（车辆工程专业论文）电动助力转向回正控制策略研究.pdf

摘要 摘要 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 gs y s t e m ，简称e p s ) 与液压助 力转向系统相比，具有能耗低、环保性能好、结构紧凑，空间布置要求低、可 靠性高、助力比软件可调及路感好等特点，已经成为动力转向技术的主要发展 方向。通过e p s 控制策略的设计，该系统能够改善车辆在低速工况下的转向轻 便性，高速工况下的操纵稳定性及转向回正性能。良好的车辆回正性能能够提高 车辆的安全性和驾驶的舒适性。本文依托上海市科学技术委员会项目“汽车电 动助力转向系统 ，研究电动助力转向系统的回正控制策略。 本文在m a t l a b s i m u l i n k 软件平台上，建立了考虑摩擦影响的多自由度转向 系统和九自由度车辆模型，通过台架及道路试验对e p s 的回正控制策略进行了 研究。结果表明，基于p i d 控制和模糊控制的回正控制策略在仿真和试验中效 果都比较显著，但前者对车速变化和转向系统干摩擦的适应性较差，后者对车 速变化和系统干摩擦则有着良好的鲁棒性。 关键词：电动助力转向系统，模糊控制，回正性，台架及道路试验 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ( e p s ) h a v em a n ya d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a l h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i nf u e le c o n o m y , e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l i n e s s ， c o m p a c ts i z e s p a c ee f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t y , t u n a b i l i t yo fs t e e r i n gf e e l e p sr e p r e s e n t t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fp o w e rs t e e r i n g r e a s o n a b l ee p sc o n t r o ls t r a t e g yc a n r e d u c es t e e r i n gt o r q u ee x e r t e db yad r i v e rw h e nv e h i c l er u n n i n ga tl o ws p e e d ，r e a l l z e v a r i o u ss t e e r i n gf e e l sa tr a n g eo fa v m l a b l ev e h i c l es p e e d ，a n di m p r o v ec o n t r o l l a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dr e t u r n - t o c e n t e rp e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e s g o o dr e t u r n a b i l i t y c a n i m p r o v ev e h i c l e ss a f e t y a n dc o m f o r tp e r f o r m a n c e d e p e n d i n go nt h ep r o j e c t d e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ”t h i sp a p e rr e s e a r c h e sr e t u r n a b i l i t yc o n t r o l s t r a t e g yf o re p s o nt h em a t l a b s i m u l i i l l 【s o f t w a r ep l a t f o r m ，t h ec o n t r o l l e do b j e c t sm o d e l o fe p s ， w h i c hc o n s i s to fc o m p l i c a t e dm u l t i d o f ( d e g r e e o ff r e e d o m ) s t e e r i n gs y s t e m d v n a m i c sm o d e lc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo fn o n l i n e a rf r i c t i o na n dn i n e _ d o fv e h i c l e d v n a m i c sm o d e l ，a r eb u i l t b a s e do ne p sb e n c ht e s t a n df i e l dt e s t ，r e t u r n a b i l i t y c o n t l 0 ls t r a t e g yo fe p sw a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb o t hp i d a n df u z z y c o n t r o ls t r a t e g yp r e s e n t e df o re p sc a l ls a t i s f a c t o r i l yg u a r a n t e ev e h i c l er e t u m a b i l i t y p e d 0 n n a l l c e 、h e nf r e es t e e r i n gw h e t h e rv e h i c l er u n n i n ga th i g hs p e e d o rv e h i c l e r i l n n i n ga tl o ws p e e d b u tp i dm e t h o di ss e n s i t i v e t ov a r i a b l ev e h i c l es p e e da n d f r i c t i o na m o n gc o m p o n e n t so fs t e e r i n gs y s t e m o nt h ec o n t r a r y , f u z z yc o n t r o l e x h i b i t sr e m a r ka _ b l er o b u s t n e s sp e r f o r m a n c ef o rv a r i a b l ev e h i c l es p e e da n ds y s t e m f r i c t i o n 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 ( e p s ) ，f u z z y c o n t r o l ，r e t u m a b i l i t y , b e n c ht e s ta n df i e l dt e s t 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：啦孚 抛矿够月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在两年解密后适用本 授权书。 指导教师签名： 年月 日 学位论文作者签名： 年月日 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。 签名：嘲 舜少月 日 第一章绪论 1 1 课题的来源与背景 第一章绪论 1 9 5 1 年美国克莱斯勒公司最先在轿车上采用液压动力转向，标志着轿车应 用动力转向技术的开始。经过几十年的发展，液压动力转向已经非常成熟，并 成为大部分轿车的标准装备。但液压动力转向在不转向时也消耗能量，并且制 造工艺复杂，容易漏油，对密封要求严格，这些都促成了电动助力转向( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g - - e p s ) 成为世界汽车动力转向技术发展的研究热点。 电动助力转向是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，相比传 统液压动力转向，电动助力转向具有以下优点： 1 ) 只在转向时电机才提供助力，减少了能量消耗。 2 ) 在各种行驶工况下提供合理的助力，减轻了汽车低速行驶时的转向操纵 力，提高了高速行驶时的操纵稳定性。 3 ) 取消了液压部件和管路，零部件数目较传统液压动力转向系统大为减少， 质量更轻，结构更紧凑，安装位置选择面更加容易，易于维护保养。 4 ) 通过设置不同的程序，电动助力转向系统能够快速与不同车型匹配，可 缩短生产和开发周期。 在这样的背景下，由上海市科学技术委员会资助，同济大学汽车学院与上海 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 限公司合作开发适合于中、高档轿车的电动助力转向系统。 1 2 课题的研究目的 e p s 系统由硬件和软件两部分组成。电动机，传感器和控制器组成了e p s 系 统的硬件部分，e p s 的控制软件和故障诊断则保证了e p s 最终性能的实现和高度 可靠性。 e p s 的基本控制策略是车速感应型的助力控制策略，保证e p s 系统在不同的 车速下均能提供合适的辅助转向力，提高车辆在低速工况下的转向轻便性和高 速工况下的操纵稳定性。 第一章绪论 e p s 回正控制，阻尼控制和补偿控制为辅助控制策略，用于对助力电机输出 力矩进行修正，提高车辆在各种行驶工况下的转向回正能力，抑制转向过程中 方向盘上的力矩波动，克服由于助力电机的引入带来转向系统摩擦，阻尼，惯 量增加的缺点。 