C-EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與控制策略驗(yàn)證

王燮輝,李 強(qiáng),趙 璐,張新聞

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023)

隨著電子制造業(yè)的發(fā)展和新能源汽車產(chǎn)銷量的不斷提升,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electric power steering,EPS)除了不斷占據(jù)傳統(tǒng)燃油汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的市場(chǎng)份額外,由于生產(chǎn)成本的降低,也在眾多新能源汽車中逐漸普及。特別是助力電機(jī)和控制器布置在駕駛室中的管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(column type electric power steering,C-EPS),其體積小、集成度高、防護(hù)要求低,適配各類無助力或液壓助力轉(zhuǎn)向車型,二次開發(fā)靈活度高,因此C-EPS的市場(chǎng)占有率不斷提高。在C-EPS系統(tǒng)實(shí)車試驗(yàn)過程中需要大量的人力、物力,試驗(yàn)費(fèi)用高,而且具有一定的危險(xiǎn)性[1];在其標(biāo)定調(diào)試過程中,主要驗(yàn)證的助力效果,容易受到測(cè)量環(huán)境和主觀感受的影響。硬件在環(huán)仿真平臺(tái)則將系統(tǒng)工作所需的硬件嵌入仿真中,節(jié)省復(fù)雜的硬件建模過程,能夠提供被測(cè)系統(tǒng)真實(shí)的反饋[2],因此通過硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺(tái)試驗(yàn)研究可以提高C-EPS的開發(fā)效率,降低開發(fā)成本。目前國(guó)內(nèi)在EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的試驗(yàn)研究中取得了一定的成果。雷發(fā)榮[3]使用Moto Trom平臺(tái)完成了轉(zhuǎn)向助力臺(tái)架的開發(fā)和控制策略的設(shè)計(jì),使用伺服電機(jī)作為阻力加載系統(tǒng),在轉(zhuǎn)向輕便性和回正試驗(yàn)中取得了較好的結(jié)果;曹艷玲等[4]使用電動(dòng)推桿作為轉(zhuǎn)向阻力加載裝置,成本較低,模擬了原地轉(zhuǎn)向工況和行駛轉(zhuǎn)向工況,對(duì)電機(jī)電流、助力扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);廖林清等[5]使用基于VB6.0自主設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試軟件,并使用電液伺服裝置模擬轉(zhuǎn)向阻力矩,試驗(yàn)臺(tái)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,并具有較高的測(cè)試精度,能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試;彭沖等[6]使用一套附加的EPS系統(tǒng)作為阻力加載裝置,并使用一套彈簧裝置作為阻力加載補(bǔ)償,結(jié)構(gòu)上有一定的創(chuàng)新,且阻力加載裝置響應(yīng)較快;胡宏德[7]使用液壓系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力加載裝置,試驗(yàn)臺(tái)具有機(jī)械調(diào)節(jié)裝置以適配不同規(guī)格的EPS系統(tǒng),并進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn);呂榮輝等[8]使用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對(duì)EPS系統(tǒng)的電子控制單元(electronic control unit,ECU)執(zhí)行信號(hào)的檢測(cè),仿真精度較高;梁誠(chéng)[9]使用基于Labview PXI的EPS試驗(yàn)臺(tái),結(jié)合CarSim對(duì)EPS進(jìn)行硬件在環(huán)仿真,將虛擬車輛動(dòng)態(tài)和EPS實(shí)物進(jìn)行結(jié)合,可直觀地顯示EPS的工作性能和試驗(yàn)結(jié)果。

總體而言,上述試驗(yàn)平臺(tái)僅用于EPS性能的測(cè)試,缺乏對(duì)EPS的主觀評(píng)價(jià)與控制策略在線修改能力。因此,為實(shí)現(xiàn)C-EPS控制策略的快速原型設(shè)計(jì)、主觀評(píng)價(jià)及在線修改功能,本研究首先設(shè)計(jì)C-EPS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu),選擇伺服電機(jī)作為轉(zhuǎn)向阻力矩加載裝置;其次,將二自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型和懸架參數(shù)相結(jié)合,以車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向輸入力矩作為主要輸入,在MATLAB/Simulink中建立轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算模塊;再次,使用Controldesk建立試驗(yàn)平臺(tái)人機(jī)交互界面,通過dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)控制伺服電機(jī)模擬轉(zhuǎn)向阻力矩;最后,建立C-EPS控制策略并導(dǎo)入dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng),完成控制策略的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)及主觀評(píng)價(jià)。

