搜索
您的当前位置:首页正文

电动助力转向系助力控制方法的研究

来源:六九路网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第25卷第6期 2008年6月 机 电 工 程 Vo1.25 NO.6 MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE Jun.2008 电动助力转向系助力控制方法的研究 张国耕,王耘,胡树根,卢 斌 (浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027) 摘 要:推导了采用比例一微分(PD)控制下电动助力转向系(EPS)的动力学模型,并通过简化得到了 其2阶模型。在此基础之上,分析了PD控制参数对于EPS转向系的影响,并提出了“车速感应型微分 系数”的PD助力控制策略。仿真结果表明,该助力控制方式充分利用了EPS控制可调节的特点,使系 统在快速性和稳定性上达到了平衡,优于现有的“固定微分系数”的PD助力控制方式。 关键词:电动助力转向系;比例一微分控制;仿真;车速感应型微分系数 中图分类号:U463.4 文献标识码:A 文章编号:1001—4551(2008)06—0008—03 Research on control strategy of electric power steering system ZHANG Guo—gen,WANG Yun,HU Shu—gen,LU Bin (College of Mechanical and Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 3 1 0027,China) Abstract:A dynamic model of electric power steering under proportion differential control manner was set up and a 2-order model was deduced.Based on the model,an analysis was carried out to get the influence under different control parameters,and “changeable diferential gain according to the vehicle velocity”control manner was put forward.The simulation results show that. the control manner takes good advantage of the EPS feature to improve the EPS performance,and it is better than the unchangea— ble differential gain control manner. Key words:electric power steering(EPS);proportion differential(PD)control;simulation;changeable differential gain ac— cording to the vehicle velocity 0前言 的给定电流 采用PD控制,利用PI控制器控制电机 电压 ,并通过电机电流, 的反馈实现电流闭环控制。 电动助力转向系集环保、节能、安全、舒适为一体, 目前正越来越受到人们的关注。其控制方法基本可以 分为3类:基于经典控制理论传递函数分析的PID控 制法 一 、基于非精确模型分析和设计的H oo鲁棒控制 法 n 和集成控制法 。 图1 EPS控制结构简图 经典PD控制器结构简单、容易实现,其比例控制 环节能有效地解决转向轻便的问题,微分环节能缓解 转向盘摆振现象,抑制路面高频干扰,并能使转向更为 灵敏。 将前轮和转向机构向转向轴当量简化,可得EPS 简化模型,如图2所示。对其进行受力分析,可得动力 学方程为: JHw0H +BH 0H =TH 一Ts ● ●● ● 笔者在EPS转向系简化模型基础之上,通过分析 PD控制参数对于EPS转向系的影响,提出“车速感应 型微分系数”。 (1) (2) (3) JR0R+BR 0R=Gl T 一TR—T T=K (0 一0 ) 1 EPS转向系动力学模型 本研究的EPS控制结构,如图1所示。助力逻辑中 收稿日期:2007—12—29 式中 JHw一方向盘、输入轴部分当量转动惯量;JR一 前轮及转向机构当量转动惯量;日 一输入轴部分当 基金项目:浙江省(区域支柱产业)重大科技攻关资助项目(2004C11025) 作者简介:张国耕(1985一),男,河南信阳人,主要从事汽车电子方面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 张国耕,等:电动助力转向系助力控制方法的研究 量阻尼系数;曰 一前轮及转向机构部分当量阻尼系 数;K 一扭矩传感器扭杆角刚度;G 一助力蜗轮蜗杆 减速比;OMw一方向盘转角;OR一前轮及转向机构部分 当量后转角;Tnw一方向盘输入力矩;T一电机输出力 矩;TR一转向阻力矩;Ts一扭矩传感器所得扭矩值。 ) 图2 EPS转向系简化示意图 本系统中电机为有刷直流电机,忽略其电感和电 机内摩擦转矩,则有: T =K , 一J…0一B 0 (4) , =(U—K 0 )/R (5) 0 =G 0 (6) 式中 U~电机电压;Io,一电机电流;尺一电机电枢端 电阻;Jm一电机转动惯量;B 一电机阻尼系数;K 一 电磁转矩系数;K 一反电势系数; 一电机转角。 本系统中给定电流通过PI控制器来产生电机电 压,并通过电机电流, 的反馈实现电流闭环控制,则 有: u= (, 一, )+J ,(, 一, )dt (7) 式中 ~机电流闭环PI控制增益系数;K,~电机电 流闭环PI控制积分系数。 给定电流与传感器扭矩值之问采用PD控制方式: , =K Ts+ d (8) 式中 一助力电流增益系数,即MAP图中对于某 一车速下的斜率;K ~助力电流微分系数。 为了研究不同控制参数对于EPS转向系的影响, 假设方向盘固定,建立EPS转向系转向阻力矩到方向 盘输入力矩的传递函数。将式(1)~式(8)进行拉氏 变化,并将0 =0代入,可得: G )=G 0 (9) 其中,助力系数 t6 A:1+G K K ;扭矩微分影 响系数 =G K K ;稳态增益系数G (0)=1/A;T :(R+KP)/K,;B3:A3/A0;B2:A2/A0;B】=A】/A0; A3:(I,R+J G )(R+Kp);A 2=(I, +J G ) ,+ G 。K +(曰 +B仉G;)(R+K )+ P;Al:(曰R+ B G )K,+ rB(KPA+R+aK,);A0=K,Kr8A。 式(9)表示在驾驶员把持住方向盘时,EPS转向 系所受到的路面干扰与手力之间的关系,即通常所说 的“路感”。当转向系受到单位干扰时,驾驶员所感受 到的力矩即为稳态增益1/A,其余力矩由助力电机提 供。显然助力系数A表征了电机助力的情况,其随着 的增加而增加,与 无关。当不助力时A=1,地 面干扰完全由驾驶员手力抵消,这时路感最强。 2 车速感应型微分系数 为了进一步分析EPS转向系的特性,这里假设电 机电流闭环为理想状态,即忽略电机电流的动态变化 过程,认为其即为给定电流: , :, (10) 在0 =0前提下,联立式(1)~式(6)及式(8)、 式(10)可得: G ) (0)‘ 南(11) 其中,EPs转向系固有频率 =% ̄Kraa ; EPS转向系阻尼比 = BR+B G + Ol 2√A , (I, +I, G ) ; d1= 兰型; = ;稳态增益同式(9)。 O)pd d 式(1 1)更为清楚地表明了控制参数 、 与 EPS转向系固有特性之问的关系。从中可以看到,EPS 转向系固有频率和A相关而和 无关,即固有频率与 相关而与 无关,固有频率随着 的增加而变 大;而阻尼比和两者均相关,且两者作用相反。 目前PD助力控制普遍采用速度感应型 来根 据车速提供不同大小的助力,而 通常为一定值。因 此,当要求大助力,即 增加时,系统固有频率增加, 而阻尼比却变小了。由控制理论 可知,对一个2阶 系统而言,固有频率和系统的快速性相关,而阻尼比则 影响系统的稳定性。在这种情况下,系统快速性提高, 但是稳定性却变差了。而当助力减小时,情况正好 相反。 为了使系统在不同助力情况下均有较好的快速性 和稳定性,本研究弓1入可变微分系数 。由于 。与 车速是相关的,因此 也应与车速相关,这里称之为 “车速感应型微分系数”。在低速时助力较大,为了避免 增加而引起转向系阻尼比的减小,应适当增加 而在高速时情况正好相反。简单的说就是 与 成 正比关系,其比例系数应由实际系统情况来决定。 维普资讯 http://www.cqvip.com 机 电 工 程 第25卷 =3 仿真分析 本研究中的仿真计算在Matlab环境下进行,其 0.762。分别计算一组在K =0和5时,系统在单 0时的最佳阻尼比,即K =0.321,再计算一组 比较图4(a)和图4(b)可以发现,由于EPS转向 位阶跃输入下的瞬态响应。同样,令固定微分系数为 K 。=中,转向系总传动比G =20;扭矩传感器扭杆刚度K伸 =瞬态响应。其仿真结果,如图4(b)所示。 系固有特性和控制参数K 。和 之间的关系,固定微 100 N・m/rad;前轮向转向轴当量后的转动惯量 0.08 kg・m ;前轮等效阻尼系数B =0.3 N・m・ =s/rad;方向盘阻尼系数B =0.02 N・m・s/rad;方向 分系数很难在各个助力区段上使系统在快速性和稳定 性上取得平衡。通过合理调整微分系数能很好解决这 盘转动惯量J :0.05 kg・m ;电动机转动惯量J = 0.005 kg/m ;电动机阻尼系数B =0.01 N・m・ s/rad;电动机转矩系数K =0.02 N・m/A;电动机反 电动势系数K =0.01 V・s/rad;电动机绕组电阻R= 0.1 Q。 一般对于2阶系统而言,阻尼比为0.707时,超调 量和调整时间均较小,通常称其为最佳阻尼比。