電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬試驗平臺的搭建

劉超穎， 張 璐， 吳文江， 王戰(zhàn)中

(1.河北中醫(yī)藥大學，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬試驗平臺的搭建

劉超穎1， 張 璐2， 吳文江3， 王戰(zhàn)中2

(1.河北中醫(yī)藥大學，河北 石家莊 050000；2.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043)

以轉(zhuǎn)向試驗臺架為研究對象，使用UG軟件建立了轉(zhuǎn)向試驗臺架的三維模型。將該三維模型導入ADMAS建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多體動力學模型。使用SIMULINK軟件建立助力電機模型，選擇直線型助力特性曲線為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線，搭建了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，整定了PID參數(shù)。進行了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，實驗結(jié)果符合相關(guān)要求，表明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬試驗平臺搭建成功。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；聯(lián)合仿真；虛擬試驗平臺

0 引言

目前汽車已經(jīng)走進了千家萬戶，人們對于行車安全的關(guān)注度也越來越高，據(jù)統(tǒng)計有40%的交通事故和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有關(guān)[1]。汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，簡稱EPS)是目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流發(fā)展方向[2]。目前關(guān)于機械式、液壓式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的研究已經(jīng)很多，而對于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的研究較少。汽車轉(zhuǎn)向試驗臺架是根據(jù)國家相關(guān)標準建立的研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實驗設(shè)備。建立試驗臺架的虛擬試驗平臺有利于提高EPS性能的研究效率，還可以節(jié)省人力、物力、財力。所以對于試驗臺架虛擬試驗平臺的研究意義重大。

1 虛擬樣機技術(shù)

虛擬樣機技術(shù)是一門新技術(shù)。設(shè)計人員可以在計算機上直接修改零件的幾何屬性、物理屬性、零部件之間的連接關(guān)系、裝配關(guān)系。虛擬樣機技術(shù)不僅可以分析機械系統(tǒng)動力學特性，而且可以完善系統(tǒng)的細節(jié)，直到系統(tǒng)達到理想狀態(tài)。

現(xiàn)在的系統(tǒng)越來越復雜，僅僅依靠某一項技術(shù)往往難以達到預期目標。對于一個復雜的系統(tǒng)往往需要多種技術(shù)的支持，各取所長，才能完成好分析工作。比如幾何建模、結(jié)構(gòu)分析、控制系統(tǒng)建模、有限元分析等等[3-5]。

(1)幾何建模技術(shù)。 幾何建模技術(shù)是在計算機里實現(xiàn)幾何實體輸出的技術(shù)。幾何建模技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)的關(guān)鍵部分。幾何建模技術(shù)需要創(chuàng)建完整的實體信息，并且為其他信息聚合提供幫助。幾何建模包括：特征建模、線框建模、表面建模、實體建模4個部分。通常所采用的建模軟件有：CAD、SOILDWORKS、UG、CATIA等等。

(2)控制系統(tǒng)建模技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)建模是對目標對象進行控制的一種方法。將輸入信號導入系統(tǒng)中，系統(tǒng)會按照既定程序?qū)ζ溥M行計算，得到目標輸出量?？刂葡到y(tǒng)的核心是算法，控制方法也有很多種?？刂葡到y(tǒng)建模軟件有：SIMULINK和PLC等等。

(3)多體動力學建模技術(shù)。隨著多體動力學軟件功能的日益成熟，多體動力學軟件ADMAS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與各種研究領(lǐng)域。在車輛動力學的研究中，多體動力學可以建立復雜的車輛模型，并且直接對系統(tǒng)的性能進行評估，進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析。運用多體動力學軟件研究車輛動力學大大地提高了研究效率和精度。

2 虛擬試驗平臺的搭建

2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多體動力學建模

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺架是根據(jù)國家汽車行業(yè)相關(guān)標準所建立的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)物理實驗平臺。試驗臺架具有真實性、可靠性、易操作性等特點。

對轉(zhuǎn)向臺架進行三維建模，轉(zhuǎn)向臺架如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向試驗臺架

