AMESim在电动液压转向系统的转向平顺性研究中的应用.pdf

2 0 1 0年 1 O月 第 3 8 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS 0c t ．2 O l 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 9 D O1 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 3 5 A M E S i m在电动液压转向系统的转向平顺性研究中的应用 陈松 ，陶金 忠 南通航运职业技术学院，江苏南通 2 2 6 0 1 0 摘要 为了满足电动液压助力转 向 E H P S 系统 在转 向助 力时 的平顺性要 求 ，提 出无 刷直 流 电动 机 B L D C M调速 系统模糊 P I D控制方法，介绍模糊 P I D控制策略以及模糊控制器的设计过程并设计模糊 P I D控制器。利用 A M E S i m／ S i m u l i n k 联合仿真技术建立 电动液压转向系统模型 ， 进行对 电机 目标 电流的跟 踪响应仿 真 、电机转速特性仿真和 E H P S系统 的转 向平顺性仿真。仿真结果表明基于直流电机调速系统模糊P I D控制的电机 比传统P I D控制的电机具有更好静、动态特性 ， 从而使 E H P S系统具有更好的转向平顺性。 关键词 A ME S i m；S i m u l i n k ；电动液压转 向系统 ；模糊控制 ；转 向平顺性 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 0 1 91 2 1 5 Ap pl i c a t i o n o f AM ES i m i n S mo o t h S t e e r i ng Cha r a c t e r i s t i c o f El e c t r o n i c Hy dr o s t a t i c Po we r S t e e r i ng S y s t e m C HEN S o n g ．T AO J i n z h o n g N a n t o n g S h i p p i n g C o l l e g e ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A me t h o d b a s e d o n f u z z y 一 P I D c o n t r o l w h i c h wa s s u i t a b l e f o r B L DC M w a s p r e s e n e d i n o r d e r t o s a t i s f y t h e s mo o t h s t e e r i n g de ma n d o f EHPS s y s t e m． The f u z z 一 PI D s t r a t e g y a n d t h e d e s i g n p r o c e s s o f f u z z y PI D c o nt r o l l e r we r e di s s e r t a t e d． A f uz z y 一 PI D e o n t r o l l e r wa s d e s i g n e d． The EHPS s y s t e m mo d e l wa s e s t a b l i s h e d i n AMES i m a n d MATLAB ／S i mu l i nk t o ma ke s i mu l a t i o n s wi t h t r a c k i n g o f o b j e c t c u r r e n t ， r o t a r y s p e e d c h a r a c t e r o f B L D C M a n d s m o o t h s t e e r i n g o f E H P S s y s t e m．