电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响(1).pdf

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1、第36卷?第9期2008年?9月?华?中?科?技?大?学?学?报(自然科学版)J.Huazhong Univ.of Sci.&T ech.(Natural Science Edition)Vol.36 No.9?Sep.?2008收稿日期:2007?10?09.作者简介:任卫群(1971?),男,副教授,E?mail:renweiqun .基金项目:国家自然科学基金资助项目(60674067);清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目(KF2006?02).电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响任卫群1,2?陈慧鹏1?谢?彬1?宋?健2(1 华中科技大学 国家 CAD支撑软件工程技

2、术研究中心,湖北 武汉 430074;2 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)摘要:采用多体系统动力学(MBD)与计算机辅助控制系统设计(CACSD)相结合的方法,分析电动助力转向(EPS)系统对汽车操纵稳定性的影响.在多体系统动力学(以 M SC.ADAMS 软件为支撑)基础上建立包括转向系统、前后悬架系统和前后轮胎的整车动力学模型,作为考察 EPS 系统对整车性能影响的外部环境;在CACSD(以 M atlab/Simulink 软件为支撑)基础上建立 EPS 系统控制模型,研究其助力特性和控制策略.经试验验证,联合仿真模型相对误差在 6%以内,准确地反映了整车的实

3、际情况.关?键?词:电动助力转向系统;汽车操纵稳定性;计算机辅助控制系统设计;控制策略;联合仿真中图分类号:T P391.9?文献标识码:A?文章编号:1671?4512(2008)09?0083?03Analysis of the effect of electric power steeringsystem to vehicle handling performanceRen Weiqun1,2?Chen Huipeng1?X ie Bin1?Song J ian2(1 T he State Engineering Research Center of CAD Software,Huazh

4、ong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2 State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Conservation,T singhua University,Beijing 100084,China)Abstract:T he effect of electric power steering(EPS)system to vehicle handling performance was ana?lyzed by combination of multi?b

5、ody system dynamics(MBD)method with computer aided control sys?tem design(CACSD)method.A detailed multi?body system dynamics model for the full vehicle wasestablished on MSC.ADAMS software,including the steering system,front and rear suspension sys?tem,and the tire system.In this dynamics environmen

6、t,the EPS control system model is establishedon Matlab/Simulink software.This co?simulation model is verified by test data,and the relative erroris below 6%,which is precise enough for the engineering application.Key words:electric power steering system;vehicle handling performance;computer?aided co

7、ntrol sys?tem design;control strategy;co?simulation?电动助力转向(EPS)系统能够对来自转向盘转矩传感器和车速传感器的信号进行分析处理,然后控制电机产生适当的助力转矩,协助驾驶员完成转向操作.EPS 系统能够有效改善车辆性能,同时还具有环保节能的作用,已经越来越广泛地应用于多种车辆上,充分体现出了汽车向智能化、适应未来安全性要求和环保要求的方向发展的趋势 1.对于 EPS 系统的研究与开发,一般采用计算机辅助 控 制 系 统设 计(CACSD)方 法,采 用CACSD 的支撑软件(如 Matlab/Simulink)建立EPS 系统中控制部分

8、的模型,研究其控制规律是否能够满足使用要求 2 5.但是,传统的 CACSD方法仅侧重对控制规律的分析研究,而对于在这种控制规律作用下、EPS 系统对整车性能的影响,则缺乏有力的分析手段支持.本研究采用多体系统动力学与 CACSD 相结合的方法,分析 EPS 系统对汽车操纵稳定性的影响.这种 方 法在 多 体系 统 动力 学(以 MSC.ADAMS软件为支撑)基础上建立包括转向系统、前后悬架系统和前后轮胎的整车动力学模型,作为考察 EPS 系统对整车性能影响的一个外部环境 6,7;在 CACSD(以 Matlab/Simulink 软件为支撑)基础上建立 EPS 系统控制规律的模型,对助力特性

