電動助力轉向在環(huán)仿真試驗臺的開發(fā)

曹艷玲, 曹 增, 徐立友

(河南科技大學 車輛與交通工程學院, 河南 洛陽 471003)

電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)的性能試驗,為轉向系統(tǒng)性能的不斷改善提供可靠的數(shù)據(jù),更是檢驗轉向系統(tǒng)是否達到設計目標及其部件間匹配是否合理的最終手段[1].但是傳統(tǒng)的車輛EPS系統(tǒng)性能試驗投入成本巨大、試驗周期長、參數(shù)和變量易受外部環(huán)境的影響,無法實時采集.目前,國內外已經(jīng)在EPS試驗臺的轉向阻力矩加載、測控系統(tǒng)等方面做了相關研究并取得了一定的成果[2].

EPS試驗臺在進行試驗時是通過設計的阻力加載裝置對轉向齒條端加載不同的負載力來模擬轉向行駛過程中輪胎所受的阻力[3].根據(jù)轉向阻力加載裝置的不同,主要分為彈簧加載、電液伺服加載、千斤頂加載、磁粉制動器加載和伺服電動機加載[3].文獻[4]介紹了在EPS試驗臺上運用硬件在環(huán)的技術對EPS系統(tǒng)進行了試驗研究.文獻[5]對采用電液伺服加載裝置的EPS試驗臺進行了分析和試驗研究,實現(xiàn)對轉向工況下轉向輪阻力矩的精確模擬.文獻[6]的EPS試驗臺采用磁粉制動式加載裝置,并基于Windows平臺的模塊化設計方法開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).文獻[7]提出了伺服電動機式加載裝置,將EPS試驗臺的研究推向了新的高度.

針對實驗室中用于實驗教學的TAT-6/TL型“電動助力轉向在環(huán)仿真試驗臺”,該試驗臺沒有阻力加載裝置,不能模擬實際轉向工況下車輪所受到的轉向阻力矩,無法對EPS系統(tǒng)的性能進行測試和驗證.因此,筆者基于TAT-6/TL型“電動助力轉向在環(huán)仿真試驗臺”對其進行開發(fā)和設計,根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力工作特性和性能測試要求內容,提出EPS試驗臺的總體加載方案,完成硬、軟件系統(tǒng)的部分設計,利用虛擬試驗技術,實現(xiàn)整車模型的一鍵式下載,全面實時模擬汽車在不同工況下轉向過程中的阻力矩施加,以期構建更加完善的EPS性能測試平臺.

1 EPS試驗臺的總體方案

1.1 EPS試驗臺的加載方案確定

通過對各種EPS試驗臺加載裝置的工作原理、優(yōu)缺點進行詳細分析和對比表明:螺旋彈簧只能線性加載負載力,結構簡單與實際結果相差很大;千斤頂加載式無法模擬車輛轉向行駛工況下的阻力矩,而且結構復雜,占用空間大;伺服電動機加載式控制精度高,但控制方式較為復雜,伺服電動機和伺服驅動器較為昂貴,試驗臺開發(fā)成本極大.

綜合上述分析,立足于EPS試驗臺的設計與基本功能要求,結合本試驗臺的測試內容和開發(fā)成本,選用另外一種比較新穎的電動推桿式加載裝置.根據(jù)EPS試驗臺架有關規(guī)定對該試驗臺進行開發(fā),拆除右懸架和右車輪,在齒輪齒條轉向器右端安裝電動推桿加載裝置,該電動推桿式加載裝置模擬精度較高,滿足EPS性能測試的試驗需求,而且性能良好,節(jié)約了成本,實現(xiàn)了EPS試驗臺的基本功能要求.

1.2 EPS試驗臺的結構和工作原理

電動推桿式EPS試驗臺的總體結構如圖1所示,其主要由EPS系統(tǒng)總成、阻力加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)組成,其中阻力加載系統(tǒng)包括臺架、電動推桿、控制器(MCS912)和壓力傳感器等.

圖1 電動推桿式EPS試驗臺總體結構圖

在汽車轉向過程中,控制器(ECU)根據(jù)EPS系統(tǒng)輸入的電子信號,助力電動機在控制器輸出的指令下提供合適的助力,然后在轉向盤轉矩和助力電動機提供的助力轉矩下克服汽車車輪受到的總阻力矩,完成轉向;同時在阻力加載系統(tǒng)中,控制器(MCS912)實時控制電動推桿的運動,對轉向器齒條端施加不同的負載力,模擬轉向過程中車輪受到的阻力,而壓力傳感器將測得的實時壓力信號與目標壓力信號進行比較,得到偏差信號,從而形成閉環(huán)控制,達到較高的精度.

2 車輛動力學模型建立

由于TAT-6/TL型試驗臺中的EPS系統(tǒng)總成部分在結構上是由鈴木雨燕(SWIFT)轎車的相關原部件組成的,文中選用鈴木雨燕轎車為研究對象.

