（车辆工程专业论文）汽车eps测控系统及加载装置的研究.pdf

西华大学硕士学位论文汽车e p s 测控系统及加载装置的研究车辆工程专业研究生刘海泉指导教师陈辨随着汽车的高速发展，对汽车操纵的轻便性及灵活性要求越来越高。传统的液压式动力转向系统，存在着结构复杂、价格高、维修保养困难等缺陷，其应用范围受到了一定的影响。而电动助力转向系统( 简称e p s ) 可广泛应用于轻型汽车及高档轿车上，并可提高汽车的操纵灵活性。汽车e p s 是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化高新技术产品，与液压助力转向技术有了很大区别，其对转向轻便性、回正性等带来了新的影响，因此需要建立一套测试系统来检测转向系统各方面的性能。由于实车与台架实验存在一定的区别，要在实验台架上得到较理想的转向性能，需要有一套模拟加载装置。如何准确模拟路面对转向系统的阻力作用是进行汽车e p s 性能台架仿真试验的重要前提。单纯的液压加载和弹簧加载已经不能满足性能要求，需要一种动态负载仿真系统来实现加载，以满足模拟不同路面、不同车速下转向阻力的要求。论文研究的内容主要是汽车e p s 测控系统及电液加载装置的理论分析和试验研究。本文首先对液压加载系统包括电液伺服加载和电液比例加载系统进行了理论分析，并建立了数学模型。采用m a t l a b 软件对液压加载系统进行了时域、频域仿真分析。根据系统分析及仿真，从实际要求出发，兼顾加载系统性能需求、价格等诸多因素，经过众多加载方案比较后，从而确定了以电液比例加载为最终的加载方案。探讨了以电液比例溢流阀为液压系统核心部件的一种电液比例加载系统。本文开发了基于组态软件l a b v i e w 的汽车e p s 性能台架实时测控系统软西华大学硕士学位论文件i 实现了界面友好、简单直观的现场数据监控且功能强大的测控系统。数据采集模块叮以实时采集力、扭矩、转角等传感器信号；控制模块可以对比例溢流阀压力调节和电磁换向阀换向进行实时控制；信号发生模块可以模拟车速和发动机转速信号，为e p s 的控制器设计提供参考信号，数据处理模块可进行相关数据的幅值、相位和滤波分析。本设计通过基于优先级的设置和执行系统的选择，提出了基丁l a b v l e w 平台测控系统的任务调度策略，该设计方案有助于提高测控系统的性能。最后利用该系统对电液比例加载系统进行了稳态控制特性、阶跃响应和频率i 响应等试验研究，测控软件可以对采集到的数据进行分析和绘制加载曲线。试验结果表明，液压加载系统完全能满足汽车e p s 性能台架实验要求，证明了液压加载装置的设计及整个汽车e p s 测控系统是可行的。关键词：e p s ；液压加载；m a t l a b 仿真；l a b v i e w ；自动控制2西华大学硕士学位论文s t u d yo nt h em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e ma n dl o a d i n gd e v i c ef o re p so fa u t o m o b i l ev e h i c l ee n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t e ：l i uh a i q u a ns u p e r v i s o r ：c h e nc h o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e di na u t o m o b i l e ，t h er e q u i r e m e n to fh a n d i n e s sa n df l e x i b i l i t yo nm a n i p u l a t i o ni si n c r e a s i n g l yh i g h t h et r a d i t i o n a l l yh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a sl i m i t a t i o no fc o m p l e xs t r u c t u r e ，h i g hc o s t ，d i f f i c u l ts e r v i c e s ，a n ds oo n ，s oi th a sl i m i t e ds c o p eo fa p p l i c a t i o n a n dt h a tt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n go j p s ) i sw i d e l ys p r e a di ns m a l la u t o m o b i l ea n ds a l o o nc a r ,a n dc a ni m p r o v em a n e u v e r a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gi sh i g hn e wt e c h n o - p r o d u c ti n t e g r a t e do fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，s