一般来说，在装备电动助力转向系统后由于助力电机和减速机构内部的摩擦 和阻尼会额外增加车辆回正过程的阻力，导致车辆在低速工况回正不足的缺点 更加明显；而车辆在高速工况时由于整车阻尼的降低，较大的侧向加速度下均 会出现回正超调，回正稳定时间增加的情况。在这种情况下，非常有必要在e p s 控制策略中施加回正控制，一方面可显著减小低速回正时方向盘残留转角和车 辆残余横摆角速度，另一方面可抑制转向系统在高速工况下的回正速度，降低 车辆横摆角速度超调量，保证车辆回正过程准确，平稳。研究并开发一种保证 车辆在各种行驶工况下均具有良好回正特性并对系统非线性因素( 如转向机构 干摩擦) 不太敏感的回正控制策略成为本文研究的目的。 1 3 国内外发展现状 目前，国外电动助力转向技术已日臻完善，其应用范围已从最初的微型轿车 向更大型的轿车和商用客车方向发展，e p s 的助力型式也从低速范围助力型向高 速范围助力型发展，并且其控制型式与功能也进一步加强。e p s 的控制技术也逐 渐完善，除传统p i d 控制外，动态补偿技术，模糊控制，自适应控制技术，鲁 棒控制技术及智能控制技术也逐渐在e p s 上得到应用。 国内近年研究电动助力转向系统的高校，研究所和企业也逐年增多，吉林大 学，清华大学，华中科技大学，合肥工业大学等高校在e p s 的研究方面起步较早， 提出了一些颇有价值的e p s 控制策略的研究思路，并进行了相关的理论研究和试 验。但这些研究的重点一般为e p s 的基本控制策略，即助力控制策略的设计和试 验，研究的内容主要是e p s 助力特性的研究和实现方法。从近年来的论文发表情 况来看，除传统的p i d 控制方法外，自适应p i d 控制，h 。鲁棒控制“w ，模糊自 整定p d 控制u “，基于神经网络的控制系统设计“，均在e p s 上得到了应用。文 献 1 3 提出根据方向盘操纵力矩及其变化率，通过双模糊表控制器输出目标助 力力矩的模糊自调整p d 控制方法，可以解决转向系统的轻与灵的矛盾，并具有 较好的鲁棒性。文献 1 4 运用b p 神经网络对样本助力特性曲线进行处理，使得 第一章绪论 该网络能给对非样本数据准确映射，实现全车速范围的助力计算，能够克服助力 特性曲线将车速离散造成的助力盲区的缺点。 针对e p s 回正性能的研究并不常见，已发表论文主要使用p i d 控制方法进行 理论研究和仿真1 引。 1 4 课题的主要研究内容和意义 本文力图从e p s 回正控制入手，运用p i d 控制和模糊控制两种方法，研究在 实施回正控制后车辆的回正特性，并利用d s p a c e 软硬件实时仿真系统在台架和 实车上对上述控制策略进行实时仿真，实现快速控制原型( r c p ) 并获得控制参 数的最优值，最大限度的改善装备e p s 系统的车辆的回正性能。 本论文共分六章，其中第二章从系统的角度出发，对整个电动助力转向系统 的结构和组成，性能要求和客观评价做简要概述。 第三章为车辆转向回正性能研究及其仿真计算，建立九自由度车辆模型和考 虑摩擦的多自由度转向系统模型，为后续的理论研究和仿真提供依据。 第四章为电动助力转向系统回正控制策略研究，在电动机目标力矩决策策略 概述的基础上，着重对车辆回正过程控制策略进行研究，运用p i d 和模糊控制 的方法分别进行控制策略设计，并对两种控制方法进行计算机仿真和结果分析 比较。 第五章为电动助力转向系统回正控制策略试验研究，在台架和实车上对第四 章的回正控制策略进行验证和参数调整，得到最优控制参数。 第六章为全文总结，给出本文研究的结论。 本课题的研究结果能够初步解决装备e p s 的车辆的回正特性，克服车辆在低 速工况下的回正不足的缺点和弥补车辆在高速工况下回正超调和振荡的不足。 其中模糊控制在e p s 回正控制中的应用为提高回正控制在非线性车辆和转向系 统中的控制效果做出了初步的探讨。 第二章电动助力转向系统概述 第二章电动助力转向系统概述 2 1 电动助力转向系统的发展过程 汽车转向系统直接影响汽车操纵稳定性，对于确保车辆安全行驶、减少交通 事、保护驾驶员人身安全以及改善驾驶员工作条件起着非常重要的作用。随着 汽车电子技术迅猛发展，转向系统已从传统机械式转向、液压助力转向 ( 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 ) 发展到电动液压助力转向( e l e c t r i c 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 ) 、电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n g ，简称e p s ) 和线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ，简称s b w ) 。 传统机械转向系统以人的体力为转向能源，当车辆转向轮垂向载荷较大时， 尤其在原地转向过程中，驾驶员的转向操纵力也会相应增加，车辆呈现转向沉 重的感觉。 为了减轻驾驶员负担，传统机械转向系统逐渐被动力转向系统取代。