电动液压助力转向系统控制策略及其能耗分析.pdf

1 2 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 2 年 1月 文章编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 O l 一 0 1 2 6 0 3 电动液压助力转向 系统控制策略及其能耗分析 苏建宽王继磊 江苏大学 汽车与交通工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 Co n t r o l s t r a t e g y a n d e n e r g y c o n s u mp t i o n a n a l y s i s f o r e l e c t r O h y d r au l i c p o we r s t e e r i n g s y s t e m S U J i a n k u a n 。 WANG J i l e i 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 i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a 【 摘要】 提出了一种运用中位闭式旋转控制阀的电动液压助力转向 E H P S 系统。设计了良好的 控制策略以达到能耗最小及 系统具有良好的助力跟随性。在没有转向操作时 ， 液压泵和电机以极小的 速度运作 ， 且 中位闭式旋转阀限制着液压油的流动， 实现 了能量的储存。当转向盘发生转动时， 液压泵 和电机以一定的转速运转 ， 提供合适的液压油流量， 以产生合适的助力大小。试验结果表明 提 出的控 制策略能达到预期效果 ； 且与开式 E HP S系统相 比， 闭式 E HP S系统具有 良好的节能性 。 关键词 电动液压助力转向系统； 中位闭式； 控制策略； 能耗 【 A b s t r a c t 】 An e l e c t r o h y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g E HP S s y s t e m w i t h a c e n t e r - c l o s e d s e r v o v a l v e W q S pr o po s e d ．A g o o d c o nt r o l s t r a t e g y ma y r e du c e t h e e n e r gy c o n s u mpt i o n wi t h b e t t e r b o o s t a d h e r i n g ． Du r i n g n o n- s t e e r i n g o pe r a t i o n ,t he pu mp a n d mo t o r i n t h i s EHPS s y s t e m o pe r a t e a t a n e x t r e me l y l o w s pe e d， an d t h e c e n t e r - c l o s e d s e r v o v a l v e p r e v e n t s t h e fl o w o f h y d r a u l i c o i l t o s t o r e t h e e n e r gy． Wh e n t h e s t e e r i n g w h e e l i s t u r n e d ， t h e p u m p a n d m o t o r o p e r a t e at a d e fin i t e s p e e d a n d s u p p l y mu c h o i l n e e d e d t o p r o d u c e s ’_ fic i e n t a s s i s t f o r c e ． T h e b e n c h t e s t r e s u h s i n d i c at e t h at t h e c o n t r o l s t r a t e gy oft h i s E H P S c a n a c h i e v e t h e d e - s i r e d r e s u l t s an d t h e EHP S wi t h c l o s e d c e n t e r r o t ate v alv e i s pr o v e d t o b e go o d i n e n e r