a v i n ge n e r g y , s e c u r i t y ，c o m f o a a b i f i t y ，w h i c hh a sl a r g ed i f f e r e n c ea n db r i n g sn e we f f e c t so ns t e e r i n gm a n e u v e r a b i l i t y ，s t e e r i n gr e t u m a b i l i t y , e t cc o m p a r e dw i t hh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt ob u i l dat e s t i n gs y s t e mt oc h e c ka n dm e a s u r ep e r f o r m a n c eo fe v e r ya s p e c ti ns t e e r i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt r e ec o n d i t i o na n dt e s t - b e d ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s has i m u l a t e dl o a d i n gd e v i c ei no r d e rt og a i ni d e a ls t e e r i n gp e r f o r m a n c e h o wt os i m u l a t et h ef o r c e so f r o a da n da p p l yi to n t ot h es t e e r i n gs y s t e mi st h ep r e m i s eo fd o i n ge x p e r i m e n tf o rp e r f o r m a n c eo fe p so fa u t o m o b i l ei nt e s t b e d s i m p l e xh y d r a u l i cl o a d i n ga n ds p r i n gl o a d i n gh a v en o ts a t i s f yt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c e ，i no r d e rt os a t i s f ys i m u l a t i n gt h er e q u i r e m e n to fs t e e r i n gr e s i s t a n c ea tv a r i o u sr o a dc o n d i t i o na n dv e l o c i t y , i ti sn e e d i n gi m p o r t a n t l yd y n a m i cl o a d i n gs y s t e mt or e a l i z ei t t h e o r ya n de x p e r i m e n ta l es t u d i e do nt h eh y d r a u l i cl o a d i n g 1西华大学硕士学位论文t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df i r s t l yo nt h eh y d r a u l i cl o a d i n gi nt h ep a p e r ，i n c l u d i n ge l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oa n dp r o p o r t i o n a ll o a d i n g t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i st ot h es y s t e mi sa l s og i v e n ，i n c l u d i n gt i m ea n df r e q u e n c yr e s p o n s e s t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e sa r ei m p r o v e dt h r o u g he m e n d a t i o ni no r d e rt os a t i s f y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fe p ss y s t e m c o n f i r m i n ge l e c t r o h y d r a n h cl o a d i n gf i n a l l ya f t e rc o m p a r i n gm a n ym e t h o d so fl o a d i n gc o n s i d e r i n gp e r f o r m a n c e ，p r i c e ，e t ca c c o r d