动力转 向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向加力装置所构成的转向系，它 兼用驾驶员的体力和外部能源作为转向能源。在正常的情况下，汽车转向所需 的力大部分由外部能源通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾驶员提供。 但在动力转向失效时， 驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转向操作。目 前动力转向系统使用的外部能源一般为发动机和电动机。 液压助力转向系统是一种以发动机为动力源的的动力转向系统；传统液压助 力转向一般由发动机驱动转向油泵提供高压油，由转向控制阀控制油路以实现 助力，从而减少了驾驶员操纵力矩，改善了转向轻便性，并得到广泛应用。但 液压助力转向系统存在着车辆燃油消耗增加，助力特性不能调整，转向轻便性 和路感难以协调以及液压系统本身的使用维护不便的不足。 针对以上不足，人们开发了以电动机为动力源的转向技术，主要有e h p s 和e p s 系统。 电控液压助力转向系统是在原液压助力转向系统上发展起来的转向系统。它 采用直流电动机代替发动机驱动转向油泵，电动机由蓄电池供电。控制器根据 车速信号，转向盘转速信号或转矩信号控制电动机转速，从而控制油泵油量， 第二章电动助力转向系统概述 实现车速感应型助力特性的液压助力转向。在没有转向操作时，电动机以较低 转速运转甚至停止运转，因而可降低能量消耗。但e h p s 中液压装置仍然存在， 液压系统固有的缺点仍然难以克服；此外在原有液压助力系统基础上增加的电 子系统使系统更加复杂，成本增加。 电动助力转向系统是在机械转向系统基础上发展起来的，它根据作用在方向 盘上的转矩和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的助 力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性。与液压助力转向系统相 比，电动助力转向系统具有能耗低、环保性能好、体积小、重量轻、结构简单、 空间布置要求低、可靠性高、不依赖于发动机，助力比软件可调及路感好等优 点，并且在纯电动汽车上，e p s 为其最佳选择。 由于电动助力转向系统具有传统液压助力转向系统无法比拟的优点，它在汽 车上的运用越来越广泛。电动助力转向系统首先应用在日本的微型轿车上，1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首先在其c e r v o 汽车上装备e p s 系统“，在此之后电动助 力转向系统如雨后春笋般得到迅速发展，日本的光洋公司，大发汽车公司，三 菱汽车公司，本田汽车公司，美国的d e l p h i 汽车系统公司，德国的z f 公司都 相继研制出自己的e p s 。经过二十几年的发展，e p s 技术日趋完善，其应用范围 已经从最初的微型轿车向中高级轿车，商用客车方向发展。e p s 的助力形式也由 低速范围助力型向全速范围助力型发展，其控制形式和功能也进一步加强。 2 2e p s 系统结构和组成 2 2 1e p s 系统结构形式 按照助力位置不同，e p s 主要分为三类：转向柱助力式( c o l u m n a s s i s tt y p e e p s ，简称c - e p s ) ，小齿轮助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p ee p s ，简称p - e p s ) 和齿 条助力式( r a c k - a s s i s tt y p ee p s ，简称r - e p s ) 。图2 1 给出了上述三种形式 的e p s 系统示意图。c - e p s 助力机构安装在转向柱上，结构更紧凑，易于安装， 维修方便，但由于助力电机安装在驾驶舱内，收到空间布置和噪音限制，电动 机体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型车辆上；p - e p s 助力机构 安装在小齿轮处，与c - e p s 相比，p - e p s 可以提供较大的转向力，适用于中型车； r - e p s 助力机构安装在齿条上，与p - e p s 相比，r - e p s 可以提供更大的转向力， 第二章电动助力转向系统概述 适用于大型车，对原有转向机构需做较大改动。 图2 1 三种不同形式的e p s 系统 2 2 2e p s 系统组成 e p s 系统主要由转矩传感器，车速传感器，控制单元( e c u ) ，电动机，离合 器和减速机构等组成，如图2 2 所示。 图2 2e p s 系统结构图 扭矩传感器用来测量转向盘转角及驾驶员作用在转向盘上力矩，车速传感器 用以测量车辆行驶速度。电动机根据e c u 指令输出适宜的辅助扭矩，是e p s 动 力源，其对e p s 性能有很大影响，不仅要求低转速大扭矩、波动小、转动惯量 小、尺寸小、质量轻而且要求可靠性高、易控制。减速机构与电动机相连，起 降速增扭作用，常采用蜗轮蜗杆机构或行星齿轮结构。