重型越野汽車DMEPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

史小川，高錦，虎忠，周元豪

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型越野汽車DMEPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

史小川，高錦，虎忠，周元豪

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

為研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向?qū)χ匦蛙娪迷揭捌嚥倏v性及燃油經(jīng)濟(jì)性的改善情況, 同時(shí)為混合動(dòng)力技術(shù)在重型越野汽車的應(yīng)用做技術(shù)儲(chǔ)備，根據(jù)重型車輛前橋軸荷較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于雙電機(jī)的電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（DMEPS）。依據(jù)目標(biāo)車型的性能參數(shù)及DMEPS控制策略，以車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS和Simulink為平臺(tái)，建立了目標(biāo)車型的整車動(dòng)力學(xué)和控制策略聯(lián)合仿真模型。重點(diǎn)仿真研究DMEPS系統(tǒng)控制策略的響應(yīng)跟隨能力及系統(tǒng)對(duì)整車轉(zhuǎn)向輕便性的影響。并通過(guò)快速原型控制器對(duì)控制策略進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，文章設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)控制策略具有良好的響應(yīng)跟隨能力，同時(shí)與常規(guī)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,在轉(zhuǎn)向輕便型方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；永磁同步電機(jī)；控制策略；聯(lián)合仿真

Abstract:For the purpose of reduce the braking distance and improving brakperformance for heavy off-road vehicle,Aelectronically controlled brakesystem (EBS) wasdesigned. on the platform of MATLAB/Simulink, dynamic model of vehicle and control model ofEBS was established. Emphasis is placed on studies of the braking ability of EBS in different working condition,and verifyinging are with the date of ABS test the rationality of the system through comparing with the data of ABS test.The result show that EBS which designed in this paper has obvious advantage in reducing brake response time and enhancing brake security.

According to the characteristics of the steering system in a higher load heavy off-road vehicle, Double motor electric power steering system (DMEPS) was designed, on the platform of ADAMS and Matlab / Simulink, dynamic model of heavy cross country vehicle and control model of DMEPS was established. Then through jointing simulation of these two models,researches the influences of DMEPS on the vehicle control stability in different working condition. Compared to hydraulic power steering system, The simulation results show that the problems of steering ensiness and road feel were solved, and the return ability was increased.

Keywords: Double motor electric power steering system; Co_simulation; control algorithm

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-61-05

前言

EPS作為一種新型的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于乘用車輛。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向相比,EPS具有可調(diào)的助力特性以及良好的轉(zhuǎn)向跟隨性及燃油經(jīng)濟(jì)性，可有效降低路面不平對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)。在重型車輛領(lǐng)域，由于轉(zhuǎn)向軸荷大，轉(zhuǎn)向時(shí)需要較大助力矩，現(xiàn)有助力電機(jī)的技術(shù)無(wú)法滿足其對(duì)助力矩的需求，目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)科研院校開(kāi)展了相應(yīng)的理論及試驗(yàn)研究。

本文針對(duì)重型越野汽車轉(zhuǎn)向軸荷大，行駛工況惡劣等特點(diǎn)，以陜汽4×4裝甲車為目標(biāo)車型，設(shè)計(jì)了雙電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（DMEPS：Double Motor Electric Power Steering System）。通過(guò)ADAMS和Simulink仿真平臺(tái)，重點(diǎn)仿真研究所設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)控制策略的響應(yīng)跟隨能力及系統(tǒng)對(duì)整車轉(zhuǎn)向輕便性的影響。并將仿真結(jié)果與裝備液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目標(biāo)車型在同工況下得到的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)的合理性及優(yōu)越性。

1 DMEPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

在參考乘用車輛成熟EPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)雙電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)以陜汽4×4反伏擊裝甲車為目標(biāo)車型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 整車技術(shù)參數(shù)

圖1為所設(shè)計(jì)DMEPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要由扭矩轉(zhuǎn)角傳感器總成、DMEPS控制器、減速器、助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、助力電機(jī)總成等零部件組成。DMEPS控制器通過(guò)其私有 CAN總線和車身 CAN總線讀取駕駛員扭矩輸入信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)及車速信號(hào)。根據(jù)控制策略分別輸出目標(biāo)電流控制信號(hào)至左右助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由左右助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)制三相交流電,驅(qū)動(dòng)永磁同步助力電機(jī)輸出電磁力矩。該力矩經(jīng)過(guò)減速器增扭后施加到轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力矩。

圖1 DMEPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 助力電機(jī)設(shè)計(jì)選型