1 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

1.1 研究對(duì)象

選取某小型電動(dòng)廂式物流車及其C-EPS作為研究對(duì)象,物流車整車及其C-EPS規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 物流車整車及其C-EPS規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification parameters of logistics vehicle and C-EPS

1.2 轉(zhuǎn)向阻力矩加載裝置的確定和匹配

常見的阻力矩加載裝置有螺旋彈簧、液壓裝置、磁粉制動(dòng)器及伺服電機(jī)。螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,可靠性高,但是螺旋彈簧模擬的單一線性阻力矩與實(shí)際轉(zhuǎn)向阻力矩差別較大;液壓裝置成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大和維護(hù)成本較高;磁粉制動(dòng)器雖能很好地模擬轉(zhuǎn)向阻力矩,但無法模擬轉(zhuǎn)向回正阻力矩,對(duì)轉(zhuǎn)向回正功能較難測(cè)試;伺服電機(jī)需與行星齒輪減速器相配合,以作為轉(zhuǎn)向阻力矩加載裝置,它通過輸出不同的力矩來模擬不同的轉(zhuǎn)向阻力矩,并具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。本研究選用的伺服電機(jī)和行星齒輪減速器規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 伺服電機(jī)和行星齒輪減速器規(guī)格參數(shù)Table 2 Specifications of servo motor and planetary gear reduce

阻力矩加載裝置的最大模擬工況,可根據(jù)汽車原地轉(zhuǎn)向阻力矩經(jīng)驗(yàn)公式的變形公式[10]來計(jì)算:

(1)

式(1)中:f為附著系數(shù),一般取0.7;Tsmax為助力電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩;ip為行星齒輪減速器減速比;is0為轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比,小型車輛的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比一般為15～20;G為前軸滿載載荷。根據(jù)式(1)計(jì)算可得阻力加載裝置最大可模擬前軸載荷為21 kN車輛的原地轉(zhuǎn)向阻力矩,試驗(yàn)平臺(tái)在留有一定的余量后,可滿足包括小型乘用車、小型貨車的C-EPS開發(fā)與試驗(yàn)。

1.3 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由C-EPS總成、伺服電機(jī)總成、助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和上位機(jī)等組成。dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為MATLAB/Simulink開發(fā)環(huán)境的自動(dòng)編解碼器,無需手動(dòng)編程即可在仿真過程中實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略[11]。dSPACE采集C-EPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輸入力矩信號(hào)、轉(zhuǎn)角信號(hào)、助力電機(jī)電流信號(hào)、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號(hào),通過上位機(jī)設(shè)計(jì)的Controldesk實(shí)時(shí)界面進(jìn)行人機(jī)交互,試驗(yàn)人員根據(jù)轉(zhuǎn)向手感的主觀評(píng)價(jià)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),在MATLAB/Simulink中對(duì)C-EPS控制策略進(jìn)行不斷的調(diào)整和完善,并將優(yōu)化后的控制策略重新生成代碼后導(dǎo)入dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng),完成對(duì)基于硬件在環(huán)仿真的C-EPS控制策略的開發(fā)和優(yōu)化。

圖1 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hardware-in-the-loop test platform

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)物如圖2所示,主體框架采用鋁型材,C-EPS總成的安裝支架為可調(diào)式,在一定程度上適配不同尺寸的C-EPS總成,下端行星齒輪減速器輸出軸與C-EPS總成輸出軸的聯(lián)軸器總成由梅花聯(lián)軸器、萬向節(jié)和尼龍軸組成,在一定程度上可彌補(bǔ)C-EPS輸出軸與行星齒輪減速器輸出軸的同軸度誤差,降低仿真硬件在環(huán)仿真平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲。

2 轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算模塊的建立

1—C-EPS上安裝支架;2—C-EPS下安裝支架;3—聯(lián)軸器總成;4—行星齒輪減速器;5—伺服電機(jī);6—轉(zhuǎn)向盤;7—上位機(jī);8—C-EPS;9—dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng);10—伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;11—助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖2 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)物Fig.2 Entities of hardware-in-the-loop test platform

汽車在高速和低速工況下行駛時(shí),由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輛側(cè)向加速度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力矩占比并不相同[12],因此需要設(shè)計(jì)全工況的轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算模塊,為降低轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算的復(fù)雜程度,便于在項(xiàng)目初期的試驗(yàn)工作,采用汽車二自由度動(dòng)力學(xué)模型和前懸架參數(shù)建立轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算模塊。轉(zhuǎn)向總阻力矩TR由四部分組成:輪胎與地面的摩擦阻力矩TR1,前軸抬升的重力回正力矩TR2,側(cè)向力回正力矩TR3及懸架和轉(zhuǎn)向系內(nèi)部摩擦力矩TR4。

