電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能仿真研究

顧施張,孫躍東,周　萍

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上?！?00093)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能仿真研究

顧施張,孫躍東,周萍

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向研究通常忽略控制策略對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響,整車與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系的問題,采用模糊PID控制和Carsim-Simulink聯(lián)合仿真方法,在建立電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同工況下不同控制模式的需求,提出了多模式控制策略,應(yīng)用模糊PID控制設(shè)計(jì)了電機(jī)電流控制器模型,并建立Carsim-Simulink聯(lián)合仿真模型。仿真結(jié)果表明,建立的仿真模型是有效的,且所設(shè)計(jì)的控制策略能滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;模糊自適應(yīng)控制策略;聯(lián)合仿真

Research on Electric Power Steering Performance

GU Shizhang,SUN Yuedong,ZHOU Ping

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractFuzzy PID control and joint simulation of Carsim-Simulink are applied for the problem that the study of electric power steering system ignores the influence of control strategy on steering system with the whole vehicle interconnected to the steering system.The multiple model control is proposed according to different working conditions of multi-objective control requirements and the motor current controller model is designed using fuzzy PID control to build the Carsim-Simulink joint simulation.The simulation results show that the simulation model is effective,and the control strategy designed better meets the control requirements of the system.

Keywordselectric power steering;fuzzy self-tuning control;joint simulation

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展,對于汽車安全性能越來越重視,尤其是汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。對于EPS(Electric Power Steering)的研究,國內(nèi)著重于對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模,通常忽略了控制策略對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響以及整車與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的聯(lián)系[1]。所以本文通過Carsim軟件確定整車模型,建立起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車模型之間的相互聯(lián)系并應(yīng)用模糊控制策略對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制,更加有效的分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。

1EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳感器、電控單元等部件組成[2]。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí),速度傳感器監(jiān)測到的速度信號和扭矩傳感器監(jiān)測到的方向盤扭矩信號傳遞給電子控制單元ECU(Electronic Control Unit),ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小、方向和汽車狀態(tài)參數(shù)對轉(zhuǎn)向信息進(jìn)行邏輯判斷并根據(jù)助力特性曲線確定合適的助力矩,實(shí)施助力轉(zhuǎn)向,從而幫助駕駛員克服轉(zhuǎn)向阻力矩或者增加阻尼轉(zhuǎn)矩,保證操作的輕便性和舒適性,提高轉(zhuǎn)向的安全性。

圖1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注:1.方向盤;2.上轉(zhuǎn)向柱;3.扭轉(zhuǎn)傳感器;4.減速機(jī)構(gòu);5.轉(zhuǎn)向輪;6.下轉(zhuǎn)向柱;7.電磁離合器;8.助力電機(jī);9.控制器;10.齒輪齒條轉(zhuǎn)器

2EPS系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)[3]。為了研究方便,將復(fù)雜的非線性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡化為4部分,可分為轉(zhuǎn)向盤和上轉(zhuǎn)向柱、下轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條和電動(dòng)機(jī)4部分,分別列出各部分的動(dòng)力學(xué)微分方程[4]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Js,Bs,Ks,θs為轉(zhuǎn)向盤以及上轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,阻尼系數(shù),扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)角;Td為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩;Je,Be,Ke,θe分別為下轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,阻尼系數(shù),扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)角;Mr,Br,Kr,Xr分別為齒條質(zhì)量、阻尼系數(shù)、剛度和移動(dòng)量;Rp為小齒輪分度圓半徑;Jm,Bm,Km,θm分別為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)、軸扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)角;G為減速機(jī)構(gòu)減速比;Tm為電磁轉(zhuǎn)矩;Tas為助力電機(jī)助力矩。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向仿真模型如圖2所示。

圖2　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向仿真模型

3EPS轉(zhuǎn)向助力控制策略分析

EPS系統(tǒng)的控制模式大致可分為基本助力控制、回正控制和阻尼控制3種[5]。目標(biāo)電流的確定,也是控制器上層控制的確定。EPS的3種控制模式綜合后的電流就是目標(biāo)電流。

3.1　基本助力控制

基本助力控制是EPS系統(tǒng)中最基本的控制模式,其功能是汽車在低速或原地轉(zhuǎn)向時(shí),由于總摩擦力矩比較大,因此通過助力控制使電機(jī)輸出扭矩幫助駕駛員降低轉(zhuǎn)向難度的一種基本控制模式。該模式是ECU根據(jù)傳感器采集到的信號進(jìn)行邏輯判斷,并根據(jù)車輛不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流曲線,然后通過監(jiān)測電動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)際電流,根據(jù)設(shè)計(jì)的控制器來調(diào)整電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的助力矩,幫助駕駛員降低轉(zhuǎn)向難度,提高轉(zhuǎn)向輕便性。

3.2　回正控制

回正控制是為了使方向盤回到中間位置的一種控制模式。汽車在不同工況、路況下轉(zhuǎn)向時(shí),汽車的回正性能會隨之降低,往往會產(chǎn)生回正不足或者回正過度的現(xiàn)象。當(dāng)在汽車在低速工況下回正時(shí),由于摩擦阻力矩大于回正力矩,從而導(dǎo)致方向盤不能回到中位,汽車將駛離原有的軌跡,這就是回正不足;當(dāng)車輛在高速的工況下回正時(shí),總摩擦力矩較小,方向盤會越過中位,這種現(xiàn)象被稱為回正過度,這是一種危險(xiǎn)現(xiàn)象。因此,為了避免這兩種危險(xiǎn)的現(xiàn)象,汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)加入回正控制。其原理是:當(dāng)汽車出現(xiàn)回正不足時(shí),電動(dòng)機(jī)輸出特定的助力增益幫助車輪回正;當(dāng)汽車出現(xiàn)回正過度時(shí),電動(dòng)機(jī)輸出一個(gè)相反地力矩,防止車輪回正過度。從而使汽車獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性[6]。

