基于双伺服电机的电动助力转向器硬件在环仿真试验平台 - 图文-

1、第43卷第10期2009年10月浙 江 大 学 学 报(工学版Journal of Zhejiang U niver sity (Eng ineering ScienceVol.43No.10Oct.2009收稿日期:2008-08-15.浙江大学学报(工学版网址:w w w.journals.z 基金项目:浙江省重大科技攻关资助项目(2004C11025.作者简介:姚栋伟(1981-,男,浙江德清人,博士生,主要研究掺醇汽油蒸发过程及进气空燃比控制.E -mail:cyril1205通信联系人:吴锋,男,教授.E -mail:w ficecm ee.z DOI:10.3785/j.issn.

2、1008-973X.2009.10.031基于双伺服电机的电动助力转向器硬件在环仿真试验平台姚栋伟,吴 锋,杨志家,俞小莉(浙江大学动力机械与车辆工程研究所,浙江杭州310027摘 要:针对传统汽车转向系统建模仿真方法精度不高的问题,在深入研究二自由度整车动力学模型和轮胎模型的基础上,设计开发了一套基于双伺服电机加载的电动助力转向器(EPS硬件在环仿真试验平台.EP S 总成输入端可以选择方向盘手动加载或伺服电机自动加载,输出端则根据整车动力学模型和轮胎模型在当前方向盘转角及实车运行参数下的求解结果,由输出端伺服电机动态模拟实际汽车转向阻力矩,并通过检测关键信号指导调试与检验EPS 系统性能.

3、实际应用表明,该试验平台实时性、可靠性好,仿真试验精度高,能对EP S 关键性能参数进行准确把握,非常适合于EP S 系统的研发、测试及性能评价.关键词:电动助力转向器;硬件在环;伺服电机中图分类号:U 463.444;U 467.523 文献标志码:A 文章编号:1008-973X(200910-1931-04Hardware -in -loop simulation test platform of electric powersteering system using two servo motorsYA O Dong -w ei,WU Feng,YAN G Zh-i jia,YU Xi

4、ao -li(P ower M achiner y and V ehicular Eng ineer ing I nstitute ,Zhej iang Univer sity ,H angz ho u 310027,ChinaAbstract:A tw o deg rees -of -freedom vehicle dynam ic and a tyre m odel w ere discussed to o vercom e the low precision of the traditional vehicle steer ing sy stem m odeling and simula

5、tio n.Then an electric pow er steer -ing sy stem(EPShar dw are -in -loo p sim ulation test platfor m using tw o serv o moto rs w as dev elo ped.EPS steering angle can be input by either hand o r input servo motor,w hile the o utput ser vo m otor can dynam-i cally simulate the r eal vehicle steering

6、resistance torque accor ding to the so lutions of vehicle dynam ic and ty re m odel under curr ent steering angle and realv ehicle operating par am eters.Thus the EPS can be evalua -ted and debugg ed by detecting and checking critical sig nals.Test results sho w that the simulation test plat -form h

7、as goo d rea-l tim e and reliable character istic as w ell as high simulation precision,and can correctly catch the critical EPS performance parameters,so it is very suitable for developing,testing and evaluating EPS.Key words:electric pow er steering sy stem (EPS;hardw ar e in loop;servo motor 随着电子

8、技术的飞速发展和和控制理论、信息技术的进步,汽车电动助力转向系统(EPS日渐成熟.作为一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术,汽车电动助力转向技术在节能、环保、安全和舒适性方面很好地解决了传统液压助力转向系统(hydraulicpow er steering system,H PS和电控液压助力转向系统(electr onically contr olled pow er steering sys -tem ,ECPS存在的结构复杂、功率消耗大、易泄漏、转向助力不易控制以及转向助力特性单一等诸多问题.目前,汽车电动助力转向系统大有取代液压助力转向系统之势,市场前景广阔.同多数汽车电子产品一样,EP

9、S 研发也需要采用系统建模仿真和实车道路试验相结合的方法.为了便于建模与仿真过程,提高仿真运行速度,传统的汽车转向系统模型,一般对相关机械结构和电气模型进行了很多简化,忽略了诸多非线性环节和某些电气特性,虽然能对实际EPS 研发起到一定程度的指导作用,但是仿真模型同实际模型有很大差距,仿真精度也不高1.笔者在深入研究整车及轮胎动力学模型的基础上,设计开发了一套基于双伺服电机驱动的EPS 硬件在环(hardware in loop,HIL仿真试验平台.该平台将整车及轮胎动力学模型和方向盘、EPS 总成进行了 虚实 结合,利用伺服电机模拟转向负载,提高了整个系统仿真平台的精度,减少实车试验次数,从

10、而缩短EPS 系统的研发周期.1 H IL 仿真试验平台原理设计传统转向柱助力式EPS 系统主要由3大部分构成:信号传感装置(包括扭矩转角传感器、车速传感器、转向助力机构(电机、离合器、涡轮蜗杆减速机构及电子控制单元ECU ,如图1所示.当驾驶员操纵方向盘时,控制单元ECU 不断接收扭矩转角传感器信号和车速传感器信号,通过内部控制策略,控制助力电机进行转向助力2.为了提高建模和仿真精度,加快EPS 系统研发,减少实车试验次数,根据管柱式EPS 的结构特性,设计EPS 硬件在环仿真试验平台功能模块框图如图2所示 .图1 传统转向柱助力式EPS 系统组成F ig.1 Com position di

