新能源汽車電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

青島中測檢測技術(shù)服務(wù)有限公司 王金濤

在現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的背景下，新能源汽車能夠使石化能源的危機(jī)得到緩解，而且在綠色與環(huán)保方面擁有突出優(yōu)勢，不過其控制系統(tǒng)仍有很多要完善的地方，待控制系統(tǒng)功能充分發(fā)揮后，新能源汽車的能源利用率和實(shí)用性都會(huì)大幅提升，本文基于此，研究了新能源汽車電子轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 對新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)矩傳感器的設(shè)計(jì)

對新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，其硬件系統(tǒng)是由電流傳感器以及轉(zhuǎn)矩傳感器構(gòu)成的。電流傳感器這一反饋信號裝置非常重要，其主要功能是檢測電動(dòng)機(jī)電流的大小。電流傳感器的產(chǎn)生是在LabCar的ES1292板卡之中模擬而成，轉(zhuǎn)矩傳感器的信號是在LabCar的PB4350板卡之中模擬而成。對電流傳感器的設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)矩傳感器的設(shè)計(jì)來說，傳感器設(shè)計(jì)中的上位機(jī)需要完成數(shù)據(jù)處理工作，而下位機(jī)則是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。利用PC機(jī)串口來完成對數(shù)據(jù)的傳輸工作，進(jìn)而能夠測試傳感器的信息、測試方向盤轉(zhuǎn)矩。傳感器設(shè)計(jì)的示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器設(shè)計(jì)

2 新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 新能源汽車的轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制電路的模塊設(shè)計(jì)

新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化主要指的是電路模糊測試模塊，在明確系統(tǒng)的目標(biāo)電流之后，整合整體的電流，使汽車運(yùn)行時(shí)的目標(biāo)電流無論是穩(wěn)定性還是響應(yīng)性均得到改善。電路模糊測試模塊的優(yōu)勢除了有耗電很少以及性價(jià)比很高之外，還有操作流程相對比較簡單，可以有效符合新能源汽車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的實(shí)際需要。需要依據(jù)具體需求對進(jìn)步電機(jī)型號進(jìn)行選擇，常見的進(jìn)步電機(jī)型號以及主要的參數(shù)如下文所示：F-5718HB5401，步距角角度為1.8°，相電阻為1.4Ω，相電感為5mH，額定電流為4.4A，其最大靜轉(zhuǎn)矩為3.1N·m，重量為1.46kg；F-5718HB4402，步距角角度為1.8°，相電阻為0.81Ω，相電感為3mH，額定電流為2.2A，其最大靜轉(zhuǎn)矩為2.8N·m，重量為1.14kg；F-5718HB4401，步距角角度為1.8°，相電阻為3.1Ω，相電感為11.8mH，額定電流為4.4A，其最大靜轉(zhuǎn)矩為2.8N·m，重量為1.14kg；F-5718HB3401，步距角角度為1.8°，相電阻為0.95Ω，相電感為3.7mh，額定電流為3.1A，其最大靜轉(zhuǎn)矩為2.2N·m，重量為1.04kg。電路模糊測試模塊如圖2所示。

圖2 電路模糊測試模塊

2.2 新能源汽車的同步帶的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)新能源汽車的同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，已經(jīng)確定傳動(dòng)比i是2，電機(jī)的最大輸出靜轉(zhuǎn)矩是2.8N·m，最大的轉(zhuǎn)向負(fù)載力矩是2.3N·m，主動(dòng)轉(zhuǎn)速n1是300r/min，同步帶的中心距a是300m。在此情況下，同步帶功率的計(jì)算方式為：

公式中，Pd指的是同步帶的功率，K指的是載荷修正系數(shù)，Pm指的是進(jìn)步電機(jī)功率。

在對同步帶輪的直徑進(jìn)行確定之后，應(yīng)該確定傳動(dòng)帶的節(jié)距與同步帶輪的齒數(shù)，齒數(shù)直徑的計(jì)算方式為：