根據(jù)筆者所在企業(yè)開發(fā)的EPS控制策略工況劃分,0～10 km/h屬于低速工況,轉(zhuǎn)向阻力矩主要由車輪與地面的摩擦阻力矩TR1構(gòu)成,在原地轉(zhuǎn)向時(shí)最大,在0～10 km/h隨著車速的提高迅速降至一個(gè)較低的水平,因此在項(xiàng)目開發(fā)初期,為降低控制策略和助力電機(jī)的匹配難度,TR1可近似看作線性降低至0,由如下經(jīng)驗(yàn)公式來確定:

(2)

式(2)中:K為速度系數(shù),當(dāng)車速為0時(shí)取1,隨車速的提高而線性減小,當(dāng)車速達(dá)到10 km/h時(shí)降至0。

前軸抬升的重力回正力矩由轉(zhuǎn)向輪主銷內(nèi)傾角產(chǎn)生的回正力矩和主銷偏移距產(chǎn)生的回正力矩組成,其計(jì)算公式如下:

(3)

式(3)中:η1為轉(zhuǎn)向系逆效率,取0.65;s1為輪心點(diǎn)至主銷軸線的水平距離,取89.96 mm;δin為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角;δout為外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角;γ為前輪主銷內(nèi)傾角,取0.19 rad;s2為主銷偏移距,取29.14 mm。

由于車輪拖距的存在,作用在轉(zhuǎn)向輪上的側(cè)向力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)繞主銷的側(cè)向力回正力矩TR3,根據(jù)二自由度車輛模型和前后輪側(cè)偏角,TR3計(jì)算公式如下:

(4)

式(4)中:u為車輛行駛車速;θc為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;ωr為車輛橫擺角速度;σ為前輪主銷后傾角,取0.11 rad;is為物流車轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比;β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角。

轉(zhuǎn)向系內(nèi)部摩擦力矩TR4一般由經(jīng)驗(yàn)值確定,取30 N·m。

轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩與轉(zhuǎn)向角速度的方向相反,轉(zhuǎn)向回正阻力矩與轉(zhuǎn)向角度的方向相反,作用在轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)向總阻力矩為

(5)

式(5)中:η2為轉(zhuǎn)向系正效率,取0.75。

駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的方向一致,作用在轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)向總阻力矩的三維曲面圖如圖3(a)所示。此時(shí),轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩和轉(zhuǎn)向回正力矩的方向相同,阻礙駕駛員轉(zhuǎn)向,當(dāng)車速小于10 km/h時(shí),轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩在轉(zhuǎn)向總阻力矩中占比較大,但隨著車速的提高而降低;當(dāng)車速大于10 km/h時(shí),轉(zhuǎn)向回正力矩在轉(zhuǎn)向總阻力矩中占比較大,并隨著車速的提高及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增加而增大。

駕駛員進(jìn)行回正動(dòng)作時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的方向相反,作用在轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)向總阻力矩三維曲面圖如圖3(b)所示。此時(shí),轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩與轉(zhuǎn)向盤角速度的方向相反,阻礙轉(zhuǎn)向盤回正,轉(zhuǎn)向回正力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的方向相反,當(dāng)車速小于10 km/h時(shí),轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩占比較大,轉(zhuǎn)向盤無法自動(dòng)回正,需要駕駛員手動(dòng)回正;當(dāng)車速處于20～40 km/h時(shí),轉(zhuǎn)向盤能夠自動(dòng)回正,但由于轉(zhuǎn)向盤在轉(zhuǎn)角較小時(shí)回正力矩較小,因此轉(zhuǎn)向盤無法完全回正到位;當(dāng)車速大于40 km/h時(shí),轉(zhuǎn)向盤能夠完全回正,并且回正性能隨著車速的提高和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增加而增強(qiáng)。

圖3 作用在轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)向總阻力矩三維曲面圖Fig.3 MAP of total steering resistance converted to steering column

3 C-EPS數(shù)學(xué)模型和控制策略的建立

3.1 C-EPS數(shù)學(xué)模型

以轉(zhuǎn)向管柱芯軸作為參考對(duì)象,建立其動(dòng)力學(xué)方程和動(dòng)態(tài)電路方程如下:

(6)

式(6)中:Tm為助力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,取0.000 5 kg·m2;Jc為管柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,取0.18 kg·m2;Bm為電機(jī)阻尼,取0.003 5 N·m·rad;Th為轉(zhuǎn)向輸入力矩;L為電樞電感,取280 μH;ia為電樞電流;R為電樞電阻,取0.4 Ω;Kb為反電勢(shì)系數(shù),取0.107 V·s·rad;Ud為電機(jī)電樞電壓;Ke為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù),取0.107 (N·m)/A。

