楊學(xué)平，周　明，蔣超宇，薛秀麗，鐘彥雄，陳曉萍

(云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203)

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新能源汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真與測(cè)試

楊學(xué)平，周明，蔣超宇，薛秀麗，鐘彥雄，陳曉萍

(云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203)

電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是一種直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，代表著未來(lái)新型汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向?；贚abCar環(huán)境搭建了EPS仿真測(cè)試平臺(tái)，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)創(chuàng)建了EPS仿真模型，進(jìn)行了相關(guān)模塊仿真測(cè)試。結(jié)果表明，使用LabCar測(cè)試系統(tǒng)能降低EPS系統(tǒng)的開發(fā)成本，對(duì)開發(fā)新能源汽車系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；MATLAB/Simulink；虛擬仿真；LabCar

隨著能源問題的日益突出，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。EPS以其節(jié)能、環(huán)保和主動(dòng)安全性能高等特點(diǎn)逐漸取代了傳統(tǒng)液力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是未來(lái)新能源汽車重要零部件組成之一[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)EPS系統(tǒng)的研究比國(guó)外相對(duì)落后，隨著新能源汽車的推廣，該系統(tǒng)已經(jīng)迅速成為各零部件及研發(fā)公司的研究焦點(diǎn)。EPS系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)被定為國(guó)家新型科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。而對(duì)于汽車零部件廠商而言，為保證提供不同汽車廠商眾多型號(hào)的EPS，應(yīng)在出廠之前進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試[2]；因此，一套高效的EPS虛擬測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)成為重中之重。筆者在掌握德國(guó)ETAS公司所開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)——LabCar的基礎(chǔ)上[3]，提出了一套高效的EPS虛擬測(cè)試系統(tǒng)。

LabCar是德國(guó)ETAS公司開發(fā)的硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，是一部虛擬汽車，其DEVM模型包含汽車各個(gè)子系統(tǒng)。在LabCar-EE環(huán)境下對(duì)Simulink軟件中的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以保證后續(xù)測(cè)試順利進(jìn)行，因此，研究該測(cè)試系統(tǒng)具有重要參考價(jià)值和理論價(jià)值。

1　仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1EPS工作原理

EPS的轉(zhuǎn)向動(dòng)力來(lái)源于電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的分布位置，EPS分為3類：1)轉(zhuǎn)向軸助力式(C-EPS)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸而產(chǎn)生助力；2)小齒輪助力式(P-EPS)，電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)齒輪提供助力；3)齒條助力式(R-EPS)，電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)齒條提供助力。其工作原理基本一致[4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ECU檢測(cè)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火指令后，會(huì)檢測(cè)轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器，當(dāng)汽車開始行駛轉(zhuǎn)向，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器會(huì)將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞到ECU中；當(dāng)ECU接收到信號(hào)后，根據(jù)車速傳感器的輸入計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)向特性，得到最終輸出數(shù)據(jù)；又根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)及各種轉(zhuǎn)向狀況確定用何種控制模式，同時(shí)根據(jù)控制模塊和輸出的信號(hào)來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作；減速機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的助力轉(zhuǎn)矩放大，經(jīng)機(jī)械裝置向轉(zhuǎn)向車輪提供助力轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

1.2EPS測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

仿真測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。上位機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，下位機(jī)用于運(yùn)行LabCar中DEVM模型中的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。PC機(jī)通過串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，檢測(cè)方向盤轉(zhuǎn)矩、傳感器信息等，達(dá)到測(cè)試目的。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.3電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制策略

EPS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)為：1)控制電動(dòng)機(jī)電流特性，即電動(dòng)機(jī)的電流閉環(huán)控制；2)確定電動(dòng)機(jī)助力特性，即目標(biāo)電流。EPS控制策略如圖3所示。

圖3　模糊控制策略

EPS系統(tǒng)時(shí)常要應(yīng)對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的使用環(huán)境，路況變化導(dǎo)致的方向盤抖動(dòng)、各種干擾、信號(hào)波動(dòng)及熱輻射等都會(huì)對(duì)助力轉(zhuǎn)向造成一定的干擾，故需要更精準(zhǔn)的控制程序，同時(shí)不斷地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控?；A(chǔ)的助力控制是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心控制環(huán)節(jié)，其工作過程為車輛ECU接受到各種信號(hào)(車速信號(hào)、方向盤信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào))，經(jīng)過車速與電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系而得出目標(biāo)電流，之后經(jīng)各種控制算法，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。

1.4電流與轉(zhuǎn)矩傳感器

電流傳感器用來(lái)檢測(cè)流過電動(dòng)機(jī)的電流大小，是控制系統(tǒng)中的重要反饋信號(hào)，該信號(hào)由LabCar中的ES1392板卡來(lái)模擬產(chǎn)生。轉(zhuǎn)矩傳感器有接觸式和非接觸式等2種類型，該信號(hào)由LabCar中的PB4350板卡模擬產(chǎn)生。

2　EPS測(cè)試平臺(tái)軟件開發(fā)

2.1EPS系統(tǒng)MATLAB/Simulink模型

根據(jù)基本助力控制和回正阻尼控制模式下的目標(biāo)電流，搭建出目標(biāo)控制模塊(見圖4)。

圖4　模糊測(cè)試模塊

在目標(biāo)電流確定后，利用PID對(duì)目標(biāo)電流進(jìn)行整合，改善目標(biāo)電流在各種狀態(tài)下的響應(yīng)性及穩(wěn)定性。封裝后的PID控制模塊與整合后的目標(biāo)電流模塊加載組合連接，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，連接EPS系統(tǒng)得出系統(tǒng)仿真模型(見圖5)。