gy c o n s e r v ati o n b y c o n t r ast i n g t o t h e e n e r gy c o n s u m p t i o n oft h e E H P S w i t h c e n t e r - o p e n e d s e r v o v al v e ． K e y wo r ds EHPS； Ce nt e r - c l o s e d； Co nt r o l s t r a t e g y； En e r g y c o ns umpt i on 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 8 0 年代以来 ， 为了提高行驶的安全性和驾驶的舒适性， 国内 外生产的大、 中、 小型汽车大都应用了助力转向系统系统， 分为液 压、 电液、 电动的。虽电动助力节能效果明显， 但由于控制要求相对 较高， 所以现阶段液压、 电液助力转向系统还是占了主导地位。 在现 有的液压助力转向系统中， 转向系统有中位开式和中位闭式。目 前 国内外采用的多为中位开式转向助力系统。经过分析研究可知， 无 论是国外的还是国产的转向助力系统都存在较大的能量损失， 整个 转向系统要消耗原动机约 3 ％的能源， 但真正转向消耗的能量只占 其 中的 4 0 ％ 1J ， 而另外 6 0 ％左右的能量不仅 白白浪费掉了， 而且 会增加液压系统的发热量， 降低使用寿命， 产生噪声和增加尾气排 放Ⅲ 。提出了针对 中位闭式 E H P S系统及其控制策略， 系统根据车 速， 方向盘转速， 电机反馈电流、 转速及电机温度信号确定车辆行驶 工况， 微处理器根据预先设计好的助力特性曲线进行运算， 以保证 无刷直流电机在不同工况下能有合适的转速，充分的利用系统能 量， 使能耗维持最小。 最后通过现有台架进行了实验， 分析了闭式电 动液压助力转向系统的能耗『 兄， 并和中位开式进行了能耗对比。 2 E H P S系统结构及工作原理 E H P S由转向操纵机构， 转向传动装置， 动力转向器总成， 转向 盘转速传感器， 车速传感器， E C U， 无刷直流电机， 液压泵， 油罐及油 管等组成[2 1 。如图1 所示， E C U根据车速， 转向盘转速传感器信号， ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 3 0 E C U运算处理后输出脉宽调 P WM 的占空比信号， 以控制无刷直流 电机的转速， 使电机驱动的液压泵的输出流量发生变化， 进而控制进 入助力油缸的液压油的压力 ， 以控制助力的大小。 E H P S 可以实现车 辆低速行驶， 转向盘 动时为其提供大助力， 保证转向轻便； 还 可以实现车辆高速行驶， 转向盘转动时提供小助力， 保证驾驶员获得 较强的路感。 当系统不需要提供转向助力时， 无刷直流电机在小电流 驱动下以很低转速转动， 以便于很陕提速来提供所需的助力。 图 1 E HP S系统结构图 3 E H P S 转向控制阀类型 助力转向控制阀分为中位开式和中位闭式 。现广泛用于液 压助力转向系统中。E H P S中位开式， 闭式转向助力系统中控制 阀组成与传统液压助力中位开式，闭式转向控制阀基本一致， 如 图 2 所示， 助力转向系统唯一区别在于转向系统的动力源， E H P S 动力源不再是发动机 ， 而是无刷直流电机r引 。 第 1 期 苏建宽等 电动液压助力转向 系统控制策略及其能耗分析 1 2 7 液压腔 4 a b 图2中位开式转向阀及中位闭式转向阀示意图 4 E H P S 系统控制策略 为了使 E HP S系统具有良好的助力跟随性能及能耗的最优 化， 针对闭式 E HP S系统进行了控制策略的设计 ， 主要从系统的 助力特性要求出发， 充分考虑各工况各阶段情况对无刷直流电机 电流、 转速进行实时控制 ， 以达到在低速行驶时， 若方盘发生转 动， 液压缸能提供足够大的力， 以确保转向轻便性。 但在方向盘没 有产生转动时， 转向控制阀处于中位 即关闭 ， 电机的转速将会 降到合理的转速， 主要是用以补偿液压系统泄漏的液压值， 以保 证液压系统的稳定压力值[4 1 ， 为转向助力做好准备， 否则电机停止 不转 ， 势必会引起助力系统延时 隋况 。 而高速行驶时 ， 我们也希望 电机的转速能足够的低， 以确保车辆在高速行驶时的操纵稳定性 能及最佳的路感。E H P S系统控制策略框图， 如图 3 所示。 图 3 E H P S 系统控制策略框图 系统控制器采集到方向盘转角速度， 车速信号及电机温度 信号 ， E C U进行相应的运算得到中位闭式转向控制阀位置 ， 以及 车辆加速度。