基于AMESim的EPS系统的建模与仿真

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第2 8卷第 5期20 07年 9月

江苏大学学报(然科学版)自 Junlo i gu U i rt( aua Si c dt n ora fJ ns nv sy N trl ce eE io ) a ei n i

Vo128 No 5 . .

Sp 0 7 e .2 0

基于 A Sm的 E S系统的建模与仿真 ME i P晋兵营，林逸，施国标(京理工大学机械与车辆工程学院，京 10 8 )北北 0 0 1

摘要：通过对 E S系统的研究， P建立了系统主要模块的数学模型，并基于 A Sm软件平台构建了 ME i E S系统的仿真模型 . Ma a i l k中设计了控制器模型，行了联合仿真.电机使用“ P在 t bSmu n l i进对传统 P+速度负反馈” I控制，以动态改变 E S系统的阻尼，小车辆行驶过程中转向盘摆振，顾转可 P减兼向的轻便性与稳定性 .过计算结果分析，以明确 E S系统的关键参数对 E S系统动态性能的通可 P P影响， E S的设计与匹配提供依据 .为 P

关键词：电动助力转向系统； ME i建模；真 A Sm;仿中图分类号： P 7 . T 2 14文献标志码： A文章编号： 6 1 7 5 2 0 ) 5— 3 9— 4 1 7—7 7 ( 0 7 0 0 8 0

M o e i g a d sm u a i n o lc r c p we t e i g d l n i l to f e e t i o r s e r n n

s se a e n AM ES m y tm b sd o iJN B n -ig。 I Y。S u -io I ig yn L N i HIG o ba( col fMehncl n eiua nier g B in ntueo eh o g,B in 0 0 1 hn ) Sh o o ca i dV hclr gn ei, e igIstt f c nl y e ig10 8,C ia aa E n j i T o j

Absr t:Th t e t a d l ft e EPS p ma y mo u e we e b itt r u h su yng t e s se tac e ma h ma i lmo es o h c r r d l r u l h o g t d i h y t m. i Th o wa e n me e s f r a d AMES m s s d t sa ls i l t n mo

e f EPS s se a d t e c ntolr t i wa u e o e tb ih smu a i d lo o y tm n h o r l e mo lwa o sr c e n Ma lb S mu i k,wh c s e l y d t h o pl g o h i l t n.Th de s c n tu td i ta i ln ih wa mp o e o t e c u i ft e smu ai n o e

t dt n lpo ot n litga n p e e aiefe b c o t lo trw r p l d t P y tm r i o a rp r o a ne rla d s e d n g t e d a k c nr fmoo ee a pi oE S sse a i i v o ewi a a l a .S i t v r b e d mp h mmy o te n h e o l e r d c d C n r l b l y a d sa i t fse r g h i fse r g w e lc u d b e u e . o t l i t n t b l y o te n i o a i i is se we e b t ie te in.Fr m h n l ssr s lsi s c n l d d t a n mi h r ce siso y t m r o h g v n atnt o o t e a ay i e u t ti o c u e h tdy a c c a a tr tc f i

E S s s m r f e c d b e a a tr f P y t m.S g e t n o e in a d mac i g o S P y t a e i l n e y k y p r me e so S s se e n u E u g si s rd sg n t h n f o f EPa e p o i e r m n l sso he smulto e u t . r r vd d fo a ay i ft i a in r s ls Ke r s:e e ti we t e n y tm;AMES m;mo e ig;smua in y wo d lc rc po r se r g s se i i dl n i lto

随着汽车性能的不断提高，但要求低速和驻不车时的转向轻便性，同时也要求汽车高速时的操纵稳定性，然而传统的机械式转向系统 ( )液压动 MS、力转向系统 ( P )不能同时满足低速转向轻便性 H S都