T h e s i u l u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e B L DC M c o n t r o l l e d b y f u z z y P I D s t r a t e g y h a s a b e t t e r s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s t h a n t h e B L DC M c o n t r o l l e d b y P I D s t r a t e “ ， S O t h e EHPS s y s t e m h a s a b e t t e r s mo ot h s t e e r i ng c h a r a c t e r i s t i c． Ke ywo r dsAMES i m； Si mu l i n k；EHPS； F uz z c o nt r o l ； S mo o t h s t e e r i n g c ha r a c t e r i s t i c E H P S使用永磁无 刷直流 电动机带 动泵 工作 ，根 据转 向需求提供不 同的转 向助力 。为了在转 向中获得 转 向助力平顺性 ，电机速度控制是最重要 的因素 。延 迟或降低电机速度导致转向供油不足 ，而转向时过高 的电机转速会 引 起过 多 的供 油量 以及 油 压 的过 快 升 高 。永磁无刷直 流电动 机是一 个多 变量 、强耦 合 、 非线性、时变的复杂系统， 用传统 P I D控制难以满足 动态响应和超调 以及高性能的要求 。考虑到模糊控制 实现的简易性和快速性 ， 又不依赖 于对象 ，作者将模 糊控制和 P I D控制 集合起来 ， 既 可以提 高控制精度 ， 又能够 根 据 对 象 输 出 的 变 化 调 整 参 数 ，以满 足 E H P S系统的转向平顺性要求。 1 E H P S仿真模型的建立 1 ． 1 E H P S组 成及 工作原 理 E H P S系统结 构 如 图 1所 示 ，当驾 驶 员 转 动 方 向盘时 ，电子控制单元依 据车速和方 向盘转速信 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 人 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 。 8 二 l _ l 1 ～ 方 向 盘2 一 转 向 阀3 一 扭 杆4 一 进 、 出 油 管 路5 一 限 J 卡J钼 l 】 电动机7 一 液 压泵8 一储 油 罐9 一 转 向节 臂l 一 液压 动力 缸 1 l 一 齿 轮 齿条 转 向器1 2 一 车轮l 3 一 转 速传 感 器l 4 一 车速 传感 器 图 l E H P S系统结构 图 1 ． 2液压 转 向器模 型 的建 立 以模块 化 的建 模 思想 为基 础 ，在 A ME S i m 平 台 上，使用具有适当刚度的扭转弹簧仿真模块来模拟扭 收稿 日期 2 0 0 9 0 91 4 作者简介 陈松 ，硕十 ，助教。电话 1 3 8 6 1 9 0 4 7 6 5 ，Em a i l e h e n s o n g n t s e ． e d u ． e n 。 ． ‘ 7 5 1 2 2 机床与液压 第3 8卷 杆，在扭杆的上下端分别安装一个角位移传感器模 块，把这两个模块输出信号之差作为扭杆变形量信 号 ，再把这个信号传输给转阀模型。在该仿真 中，转 阀模型是通过 4 个节流阀来模 拟的 ，转阀的阀 口采用 短切 口形式 宽度为 ，轴 向长 度为 ， 』 ，阀芯 与 阀套的预开间隙结构如 图 2所示 。 图 2 阀芯 与阀套的预开问隙结构图 由于阀的结构一般都是对称 的，故 A A 3 W L ， J2， |2 R 0 。 一0 1 A 2 A 4 W】 L 。 2一， | 2 R 0 一0 2 2 式 中 为阀芯与 阀套 的配 合半 径 ；W． 为短 切 口的 宽度 ； 为中位时 阀口预 开间隙宽 度；L 为短切 口 的轴 向长度 ；L 为 阀口的轴向长度 ； 0 一0 为阀芯 相对阀套沿 弧线上的转 角。 1 ． 3 轮胎模型的建立 汽车在转 向行驶 时 ，由于行驶速度 的变化会影响 前轴 载荷 的变化 ，从而 引起转 向阻力 随车速 的变化而 变化 。轮胎可简化为质量模块和弹性 阻尼模块 ，所以 用 随车速变化的滑动摩擦力模块模拟转 向阻力。