客車旁通流量控制式ECHPS系統(tǒng)仿真與臺(tái)架試驗(yàn)

王 新，宋海兵，江浩斌，耿國(guó)慶

傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為HPS）具有以滿足車輛原地轉(zhuǎn)向或低速急轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱輕便性為主的單一助力特性［1］，因此，當(dāng)大客車高速行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向阻力矩的減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力相對(duì)過(guò)大，令駕駛員感覺轉(zhuǎn)向盤路感不足而使車輛操縱穩(wěn)定性下降。為了克服液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足，人們?cè)谝簤褐D(zhuǎn)向系統(tǒng)中加裝了電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助裝置［2－3］，根據(jù)車速（也有采用車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速）來(lái)控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力，這類系統(tǒng)稱為電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為EHPS）。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Controlled Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為ECHPS）和電動(dòng)油泵式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類。

作者擬研究一種通過(guò)控制液壓系統(tǒng)流量改變助力特性的流量控制式ECHPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在HPS基礎(chǔ)上增設(shè)控制旁通流量的電液比例閥及控制裝置，系統(tǒng)的動(dòng)力仍然由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，以期適合前軸負(fù)荷較大的車輛。

1 流量控制式ECHPS系統(tǒng)工作原理

流量控制式ECHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電液比例閥安裝在通向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)的油道之間。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，電控單元ECU通過(guò)采集車速和轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的程序，發(fā)出控制信號(hào)給電液比例閥，以控制比例閥的開度，從而控制旁通流量，繼而改變助力大小。車速越高，電液比例閥的開度越大，轉(zhuǎn)向助力越小。

圖1 ECHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意Fig.1 Structure of ECHPS system

根據(jù)圖1，得到助力油壓［4］為：

式中：Δp為助力油缸兩端壓差即工作壓力，Pa；ρ為液壓油密度，kg／m3；Q 為液壓泵提供的流量，L／min；Cd為流量系數(shù)；z為轉(zhuǎn)向控制閥的并聯(lián)進(jìn)油口數(shù)目；A為轉(zhuǎn)向控制閥單邊有效節(jié)流面積；Ae為比例閥的有效節(jié)流面積，m2。

2 建立ECHPS系統(tǒng)模型

2.1 基于AMESim，建立ECHPS系統(tǒng)模型

ECHPS系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，主要包括：駕駛員手力、轉(zhuǎn)向盤、扭桿、轉(zhuǎn)閥、電液比例閥、轉(zhuǎn)向器、控制器及油泵等部分。

圖2 ECHPS系統(tǒng)的AMESim模型Fig.2 Model of ECHPS system in AMESim

1）駕駛員手力及轉(zhuǎn)向盤模型

駕駛員手力模型：采用正弦曲線信號(hào)模塊和分段線性信號(hào)模塊，模擬手力大小。通過(guò)設(shè)置參數(shù)，得到不同形狀、頻率和幅值的力矩信號(hào)，并輸出到轉(zhuǎn)向盤模型。

轉(zhuǎn)向盤模型：采用扭矩轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)負(fù)載模擬，輸出扭矩給扭桿。轉(zhuǎn)向盤模型還帶有轉(zhuǎn)角速度傳感器和扭矩傳感器，傳感器分別將測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤角速度和扭矩傳遞給控制模型。

2）扭桿與轉(zhuǎn)閥模型

扭桿模型：采用扭轉(zhuǎn)彈簧和角度傳感器模擬。扭轉(zhuǎn)彈簧接收轉(zhuǎn)向盤模型傳過(guò)來(lái)的扭矩而變形，將上、下端兩角度傳感器輸出信號(hào)之差作為扭桿變形量信號(hào)，再把該信號(hào)傳輸給轉(zhuǎn)閥模型。

轉(zhuǎn)閥模型由4個(gè)節(jié)流閥模擬。上端接高壓油路，下端接回油路，左端接助力油缸左室，右端接助力油缸右室。轉(zhuǎn)閥根據(jù)扭桿變形量信號(hào)控制節(jié)流閥開度，兩者關(guān)系采用文獻(xiàn)［5］中的研究成果。

3）電液比例閥模型

采用HCD庫(kù)中質(zhì)量模塊、閥芯模塊、活塞模塊、函數(shù)模塊、位移傳感器模塊及力轉(zhuǎn)換模塊等，建立電液比例閥模型。用質(zhì)量模塊模擬閥芯質(zhì)量，其位移表示閥芯的位移，并由位移傳感器測(cè)量。用函數(shù)模塊計(jì)算電磁力（只計(jì)算出結(jié)果，無(wú)量綱），用力轉(zhuǎn)換模塊將無(wú)量綱電磁力轉(zhuǎn)換為閥芯受到的電磁力。