离合器装在减速机构一 侧，是为了保证e p s 只在预先设定的车速行驶范围内起作用。e c u 的功能是根据 第二章电动助力转向系统概述 扭矩传感器和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算，并发出指令控制电动机 和离合器动作。此外，e c u 还有安全保护和自我诊断功能，通过采集电动机的电 流、电压等信号判断系统工作状况是否正常，一旦系统工作异常，助力将自动 取消。 2 3l ：p s 系统关键技术 e p s 系统的关键技术涉及软、硬件两方面内容，其中硬件是其骨架，软件是 其灵魂。 2 3 1 硬件方面 e p s 硬件方面的关键技术主要涉及电动机技术和传感器技术。 e p s 系统对电动机要求很高，要求电动机响应迅速，转速范围宽广，同时输 出力矩的波动要小，并且能够承受大的电动机电流。此外电动机的转动惯量应 足够小，由于减速机构对电机转动惯量的放大效应，大的电机转动惯量会降低 e p s 系统的动态响应性能。2 0 世纪铷磁材料的引入，已经使得满足上述要求的 电动机设计成为可能。 e p s 系统对扭矩传感器的要求也很高，不仅要求扭矩传感器在e p s 正常工作 时能够准确，高速，高质量的测量驾驶员施加的转矩，而且在e p s 失效时也不 能因为驾驶员施加的转矩增大而损坏。而传感器的性能通常又和其价格密切相 关，所以选择扭矩传感器通常在变形，机械精度，装配和校准精度，极限温度 和价格之间进行折中。譬如，为了降低价格而增加变形，而扭矩传感器变形过 大会降低整个转向系统刚度，从而限制了e p s 系统保持更好的反馈或逼真度； 为了降低价格而限制最高工作温度，而这又会影响传感器的可靠性。 2 3 2 软件方面 e p s 在软件方面的关键技术主要是e p s 系统的助力特性，控制策略，故障诊 断与可靠性以及与整车性能的匹配。 e p s 的助力特性是e p s 的基本控制目标，直接关系到转向轻便性与路感。e p s 的助力特性应是车速感应型，满足车辆在不同车速下转向轻便性与路感的要求。 由于路感问题国内外还没有成熟的理论研究结果，研究手段主要以试验为主。 第二章电动助力转向系统概述 e p s 的控制策略应当能够克服由于在原有机械式转向系统中增加了电动机和 减速器，改变了原有系统的惯性、阻尼和摩擦所带来的缺点。此外，由于e p s 的安装位置一般在发动机附件，发动机发出的热辐射与电磁干扰对e p s 有很大 影响。这些都对e p s 的控制策略提出了很高的要求。p i d 控制、动态补偿控制、 自适应控制、鲁棒控制等理论的发展为e p s 控制策略的不断完善提供了保障。 e p s 系统应当有失效保护和故障诊断功能，如果系统出现异常，此时电动机 断电，离合器分离，助力系统停止工作，转入手动转向状态。异常情况代码将 被记录在微型计算机中，同时输出相应脉冲信号，并以e p s 指示灯闪亮次数作 为各种异常情况判断。另外，e p s 系统绝对不允许发生没有驾驶员转向输入而改 变汽车行驶方向的情况发生。 e p s 系统与整车的匹配也是相当重要的。必须对e p s 系统与汽车其他子系统 进行匹配，达到整车性能最优。 2 4e p s 系统的客观评价 e p s 对车辆转向性能的影响主要有以下几个方面： 1 ) 改善了车辆转向轻便性能。改变汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便 性时e p s 的基本目标之一。图2 3 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4 k n ，电动机最大电流为2 0 a 。可见，装有e p s 后， 原地转向转向力下降4 0 。 2 ) 提高了车辆高、低速行驶时的转向回正性能。采用适当的回正控制策略 能够显著改善车辆低速行驶时回正不足，高速行驶时回正超调，振荡的不足。 3 ) 改善了车辆的操纵稳定性。e p s 的助力大小可通过软件实时调节和控制， 故能很好的解决动力转向系统一直存在的“轻 与“灵”的矛盾。同时由于电 动机具有等效弹簧、阻尼效果，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2 4 a ，2 4 b 分别是e p s 和h p s 抑制路面冲击能力的对比 曲线，曲线表明在相同路面冲击下，e p s 的转向盘转角和转向力矩的振动幅 值比h p s 都要明显降低。 第二章电动助力转向系统概述 要- ? 净聃 皿 - o 啦 ，“瓷 扩y 霉硼 俨0 一，掣 肟 转向隽带角( 。) 。 ； 一i 0 0 ， 图2 3 原地转向转向盘力对比曲线 ( a ) e p s( b ) h p s 图2 4e p s 和h p s 抑制路面冲击对比曲线 由此可见，传统液压助力转向系统的评价指标已不能完全适用于e p s ，有必 要建立一套e p s 系统性能评价指标，用于指导e p s 助力控制规律和参数确定等。 目前g b t 6 3 2 3 4 1 9 9 4 和g b t 6 3 2 3 5 1 9 9 4 已对转向回正性能和转向轻便 性进行了规范。