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1、第25卷 第7期2008年7月 公 路 交 通 科 技Journal of Highway and Transportation Research and DevelopmentVol125No17Jul12008文章编号:10020268(2008)07015504收稿日期:20070514作者简介:王豪(1972-),男,河南社旗人,博士后,从事汽车电动助力转向控制系统研究 1(bylab519 vip1sina1com)电动液压助力转向系统控制算法研究与实现王 豪1,丁润涛1,李志杰1,焦 阳2(11 天津大学 电子信息工程学院,天津 300072;21 天津大学 电气与自动化工程学院,
2、天津 300072)摘要:研究了电动液压助力转向控制系统中转向盘角速度、车速和电机转速之间非线性关系的控制算法,并依据实际控制系统参数,得到该控制系统中车速、电机转速及转向角速度三者的非线性关系,利用仿真软件实现了控制系统所需要的助力曲线。通过在AMESIM中仿真对比表明,运用该算法能够得到较理想的助力曲线,验证了该算法在电动液压助力转向系统中应用的可行性。通过台架试验表明,该系统助力效果明显,控制算法中参数变换对控制系统的影响与实际控制系统控制效果相吻合。关键词:汽车工程;控制算法;仿真;助力转向中图分类号:U46314 文献标识码:AResearch and Realization of
3、Control Algorithm forElectrohydraulic Power Steering SystemWANG Hao1,DING Runtao1,LI Zhijie1,JIAO Yang2(11School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China;21School of Electrical Engineering&Automation,Tianjin University,Tianjin300072,China)Abstract:The control
4、algorithm for electrohydraulic power steering(EHPS)system was researched1Based on theactual control system parameters,the relations of vehicle speed,motor speed and steering angle speed wereobtained1The assistant curve of the control system was worked out by using simulation software1Compared with t
5、heother control algorithm,the power control characteristic curve which got by this improved control algorithm in theEHPS system simulated by AMESIM is more ideal1The feasibility of this control systemfor EHPS system was provedby both the power control characteristic curve and bench test1The effect o
6、f parameter transformon the control systemis same as the control effect of the actual control system1Key words:automobile engineering;control algorithm;simulation;power steering0 前言目前先进的汽车转向系统分为电动液压助力转向(EHPS)系统、电动助力转向(EPS)系统及线控电动转向(SBW)系统13。EHPS系统是在液压助力转向(HPS)系统基础上发展起来的,它使用电机代替发动机带动转向油泵工作,实现了控制智能化。该
7、系统由液压转向器总成、控制器单元、控制电机、转向油泵及转向盘角度传感器等组成。控制器单元根据车速和转向盘角速度信号,依据相应的控制算法,控制电机转速,调节转向油泵的流速,实现可变助力,满足对汽车操控舒适性和安全性的要求4,5。该系统的控制算法可描述为根据车速Va和转向盘角速度二者的关系来调节控制电机转速n,实现可变转向助力。因此如何依据转向盘角速度及车速,通过控制算法来实现对电机转速的控制是研究该系统控制算法的重点。目前,国内对该控制算法的研究还处于探索阶段,本文根据EHPS控制系统特点和转向系统的实际参数,利用AMESIM软件得到了车速、转向盘角速度与控制电机转速的三维对应关系。依托已开发的
8、EHPS系统实验台架,验证了该算法的正确性及可行性。1EHPS系统控制算法电动液压助力转向系统与液压转向系统相比,增加了电机及控制单元。根据对转向操控性的要求,该控制系统的控制算法分为以下两种情况:一是没有转向操作时,即电机怠速时,电机转速随车速的对应关系。在 为0时,电机处于怠速,怠速n与Va的关系设计为:n=kVa+b,(1)其中,k、b为常数且满足k 0,对于不同转向器的要求,其取值也不同。对于任一车速值,都有唯一的一个电机转速与之相对应。这样设计能满足汽车车速较低时电机工作在一个较高的怠速状态,转向时提供较大的转向助力。随着汽车车速的提高,电机怠速逐渐降低,转向油泵的流量相应减小,转向
9、时提供的转向助力也越小。此算法能够满足汽车车速较低时,转向轻便、灵活;车速较高时,转向助力较小,防止了高速时转向盘发飘,增强了高速行车路感和行车安全。二是同一车速时转向盘角速度与电机转速的对应关系。在某一车速下,电机怠速不变。当需要转向时,电机转速会在怠速基础上随着转向盘角速度增大而增加。转向盘的角速度越大,电机的转速越高,提供的转向助力就越大,既满足了快速转向时系统助力的要求,又满足了快速转向助力跟随性。根据转向系统的要求及电机助力特点,该对应关系曲线依据转向盘角速度大小分为3段:角速度低速段、角速度中速段、角速度高速段。在角速度低速段,电机转速基本保持不变,此时电机怠速足以提供转向助力;在
