电动助力转向系统助力控制策略仿真研究.doc

电动助力转向系统助力控制策略仿真研究第30卷第l期20l1年3月成都大学(自然科学版)3ournalofChengduUniversity(NaturalScienceEdition)Vb1.30NO.1Mar.201l文章编号:10045422(2011)01005204电动助力转向系统助力控制策略仿真研究丁峻强,唐岚,王圆圆,谢林(西华大学交通与汽车工程学院,四川成都610039)摘要:分析了汽车电动助力转向系统的结构,选择直线型的助力特性曲线进行控制,通过PID控制方法对电机进行控制,建立电机控制的数学模型,并在Matlab/Simulink仿真环境中搭建出电动助力转向系统模型,通过不断地调整控制器参数观察输出结果,直到使系统的控制效果达到最优.关键词:电动助力转向;策略;电机控制;数学模型;仿真中图分类号:U461.4文献标识码:A0引言2系统数学模型目前,越来越多的汽车都安装了电动助力转向系统(EPS),随着机电一体化技术的不断进步,EPS已由最初安装在小型车,逐渐应用到中型车,甚至大型车上.相对于传统的液压动力转向系统,电动助力转向系统有很多的优点,比如,更低的燃油消耗率,更好的转向稳定性,这使车辆在行驶时更安全可靠.目前的EPS系统不仅仅着眼于助力,而更多地关注转向的安全性,轻便性和舒适性.1电动助力转向系统汽车电动助力转向系统(EPS)由机械结构和电子单元两部分构成.机械部分包括方向盘,转向柱,扭杆,齿轮减速机构,助力电机,齿轮齿条等;电子部分包括方向盘转矩传感器,车速传感器和电控ECU等.汽车电动助力转向系统的结构如图1所示.图1汽车EPS系统结构简图利用牛顿第二定律和动量矩定理,图1所示的系统可建立如下数学模型2】:+一=a.r(1)P(m,+辱),+(6+B),+(+/-P,p华):+(2)IPIPfPL+B+K.O一GKm=_Zor=K3(3)P式中,为转向轴,转向盘等的效转动惯量,B为转向轴阻尼系数,K为转向轴的刚性系数,0为转向柱旋转角,为转向盘输入转矩,G为蜗轮蜗杆减速比,i为助力电机输入电流,为等效弹簧的弹性系数,为齿条的位移量,为电动机转动惯量,B为电动机阻尼系数,为电动机和减速机构刚性系数,0为电动机转角,为小齿轮半径,为助力增益系数,b为齿条阻尼系数,.为减速机构阻尼系数,m,为小齿轮和齿条的等效质量.3助力控制选择3.1助力策略车辆在行驶过程中,当转向力矩过大时,需要EPS电控单元发出指令给助力电机,助力电机转动并产生扭矩为转向系统提供助力矩.收稿日期:20101115.基金项目:llJJl省科技厅科技支撑项目(2009PZ0054)资助项目.作者简介:丁峻强(1986一),男,硕士研究生,从事汽车电子控制技术研究第l期丁峻强,等:电动助力转向系统助力控制策略仿真研究?53?助力控制就是利用电动机转矩和电动机电流成比例这一特性.车速信号可由车速传感器测得,方向盘转矩传感器测出的方向盘力矩大小和方向,根据车速和方向盘力矩,EPS电控单元由助力特性表查出电动机目标电流,通过输出给电动机对应电流来控制电动机输出的力矩,进而实现车辆的助力控制.在该控制过程中,助力特性曲线确定系统的控制目标,决定着EPS系统的性能.通常EPS的助力特性曲线属于车速感应型,在同一方向盘力矩输入下,电动机的目标电流随车速的增加而降低,从而能较好地兼顾轻便性与路感的要求J.目前,电动助力转向系统的助力特性一般有3种,即直线型,折线型和曲线型_4J.由于直线型助力特性具有形式简单,容易调节等优点,因而被广泛采用.直线段的斜率被称为助力比,直线段的助力电流与转向盘的转矩成正比.图2为一典型的直线型助力特性曲线.在低速时,转向阻力较大,此时除了方向盘转向力矩之外,需要EPS提供较大的助力;随着车速的增大,转向阻力会减小,此时的EPS提供较小的助力;车速继续增大到一定值时(一般选取车速=80m/s),车辆转向时不再需要助力,此时助力电机停止输出助力矩.图2一种典型的直线型助力特性曲线3.2PID控制模型本文所讨论的EPS系统的助力电动机选择直流电动机,其电动机回路可描述为,U=十Ri十(4)式中,为电动机电感,k为反电动势系数,为电动机回路电阻,为电动机回路两端的电压.目前,PID控制在控制系统中应用非常广泛,它具有结构简单,稳定性好,工作可靠,调整方便等优点.EPS在助力模式控制下,电流采用PID控制,助力系统PID控制器设计的根本任务是选择适当的控制参数使系统达到预期的目标.在选择EPS控制器参数前,应首先确定PID控制器的结构,以保证被控系统的稳定,并尽可能消除静态误差.因此,对于控制对象来说,应选择包含有积分环节的控制器,并选择合适的比例系数,使系统静态误差保持在允许范围内,对于具有纯滞后性质的对象,则往往应加人微分环节.采用PID控制模式的EPS是在电机功率驱动模块处安装电流传感器,以测定实际电流值,并将该值反馈到控制器,从而实现对电流的闭环控制,控制原理如下:rU=(,m一,)+Kl(,mI)dt+(jr一7)(5)式中,m为目标电流,由方向盘转矩和车速通过助力特性确定,为实际电流,为比例系数,K为积分系数,微分系数.上述参数决定系统的控制特性.通常需要对,K和逐个进行整定,直到控制效果达到最佳.4EPS系统仿真4.1EPS系统仿真模型通常,在建立仿真模型时,可以将模型分为数个模块,分别建立单个独立模块后再将各模块连接J.由图1可知,电动助力转向系统可由机械转向系统模型,控制器模型和助力电机模型构成.基于此,我们在Matlab/Simulink仿真环境中,搭建了电动助力转向系统仿真模型,其中,图3为EPS转向系统模型,图4为EPS控制器模型,图5为助力电机模型.图3转向系统模型IKd图4PID控制器模型r.,L_.kL_J.I.0;jlm驾?54?成都大学(自然科学版)第30卷LDerivative1图5助力电机模型4.2仿真结果在仿真实验中,我们以某型汽车的转向系统为例进行仿真.