通过车辆加速度、 转阀位置信号及反馈电流信号确 定车辆行驶的状态及工况 如待命状态、 城市工况、 农村工况、 高 速工况 。针对现有的台架进行实验， 测得的模拟车速信号、 方向 盘转角速度信号及电机转速的数值 ，运用科学数据分析工具 O r i n g i n L a b 8 ． 0 进行转向助力特性曲线的拟合， 如图4所示。 图 4 电动液压助理转向系统助力特性 曲线 5 E H P S 能量损耗分析 根据E H P S系统结构及工作原理，将系统分为机械模块 ， 液 压模块， 电气模块。并将各个模块分为有用功率， 无用功率。由图 5可知 E H P S系统损耗主要产生 于机械系统功耗 ，转 阀功耗 ， 液 压泵功耗， 电机功耗， 控制器功耗， 而系统的主要功率损失存在于 电机和转 向阀 。 功半辅八伺用 叨翠 无用功率 图 5 E HP S系统能量流向图 机械模块损失 2 P -- a v ， S 堵 n 6 ， ． ， ’ ’ 1 液压损失 P p 4 o n e -- ’ n e - k p ‘ - p P 2 电机模块损失 ； ‘ c 3 r产 E C U 模块损 失 胡 。‘ 4 式中 、 d c 一库伦摩擦系数， 润滑油粘性系数； s J广 系统的自 由度 ； 、 液压缸左右压力 ， M P a ； 一方向盘转 角 ， 。 一 液压泵出 口油压 ， M P a ； 液压缸位移 ， m m； 一液压泵 转速 ， r a d ／ m i n ； p 一 回油管油压 ， M P a ； k 一液压泵泄漏系数 ； 一 电机由摩擦引起的转矩损失， N m； C 、 C 一速比摩 擦系数系数，速度平方摩擦系数； c和速度无关的损失； 一 控制器的输出电阻， n； 厶 控制器电流， A； 控制器电 压， V； R 控制器外的电阻， n。 6台架实验 6 ． 1实验设备 转 向器进油压力 B P R 一 4 0压力传感器 液压缸进油压力 B P R 一 4 0压力传感器 转向器 回油压力 B P R 一 2 ／ 1 0匿力传感器 液压缸 回油压力 ’ ． B P R 一 4 0 压力传感器 转向盘转矩 l 转向参数温度仪 l 车 转 向盘转角 ， l 载 测 齿条力 S T R拉压力传感器 试 齿条位移 L V D T位移传感器测量仪 统 转向器进油流量 L WG Y一 1 0 A流量传感器 转向器 电动机电流 C S 0 5 0 B电流传感器 电动机端电压 V S M 0 2 5 A电压传感器 车速 车速仪 图 6测试系统示意图 这台架主要组成部件有齿轮齿条转向器、 加载装置、 试验用 电动油泵、 蓄电池、 各类支架、 脉冲信号发生器、 压力传感器、 流量 传感器、 转向参数测试仪、 应变片、 陀螺仪、 信号采集板、 A D板、 车 载测试系统、 数据采集软件、 蓄电池以及逆变器。 车在转向时的地 面摩擦阻力通过加载机构来模拟， 油泵电机的工作电压由 1 2 V 蓄电池来提供。 本台架主要进行电动液压助力转向系统的性能试 1 2 8 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 2 验 ，其需要测量 的参数分别通过相应 的传感器和测试仪进行检 测 ，所有测量 的参数均通过车载测试 系统获得相应的测量数据 ， 整个测试系统， 如图6所示。转向器进油及动力缸两腔压力传感 器选用 B P R 一 4 0型压力传感器， 测量范围为 0 ～ 1 6 M P a ， 转。 向器回油压力传感器选用 B P R 一 2 ／ 1 0 型压力传感器， 测量范 围为 0 ～ 1 M P a 。 转向器进油流量传感器选用 L WG Y I O A型涡轮 流量传感器 ， 测量范围为 3 ． 3 ～ 2 0 Um i n ， 与之相配的转换器选用 F - I I 型频率电流转换器。转向参数测试仪选用 z L _ 1 型转向参数 测试仪， 扭矩与转角的测量范围分别为 2 0 0 N m和 1 2 6 0 O O 车 速仪选用 D R S 一 6多普勒雷达车速仪 ， 测量范围为 0 ．2 - 3 0 0 k n l 。 动态应变仪选用Y D 一 2 8动态应变仪。 试验台架的一些实验参数。轴距 2 ． 6 8 7 m， 前、 后轮距分别为 1 ． 4 7 6 m、 1 ． 4 8 3 m， 试验车重 1 3 0 0 k g ， 轮胎型号为 1 8 5 S R1 4 ， 前 、 后 轮气压分别为 2 ．2 x l O P a ， 主销内倾角 6 。 3 0 ， 主销后倾角 5 0 4 0 ， 前轮外倾角一 3 0 3 0 ， 前轮前束o _ m m 。 