i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ak i n d o fh y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e m ，w i t hap r o p o r t i o n a le l e c t r o h y d r a u l i cp r e s s u r ev a l v ea si t sc o r ec o m p o n e n t ，i sp r e s e n t e dh e r e t h ep a p e rd e v e l o pas u i to fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r eo fe p s t h ec o m p u t e r sc a r r yo u tt h et a s k so ff r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e a s yd a t aa c q u i s i t i o na n ds t a b l em e a s u r e so fd e a l i n gt r o u b l e so nl a b v i e wp l a t f o r m ，a n df r i e n d l yh m i ( h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) m e a s u r e m e n t c o n t r o l l i n gs y s t e m i n c l u d i n gd a t ea c q u i r e m e n t ，r e a lt i m ec o n t r o l ，s i g n a lp r o d u c t i o n ，s i g n a ld i s p o s a lm o d u l e d a t ea c q u i r e m e n tc a ng a i nf o r c e s ，t o r q u e ，c o m e r , e t cs i g n a lo fs e n s o r ；t h er e a l i z a t i o no fp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v ea n de l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v eb yc o n t r o lm o d u l e ；s i m u l a t i n gv e l o c i t ya n de n g i n es p e e db ys i g n a lp r o d u c t i o ni no r d e rt ot h ed e s i g no fc o n t r o l l e ro fe p s ；s i g n a ld i s p o s a lc a na n a l y s i si nr e l a t i o nt ob r e a d t h ，p h a s ea n df i l t e r b a s e do np r i o r i t i e ss e t t i n ga n de x e c u t i o ns y s t e m ss e l e c t i o n ，am u l t i t a s ks c h e d u l i n gb a s e do nl a b v i e wf o ram e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d t h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa r ee m p l o y e dt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s t e a d yc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，t i m e ，f r e q u e n c y , e t ca r ed o n eb yu t i l i z i n gl o a d i n gs y s t e m ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp r o c e d u r ec a nf u r t h e rd oa n a l y z i n ga n dg r a p hd r a w i n g t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a th y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e mc a l ls a t i s f yt h ep e r f o r m a n c e so fe p so fa u t o m o b i l e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cl o a d i n ga n dt h ew h o l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：e p s ；h y d r a u l i cl o a d i n g ；m a t t a bs i m u l a t i o n ；l a b v i e w ；a u t o m a t i cc o n t r o l4西华大学硕士学位论文1 引言1 1 研究目的及意义汽车在行使过程中改变或恢复其行驶方向是由汽车转向系统完成的。