仿真实验所选择的参数如下:=0.029kg?m2,B=O.023N?ms/rad,Ks=135N?m/rad,G=7.225,=91061.4N?m,B=0.003339N?ms/rad,Km=125N?m/rad,Jm:0.O0047kg?rn2,=0.OCr7783rfl,Mr=32kg,B,=653.203Nms/rad,L=O.269ttH,R=168.5MQ,k.=O.06268N?rn/A,车速=30km/h,方向盘输入转矩=8N.m.在仿真时,首先对控制器参数进行整定,采用经验试凑法对,K和进行调整,设置方向盘阶跃输人为8N.m,调整参数(见图6),观察,K和变化时助力电机响应结果,图8为微分系数变化时系统响应结果,通过对参数进行不断调整,最后当=6,K=0.1,=1.6时,助力电机电流响应最为理想.然后将方向盘转矩输入调整为正弦输入,峰值为8N.m,周期为6s(见图7).图9为助力电机电流响应结果.仿真实验数据表明,控制器参数选择达到设计要求.108旨罨螽?拄20图6方向盘转矩阶跃输入/一,/一,7/f,/,t/图7方向盘转矩正弦输入1611210舞e一62f/:时间/0图8方向盘转矩阶跃输入下助力电机响应图9方向盘转矩正弦输入下助力电机响应5结论本文通过对汽车EPS理想助力特性的分析,根据目标电流的控制策略,设计出PID控制器,在Sim.ulink中建立了模型.同时,根据控制对象的特性不断调整控制器参数,最终控制达到了理想的效果,反应了EPS助力特性.但本仿真控制器的设计仍有改进之处,例如经验试凑法获得控制参数会使工作量加大,且自适应性有待提高,这是下一步工作的重点.参考文献:1王康康,唐岚,黎长青.基于AMESim和Simulink的汽车电动助力转向系统的联合仿真J.机床与液压,2008,35(6).2喻凡,林逸.汽车系统动力学M.北京:机械工业出版社.2005.3uL,NagmM.OnTorqueControlofVehicleHandlingandSteeringFedforAvoidanceManeuverwithElectricPowerSteeringGIIPrcedingaofthe17thGongre,InternationalFederationofAutomat/cContrd.Seoul,Korea:IFACPress,2008:1207312078.4施国标,中荣卫,林逸.电动助力转向系统的建模与仿真技术J.吉林大学(工学版),2007,51(1):3338.5刘鹏,姚艳.电动助力转向系统的PID控制及仿真研究J.机械与电子,2008,26(3):4244.6申荣卫,林逸.电动助力转向系统建模与控制策略研究J.公路交通科技,21306,23(8):164168.(下转第61页)05050lI1.z霉哥定钕第1期李健:基于CATIA的三维参数化零件特征库的创建与使用?61?械设计的效率,缩短了设计周期,从而使设计人员有更多的时间进行设计方案的创新思考.参考文献:1王晓晶.三维标准零件库的研究与开发J.长春大学学报,2006,16(6):3739.2潘秀石.基于Pro/EngineerWildfire的机械设计标准件库创建的研究J.江苏技术师范学院,2007.13(2):566o.3李苏红,刘记,左春柽,等.基于CATIAV5的四杆机构参数化设计及其运动仿真J.长春理工大学(自然科学版),2009,32(2):181183.4曹智雄.CATIA制作范例M.北京:中国水利水电出版社.2O()6.5詹熙达.CATIAV5高级应用教程M.北京:机械工业出版社.20O8.DevelopmentandUtilizationofCATIA3一DParametricPartFeatureBaseL/Jian(No.8DepartmentofNo.29ResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Chengdu610036,China)Abstract:ThedevelopmenttechnologyandutilizationmethodofCATIA3-Dparametricpartfeaturebasewereintroduced.Methodofusingfeaturemodel,parametricdesignandprogrammingcontrolswasusedtodeveloppartfeaturebaseandparameterrelationalexpressionWasdesignedtodeveloptherelationbetweenpartfeatureswithordinarypartinordertoformdatabaseofpartfeature.Whendevelopingnewsimilarpartfeature,thedatabaseofpartfeatureCallbeusedSOthatdesignefficiencyCanbegreadyimprovedandreduceworkloadandshortenproductdevelopmentcycle.Keywords:simulationdesign;CATIA:3一Dparametricmodeling;partfeaturebase(上接第54页)SimulatedResearchonAssistanceControlStrategyofElectricPowerSteeringSystemDINGJunqiang,TANGLan,WANGYuanyuan,XIELin(hodofTrafficandAutomotiveEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)Abstract:ThestructureofEPSsystemWasdescribedinthepaper.Thestraightlineassistcharacteristiccurewaschosentocontro1.ControllingmeansofPIDWasusedtocontroltheassistmotor