为了 研究 的方便 ，假设汽车在水平道路上行驶 ，在转 向的 过程 中汽车没有突然加速和紧急制动 ，而且滚动阻力 偶矩 产生的部分很小 ，忽略不计。那么前轴载荷 可简 化为 F z I F z l一 、 3 式 3 中静态载荷 的法 向反作用力 F 。 。G 4 式 中G为车重 ；b为质心到后轴的距离 ；L 为轴距 。 空气升 力 1 F c u 5 厶 式 中c 。 为 升力 系数 ，4为迎 风 面积 ，P为空 气 密 度 ，u 为汽车行驶速度 。 而地面阻力 矩 告 6 式 中 为地 面阻力 系数 ，， 为轮胎气 压。根 据齿轮 齿条和转 向直拉杆 等的机械 传动关系 ，可 以将 换 算为阻止齿条移动的等效阻力 ，设换算系数为 叼 ， 则 孵 P 7 在仿真中轮胎仿真模块 中的滑动摩擦力按上述关 系式随车速变化 ，从而来模拟汽车转 向行驶过程 中转 向阻力随行驶速度的变化。 1 ． 4 电机、油泵模型及其控制模型的建立 1 ． 4 ． 1 电机的电路模型 直流电机等效电路如图 3示。 图 3 直流电动机 等效 电路 电机 的动态方程 如下 尺 ， 【 J E 8 由于电动机电感较小 ，可以忽略 ，上式简化为 R ， l E U d 9 E K ． ∞ 1 0 一 T t一 1 1 T K ， d 1 2 q P 1 3 』 T s L l j 式 中_， 为电机与油泵 的转动惯 量 ；T 为 电机 的电 磁转矩 ；T l 为电机 的负载 来 自油泵 ； f为 电机 黏 性阻尼参数 ； 为电机 的转速 ；K 为电机 的电磁转矩 常数 ；， 为电机的电流 ；q为油泵 的排量 ；Q 为油泵 的平均流量 ；p 为油泵 的出口压力。 1 ． 4 ． 2 电机 、油泵的控制 使用直流 电动机驱动液压泵 ，通过控制电机电压 来控制电机转速，根据电流信号来控制系统的最大压 力，同时根据电机转速反馈信号和电流反馈信号进一 步精确确定控制电压。 对于下面两种情况分别进行控制 1 在各种车速下未转动方 向盘时，控制电机 以比较 低的转速运转 ，当然停 掉 电机能 实现最 大节 能化 ，但 是频 繁 停 止／ 启 动 电机会 大 幅度 降 低 电机 寿命 。 2 在各种车速 下转动方 向盘时 ，利用 A M E S i m 第 l 9期 陈松 等A ME S i m在电动液压转向系统的转向平顺性研究中的应用 1 2 3 的读 图功能采用如 图 4所示的助力特性图。 1 2 3 4 5 二 2 。 2 6 0 0 1 2 4 0 0 2 3 0 0 ] 2 2 0 0 2 6 3 2 6 5 0 2 5 0 0 2 3 3 0 { 2 2 4 0 2 5 3 I 2 6 t 0 2 5 2 O 2 3 5 0 2 2 5 0 2 5 5 5 2 7 5 0 2 5 3 0 2 5 3 0 ] 2 6 如 2 7 i 6 2 8 0 0 2 5 5 0 2 5 5 0 2 6 印 2 7 2 8 5 0 2 6 0 0 2 6 3 0 2 7 1 0 2 ， B 2 9 0 0 2 6 5 0 2 6 8 0 2 7 s 0 2 8 【 3 2 9 5 0 2 7 0 0 2 7 2 0 2 7 9 0 2 8 1 ．1 0 2 9 8 0 2 7 3 0 2 7 5 0 2 钳0 2 8 j 1 ’ 』 F om a t 1 蕊 圈 图 4助力 特性 图 在助力特性 图 中得 到 电 机转 速后 ，由前 述 的式 9 、 1 0 得到电机输出的电压。 U do J k 尺 ， { 1 4 通过控制电机电压使 电机以转 速 运转 。 1 ． 4 ． 3 模糊 P I D控制 经典 P I D控制调速 系统虽然具有实 时性好 、易 于 实 现等优点 ，但在设计 中存在着动态响应与超调量 的 技术指标难 以兼容 的缺点 。由于无刷直流 电机存在着 非线性 、时变性等不确定性因素 ，采用经典 P I D控制 其效果将难 以达到预期的 目标 。作者对无刷直流电机 的速度环采用常用的二维模 糊 P I D控制器 ，电流 环仍 采用 P I D控制。以误差 e 和误差的变化率 e c 作为输 人 ，可以满足不同时刻误差 e 和误差变化率 e c 对 P I D 参数在线校正的要求 。利用模 糊控制规则 在线对 P I D 参数进行修改 ，以达 到对速度 的模糊控制 。其控制 系 统框图如图 5所示 。 图 5 无刷直 流电机模糊 P I D控制器 1 ． 