种类型：向柱助力型、齿轮助力型、转小双小

齿轮助力型和齿条助力型]本研究以转向柱助力型的 . E S系统为研究对象 . P

和高速操纵稳定性的要求.电动助力转向系统 (P ) E S可以解决汽车转向“轻与灵”的矛盾，与传统液压动力转向系统相比有许多优点¨ . E S系统按照电机助力的位置不同可以分为四 P收稿日期： 0 7— 3— 3 20 0 2基金项目：北京市科技奥运项目()3 50 00 1 I 0 0 24 1 ) 0 1

1系统的组成和工作原理 1 1 E S系统组成 . P

E S系统的基本组成如图 1示， P所主要包括：转

作者简介：晋兵营 (9 2一，, 17 )男河南偃师人，讲师，博士研究生 ( y9@ 13 cm)主要从事电动助力转向系统研究. j 96 6 . b o, 林逸 (9 3一)男， 15,吉林长春人，教授，博士生导师 (iy@bte u c )主要从事车辆系统动力学及控制研究 1 i i d .n, n .

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向盘、转向柱、转向盘转角传感器、转矩传感器、电控

的微分方程为

条转器转车等蜗减机、齿苎向及向轮杆轮速构轮 式齿.

=s一) Ko (r p

() 2

式中 K为扭杆刚度系数，齿条位移，。 为 r为小齿轮分度圆半径.2 3电机模型 .

对助力电机的一般要求如下：电机应具有高的

可靠性，的功率，噪声和振动，大低较低的摩擦转矩， 较小的体积和重量；电机能够在堵转下输出转矩；电机有良好的机械特性，在工作过程中，转矩波动尽量要小；电机应能快速反转；电机的转动惯量应尽可能小. P E S助力电机常用的是直流电机.

图 1 E S系统的结构图 PF g 1 S r c u e d a r m fEP i . t t r i ga o S u

1 2 E S系统的基本工作原理 . P

转向时，向盘转角传感器测量出转向盘的转转角和方向，同时转矩传感器中的扭杆发生变形，测量出驾驶员作用在转向盘上的转矩 .Fg 2 i.

m

? J B

图 2直流电机等效电路图 E u v l n ic i d a r m fDC mo o q ia e t r u t ig a o t r c

E

U根据转向盘的转角和方向、 C转矩传感器信号、车速及电机状态等信号分别实施助力控制、回正控制、阻尼控制 J计算电机所需电流的大小、向.,方电机按照 E U的信号产生助力， C并将此力经蜗

由 K rh o电压定律， i hf c可列出电枢回路的微分方程：da

+尺a+/ Z a e=/ Z a u=K T=K o

(3) ( 4) ( 5)

杆蜗轮降速增扭后传给齿轮齿条转向器，最后输出到转向车轮上，服汽车的转向阻力矩，现汽车的转克实向.

+m+m ) B K一= 0 (一 一

2 E S系统数学模型 PE S系统的组件可以分为机械和电子两大类 . P 为了研究方便，先分别建立各个子系统的数学模型， 然后再将各个子系统组装在一起，成一个完备的形 E S系统 . P。 J2 1转向盘模型 .

(, )

( 6)

式中为电机转子与蜗杆的等效转动惯量，为电 机转子转角，为电机与蜗杆的等效粘性阻尼系 B数，为蜗杆的输出转矩即助力转矩，为电机的 电磁转矩， (, )为电机处静摩擦力矩和库仑 摩擦力矩，电磁转矩常数， K为 K为反电动势常数，尺为电枢的电阻，为反电动势，为电枢两端电““压，为电枢电感，为电枢电流.

由牛顿第二定律，列出转向盘模型运动微分可方程： J +B a w = 一一 (, )

24转向柱与转向轮模型 .假定转向柱为刚性的，向柱的运动微分方程转为+B。= T+ s一F r (。 ) 一， (7)

式中

(1) 为转向盘转动惯量，为转向盘转角， B

为粘性阻尼系数，为作用在转向盘上的转矩，

为转矩传感器输出转矩， ( 静摩擦力矩和库仑摩擦力矩 .2 2转矩传感器模型 .

