电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法

1、【99】电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法The an alysis and test method of damp ing characteristicsfor electric power steeri ng system李 绍松 1,2,牛加飞 2,于志新 2,李连京 2,钟博 浩2LI Shao-song1,2, NIU Jia-fei2, YU Zhi-xin2, LI Lian-jing2, ZHONG Bo-hao2（1.长春工业大学 汽车工程研究院,长春130012; 2.长春工业大学 机电工程学 院，长春130012摘要:电动助力转向（Electric Power Ste

2、ering,EPS在提供转向助力、 减轻驾驶员操纵负担的 同时,也能够提高汽车转向性能和驾驶舒适性，进而提高汽车 的主动安全性。建立EPS系统仿真验证平台，分析阻尼补偿控制对汽车转向性能影 响，结果表明阻尼补偿控制通过设定阻尼补偿控制系数，可改善EPS动态响应及回正 性能。提出EPS系统阻尼特性测试方法，准确获得 转向系统阻尼系数，为EPS阻尼 补偿控制系数的设定提供参数依据。关键词：电动助力转向；阻尼特性；阻尼补偿系数 中图分类号：U461.6文献标识码:A 文章编号:1009-0134（201505上-0099-03Doi:10.3969/j.issn.1009- 0134.2015.05

3、上.28收稿日期:2014-12-03作者简介:李绍松（1986 -,男，讲师，博士，研究方向为汽车动力学仿真与控0引言EPS系统作为电子技术与转向系统相结合的产物，紧扣现代汽车发展的低碳、 环保、安全三大主题1，在提供助力、减轻驾驶员操纵负担的同时，也能够提高汽 车转向性能，以其优 越的性能和特点有逐步替代液压助力转向的趋势24。EPS系统增加了转向电机及减速机构，大幅地增加了转向系统的阻尼，这给驾驶员转向过程中带来了更大 的粘滞”感觉，这种感觉的强弱可以通过对转向助力电机施加阻尼补偿力矩来调整5。此外,EPS阻尼控制对提高汽车高速行驶时横摆 角速度的收敛性，改善转向稳定性有重要作用6。转向

4、系统阻尼力矩表示为转向系统阻尼系数与转向 小齿轮角速度的乘积，随着 转向盘转速的变化而变化，转向系统阻尼系数的确定多借鉴参考文献。因此，本文提 出EPS阻尼特性测试方法，基于K&C试验台测试转向系统阻 尼系数，为EPS阻尼补 偿控制系数的设定提供依据。1 EPS系统仿真验证平台EPS系统仿真验证平台是指具有EPS系统的乘用车动力学模型，包括基于 Matlab/Simulink建立的EPS控制系统模型和CarSim软件中的车辆模型。EPS系 统仿真验 证平台结构框图如图1所示。1.电机电枢电压；2.电机电流；3.转向盘力矩；4.车速；5.转向小齿轮角速度 6.电机助力矩图1 EPS系统仿真验证平

5、台结构框图EPS系统仿真验证平台中,EPS控制系统模型输出 电机助力矩给CarSim车辆 模型,CarSim车辆模型对EPS控制系统模型的输出包括转向盘力矩、车速和转向 小齿轮角速度,实现Matlab与CarSim的联合仿真，下面分别 对这两部分进行介绍。1.1 EPS控制系统模型1.1.1 EPS控制器EPS控制器功能框图如图2所示,包括EPS基本助力 控制和电机补偿控制两部【100】 第37卷第5期制也4匂甲把2015-05(上图2 EPS控制器功能框图EPS基本助力控制功能实现时，采用多点折线拟合曲线助力特性，在获得曲线型 助力效果的同时，减少系统的计算量，更容易在控制器中实现7o EP

6、S电机补偿控制包括电机惯量、阻尼和摩擦补偿控制，主要基于车速、电 机角速度和角加速度信号确定补偿控制电流，对EPS基本助力控制电流进行修正，降 低EPS电机及减速机构的惯量、阻尼和摩擦对转向性能的影响8,9。最后，通过PID控制器确定电机的电枢电压，控制电机产生助 力消除电机目标电流与实际电流的偏差。1.1.2电机模型电机模型的输入是转向小齿轮角速度和电机电枢电压,输出则是电机电流和电机助力矩。电机及其减速机 构的转动惯量、阻尼和摩擦分别等效到CarSim转向系统的相应参数中。因此，电机模型的表达式如下：m t T K i = ? (1p u R i K Gg?(+? ?式中:T m为电机输出

7、力矩；Kt为电机转矩系数；i为电机电流；u为电机电枢电 压;R为电机内阻；s为转向小齿轮角速度；G电机减速机构减速比。1.2 CarSim车 辆模型CarSim是专门针对车辆动力学的仿真软件，软件适用于乘用车的建模仿真，车 辆的操纵稳定性分析，并能够实现与Matlab/Simulink的相互调用。这些特点为 EPS 系统阻尼特性分析，提供了可靠的车辆动力学模型。本 文选择了与EPS试验车尺寸 相近的CarSim车辆参数和总 成设置，表1列出了车辆模型的主要参数。2 EPS系统阻尼特性分析EPS系统阻尼特性对转向性能影响分析时，试验工况选择转向角阶跃输入和低 速回正试验。转向角阶跃试验时，车速1

8、00km/h,阶跃幅值30deg起跃时间小于0.2秒。有无 阻尼补偿控制的转向 盘力矩对比曲线，如图3所示。可以看出，在基本助力 控制的基 础上引入阻尼补偿控制后，转向盘力矩的第一个峰值从4.06Nm下降到3.89Nm，超调量从15%减小到10.2%。结果表明：适当的阻尼补偿控制能够改善 EPS系统的动态性能，减小快速转向 时转向盘力矩超调量。? ? ? ?1P图3有无阻尼补偿控制时转向盘力矩对比曲线低速回正试验时，汽车以车速30km/h直线行驶,在5s时对转向盘进行一定的力矩输入，稳定数秒后撒手 回正，转向盘转角对比曲线如图4所示。看以看出施加 阻尼摩擦补偿控制后，撒手回正时方向盘残留角度由

