基于SimulationX电控液压助力转向系统的仿真分析.pdf

2 0 1 3年 9月 第 4 1 卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI C S S e p ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 1 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 7 ． 0 3 9 基于 S i m u l a t i o n X电控液压助 力转 向系统的仿真分析 孟媛媛 ，田晋越 ，李千 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要设计一种新型的电控液压自动助力转向系统 E H P S ，将车速和转向盘转矩引入到系统中，实现了转矩、车速 感应型助力特性的液压助力转向，既可保证转向轻便 、实时，提供足够助力，又能减少能量损失，有利于环保。基于 S i m - u l a i t i o n X软件建立了 E H P S系统仿真模型，分析结果表明系统具有 良好的控制精度和快速响应特性。并通过改变 P I D控 制器参数进行仿真，获得电机最理想的转速。 关键词电控液压助力转向； S i m u l a t i o n X仿真分析； P I D控制 中图分类号 U 4 6 3 ． 4 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 7 1 3 5 4 S i mu l a t i o n Ana l y s i s f o r El e c t r o - h y dr a ul i c Po we r St e e r i n g Sy s t e m Ba s e d o n Si mu l a t i o nX ME N G Y u a n y u a n ，T I A N J i n y u e ，L I Q i a n S c h o o l o f A u t o mo b i l e a n d T r a f f i c E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a A b s t r a c t A n e w e l e c t r o n i c h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g s y s t e m E H P S w a s d e s i g n e d ．T h e v e h i c l e s p e e d a n d t h e s t e e r i n g w h e e l t o r q u e we r e i n t r o d u c e d i n t o t h e s y s t e m，S O h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g w i t h t o r q u e ，s p e e d i n d u c t i o n t y p e a s s i s t e d c h a r a c t e r i s t i c wa s r e a l - i z e d．No t o nl y s t e e r i ng a g i l i t y，r e a l t i me a nd s uffic i e nt p o we r c o ul d be e ns u r e d，b ut a l s o t h e e n e r g y l o s s wa s r e du c e d，S O i t wa s f a v o r a b l e f o r e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ． B a s e d o n S i mu l a i t i o n x s o f t wa r e ，a n EHP S s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l wa s s e t u p ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s g o o d c o n t r o l p r e c i s i o n a n d q u i c k r e s p o n s e ．