王 新，宋海兵，江浩斌，耿國慶

傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為HPS）具有以滿足車輛原地轉(zhuǎn)向或低速急轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱輕便性為主的單一助力特性［1］，因此，當(dāng)大客車高速行駛時(shí)，由于轉(zhuǎn)向阻力矩的減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力相對(duì)過大，令駕駛員感覺轉(zhuǎn)向盤路感不足而使車輛操縱穩(wěn)定性下降。為了克服液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足，人們?cè)谝簤褐D(zhuǎn)向系統(tǒng)中加裝了電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輔助裝置［2－3］，根據(jù)車速（也有采用車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速）來控制液壓系統(tǒng)的流量或壓力，這類系統(tǒng)稱為電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為EHPS）。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electrical Controlled Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱為ECHPS）和電動(dòng)油泵式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類。

作者擬研究一種通過控制液壓系統(tǒng)流量改變助力特性的流量控制式ECHPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在HPS基礎(chǔ)上增設(shè)控制旁通流量的電液比例閥及控制裝置，系統(tǒng)的動(dòng)力仍然由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，以期適合前軸負(fù)荷較大的車輛。

1 流量控制式ECHPS系統(tǒng)工作原理

流量控制式ECHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電液比例閥安裝在通向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)的油道之間。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，電控單元ECU通過采集車速和轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的程序，發(fā)出控制信號(hào)給電液比例閥，以控制比例閥的開度，從而控制旁通流量，繼而改變助力大小。車速越高，電液比例閥的開度越大，轉(zhuǎn)向助力越小。

圖1 ECHPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意Fig.1 Structure of ECHPS system

根據(jù)圖1，得到助力油壓［4］為：

式中：Δp為助力油缸兩端壓差即工作壓力，Pa；ρ為液壓油密度，kg／m3；Q 為液壓泵提供的流量，L／min；Cd為流量系數(shù)；z為轉(zhuǎn)向控制閥的并聯(lián)進(jìn)油口數(shù)目；A為轉(zhuǎn)向控制閥單邊有效節(jié)流面積；Ae為比例閥的有效節(jié)流面積，m2。

2 建立ECHPS系統(tǒng)模型

2.1 基于AMESim，建立ECHPS系統(tǒng)模型

ECHPS系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，主要包括：駕駛員手力、轉(zhuǎn)向盤、扭桿、轉(zhuǎn)閥、電液比例閥、轉(zhuǎn)向器、控制器及油泵等部分。

圖2 ECHPS系統(tǒng)的AMESim模型Fig.2 Model of ECHPS system in AMESim

1）駕駛員手力及轉(zhuǎn)向盤模型

駕駛員手力模型：采用正弦曲線信號(hào)模塊和分段線性信號(hào)模塊，模擬手力大小。通過設(shè)置參數(shù)，得到不同形狀、頻率和幅值的力矩信號(hào)，并輸出到轉(zhuǎn)向盤模型。

轉(zhuǎn)向盤模型：采用扭矩轉(zhuǎn)換器和旋轉(zhuǎn)負(fù)載模擬，輸出扭矩給扭桿。轉(zhuǎn)向盤模型還帶有轉(zhuǎn)角速度傳感器和扭矩傳感器，傳感器分別將測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤角速度和扭矩傳遞給控制模型。

2）扭桿與轉(zhuǎn)閥模型

扭桿模型：采用扭轉(zhuǎn)彈簧和角度傳感器模擬。扭轉(zhuǎn)彈簧接收轉(zhuǎn)向盤模型傳過來的扭矩而變形，將上、下端兩角度傳感器輸出信號(hào)之差作為扭桿變形量信號(hào)，再把該信號(hào)傳輸給轉(zhuǎn)閥模型。

轉(zhuǎn)閥模型由4個(gè)節(jié)流閥模擬。上端接高壓油路，下端接回油路，左端接助力油缸左室，右端接助力油缸右室。轉(zhuǎn)閥根據(jù)扭桿變形量信號(hào)控制節(jié)流閥開度，兩者關(guān)系采用文獻(xiàn)［5］中的研究成果。

3）電液比例閥模型

采用HCD庫中質(zhì)量模塊、閥芯模塊、活塞模塊、函數(shù)模塊、位移傳感器模塊及力轉(zhuǎn)換模塊等，建立電液比例閥模型。用質(zhì)量模塊模擬閥芯質(zhì)量，其位移表示閥芯的位移，并由位移傳感器測(cè)量。用函數(shù)模塊計(jì)算電磁力（只計(jì)算出結(jié)果，無量綱），用力轉(zhuǎn)換模塊將無量綱電磁力轉(zhuǎn)換為閥芯受到的電磁力。

電液比例閥模型如圖3所示。端口1為進(jìn)油口，接高壓油路；端口2為回油口，接油箱；端口3和4分別接控制模型的輸入和輸出。端口3將測(cè)量的閥芯位移傳給控制器模型，端口4接收控制模型的輸出電流，經(jīng)運(yùn)算得到電磁力，力轉(zhuǎn)換模塊再將電磁力加載到閥芯上。