6 _ 2实验 结果分析 根据实验测得的数据 左 右液压 缸压力 、 方 向盘转角 、 电机 转速、 电机电流、 车速等 ， 运用各模块的能耗公式分别计算 ， 如表 1 所示。同时实验测得了电机转速与车速、 方向盘转角信号的关 系 ， 如表 2 、 表 3 所示。 表 1不同路面状况的平均功率损失 不同工况 待命状态 w城市路面 w 农村路面 w 高速公路 w 系统模块闭式开式 闭式 开式 闭式 开式 闭式 开式 功率需求 ECU 电机 液压泵 液压损失 转向横拉杆 驾驶员输入 摩擦 总能耗 9 6 l O 1 1 l 9 1 2 O 1 0 3 1 0 7 9 8 1 O 3 91 9 5 1 2 1 1 2 3 9 7 1 03 8 6 9 2 4 4 5I 6 4 6 5 6 8 72 6 5 6 8 3 3 3 8 4 9 5 0 4 0 43 3 6 4 2 0 O ． 0 3 O ． 5 9 0 ．61 0 ． 1 1 0 _ 3 5 0 ． 0 2 0 ． 1 2 0 0_3 8 0 ． 4 3 0 ．46 0 ．0 8 O ． 1 3 0 0 ．0 9 0 0 0 ． 1 9 0-2 3 0 ．O 6 0 ． 2 6 0 ．01 0 ．O3 0 0 ． 1 6 O．3 5 O_3 6 0 ． O 9 O ． 1 9 0 ．O 2 0 ． O 8 2 6 4 2 8 5 ．5 7 3 5 4 ． 5 6 3 5 9 ． 6 6 3 0 8 ． 3 4 3 2 5 ． 9 3 2 8 5 ．0 5 3 0 6 ． 1 3 表 2无转向操作时电机转速与车速的关系 车速 k m ／ h 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 实测 电机转速 r ／ mi n 1 9 4 0 1 6 6 7 1 4 3 0 1 2 7 9 1 2 0 8 1 2 4 5 预期 电机转速 r ／ mi n 2 0 0 0 1 7 0 0 1 5 0 0 1 3 0 0 1 2 5 0 1 2 0 0 表 3车速为 2 0 k m／ h与 1 O O k m／ h时转向盘转向角 速度与 电机转速的关系 转向盘角速度 。 ／ s 0 ／ 0 4 9 ／ 4 8 1 0 2 ／ 1 0 3 1 4 9 ／ 1 4 7 3 1 3 ／ 3 1 2 3 8 9 ／ 3 9 1 由表 1 可以得知 闭式 E H P S系统在待命状态、 城市路面、 农村路面 、高速公路相对于开式 E H P S系统总能耗分别减少了 7 ． 5 ％、 1 ． 4 ％、 5 ． 4 ％、 6 ． 9 ％， 且 闭式系统在直线行驶 的情况下 E C U的 功率损耗 相对 较大 ， 液压部分 的损耗 相对 较小 ， 基本 低于 5 0 W， 这是很大的进步。在转弯时人损耗的功率也比较低， 说明了此系 统在转向过程中非常省力， 在全程工况下闭式 E HP S系统消耗的 能量占车辆整体能量消耗的 1 ．2 ％，液压助力过程也相对比较连 贯， 时间相应较小， 完全符合 E H P S系统的助力要求和节能要求。 而中位开式 E t t P S系统虽然在 电机转速上实现了可调 ， 但在直线 行驶时， 其电机仍在做一部分无用功， 其助力转向过程消耗的能 量 占到系统能量消耗的 2 ％，由此可见闭式 E H P S系统的节能性 明显优于开式 E H P S 系统。 E H P S系统在无转向操作时电机转速与车速的关系及车速 分别为 2 0 k m ／ h 、 1 0 0 k m ／ h时转向盘转向角速度 与电机转速的关 系 ， 如表 2 、 表 3 所示。由测得数据可以得知 在无转 向操作 时， 电 机的转速随着车速的升高而降低， 在中高速基本能维持在 1 1 0 0 ～ 1 2 0 0 k m ／ h ，随着 车速的上升电机转 速还有很 大的降低 。而在 2 0 k n d h 低 速行 驶时电机转速随着 转向角速度的增加 而加大 ， 且 电机的转速增 幅较 大 ，这需 要系统 有很好 的助力跟 随性 。在 1 0 0 k m ／ h 高速时， 在高转角角速度情况下， 电机的转速也维持在 较低的水平以确保系统良好的操作稳定性能和节能性。 在试验中 所测得的电机转速基本和预期电机转速符合， 所以设计的控制策 略达到了预期的效果。 既满足了系统在不同工况下助力大小的要 求， 也尽量调节电机转速， 使能量得到合理的运用。 7 吉_ ； ， ， I - - 4 ， U 1 针对具有闭式转向控制阀E H P S 系统的控制策略， 使得系 统根据车速、 方向盘转角速度、 电机反馈电流， 速度共同判别车辆 行驶工况， 并对电机转速进行合理的控制， 使得系统能量得到合理 利用。 