圖2 轉(zhuǎn)向臺架的三維模型主視圖

轉(zhuǎn)向臺架底座長1 800 mm，寬600 mm，高365 mm。轉(zhuǎn)向臺架的整體高度為960 mm。斜齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，齒輪參數(shù)如下：法向模數(shù)2.00 mm，牙數(shù)7，齒寬25.00 mm，法向壓力角20°，螺旋方向為右旋。齒條全長672 mm，有效長度(齒輪齒條可以嚙合的部分)為135 mm。該齒輪齒條為斜齒輪齒條，傾斜角為13.93°。使用UG軟件建立的轉(zhuǎn)向臺架三維模型主視圖如圖2所示。

將轉(zhuǎn)向臺架的三維模型導入到ADAMS中，通過添加相關(guān)約束、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和力矩，建立電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多體動力學模型。本文用彈簧來模擬地面的摩擦阻力，因此需要創(chuàng)建拉壓彈簧阻尼器。彈簧的剛度系數(shù)為17 250 N/m，阻尼系數(shù)為0.1。

因為在多體動力學計算時需要用到構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，所以將試驗臺架的全部構(gòu)件進行測量和計算，得到各個部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。把關(guān)鍵部件的參數(shù)記錄在表1。圖3為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各構(gòu)件位置。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各構(gòu)件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量

經(jīng)過以上操作就建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多體動力學模型，經(jīng)統(tǒng)計構(gòu)建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一共用了108個連接，如圖4所示。

圖3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各構(gòu)件位置

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多體動力學模型

2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)建模

控制系統(tǒng)是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心之一。PID控制又被稱為比例、積分、微分控制。PID控制至今已經(jīng)有70多年的發(fā)展歷程。經(jīng)過長時間的發(fā)展，PID控制已經(jīng)形成了較為成熟的理論體系。

助力特性曲線是根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)矩和汽車行駛速度來確定助力電機目標電流的一種曲線。助力特性曲線有3種，分別是直線型助力特性曲線、折線型助力特性曲線和曲線型助力特性曲線[6]。因為直線型助力特性曲線簡單、便于控制，所以本文采用直線型助力特性曲線。如圖5所示。

圖5 助力曲線

直線型助力特性曲線方程式為

(1)

不同的車速下對應(yīng)著不同的比例系數(shù)K，如圖5所示。

本文選取的電動機為直流永磁式助力電機，助力電機的微分方程為[7]

(2)

式中，Um為電機端電壓(V)；Lm為助力電機電感，取0.02 H；Im為助力電機電流(A)；Rm為電樞電阻，取0.123 12Ω；Kn為助力電機轉(zhuǎn)速常數(shù)，取0.007 87 V·min/r；Nm為助力電機轉(zhuǎn)速(rad/s)。

(3)

式中，θ為轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角。搭建電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)，并整定PID參數(shù)。

PID參數(shù)共有3個分別是比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki，微分系數(shù)Kd。設(shè)置Kp=1，Ki=0，Kd=0。不妨選取車速為30 km/h進行調(diào)試。如果結(jié)果理想，助力電流曲線和目標電流曲線始終重合。

對轉(zhuǎn)向盤提供正弦轉(zhuǎn)矩：-2 sin π/3x，設(shè)定運行時間為12s，兩個周期，步長為0.005。如圖6所示，助力電流和目標電流的重合度很是不好。尤其是在目標電流達到最大值或者最小值時，助力電流值與目標電流值差值可達到2A。可見當Kp=1，Ki=0，Kd=0時，調(diào)試結(jié)果不夠理想。

實驗表明，當Kp=25，Ki=1.1，Kd=0.005時，調(diào)試效果最為良好，如圖7所示，達到了目標電流的要求。

圖6 PID參數(shù)整定1

圖7 PID參數(shù)整定2

2.3 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真

實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真就是實現(xiàn)控制系統(tǒng)和多體動力學系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換[8]。將Adams中的多體動力學模型與控制系統(tǒng)相連接，進行相關(guān)的參數(shù)調(diào)試后，就可以實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真了。

Matlab通過Adams/controls模塊與Adams實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Matlab的控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向助力輸入到Adams多體動力學模型中，Adams將助力電機轉(zhuǎn)速反饋給Matlab控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制閉環(huán)回路。搭建電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真的simulink模型，如圖8所示。