圖3 電液比例閥模型Fig.3 Model of electro－h(huán)ydraulic proportional valve

4）轉(zhuǎn)向器模型

轉(zhuǎn)向器模型包括齒輪齒條模型、助力油缸模型及輪胎模型。齒輪齒條模型與扭桿相連，助力油缸與轉(zhuǎn)閥相連，輪胎模型模擬轉(zhuǎn)向阻力。其中，輪胎模型由質(zhì)量模塊、彈性阻尼模塊及函數(shù)模塊模擬，利用質(zhì)量模塊的質(zhì)量和滑動(dòng)摩擦力模擬轉(zhuǎn)向車輪載荷及轉(zhuǎn)向阻力所確定的作用于助力油缸上的阻力，函數(shù)模塊根據(jù)不同車速計(jì)算得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力。

齒條上的等效阻力［6］為：

5）控制模型

控制模型采用AMESim和MATLAB／Simulink接口圖標(biāo)模塊模擬，輸入為車速、轉(zhuǎn)向盤角速度、轉(zhuǎn)向盤扭矩及比例閥閥芯位移，輸出為控制電流，接電液比例閥。它是實(shí)現(xiàn)車速、轉(zhuǎn)向盤角速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩及閥芯位移與電液比例閥電流之間關(guān)系的控制算法。具體控制策略在Simulink中建立。

2.2 控制策略制定及建立模型

由于行車轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩隨車速的增大而減小［7］，因此轉(zhuǎn)向助力會(huì)隨車速的增大而減小。為保證助力跟隨性，轉(zhuǎn)向助力會(huì)隨轉(zhuǎn)角速度的增大而增大?？紤]到緊急避險(xiǎn)工況下需要瞬時(shí)提供較大助力這一狀況，制定了基本助力控制與附加力矩控制相結(jié)合的控制策略。為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償PID控制算法。

ECHPS系統(tǒng)控制如圖4所示。控制過程為：ECHPS系統(tǒng)的控制單元根據(jù)扭矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)，按照基本助力控制，計(jì)算出目標(biāo)助力油壓。經(jīng)過計(jì)算模塊，得到閥芯目標(biāo)位移。運(yùn)用前饋補(bǔ)償PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯位移的閉環(huán)控制。經(jīng)過計(jì)算閥芯目標(biāo)位移，得到目標(biāo)電流。同時(shí)，由傳感器采集的車速和轉(zhuǎn)向盤角速度信號(hào)確定的附加力矩控制，計(jì)算出附加電流，將目標(biāo)電流與附加電流疊加的電流輸出給電液比例閥。

圖4 ECHPS系統(tǒng)控制框圖Fig.4 ECHPS control block diagram

按照理想助力特性曲線的要求［8］，基于某大客車設(shè)計(jì)的ECHPS系統(tǒng)助力特性曲線如圖5所示?；局刂凭褪前凑罩μ匦郧€，提供轉(zhuǎn)向助力。

基于車速和轉(zhuǎn)向盤角速度制定的附加力矩控制策略如圖6所示。這里采用邏輯門限值控制，其特點(diǎn)是不需要建立具體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且對(duì)系統(tǒng)的非線性控制非常有效，適用于各種工況的控制［9－11］。設(shè)定附加力矩的車速門限值為50km／h和80km／h，轉(zhuǎn)向盤角速度邏輯門限值為200°／s和500°／s。I1～I(xiàn)4表示在某一車速下附加助力控制對(duì)應(yīng)最大電流，ω0和ω1分別代表兩個(gè)角速度的門限值?？梢钥闯觯寒?dāng)車速大于50km／h且角速度大于ω0時(shí)，附加力矩控制才起作用；某一車速下當(dāng)轉(zhuǎn)向盤角速度大于ω0時(shí)，隨著角速度的增大，附加力矩控制的電流增大，則比例閥電流減小，系統(tǒng)助力增大；當(dāng)角速度大于ω1時(shí)，此時(shí)附加電流達(dá)到最大，比例閥電流減到最小，系統(tǒng)提供最大的助力；在相同的角速度下，車速越大，附加力矩控制的電流越大。

圖5 不同特征車速下助力特性曲線Fig.5 Assist characteristic curves of different characteristic speeds

圖6 附加力矩控制策略Fig.6 Additional torque control strategy

ECHPS系統(tǒng)控制器在Simulink中的模型如圖7所示。輸入信號(hào)分別為駕駛員操縱力矩、車速、轉(zhuǎn)向盤角速度及閥芯位移。由駕駛員操縱力矩和車速輸入信號(hào)按照基本助力控制模式計(jì)算出目標(biāo)助力油壓，后轉(zhuǎn)化為閥芯的目標(biāo)位移，再與閥芯反饋位移比較，運(yùn)用前饋補(bǔ)償PID算法，得出閥芯理想位移，繼而得到理想電流，理想電流與附加電流疊加，最終得到比例閥控制電流。