EPS助力電機(jī)一般有無(wú)刷及有刷結(jié)構(gòu)形式，有刷電機(jī)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于其電磁輻射嚴(yán)重，不適于在軍用車輛上應(yīng)用。因此該方案助力電機(jī)結(jié)構(gòu)確定為無(wú)刷電機(jī)。

電機(jī)選型時(shí)其輸出扭矩應(yīng)保證其最大輸出力矩經(jīng)減速器減速增扭后大于目標(biāo)車輛的最大極限轉(zhuǎn)向阻力矩，該阻力矩由三部分組成：轉(zhuǎn)向輪相對(duì)主銷軸線的滾動(dòng)阻力矩T1，輪胎與地面接觸部分的滑動(dòng)摩擦摩擦力矩T2，轉(zhuǎn)向車輪的自動(dòng)回正力矩所形成的阻力矩T3。計(jì)算公式如式1所示:

式中：M1為滿載時(shí)轉(zhuǎn)向軸載荷；g為重力加速度；f為車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)，a為主銷偏移距；φ為地面附著系數(shù)； rg為輪胎滾動(dòng)半徑；rs為輪胎靜力半徑；β為主銷內(nèi)傾角；γ為主銷后傾角；為內(nèi)輪的平均轉(zhuǎn)角；為外輪的平均轉(zhuǎn)角。

靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩MS0計(jì)算公式如2式：

作用在兩個(gè)減速器搖臂上的力矩和M轉(zhuǎn)計(jì)算公式如3式：

式中 ip為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比；η'為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。

經(jīng)計(jì)算作用在兩個(gè)減速器搖臂上的力矩和為3695 N·M。因本文選用減速器減速比為20:1，則單個(gè)助力電機(jī)的最大輸出扭矩必須大于92.34 N·M，同時(shí)其額定轉(zhuǎn)速必須大于駕駛員操縱方向盤(pán)的最大角速度（經(jīng)驗(yàn)值為55r/min）。

結(jié)合電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速需求及車輛供電情況，選用某型號(hào)永磁同步電機(jī)總成，該總成由永磁同步助力電機(jī)和減速比為20:1的行星齒輪減速器組成，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示：

表2 助力電機(jī)總成技術(shù)參數(shù)

1.3 控制器及傳感器設(shè)計(jì)選型

DMEPS控制器作為系統(tǒng)的核心部件，其作用是通過(guò)采集方向盤(pán)扭矩信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)、車速信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)控制策略輸出左右電機(jī)目標(biāo)電流。其中控制器的輸入輸出信號(hào)均為 CAN信號(hào)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，選用主頻為 40MHZ的MC9S12XEP100為DMEPS控制器的MCU。該芯片擁有的4路高速CAN通道，最高通訊速率可達(dá)10Mbit/s，能為系統(tǒng)提供高效的信號(hào)采集、運(yùn)算及輸出功能。

助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能是根據(jù)控制器輸出的目標(biāo)電流信號(hào)，將系統(tǒng)24V直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橛来磐街﹄姍C(jī)電樞繞組中的三相交流電流，以產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的助力力矩，其性能直接影響系統(tǒng)的執(zhí)行及響應(yīng)跟隨能力。根據(jù)所選助力電機(jī)的參數(shù)，并取安全系數(shù)為1.3，其單相驅(qū)動(dòng)電流必須大于86.4A。通過(guò)參照成熟的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為三相逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和大電流、低飽和電壓等特點(diǎn)，可有效保證系統(tǒng)的執(zhí)行及響應(yīng)跟隨能力。

扭矩轉(zhuǎn)角傳感器總成是DMEPS系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是將方向盤(pán)的輸入力矩及轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，供控制器采集運(yùn)算。其信號(hào)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及抗干擾能力極大的影響著系統(tǒng)的性能。本文所設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)采用定制的扭矩轉(zhuǎn)角傳感器總成，滿足軍用車輛環(huán)境使用要求。該總成作為DMEPS系統(tǒng)私有CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)總線發(fā)送方向盤(pán)輸入扭矩及方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)，可有效屏蔽復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)采集信號(hào)的干擾，保證所采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2 聯(lián)合仿真系統(tǒng)建模