2.2LabCar模型連接

LabCar硬件主要由仿真主控機(jī)RTPC、操作PC機(jī)和輸入輸出硬件組成。仿真主控機(jī)RTPC用來(lái)加載、運(yùn)行和計(jì)算物理汽車模型；操作PC機(jī)用來(lái)

圖5　EPS系統(tǒng)仿真模型

安裝LabCar軟件，及在操作PC機(jī)上使用用戶界面控制LabCar測(cè)試過程。

LabCar的軟件部分主要用來(lái)修改與創(chuàng)建仿真模型(EPS)，對(duì)LabCar實(shí)時(shí)過程進(jìn)行調(diào)控，調(diào)整與排序仿真測(cè)試過程中出現(xiàn)的每一個(gè)信號(hào)，以及根據(jù)操作人員的需求來(lái)設(shè)置LabCar硬件的驅(qū)動(dòng)。

LabCar實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)部的軟件庫(kù)可以完成將Simulink模型從系統(tǒng)建模、分析到實(shí)時(shí)仿真的整個(gè)過程。具體流程如下：1)利用MATLAB/Simulink將EPS轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型；2)連接各數(shù)學(xué)模型模塊，創(chuàng)建整個(gè)EPS系統(tǒng)仿真模型；3)將仿真模型加載到LabCar-DEVM中(LabCar軟件能與Simulink無(wú)縫對(duì)接)；4)對(duì)相應(yīng)工況進(jìn)行測(cè)試仿真。

3　仿真及結(jié)果

助力特性是指電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩隨著方向盤力矩和行駛車速的變化規(guī)律，習(xí)慣用助力特性曲線來(lái)描述。良好合適的助力特性曲線決定了EPS轉(zhuǎn)向能力的好壞。常見的助力曲線有3種類型：直線型、折線型和曲線型。不同車速行駛時(shí)輪胎的作用力點(diǎn)不同，當(dāng)高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向力矩相對(duì)??；反之，轉(zhuǎn)向力矩需求大。由此可知，車速的變化引起了轉(zhuǎn)向力矩的改變。同理，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力也隨著車速的改變而改變[5]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本特性是轉(zhuǎn)向靈敏度高，且具有輕便性。選取車速為0時(shí)，模擬原地轉(zhuǎn)向工況，有助力和無(wú)助力時(shí)方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩變化情況如圖6所示。

圖6　EPS助力效果

從圖6可明顯觀察到，在同一轉(zhuǎn)向角度下，有助力轉(zhuǎn)向需求更小的轉(zhuǎn)向輸入轉(zhuǎn)矩；有助力轉(zhuǎn)向比無(wú)助力轉(zhuǎn)向更具有輕便性。

提供助力控制是隨著車速和力矩的變化而變化，車速越小，助力力矩越大，原地轉(zhuǎn)向時(shí)助力力矩最大，保證了低速轉(zhuǎn)向的輕便；車速越大，助力力矩越小，路感越好，保證了高速轉(zhuǎn)速的操縱穩(wěn)定性。

任意車速感應(yīng)下的助力曲線，可以根據(jù)EPS不同工作環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變化規(guī)律。隨著汽車速度發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)的助力特性發(fā)生變化。在實(shí)際路況中，隨著車速的升高，電動(dòng)機(jī)的助力特性應(yīng)減小(見圖7)，這樣才能保證安全性。

圖7　助力特性曲線

4　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，設(shè)計(jì)了基于LabCar的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，并對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本特性進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，所搭建的測(cè)試平臺(tái)具有良好的可行性，應(yīng)用方便，為進(jìn)一步開發(fā)研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。

[1] 李偉，張德明. 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向虛擬測(cè)試系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007,15(3)：316-318.

[2] 李彬.汽車EPS控制器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 劉新磊，程增木.基于MATLAB/Simulink的純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)開發(fā)方法研究[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016,1(3)：1-6.

[4] 何華.基于dSPACE的汽車電動(dòng)式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[5] 肖柏青.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與助力控制策略仿真分析[J].北京汽車，2013(2)：25-28.

責(zé)任編輯鄭練

Simulation and Testing of Electric-power-assisted Steering System of New-energy Vehicle

YANG Xueping, ZHOU Ming, JIANG Chaoyu, XUE Xiuli, ZHONG Yanxiong, CHEN Xiaoping

(Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology, Kunming 650203, China)

Automobile electric power steering (EPS) is the superior technique which supplies power to steering system of automobile with motor directly. And it has become the sign of future development direction of high technique of automobile. A platform of the electric-power-assisted steering system of testing and simulating is established based on LabCar. The simulation model of EPS has been established based on MATLAB/Simulink and the related modules have been tested. The test results show the cost of development of EPS has been reduced by LabCar systems. This method can improve high practical value for developing of new energy automotive systems.

EPS, MATLAB/Simulink, simulation, LabCar

TK 422

A

楊學(xué)平(1987-)，男，碩士研究生，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)等方面的研究。

周明

2016-04-22