力学研究的理论基础 第二章多体系统动力学研究的理论基础 2 1 多体系统动力学简介 复杂机械系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统 b 引。多体系统动力学是研究多体系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所 组成) 运动规律的科学。它是在近3 0 年来在经典力学基础上发展起来的专门解 决复杂机械系统的运动学和动力学问题的新的学科分支，与车辆设计、航天器控 制、机器人学、机械动力学等领域密切相关，根本目的是应用计算机技术进行复 杂机械系统的动力学分析与仿真。它的发展经历了多刚体系统动力学和计算系统 动力学两个发展阶段，目前已趋于成熟。 2 1 1 多体系统动力学的研究方法 分析由多个刚体组成的机械系统，原则上可采用传统的经典力学方法，即以 牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法，但随着组成机械系统的刚体数目的增多， 刚体之问的联系状况和约束方式就会变得极其复杂，绞约束力的出现会使未知变 量的数目显著增加。采用以拉格朗日方程为代表的分析力学方法可以避免出现不 作功的铰的理想约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度；但随着刚体数和 自由度的增多，动能和势能函数的项数会急剧扩张，求导数的计算工作量庞大， 求导过程繁琐枯燥且容易出错，尤其是若采用传统的独立的拉格朗日广义坐标， 在建立系统的动力学方程时会变得非常困难7 1 。 1 9 6 6 年罗伯逊( r o b e r s o n ) 和维登伯格( w i t t e n b u r g ) 创造性地将图论引 入多体系统动力学，利用图论的一些概念来描述多刚体系统的结构特征，使这个 学科分支跨入新阶段。另外，美国的凯恩和苏联的波波大等人先后提出了各自的 方法来解决这些复杂系统的动力学问题。多刚体系统动力学中有下述几种研究方 法：( 1 ) 图论方法；( 2 ) 凯恩方法；( 3 ) 旋量方法；( 4 ) 最大数量坐标法；( 5 ) 变分 方法。方法虽各不相同，但它们的共同点是采用程式化的方法，利用计算机解决 复杂力学系统的分析与综合问题，这给多刚体系统动力学理论带来了很多优点 【3 8 】 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自动建模和 分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构及多种联接方式的系统进行计 算，因此其通用性强，同一程序可对各类复杂系统进行分析； 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上 的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符 合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便，能够使计算结果 1 0 浙汀人学硕上学化论文第_ 章多体系统动力学研究的珲论基础 更精确； 模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑 推导公式的难易程度。所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的 三维空间模型。 2 1 2 多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用 多体动力学应用于汽车设计，并借以计算机仿真实现，是一项前沿技术。随 着其理论研究的逐步深入，计算方法的日渐成熟以及计算机技术的迅猛发展，这 门科学开始走向实用。汽车作为一个由多零件组成的运动个体，本身是一个复杂 的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人一车一环境的相互作用，给汽车系， 统动力学研究带来了很大困难。过去的许多情况下，不得不把模型简化( 如单自 由度，双自由度模型) ，以便使用古典力学方法人工求解，对于汽车振动系统中 大多数非线性原件( 如轮胎，变刚度悬架，橡胶衬套等) 也只能采用简易算法进 行局部线性模拟，从而导致车辆的许多重要特性无法得到较精确的定量分析。现 在，理论方法与计算手段的突破，力学模型由线性模型发展到非线性模型，模型 的自由度由两自由度发展到数十个甚至数百个自由度。模拟计算由稳态响应特性 模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动模拟研究。由车辆环境构成的开环控制系统 也被具有驾驶员神经网络模型的闭环控制系统取代。研究分析的范围包括：运动 分析、静态( 准静态) 分析、动态分析、灵敏度分析等汹1 。总之对于复杂的汽车 系统来说，多体动力学方法是一种高效率，高精度的分析方法，其在汽车技术领 域的应用也逐渐广泛起来。 2 2 虚拟样机技术 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传 统的设计与制造过程弊端的高新技术。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系 统动态仿真技术，是国际上2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起 来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模 型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案用数字化形式代替传统的实物 样机实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度 缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产 品的系统级性能，获得最优化和创新的性能更为优异的设计产品。 虚拟样机技术的研究对象是机械系统，研究范围主要是机械系统运动学和动 力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分 析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代 数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力n 引。 浙江人学硕l 学位论文第章多体系统动力学研究的理论皋础 2 3 基于虚拟样机的多体系统动力学分析软件a d a m s 机械系统分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m ) 是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。 利用a d a m s 软件，用户可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂 机械系统的运动学和动力学性能。目前a d a m s 软件在汽车、航天、铁路等领域得 到广泛的应用。 2 3 1a d a m s 软