3.3　阻尼控制

當(dāng)汽車達(dá)到一定速度后轉(zhuǎn)向或行駛在惡劣的路面工況下,會較易引起方向盤抖動(dòng)。因此,阻尼控制為了抑制高速工況下的方向盤抖動(dòng)和減輕不平路面所導(dǎo)致的方盤擺動(dòng)現(xiàn)象。阻尼控制的原理是:當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)生短路時(shí),電動(dòng)機(jī)將會產(chǎn)生一個(gè)大小與其轉(zhuǎn)速成正比的反向轉(zhuǎn)矩[7-8]。

圖3　目標(biāo)電流仿真模型

3.4　助力電機(jī)電流控制

傳統(tǒng)的PID控制中,無法根據(jù)環(huán)境的變化對控制參數(shù)做出相應(yīng)的修改,不能完全滿足隨動(dòng)系統(tǒng)的控制要求,所以導(dǎo)致控制效果不理想。而具有參數(shù)自整定功能的智能PID控制策略,利用模糊控制規(guī)則便可實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的時(shí)時(shí)自我調(diào)整,模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)合了模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、PID控制精度高和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。因此,本文采用自適應(yīng)模糊PID控制策略?？刂破饕哉`差和誤差變化率作為輸入,控制參數(shù)隨著環(huán)境參數(shù)的變化而變化,利用模糊控制規(guī)則將PID參數(shù)調(diào)整到一個(gè)理想狀態(tài)[9],其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4　模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)確定輸入輸出變量。本文將選取電機(jī)的目標(biāo)

電流和電機(jī)的實(shí)際電流差值E以及其的變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量,輸出變量為控制電壓;

(2)隸屬度函數(shù)的確定。模糊運(yùn)算中為了盡可能的實(shí)現(xiàn)良好的控制效果而又不使計(jì)算量過于復(fù)雜,控制器當(dāng)中的電流誤差量E、誤差變化率Ec和PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd的論域{PB PM PS ZO NS MN NB}7種模糊語言變量進(jìn)行描述,分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。將誤差E的論域設(shè)為[-3 3],將誤差變化Ec的論域也設(shè)為[-3 3],將控制參數(shù)Kp的論域設(shè)為[-0.3 0.3],控制參數(shù)Ki的論域設(shè)為[-0.6 0.6],控制參數(shù)Kd的論域設(shè)為[-3 3]。隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù);

(3)模糊控制規(guī)則,如表1所示。

表1　參數(shù)Kp、Ki、Kd控制規(guī)則表

圖5　電機(jī)電流控制器仿真模型

4EPS仿真分析

基于Carsim汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件平臺搭建整車模型,在Simulink中搭建EPS以及控制器模型取代Carsim中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊,仿真如圖6所示。

圖6　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

圖7和圖8分別是低速和高速工況下方向盤回正,汽車在低速和沒有EPS控制的情況下,方向盤回正較慢,轉(zhuǎn)向輪難以回正到中位,出現(xiàn)了回正不足的現(xiàn)象;高速時(shí),方向盤越過中位。在加入EPS控制,低速情況下方向盤殘余角明顯變小,而且方向盤更快、更準(zhǔn)地回到中位,消除了回正不足;高速時(shí),減弱了回正過度的現(xiàn)象。

圖7　低速工況下方向盤回正

圖8　高速工況下方向盤回正

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益反映了轉(zhuǎn)向靈敏度[10],由圖9可知,加入EPS控制的系統(tǒng)在角階躍為輸入時(shí),整車的橫擺角速度能盡快平穩(wěn),同時(shí)抑制了方向盤的振蕩,保證了轉(zhuǎn)向時(shí)的路感,增加了行駛平穩(wěn)性。

圖9　方向盤轉(zhuǎn)角輸入

5結(jié)束語

本文以Carsim的整車模型與EPS的Simulink模型聯(lián)合仿真為基礎(chǔ),對EPS進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果顯示,所建模型和設(shè)計(jì)的控制策略可有效提高駕駛員的駕駛舒適性、安全性和回正的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]石振振.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)及性能仿真研究[D].長沙:湖南大學(xué),2013.

[2]秦孝明.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析與控制研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[3]謝彬.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[4]胡建軍,盧娟,秦大同,等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模和仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(8):10-13.

[5]張昌華,王勇,鄧楚南.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的探討[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(3):173-175.

[6]Ji-Hoon Kim,Jae-Bok Song.Control logic for an electric power steering system using assist motor[J].Mechatronics (S0957-4158),2002,12(3):447-459.

[7]裴學(xué)杰.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性研究[D].太原:中北大學(xué),2014.

[8]王博.某乘用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的研究[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[9]Liao Y G,Du H I.Modeling and analysis of electric power steering system and its effect on vehicle dynamic behavior[J].International Journal of Vehicle Autonomous Systems,2003,1(3):351-362.

[10]盧娟.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真研究[D].重慶:重慶大學(xué),2006.

作者簡介:顧施張(1990—),男,碩士研究生。研究方向:汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。孫躍東(1965—),男,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:車輛動(dòng)力系統(tǒng)及匹配技術(shù),車輛發(fā)動(dòng)機(jī)性能測試。周萍(1964—),女,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)匹配等。

基金項(xiàng)目:上海市科委科研基金資助項(xiàng)目(1114050200)

收稿日期:2015- 06- 06

中圖分類號U461.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-165-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.044