T h r o u g h P I D s i mu l a t i o n ，t h e i d e a l mo t o r s p e e d i s a c h i e v e d ． Ke y wo r d s E l e c t r o n i c h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g ；S i mu l a t i o n X s i mu l a t i o n a n a l y s i s ；P I D c o n t r o l 近年来 ，基于计算机的建模与仿真方面的研究得 到了稳定的发展 ，在多领域物理系统建模与仿真中， 最引人 注 目的是 仿 真 语 言 M o d e l i c a的 出现 。S i m u l a t i o n X是德国 I T I 公 司开发的基于 M o d e l i c a 语言 的一种 多学科领域系统工程建模和仿真平台，包括机械、液 压、气动、热、电和磁等物理领域，支持交互式图形 界面 G U I 和 3 D模型等功能。在液压仿真方面 ， S i m u l a t i o n X有一套完整的流体元件库，不仅有液压学 库，还有流体设计器 F l u i d D e s i g n e r 可以作为液压 学库的补充工具 ，用于创建和编辑用户定义的流体及 液压元件 。鉴 于 S i m u l a t i o n X具有 用 户 界 面友好 、建 模方式先进等特点 ，作者采用该软件作为仿真平台。 作者主要利用软件 S i m u l a t i o n X对 E H P S系统进行 了建模和仿真，采用速度和电流的双闭环系统 的 P I D 调速控制调节电机转速 ，并通过不同 P I D参数对电机 转速影 响的仿真 分析 ，确 定最佳 P I D参 数 ，为 E H P S 系统的控制器开发提供了理论依据。 1 E H P S工作原理 E H P S系统结 构如图 1 所 示 ，当驾驶 员转 动转 向 盘时 ，电子控制单元依据车速和转向盘转矩信号，计 算并控制电机的转速，使电机驱动的液压泵的输 出 流量发生改变 ，进而控制进入助力油缸的压力，从 而改变助力 。当汽 车在泊 车 、低 速 转 向行驶 等 一些 需要 大转矩 工 况 下 ，提 供 大 助 力 ，保证 转 向轻 便 ； 当汽车在高速转向行驶等一些 只要很小转矩的工况 下 ，提供小助力 ，保证转向灵活，达到在不降低转 向平 顺性 和路感 的情 况 下减 轻驾 驶员 的转 向操纵 力 的 目的 图 1 E H P S的工作结构图 控制器控制原理如图2所示，电子控制单元 E C U 根据接受到的转向盘转矩信号和汽车行驶车速信号 ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 0 4 基金项目总装备部科技预研基金资助项 目 2 2 0 9 作者简O r 孟嫒媛 1 9 8 8 一 ，女，硕士研究生，研究方向为汽车底盘零部件设计。E ma i l 2 4 0 1 1 6 5 9 0 q q ． c o n。 1 3 6 机床与液压 第 4 1 卷 通过助力特性的控制算法计算出需要提供 的助力矩 ， 根据 电机转速与转矩的关系 ，进而确定电机 的 目标 转 速 ；通过速度和 电流 的双闭环系统的 P I D调 速控制调 节 电机转速 ，使系统具有 良好 的稳态 及动态性 能。 图2 控制器控制原理图 2 基于 S i mu l a i t o n X的 E H P S的建模 2 ． 1 机械液压模型的建立 1 转向盘转矩输入信号模型转向盘转矩信号 模型如图3所示，由信号库 曲线信号和转矩原件 组成 ，可以根据需要 ，通 过改 变 输 入 曲线改 变输 入转矩的频率、幅度和形状。 2 转 向盘模 型 转向盘模型如图3所示 ，用一个转动惯量原件表 示转向盘，弹簧原件表示转向轴的扭转刚度，下端接 扭杆模型和转矩传感器，转矩传感器的输出信号输送 至电子控制单元 E C U，E C U根据这个信号和车速信 号控制电机转速。 图3 E H P S的整体模型 3 扭杆模型 扭杆模 型是一个来 自扭转动力学元件库 的转动 弹 簧 ，如图 3所示 ，上端接一个 转角传 感器 ，下端也接 一 个转角传感器 ，这两个传感器的输出信号分别是扭 杆上下端的转角，进而可以获得扭杆的扭转角度差信 息。该角位移被使用作为转阀原件的输入信号来计算 阀门打开区域的面积。 4 齿轮齿条转 向器模型 机械动力学元件库有专门的齿轮齿条式转向器模 型，如图3所示，左端接扭杆模型输出，右端接助力 缸。模型只需要一个参数齿条位移与齿轮转角的关 系。根据这个关系，可以把转向盘传来的转矩转化成 力，以帮助汽车实现转向功能。 5 助力油缸模 型 液压元件库有专门的助力油缸模型，如 图 3所 号 示 ，助力油缸左输入为转向阀左输出，右输人为转向 阀右输出。 6 转 阀模型 转阀模型如图3所示，转阀由4个节流阀组成 ， 设计的像电桥一样。两个函数信号元件分别控制4个 节流阀的横截面积，它们取决于相关扭杆的相对变 形。