11、ag ram of traditional co lumn EP S sy stem整个平台可以分为硬件实物和虚拟现实两部分.硬件实物部分主要包括驾驶员、方向盘、EPS 样机;虚拟现实部分主要是双伺服电机驱动加载机构,用来模拟由于车辆操纵动力学以及路面环境影响带来的转向阻力矩变化.具体地说,当驾驶员操纵方向盘转动时,系统能够根据当前方向盘扭矩、转角信息图2 EPS 硬件在环仿真试验平台模块框图Fig.2 F unctio nal module diagr am o f EPS H IL simula -tio n test system以及存储在工控机中大量实车动力学参数,如行驶车速、横向加速

12、度等,对整车动力学模型和轮胎模型求解,从而可以通过伺服电机模拟提供给EPS 系统变化的负载,以此来检测其动态性能和内部控制算法的有效性.由于该仿真试验平台主要考察汽车转向系统特性,本文采用了较为简单的二自由度(汽车质心侧偏角和横摆角速度整车动力学模型3-4来模拟实车运动,该模型忽略了悬架的作用,认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动,同时假定汽车沿x 轴前进速度u 保持不变,如图3所示.图3 二自由度整车动力学模型Fig.3 Vehicle dynamic model w ith two degrees of freedom根据牛顿第二定律,整车所受外力沿y 轴方向合力F y 和绕质心z 轴力矩

13、M z 可表示为F y =F y f cos +F y r =ma y ,M z =F y f cos a -F y r b =I z r .(1考虑到质心侧偏角 ,前轮转角 较小,故可近似认为:a y v +u r ,co s 1,代入式(1可得二自由度整车动力学模型如下: F y f +F y r =m v +u r =mu + r ,F y f a-F y r b =I z r .(2式中:F y f 为前轮侧向力,F y r 为后轮侧向力,m 为整车质量,v 为质心侧向速度分量,u 为质心纵向速度分量, 为质心侧偏角, r 为横摆角速度,a 、b 分别为质心至前后轴的距离,I z 为整

14、车绕z 轴转动惯量.前后轮侧向力由轮胎侧偏力提供.出于简化模型目的,轮胎模型采用最简单的线性化模型:1932浙 江 大 学 学 报(工学版 第43卷F Yf=k f 1,F Y r=k r 2.(3式中:k f、k r分别为前后轮侧偏刚度; 1、 2分别为前后轮侧偏角,可表示为1= +a r/u- ,2= -b r/u.(4由式(2(4整理后得到二自由度整车运动微分方程如下:-I z0 0-mu r+1uk f a2+k r b2k f a-k r b1uk f a-k r b-mu k f+k rr=k fk f a.(5汽车转向助力矩大小可以用下式来计算4-5:T L=F Yf d +d

15、.(6式中:d 为轮胎拖距,d 为主销后倾拖距.将式(3、(4代入式(6,可得T L=k f +a ru- d +d .(7若转向系传动比为i,即 =i ,其中 为方向盘输入转角,结合式(5、(7后可得-I z0 0-mu r+1u k f a2+k r b2k f a-k r b1uk f a-k r b-mu k f+k rr=k fk f ai ,T D=T L i=k f +a ru- d +d i.(8式中:T D为折合到转向输出轴上的转向阻力矩.将汽车质心纵向速度分量u作为参数,方向盘输入转角 作为输入变量求解上述微分方程组(式(8,即可求得已知方向盘输入转角下任意时刻的汽车质心侧

16、偏角 和横摆角速度 r,进而求得输出轴转向阻力矩T D.求得T D后仿真试验平台便可根据T D控制加载机构,实现转向阻力矩的模拟.2 H IL仿真试验平台硬件设计H IL仿真试验平台硬件设计着重考虑了EPS系统研发、标定以及性能检测过程中的各种要求以及可能出现的问题,具有良好的柔化性和扩展性,其硬件结构框图如图4.图4 EPS硬件在环仿真试验平台硬件结构框图Fig.4 H ardwar e str uctur e diag ram o f EPS H IL simulationtest system试验台架部分主要包括EPS及转向系统总成、输入输出扭矩传感器(德国H BM公司T5动态扭矩传感器

17、,全程测量精度0 1%、助力电压和电流传感器(H oneyw ell CSNE151-100,常温下最大测量误差为 0 5%、双伺服电机(松下M SMA系列驱动加载机构等,主要实现对EPS转向系统的可控加载以及转向输出轴转向负载的模拟.采用伺服电机模拟转向阻力矩,不仅克服了磁粉加载器无法模拟回正力矩的弊病,而且打破了弹簧加载方式只能模拟线性路面阻力矩的局限,从而为产品开发测试和硬件在环仿真试验提供了条件.控制系统部分以工控机为核心,主要实现对ECU的在线调试,通过研华ISA板卡产生ECU正常工作所需的实车信号,通过伺服电机驱动器控制输入端伺服电机的加载方式和输出端伺服电机的转向阻力矩模拟,以及

