汽车EPS动力学模型的建立与仿真分析Word格式文档下载.doc
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其工作原理:
汽车在运行过程中,扭矩传感器、车速传感器及电流传感器会产生相应的传感器信号,这些信号经过滤波、信号电平调整后传给ECU,ECU经过分析处理后对助力电机进行相应控制。
图1电动助力转向系统结构
2 电动助力转向系统建模
在构建电动助力转向系统模型时,分析了实际电动助力系统与模拟电动助力转向系统的区别,尽量结合实际构建电动助力转向系统模型但转向轴、齿条、助力电机的动力学模型与实际系统差别较大,因此在建模时都加入了相应的仿真系数(如加入了阻尼、刚性系数等),以达到实际工况,这样有助于对系统进行仿真分析。
在图1中,设转向盘和上端转向轴的转动惯量、电动机的转动惯量、前轮及转向机构向转向轴等效后的转动惯量分别为、、,单位为;
转向盘上施加的转矩、等效到转向轴的转向阻力矩、电动机的电磁转矩和电动机作用到转向轴的助力分别为、、、,单位为Nm;
转向轴与支承之间的摩擦系数、转向机构与前轮等效到转向轴的摩擦系数、电动机转轴与支承之间的摩擦系数分别为、、,单位为Nms/rad;
转向盘的转角、前轮等效到转向轴的转角、电动机的转角分别为、、,单位为rad;
转矩传感器刚度为,单位为Nm/rad;
从电动机经减速机构到转向轴的传动比为G。
为降低问题的复杂性,假设电动机转轴为刚性,即不考虑电动机的扭转刚度。
考虑
电动机与转向轴之间的速度匹配,有:
(1)
(1)转向盘和上端转向轴、下端转向轴模型
(2)
(3)
(2)电动机模型
直流电动机的等效结构图如图2所示,电动机电枢电压(图中用U表示),电流(图中用I表示),电枢电阻,电感,反电动势系数,电磁转矩系数。
图2直流电机的等效模型
(4)
(5)
(6)
(3)转矩传感器模型
对于转矩传感器,其测试值等于其刚度和转向盘与转向柱转角差之积,即:
(7)
(4)轮胎模型
(8)
(9)
(10)
其中,——轮胎拖距(m);
——前轮侧偏角(rad)
(5)车辆二自由度模型
由汽车动力学力学定律得出以下运动微分方程:
(11)
(12)
式中:
——质心到前轴的距离(m);
——质心到后轴的距离(m);
——绕Z轴的横摆角速度(rad/s);
——质心的侧偏角(rad);
——前轮转角(rad);
——汽车绕Z轴的转动惯量(kg·
m2);
V——车速(km/h);
m——汽车质量(kg);
——前轮侧偏刚度(N/rad);
——后轮侧偏刚度(N/rad)。
(6)系统模型计算所用参数值
表1模型计算的参数值
2000
3000
1.0
1.8
-140000
0.00005
0.0044
0.002
0.3
0.15
0.02
40
30
15
3 系统的仿真框图与仿真结果
由上面讨论的EPS系统动力学状态方程可知EPS系统可以采用机械转向系统模型(Mechanical_Model)、电动机模型(Motor_Model)、控制器模型(Contrllor_Model)来进行描述,各模块间的关系如图3。
图3电动助力转向系统Simulink仿真结构模型
(1)机械转向系统模型(Mechanical_Model)
图4机械转向系统模型
(2)电动机模型(Motor_Model)
图5电动机模型
(3)控制器模型(Contrllor_Model)
图6控制器总体模型
图7基于模糊控制的EPS系统助力控制策略模型(Fuzzy)
图8电动机PID控制算法助力模型(I_PID)
(4)仿真结果
图9为阶跃输入起始时间为0.5s,幅值为1.5Nm,速度输入V为30km/h时,未控制时横摆角速度r的仿真结果曲线。
图9未控制时的横摆角速度r仿真结果
图10为阶跃输入起始时间为0.5s,幅值为1.5Nm,速度输入V为30km/h时,目标电流Icmd、PID控制电流Ia和下端转向轴转角仿真结果曲线。
图10目标电流、PID控制电流、下端转向轴转角仿真结果
由图10可以看出PID控制的实际电流,能很好的追随目标电流。
图11为阶跃输入幅值为1.5Nm,速度输入V为30km/h时,横摆角速度的仿真结果曲线。
图11横摆角速度仿真结果
由图11可以看出,在阶跃输入下,横摆角速度于2s时趋于稳定值0.015rad/s。
4 小结
根据汽车转向特性,建立了汽车仿真模型,仿真结果表明了所建立的EPS动力学模型准确性,也验证了所采用的控制策略的可行性和准确性。
参考文献:
[1] 文艺.汽车电动助力转向系统的控制方法与仿真分析[D].广州:
华南理工大学,2010.
[2] 王若平,杨国荣.电动助力转向系统助力特性的仿真研究[J].拖拉机与农用运输车2008,35(4):
93-97.
[3] 唐新蓬,杨树.电动助力转向系统与汽车转向盘力特性的仿真研究[J].机械科学与技术,2005,24(12):
1387-1390.
[4] 何仁,耿国庆,苗立东等.电动助力转向系统的曲线型助力特性设计及分析[J].中国机械工程,2007,18(20):
2515-2518.
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