在扭杆变形的情况下，两个阀门转动减少它们的 通流面积，而另两个增加它们的通流面积。转阀模型 左端接液压泵模型，右端接油箱 ，下端接助力油缸的 左缸 ，上端 接助力 缸的右缸。 7 液 压泵模 型 液压泵 图形 如 图 3所 示 ，减 压 阀控 制 系统 的压 力，容积元件用来调节系统的流量，图中左端接电机 转速的输出，上端表示出油口流量至转阀，下端接转 阀的低压回油管。 第 l 7期 孟嫒媛 等 基于 S i m u l a t i o n X电控液压助力转向系统的仿真分析 。1 3 7 8 直流无刷 电机模 型 该系统采用 D C电机 ，模型如图 3所示 ，信号输 入控制电机转速，转速输出带动油泵工作。输入为助 力特性算法函数的输出，输出为油泵的输入。 9 组合件前轴 前轴组合件是一个简化了的机械前轴转向系统的 结构。如图3所示 ，这个组合件包括一个平移惯量 ， 它和转动惯量是等价的，模拟汽车前轴质量。弹簧阻 尼器的刚度代表 了环绕垂直轴线的轮胎旋转刚性，摩 擦原件模拟轮胎和地面的接触。 2 ． 2 控 制部 分 的模 型 由于无刷直流电机输入的是电压信号 ，所以需要 一 个电流到电压的转换模型。文中采用的是转速、电 流双 闭环 P I D调 速系统 ，所以要对转速 Ⅳ和电流 ， 进 行转换，以便电流 的控制模块能够运行。由以上分 析，在 S i m u l a t i o n X中建立的E H P S 控制模型如图4所 示 ，包 括转速 、电流双 闭环 P I D控 制系统模 型 、助力 特性计算模型、转速与电流的转换模型和电流与电压 的转换模型。电子控制单元 E C U根据汽车行驶 的车速信号、转矩传感器的转矩信号和转向盘转向角 速度传感器的转速信号 ，通过助力特性计算并确定出 应该提供的汽车转向助力。在控制过程中，电子控制 单元 E C U根据转速传感器和电流传感器检测到的电 机反馈回来的转速信号和电流信号，控制无刷直流电 机的输入电压，获得理想的转向助力 ，提高系统的动 态性能 图4 E H P S的控制模型 把上面建立好的模型整合起来，就得到了如图 3 所示的 E H P S系统整体模型。 3高低速助力特性的分析 仿真参 数如表 1 ，设定 转 向盘 转矩 以斜率 1 2 N m ／ s 的斜坡输入 ，达到 6 N m保持不变 ，车速为 2 0 ，4 0 ，6 0 k m ／ h进行仿真 。由图 5知 随着 车速 的 增加助力减小 ，并且达到平衡时反映时间增加 ，满足 图5助力特性曲线图的要求，保证了低速时转向轻便 性和高速时 的路感和安全性 。 表 1 模型中重要参数的取值 转向盘惯量／ k g m 扭杆刚度／ N m r a d 线角传动比 活塞有效面积／ m 转向系阻尼系数／ N m s r a d 转向系阻尼刚度／ N m r a d 前轮侧偏刚度／ N m r a d 后轮侧偏刚度／ N m r a d 流量系数 液压 油密度／ k g m 中位时阀口预开间隙宽度／ m 阀口的轴向长度／ m 短切口的宽度／ m 短切 口的轴 向长度／ m 液压缸 的内泄漏系数 阀芯与 阀套 的配合半径／ m 电源 电压／ V 电枢电 n 转矩系数／ N m A 电压系数／ V r a d 。 电枢电感／ H 转子惯性矩／ k g I l l 0． 0 01 6 9 5 41 ．9 2 1 1 9 41 0一 3 0 1 0 0o O 一 60 0 00 60 0 00 0 ． 62 9 0 0 0 ． 00 0 5 O． 01 8 0． 0 00 6 0． 0 0 6 6． 51 0一“ 0． 011 1 1 2 0． 7 0． 0 8 7 0 ．0 8 7 0． 0 0 0 2 0． 0 0 0 2 图5 仿真时助力特性曲线图 4 P I D参数对电机转速的影响 图6 8分别为 P I D控制器 中比例参数 、微分参 数 、积分参数对无刷直流电机转速的影响。由图6可 知 随着比例积分参数 的减小 ，电机转速稳定误 差减小 ，提高了系统的响应速度。比例参数 为 5 时，曲线平滑，没有震动高峰，响应时间快。 由图7可知微分参数的变化主要影响电机转速 的变化趋势，即变化速率。随着微分参数的减小，系 统的响应时间减小，加快了系统的稳定速度。微分参 数 K 。0 ． 0 2时，曲线平滑，很快达到预期 的电机 转速 。 1 3 8 机床与液压 第 4 1 卷 图6 比例参数对电 机转速的影响 图7 微分参数对电 机转速的影响 图 8 积分参数对电机转速的影响 由图 8可知 积分参 数 主要 影 响系统 的稳态值 ， 积分参数分 别为 0 ． 5 、0 ． 8时 ，系统 响应时 间慢 ，而 且没有达到 预期 的电机 转 速 值 ；而积 分 参数 为 0 ． 2 时 ，系统 响应 时间快 ，很 快达 到预 期 的转 速 ，所 以 ， 积分参数为 0 ． 2时最佳。 