对于重型汽车，由于转向阻力和汽车车轮上负载成一定比例，前轮负载2 0 k n 以上，驾驶员很难原地转向，因此国家规定必须采用动力转向，有关部门建议8 吨以上的货车操舵力为5 0 n ，对于轿车为1 5 2 0 n ，另一方面，当车速较高时，操纵力减小，就会出现漂浮状态，造成操纵不稳定，引发事故。现代汽车设计，以安全，舒适，高效为主题，因此，在汽车转向系统中，必须安装动力转向装置。近年来随着电子技术的不断发展完善，汽车技术的发展也进入了一个新的阶段。电子信息化技术发展的蒸蒸日上，使汽车发展引入了电子、计算机控制。在汽车电动助力转向方面的研究亦是如此，纯机械式和液压动力转向己不适应人们对汽车的操纵稳定性、舒适性等各项性能指标的要求，从而如何通过电子控制实现对汽车电动助力转向性能的优化、完善，已经成为汽车电动助力转向系统设计发展的有效途径。目前，汽车电动助力转向系统已广泛进入到利用电子控制器进行控制的时代。运用较优的控制方法，得到高性能的助力效果，是汽车电动助力转向系统发展的主要方向。汽车电动助力转向与液压助力转向在技术上有了很大区别，其对转向轻便性、回正性等带来了新的影响，因此需要建立一套测试系统来检测转向系统的性能。由于台架试验与实际行驶工况差别较大，单纯的液压加载和弹簧加载已经不能满足性能要求，需要一种动态负载仿真系统来实现加载，将电液技术运用到汽车e p s 性能检测实验中，可以满足模拟不同路面、不同车速下转向阻力的要求。本课题的设计研究是对国内相关领域研究作了有益的探讨，同时也对国内汽车行业的发展具有一定的意义。1 2 汽车e p s 概述1 2 1 汽车转向系统的发展历程“2 1转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面西华大学硕士学位论文传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。社会的发展对汽车各个方面的性能提出了更高的要求，充分利用机械和电子两方面的优势，提供机电一体化的解决方案，日益被业界人士推崇为有效的应对策略。转向系统作为汽车的个重要组成部分，也同样顺应这样的趋势，就目前而言，汽车转向系统大致经历以下几个发展阶段，如图卜l 所示。f i 9 1 1d e v e l o p m e n t o f s t e e r i n gs y s t e m图l 一1 转向系统发展历程机械式的转向系统，由于采用纯机械解决方案，只能用大直径的转向盘来产生足够大的转向扭矩，整个机构显得比较笨拙：液压动力转向系统给汽车的驾驶控制性带来了巨大的变化，不仅降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏：经过多年的探索，电动助力转向作为一种全新的动力转向模式走入了业界的视野，并且很快成为转向系统研究与开发的热点。e p $ 系统结构如图卜2 所示。其基本原理是：扭矩传感器与转向轴( 小齿轮轴) 连接在一起，当转向轴转动时，扭矩传感器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电流的大小，从而完成实时助力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供给电动机不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。2西华大学硕士学位论文号f i g1 - 2a u t o m o t i v ee p ss t r u c t u r e1 - s t e e r i n gw h e e l2 - s t e e r i n gc o l u m n3 - m o t o r4 - c l u t c h5 - r a c k6 - p i n i o n7 - s t e e r i n gt i er o d8 - s t e e r i n gs h a f t9 - d e c e l e r a t i o nf r a m e w o r k1 0 - t o r q u es e n s o r图1 2e p s 结构示意图1 一转向盘2 一输入轴3 一电动机4 一离合器5 一齿条6 一小齿轮7 一横拉杆8 一输出轴9 一减速机构1 0 一扭矩传感器未来的电动助力转向系统还将向着电子四轮转向的方向发展，并与电子悬架统一、协调控制，从而实现电动助力转向系统与汽车上的其它控制单元的通讯联系，实现控制系统的集约化。电动助力转向系统的发展，其总体趋势本质上没有改变系统的基本框架结构。未来的电动助力转向将向着纯粹的电子化和智能化的动力转向系统发展。