王慧然, 黃 鶴, 羅家亮

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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基于Labview-RT和CarSim的EPS硬件在環(huán)試驗臺開發(fā)與仿真研究

王慧然, 黃 鶴, 羅家亮

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章以電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering,EPS)硬件在環(huán)試驗臺為研究對象,對傳統(tǒng)方法中使用二自由度車輛模型建立的試驗臺進(jìn)行了介紹,并提出采用CarSim軟件提供的二十七自由度車輛模型建立硬件在環(huán)試驗臺?；贑arSim軟件建立的試驗臺使用Labview軟件并以PXI實時系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境,采用伺服電機(jī)模擬轉(zhuǎn)向阻力矩。試驗結(jié)果表明,該試驗臺有更好的試驗效果,可以模擬出車輛在不同工況下運(yùn)行的自回正效果,為EPS控制策略開發(fā)提供了良好的試驗平臺。

硬件在環(huán);試驗臺;轉(zhuǎn)向阻力矩;伺服電機(jī)；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)

在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering,EPS)的開發(fā)中,實車試驗是必不可少的一個環(huán)節(jié),但實車試驗的風(fēng)險大、費(fèi)用高,而硬件在環(huán)仿真在沒有原型車的情況下依然可以進(jìn)行參數(shù)研究、性能預(yù)測、問題識別以及策略建議[1]。因此研制具有高精確度的硬件在環(huán)試驗臺對EPS控制器的開發(fā)有著至關(guān)重要的作用[2]。文獻(xiàn)[1]在EPS控制系統(tǒng)研究中使用了CarSim搭建的EPS硬件在環(huán)試驗臺,但其對試驗臺的有效性未做進(jìn)一步說明;文獻(xiàn)[3-4]設(shè)計了基于磁粉加載器的電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺測試系統(tǒng),但對EPS硬件在環(huán)試驗未做更深的研究;文獻(xiàn)[5]中使用了基于彈簧加載的硬件在環(huán)試驗臺,這種加載方式不能隨著車輛的轉(zhuǎn)向狀態(tài)進(jìn)行實時調(diào)整,很難對EPS的控制策略進(jìn)行有效的驗證;文獻(xiàn)[6-8]所設(shè)計開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向器硬件在環(huán)仿真試驗平臺都是基于伺服電機(jī)加載的,在EPS總成輸入端增加了伺服電機(jī)加載裝置,都側(cè)重于EPS的助力特性測試,在車輛的自回正狀態(tài)以及EPS硬件在環(huán)測試方面未做試驗驗證。

從上述文獻(xiàn)可知,EPS硬件在環(huán)試驗臺的傳統(tǒng)方法大多采用自行建立的車輛模型和輪胎模型對轉(zhuǎn)向反作用力矩進(jìn)行求解,其試驗精度不高。

為了能夠?qū)崟r地模擬出車輛自回正狀態(tài)以及使EPS助力和回正硬件在環(huán)試驗具有更高的精度,本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,提出了選用CarSim提供的二十七自由度車輛模型,并聯(lián)合Labview-PXI實時系統(tǒng)建立能夠模擬輪胎自回正力矩的EPS硬件在環(huán)試驗臺,同時與用二自由度車輛模型(傳統(tǒng)方法之一)建立的試驗臺進(jìn)行了對比試驗。

利用二自由度車輛模型建立的試驗臺根據(jù)Fiala輪胎模型求出輪胎的自回正力矩。利用CarSim車輛模型建立的試驗臺將CarSim里面的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用實際的EPS系統(tǒng)替換,試驗人員通過觀察CarSim里面的實時車輛動畫來操縱轉(zhuǎn)向盤,CarSim里面運(yùn)行的車輛根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向信號做出相應(yīng)的調(diào)整,并根據(jù)CarSim提供的輸出參數(shù)求出作用在EPS管柱下端的反作用力矩。兩者最終都通過伺服電機(jī)模擬出作用在EPS管柱下端的轉(zhuǎn)向阻力矩。

試驗結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)方法建立的試驗臺,使用CarSim模型建立的試驗臺可以更好地模擬出車輛運(yùn)動狀態(tài),為EPS控制策略的開發(fā)提供了更加有效的試驗平臺。

1 EPS試驗臺原理

汽車轉(zhuǎn)向時,在轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩一定的情況下,路面作用于輪胎等效至轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)矩決定了電動機(jī)作用在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的助力轉(zhuǎn)矩,即路面作用于兩前輪回正力矩之和決定了助力力矩[9]。因此,在EPS提供助力時,輪胎的自回正力矩表現(xiàn)出阻力的作用;在車輛回正時,輪胎的自回正力矩表現(xiàn)出助力的作用。這就決定了在EPS硬件在環(huán)仿真中,最重要的是準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向反作用力矩。本文在轉(zhuǎn)向反作用力矩計算上采用了作為對比的二自由度車輛模型與CarSim車輛模型2種方法,試驗臺信號框圖如圖1所示。