由以上分析可知，合理选择 P I D控制器的 3 个参 数对系统的动态响应非常重要 。 5 结 论 通过对电控液压助力转向系统 E H P S 工作原理的 分析 ，基 于 S i m u l a t i o n X搭 建起 E H P S 各部分 的仿真模 型，并建立起整体模型，提出了速度和电流的双闭环 系统 的 P I D调速控制调 节 电机 转速 。分 析结果 表 明 系统具有 良好 的控 制精 度 和快 速 响应特 性 。并 通 过 P I D控 制器不 同参 数 的仿 真，实现 电机最理 想 的 转速。 参考文献 【 1 】刘艳芳． S i m u l a t i o n X精解与实例[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 1 0 ． 【 2 】余志生． 汽车理论 [ M] ． 4版． 北京 机械工业 出版社， 20 0 6． 【 3 】毕大宁． 汽车转阀式动力转向器的设计与应用[ M] ． 北 京 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 4 】左波． 电动助力转向系统助力特性研究[ D ] ． 武汉 武汉 理工大学 ， 2 0 0 9 ． 【 5 】余树洲． 汽车电动助力转向系统助力特性 的仿真研究 [ D] ． 大连 大连理工大学 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】霍立志． 拖拉机电液助力转向系统的研究和仿真[ D ] ． 杨凌 西北农林科技大学 ， 2 0 1 0 ． 【 7 】刘荣田． 汽车电动液压助力转 向系统控制器 的研究 [ D] ． 重庆 重庆交通大学 ， 2 0 1 0 ． 上接 第 1 5 0页 对多路阀的流量产 生一定 的影 响 ，其 中压力补偿阀弹 簧刚度和阀芯直径的变化 对流量 的影 响比较显著 ，这 两个量 的微小变化就可以导致较大的流量 变化 ；阻尼 比对 流量 的影 响主要在开始 阶段 ，随着 时 间的推移 ， 其影 响逐渐减小 。 2 ． 2 节流阀参数对 多路阀流量的影响 改变节流 阀的弹簧 刚度 ，节流 阀弹簧刚度 由 8 2 ． 5 6 N ／ m变换 为 1 0 0 N ／ m，变化 图形如图 6 所示 。 3 图6 节流阀弹簧刚度改变前后流量比较图 通过仿真图可以看到节流阀弹簧刚度变换前后流 量没有变化，说明弹簧刚度对流量影响小到可忽略的 程度。进一步改变节流阀的其他参数，改变节流阀的 阻尼比和阀芯直径 ，均得到同图6图形，说明这些参 数对 流量 的影 响也可忽略 。 3结论 对挖掘机负载独立流量系统 中的多路阀进 行研究 分析 ，建立 了多路 阀的模 型。通 过仿 真 的结 果表 明 ， 在负载独立流量分配系统 中，通过改变多路阀 中压力 补偿阀和节流阀的参数，观察参数改变对流量的影 响 ，得 出多路 阀的参数 中对流量 的影 响较大 的是压力 补偿阀，节流阀几乎没有影响，其中尤其以压力补偿 阀的弹簧刚度和阀芯直径对流量影响大。为今后多路 阀的结构参数的设计提供依据。 参考文献 【 1 】 黄宗益， 叶伟， 李兴华． 液压挖掘机液压系统概述[ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 3 9 1 21 6 ． 【 2 】 初长祥． 挖掘机液压系统及其控制[ J ] ． 工程机械与维 修， 2 0 0 4 8 7 27 4 ． 【 3 】 李永旭． 液压挖掘机工作装置与液压系统设计的研究 [ D ] ． 上海 同济大学， 2 0 0 6 ． 【 4 】江国耀． 力士乐 L U D V系统全新液压挖掘机解决方 案[ J ] ． 建筑机械技术与管理， 2 0 04， 1 7 5 4 5 4 7 ． 【 5 】 李杰． 负载敏感压力补偿技术在挖掘机液压系统中的应 用[ J ] ． 山西机械， 2 0 0 增刊 1 1 51 1 6 ． 【 6 】 顾临怡 ， 谢英俊． 多执行器负载敏感系统的分流控制发 展综述[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 3 3 6 ． 【 7 】 蒋道成 ， 于兰英， 柯坚， 等． L U D V控制系统的动态仿真 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 8 4 2 7 2 8 ． 【 8 】王涛， 陶薇． 基于 A M E S i m的液压挖掘机运动仿真及控 制参数优化[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 7 1 8 01 8 2 ． 1 l 1 0 0 O 0 一 ． u l 哪． _【 J 、 瑙毒 靠 器 1 l l 0 0 O O l _ u l Ⅲ _ 】 、 毒 毒 暴