電液比例閥模型如圖3所示。端口1為進(jìn)油口，接高壓油路；端口2為回油口，接油箱；端口3和4分別接控制模型的輸入和輸出。端口3將測(cè)量的閥芯位移傳給控制器模型，端口4接收控制模型的輸出電流，經(jīng)運(yùn)算得到電磁力，力轉(zhuǎn)換模塊再將電磁力加載到閥芯上。

圖3 電液比例閥模型Fig.3 Model of electro－h(huán)ydraulic proportional valve

4）轉(zhuǎn)向器模型

轉(zhuǎn)向器模型包括齒輪齒條模型、助力油缸模型及輪胎模型。齒輪齒條模型與扭桿相連，助力油缸與轉(zhuǎn)閥相連，輪胎模型模擬轉(zhuǎn)向阻力。其中，輪胎模型由質(zhì)量模塊、彈性阻尼模塊及函數(shù)模塊模擬，利用質(zhì)量模塊的質(zhì)量和滑動(dòng)摩擦力模擬轉(zhuǎn)向車輪載荷及轉(zhuǎn)向阻力所確定的作用于助力油缸上的阻力，函數(shù)模塊根據(jù)不同車速計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力。

齒條上的等效阻力［6］為：

5）控制模型

控制模型采用AMESim和MATLAB／Simulink接口圖標(biāo)模塊模擬，輸入為車速、轉(zhuǎn)向盤角速度、轉(zhuǎn)向盤扭矩及比例閥閥芯位移，輸出為控制電流，接電液比例閥。它是實(shí)現(xiàn)車速、轉(zhuǎn)向盤角速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩及閥芯位移與電液比例閥電流之間關(guān)系的控制算法。具體控制策略在Simulink中建立。

2.2 控制策略制定及建立模型

由于行車轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩隨車速的增大而減?。?］，因此轉(zhuǎn)向助力會(huì)隨車速的增大而減小。為保證助力跟隨性，轉(zhuǎn)向助力會(huì)隨轉(zhuǎn)角速度的增大而增大?？紤]到緊急避險(xiǎn)工況下需要瞬時(shí)提供較大助力這一狀況，制定了基本助力控制與附加力矩控制相結(jié)合的控制策略。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償PID控制算法。

ECHPS系統(tǒng)控制如圖4所示。控制過(guò)程為：ECHPS系統(tǒng)的控制單元根據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，按照基本助力控制，計(jì)算出目標(biāo)助力油壓。經(jīng)過(guò)計(jì)算模塊，得到閥芯目標(biāo)位移。運(yùn)用前饋補(bǔ)償PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯位移的閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)計(jì)算閥芯目標(biāo)位移，得到目標(biāo)電流。同時(shí)，由傳感器采集的車速和轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)確定的附加力矩控制，計(jì)算出附加電流，將目標(biāo)電流與附加電流疊加的電流輸出給電液比例閥。

圖4 ECHPS系統(tǒng)控制框圖Fig.4 ECHPS control block diagram

按照理想助力特性曲線的要求［8］，基于某大客車設(shè)計(jì)的ECHPS系統(tǒng)助力特性曲線如圖5所示?；局刂凭褪前凑罩μ匦郧€，提供轉(zhuǎn)向助力。

基于車速和轉(zhuǎn)向盤角速度制定的附加力矩控制策略如圖6所示。這里采用邏輯門限值控制，其特點(diǎn)是不需要建立具體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且對(duì)系統(tǒng)的非線性控制非常有效，適用于各種工況的控制［9－11］。設(shè)定附加力矩的車速門限值為50km／h和80km／h，轉(zhuǎn)向盤角速度邏輯門限值為200°／s和500°／s。I1～I(xiàn)4表示在某一車速下附加助力控制對(duì)應(yīng)最大電流，ω0和ω1分別代表兩個(gè)角速度的門限值。可以看出：當(dāng)車速大于50km／h且角速度大于ω0時(shí)，附加力矩控制才起作用；某一車速下當(dāng)轉(zhuǎn)向盤角速度大于ω0時(shí)，隨著角速度的增大，附加力矩控制的電流增大，則比例閥電流減小，系統(tǒng)助力增大；當(dāng)角速度大于ω1時(shí)，此時(shí)附加電流達(dá)到最大，比例閥電流減到最小，系統(tǒng)提供最大的助力；在相同的角速度下，車速越大，附加力矩控制的電流越大。