4 ． 4 模糊控制器 的设计 在直流无 刷电机双闭环控制系统 中 ， 转速环是 系 统的主要控制环节。为 了提高系统的动态和静态特 性 ， 转速调节器采用模糊 P I D控制 。电流环使 电流紧 紧跟随转 速调节器 的输 出 ，对 电网电压 的波动起抗干 扰作用 ， 因此电流环仍采用 P I D控制 。将 电机 给定速 度与实 际检测速度 的偏 差 e以及 偏差 变化 量 e C作 为 模糊控制器 的输入 ， 将模糊控制器调 节后 的输 出 作 为被控对 象输 入 。根据 输入量 e 、e c和输 出量 1J , ，结 合对无刷电机的调速经验， 得到 、K ． 、 模糊控制 规则表如表 1 、2 、 3所示 。 表 1 K p 控制规则表 表 1 3中 ， 在模糊调速系统 中， 采用 { 负大 ， 负 中 ， 负小 ， 零 ， 正小 ， 正中， 正大 } ， 并记为 { N B ， N M ， N S ，z D ， P S ， P M ， P 日} ， 作 为偏差 e以及偏差变化量 e c 和输 出 u的 7个模糊状态描述 。模糊子集隶属度函 数 的形状选用三角形 曲线 ， 输入输 出模 糊子集 的隶属 度 函数如 图 6所示 。 0 0 哩 0 ．【}。 ； 0 0 P、PC H a 输 入隶 属 函数 曲线 f b 输 出 的隶属 函数 曲线 图6 隶属函数曲线图 为满足汽车在各种复杂转向工况的助力特性和转 向平顺性要求，在 E H P S中电机转速控制采用 电流、 转速双闭环调速系统 ，利用 M A T L A B中的模糊工具箱 1 2 4 机床与液压 第 3 8卷 和 A M E S i m软件 对无 刷直 流 电机 建 立仿 真 模 型。在 A M E S i m／ p a r a m e t e r 模式下 ，A M E S i m使用预先选定 的编译器生成 s函数 ，供 M A T L A B ／ S i m u l i n k使用。在 S i m u l i n k环境 ，A ME S i m模 型被 当作一 个通的 s函数 ， 通过 A M E S i m ／ S i m u l i n k s t a n d a r d I n t e r f a c e进 行 数 据 交 换，从 而实现 A M E S i m和 M A T L A B／ S i m u l i n k的联合建 模与仿 真。在 A M E S i m下的仿真结构如图 7 所示 。 ⋯ 一 一{ Ⅺ 一 ； ⋯ ．．．． ． ⋯一 谶 毒 图 7 在 A M E S i m下 电机的仿真模 型 攒-q 寸 IW 电 流 L ．． r、 ’ 电 机 转 速 一 f ／ 呻1车 速 l { EC U 。 一一一 一一一一- E - L 一．一． ．⋯．一．． 』 ． 在 M A T L A B／ S i m u l i n k下的 电机双 闭环控 制 的仿 真结构如图 8所示。 图 8 电机双 闭环控制图 1 ． 5 E H P S仿真模型的建立 在得到 以上仿真模 型后 ，建立如下 E H P S的仿真 模型 ，如 图 9所示 。 - 一 一 ⋯一⋯一 图9 在 A ME S i m中E H P S的仿真图 2 仿真结果分析 为了研究电机控制的准确性 ，需分析电机对 目标 电流的跟踪 响应特性 。图 l 0为联 合仿真模 型下 ，采 用模糊 P I D控制 和传统的 P I D控制时 ，对 目标 电流 的 跟踪响应曲线。仿真时，输入为转向盘上转矩正弦信 号 ，幅值为 4 N i n，周期 为 5 S ，所对应 的 目标 电流 值的幅值为 1 3 A 。 从图 1 0中可 以看 出 ，采用模糊 P I D控制 的电机 与采用传统的 P I D控制的电机相比，能够跟踪 目标电 流 ，从而具有更好 的控制精度 。 为了进一步对电机的性能进行研究 ，还需对电机 的调速特性进行仿真。图 1 1 为联合仿真模型下 ，采 ‘ 。 一 一 l TOr si o H c k 用模糊 P I D控制 和传统的 P I D控制时 ，电机转速上升 过程 的仿真图。 l 一 目标 值 一 图 1 0目标电流的跟 踪响应曲线 童1 ． g 0 ． 