10、角速度中速段,为了增强助力跟随性及提供相应的转向助力,此时电机转速随角速度的增长快速增加;在角速度高速段,电机转速已基本达到该车速下的最大转速,电机转速基本保持不变,既可提供转向助力,又能保证该车速下提供较好的转向路感。该关系曲线可由式(2)来描述。n=n0M+Nnmax(0 1),(2)其中,n0是电机怠速,不同车速时电机怠速值不同;nmax是电机所能达到的最大转速;M、N为系数。由式(1)和式(2)可得到关于车速、转向盘角速度和电机转速的三维非线性对应关系。如果已知车速、转向盘的角速度,就可以知道电机的转速值。以已开发的EHPS系统为研究对象,其具体参数如下:齿轮齿条比4918 mm 转;
11、齿条力06 200 N;转向盘角速度0800()s;车速0150 kmh;电机转速1 3335 000 rpm;电动齿轮泵排量115 cm3;电动齿轮泵流量2517 Lmin;电动齿轮泵压力01014 MPa;液压缸受力面积6120410-6m2。结合实车测试,确定系数k、b、M及N,应用式(1)和(2)并得到Va、n三者对应关系图,如图1所示。在实际应用中会依据不同的车速离散成若干条曲线后再嵌入到控制器中。以此图为基础,可以进行EHPS控制系统的仿真研究与试验。图1Va、n关系图Fig11Relationship amongVa,andn2EHPS系统控制算法仿真分析对于EHPS系统,电机和
12、转向齿条力有以下对应关系:Q=nq-Q1,PpPmax,Q1=(Pp-Pmax)K,(3)P=6Q2(100A)2,(4)F=PS=6(nq-Q1)2(100A)2,(5)其中,Q为泵出口流量;q为泵的排量;Q1为泵的漏流量;P为阀内压强;Pp为泵的出口压强,约等于P;Pmax为泵的泄漏压强;K为泄漏常数;A为转阀有效面积;S为转向油缸的有效横截面积;F为转向齿条力。由式(1)、式(2)和式(5)可以建立车速、转向盘角速度、电机转速及转向齿条力之间的对应关系。AMESIM是法国IMAGINE公司设计的用于汽车、航空航天等领域系统仿真的开发平台,它包含了用于汽车转向设计的图形图件,使用简捷,仿真
13、结果更切合实际。该EHPS控制系统的仿真模块包括:转向盘、算法函数、角速度传感器、扭矩传感器、车速信号、电机、651 公 路 交 通 科 技 第25卷油泵、转阀、齿轮齿条动力转向器等68。测试条件:转向盘输入扭矩T按照正弦变化为08 Nm;车速分别为0,40,70,100,130,150 kmh。测得该系统T 关系如图2,助力曲线TF关系如图3。图2、图3中虚线为采用仅有车速Va控制的算法,实线为采用Va、共同控制的算法。由图2,在仅有Va控制时,角速度较低,扭矩最大时角速度不为零,系统反应慢且滞后;由图3,仅有Va控制时,虽然助力随车速的升高而降低,但提供助力不足,且没有饱和区,在扭矩最大时
14、,助力没有达到最大,对输入扭矩响应较慢,有严重滞后。而在由Va、共同控制时,转向盘角速度较大,在扭矩最大时角速度降为零,系统反应迅速;另外,助力充足,对输入扭矩响应较快,有明显的死区和饱和区,车速越高,助力曲线越低,满足人们对操控舒适性和安全性的要求。图2T 曲线Fig12Curve ofT 图3TF曲线Fig13Curve ofTF3 试验结果将该算法在设计的控制器单元中用软件实现,并在EHPS实验平台上进行了相应的试验,以验证其效果。如图4、图5所示。图4 只受转向盘角速度影响的TF曲线Fig14Curve ofTFeffected by steering speed图5 受车速和转向盘角
15、速度影响的TF曲线Fig15Curve ofTFeffected by vehicle speedand steering speed在图4中,曲线1是某一车速条件下由角速度控制时测得的曲线,曲线2是相应车速下没有角速度控制时测得的曲线。有角速度控制时,TF曲线上升较快,相同条件下提供的助力比较大,同时,回正曲线和上升曲线偏差也较小,这说明角速度控制提高了助力的跟随性,能够提供更加充足的助力,同时也改善了系统的回正性能,在实际测试中,能感觉到转向更加轻便和舒适。在图5中,曲线1、曲线2、曲线3分别为在不751第7期 王 豪,等:电动液压助力转向系统控制算法研究与实现 同车速(依次为由低到高)下
16、,和转向盘角速度共同作用产生的转向齿条力的作用结果。由于加入了转向角速度控制,增强了转向的助力跟随性。更为重要的是车速越低,提供的转向助力越大,转向越轻便;车速越高,提高的助力相应减小,防止高速时转向发飘,提高了行车路感及行车安全。4 结论依据EHPS控制系统特点,本文研究并获得了该控制系统的算法,并依据实际控制系统参数,得到了关于EHPS控制系统中Va、n三者的非线性关系。利用仿真软件实现了控制系统所需要的较理想的助力曲线,表明该算法在控制系统中的可行性。通过实验台架试验表明,该系统助力效果明显,控制算法中参数变换对控制系统的影响与实际控制系统相吻合。本文所研究的控制系统算法及由仿真获得助力
17、曲线在实际应用中有一定的指导意义和实用价值。参考文献:References:1WANG Hao,XUE Zhenlin1Analysis of Electric Power Steer2ing Control Based on ST Method C Proceedings of theWorld Congress on Intelligent Control and Automation(WCI2CA)12004:582-58512ZAREMBA A,DAVIS R I1Dynamic Analysis and Stabilityof aPower Assist Steering Syste
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