)为转向盘处

式中为转向柱与小齿轮的等效的转动惯量， B为转向柱的粘性阻尼系数，。为小齿轮输出的力， F。

(, )为转向柱的静摩擦和库仑摩擦力矩. 齿条的运动微分方程为

转矩传感器可被简化为一个扭杆弹簧，其运动

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第 5

期

晋兵营等：于 A Sm的 E S基 ME i P系统的建模与仿真

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M戈+B= F (— )一F ( ) (8) 。一 ,

力，为地面对车轮的外部干扰力 .

式中为齿条的质量，曰为粘性阻尼系数，为齿条 的刚度，r )为齿条处静摩擦力和库仑摩擦力. F(, 为便于研究，将转向车轮、向杆系等效转化为转与齿条运动方向相同的一个弹簧质量系统.车轮的运动微分方程为m +B :K (— )一F , )一 r ( ( 9)

3联合仿真电动助力转向系统中存在大量的非线性摩擦、阻尼，用 A Sm建立的 E S模型可以方便的处理这采 ME i P些非线性建模困难的问题 . 文中以前面提出的模块化的建模思想为基础，在 A Sm平台上，建了如图 3所示的转向柱助力型 ME i构的某轿车的 E S系统模型. P

式中 m为车轮的等效质量，为等效粘性阻尼系曰数， ( ,)为地面对车轮的静摩擦力和库仑摩擦W h T￣q e e u

r。一。一’一一。一’一’一‘一。一’一’一。一。’一‘。一。 一一 1

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卜‘童. ’州图 3 E S的 A Sm模型 P ME iFi 3 AMESm de fEP g. i mo lo S

控制器模型在 Maa iuik中设计.制策略 tbSm l l n控采用传统的“电流 P控制+电机转速反馈” I相结合的控制策略 . J电机目标电流确定需要电机的助力特性图，转矩传感器信号和车速信号通过 Sm l k的利用 iui n查表函数确定 . 4所示的是典型的助力特性图. 5图图 所示的是在 Sm l k中设计的控制器的仿真框图. iui n

溥图 5控制器仿真框图Fi. Smulto o k o o tolr g5 i a in blc fc n r le

4仿真结果分析模型以驾驶员作用在转向盘上转矩 T B =6N

m的阶跃信号作为输入，面的干扰输入为零，仅路仅考虑在车轮处有非线性的摩擦力 .图 6所示的是 P控制

器在不同的比例系数下， I

转矩传感器的阶跃响应，以看出随着比例系数的增可加，超调量在减小 . 图 7图 8所示的分别是比例系数 K=1,分， p 0积

系数 K=1不同速度反馈系数时的转矩传感器、 I,图 4电机助力特性图Fi. Bo s h r ce it ure o tr g4 o tc a a t rsi c v fmo o c

电机电流的阶跃响应特性.图中可以看出，用速从采

度正反馈时，电机的实际电流增大，转矩传感器的但

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输出转矩振荡增加，驶员的手感不好；用速度负驾采

反馈”制，以提高驾驶员手感，车辆行驶过程控可减小8 7 6 5 4 3 2 1 0

反馈时，转矩传感器输出信号的超调量减小，达到稳态时的时间缩短，系统的稳定性提高，驾驶员的手感8 7 6 5 4 3 2 1 O

dN/

一弓\目 中转向盘摆振，兼顾转向的轻便性与稳定性.