因此, 令 : _0_7 07’当K (0, 2√AK佃(.,R+JmG ) 5)时,K 变化,如图3(a)所示。车速与K 的关系正 好相反,其示意曲线,如图3(b)所示,实际系统中K 根据车速的不同分为多个助力区间,车速和K 的关 系呈台阶状下降。 0.8 O 8 O 75 O 75 0.7 O 7 0.65 O 65 。 0.5 0.5 O.45 。 0,4 O. O 35 K 。 (a)也 E(O,5)时, E化曲线 (b)车速与 系曲线 图3 最佳阻尼比时 ,变化曲线 为了考察引入速度型微分系数的作用,这里取3 个较具代表性的助力点,即:低速时助力最大K 。=5; 中速时K 。=2.5;高速时不助力K =0。根据最佳阻 尼比计算其微分值,分别计算方向盘把持力矩在单位 转向阻力矩阶跃输入下的响应曲线。其仿真结果,如 图4(a)所示。 宣 毛 /、K 761 9 /K.T5,K0 321 0 O t|s lis (a)高、中、低速时响应曲线 (b) O或5时响应曲线 图4两种微分系数仿真曲线的比较(1) 为了比较车速型微分系数与固定微分系数的差 异,令固定微分系数为K =5时的最佳阻尼比,即K 个问题,使系统在各个助力区段上达到这样的平衡。 车速感应型微分系数同样适用于改善汽车的操纵 稳定性。参考现有的研究成果,建立方向盘转角与汽 车横摆角速度之间的传递函数,可以得到横摆角速度 在方向盘单位角阶跃输入下的响应曲线,其仿真结果, 如图5所示。 O 0 ≈0 t}s t}s (a)高、中、低速时响应曲线 (b) O或5时响应曲线 图s两种微分系数仿真曲线的比较(2) 4 结束语 通过对EPS转向系固有特性的分析,本研究提出 了“车速感应型微分系数”策略。通过仿真分析可以 看出,引入车速感应型微分系数能通过有效调整转向 系统阻尼比,来达到改善由于助力变化而对系统快速 性和稳定性的影响,使系统在各个助力区间都能在快 速性和稳定性上取得平衡。 考虑到电机采用给定电流闭环控制和电压控制在 系统模型上的相似性,车速感应型微分系数同样适用 于电机采用电压控制的EPS系统。该控制策略通过 调整EPS转向系固有特性,使系统在快速性和稳定性 上达到平衡,并且也有助于改善汽车操纵稳定性。 参考文献(Reference): [1] KIM J H,SONG J B.Control logic for an electric power steering system using assist motor[J].Mechatronics,2002 (12):447—459. [2] 王其东,杨孝剑,陈无畏,等.电动助力转向系统的建模及 控制[J].农业机械学报,2004,35(5):1—4,24. [3] 王启瑞,黄森仁,陈无畏,等.基于模糊自调整PD控制的 EPS助力特性[J].农业机械学报,2004,35(4):1—4,15. (下转第14页) 维普资讯 http://www.cqvip.com ・l4・ 机 电 工 程 第25卷 for PWM brushless DC motor drives『J].IEEE Transac. 5结束语 针对积分变结构控制在BLDCM位置控制中存在 需要事先测定扰动量上界以及系统抖振的问题,本研 究提出了一种BLDCM位置控制的新方法一模糊积分 变结构控制。 [5] [4] tions on Power Electronics,1999,14(3):541—551. LIN F J,WANG D H,HUANG P K.FPGA—based Fuzzy Sliding.mode Control for a Linear Induction Motor Drive [C]//IEE Proceedings of Electric Power Applications, 2005,152(5):1137—1148. LIN F J,CHIU S L.Adaptive Fuzzy Sliding—mode Control 仿真结果表明:该方法在保证系统稳定的同时进 一for PM Synchronous Servo Motor Drives『C]//IEE Proceed. 步提高了系统的响应速度与精度,降低了系统的抖 [6] ings of Control Theory Application,1998,145(1):63—72. SHYU K K,SHIEH H J.A new switching surface sliding— 振,保持了积分变结构控制的良好的抗干扰性。并且 该方法设计简单,易于实现,也可以应用于其他电机的 位置控制。 