2.1 整車多體動(dòng)力學(xué)模型

以ADAMS/VIEW為平臺(tái)，建立了目標(biāo)車型的整車模型,包括懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)。在建立模型過(guò)程中，除阻尼、彈性元件和輪胎外，其余零件均認(rèn)為是剛體。幾何定位點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)圖紙查的，輪胎特性參數(shù)和路面譜參數(shù)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6323.5-94所規(guī)定的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)要求編制。其中前后懸架均為雙橫臂式獨(dú)立懸架，扭矩傳感器模型的建立是將轉(zhuǎn)向管柱斷開(kāi)為兩部分,在斷開(kāi)處加一扭簧,剛度參數(shù)為實(shí)際扭矩傳感器所用扭桿的剛度。在左右助力電機(jī)輸出軸上分別添加一力矩元素，大小由VARVAL函數(shù)執(zhí)行來(lái)自 Simulink的輸出狀態(tài)變量。同時(shí)定義狀態(tài)變量，向Simulink模型輸出車速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、方向盤(pán)輸入扭矩的測(cè)量值。整車多體動(dòng)力學(xué)模型如下圖2所示：

圖2 整車多體動(dòng)力學(xué)模型

2.2 DMEPS系統(tǒng)控制策略及模型

本文所設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)的控制策略為雙層結(jié)構(gòu)控制，即主環(huán)路控制和伺服環(huán)路控制。主環(huán)路控制為DMEPS系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，控制器讀取系統(tǒng)私有CAN總線和車身CAN總線上的駕駛員扭矩輸入信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)及車速信號(hào)，通過(guò)判斷車輛的運(yùn)動(dòng)模式。采用查 MAP表的方式計(jì)算輸出目標(biāo)電流，其中所查 MAP表根據(jù)折線型助力曲線制定。伺服環(huán)路控制為助力電機(jī)的力矩控制，本文對(duì)助力電機(jī)輸出力矩的控制方法為SVPWM(Space Vector PWM)。該方法是一種優(yōu)化的PWM控制技術(shù)，能明顯減小逆變電路輸出的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且控制簡(jiǎn)單，電壓利用率高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所需助力的足夠跟蹤精度。控制策略原理如圖3所示：

圖3 DMEPS控制策略原理圖

根據(jù)上述控制策略，在 MATLAB/Simulink中建立了控制器模型、左右助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模型及左右助力電機(jī)模型。

2.2.1 控制器模型

控制器模型主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制策略中主環(huán)路控制功能，即根據(jù)采集的方向盤(pán)輸入扭矩信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)及車速信號(hào)，判斷車輛的運(yùn)動(dòng)模式，并計(jì)算輸出目標(biāo)電流。文中所建控制器模型由運(yùn)動(dòng)模式判斷模塊、助力模式模塊、回正模式模塊、阻尼模式模塊及目標(biāo)電流處理模塊組成。其中運(yùn)動(dòng)模式判斷模塊采用Stateflow建模，其輸入信號(hào)為方向盤(pán)輸入扭矩信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)。輸出信號(hào)為工作模式狀態(tài)、助力模式標(biāo)志位、回正模式標(biāo)志位和阻尼模式標(biāo)志位。通過(guò)各工作模式標(biāo)志位的狀態(tài)調(diào)用相對(duì)應(yīng)的工作模式，采用查MAP表的方式輸出目標(biāo)電流至目標(biāo)電流處理模塊，在該模塊中對(duì)目標(biāo)電流采用斜坡算法處理后輸出。控制器模型如圖4所示：

圖4 控制器模型

2.2.2 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及助力電機(jī)模型

在DMEPS系統(tǒng)中，左右助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及助力電機(jī)模型的建模方法及參數(shù)均相同。本文僅介紹右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)的建模方法及模型結(jié)構(gòu)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模型的功能是將控制器模型輸入的目標(biāo)電流與電機(jī)模型反饋電流的差值作PI控制后，計(jì)算出d、q軸電樞電壓Ud、Uq。經(jīng)過(guò)Park逆變換為兩相靜止繞組α、β軸上的電壓Uα、Uβ，并輸出至SVPWM模塊。在SVPWM模塊中，由Uα、Uβ計(jì)算出合成的電壓空間矢量所處扇區(qū)及單個(gè)周期T內(nèi)合成七段式PWM波所需的時(shí)間T1、T2。其中d、q軸電樞電壓Ud、Uq計(jì)算公式如式4：

式中：Ud、Uq為 d、q軸電樞電壓；id、ia為 d、q軸電樞電流；Ld、Lq為定子繞組自感；P為微分算子；Ra為定子繞組電阻；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；ψfm為與定子u、v、w相交鏈的永磁體磁鏈幅值；