2.1 EPS系統(tǒng)模型

選擇轉向軸助力式(C-EPS)類型,根據(jù)達朗貝爾定理,其動力學微分方程[8]為

(1)

式中:Js為轉向盤轉動慣量;θs為轉向盤轉角;Bs為轉向盤阻尼系數(shù);Ks為轉向柱剛度系數(shù);Ts為轉向盤轉矩;xr為齒條位移;rp為小齒輪半徑.

(2)

式中:Mr為減速機構、齒輪和齒條的當量質量;Br為轉向軸、減速機構、齒條和齒條部分等效的當量阻尼系數(shù);Tr為轉向盤力矩;G為減速機構減速比;Km為助力電動機剛度系數(shù);θm為助力電動機轉角.

(3)

式中:Jm為助力電動機轉動慣量;Bm為轉向軸阻尼系數(shù);Tm為助力電動機的輸出轉矩.

2.2 輪胎模型

選用半經(jīng)驗“魔術公式”輪胎模型,在路面附著系數(shù)μ的影響下,輪胎側向力[9]為

(4)

式中:D1為峰值因子;C1為曲線形狀因子;α為輪胎側偏角;B1為剛度因子;E1為曲線的曲率因子.

當C1=1.3時,對應的其他因子計算公式為

(5)

式中:a1,a2,…,a8為“魔術公式”輪胎系數(shù),由擬合得到;Fz為輪胎垂直載荷.

車輛轉向過程中,考慮垂直載荷變化對輪胎側向力的影響,故車輪垂直載荷分配的關系式為

(6)

式中:a,b為質心到前后軸的距離;d為車輪輪距;h為質心高度;vx為整車的縱向速度且車速保持不變;vy為整車的側向速度;ω為整車橫擺角速度.

2.3 整車模型

選擇包含“魔術公式”的非線性二自由度整車模型,建立的整車動力學方程[10]為

(7)

式中:Iz為橫擺轉動慣量;Fy1,Fy2,Fy3,Fy4分別為車輛各輪胎的側向力;δ為轉向輪轉角.

(8)

(9)

(10)

式中：α1,2為前輪左右輪側偏角；α3，4為后輪左右輪側偏角.

2.4 轉向阻力矩模型

EPS試驗臺的阻力加載裝置設計是為了更加真實模擬汽車在轉向工況下的轉向阻力,因此對轉向阻力矩的分析必不可少.其中,原地轉向是車輛轉向過程中最惡劣的工況,車輪與地面的摩擦阻力為主要部分.原地轉向阻力矩包含內摩擦、重力回正力矩以及路面的摩擦阻力,但是一般用半經(jīng)驗公式來表示路面的最大摩擦阻力,忽略其內摩擦的影響,得到與前軸載荷、車速胎壓、路面附著系數(shù)有關的原地轉向阻力矩關系式:

(11)

式中:f為輪胎與路面的摩擦系數(shù);pt為輪胎氣壓.

對于行駛轉向阻力矩,其主要由側向力引起的輪胎回正力矩、重力回正力矩、系統(tǒng)的內摩擦力矩組成,公式如下:

Msz=-Fy(l1+l2),

(12)

式中:Msz為前轉向車輪的側向力回正力矩;l1,l2分別為輪胎拖矩、機械拖矩.

Mzz=FzDnφsinφsinδcosρ,

(13)

式中:Mzz為前轉向車輪的重力回正力矩;Dn為垂直力臂;φ為主銷內傾角;ρ為主銷后傾角.

(14)

式中:M為轉向車輪的總阻力矩;i為轉向器角傳動比;Mf為轉向系統(tǒng)內摩擦力矩.

3 阻力加載系統(tǒng)的硬、軟件實現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包括對電動推桿的選型、壓力傳感器的選擇、控制器(MSC912)的選型、直流電動機驅動器的選擇以及對加載裝置臺架的設計與安裝.

根據(jù)EPS試驗臺的轉向器齒條位移和SWIFT型轎車在原地轉向的最大轉向阻力矩,故可選擇最大行程為120 mm的LEC606F-4500-5-12-F型電動推桿.壓力傳感器可選擇上海聚人電子科技有限公司的柱型RS-5N 壓力傳感器,與放大器配合使用.

基于EPS試驗臺對硬件的要求和虛擬技術的應用,最終選擇了飛思卡爾MC9S12系列的16位MC9S12DG256控制器,控制器中的功能模塊可集成在Simulink庫中,能與Matlab/Simulink無縫對接,運用基于模型設計的方法,實現(xiàn)Simulink模型到自動代碼的一鍵式生成下載.由于電動推桿的驅動電動機為12 V直流電動機,采用脈寬調制(PWM)技術控制直流電動機就需要產(chǎn)生PWM斬波的驅動電路,選用的是龍丘科技公司的LQ-7970M直流電動機驅動器,其H橋控制電路可通過調節(jié)占空比實現(xiàn)直流電動機的調速和轉向.

