基于转矩信号的助力电机惯性补偿.docx
- 文档编号:10334434
- 上传时间:2023-05-25
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:222.85KB
基于转矩信号的助力电机惯性补偿.docx
《基于转矩信号的助力电机惯性补偿.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于转矩信号的助力电机惯性补偿.docx(10页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于转矩信号的助力电机惯性补偿
基于转矩信号的EPS惯性补偿*
季学武,孙宁,吕英超,刘亚辉,张雪峰,赵明
(清华大学汽车工程系,北京100084)
摘要:
电动助力转向系统中,助力电机惯量的存在使转向系统的动态性能变差。
有刷电机一般从电流估算出角速度进而得到角加速度进行惯性补偿;无刷电机有角度传感器,但直接进行微分会将噪声放大。
本文尝试从转矩信号中提取出电机的角加速度信号,对助力电机的惯量进行了补偿,仿真验证了惯性补偿的效果,达到了改善系统动态性能的目的。
关键词:
电机惯量;角加速度;惯性补偿
EPSInertiaCompensationBasedonTorqueSignal
JiXuewu,SunNing,LvYingchao,LiuYahui,ZhangXuefeng,TianHongliang,ZhaoMing
(DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing10084)
Abstract:
Inelectricpowersteeringsystem,thedynamicperformanceofthesteeringsystemisdeterioratedbyassistmotorinertia.AngularvelocityisestimatedfromcurrentandthenangularaccelerationisgottensoastocompensatemotorinertiainbrushmotorEPS;Thereisangularsensorinbrushlessmotor,butthenoisewillbeamplifieddifferentiatingtheangularsignaldirectly.Thispaperattemptedtogetmotorangularaccelerationsignalfromtorquesensor,inordertocompensatetheeffectofmotorinertia.Theeffectofinertiacompensationisverifiedthroughsimulationandthedynamicperformanceofsteeringsystemismuchimproved.
Keywords:
motorinertia;angularacceleration;inertiacompensation
0引言
电动助力转向系统中助力电机惯量的存在,增大了系统的惯量,从而使得转向的动态性能变差,出现启动时转矩不足、停止时继续旋转等问题[1],当驾驶员在转向盘中间位置助力死区范围内快打方向盘时,助力电机惯量对转向系统的影响尤为明显[2]。
有刷EPS一般通过电流估算出角速度进行得到角加速度信号进行惯性补偿[3,4];无刷EPS的助力电机有角度传感器,但直接对电机角度信号进行微分来求取角加速度,会因噪声放大而无法得到有效的加速度信号。
在此,本文尝试从转矩传感器处获取角加速度信号。
1台架模型
管柱式电动助力转向系统(C-EPS)的实验台架如图1所示,主要包括转向盘、转向管柱、蓄电池、助力电机和减速器、EPS控制器、负载弹簧及齿轮齿条等。
根据牛顿第二定律可得运动方程如下,此处假设电机轴和减速器轴的刚度为无穷大。
方程中所用到的参数如表1所示。
(1)
(2)
图1 C-EPS实验台架
(3)
(4)
(5)
(6)
表1 参数说明
符号
含义
Jsw
转向盘及转向传动轴转动惯量
Jm
电动机的转动惯量
mr
齿条质量
Bsw
转向盘及转向传动轴阻尼
Bm
电动机阻尼
Br
齿条阻尼
Ks
扭杆刚度
Kr
负载弹簧刚度
G
减速比
Ka
助力增益
Th
手力矩
Ta
电机助力矩
Tm
电机电磁力矩
Ts
转矩传感器输出
rp
小齿轮半径
θsw
转向盘转角
θm
电机轴转角
θp
小齿轮转角
xr
齿条位移
由式
(1)——(6),可得到系统台架模型框图如图2所示。
图2 系统台架模型框图
其中:
,
2 补偿控制
要对电机进行惯性补偿,其思路是在电机的输出端附加上由电机惯量所造成的惯性力矩
。
若直接对电机角度进行微分得到角加速度,会因噪声的干扰而无法得到有效的加速度信号,此时的补偿控制框图如图3所示。
可对框图进行化简整理,得到整理后的惯性补偿框图如图4所示。
鉴于对角度信号进行微分无法得到有效的角加速度信号,在此尝试从电机的转矩传感器处获取电机的角加速度信号。
结合图4及式(6)可知转矩信号
到电机角加速度的传递框图如图5所示。
图3 从角度传感器处获取角加速度信号的补偿控制框图
图4 整理后的补偿控制框图
图5 转矩到电机角加速度框图
故转矩
到电机角加速度
的传递函数为
(7)
由此可得从转矩信号中提取角加速度信号的惯性补偿控制框图如图6所示。
图6 从转矩信号中提取角加速度的惯性补偿框图
3惯性补偿分析
3.1 不同惯量下的补偿前后对比
无刷电机的转动惯量较小,有刷电机的转动惯量较大,约为无刷电机转动惯量的10倍。
分别取
和
,假设助力特性为没有助力死区的线性助力,取
进行仿真,可得两组惯量下惯性补偿前后转矩信号和电机速度信号的阶跃响应分别如图7a、b和图8a、b所示。
图7a 转矩信号阶跃响应(
,
)
图7b 电机转速信号阶跃响应
(
,
)
图8a 转矩信号阶跃响应(
,
)
图8b 电机转速信号阶跃响应
(
,
)
由图7和图8可看到,在相同的惯量下,惯性补偿后转矩信号更为平滑,手感会得到改善,电机的启动速度也比补偿前加快;不同的惯量对系统的影响有一定差别:
在小惯量下,补偿前后电机的启动速度改变不明显,而大惯量时,电机转速上升较补偿前明显加快,补偿效果更明显。
3.2 助力死区范围内的补偿前后对比
电机惯量的影响除了和电机惯量的大小有关外,和助力比也有一定的关系。
EPS转向系统的助力存在着死区,此时电机惯量的影响会非常明显。
死区范围内相当于
,取
。
补偿前后的转矩信号和电机速度信号的阶跃响应分别如图9a和9b所示。
由图9a和9b可看到,在助力死区范围内,电机惯量对系统动态性能的影响尤为明显,即便是小惯量也会对EPS造成较大影响。
加入惯性补偿之后转矩信号的动态特性有了明显改善,手感会得到改善,助力电机转速的上升速度也明显加快,对于改善启动时转矩不足有一定效果。
图9a 转矩信号阶跃响应(
,
)
图9b 电机转速信号阶跃响应(
,
)
4 结论
在一定助力比下,助力电机惯量对EPS动态性能的影响随助力电机惯量的加大而变大;在小助力比下,尤其是助力死区范围内,电机惯量的影响尤为明显。
本文从转矩信号中提取角加速度信号对电机惯量进行了补偿控制,使得转向系统的动态性能得到了明显改善,尤其是在助力死区范围内,惯性补偿对改善系统特性尤为重要,达到了惯性补偿的目的。
参考文献:
[1]夏甫根.电动助力转向系统控制策略的优化[硕士学位论文].北京:
清华大学汽车工程系,2008.
[2]YasuoShimizuandYoshihiroOniwa,ControlforMomentofMotorInertiaonEPS[J].SAEpaper2006-01-1179.
[3]申荣卫,林逸,台晓虹等.电动助力转向系统建模与补偿控制策略[J].农业机械学报,2007,7(7):
5—9.
[4]陈奎元译.电动转向的控制技术.三菱电机技报(日),1996,9.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 转矩 信号 助力 电机 惯性 补偿