兩相靜止繞組α、β的電壓Uα、Uβ的計(jì)算公式如式5：

式中：θ為u相繞組軸線與d軸之間的電角度；

式中：sign(x)為符號(hào)函數(shù)，如果x＞0，sign(x) =1，如果sign(x) =0；B0、B1、B2為輔助變量，其計(jì)算公式如式7：

單個(gè)控制周期T內(nèi)合成七段式PWM波所需的時(shí)間T1、T2在各扇區(qū)數(shù)值如表3所示：

表3 T1、T2與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2中所列X、Y、Z由式8計(jì)算可得：

式中：T為單個(gè)控制周期所需時(shí)間；UDC為驅(qū)動(dòng)器電源電壓；

助力電機(jī)模型采用Simulink提供的永磁同步電機(jī)模型，并依照所選用得助力電機(jī)設(shè)置相關(guān)性能參數(shù)。助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及助力電機(jī)模型如圖5所示：

圖5 助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及助力電機(jī)模型

2.3 聯(lián)合仿真模型

本文首先在ADAMS/VIEW環(huán)境中定義狀態(tài)變量，以方向盤(pán)輸入力矩、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及車速為系統(tǒng)輸出量，以加在助力電機(jī)輸出軸上的助力矩和整車驅(qū)動(dòng)力為控制輸入量。通過(guò)ADAMS/Controls模塊將整車動(dòng)力學(xué)模型輸出至MATLAB環(huán)境中，以ADAMS整車模型子系統(tǒng)來(lái)表示，最后建立以目標(biāo)電流為控制參數(shù)的DMEPS聯(lián)合仿真模型，如圖4所示：

圖4 DMEPS系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型圖

3 DMEPS系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

3.1 控制策略仿真分析

利用所建立的聯(lián)合仿真模型，本文對(duì)系統(tǒng)控制策略的響應(yīng)跟隨能力在原地轉(zhuǎn)向工況下進(jìn)行了仿真研究，其中轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角為±600°。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示：

圖5 左電機(jī)目標(biāo)電流與輸出力矩的跟隨關(guān)系

圖6 右電機(jī)目標(biāo)電流與輸出力矩的跟隨關(guān)系

圖5、圖6分別為DMEPS控制器輸出的目標(biāo)電流與左右助力電機(jī)輸出力矩的跟隨關(guān)系。可見(jiàn)，隨著方向盤(pán)角度的變化，DMEPS控制器根據(jù)控制策略實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)電流，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)目標(biāo)電流并驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出助力矩，助力電機(jī)輸出力矩對(duì)目標(biāo)電流有良好的跟隨響應(yīng)能力。

3.2 轉(zhuǎn)向輕便性仿真分析

DMEPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的在于提高重型越野汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性，解決轉(zhuǎn)向輕便性和路感之間的矛盾。限于篇幅，本文僅重點(diǎn)仿真研究所設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)車型轉(zhuǎn)向輕便型的影響。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6323.5-94所規(guī)定的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)規(guī)定，以地面附著系數(shù)為0.7的平坦混凝土路面為仿真路譜，使整車模型以10Km/h的車速沿雙紐線路徑行駛。轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩仿真結(jié)果與裝備有液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的目標(biāo)車型在相同試驗(yàn)工況下得試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖7和表3所示：

圖7 方向盤(pán)輸入力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線

表3 轉(zhuǎn)向輕便性特征值表

由圖7和表3可知，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)中，方向盤(pán)最大作用力矩為10.5N·m，最大作用力為46.7N，雙電機(jī)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)最大作用力矩為6.8N·m，最大作用力為 30.2N，其轉(zhuǎn)向輕便性較液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

仿真試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：

文中設(shè)計(jì)的DMEPS系統(tǒng)，其控制策略可準(zhǔn)確采集并處理方向盤(pán)扭矩信號(hào)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)及車速信號(hào)，并能實(shí)時(shí)輸出目標(biāo)電流至左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)提供助力矩，具有良好的響應(yīng)及跟隨能力。同時(shí)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)相比具有更加優(yōu)越的轉(zhuǎn)向輕便性。

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Design and Validate Of Double Motor Electric Power Steering System For Heavy Military Vehicle

Shi Xiaochuan, Gao Jin, Hu Zhong, Zhou Yuanhao
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-61-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.022

史小川，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司、主要從事汽車電器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。高錦，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司、主要從事汽車電子電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。虎忠，碩士，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。周元豪，學(xué)士，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事汽車嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。