圖8 聯(lián)合仿真模型

3 轉(zhuǎn)向輕便性實驗

圖9 轉(zhuǎn)向輕便性實驗

轉(zhuǎn)向輕便性是指車速很慢時系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的靈活性，通俗的來講就是開車很輕松。在相同的車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向時間下，通過比較無助力轉(zhuǎn)向力矩和有助力轉(zhuǎn)向力矩來觀察轉(zhuǎn)向輕便性。轉(zhuǎn)向力矩是轉(zhuǎn)向盤力矩與助力力矩的和。

設(shè)定車速為0 km/h、30 km/h、60 km/h、90 km/h和120 km/h對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性進行分析。給予轉(zhuǎn)向盤一個-2 sin (πx)的轉(zhuǎn)矩，設(shè)置仿真時間為2s。觀察轉(zhuǎn)向力矩。

如圖9所示，隨著汽車行駛速度的變小，轉(zhuǎn)向力矩逐漸增大，符合輕便性的要求。當汽車在車速為0時，轉(zhuǎn)向力矩最大，滿足了轉(zhuǎn)向輕便性的要求。

圖9記錄了不同行車速度下的轉(zhuǎn)向力矩?？梢钥闯?，當車速達到120km/h時，助力電機不提供助力轉(zhuǎn)矩，保證了汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，提供了一定的路感。當汽車原地轉(zhuǎn)向時，有助力轉(zhuǎn)向力矩最大值約為4，是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的2倍。當汽車以30km/h行駛時，有助力轉(zhuǎn)向力矩最大值是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的1.5倍。滿足了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便性要求。當車速為60km/h時，最大比值約為1.3，兼顧了輕便性和路感。

4 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性實驗

轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性是指車速很快時，助力盡可能小或者為0，齒條位移曲線連續(xù)平緩，確保路感和穩(wěn)定性。

設(shè)定車速為90km/h和120km/h對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性進行分析。給予轉(zhuǎn)向盤一個-2sin(πx)的轉(zhuǎn)矩，設(shè)置仿真時間為2s。觀察轉(zhuǎn)向力矩和齒條位移。

如圖10，當車速為90km/h時，有助力轉(zhuǎn)向力矩最大值約為2.3N·m，是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的1.1倍。助力變小，路感增強。當車速為120km/h時，最大比值為1，不提供轉(zhuǎn)向助力，保證了車輛安全。

如圖11，齒條位移曲線呈現(xiàn)出周期為2s類似正弦曲線的變化，曲線光滑平緩，表明汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性良好。當車速為120km/h時，齒條位移略小于車速為90km/h，表明轉(zhuǎn)向力矩變小。與圖10相吻合。

圖10 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性實驗(轉(zhuǎn)向力矩)

圖11 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性實驗(齒條位移)

5 結(jié)論

通過計算機軟件的聯(lián)合仿真，建立了試驗臺架的虛擬試驗平臺，成功模擬了試驗臺架的運行狀況。虛擬平臺的建立使得對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體性能的研究更加方便。節(jié)省了人力物力財力，為接下來的研究打下了基礎(chǔ)。

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Construction of Virtual Experiment Platform for Electric Power Steering System

Liu Chaoying1, Zhang Lu2, Wu Wenjiang3, Wang Zhanzhong2

(1.Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000,China; 2.College of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 3.Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Steering test bench is studied in this paper, and a three-dimensional model test bench is established by UG software. The three-dimensional model is introduced into ADAMS software, and electric power steering system of multi-body dynamics model is established. Booster motor model is established by SIMULINK software, linear assist characteristic curve is selected as the electric power steering system booster characteristic curve, the electric power steering system PID control system is set up, and PID parameters are tuned. Co-simulation of electric power steering system has been carried out, and the results meet the relevant requirements. The co-simulation results show that the electric power steering system virtual experiment platform has been built successfully.

electric power steering system;co-simulation;virtual experiment platform

2016-01-20 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.16

河北省自然基金項目(E2013210107)

劉超穎(1959- )，女，教授，研究方向為機械制造及自動化。E-mail：liucy2009_good@126.com

U461.1

A

2095-0373(2017)01-0086-06

劉超穎，張璐，吳文江,等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬試驗平臺的搭建[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(1):86-90.