圖5 不同特征車速下助力特性曲線Fig.5 Assist characteristic curves of different characteristic speeds

圖6 附加力矩控制策略Fig.6 Additional torque control strategy

ECHPS系統(tǒng)控制器在Simulink中的模型如圖7所示。輸入信號(hào)分別為駕駛員操縱力矩、車速、轉(zhuǎn)向盤角速度及閥芯位移。由駕駛員操縱力矩和車速輸入信號(hào)按照基本助力控制模式計(jì)算出目標(biāo)助力油壓，后轉(zhuǎn)化為閥芯的目標(biāo)位移，再與閥芯反饋位移比較，運(yùn)用前饋補(bǔ)償PID算法，得出閥芯理想位移，繼而得到理想電流，理想電流與附加電流疊加，最終得到比例閥控制電流。

圖7 ECHPS系統(tǒng)控制器在Simulink中的模型Fig.7 Model of ECHPS controller in Simulink

3 ECHPS系統(tǒng)性能仿真

以6120G22A大客車為研究對(duì)象，其HPS系統(tǒng)的主要參數(shù)為：前軸載荷65kN，胎壓0.8MPa，液壓泵流量18L／min，助力油缸內(nèi)徑105mm，活塞行程370mm。

3.1 不同車速下的電液比例閥響應(yīng)和助力特性

駕駛員手力正弦輸入，幅值6N·m，周期4s，得到低速（20km／h）、中速（40km／h）及高速（80km／h）下電液比例閥電流曲線及助力特性曲線，分別如圖8，9所示。

圖8 三種車速的電液比例閥電流曲線Fig.8 Current curve of electro－h(huán)ydraulic proportional valve under three vehicle speeds

圖9 三種車速的助力特性仿真結(jié)果Fig.9 Assist characteristics curves of the ECHPS system

仿真結(jié)果表明：

1）比例閥電流隨車速的增大而增大，助力隨車速的提高而逐漸減小。由于轉(zhuǎn)向阻力矩隨車速的增大而減小，因此系統(tǒng)提供的助力會(huì)隨車速的增大而減小，比例閥電流會(huì)隨車速的增大而增大；低速轉(zhuǎn)向時(shí)助力較大，滿足了轉(zhuǎn)向輕便性要求，中、高速轉(zhuǎn)向時(shí)助力較小，滿足了良好“路感”要求，有利于提高車輛操縱的穩(wěn)定性。

2）由于加入了控制策略，比例閥電流在逐漸穩(wěn)定的過(guò)程中變化小，最終在0.8s達(dá)到穩(wěn)定。

3）圖8中電流在0時(shí)刻附近較大，這一現(xiàn)象由控制模型中計(jì)算導(dǎo)致。在助力油壓到閥芯位移的計(jì)算模塊中，通過(guò)式（1）計(jì)算比例閥節(jié)流面積時(shí)，目標(biāo)油壓在0時(shí)刻為0MPa，此時(shí)，得到的比例閥節(jié)流面積最大，由此計(jì)算得到的電流也超出了實(shí)際值很多，該處仿真結(jié)果可不予考慮。

3.2 附加力矩控制仿真

假設(shè)車輛以60km／h直線行駛，突遇前方障礙物。駕駛員給方向盤施加一個(gè)力矩階躍信號(hào)，反應(yīng)時(shí)間為0.5s。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速分別為150，300和400deg／s時(shí)，比例閥閥芯位移響應(yīng)如圖10所示。

圖10 不同方向盤轉(zhuǎn)速下的閥芯位移響應(yīng)Fig.10 Spool displacement response at different rotation speed

在附加力矩控制范圍內(nèi)，即車速v＞50km／h且方向盤轉(zhuǎn)速w＞200deg／s，在某車速轉(zhuǎn)向時(shí)，隨著方向盤角速度的增大，閥芯位移逐漸減小，則比例閥旁通流量減小，使得進(jìn)入轉(zhuǎn)閥的流量增加，助力油壓增大，提高了緊急大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向下的助力跟隨性。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

將研制的電液比例閥安裝到GY110型循環(huán)球轉(zhuǎn)向器上，依次連接信號(hào)發(fā)生器、示波器、控制器及電液比例閥電磁線圈，在液壓助力轉(zhuǎn)向器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行ECHPS臺(tái)架試驗(yàn)。信號(hào)發(fā)生器模擬車速，示波器顯示實(shí)時(shí)電流，控制器包含電源模塊、車速處理模塊、CPU模塊和電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊。試驗(yàn)測(cè)得車速分別為20，40和80km／h的助力特性如圖11所示。