圖7 ECHPS系統(tǒng)控制器在Simulink中的模型Fig.7 Model of ECHPS controller in Simulink

3 ECHPS系統(tǒng)性能仿真

以6120G22A大客車為研究對(duì)象，其HPS系統(tǒng)的主要參數(shù)為：前軸載荷65kN，胎壓0.8MPa，液壓泵流量18L／min，助力油缸內(nèi)徑105mm，活塞行程370mm。

3.1 不同車速下的電液比例閥響應(yīng)和助力特性

駕駛員手力正弦輸入，幅值6N·m，周期4s，得到低速（20km／h）、中速（40km／h）及高速（80km／h）下電液比例閥電流曲線及助力特性曲線，分別如圖8，9所示。

圖8 三種車速的電液比例閥電流曲線Fig.8 Current curve of electro－h(huán)ydraulic proportional valve under three vehicle speeds

圖9 三種車速的助力特性仿真結(jié)果Fig.9 Assist characteristics curves of the ECHPS system

仿真結(jié)果表明：

1）比例閥電流隨車速的增大而增大，助力隨車速的提高而逐漸減小。由于轉(zhuǎn)向阻力矩隨車速的增大而減小，因此系統(tǒng)提供的助力會(huì)隨車速的增大而減小，比例閥電流會(huì)隨車速的增大而增大；低速轉(zhuǎn)向時(shí)助力較大，滿足了轉(zhuǎn)向輕便性要求，中、高速轉(zhuǎn)向時(shí)助力較小，滿足了良好“路感”要求，有利于提高車輛操縱的穩(wěn)定性。

2）由于加入了控制策略，比例閥電流在逐漸穩(wěn)定的過程中變化小，最終在0.8s達(dá)到穩(wěn)定。

3）圖8中電流在0時(shí)刻附近較大，這一現(xiàn)象由控制模型中計(jì)算導(dǎo)致。在助力油壓到閥芯位移的計(jì)算模塊中，通過式（1）計(jì)算比例閥節(jié)流面積時(shí)，目標(biāo)油壓在0時(shí)刻為0MPa，此時(shí)，得到的比例閥節(jié)流面積最大，由此計(jì)算得到的電流也超出了實(shí)際值很多，該處仿真結(jié)果可不予考慮。

3.2 附加力矩控制仿真

假設(shè)車輛以60km／h直線行駛，突遇前方障礙物。駕駛員給方向盤施加一個(gè)力矩階躍信號(hào)，反應(yīng)時(shí)間為0.5s。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速分別為150，300和400deg／s時(shí)，比例閥閥芯位移響應(yīng)如圖10所示。

圖10 不同方向盤轉(zhuǎn)速下的閥芯位移響應(yīng)Fig.10 Spool displacement response at different rotation speed

在附加力矩控制范圍內(nèi)，即車速v＞50km／h且方向盤轉(zhuǎn)速w＞200deg／s，在某車速轉(zhuǎn)向時(shí)，隨著方向盤角速度的增大，閥芯位移逐漸減小，則比例閥旁通流量減小，使得進(jìn)入轉(zhuǎn)閥的流量增加，助力油壓增大，提高了緊急大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向下的助力跟隨性。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

將研制的電液比例閥安裝到GY110型循環(huán)球轉(zhuǎn)向器上，依次連接信號(hào)發(fā)生器、示波器、控制器及電液比例閥電磁線圈，在液壓助力轉(zhuǎn)向器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行ECHPS臺(tái)架試驗(yàn)。信號(hào)發(fā)生器模擬車速，示波器顯示實(shí)時(shí)電流，控制器包含電源模塊、車速處理模塊、CPU模塊和電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊。試驗(yàn)測(cè)得車速分別為20，40和80km／h的助力特性如圖11所示。

圖9與圖11對(duì)比得出：

1）仿真和試驗(yàn)的飽和區(qū)最大壓力及相應(yīng)的駕駛員操縱力矩一致。

2）隨著車速的提高，助力特性曲線上升幅度漸緩。低速行車轉(zhuǎn)向時(shí)，壓力能在瞬間快速上升，表示系統(tǒng)助力跟隨性較好，有利于保證低速轉(zhuǎn)向輕便性；高速行車轉(zhuǎn)向時(shí)壓力上升緩慢，有利于保證良好“路感”，防止轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”，車輛操縱穩(wěn)定性好。

圖11 3種車速的助力特性試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 The test of assist characteristics curves of the ECHPS system

5 結(jié)語

利用AMESim和Simulink軟件，建立了大客車旁通流量控制式ECHPS系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行了仿真分析。研究了ECHPS系統(tǒng)控制策略，搭建并完成了ECHPS臺(tái)架試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：助力特性曲線一致，驗(yàn)證了所建模型的正確性及所設(shè)計(jì)控制策略的有效性，且系統(tǒng)具有良好的助力跟隨性，可滿足低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性的要求，為大客車ECHPS的產(chǎn)品研究開發(fā)及應(yīng)用打下了重要基礎(chǔ)。

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