新能源汽車電動助力轉向系統的仿真與測試

楊學平，周　明，蔣超宇，薛秀麗，鐘彥雄，陳曉萍

(云南機電職業(yè)技術學院，云南 昆明 650203)

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新能源汽車電動助力轉向系統的仿真與測試

楊學平，周明，蔣超宇，薛秀麗，鐘彥雄，陳曉萍

(云南機電職業(yè)技術學院，云南 昆明 650203)

電動式助力轉向系統(EPS)是一種直接依靠電動機提供輔助轉矩的動力轉向系統，代表著未來新型汽車動力轉向技術的發(fā)展方向?；贚abCar環(huán)境搭建了EPS仿真測試平臺，基于MATLAB/Simulink平臺創(chuàng)建了EPS仿真模型，進行了相關模塊仿真測試。結果表明，使用LabCar測試系統能降低EPS系統的開發(fā)成本，對開發(fā)新能源汽車系統具有實用價值。

電動助力轉向系統；MATLAB/Simulink；虛擬仿真；LabCar

隨著能源問題的日益突出，汽車電動助力轉向系統(EPS)得到了越來越廣泛的關注。EPS以其節(jié)能、環(huán)保和主動安全性能高等特點逐漸取代了傳統液力助力轉向系統，是未來新能源汽車重要零部件組成之一[1]。

國內對EPS系統的研究比國外相對落后，隨著新能源汽車的推廣，該系統已經迅速成為各零部件及研發(fā)公司的研究焦點。EPS系統的研發(fā)已經被定為國家新型科技產業(yè)項目。而對于汽車零部件廠商而言，為保證提供不同汽車廠商眾多型號的EPS，應在出廠之前進行嚴格測試[2]；因此，一套高效的EPS虛擬測試系統的開發(fā)成為重中之重。筆者在掌握德國ETAS公司所開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測試平臺——LabCar的基礎上[3]，提出了一套高效的EPS虛擬測試系統。

LabCar是德國ETAS公司開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測試系統，是一部虛擬汽車，其DEVM模型包含汽車各個子系統。在LabCar-EE環(huán)境下對Simulink軟件中的電動助力轉向系統模型進行仿真測試，并對結果進行分析，以保證后續(xù)測試順利進行，因此，研究該測試系統具有重要參考價值和理論價值。

1　仿真系統硬件設計

1.1EPS工作原理

EPS的轉向動力來源于電動機，根據電動機的分布位置，EPS分為3類：1)轉向軸助力式(C-EPS)，電動機驅動轉向軸而產生助力；2)小齒輪助力式(P-EPS)，電動機通過驅動齒輪提供助力；3)齒條助力式(R-EPS)，電動機通過驅動齒條提供助力。其工作原理基本一致[4]，系統結構如圖1所示。

圖1　電動助力轉向系統結構圖

ECU檢測到汽車發(fā)動機起動點火指令后，會檢測轉向軸上的轉矩傳感器，當汽車開始行駛轉向，方向盤轉動時，傳感器會將檢測到的轉矩變化轉化為電信號傳遞到ECU中；當ECU接收到信號后，根據車速傳感器的輸入計算出最佳轉向特性，得到最終輸出數據；又根據發(fā)動機轉速信號及各種轉向狀況確定用何種控制模式，同時根據控制模塊和輸出的信號來決定電動機的動作；減速機構將電動機產生的助力轉矩放大，經機械裝置向轉向車輪提供助力轉矩，從而實現轉向助力。

1.2EPS測試系統平臺的搭建

仿真測試系統總體設計如圖2所示。上位機用于進行數據處理，下位機用于運行LabCar中DEVM模型中的助力轉向系統。PC機通過串口連接進行數據傳輸，檢測方向盤轉矩、傳感器信息等，達到測試目的。

圖2　測試系統總體設計

1.3電動助力轉向控制策略

EPS控制系統的關鍵點為：1)控制電動機電流特性，即電動機的電流閉環(huán)控制；2)確定電動機助力特性，即目標電流。EPS控制策略如圖3所示。

圖3　模糊控制策略

EPS系統時常要應對錯綜復雜的使用環(huán)境，路況變化導致的方向盤抖動、各種干擾、信號波動及熱輻射等都會對助力轉向造成一定的干擾，故需要更精準的控制程序，同時不斷地對控制系統進行監(jiān)控?；A的助力控制是電動助力轉向系統的核心控制環(huán)節(jié)，其工作過程為車輛ECU接受到各種信號(車速信號、方向盤信號和轉矩信號)，經過車速與電動機目標電流的對應關系而得出目標電流，之后經各種控制算法，輸出相應的轉矩。

1.4電流與轉矩傳感器

電流傳感器用來檢測流過電動機的電流大小，是控制系統中的重要反饋信號，該信號由LabCar中的ES1392板卡來模擬產生。轉矩傳感器有接觸式和非接觸式等2種類型，該信號由LabCar中的PB4350板卡模擬產生。