圖9與圖11對(duì)比得出：

1）仿真和試驗(yàn)的飽和區(qū)最大壓力及相應(yīng)的駕駛員操縱力矩一致。

2）隨著車速的提高，助力特性曲線上升幅度漸緩。低速行車轉(zhuǎn)向時(shí)，壓力能在瞬間快速上升，表示系統(tǒng)助力跟隨性較好，有利于保證低速轉(zhuǎn)向輕便性；高速行車轉(zhuǎn)向時(shí)壓力上升緩慢，有利于保證良好“路感”，防止轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”，車輛操縱穩(wěn)定性好。

圖11 3種車速的助力特性試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 The test of assist characteristics curves of the ECHPS system

5 結(jié)語(yǔ)

利用AMESim和Simulink軟件，建立了大客車旁通流量控制式ECHPS系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行了仿真分析。研究了ECHPS系統(tǒng)控制策略，搭建并完成了ECHPS臺(tái)架試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：助力特性曲線一致，驗(yàn)證了所建模型的正確性及所設(shè)計(jì)控制策略的有效性，且系統(tǒng)具有良好的助力跟隨性，可滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性的要求，為大客車ECHPS的產(chǎn)品研究開發(fā)及應(yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。

（

）：

［1］ 劉振成.中型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.（LIU Zhen－cheng.Analysis and study on the improved design of the steering for the medium truck［D］.Changchun：Jilin University，2011.（in Chinese））

［2］ 霍立志.拖拉機(jī)電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與仿真［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大 學(xué)，2010.（HUO Li－zhi.Study and simulation of electro－h(huán)ydraulic power steering system for tractors［D］.Yangling：Northwest A ＆ F University，2010.（in Chinese））

［3］ 李紅海.汽車電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2010.（LI Hong－h(huán)ai.Research of electric hydraulic power steering system electronic control system for automobile［D］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2010.（in Chinese））

［4］ 劉亞輝，高峰，季學(xué)武.前置穩(wěn)壓閥對(duì)ECHPS助力特性的影響［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34（11）：1247－1249.（LIU Ya－h(huán)ui，GAO Feng，JI Xue－wu.Influence of constant pressure valve on boosting char－acter of by－pass flow type ECHPS［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2008，34（11）：1247－1249.（in Chinese））

［5］ 江浩斌，楊兆永，耿國(guó)慶，等.重型車輛流量控制式ECHPS系統(tǒng)建模與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（11）：365－369.（JIANG Hao－bin，YANG Zhaoyong，GENG Guo－qing，et al.Modeling and simulations of bypass flow－controlled ECHPS applied in heavy－duty vehicles［J］.Computer Simulation，2012，29（11）：365－369.（in Chinese））

［6］ 周小健，高翔，沈則方.基于AMESim與Simulink的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2010，37（3）：20－22.（ZHOU Xiao－jian，GAO Xiang，SHEN Ze－fang.Co－simulation study of electro－h(huán)ydraulic power steering system based on AMESim and Simulink［J］.Tractor ＆ Farm Transporter，2010，37（3）：20－22.（in Chinese））

［7］ 日本自動(dòng)車技術(shù)會(huì).汽車工程手冊(cè)［M］.北京：北京理工大 學(xué) 出 版 社，2010.（Society of Automotive Engineering of Japanese Incorporation.Automotive technology handbook［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2010.（in Chinese））

［8］ 趙世強(qiáng).商用車循環(huán)球EPS試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)與研究［D］.長(zhǎng)春：吉 林 大 學(xué)，2011.（ZHAO Shi－qiang.Development and research on the test bench for recirculating ball－type EPS of commerical vehicles［D］.Changchun：Jilin University，2011.（in Chinese））

［9］ Haggag S，Alstrom D，Cetinkunt S，et al.Modeling，control and validation of an electro－h(huán)ydraulic steerby－wire system for articalatied vehicle applications［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2006，12（1）：688－692.

［10］ 陳文良，謝斌，宋正河，等.拖拉機(jī)電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：122－125.（CHEN Wen－liang，XIE Bin，SONG Zheng－h(huán)e，et al.Electro－h(huán)ydraulic power steering fot tractors［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2006，22（10）：122－125.（in Chinese））

［11］ 賴宋紅，熊四昌，袁月峰.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的控制器研發(fā)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30（4）：76－78.（LAI Song－h(huán)ong，XIONG Si－chang，YUAN Yuefeng.Research and development of the controller of electric power steering system［J］.Process Automation Instrumentation，2009，30（4）：76－78.（in Chinese））