圖1 試驗臺信號框圖

1.1 用二自由度車輛模型建立的試驗臺

使用二自由度車輛模型的試驗臺,需借助于輪胎模型對輪胎的自回正力矩進(jìn)行求解。假定汽車只做平行于路面的平面運(yùn)動,簡化的兩輪車二自由度模型[10]如圖2所示,其動力學(xué)方程為:

(1)

(2)

圖2 二自由度車輛模型

圖2中,δf為前輪轉(zhuǎn)角;ωr為橫擺角速度;Fy1、Fy2為前、后輪所受到的側(cè)向力大小;α1、α2為前、后輪的側(cè)偏角;v、u分別為質(zhì)心處速度v1在y、x軸上的分量大小;β為質(zhì)心處車速與汽車縱軸線的夾角;a、b為前后軸到汽車質(zhì)心間距離;Iz為車身繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量。前、后輪的α1、α2由幾何關(guān)系可得:

(3)

利用參數(shù)較少且能反映出輪胎非線性特性的Fiala輪胎模型求出輪胎所受側(cè)向力以及氣胎拖距產(chǎn)生的回正力矩,即

(4)

(5)

(6)

將(6)式帶入(5)式求出Tp值,根據(jù)求出的Tp值可以求出轉(zhuǎn)向小齒輪的轉(zhuǎn)向力矩Tr的值,即

(7)

Tm=Fy1tm

(8)

其中,N為轉(zhuǎn)向軸到前輪的傳動比;Msz為重力引起的回正力矩;Tf為轉(zhuǎn)向系摩擦力矩;σ(t)為與路面有關(guān)的干擾函數(shù);tm為機(jī)械拖距。Msz、Tf和σ(t)可以根據(jù)文獻(xiàn)[11]的方法求得。用二自由度車輛模型建立的試驗臺信號流程見圖1虛線部分,在Labview里面將轉(zhuǎn)向力矩Tr的值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號,通過伺服電機(jī)作用在EPS管柱下端。

1.2 用CarSim建立的試驗臺

使用CarSim車輛模型的試驗臺選用了實際EPS轉(zhuǎn)向管柱和CarSim車輛模型相結(jié)合的方式,如圖3所示。將CarSim里面的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)定為純機(jī)械式轉(zhuǎn)向,將待測的EPS系統(tǒng)加入到該模型中。

圖3 試驗臺(CarSim)系統(tǒng)簡圖

為了減小轉(zhuǎn)角輸入的誤差,考慮到待測EPS轉(zhuǎn)向管柱的扭轉(zhuǎn)性質(zhì),本文不采用待測EPS轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角直接輸入,而采用轉(zhuǎn)向管柱下端的輸出轉(zhuǎn)角θca作為CarSim模型的輸入,見圖1實線部分。利用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角速度監(jiān)測功能,根據(jù)伺服控制系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)角速度求出輸出轉(zhuǎn)角θca的值。雖然CarSim里面的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已設(shè)定為機(jī)械式轉(zhuǎn)向,但CarSim轉(zhuǎn)向盤組件仍然存在,因此在試驗時需要考慮CarSim里面轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼等動態(tài)特性。因為CarSim軟件自身的設(shè)定,在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩?zé)o法提取,所以本文選用CarSim里面轉(zhuǎn)向小齒輪作用在轉(zhuǎn)向管柱上的反作用力矩Tr。因此有:

(9)

其中,Tca為CarSim中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩;θca、Jca、Bca分別為CarSim中轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動慣量、阻尼,最終將由(9)式得出的Tca值通過Labview發(fā)送給伺服電機(jī)。

2 試驗臺硬件組成

為了能夠?qū)崿F(xiàn)實際EPS管柱與車輛模型之間信息的快速交互。本試驗臺采用了美國NI公司的PXI作為下位機(jī),高性能的工控機(jī)作為上位機(jī),下位機(jī)里嵌入了CAN卡和PCI數(shù)據(jù)采集卡,如圖4所示。

為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向阻力矩的實時模擬,試驗臺采用了型號為MDME系列、額定轉(zhuǎn)矩為9.55 N·m的D型伺服電機(jī)以及相應(yīng)的E型驅(qū)動器,該伺服控制系統(tǒng)自帶電機(jī)轉(zhuǎn)速實時檢測模塊,其通過電壓信號的形式表現(xiàn)出來。同時選用了減速比為1∶17的減速機(jī)構(gòu),從而使負(fù)載模擬裝置能夠模擬大部分乘用車轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向管柱下端所承受的轉(zhuǎn)向阻力矩。

圖4 試驗臺硬件組成圖

3 試驗臺的軟件及測試程序開發(fā)