其中Pd指的是同步帶的節(jié)距，Z指的是同步輪齒。

2.3 對新能源汽車的轉(zhuǎn)向控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)

對轉(zhuǎn)向控制模塊的設(shè)計(jì)來說，極端比例控制的公式為：

公式中，u(t)指的是控制器所輸出的控制量，kp指的是比例系數(shù)，u0指的是時(shí)控制器所輸出的控制量。按照比例+積分控制來計(jì)算整體的控制規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)分析

出于對新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證的目的，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)對比實(shí)驗(yàn)，對比實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容如下文所示：把同種型號的新能源電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的助力特性當(dāng)作實(shí)驗(yàn)對象，把未經(jīng)優(yōu)化的新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)作對比實(shí)驗(yàn)中的對照組，把經(jīng)過優(yōu)化的新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)作對比實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)組，對比這兩組系統(tǒng)的測驗(yàn)結(jié)果。

出于盡最大程度保障實(shí)驗(yàn)公平的目的，實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)組和對照組的各個(gè)參數(shù)需要保證一致。為使新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)在優(yōu)化前與優(yōu)化后的區(qū)別得到充分體現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組應(yīng)該依據(jù)新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化方式來操作，而對照組需要依然使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行操作。對對比實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證環(huán)節(jié)來說，相關(guān)工作人員應(yīng)該重點(diǎn)測試電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩跟隨方向盤的力矩變化規(guī)律與行駛車速的變化規(guī)律，測試的結(jié)果需要使用助力特性曲線來表現(xiàn)。

在對比這兩組系統(tǒng)的過程中，應(yīng)該著重對自動(dòng)行駛的車速和方向盤的力矩變化規(guī)律進(jìn)行比對。二者在EPS轉(zhuǎn)向能力方面的具體情況主要是通過助力特性曲線進(jìn)行展現(xiàn)的。在測試時(shí)，如果兩組控制系統(tǒng)中的行駛車速發(fā)生變化，那么汽車輪胎的作用力點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)變化，在高速行駛的情況下，其控制力矩會(huì)比較小，在高速行駛的情況下，轉(zhuǎn)向力矩會(huì)比較大。在實(shí)際測試時(shí)，兩組系統(tǒng)的車速變動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)組的系統(tǒng)助力效果與對照組的系統(tǒng)助力效果如圖3所示。

圖3 阻力特性對比

在對兩組系統(tǒng)的阻力特性進(jìn)行對比之后，能夠發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在優(yōu)化之后的轉(zhuǎn)向靈敏程度比較高，而且會(huì)更輕便，在相同轉(zhuǎn)向角度的背景下，優(yōu)化之后的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向需求會(huì)變小，在提供助力相同的背景下，助力力矩會(huì)伴隨車速及力矩的改變而出現(xiàn)變化。汽車的助力力矩會(huì)在原地轉(zhuǎn)向助力的階段達(dá)到最大，從而能夠?yàn)槠嚳刂频妮p便性提供保障。按照EPS在多個(gè)環(huán)境中的變化規(guī)律，對具體測試而言，伴隨車速的提高，電動(dòng)機(jī)的助力特性將會(huì)不斷變小。由此可知，新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)在優(yōu)化之后能夠具有更加出色的助力特性，可以使新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)在自動(dòng)控制方面的精準(zhǔn)程度得到大幅提升。

結(jié)束語：總而言之，電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能會(huì)對新能源汽車的動(dòng)力效率與汽車在運(yùn)行時(shí)的安全性產(chǎn)生直接影響，所以，相關(guān)人員需要對新能源汽車的電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，不斷完善電子轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，這樣做能夠?yàn)檠芯抗ぷ鞯捻樌M(jìn)行提供便利。相信在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展與科技不斷進(jìn)步的時(shí)代背景下，新能源汽車在未來的應(yīng)用范圍將會(huì)逐漸擴(kuò)大，其安全性能也會(huì)不斷提升。