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)采用快速原型開發(fā)平臺ECUCo-der中的Meca軟件,克服了以往LabVIEW軟件帶來的種種不足.試驗過程中的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)界面如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)界面

3.2.2 底層驅動的虛擬開發(fā)

基于模型設計(MBD)也稱作V型開發(fā)方式,包含使用Simulink的快速建模(RCP)和硬件在環(huán)控制(HIL)2部分.前期階段,在Matlab/Simulink中建立控制對象的模型,基于RTW可以對Simulink模型一鍵下載,自動生成被控制器識別的代碼,完成控制.為了實現(xiàn)這一功能,基于MC9S12DG256控制器開發(fā)出了被RTW自動生成代碼的底層驅動工具包“Real-timemc9s12 Toolbox”,該工具包主要包括ADC，DAC信號模塊和PWM脈寬調制信號模塊等.

4 試驗結果分析

開發(fā)的EPS試驗臺整體結構如圖3所示.為了對比仿真輸出的真實性,進一步驗證EPS系統(tǒng)控制的實際效果,需要在開發(fā)好的EPS試驗臺上進行試驗研究,為后續(xù)的EPS研究提供可靠數(shù)據(jù)和參考.對汽車原地轉向和行駛轉向工況進行了試驗,經(jīng)過系統(tǒng)調試完成后,在EPS試驗臺上對直線型EPS系統(tǒng)的有關性能進行試驗研究.

圖3 EPS試驗臺整體結構

4.1 原地和行駛工況的轉向阻力模擬驗證

原地轉向工況下,轉向器齒條端施加的負載力仿真結果與試驗結果對比如圖4所示.試驗開始時,調整整車的裝備質量,在整車滿載的情況下進行原地轉向模擬.由平衡位置勻速轉動轉向盤,完成正、反轉1個周期.

圖4 原地轉向工況模擬驗證

從圖4可以看出： 在轉向盤轉角緩慢變大的過程中,阻力由輪胎形變產(chǎn)生,負載力變化較慢,當增大一定程度后,此時輪胎處于滑移階段,主要由重力回正力矩產(chǎn)生,負載力變化較快,迅速達到最大值.

行駛工況下轉向盤輸入轉矩、轉向阻力矩與轉向盤轉角的關系如圖5所示.

圖5 行駛轉向工況模擬驗證

在行駛工況下,將整車裝備的質量設置為空載情況,設定車速為40 km·h-1,勻速轉動轉向盤,完成正、反轉1個周期,得到所需的關系曲線.從圖5可以看出:在轉向盤轉角不斷增大的過程中,轉向阻力矩也近似隨之增大,而轉向阻力矩為轉向盤輸入轉矩與助力轉矩之和,故在轉角增大的過程中,助力電動機提供的助力轉矩增大,符合EPS系統(tǒng)的低速輕便性能.

4.2 助力電動機的電流跟蹤試驗

助力電動機電流跟蹤試驗結果如圖6所示.

圖6 助力電動機電流跟蹤試驗結果

從圖6a可以看出:在轉向盤階躍輸入下,經(jīng)過前期的不規(guī)則波動,轉向盤轉矩在約5 s時達到峰值,之后迅速減小,符合操作過程中的輸入瞬時轉矩的變化規(guī)律.從圖6b可以看出:助力電流能根據(jù)轉向盤輸入瞬時轉矩而不斷跟隨變化且兩者變化曲線相似,符合EPS系統(tǒng)的助力特性要求.

4.3 不同車速工況下系統(tǒng)測試

行駛工況下,在轉向盤轉角為30°時,試驗臺的負載力隨車速的變化曲線如圖7所示.

圖7 負載力隨車速的變化曲線

從圖7可以看出:當轉向盤轉角一定時,試驗臺架所受的總負載力隨著車速的變化而變化,車速越高時負載力也隨著變大,這一過程中主要是由輪胎的回正力矩產(chǎn)生的負載力引起的,而重力回正力矩產(chǎn)生的負載力不隨著車速的變化而變化,再次證明重力回正力矩與車速無關,其主要是與前輪轉角的大小有關.因此,在車速增加時,側向力回正力矩在轉向輪受到的總力矩中所占的比例也增加,車速越大,側向力產(chǎn)生的回正力矩對試驗臺負載力的影響越大,相反,在高速情況下,重力產(chǎn)生的回正力矩對負載力的影響較小.

5 結 論

通過原地和行駛工況的轉向阻力試驗、電流跟隨、響應特性試驗以及不同車速工況下系統(tǒng)的測試,對EPS系統(tǒng)的性能進行了模擬驗證,結果表明新開發(fā)的試驗臺較符合EPS系統(tǒng)的助力特性性能,滿足EPS試驗臺的開發(fā)要求,為EPS系統(tǒng)的性能測試提供了平臺.

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