而实验证明实测电机转速跟设计的电机转速基本符合， 此策 略能满足不同工况下的助力要求 。 2 完成 了闭式 E H P S系统的台 架实验 ， 测得 Tt H 关数据 左右液压缸压力 、 方 向盘转角 、 电机转 速、 电机电流、 车速等 ， 并对系统各模块能耗值进行了计算， 实验 表明闭式 E H P S 具有良好的节能效果 。 3 中位闭式 E H P S系统从 能耗以及相应的环境问题， 比传统开式 E H P S系统更有优势。 但仍 存在一些问题， 直线行驶时， 储存能量的输出不易调整， 助力响应 时间可变空间不大造成转向助力不能随转向负荷做出及时的变 化， 降低了驾驶的可靠性和舒适性。另外， 中位闭式阀在在密封及 结构方面均 比中位开式转向助力系统复杂 ， 增加 了系统的制造难 度l1 ， 91 。不过， 随着技术的发展和人们对环保问题的日益关注， 尽可 能降低汽车的能耗已是一个不可避免的趋势． 闭式 E H P S助力转 向系统的应用也将更加广泛， 拥有一定的市场前景。 参考文献 [ 1 ] 李染一， 权龙 液压转向助力系统能耗特 的分析和比较[ J ] ． 丁程设计 学报 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] V l a d i mi r V ．K o k o t o v i c ， J o h n G r a b o w s k i ．E l e c t r o H y d r a u l i c P o w e r [ J ] ．S t e e r i n g S y s t e m， 1 9 9 9 1 4 0 4 ． [ 3 ]王 豪 ， 丁润涛 ， 李志杰， 焦阳． 电动液压助力转 向系统控制算法研究与 实现 [ J ] ．公路交通科技 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 耿 国庆 ， 苗立东 ， 李强． 电动液压 助力转 向系统设计方法⋯ ． 农机化研 究 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 王维冬． 电动液压助力转向系统用 B L D C M工作原理及控制策略⋯ ． 机 械设计与制造 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ] Mi c h a e l We H e n z o h n ， T h y s s e n K r u p p P r e s t a ， I m p r o v e d F u e l C o n s u m p t i o n t h r o u g h S t e e r i n g As s i s t w i t h P o w e r o nD e ma n d ， 2 0 0 8 2 1 4 6 ． [ 7 ] Mi c h a e l We l l e n z o h n ． I m p r o v e d F u e l C o n s u m p t i o n t h r o u g h S t e e r i n g A s s i s t w i t h P o we r o n D e m a n d ， 2 0 0 8 2 1 4 6 ． [ 8 1 Z HU R e n x u e ， G A O L a n f a n g ． Re s e a r c h o n t h e En e r g y s a v i n g P o t e n t i a l i t y o f El e c t r o - h y d r a u l i c P o we r S t e e r i n g S y s t e m Ba s e d o n En e r gy F l o w．2 01 0 2 n d I n t e r n a fi o n a l A s i a C o n f e r e n e e o n h ff o r ma t i c s i n C o n t r O C ． N u t o ma t i o n a n d Ro b o t i c s ， 2 01 0 ． 1 9 j P e t e r P f e ff e r ， E n e r g y C o n s u m p t i o n of E l e c t r o H y d r a u l i c l J j ． S t e e r i n g S y s t e m s ， 2 0 0 5 1 j 1 2 6 2 ．