1 2 2 汽车e p s 系统的特点o “5 ”电动助力转向系统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，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行使中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境污染。与其它转向系统相比，e p s 系统有以下优点：( 1 ) 助力性能优e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不i 司使用对象的需要。西华大学硕士学位论文( 2 ) 效率高h p 8 为机械和液压连接，效率较低，一般为6 0 7 0 ：而e p s为机械与电机连接，效率高，有的可高达9 0 以上。( 3 ) 耗能少汽车在实际行驶过程中，处于转向的时间约占行驶时间的5 。对于h p s ，发动机运转时，油泵始终处于：= 作状态，油液一直在管路中循环，从而使汽车燃油消耗率增加4 6 ；而e p s 仅在需要时供能，使汽车的燃油消耗率仅增加0 5 左右。( 4 ) “路感”好由于e p s 内部采用刚性连接，系统的滞后特性可以通过软件加以控制，且可以根据驾驶员的操作习惯进行调整。( 5 ) 回正性好e p s 结构简单，内部阻力小，可得到最佳的转向回正特性，改善汽车操纵稳定性。( 6 ) 对环境污染少h p s 液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄漏问题，而且液压软管不可回收，对环境有一定污染；而e p s 对环境几乎没有污染。( 7 ) 可以独立于发动机工作e p s 以电池为能源，以电机为动力元件，只要电池电量充足，不论发动机处于何种工作状态，都可以产生助力作用。可以说，e p s 是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化的高新技术产品并弥补了液压助力转向的弊病。1 2 3 国内外汽车e p s 系统发展现状电动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备e p 8 ，随后还用在了其a 1 t o 车上州。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的d e l p h i 汽车公司嘲、t w r 公司，德国的z f 公司“1 ，都相继研制出各自的e p s 。比如：大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向也将倾向于选择e p 8 ：d e l p h i 汽车公司己经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚持的p u n t o j 发出e p 8 。经过二十几年的发展，e p s 技术曰趋完善。其应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，e p s 系统的助力方式、控制方式和功能也进一步强化。如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装e p s ，本田4西华大学硕士学位论文甚至还在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速h 寸e p s 将停止工作。新一代的e p s 贝o 不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在w a g g o nr 车上的e p s 是一个负载一路面一车速感应型助力转向系统。由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s属全速范围助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于7 0 k m h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外汽车电动助力转向己部分取代传统液压动力转向，电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点，它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到高度重视。近几年来，随着电子技术的发展，大幅度降低e p s 的成本已成为可能，加上e p s 具有一系列优点，使得它越来越受到人们的青睐。我国即将成为全球第三大汽车销售国，同样对汽车e p s 系统的开发与研究给予了很大的关注。目前国内约有十多所大学、研究机构和配套企业在这方面作了大量的工作。吉林大学“、清华大学”等对汽车e p s 的前景作了进一步的展望，在控制策略方面进行了有益的探讨；华中科技大学“、江苏大学“”等学校也开展了汽车e p s 系统的仿真分析。就目前而言，国内的很多研究还处于定性和理论分析的层次上，当然在这此过程中也获得了比较有价值的经验和部分成果，但对系统进行研制和装车还很少。1 3 汽车e p s 性能实验台介绍建立仿真试验台的目的是把道路试验转化为台架试验研究，实践表明：仿真试验台是对汽车e p s 系统进行理论研究和产品开发的一个重要而行之有效的手段。