汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能研究

摘 要：本文以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能為研究內(nèi)容，通過ADAMS建立了模型汽車的整車的虛擬樣機(jī)模型，在一定的助力特性條件下，分析并設(shè)計了 EPS 系統(tǒng)的回正控制策略，在MATLAB軟件中搭建了回正控制系統(tǒng)，通過ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真的EPS助力效果與純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比驗證了設(shè)計的回正控制策略可以很好的改善汽車在行駛過程中的回正性能，獲得了較好的助力效果，提高了行車的和安全性。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向 主動回正 控制策略 聯(lián)合仿真

中圖分類號：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0107-02

電動助力轉(zhuǎn)向（ElectricPowerSteering，簡稱EPS）系統(tǒng)，是一種全新的汽車動力轉(zhuǎn)向技術(shù)[1]。以其易于實現(xiàn)更佳的操縱特性和轉(zhuǎn)向路感、結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝配等特點成為動力轉(zhuǎn)向技術(shù)新的焦點[2]。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性中，像轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慣量，摩擦，阻尼，以及車速等，成為影響回正特性表現(xiàn)低速狀態(tài)回正不足或者高速狀態(tài)回正過快，以及減弱穩(wěn)定性的情況的主要因素。

本文的目標(biāo)就是要盡量地使所設(shè)計的回正性能達(dá)到要求，使車輛在行駛中擁有更好的回正特性，更佳的操作特性和轉(zhuǎn)向路感，提高汽車在行駛中的舒適性和安全性。

1 建立整車虛擬樣機(jī)模型

轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸的數(shù)學(xué)模型：

式中Js為轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動慣量，Bs為轉(zhuǎn)向軸黏性阻尼系數(shù)，Td為作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，Tw為轉(zhuǎn)向軸作用在輸出端的反作用轉(zhuǎn)矩；θs為轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)角。

齒條及小齒輪機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型：

式中mr為齒條及小齒輪的等效質(zhì)量；br為齒條的阻尼系數(shù)；xr為齒條的位移；rp為小齒輪半徑；FTR為輪胎轉(zhuǎn)向阻力及其他影響因素。

利用ADAMS/CAR模塊建立了整車的虛擬樣機(jī)模型。

通過查找資料得到了原型車的一些基本參數(shù)，特別是對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較大影響的前輪定位參數(shù)和后輪定位參數(shù)，還包括該車的前后輪距及軸距的具體參數(shù)。具體參數(shù)如表1所示。

2 回正控制策略設(shè)計

回正控制是為改善轉(zhuǎn)向回正特性的一種控制模式，其控制策略是電動轉(zhuǎn)向控制的難點，對汽車操縱穩(wěn)定性有著很大的影響。在原地轉(zhuǎn)向和較低車速時，轉(zhuǎn)向齒輪阻力矩較大，輪胎不能自動回正；而當(dāng)車速增大到一定值后隨著車速的提高，輪胎與地面的摩擦力矩減小，回正力矩增大，輪胎能自動回到中間位置，但由于路況情況，轉(zhuǎn)向盤不一定能夠準(zhǔn)確的回到中點，因此需要輸出補(bǔ)償力矩來幫助回正。

汽車為了在運行的時候提高高速直線行駛穩(wěn)定性使用的控制模式就是阻尼控制。助力電機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)時車速是決定阻尼特性的兩個條件。能夠在過快車速的時候，保持駕駛員轉(zhuǎn)向手感就是阻尼控制的主要目的。

阻尼特性需要滿足的條件為：電機(jī)轉(zhuǎn)速θ或方向盤轉(zhuǎn)速不能過快；而電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動加速度或者方向盤轉(zhuǎn)向加速度應(yīng)較為平穩(wěn)，可設(shè)為定值。由此可得，轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)恒定，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩應(yīng)成線性關(guān)系。那么，在該情況下，不妨設(shè)固定車速下，轉(zhuǎn)速與目標(biāo)電流線性相關(guān)。則有：

其中Ki則由當(dāng)前車速決定，記為Ki（v），那么目標(biāo)電流則不為一條單一直線，而是一簇直線，其解析表達(dá)式為：

最終根據(jù)當(dāng)前車速的實際情況，利用解析關(guān)系，得出阻尼系數(shù)Kdamp，助力電機(jī)轉(zhuǎn)速θm，表達(dá)式如下：

EPS系統(tǒng)不斷監(jiān)測方向盤轉(zhuǎn)角，選用基于方向盤轉(zhuǎn)角為對象的PID控制：

其中PI部分對轉(zhuǎn)向盤產(chǎn)生較大的回正助力轉(zhuǎn)矩，微分部分產(chǎn)生較大的阻尼效果，式子中的KP，Kd，Ki根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。利用MATLAB中的SIMULINK搭建出了控制模型如圖1所示。

3 回正控制仿真驗證

車輛在低速行駛的回正性能仿真條件為：方向盤初始角度為90度，車速為30 km/h駕駛員突然撒手（駕駛員的輸入力矩為零）。仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在沒有回正助力矩的情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依靠自身的回正力矩不能使方向盤回到中間位置，轉(zhuǎn)向殘留角為40度。而在有回正控制的情況下，方向盤基本上可以回到中間位置，轉(zhuǎn)向殘留角很小。從而證明設(shè)計的回正控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)EPS系統(tǒng)在車輛低速時的回正性能。

車輛在高速行駛的回正性能仿真條件為：方向盤初始角度為90度，車速為100 km/h駕駛員突然撒手（駕駛員的輸入力矩為零）。仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以依靠自身的回正力矩能夠使方向盤回到中間位置，但是產(chǎn)生了很大的超調(diào)，引起車身的極度不穩(wěn)定。而在有回正控制的情況下，方向盤不僅回到中間位置，超調(diào)量也很小，車身的穩(wěn)定性也比較好。證明所提出的回正控制算法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輛低速時的回正性能，而且能夠改善高速時車輛的操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文描述的控制策略利用對主力轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償改變，保持駕駛員達(dá)到“低速助力，高速阻尼”的手感，也能夠輕松地保證高速行駛的汽車的穩(wěn)定性。方向盤能夠在回正控制下比較準(zhǔn)確的回到中點，車輛能夠持續(xù)平穩(wěn)地回正。很大程度上提高了行車中的安全性。仿真分析結(jié)果驗證了該主動回正控制策略的可行性，可以為電動助力轉(zhuǎn)向概念設(shè)計和實車性能調(diào)校提供回正控制策略方案，從而提高研發(fā)效率縮短研發(fā)周期，具有一定的實際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王其東，楊孝劍，陳無畏.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模及控制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011.

[2]張春花.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性及控制研究[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2007.

[3]馬葳.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略及試驗研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[4]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011

[5]雷瓊紅.汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].機(jī)械工程師，2009，9：53-55.