A型純電動客車EHPS助力電機轉速控制優化

朱慶華 閔永軍 張涌 趙萬忠 陳鵬 閆鵬鵬

摘 要：針對A型純電動客車EHPS助力電機恒定高速運轉的問題，本文設計理想轉向盤力矩曲線，建立A型純電動客車的整車模型和EHPS系統模型，推導出理想EHPS助力特性曲線，得到各車速及轉向盤轉角下的目標電機轉速。基于Simulink和AMESIM對模型進行聯合仿真，仿真結果表明：助力電機轉速控制優化后的EHPS能滿足車輛低速轉向時的輕便性和高速轉向時駕駛員的路感，并改善節能性。

關鍵詞：EHPS;助力電機;轉速控制;助力特性;仿真

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2019）01-0053-06

Abstract： Regarding the problem of the pure electric bus of model A EHPS power motor operating at a constant high speed， an ideal steering wheel torque curve is designed. The vehicle model and the EHPS model are set up. The ideal EHPS assist characteristic curve is deduced， and the target speed of motor under different speed and different steering wheel angle is obtained. The model is simulated based on Simulink and AMESIM. The simulation result shows that after the optimization of EHPS power motor speed control， the EHPS satisfies the portability in low speed steering and the road feeling of driver in high speed steering， and also improves the ability of energy saving.

Keywords： EHPS; power motor; speed control; assist characteristic; simulation

0引言

為實現低碳、環保和節能型社會，我國大力發展以純電動汽車為代表的新能源汽車[1]。南京某公司積極響應國家節能環保和新能源客車發展戰略，在2014年自主開發并生產銷售一款17座A型純電動客車。至今，該車采用的常流式EHPS助力電機以1 650 r/min為目標轉速恒速控制運轉，車輛高速轉向過程中，助力系統提供的助力過大，導致轉向盤力過小，駕駛員的路感變差 [2]。同時，調查表明，車輛約有80%時間處于直線行駛工況[3]，

電機恒定高速運轉模式勢必造成能源浪費[4]。

Toyoda Machine Work公司1995年研制的EHPS系統根據車速和轉向盤轉角等信號控制電機轉速，從而實現對助力大小的調節 [5]，但其轉向手感較差，泵流量變化過快，且結構復雜。隨著電子控制技術的發展，TRW公司和光洋公司推出的EHPS系統采用了無刷直流電機，并將控制單元集成于電機模塊中，通過方向盤轉角信號和車速信號進行電機轉速控制。該系統控制精度較高，基本滿足低速轉向輕便性和高速轉向路感之間的協調要求[6]。

本文針對A型純電動客車EHPS存在的問題，在原EHPS基礎上提出了改進方案，設計了對應的EHPS助力特性曲線，得出了不同車速、不同轉向盤轉角下的電機目標轉速。建立了EHPS系統數學模型，并通過Simulink和AMESIM對模型進行聯合仿真。仿真結果表明，轉速控制優化后的助力電機能滿足EHPS低速轉向時輕便性和高速行駛時駕駛員路感的要求，同時降低了EHPS的能耗。

1 EHPS系統改進方案

為解決A型純電動客車EHPS高速時產生的助力過大及運行過程中能量浪費的問題，本文提出了在原EHPS系統基礎上增加轉向盤轉角傳感器及系統控制器來根據車速和轉向盤轉角對電機轉速進行控制的方案。

改進后的EHPS采用以CAN2.0為基礎的SAEJ1939協議作為CAN通信協議，該協議采用國際化標準規則，只需引入CAN_H和CAN_L兩根數據線，便可與整車控制器、轉向盤轉角傳感器等設備連接，降低了系統復雜程度。改進后的EHPS通過CAN通信將新增轉向盤轉角信號和原有車速信號傳送給系統控制器，系統控制器據此確定各行駛工況下助力電機目標轉速，并通過PID控制對助力電機進行調速控制，實現轉向助力系統可變助力，并降低電機總體耗電量。

2 EHPS助力特性曲線設計

2.1 理想轉向盤力矩

車輛轉向過程中，轉向盤反作用力矩是駕駛員感知路況的重要指標。國內外在理想轉向盤力矩方面還處于研究階段。Bertollini等[7]發現一定車速下，理想轉向盤力矩與車速成正相關;XW Ji 等[8]認為除車速外，理想轉向盤力矩與轉向盤轉角關系更直接。