9、及其控制策略进行深入研究.1?联合仿真建模由于操纵稳定性是整车机械系统的重要性能,而 EPS 系统则包含了机械部分和电控部分,因此在整车环境下考量 EPS 系统对整车性能的影响,就要将机械部分和电控部分联合起来进行建模和仿真分析.采用 MSC.ADAMS 软件建立汽车动力学模型过程中,首先是建立底盘和前悬架系统的模型.底盘系统中没有相对运动的部分简化为一个具有集中质量和转动惯量的整体.前悬架系统为双横臂式独立悬架,转向节总成的各零件间无相对运动的视为一个整体,上横臂与底盘、上横臂与转向节总成、下横臂与底盘、下横臂与转向节总成、转向节总成与转向拉杆间均通过铰链(旋转副或球铰)连接,上横臂与底盘间

10、由弹簧连接.然后建立后悬架系统模型,方法与前悬架类似.轮胎模型采用 UA 模型,用经试验采集得到的数据建立轮胎数据文件、地面描述文件,读入软件中进行建模.转向系统机械 部分的建模 也采用 MSC.ADAMS软件.转向系统包括转向盘、转向轴、转向机、转 向 摇 臂、转 向 横 拉 杆 等,在 MSC.ADAMS软件中建立这些部分的模型,转向盘与底盘之间、转向轴与转向机之间、转向机和底盘、转向摇臂与底盘、转向摇臂与转向横拉杆间、转向横拉杆与左右转向拉杆等,通过铰链(旋转副、球铰、万向节副等)连接.采用 MSC.ADAMS 软件完成机械部分的建模后,得到的整车系统(包括上述转向系统机械部分)模型如图

11、 1 所示.图 1?整车系统模型电控系统的仿真,一般采用 Matlab/Simu?link 进行.在建立好 MSC.ADAMS 的模型后,定义模型的输入和输出变量,其中 ADAMS 模型的输出就是进入控制系统的变量,而从控制系统返回到 ADAMS 模型的变量就是 ADAMS 模型的输入,通过设定控制系统的输入、输出变量,就使得机械部分的模型和控制系统的模型建立起联系.然后,将已经定义了输入输出变量的 ADAMS模型,经 ADAMS/Controls 模块 转换 成 一个Matlab/Simulink 能够接受的块,再在 Matlab/Simulink 中建立电控系统的模型.包含 ADAMS块的

12、电控系统模型如图 2 所示,经由 ADAMS/Controls 模块输出的 ADAMS 模型块代表了整个模型中的机械部分,其他部分则是 Matlab/Simulink 中建立的电控系统的模型.其中电控系?图 2?电控系统模型?84?华?中?科?技?大?学?学?报(自然科学版)?第 36 卷统的输出,就是机械系统的输入,是经过电控系统计算得到的转向助力扭矩的大小;而电控系统的输入,就是机械系统的输出,也即实际系统中的传感器测定得到的数据,包括方向盘转矩、转角、车速等.经过上述过程的联合仿真,建立起一套包含了机械部分和电控部分的联合仿真模型,就能够用于 EPS 系统对操纵稳定性影响的研究.2?控制

13、策略对改善汽车操纵稳定性的影响?采用上面的联合仿真方法,可以对 EPS 系统在不同控制策略下对整车操纵稳定性的影响进行深入直观的分析,进而考查改进控制策略后对改善操纵稳定性的效果.系统的控制策略如图 3 所示,设 Td和 v 为传图 3?助力控制模式下的控制策略感器测得的力矩和车速,Ta为最终确定的实际助力力矩.这时的助力扭矩,Ka为助力增益,则Ta=KaTd.(1)?考虑到改善汽车操纵稳定性的需要,在以上控制策略中引入横摆角速度的反馈.即由一个横摆角速度传感器测量收集横摆角速度的数值,而在助力扭矩中考虑这个横摆角速度的反馈,这时的助力扭矩表达为Ta=KaTd-C(s)r,(2)式中:r 为横

14、摆角速度;C(s)为针对横摆角速度值的补偿系数,为保证实时性采用简单的低阶线性领先补偿.采用这样的控制策略,得到在方向盘角阶跃输入下、整车横摆角速度输出的数值,与没有引入反馈的情况进行比较,结果如图 4 所示.图 4?有、无反馈时横摆角速度输出值的对比由此可见,引入横摆角速度反馈能够有效地改善整车的操纵稳定性.同时,也反映出将多体系统动力学方法与 CACSD 方法相结合的联合仿真方法,由于考虑了整车机械系统与 EPS 系统中电控部分的耦合,能够直观有效地反映控制策略对操纵稳定性的影响.3?联合仿真模型的验证为了考察仿真模型与实际系统之间的关系,一般采用比较在相同输入条件和运行环境下仿真模型与实