助力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器可用一階滯后環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)表示:

(7)

式(7)中:Ks為觸發(fā)整流環(huán)節(jié)放大系數(shù),取1.2;Ts為整流電路平均失控時(shí)間,取0.1 s。

根據(jù)上述C-EPS數(shù)學(xué)模型及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳遞函數(shù),建立C-EPS仿真模型,如圖4所示。

圖4 C-EPS仿真模型Fig.4 Simulation model of C-EPS

3.2 C-EPS控制策略的設(shè)計(jì)

C-EPS的控制策略需要保證低速時(shí)車輛轉(zhuǎn)向的輕便靈活及回正性能,高速時(shí)車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠及抑制回正超調(diào)[13]。本研究建立的C-EPS控制策略如圖5所示。

圖5 C-EPS控制策略Fig.5 C-EPS control strategy

轉(zhuǎn)向輸入力矩信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)和助力電機(jī)電流信號(hào)經(jīng)處理后,與來自CAN(controller area network,控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線的車速模擬信號(hào)一并進(jìn)入運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊,以實(shí)現(xiàn)C-EPS總成的開機(jī)自檢、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)錯(cuò)功能。若監(jiān)測(cè)到傳感器信號(hào)和車速信號(hào)異常,則切換至故障模式。根據(jù)故障類型和故障嚴(yán)重程度的不同,通過C-EPS驅(qū)動(dòng)電壓的控制,實(shí)現(xiàn)C-EPS在故障狀態(tài)下的恒功率、降功率運(yùn)行或停機(jī),以提高C-EPS的安全性。若C-EPS各部分功能正常,則根據(jù)C-EPS運(yùn)行狀態(tài),在助力模式和回正模式之間自動(dòng)切換。助力模式和回正模式之間的切換根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角乘積[14]來判斷:當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的乘積大于或等于0時(shí),即為助力模式;當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速的乘積小于0時(shí),即為回正模式。

助力模式和回正模式均采用PID控制器(proportion-integral-derivative controller,比例-積分-微分控制器)來控制電機(jī)。由于篇幅所限,本研究主要對(duì)C-EPS的助力模式進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)研究。

為方便調(diào)節(jié)和優(yōu)化,選擇直線型轉(zhuǎn)向助力曲線,建立如圖6所示的直線型轉(zhuǎn)向助力曲線族。一定車速范圍內(nèi),理想的轉(zhuǎn)向輸入力矩隨著車速的提高而增大[15]。因此在低速工況下,C-EPS提供較大的助力力矩;但隨著車速的提高,助力力矩降低,當(dāng)車速達(dá)到80 km/h及以上時(shí),助力電機(jī)不再輸出助力力矩。電機(jī)助力力矩的大小與電機(jī)工作電流正相關(guān),因此,對(duì)轉(zhuǎn)向助力矩的控制主要為對(duì)電機(jī)輸入電流的控制。每條助力曲線的助力力矩和轉(zhuǎn)向盤輸入力矩的函數(shù)關(guān)系為

圖6 直線型轉(zhuǎn)向助力曲線族Fig.6 Straight-type power steering curve family

(8)

式(8)中:ui為助力曲線族中每條助力曲線的車速;Tmax(ui)為每條助力曲線的最大助力值;ki為速度感應(yīng)系數(shù)。每條助力曲線之間的目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩采用線性插值法確定,其計(jì)算公式如下:

(9)

助力模式PID參數(shù)采用MATLAB/GADST遺傳算法直接搜索工具箱進(jìn)行優(yōu)化[16]。PID控制器的Kp、Ki、Kd為自變量,優(yōu)化范圍均為0～300,遺傳代數(shù)為100代,選用時(shí)間乘以絕對(duì)誤差積分(integrated time absolute error,ITAE)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]:

(10)

式(10)中:Jv為ITAE值;e(t)為絕對(duì)誤差。

遺傳算法優(yōu)化曲線與結(jié)果如圖7所示,完成100代遺傳后,得到ITAE極小值為0.035 370 6,Kp、Ki、Kd分別為122.739 3、299.851 6、11.904 7。優(yōu)化后的助力電流階躍響應(yīng)曲線如圖8所示,響應(yīng)時(shí)間為0.01 s,穩(wěn)態(tài)值為6.1 A,穩(wěn)定時(shí)間為3.8 s,超調(diào)量為0.5%,優(yōu)化后的控制器參數(shù)取得了良好的控制效果。