这两项试验可以用来客观评价e p s 的某些转向性能。由于e p s 对汽车原地转向和高速行驶转向盘中间位置区域的操纵稳定性有很大影响，因 此建议在标准中加入原地转向和中间位置转向试验。以上客观评价具体项目及 指标可归结如下： 1 ) 转向轻便性评价 提高转向轻便性是电动助力转向的首要目标。在我国汽车行业标准q c t 4 8 0 1 9 9 9 中，采用了转向盘平均操舵力f s ( n ) 和最大操舵力f m ( n ) 两项指标来评 价转向轻便性。此两项指标也适用于评价e p s 的转向轻便性。 2 ) 转向回正性评价 转向后转向盘应能自动回正，使汽车保持在稳定的直线行驶状态，这是汽车 对动力转向的要求之一。转向机构中的摩擦力矩会降低转向盘的回正特性，常 使驾驶员感到不适，这点在e p s 系统中表现的尤其突出，主要是由于电动机和 减速机构增加了原机械系统的摩擦。e p s 在转向盘有转向力矩时才开始工作，除 此之外，e p s 还必须满足在没有力矩作用在转向盘上时的行驶要求。其一是在高 速行驶时转向后松开转向盘的稳定性，其二是在高速行驶情况下微小的转向盘 转动或车速相对较低情况下正常转向以后的转向盘回正特性。 第二章电动助力转向系统概述 根据我国汽车行业标准q c t4 8 0 - 1 9 9 9 ，可采用松开转向盘3 秒时的残余横 摆角速度绝对值和，及横摆角速度总方差e ，两项指标来评价转向回正性，此两 项指标也适用于评价e p s 的转向回正特性。 残留横摆角速度由下式计算：r = ( 觚+ 吃+ 觚) 3 式中： 血残留横摆角速度，( 。) s 觚，觚，3 ，分别为第1 ，2 ，3 次试验的残留横摆角速度，( 。) s 横摆角速度响应总方差用下式计算： 耻阮 2 + o - 5 卜 ， 式中： e ，一回正试验时横摆角速度响应总方差，s 一横摆角速度瞬时值，( 。) s ，0 一横摆角速度稳定值，( 。) s ，l 一采样点数，一般刀出= 3s 选取： 缸一一采样时间间隔，s ：a t 一般不大于o 2 s 3 ) 转向盘中间位置区域性能评价“纠 评价转向性能有一个重要的因素是转向盘中间位置区域的操纵性。转向盘 中间位置区域的操纵性包含移线操作时的感觉和为精确跟随线路进行必要的转 向调整时的感觉。为评价转向盘中间位置区域转向操纵，“转向力矩梯度”和“转 向盘回正特性 非常重要。转向力矩梯度是转向力矩对汽车侧向加速度的微分， 转向回正特性包含转向力矩为0 时的侧向加速度。若转向力矩梯度越大( 即路 感强) ，同时转向回正特性越小( 即转向力矩为0 时的侧向加速度越小) ，驾驶 员的转向感觉就越好。 转向盘中间位置附近区域试验常采用蛇行试验或转向盘转角正弦输入试验 ( 车速为1 0 0 k m h ，频率为0 2 h z ，转角幅值为1 0 。) 。通过试验可得到与电动助 力转向相关的两条曲线，即转向盘中间位置区域的转向力矩与侧向加速度关系 曲线，转向力矩与转向盘转角关系曲线，如图2 5 ，2 6 。 第二章电动助力转向系统概述 器赛鬻魏龆时嚣躲黠毒管的转自力矩梯度、对的转向力矩梯度 麟畛 时的转向力矩 一一 矿一。 转向力矩为。时l 、y 7 的倜向加速度1 五髟多一一7 向加速度为i 皿俺0 时的转向力矩 - 5l _ - l - _ - 上- - 1 - j _ _ l - - 上- - _ - 一 一z 一1 0i2 侧向加速度知一 图2 5 转向力矩与侧向加速度关系曲线 转向盘转角 图2 6 转向力矩与方向盘转角关系曲线 从图2 5 ，2 6 中可得到以下评价指标： a 转向力矩为0 时的侧向加速度 转向力矩为0 时的侧向加速度反映了转向系统的回正性，在转向力矩为零的 瞬间，相当于松开转向盘，不对转向盘加力时的状态，而汽车在转向盘不受力 时靠惯性返回直线状态的能力就是回正性。 b 侧向加速度为0 时的转向力矩 侧向加速度为0 时的转向力矩反映了转向系统的干摩擦。 c 侧向加速度为0 时的转向力矩梯度 侧向加速度为0 时的转向力矩梯度是指侧向加速度变化导致的转向力矩 变化。该转向力矩梯度与“路感 有关。 d 侧向加速度为0 1m s 2 时的转向力矩 侧向加速度为0 1m s 2 时的转向力矩用来表示刚离开直线行驶时的转向 力的程度。 e 侧向加速度为0 1m s 2 时的转向力矩梯度 侧向加速度为0 1m s 2 时的转向力矩梯度用来表示刚离开直线行驶时的“路 感 。 f 转向角为0 度时的转向力矩及其梯度 其相当于转向刚度，用于表示需要精确控制操作( 如闭环控制) 时的“感觉 。 除上述e p s 客观评价指标外，助力特性评价，转向盘振动性能评价，随动灵敏 度评价，能量消耗试验与评价，可靠性试验与评价也是e p s 客观评价的组成部 分。 5 3 l l 3 一 一 争n，墩r正鬈 第二章电动助力转向系统概述 2 5 本章小结 e p s 系统具有传统机械转向和液压动力转向系统所不可比拟的优点，本章对 e p s 系统的结构形式，组成，关键技术和客观评价方法进行了简要论述，为后文 e p s 回正控制策略的展开做了铺垫。 第三章车辆转向同正性能及其仿真计算 第三章车辆转向回正性能及其仿真计算 汽车在行驶过程中转向时，由于转向轮主销定位参数( 主销后倾角，内倾角， 偏移距) 和轮胎拖距的存在，在轮胎回正力矩作用下，转向轮绕主销具有自动 回正的特点。