参考文献(Reference): mode speed control for induction motor drive system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,t 996,1 1(4): 660—667. [7] CHENG C C,LIU I M.Design of MIMO integral variable [1]PILLAY P KRISHNAN R.Application characteristics of permanent magnet synchronous and brushless DC motor for structure controllers[J].Journal of the Franklin Institu. te,1999,336(7):1119—1134. servo drives[J].IEEE Transactions on Induction Appli— cation,1991,27(5):986—996. [8] CHERN T L,CHANG J,CHANG G K.DSP—based integral variable structure model following control for brushless DC [2] RODRIGUEZ F,EMADI A.A novel digital control technique for brushless DC motor drives[J].IEEE Transactions on IndustriaI Electronics,2007,54(5):2365—2373. motor drivers[J].IEEE Transactions on Power Elec・ tronics,1997,12(1):53—63 [编辑:张翔] [3] CHEN J,TANG P C.A sliding mode current control scheme (上接第10页) [4] 申荣卫,林逸,台晓虹,等.电动助力转向系统建模与控 [12] 200. 制策略研究[J].公路交通科技,2006,23(8):160—162, l7O. Y0SHIMURA T.EMOTO Y.Steering and suspension sys— tem of a full car model using fuzzy reasoning based on sin— [5] 吴锋,杨志家,姚栋伟,等.电动助力转向系统控制策略 [13] gle input rule modules[J].Int.J.of Vehicle Autono・ Inous Systems,2003,1(2):237~255. TRACHTLER A.Intergrated vehicle dynamic control using 的研究[J].汽车工程,2006,28(7):676—680. [6] NOBUO S,YUKIHIRO F,KENKO U,et a1.Electric Power Steering with H・・infinity Control Designed to Obtain Road In・・ active brake,steering and suspension systems[J].Int.J. of Vehicle Design,2004,36(1):1—12. formation[C]//Proceedings of the American Control Confer— ence,Albuquerque,New Mexico,1997:2935—2939. [14] HARADA M,HARADA H.Analysis of lateral stability with integrated control of suspension and steering systems [7] RAKAN C C,WANG L Y.Control of electrical power assist systems:H∞design,torque estimation and structural sta— [J].JSAE Review,1999,20(4):465—470. [15] 陈无畏,王妍曼,王其东,等.电动助力转向与主动悬架 系统多变量自适应集成控制[J].振动工程学报,2005, 18(3):360—365. bility[J].JSAE Review,2001,22(4):435—444. [8] 吴文江,杜彦良,季学武,等.汽车电动转向控制系统抗干 扰策略的仿真[J].汽车工程,2003,25(4):364—366. [9] 王启瑞,陈无畏,黄森仁,等.汽车电动助力转向系统的 H 控制研究[J].汽车工程,2004,26(5):609—612. [10] 赵治国,余卓平,孙泽昌,等.电动助力转向系统H 鲁 棒控制研究[J].汽车工程,2005,27(6):730—735. [11] 吴文江,杜彦良,季学武,等.电动转向系统稳定性能与 抗干扰性能的研究[J].振动工程学报,2004,17(2):196 [16] 唐新蓬,杨树.电动助力转向系对汽车角输入响应影 响的仿真[J].汽车工程,2004,26(3):314—318. [17] 王益群,孔祥东.控制工程基础[M].北京:机械工业出 版社,2001. [编辑:张翔] 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top