9、25deg降低到20deg降低了5deg。结果表明，EPS阻尼补偿控制能够改善EPS汽车的回正性能。? ? ? ? ?G H J ? ?V?图4有无阻尼补偿控制时转向盘转角对比曲线3 EPS系统阻尼特性测试方法综上,EPS系统阻尼特性对快速转向时EPS系统动态 响应及汽车回正性能有重 要影响。实车调试过程中，需要根据驾驶员主观感觉确定阻尼补偿控制系数随车速 的变化规律,标定过程比较繁琐。通过EPS系统阻尼特性测试，获得转向系统阻尼 系数,为实车标定提供参数依据。表1车辆模型的主要参数 参数数值质心至前轴距离1.04m质心至后轴距离1.56m质心至地面距离0.54m前后轮距1.60m整车质量12

10、31kg簧载质量1111kg簧载质量绕车身纵轴转动惯量 288kgm 2、转动惯量2031.4kgm 2轮胎尺寸【101】3.1 EPS系统阻尼特性测试方法转向系统阻尼特性测试时，将转向机器人安装于转向盘上，保证转向盘处于中间 位置。关闭转向助力，开启转向机器人，驱动转向盘左右两个方向转动，旋转角度为 三角波输入，转向盘转角输入速度为100600deg/s(100deg/递增，峰值为距离转角死 点30deg位置,每次试验两个周期。获取各转向盘转速下，转向盘力矩与转向盘转角的时域数据，并分别对转向盘力 矩和转向盘转角时域数据进行截止频率2Hz的低通滤波处理。并分别对各转向盘转速下左、右两个方向的

11、转向盘力矩在 -360deg, 360deg转角范围内做线 性拟合。以转向盘转角输入速 度100deg/s和 600deg/s为例，转向盘力矩相对转向盘 转角的变化拟合曲线分别如图5和图6所示。-4-2024? ? ? ?1P ? ? GHJ图5 100deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线-6-4-20246 ? ? ? ? ?1P? ? GHJ图6 600deg/s时转向盘力矩变化拟合曲线3.2 EPS系统阻尼特性测试结果各转向盘转速下，左、右转两个方向转向盘力矩在 -360deg, 360deg转角范围内 线性拟合直线的截距，为转向盘到转向轮部分的转向阻力矩，包括系统摩擦力矩与阻 尼力矩，具

12、体数值如表2所示。绘制左、右两个方向，转向阻力矩相对转向盘转 速的变化曲线，如图7所示,斜率 即为转向系统阻尼系数擞值为0.29Nms/rad。4结束语1建立EPS系统仿真验证平台，进行转向角阶跃 和低速回正仿真试验。试验结 果表明，阻尼补偿控制可 改善EPS系统动态响应和回正性能。2基于K&C试验台进行不同转向盘转速输入试验,获取各转向盘转速下，转向盘力矩与转向盘转角的时域数据。3绘制各转向盘转速下，左、右两个方向的转向阻力矩相对转向盘转速的变化 曲线，斜率即为转向系统阻尼系数。参考文献：1 Aijun Hu.Developme nt of the Automobile Steeri ng

13、SystemJ.Applied Mechanics and Materials,2011,42:272-275.2 FAN Cha ng-she ng, GUO Yan-li ng. Desig n of the Auto ElectricPower Steeri ng System Con trollerJ.Procedia En gi neeri ng, 2012, 29:3200-3206.3 林逸，施国标，邹常丰，等.电动助力转向助力控制策略的研究J.汽车技术,2003,(3:8-11.4 Baharom, Masri B.;Hussa in, Khalid; Day, Andrew

14、J. Desig nof full electric power steeri ng with enhan ced performa nee over that of hydraulic power-assisted steeringJ.Proceedings of the Institution of MechanicalEn gi neers,2013,227(3:390-399. 5王祥.汽车线控转向系统双向控制及变传动比特性 研究D.长春:吉林大学,2013.赵景波，周冰，贝绍轶.电动汽车EPS系统阻尼工况Bang-Bang-PID控制 J.电机与控制学报,2011,15(11:95-

15、99.7 余为清，熊国良，梁占峰.电动助力转向系统助力特性曲线的分析与改进J.拖拉机与农用运输车,2011,38(3:11-16.8 孟涛，余卓平，陈慧，等.电动助力转向控制策略研究及实验验证J.汽车技术,2005(5:26-30.9 Yan gli ng Cao, Shus ong Yan g.Study on Assista nee Torque Con trolStrategyof Electric Power Steeri ng SystemA.Electric In formatio n and Con trol Engineering (ICEICEC.2011:5372-5374

16、.表2不同转向盘转速下左右两侧转向阻力矩转向盘转速(deg/s左侧转向阻力矩(Nm右侧转向阻力矩(Nm1003.66-3.492003.81-3.713004.01-3.864004.12-4.025004.23-4.116004.36-4.20? ? ? 1P? GHJ V图7转向阻力矩相对转向盘转速的变化曲线WANFANG DATA电动助力转向系统阻尼特性分析及测试方法作者:李绍松,牛加飞,于志新,李连京,钟博浩,LI Shao-song, NIU Jia-fei, YUZhi-xin, LI Lian-jing , ZHONG Bo-hao作者单位:李绍松丄I Shao-song长春工业大学汽车工程研究院，长春130012;长春工业大 学机电工程学院，长春130012 ,牛加飞，于志新李连京,钟