宗長富等[9]通過試驗得出我國駕駛員在不同車速、不同側向加速度下喜好的轉向盤力矩（轎車）。

劉照[10]給出各車速下最大轉向盤轉角參考值，并根據試驗數據推導出理想的轉向盤力矩與轉向盤轉角成正比。

本文根據以上結論及A型純電動客車轉向盤力矩設計要求設計了理想轉向盤力矩特性曲線。

2.2 轉向阻力矩

根據七自由度整車模型[11]計算車輛行駛轉向阻力矩M。

車輛行駛過程中的轉向阻力矩M主要由側向力形成的回正力矩M1、輪胎與地面摩擦阻力距M2、重力回正力矩M3、轉向系統摩擦阻力矩和縱向力形成的阻力矩組成。由于汽車前輪定位參數對左右轉向輪是對稱的，故可忽略縱向力產生的阻力矩;車輛行駛轉向時，轉向系統摩擦阻力矩在轉向阻力矩中所占的比重較小，可以忽略不計[16]。而M1 、M2 、M3為輪胎側向力Fy、輪胎自回正力矩Mz、轉向軸載荷Fz和前輪轉角δ的函數，故M如公式（5）所示。

根據以上數學模型，在Simulink中搭建一定車速下以轉向盤轉角為輸入、轉向阻力矩為輸出的整車模型。以A型純電動客車為實驗對象進行轉向阻力矩實車測試試驗。試驗路線采用兩個半徑為汽車最小轉彎半徑的1.05倍的相切圓的“8”字形試驗行駛路線，使試驗車輛在行駛過程中可獲得各車速轉向盤的最大轉角和轉向盤最大力矩。試驗道路為水平、干燥、良好混凝土路面，試驗車輛以10 km/h和20 km/h等速空載行駛。通過WZX-1型轉向參數測試儀采集轉向盤轉角、原地轉向力和轉向盤轉矩等試驗數據，并結合子午線輪胎模型參數對模型參數進行修正。對修正后的模型進行仿真計算，將仿真結果與實車試驗結果相對比。仿真結果與試驗結果很接近，因此所建模型有效。根據所建整車模型可知行駛阻力矩M與車速V和轉向盤轉角θ存在如公式（7）的函數關系。

根據2.2中的整車模型可以確定一定工況下EHPS提供的助力矩M4。M4確定后，即可通過EHPS各模塊的數學模型推導出電機目標轉速N。EHPS各模塊的數學模型如下[17]。

考慮到轉閥和轉向系統的泄露，液壓泵理想狀態下輸出流量Q約為進入轉閥流量Qin的1.5倍[18]。

根據EHPS各模塊數學模型及2.2中整車模型，可得到一定車速下以轉向盤轉角為輸入，電機轉速為輸出的EHPS助力特性曲線。

對EHPS助力特性曲線進行擬合，得到電機目標轉速與轉向盤轉角、車速的函數關系，如公式（10）所示。

3 EHPS系統仿真及結果分析

基于以上數學模型在Simulink中搭建EHPS系統控制器模型和助力電機模型，并設置電機耗電量計算模塊[14]，以A型純電動客車為對象，在AMESIM中搭建EHPS系統整體模型，通過Simulink與AMESIM的聯合仿真接口進行仿真。

3.1 轉向助力特性分析

設定轉向盤轉角按幅值200°正弦輸入，頻率0.2 Hz，車速分別為10、30、60、80 km/h。隨著轉向盤轉角的增大，EHPS提供的助力矩也在逐步增大;轉向盤轉角一定時，EHPS提供的助力矩隨著車速的增大而減小，從而改善了車輛低速轉向輕便性和高速轉向的路感。

3.2 EHPS系統節能性分析

選擇市區循環試驗方法[19]進行EHPS系統消耗能量的測試。優化后助力電機的轉速隨著車速的改變而改變，且車速越高，轉速越低，減少了車輛高速行駛時的能量消耗。優化后EHPS助力電機比原電機節約了約22%的電能，表明優化后助力電機提升了節能性。

4 結束語

本文針對A型純電動客車EHPS助力電機恒定1 650 r/min高轉速運行的問題，提出了給原EHPS系統裝配轉向盤轉角傳感器及系統控制器等模塊來控制電機轉速的方案，并設計了對應的EHPS助力特性曲線。根據EHPS系統數學模型在Simulink和AMESIM中建立了仿真模型并進行聯合仿真。仿真結果表明，優化后的助力電機轉速根據轉向盤轉角和車速改變而改變，使得EHPS提供的助力矩與轉向阻力矩相適宜，保證了車輛低速轉向時的輕便性及高速轉向時駕駛員的路感，同時降低了EHPS的能耗。

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