e p s 性能试验台是集机械、电子液压和计算机技术为一体的自动化试验系统。它能够把汽车e p s 的硬件系统，车辆动力学模型以及e p s 的控制策略结合起来，以便设计e p s 性能测控系统，通过台架试验可全方位的研究e p s西华大学硕士学位论文的性能。汽车e p s 性能试验台由于具有以下几个特点，对于e p s 的性能研究和丌发有重要意义：( 1 ) 室内仿真试验台可以代替一部分的上路试验，从而大大地节省人力、物力，并缩短试验周期：( 2 ) 在试验台上丌发成功的测控系统便于向实用化车载系统移植；( 3 ) 汽车e p s 性能试验台上所承受的各种负载条件可以重复出现，试验方便且其效果具有较好的可比性：( 4 ) 可进行e p s 系统关键部件的设计和开发，以及电控策略的研究；( 5 ) 可实现e p s 系统与其它整车部件的匹配。路面阻力模拟一般都是采用的弹簧加载，而传统的弹簧加载装置有很多弊端，如其加载性能单一，且不易于调节和控制等。图1 - 2 为e p s 弹簧加载性能试验台结构示意图。方向盘f i g l - 2p e r f o r m a n c ep l a t f o r mo fe p s图卜2e p s 性能试验台结构示意图将电液控制系统应用于汽车e p s 性能检测系统实验中，在国内e p s 系统的研究中还属鲜见。由于弹簧加载存在上述的缺点，采用电液加载可以充分利用电液控制如下的技术优势及其特点“，使加载性能满足实际工况，以更好的进行e p s 系统的性能研究与开发：电液控制技术集合了电控与液压的交叉技术珏华大学硕士学位论文优势，将电液加载系统应用于汽车e p s 性能试验台上，可以按照要求给出任意控制规律的变载荷加载曲线，而且其响应速度和控制精度较弹簧加载系统要高。1 4 课题主要研究内容如前所述，加载装置是进行汽车e p s 性能台架试验的基础，是整个仿真试验台的重要组成部分之一，其加载性能的优良直接影响到仿真试验能否顺利、正确进行。课题来源于四ji 省教育厅重点项目，本论文主要是研究一套液压加载装置及e p s 性能试验台测控系统，来满足模拟不同路面、不同车速下转向阻力的要求并通过软件能实时的检测汽车e p s 系统性能的有关参数。具体有以下几个方面：1 、完成加载装置硬件框架的建构，液压元器件的选择和安装，以及它们之间连接与匹配关系的确定。2 、建立系统模型，对加载装置进行了动静态分析和仿真，在此基础上进行了p i d 校正，使系统的性能得到提高。3 、应用l a b v i e w 组态软件开发一套汽车e p s 性能试验台测控系统。4 、安装、调试电液加载的软硬件系统。5 、对电液加载系统进行动静态试验，并分析其动态品质。西华大学硕士学位论文2 加载系统性能的分析及仿真2 1 汽车e p s 系统的动力学分析“7 1电动助力转向系统的动态模型示意图如图2 - 1 所示。依据牛顿运动定理，浚系统的运动方程为j ，睡= m 一一疋( g 一言】一缸吐( 2 1 )槭= 钟一寸虮+ 警卜等)协z ，城划。“。卜升以。，式( 2 1 ) 、式( 2 - 2 ) 、式( 2 - 3 ) 分别为转向轴、齿条轴和电动机的动态方程。式中一工f i 9 2 - 1m o d e lo f e p ss y s t e m图2 - 1e p s 系统动态模型m 。方向盘转矩；x 、川、b 分别为齿条的位移量、质量和阻尼系数：b 、j ，k 、以分别为转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数、阻尼8西华火学硕士学位论文系数；r 。一齿轮半径：既、j 。、k 。、k 分别为电动机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系数；g 一电机至齿轮轴的减速比；r 一轮胎转向阻力及回正转矩等作用于齿条上的转向阻力。式( 2 3 ) q u f i 4 j m 。为电动机的电磁转矩，其值决定于电动机的给定电流大小。在本系统的计算中，m 。值由扭矩传感器给出，可表示如下：m 。2 k 蜓( 以一毒)( o s ks 矸“) 叫，式中：k 。一转向助力增益。k 。值定义了转向路感，即汽车在不同的行驶速度时，在相同的转向角情况下，由于电动机提供的助力值大小不同，使转向盘手力的大小发生变化，驾驶员不但感到转向轻便，同时又能充分感受到路面的信息。因此，合理选择k 。可得到不同的转向路感。2 2 电液伺服加载系统的分析及仿真“4 ”“ 2 2 ”12 2 1 系统加载原理根据研究汽车e p s 转向阻力的复杂性，考虑到电液伺服加载系统的实际情况，设计采用阀控式电液伺服加载系统，主要由伺服放大器、电液伺服阀、伺服液压缸一齿条轴、力传感器及测量放大元件等组成，受载对象是齿条轴，如图2 2 所示为电液伺, q r j j n 载系统结构示意图。在机械结构上，齿条轴和伺服液压缸之间可采用减振弹簧杆作为缓冲，利用其挠性连接的结构来提高加载系统性能。选用常用的流量控制阀作为电液伺服阀。9西华大学硕士学位论文f i 萨- 2s k e t c hm a po f e l e c t r o h y d r a u l i cs e l v ol o a d i n gs y s t e m图2 2 电液伺服加载系统结构示意图当计算机输出控制电压信号作用于系统时，液压缸便有力输出，该力由力传感器检测转换为反馈电压信号与指令电压信号相比较，得出偏差信号。