2　EPS測試平臺軟件開發(fā)

2.1EPS系統MATLAB/Simulink模型

根據基本助力控制和回正阻尼控制模式下的目標電流，搭建出目標控制模塊(見圖4)。

圖4　模糊測試模塊

在目標電流確定后，利用PID對目標電流進行整合，改善目標電流在各種狀態(tài)下的響應性及穩(wěn)定性。封裝后的PID控制模塊與整合后的目標電流模塊加載組合連接，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，連接EPS系統得出系統仿真模型(見圖5)。

2.2LabCar模型連接

LabCar硬件主要由仿真主控機RTPC、操作PC機和輸入輸出硬件組成。仿真主控機RTPC用來加載、運行和計算物理汽車模型；操作PC機用來

圖5　EPS系統仿真模型

安裝LabCar軟件，及在操作PC機上使用用戶界面控制LabCar測試過程。

LabCar的軟件部分主要用來修改與創(chuàng)建仿真模型(EPS)，對LabCar實時過程進行調控，調整與排序仿真測試過程中出現的每一個信號，以及根據操作人員的需求來設置LabCar硬件的驅動。

LabCar實時仿真系統的優(yōu)點是系統內部的軟件庫可以完成將Simulink模型從系統建模、分析到實時仿真的整個過程。具體流程如下：1)利用MATLAB/Simulink將EPS轉化成數學模型；2)連接各數學模型模塊，創(chuàng)建整個EPS系統仿真模型；3)將仿真模型加載到LabCar-DEVM中(LabCar軟件能與Simulink無縫對接)；4)對相應工況進行測試仿真。

3　仿真及結果

助力特性是指電動機輸出的轉矩隨著方向盤力矩和行駛車速的變化規(guī)律，習慣用助力特性曲線來描述。良好合適的助力特性曲線決定了EPS轉向能力的好壞。常見的助力曲線有3種類型：直線型、折線型和曲線型。不同車速行駛時輪胎的作用力點不同，當高速行駛時，轉向力矩相對?。环粗?，轉向力矩需求大。由此可知，車速的變化引起了轉向力矩的改變。同理，轉向系統的助力也隨著車速的改變而改變[5]。

轉向系統的基本特性是轉向靈敏度高，且具有輕便性。選取車速為0時，模擬原地轉向工況，有助力和無助力時方向盤輸入的轉矩變化情況如圖6所示。

圖6　EPS助力效果

從圖6可明顯觀察到，在同一轉向角度下，有助力轉向需求更小的轉向輸入轉矩；有助力轉向比無助力轉向更具有輕便性。

提供助力控制是隨著車速和力矩的變化而變化，車速越小，助力力矩越大，原地轉向時助力力矩最大，保證了低速轉向的輕便；車速越大，助力力矩越小，路感越好，保證了高速轉速的操縱穩(wěn)定性。

任意車速感應下的助力曲線，可以根據EPS不同工作環(huán)境下設計開發(fā)相應的電動機驅動變化規(guī)律。隨著汽車速度發(fā)生變化，電動機的助力特性發(fā)生變化。在實際路況中，隨著車速的升高，電動機的助力特性應減小(見圖7)，這樣才能保證安全性。

圖7　助力特性曲線

4　結語

根據電動助力轉向系統的工作原理、結構及相應的數學模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，設計了基于LabCar的測試系統平臺，并對轉向系統的基本特性進行了仿真。結果表明，所搭建的測試平臺具有良好的可行性，應用方便，為進一步開發(fā)研究電動助力轉向系統提供了重要依據。

[1] 李偉，張德明. 汽車電動助力轉向虛擬測試系統研究[J].計算機測量與控制，2007,15(3)：316-318.

[2] 李彬.汽車EPS控制器測試系統設計[D].北京：中國礦業(yè)大學，2015.

[3] 劉新磊，程增木.基于MATLAB/Simulink的純電動汽車整車控制系統開發(fā)方法研究[J].工業(yè)技術創(chuàng)新，2016,1(3)：1-6.

[4] 何華.基于dSPACE的汽車電動式動力轉向系統控制策略研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[5] 肖柏青.電動助力轉向系統建模與助力控制策略仿真分析[J].北京汽車，2013(2)：25-28.

責任編輯鄭練

Simulation and Testing of Electric-power-assisted Steering System of New-energy Vehicle

YANG Xueping, ZHOU Ming, JIANG Chaoyu, XUE Xiuli, ZHONG Yanxiong, CHEN Xiaoping

(Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology, Kunming 650203, China)

Automobile electric power steering (EPS) is the superior technique which supplies power to steering system of automobile with motor directly. And it has become the sign of future development direction of high technique of automobile. A platform of the electric-power-assisted steering system of testing and simulating is established based on LabCar. The simulation model of EPS has been established based on MATLAB/Simulink and the related modules have been tested. The test results show the cost of development of EPS has been reduced by LabCar systems. This method can improve high practical value for developing of new energy automotive systems.

EPS, MATLAB/Simulink, simulation, LabCar

TK 422

A

楊學平(1987-)，男，碩士研究生，主要從事發(fā)動機電子控制技術等方面的研究。

周明

2016-04-22