快速并且稳定的回正性能对提高车辆驾驶的安全性和舒适性有着 非常重要的作用。 根据驾驶员的操作特点，车辆回正工况可分为两类：驾驶员主动回正和撒手 回正。驾驶员手扶方向盘帮助方向盘回j 下的工况为驾驶员主动回正。驾驶员松 开方向盘或基本不对方向盘施加转向力的工况为撒手回正。驾驶员主动回正过 程中，轮胎回正力矩和手输入力矩的总和构成了转向系统回正运动的驱动力。 而在撒手回正过程中，转向系统完全依靠地面给轮胎的回正力矩回正。 根据车辆行驶速度的不同，车辆回正工况也可分为两类：低速回正和高速回 正。车辆低速工况下，由于转向系统机械结构的干摩擦，回正过程呈现回正不 足，残留方向盘转角比较大的特点；车辆在高速工况下，由于此时车辆系统的 阻尼小于低速工况，转向系统回正过程呈现回正超调，稳定时间增加的特点。 在装备电动助力转向系统的车辆上，由于助力电机和减速机构的摩擦和阻尼额 外增加了车辆回正过程的阻力，低速工况下转向系统回正残留一般会高于普通 机械转向系统。 e p s 回正控制的控制目标正是保证车辆在各种工况下均具有良好的回正特 性。为此必须首先对e p s 被控对象，即转向系统和车辆系统进行理论建模和性能 仿真，为e p s 系统控制策略的设计提供数据准备和理论指导。 3 1 转向系统建模 转向系统是由众多质量块或惯量块通过弹簧，阻尼器等连接而成的具有摩 擦，间隙等非线性特征的多自由度动力学系统。但在实际建模时，无需将每个 零部件都单独作为一个分离体进行受力分析，考虑到其惯量及刚度特性对整个 低频转向系统的主导作用，通过合理简化可构造降阶的系统模型，以减少运算 量、节约仿真时间、并提高分析精度。由于装备e p s 的转向系统本身构造形式的 第三章车辆转向回正性能及其仿真计算 多样化，本文选取小齿轮助力式( p - - e p s ) 转向系统做为建模对象。 3 1 1 转向系统物理模型 p - e p s 转向系统简化为方向盘，转向柱组件，小齿轮组件及前轮组件四个旋 转质量，四个转动自由度分别为：转向盘转角口，转向柱组件转角以，小齿轮 组件转角9 。( 或电机转角口，) 及前轮组件转角万。考虑转向系统扭转刚度，阻 尼和摩擦，不考虑转向系统间隙。 需要指出，上述简化的转向系统模型把电动机，减速机构，小齿轮和齿轮一 并考虑为小齿轮组件，组件中子部件的转动惯量，阻尼和摩擦均按电机减速机 构传动比关系折算到小齿轮轴线上。同样转向轮，转向横拉杆，转向节臂也一 并考虑为前轮组件，其转动惯量，阻尼和摩擦也按转向系统传动比关系折算到 小齿轮轴线上。这些都给转向系统建模带来了方便。 图3 1p e p s 系统模型 3 1 2 转向系统数学模型 对上述物理模型进行受力分析，得到下述平衡方程。 转向盘转动微分方程： 厶万d 2 a + 疋 一包) = ( 3 1 ) 第三章车辆转向同正性能及其仿真计算 转向柱组件转动微分方程： ，c 等+ c c1 d o 厂c + k c ( 艮一口) + k r s ( 艮一郎) + 艮= 。 ( 3 2 ) 小齿轮组件转动微分方程： 玎j ：，了d 2 0 p + 疗己c m 鲁+ k 瑙( 郇一艮) + 吉k g ( 寺郇一万) + 丹m = l ( 3 3 ) 转向前轮组件微分方程： 窘嵋警讽伊m = ( 3 4 ) 其中： 1 ) l 为电动机输出的助力力矩，已= f ( k 掩( 一郇) ，艮) ，电动机根据扭 矩传感器测得的方向盘操纵力矩，转向柱转角( 也可用方向盘转角) 及其变化 率提供合适助力。具体函数由控制策略决定。 2 ) 乃为轮胎承受的回正力矩，通过车辆模型得到。 3 ) 足，死，巧分别为转向柱，电动机和减速机构，转向轮组件的干摩擦， 详见图3 2 。 4 ) 其他符号的含义见附录a 3 1 3 转向系统摩擦建模 车辆转向时，在齿轮齿条式转向器，主销( 转向节) ，转向管柱，电机和减 速机构处都存在强的干摩擦作用。转向系统干摩擦的存在一方面影响车辆的转 向回正性能，另一方面也会影响车辆在高速行驶时操纵稳定性和“路感”。若 摩擦太大不仅会使驾驶员松手后转向盘难以回到中间位置，也会使中间位置转 向时的路感变差。但摩擦太小，路面不平度会通过转向系统传递到方向盘，影 响车辆高速行驶时的方向稳定性，并影响驾驶员操纵舒适性。 本文采用经典库仑摩擦模型( 图3 2 ) ，在相对转动速度彩，在零附近时， 摩擦力矩为具有一定斜率的直线，超过某一转动速度国矿后摩擦力矩便饱和为一 固定值b 。 第三章车辆转向回正性能及其仿真计算 f ( n m ) 一l b 。0 9 v ? ( - 0 v 巧 一b 昂( n m )钆( r a d s ) 疋 o 60 0 2 f m 0 0 7 0 0 2 玎m f w 8 0 0 2 n g 图3 2 经典库仑摩擦模型 本文仿真时所用干摩擦参数( 参见文献 2 7 ) 如图3 2 ；g 方表格。 3 2 九自由度车辆模型 e p s 控制策略的研究一般使用两自由度或三自由度车辆模型，但考虑到两自 由度车辆模型中轮胎侧偏刚度为常值，并且未考虑轮胎纵向力以及纵向力和侧 向力的联合工况，当车辆轮胎工作在非线性区域时仿真结果会受到影响。