此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀产生负载压差作用在液压缸活塞上，使输出力向减小误差的方向变化，直到输出力等于指令信号所规定的值为止。输出力即为模拟的转向阻力，作用于e p s 系统的齿轮齿条轴。由于力传感器的刚度远大于负载刚度，可以忽略力传感器的变形。认为液压缸活塞的位移就等于负载的位移。电液伺服加载系统结构框图如图2 3 所示。园峥一f i 9 2 - 3b l o c kd i a g r a mo f e l e c t r o h y d r a u l i cs e l v ol o a d i n gs y s t e m图2 3 电液伺服加载系统结构框图1 0西华大学硕士学位论文2 2 2 数学模型的建立根据上述系统结构，假定负载为质量、弹性和阻尼条轴的动态用下面三个方程来表示：q l = k4 x ，一k 。p 1 可将阀控液压缸与齿q l = a s xv + c p p l + 岳f ls p lf = a p p l = m t s 2 xp + bp s x 产k 。x( 2 - 5 )( 2 6 )( 2 7 )式中，m ，一负载质量；k ，一负载弹簧刚度；b p 一负载阻尼：c ，一液压缸总泄漏系数：卢一液压油的弹性模量；a 。一液压缸活塞的有效工作面积；一液压缸的体积；k 。一电液伺服阀中滑阀功率放大级的流量系数。考虑到负载阻尼可忽略不计，且 薷 2 ( 1治s ，根据上述四个方程可得出简化后的电液伺服加载系统传递函数方块图如图2 4所示。u +f i 9 2 4f r a m e w o r ko fe l e c t r o h y d r a u l i cs e i v ol o a d i n gs y s t e m图2 4 电液伺服加载系统传递函数方块图其中，k 。= k 。+ c ，k 。一系统的总的流量一压力系数；k 。伺服阀流1 1母乎卜西华大学硕士学位论文量一压力系数，k ，一力传感器放大系数，k 。伺服放大器的放大系数，g 。一k 。= 1 时伺服阀的传递函数，其形式视系统具体情况而定，本系统是典型的电液力伺服系统，电液伺服阀与液压缸相比，其频宽高很多，应根据伺服阀在此系统中的使片j 情况来决定其响应特性。当液压动力执行元件的固有频率在i o h z以下时，可把伺服阀当作一个比例环节，在此系统中可以看成是比例环节，系统可以近似看作三阶系统，可得到系统的开环传递函数为：k g ，( s ) ( + 1 )吲。州沪i 磊蒜他1 9 r。o式中：k 为系统开环的增益，k = k ，疋k ，。急一；磊阻尼比；m 。为负载的固有频率。= j 鲁；珊，为液压弹簧与负载弹簧串联耦合的刚度与阻尼系数之比，q 。丽k i t；m 0 =2 2 3 仿真与分析根据研究加载系统的实际情况，并参考了有关资料，选定电液伺服加载系统的电液伺服阀和伺服液压缸的具体参数值如表2 - 1 。西华大学硕士学位论文表2 - 1 电液伺服加载系统参数表t a b 2 1p a r a m e n t so f e l e c t r o h y d r a u f i cl o a d i n gk 。= 2 7 7 5 ( m 3 s a ) ；2 77 5 1 0 。3 s m a )k 。= 2 2 5 6 1 0 3 ( m a v )m 。= 3 2 k gk ，= 2 1 0 5 i n )k s = 1 7 5 x 1 0 8 ( m )岛= 0 1k 。= 4 0 5 x 1 0 。6 咖3 i s l m p o )卢= 7 0 0 m p = 8 5 1 0 。似3 )a 。= 8 5 x 1 0 。3 2 )fv i 9 2 5s t e pr e s p 0 s ec u r v eo fu n e m e n d a t i o n图2 - 5 未校正时单位阶跃响应曲线f i 9 2 - 6b o d ec a r v eo fu n e m e n d a t i o n图2 - 6 未校正时系统b o d e 图1 3西华大学硕士学位论文由该系统的j 下环传递函数可知，当系统不加任何校正时，系统为零型系统，所以存在静差。从系统闭环传递函数可知，系统的特征方程为三阶，没有零点，所以系统存在较大的滞后相移。图2 5 、图2 6 是系统在不加校正环节下的单位阶跃响应和b o d e 图。从仿真的结果可知，为了获得较好的控制性能和控制精度，需要对系统进行一定的校正。p d 校j f i 可以降低超调量、减小过度时间，但对上升时间和静态误差影响不大且高频增益上升，抗干扰能力减弱。p i 校正由于引入积分控制，使得系统由零型提高到i 型，系统的稳态误差可以消除或减少，从理论上可以做到系统对阶跃信号的无静差跟踪。因此，采用p i 校正。通过p i 参数整定及系统仿真，本文p i 调节器形式确定为：1e o ) = k 。( 1 + 乙二)5其中k 。= 2 0 ，疋= 2校正后的单位阶跃响应和闭环b o d e 分别如图2 7 、图2 8 所示。00 0 50 。