汽車電動助力轉向系統的回正性能研究

摘 要：本文以電動助力轉向系統的回正性能為研究內容，通過ADAMS建立了模型汽車的整車的虛擬樣機模型，在一定的助力特性條件下，分析并設計了 EPS 系統的回正控制策略，在MATLAB軟件中搭建了回正控制系統，通過ADAMS與MATLAB的聯合仿真的EPS助力效果與純機械轉向系統的對比驗證了設計的回正控制策略可以很好的改善汽車在行駛過程中的回正性能，獲得了較好的助力效果，提高了行車的和安全性。

關鍵詞：電動助力轉向 主動回正 控制策略 聯合仿真

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0107-02

電動助力轉向（ElectricPowerSteering，簡稱EPS）系統，是一種全新的汽車動力轉向技術[1]。以其易于實現更佳的操縱特性和轉向路感、結構緊湊、易于裝配等特點成為動力轉向技術新的焦點[2]。系統機械結構動力學特性中，像轉向系統慣量，摩擦，阻尼，以及車速等，成為影響回正特性表現低速狀態回正不足或者高速狀態回正過快，以及減弱穩定性的情況的主要因素。

本文的目標就是要盡量地使所設計的回正性能達到要求，使車輛在行駛中擁有更好的回正特性，更佳的操作特性和轉向路感，提高汽車在行駛中的舒適性和安全性。

1 建立整車虛擬樣機模型

轉向盤和轉向軸的數學模型：

式中Js為轉向軸的轉動慣量，Bs為轉向軸黏性阻尼系數，Td為作用在轉向盤上的轉向轉矩，Tw為轉向軸作用在輸出端的反作用轉矩；θs為轉向軸旋轉角。

齒條及小齒輪機構的數學模型：

式中mr為齒條及小齒輪的等效質量；br為齒條的阻尼系數；xr為齒條的位移；rp為小齒輪半徑；FTR為輪胎轉向阻力及其他影響因素。

利用ADAMS/CAR模塊建立了整車的虛擬樣機模型。

通過查找資料得到了原型車的一些基本參數，特別是對轉向系統有較大影響的前輪定位參數和后輪定位參數，還包括該車的前后輪距及軸距的具體參數。具體參數如表1所示。

2 回正控制策略設計

回正控制是為改善轉向回正特性的一種控制模式，其控制策略是電動轉向控制的難點，對汽車操縱穩定性有著很大的影響。在原地轉向和較低車速時，轉向齒輪阻力矩較大，輪胎不能自動回正；而當車速增大到一定值后隨著車速的提高，輪胎與地面的摩擦力矩減小，回正力矩增大，輪胎能自動回到中間位置，但由于路況情況，轉向盤不一定能夠準確的回到中點，因此需要輸出補償力矩來幫助回正。

汽車為了在運行的時候提高高速直線行駛穩定性使用的控制模式就是阻尼控制。助力電機轉速和當時車速是決定阻尼特性的兩個條件。能夠在過快車速的時候，保持駕駛員轉向手感就是阻尼控制的主要目的。

阻尼特性需要滿足的條件為：電機轉速θ或方向盤轉速不能過快；而電機轉子的轉動加速度或者方向盤轉向加速度應較為平穩，可設為定值。由此可得，轉速的導數恒定，則轉子轉速與轉矩應成線性關系。那么，在該情況下，不妨設固定車速下，轉速與目標電流線性相關。則有：

其中Ki則由當前車速決定，記為Ki（v），那么目標電流則不為一條單一直線，而是一簇直線，其解析表達式為：

最終根據當前車速的實際情況，利用解析關系，得出阻尼系數Kdamp，助力電機轉速θm，表達式如下：

EPS系統不斷監測方向盤轉角，選用基于方向盤轉角為對象的PID控制：

其中PI部分對轉向盤產生較大的回正助力轉矩，微分部分產生較大的阻尼效果，式子中的KP，Kd，Ki根據實際情況進行選取。利用MATLAB中的SIMULINK搭建出了控制模型如圖1所示。

3 回正控制仿真驗證

車輛在低速行駛的回正性能仿真條件為：方向盤初始角度為90度，車速為30 km/h駕駛員突然撒手（駕駛員的輸入力矩為零）。仿真結果如圖2所示。由圖2可以看出，在沒有回正助力矩的情況下，轉向系統依靠自身的回正力矩不能使方向盤回到中間位置，轉向殘留角為40度。而在有回正控制的情況下，方向盤基本上可以回到中間位置，轉向殘留角很小。從而證明設計的回正控制策略能夠實現EPS系統在車輛低速時的回正性能。

車輛在高速行駛的回正性能仿真條件為：方向盤初始角度為90度，車速為100 km/h駕駛員突然撒手（駕駛員的輸入力矩為零）。仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出，轉向系統可以依靠自身的回正力矩能夠使方向盤回到中間位置，但是產生了很大的超調，引起車身的極度不穩定。而在有回正控制的情況下，方向盤不僅回到中間位置，超調量也很小，車身的穩定性也比較好。證明所提出的回正控制算法不僅能夠實現車輛低速時的回正性能，而且能夠改善高速時車輛的操縱穩定性。

4 結論

本文描述的控制策略利用對主力轉矩的補償改變，保持駕駛員達到“低速助力，高速阻尼”的手感，也能夠輕松地保證高速行駛的汽車的穩定性。方向盤能夠在回正控制下比較準確的回到中點，車輛能夠持續平穩地回正。很大程度上提高了行車中的安全性。仿真分析結果驗證了該主動回正控制策略的可行性，可以為電動助力轉向概念設計和實車性能調校提供回正控制策略方案，從而提高研發效率縮短研發周期，具有一定的實際意義。

參考文獻

[1]王其東，楊孝劍，陳無畏.電動助力轉向系統的建模及控制[J].農業機械學報，2011.

[2]張春花.汽車電動助力轉向系統動態特性及控制研究[D].中南林業科技大學，2007.

[3]馬葳.汽車電動助力轉向系統控制策略及試驗研究[D].武漢理工大學，2011.

[4]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京：電子工業出版社，2011

[5]雷瓊紅.汽車電動助力轉向技術的現狀和發展趨勢分析[J].機械工程師，2009，9：53-55.