18、H IL仿真试验平台各种信号量的采集.进行硬件在环仿真试验时,输出端伺服电机工作在转矩控制模式,用于模拟作用于EPS转向输出轴上的转向阻力矩.模拟转矩大小和方向由控制系统根据当前采集到的方向盘转角信号以及当前设定的车型信息、运行参数,通过求解整车动力学模型和轮胎模型,即由式(8求解获得.输入端伺服电机可以根据不同的加载方式,工作在位置控制模式或转1933第10期姚栋伟,等:基于双伺服电机的电动助力转向器硬件在环仿真试验平台 矩控制模式.同时为了方便通过方向盘手动输入时获得的手感来判定EPS 系统性能优劣,在伺服电机加载基础上又增设了方向盘手动输入方式(图4.通过工控机控制输入端离合器的开合就可

19、以在方向盘手动输入方式与伺服电机自动输入方式之间进行自由切换.3 H IL 仿真试验平台软件设计H IL 仿真试验平台软件基于Window s 9x 系统,采用C+Builder 6 0与嵌入式汇编共同开发实现,其主要功能模块包括:系统设定模块(包括传感器标定及硬件输出驱动设定、仿真试验参数设定、H IL 仿真试验模块、试验数据分析模块、历史数据回放模块以及帮助模块,等等.进行硬件在环仿真试验时,H IL 仿真试验模块能够根据转向输入轴当前的扭矩转角信息以及存储在工控机中大量实车动力学参数,由式(8整车动力学模型和轮胎模型,进行实时计算转向输出轴上的转向阻力矩,从而可以通过伺服电机模拟提供给E

20、PS 系统变化的负载,以此来检测EPS 系统的动态性能和内部控制算法的有效性.试验平台软件流程图如图5所示.图6是通过H IL 仿真试验平台得到的自行开发EPS 系统助力特性曲线图,针对的车型为奇瑞QQ,给出了0、30、60和80km /h 等4种车速(v 下的实测助力特性曲线,其中I 为助力电机电流,T 为输入扭矩.需要指出的是,由于存在残余应力,试验平台输入扭矩传感器与EPS 本身扭矩传感器检测存在一定偏差,每种车速下EPS 加载与卸载时的助力曲线并不完全重合.残余应力使得EPS 扭矩传感器相对试验平台输入扭矩传感器信号滞后,因此加载曲线相对卸载曲线在坐标系上相对偏小.表1给出了根据助力特

21、性曲线图计算得到的各车速下助力曲线实测参数.表1 各车速下助力曲线特性参数T ab.1 Character istic parameters o f assistance curv e underdiffer ent v ehicle speedv /(km h -1I max /A 左右助力对称度/%025.093 313017 386 75608 587 75803 390 874 结 语为提高汽车转向系统建模和仿真精度,本文针对现有转向柱助力式EPS 结构特性,以二自由度整车动力学模型和轮胎模型为基础,设计了基于双伺(下转第1944页8W A T SON D.Co mputing the

22、 n-dimensional Delaunaytessellatio n with applicat ion to V or ono polyto pesJ.The C omputer Journal,1981,24(2:167-172.9ZH EN G Y,LEW IS R W,G ET HI N D T.T hree-dimen-sional unstr uctured mesh g ener ation:Part1.fundamen-t al aspects of t riang ulation and point cr eationJ.Com-puter Methods in Appl

23、ied Mechanics and Engineering, 1996,134(3/4:249-268.10陈建军.非结构化网格生成及其并行化的若干问题研究D.杭州:浙江大学,2006.11U L RICH T.Chunked LO DCP/O L.2002-08-06.http: pr do wnlo ads.sour cefo rg bed/chunkdemo-2002-08-06.zip?dow nlo ad.12L IN DST R OM P,K OL L ER D,RIBAR SK Y W,et al.R ea-l time,co ntinuous level of deta il

24、render ing of heightf ieldsC Proceedings of the23rd Annual Conferenceon Computer Graphics and Interactive Techniques.N ewY ork,NY,U SA:A CM,1996:109-118.13EV AN S F.Str ipe V2 0CP/OL.1998-10-05.http: w ww.cs.suny /str ipe/str ipe.tar.gz.14BA KER T J.A utomatic mesh generat ion fo r complext hr

25、 ee-dimensional reg ions using a co nstr ained D elaunay t riang ulatio nJ.Engineering with Computers,1989,5(3-4:161-175.15G EORG E P L.Improv ements o n Delaunay-basedt hr ee-dimensional auto matic mesh generato rJ.Finite Elements in Analysis and Design,1997,25(3-4:297-317.16Elev ation file reposito ryDB/O L.2008-11-05htt p:vter rain.or g/repo/elev/maui_2k.zip17Lar ge g eometr ic models ar chiv eDB/OL.2008-11-05.htt p: w ww.cc.g atech.