15、际系统输出之间一致性的方法,来评价仿真模型的可信度或可用性.考虑到汽车系统的复杂性和输入数据的精确程度,以及实际实验条件的不确定性,规定两种输出的一致性表述为:输出曲线波动趋势大致相同,所达到峰值的量级相同,局部相对误差一般控制在 10%以内.以这样的标准作为评价仿真模型有效性的准则.整车动力学系统操纵稳定性的联合仿真模型,采用根据国家标准(参考 ISO 标准)规定的试验外部输入条件作为模型验证的边界条件,根据试验结果与仿真结果的对比来进行仿真模型的验证.具体采用方向盘角脉冲输入(在方向盘转角处给定一个脉冲输入),得到整车的横摆角速度输出(绕垂直向上的轴线转动的角速度),仿真分析与试验结果的对

16、比如图 5 所示,相对误差在 6%以内.结果显示仿真模型能够有效地反映实际汽车系统的情况,可用于汽车性能的分析.图 5?实车与仿真试验的横摆角速度对比参考文献1 Nakayama T,Suda E.The present and future of elec?tric power steering J.Int J of Vehicle Design,1994,15:243?254.2 Badawy A,Zuraski J,Bolourchi F,et al.Modelingand analysis of an electric power steering system J.SAE,1999?

17、01?0399.3 Kim H J,Song J B.Control logic for an electric pow?er system using assist motorJ.Mechatronics,2002(12):447?459.(下转第 97 页)?85?第 9 期?任卫群等:电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响?结构(IPMC)的柔性致动器研究 J.中国机械工程,2006,17(4):410?413.4 Zhang W,Guo S X,Asaka K.Developments of twonovel types of underwater crawling microbots

18、 C Proceedings of the IEEE International Conference onMechatronics&Automation.Niagara Falls:IEEEComputer Science Press,2005:1 884?1 889.5 Tadokoro S,Yamagami S,Takamori T.An actuatormodel of ICPF for robotic applications on the basis ofhysico?chemical hypotheses C International Con?ference on Roboti

19、cs and Automation.San Francisco:IEEE Computer Science Press,2000:1 340?1 346.6 Tadokoro S.,Yamagami S.,Takamori T.et al.Modeling of Nafion?Pt composite actuators(ICPF)by ionic motion C Electroactive Polymer Actua?tors and Devices.Bellingham:SPIE,2000:92?102.7 Popovic S,Taya M.Design of electro?activ

20、e polymergels as actuator materials D.Washington:Depart?mentofMechanicalEngineering,UniversityofWashington,2001.8 Yutaka T,Kang S S.Finite element analysis of two?dimensional electrochemical?mechanical response of i?onic conducting polymer?metal composite beams J.Computers and Structures,2005,83:2 5

21、73?2 583.9 Yoon W J,Reinhall P G,Seibel E J.Analysis ofelectro?active polymer bending:a component in a lowcost ultrathin scanning endoscope J.Sensors andActuators A,2007,133:506?517.(上接第 85 页)4 Yun S C,Cho N G,Han C S.A simulation study ofthe control algorithm of a ball screw type motor?driv?en powe

22、r steering system J.Journal of AutomobileEngineering,2002,216:11?22.5 Cabanas R C,Wangb Le Yi.Control of electricalpower assist systems:H!design,torque estimationand structural stability J.JSAE Review,2001,22:435?444.6 Haug E J.Computer aided kinematics and dynamicsof mechanical systems,Volume I:basic methodsM.Boston:Allyn and Bacon,1989.7Gillespie TD.Fundamentals of vehicle dynamicsM.Warrendale:SAE,1992.8 Kristine M,Tanaka H,Inoue N.An EPS controlstrategy to improve steering maneuverability on slip?pery roads J.SAE,2002?01?0618.?97?第 9 期?龚亚琦等:离子聚合物金属复合材料电致动特性数值模拟?