10 1 50 2f i 醇一7s t e pr e s p o n s ec t l l l 、，eo f e m e n d a t i o n图2 7 校正后单位阶跃响应曲线1 4西华大学硕士学位论文f i 醇一8b o d ec w v eo f e m e n d a t i o n图2 - 8 校正后b o d e 图由加校正后的仿真曲线可知，经p i 校正后，增加了系统的频宽并减小了响应时间，系统的跟踪精度和动态性能得到了明显的改善。由仿真结果可知：电液伺服加载系统的控制精度高，响应速度快，未校正时的阶跃上升时间还不到o 1 5 s ，系统频宽可达到为6 0 r a d s ，即为9 5 1 h z ，完全满足e p s 性能测控系统试验台的要求。2 3 电液比例加载系统的分析及仿真2 3 1 系统工作原理电液比例加载系统的工作原理如图2 - 9 所示，其方块图如图2 1 0 所示。西华大学硕士学位论文tf i g2 - 9p r i n c i p l eo f e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ll o a d i n gs y s t e m1 h y d r a u l i cc y l i n d e r2 - f o r c es e n s o r3 - e l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v e4 - h y d r a u l i cb u m p5 - f i l t e r6 - m o t o r7 - 1 n d u s t r i a lc o m p u t e r8 - a m p l i f i e r9 - e l e c t r o h y d r a u l i cp m p o r l i o n a lr e l i e f v a l v e图2 玛电液比例加载系统工作原理图卜液压缸2 一力传感器3 电磁换向阀4 一液压泵5 - 滤油器6 一电动机7 一工控机8 一电控器9 一电液比例溢流阀如系统原理图所示，当三位四通电磁换向阀的左端得电时，液压泵输出的高压油进入左液压缸，通过齿轮齿条对汽车e p s 系统进行模拟加载。加载力的大小由液压缸的工作压力决定，液压缸的工作压则由电液比例溢流阀根据所需负载由电控器输出电流来控制，而电控器的输入是由计算机根据负载要求输出的控制电压来决定。电磁换向阀处于中位时，液压泵处于卸荷状态，此时由于电磁阀是h 型的，两缸内的液压油也会自动回油到油箱，以保证在不加载的情况下方向盘能转向。西华大学硕士学位论文输入信号习电流圈坚围一压力厂 川刘+ 1 拽压缸l _ 1q j ，l 一f圈lf i g2 - 1 0b l o c ko fh y d r a u l i cs y s t e m图2 一l o 系统方块图2 3 2 加载缸动力学模型“l 、加载缸流量方程加载液压缸的流量方程为：q 畸只“象+ 詈丑( 2 - 1 0 )式中：q _ 力1 1 载液压缸流量，m 3 s ；c t 一总泄露系数，m 5 n s ：最- - a n 载液压缸负载压力，只：a 一活塞有效面积，m 2 ；y 一活塞运动位移，m ；y 一液压缸体积和管路中的油液体积，m 3 ；成一油液的体积弹性模量，只；2 、加载缸力平衡方程若忽略干扰力的影响，由图2 1 1 可列出带负载的加载缸方程式为：4 肾”考2 螅警+ k er y西华大学硕士学位论文b ep晶f i 9 2 1 1f o r c e so fh y d r a u l i cc y l i n d e r图2 一1 1 加载缸受力幽式中：最= 尸一晶，系统负载压力，只：一一有效工作面积，m 2 ；m ，一等效负载质量，船：统一等效阻尼系数，n s m ：尼等效弹簧刚度，5 ：将( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 两式转换为拉式方程：q2c r 最+ 爿q y + 云置晓- 1 2 只：m , s 2 + b e s + k ey( 2 1 3 )a。液压缸的工作流量主要由活塞运动速度引起，这里为简化计算，根据实际情况，可以忽略流量方程中的泄漏部分和因体积弹性引起的流量变化，从而将流量方程简化为：q = a s y( 2 1 4 )将( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 联立可得到置，q 之间的关系：旦：生!( 2 1 5 )最m 。s 2 + 最s + k传递函数也可表达为图2 1 2 所示框图：西华大学硕士学位论文2 zqf i 9 2 1 2f r a m e w o r ko ft r a n s f e rf u n c t i o no fl o a d i n gc y l i n d e r图2 1 2 加载缸传递函数框图2 ，3 3 电液比例溢流阀的数学模型比例溢流阀系统压力可随电信号输入连续改变。其主要包括带比例电磁跌的先导阀和带主阀芯总成的主阀。系统压力极限由比例电磁铁设定，与输入电流有关。比例溢流阀的结构如图2 1 3 所示。34x av bf i 9 2 1 3 s t r u c t u r e o f e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v e1 - f o r e r u n n e rv a l v e2 - t h r o t t l eo r