从 图 1 1 中可 以看 出，采用模糊 P I D控制 的电机 与采用传统的 P I D控制的电机相比，电机转速的超调 由 第 1 9期 陈松 等A M E S i m在电动液压转向系统的转向平顺性研究中的应用 1 2 5 小且转速 波动 小 ，具有 很 好 的鲁棒 性 。从 上 面 的分 析发现 ，采用模糊 P I D控 制的 电机具有 很好 的静态 、 动态特性。 为了进一步比较两种控制策略对 E H P S系统的转 向平顺的影响 ，利用图 9的仿真模型进行如下仿真。 仿真 时，匀速 转动 方 向盘，分 别在 车速 5 k m ／ h 、 2 0 k m ／ h下 ，得 出方 向盘扭矩 随方 向盘转 角的变化关 系 ，以获得不 同车速下转 向助力特 性。具 体如 图 l 2 、 1 3所示 。 30 25 20 1 5 0 0 100 2 00 300 400 50 0 600 转 角／ r 2 0 菖 主 1 2 囊 8 辩4 0 0 l O0 2O 0 3O0 4O 0 5O0 6 00 转 角／ f 。 图 1 2 5 k m ／ h时转矩 图 1 3 2 0 k m ／ h时转 随方 向盘转角变 矩 随方 向盘转 角 化曲线 变化曲线 从仿真结果可看出，基于直流电动机调速系统模 糊 P I D控制策略 的 E H P S比传 统 P I D控 制 的 E H P S超 调量小 、没有振荡 ，具有 更好 的转向平顺 性。在相 同 车辆载荷下 ，随着 车速 升高 E H P S的助力 效 能降低 ， 符合 E H P S的助力特性要求。 3结 论 1 把两个 优秀的专业仿 真工具 A ME S i m／ S i m u l i n k 联合起来使用 ，具有建模 速度快 、仿真计 算速度 快、仿真准确度较高的优点 ，为机电液一体化的系统 仿真分析提供了新的研究方法。 2 基于直 流 电动机 调速 系统 P I D模 糊 控制 策 略在 E H P S中取得 了很好 的效果 ， 相对 于传统 P I D控 制 ， 具有更 好的稳 态性能和转向平顺性 。 参考文献 【 1 】 V l a d i m i r V k o k o l 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 c r S t e e ring Sy s t e m S AE 1 9 99， 6 616 6 8． 【 2 】张国良， 曾静， 柯熙政， 等． 模糊控制及其 M A T L A B应用 [ M] ． 西安 西安交通大学出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 3 】F o r b e s J a m e s E ， B a i r d S t e v e n M， We i s g e r b e r T h o ma s W． 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 ng a n a dv a nc e d s y s t e m f o r u n i q u e a p p l i c a t i o n s [ J ] ． S A E P a p e r N O ． 8 7 0 5 7 4 ． 【 4 】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 ． 2 ． 【 5 】 余志生． 汽车理论[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． 【 6 】 康展权． 汽车工程手册 设计篇 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r o w m o d e l [ R] ． A r my ma t e ria l s y s t e ms a n a l y s i s a c t i v i t y me t ho do l o g y o f f i c e， 1 98 3． 【 4 】 何国伟． 可靠性试验技术[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 95． 【 5 】 周源泉． 可靠性增长[ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 9 2 ． 他 够 ∞ 0 0 0 0 0 ∞ n I 、 趟