尽管 九自由度车辆模型可能在计算速度上比不上低自由度车辆模型，但九自由度车 辆模型对于车辆极限工况的仿真是比较准确的，并且该模型进过一定的处理仍 可达到理想的计算速度。 3 2 1 车辆物理模型描述 由于该九自由度整车动力学模型主要用于研究车辆的行驶性能，为此作如下 假设： 不考虑车辆z 轴( 垂向) 方向的位移，车辆运动为x o y 平面内的平面运动，绕 x 轴的侧倾运动，绕y 轴的俯仰运动和绕z 轴的横摆运动；考虑四个车轮绕滚动轴 的转动自由度；考虑侧向加速度和纵向加速度以及侧倾和俯仰运动产生的车轮 垂向载荷转移；考虑轮胎非线性，以及轮胎纵向力和侧向力的共同作用；忽略车 轮本身的侧倾的影响，但考虑主销后倾产生的轮胎拖距；不考虑路面倾斜对车 辆的影响，路面为水平路面；考虑空气阻力；忽略转向系统的影响，直接以前 轮转角作为输入，车辆另一输入为制动力矩或驱动力矩。 第三章下辆转向回正性能及其仿真计算 322 车辆数学模型 1 车辆坐标系和轮胎坐标系 幽33 车辆坐标系和轮胎坐标系 如上图所示，车辆坐标系原点为通过质心的铅垂线与侧倾轴线的交点，轮胎 坐标系原点为轮胎理论印迹中心。 2 车辆受力分析及运动方程 1 ) x o y 平面内受力分析 根据图34 可写出下列方程： 车辆沿y 轴力平衡方程： 4 m a ( 哆+ ，h ) 一m s 。p ； ( f x is i n8 i + 毋fc o s 疥) + f y ( 35 ) r ；1 车辆沿x 轴力平衡方程： m a ( 瞻一r 硌) + m s8q = 【( f x ic o s 西一毋fs i n5 i ) 1 + f x ( 36 ) 车辆绕z 轴力矩平衡方程： 2 l zr + l x z s p + l y z sq = ( f x i s i n6 + f y i c o s 厨) f 。1 + 萼( 时ls i t , _ d 1 一f xl s 5 1 一毋2s i n 62 + r 2c o s d 2 ) + 睾( f y 3s i n j ，一f x 3c o s 占，一f y 4s i n 艿4 + f x 4c o s 6 4 ) 一b ( f x is i n 由+ 毋o s 疥) 十m z i + m z 。 ( 37 ) 第三章车辆转向同正性能及其仿真计算 y 图3 4x o y 平面内受力分析图 车辆俯仰状态受力分析 c 口 图3 5 车辆俯仰状态受力分析图 1 8 - 第三章车辆转向同正性能及其仿真计算 由图3 5 司得车辆绕y 轴力矩平衡方程： 4 l y s q + l x y s p + i z y s r + m s 伊( 溉一，v y ) = ( 尬g p g ) 口一岛g + m y i + m y f3r ) 其中： 厂c 口= 2 k ，- 口2 + 2 k ，b 2 1 岛：2 d 厂口2 + 2 d ，6 2 3 9 3 ) 车辆侧倾状态受力分析 由图3 6 可得车辆绕轴力矩平衡方程： i x s p + i z x s r + i y x s g m s 睁( 砂+ ，v x ) = m s 。g e 一( q l + q 2 ) 】一( b l + q 2 ) 。p + m x i + m x 其中：r q l = ( k r r 1 2 2 ) 2 ( 3 1 0 ) ic 妒2 = ( k ，t 3 4 2 ) 2 1 风l = ( q 一2 2 ) 2 ( 3 1 1 ) i k d 中2 = ( d ，t 3 4 z ) 2 侧倾，俯仰角刚度和角阻尼均由前后悬架的弹簧线刚度，减震器阻尼估算。 4 ) 车轮受力分析 由图3 7 可得车轮绕其滚动轴的力矩平衡方程 y l q = m y f + 瓦。一r f i 沁t ( 3 1 2 ) zj 一、p2 驴 图3 6 车辆侧倾状态受力分析图 第三章车辆转向回正性能及其仿真计算 r e f t i r ex 图3 7 车轮受力分析图 1 ) 主要变量定义和模型参数取值参加附录a 3 轮胎反力计算 公式3 5 至3 1 3 动力学平衡方程中未知量主要为轮胎反力f x i ，f y f ，m x i ， m y ! m z ，这些参数可通过轮胎模型计算。九自由度车辆模型采用了郭孔辉院士 提出的“纵滑一侧偏联合工况下的统一轮胎模型 ( 后文简称统一轮胎模型) 。， 这是一个用于研究轮胎在纵滑和和侧滑联合工况下力学特性的半经验模型，其 简要介绍如下。 1 ) 统一轮胎模型框架 纵向滑移率 融：砒一玩一国r e 无量纲总切力 l 缈r el 融。 f = 曩( s x ，s y ，y z ) f x ，f y 。 r 侧向滑移率 s y 回正力臂 m x , m y , m z 跏：乃陀一矽 d x = f 2 ( s x ，s y ，f z ) 7 10 3 r ei 图3 8 统一轮胎模型框架 所p v x ，t i r e v y ：相对于轮胎坐标系的轮胎纵向和侧向速度 c o ：车轮旋转角速度 z v r 匣 暮 第三章车辆转向回正性能及其仿真计算 s x , s y ：轮胎纵向滑移率和侧向滑移率 r ，瓢m x , m y , m z ：轮胎所受纵向反力，侧向反力，侧倾力矩，纵倾力矩和回正 力矩