( )通过计算分析，以明确 E S控制器的关键 3可 P参数对 E S系统动态性能的影响， E S的设计与 P为 P匹配提供了理论依据.参考文献 ( frn e ) Re e cs e『1]林 逸，国标.施汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[]公路交通科技， 0,8 3:9— 3 J. 2 11 ( ) 7 8 . 0L N YiS u— io De e o me tsau n e d n y I , HI G o ba . v lp n tt s a d tn e c

较好 .

o l tcpw rs e n[] ora Hg w y ad f e r o e t r g J .Jun l ec i ei f o i a n hTasot i e ac n ee p et20,83:9 rn r t nR s r a D vl m n,0 1 1 ( )7 p ao e hd o—

8 . i hn s ) 3 (n C iee

图 6不同比例系数的转矩传感器的阶跃响应F g 6 S e e p n e o r u e s r t i e e t i. tp r s o s f oq e s n o h d f rn t wi fprp rin lt o f ce t o to a i c ef in o y i

[ 2]苗立东，何

仁，徐建平.汽车电动转向

技术发展综述

[]长安大学学报： J.自然科学版，04 2 ( )7 8 . 20,4 1:9— 4MI id n,HE n,XU Ja—ig R ve o u AO L—o g Re inpn . e iw n a—

t o v l tc o e t r gss m dvl metJ . o t ee c w r e i yt ee p n[] m i er p i s en e oJunlfC a ga n e i: aua Si c dt n o ra o h n nU i rt N t l c ne io, v sy r e E i

2 0,4 ( ) 7 04 2 1:9~8 . i hns ) 4 (nC iee

[ 3]季学武，马小平，陈奎元 . P E S系统性能试验研究[] J. 江苏大学学报：自然科学版，04,5 2:1 2 0 2 ( ) 16—19 1.j eW iXu— U, MA a— ig C Xiopn, HEN u—u n E p r K i a . x e— y i

met t yo P ytm pr r ne[]Junlf na s d nE Sss ef mac J .or l u e o a oJa g u n m￣: trl S in e dt n 2 0 2 in s U&e i Naua ce E io, 0 4, 5 c i

图 7不同速度反馈系数的转矩传感器阶跃响应F g 7 S e e p n e o r u e s rw t i e e t i . tp r s s ft q es n o i df r n o o h s e d f e b c o f ce t p e e d a k c ef in i8 O

( ) 16—19 (nC iee 2:1 1 . i h s ) n

[ 4] D m neP, ukG l tcpw r te n— t r o ik R c .Ee r o e er g h fs c i s i ei t s po ew yt s e ywr” R] S E,9 9—0 t nt a o“t r i[ .A 1 9 e h e b e 1—

7 0 6 05 0

0 01 4 .

[ 5]喻[ 6]何

凡，林

逸.汽车系统动力学[ . M]北京：械工机

4 03 0

业出版社，0 5 2 6~ 8 . 2 0:7 2 3

仁，徐建平 .电动助力转向系统稳定性分析[] J.

z 0l O O

江苏大学学报：自然科学版，0 4 2 ( )2 4~ 9 20,5 4: 9 27HE Re n,XU inpn . Sa it n lssfr e

e tc Ja— ig tbl y a ayi o lcr i i

p w r t r gss m[] ora o JaguU i r— o e ei yt J .Jun l ins nv s s en e f ei图 8不同速度反馈系数的电枢电流阶跃响应F g 8 S e e p n e o r tr u r n i i e e t i . tp r s s fa mau e S c re t t df r n o w h s e d f e b c o f ce t p e e d a k c e i in

t: aua i eE io,20,5(:9—2 7 y N t l e dt n 0 4 2 4) 24 r S n c c i 9. (nC iee i hns )

[7] K i out o t l r ne c i p w r te n s E L.R b s cnr l tc o e er gs— of a e r o s i y t[] aaa n es yo n sr 20 . e D .C n d:U i ri f do, 04 m v t Wi[8] C E i—u .O t a cnr o e c cl o e— H N X a qn pi l ot l r l t a pw r o m o f e r i as t t r g ss m[ .C nd .U i ri f sie s e n yt s d ei e D] aaa n esy o v tW i d o,2 0 . n s r 0 5

5结论( )通过对 E S系统的研究， 1 P建立了系统中主要

模块的数学模型，为模型分析提供了理论依据 .

( )对 E S系统的电机实施“ 2 P传统 P+ I速度负

(责任编辑

赵

鸥)

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