圖7 遺傳算法優(yōu)化曲線與結(jié)果Fig.7 Optimization curve and result of genetic algorithm

圖8 優(yōu)化前后的助力電機(jī)電流階躍響應(yīng)曲線Fig.8 Step response curves of assisted motorcurrent before and after optimization

4 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)及分析

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)使用Controldesk作為數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)控制的人機(jī)交互界面。Controldesk提供了控制、監(jiān)視和自動(dòng)化試驗(yàn)等功能,支持MATLAB/Simulink一鍵生成代碼并導(dǎo)入dSPACE。選取電流跟隨試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向助力輕便性試驗(yàn)作為C-EPS性能測(cè)試的主要試驗(yàn)項(xiàng)目。

4.1 電流跟隨試驗(yàn)

如圖9所示的電流跟隨試驗(yàn)曲線,設(shè)定車速為10 km/h,2 s時(shí)階躍轉(zhuǎn)向輸入力矩為3 N·m,電機(jī)實(shí)際電流跟隨目標(biāo)電流立即達(dá)到4.5 A峰值,經(jīng)過3 s的不規(guī)則波動(dòng)后,電流迅速減小為0 A。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn),電機(jī)實(shí)際電流相對(duì)目標(biāo)電流約有0.05 s的滯后,其主要原因是建立C-EPS數(shù)學(xué)模型時(shí),未考慮傳感器信號(hào)的滯后性,從而導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)時(shí)電機(jī)電流的滯后;當(dāng)電流達(dá)到峰值時(shí),目標(biāo)電流和電機(jī)實(shí)際電流具有明顯的波動(dòng),實(shí)際轉(zhuǎn)向手感具有輕微的齒輪嚙合感,這可能是由于助力電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下發(fā)生電流值攝動(dòng),從而導(dǎo)致助力力矩的波動(dòng)。

圖9 電流跟隨試驗(yàn)曲線Fig.9 Current following test curve

4.2 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的C-EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的功能與C-EPS控制策略的效果,轉(zhuǎn)向盤以正反180°為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期,分別在5、20、60 km/h的工況下進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn),轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10(a)可以看出,C-EPS未工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩約為11 N·m,低速下轉(zhuǎn)向阻力矩主要為摩擦阻力矩,轉(zhuǎn)向盤需要施加轉(zhuǎn)向輸入力矩手動(dòng)回正;當(dāng)C-EPS工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩約為2 N·m,且可實(shí)現(xiàn)不施加轉(zhuǎn)向輸入力矩轉(zhuǎn)向盤自動(dòng)回正的功能。從圖10(b)可以看出,C-EPS未工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩約為4～6 N·m,隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增大而增大,轉(zhuǎn)向阻力矩中轉(zhuǎn)向回正力矩占比升高,但由于轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩的存在,需要施加1 N·m左右轉(zhuǎn)向輸入力矩進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤回正;當(dāng)C-EPS工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩約為3 N·m,轉(zhuǎn)向盤可自動(dòng)回正。從圖10(c)可以看出,C-EPS未工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增大而增大,約為5～9 N·m,轉(zhuǎn)向阻力矩主要由轉(zhuǎn)向回正力矩組成,回正力矩大小約為0～2 N·m,隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角減小而減小;當(dāng)C-EPS工作時(shí),轉(zhuǎn)向輸入力矩大小為4～6 N·m,隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增大而增大。通過圖10(a)～(c)對(duì)比發(fā)現(xiàn),C-EPS能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向輸入力矩隨車速提高而增加的特性,這有利于高速狀態(tài)下的行駛穩(wěn)定性及行車安全性。

圖10 C-EPS轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of C-EPS steering agility handiness test

5 結(jié) 語

本研究基于MATLAB/Simulink和dSPACE,搭建了C-EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái),并設(shè)計(jì)了C-EPS控制策略。通過C-EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知,我們?cè)O(shè)計(jì)的C-EPS控制策略可較好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輕便性與主動(dòng)回正功能,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向輸入力矩隨速增加的轉(zhuǎn)向手感。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還表明,我們開發(fā)的平臺(tái)能快速地對(duì)C-EPS控制策略進(jìn)行驗(yàn)證,可較好地模擬各工況下的轉(zhuǎn)向阻力矩,并能夠?qū)-EPS運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋,實(shí)現(xiàn)C-EPS的主觀評(píng)價(jià),以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)C-EPS在軟硬件上的不足之處。因此,本平臺(tái)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值,可為加快C-EPS的ECU產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。