EPS試驗臺在車輛動力學(xué)仿真上采用了CarSim仿真軟件,在數(shù)據(jù)采集上用Labview軟件,在運(yùn)行環(huán)境上采用PXI實時系統(tǒng),在伺服系統(tǒng)參數(shù)寫入方面采用松下開發(fā)的Panaterm軟件。

Panaterm軟件的使用簡化了試驗臺的操作,程序化的界面處理代替了控制面板按鈕對伺服系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定。CarSim軟件提供了二十七自由度的車輛模型,該軟件可以通過對整車參數(shù)的設(shè)定實現(xiàn)對不同車型的仿真試驗[12]。試驗時CarSim可以實時顯示車輛的運(yùn)行動畫,同時其帶有“Transfer to Labview RT”模塊,可以與Labview軟件之間進(jìn)行實時的信息傳遞。基于這2款軟件開發(fā)的硬件在環(huán)測試程序包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序和運(yùn)算程序。

3.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序

用Labview建立的數(shù)據(jù)采集程序主要包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和EPS管柱下端輸出角θca3個部分。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號由轉(zhuǎn)角傳感器以CAN信號形式發(fā)送,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號由EPS管柱自帶的轉(zhuǎn)矩傳感器以方波的形式發(fā)送,輸出角θca由電機(jī)自帶的轉(zhuǎn)角速度信號間接得到。數(shù)據(jù)發(fā)送程序主要包括如下2個模塊:

(1) 有刷電機(jī)EPS控制器工作時所需的點火信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號和車速信號發(fā)送模塊。

(2) 利用伺服電機(jī)模擬出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Tca的發(fā)送模塊。

對伺服系統(tǒng)的參數(shù)、減速機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析后,得出發(fā)送的電壓信號與EPS管柱受到的反作用力矩T之間的關(guān)系式為:

T=G1G2V

(10)

其中,G1為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出增益;G2為減速結(jié)構(gòu)的減速比;V為發(fā)送的電壓信號。

3.2 運(yùn)算程序

上述2種試驗臺在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序開發(fā)上相同,其區(qū)別主要體現(xiàn)在運(yùn)算程序模塊。用二自由度模型開發(fā)的試驗臺需在Labview里面建立整車模型和輪胎模型,最終輸出轉(zhuǎn)向力矩Tr對應(yīng)的電壓信號。

用CarSim整車模型建立試驗臺,在Labview里面開發(fā)運(yùn)算程序。運(yùn)算程序是在Labview里面導(dǎo)入CarSim整車模型,其關(guān)鍵點是對Labview里面“替換數(shù)組子集.VI”使用,在使用“Transfer to Labview RT”模塊生成的Labview初始程序中,輸入信號的信號源是CarSim模型中轉(zhuǎn)角模塊的初始值,此時需將CarSim里面原來的轉(zhuǎn)角初始賦值用“替換數(shù)組子集.VI”替換成采集生成的輸出角θca值。

4 硬件在環(huán)試驗

為了驗證所開發(fā)試驗臺的有效性,進(jìn)行了車輛轉(zhuǎn)向輕便性和回正性2個部分的試驗。在試驗臺上使用自主開發(fā)的有刷電機(jī)EPS控制器,在CarSim中設(shè)定了路面附著系數(shù)分別為0.3、0.6和0.9的1 km2試驗場地。

根據(jù)某公司某款車的參數(shù)對CarSim里面的車輛部分參數(shù)及(1)～(8)式中所使用的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,結(jié)果見表1所列。

表1 車輛部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.1 轉(zhuǎn)向輕便性對比試驗

在Labview里面設(shè)定Fiala輪胎模型中路面附著系數(shù)為0.9,在CarSim里面選擇附著系數(shù)為0.9的試驗場,在試驗臺上以車速為40 km/h進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性對比試驗,并用某公司某款車作為試驗車,在路面附著系數(shù)近似為0.9的干燥水泥路面上以40 km/h進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗,試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

由圖5可知,上述2種方法得出的試驗數(shù)據(jù)表明,用CarSim模型建立的試驗臺在轉(zhuǎn)向輕便性硬件在環(huán)試驗上與實車得出的數(shù)據(jù)更加相近,表明基于CarSim模型的試驗臺可以更好地用于EPS開發(fā)中的硬件在環(huán)試驗。

4.2 回正試驗

在用CarSim車輛模型搭建的試驗臺上進(jìn)行回正試驗。關(guān)閉控制器里面的回正控制模塊,在路面附著系數(shù)為0.9的試驗道路上分別以20、40、60 km/h的車速進(jìn)行車輛自回正試驗,試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,在相同的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下做撒手回正試驗,隨著車速的增大,轉(zhuǎn)向盤的回正殘余角變小,這是由車速增大導(dǎo)致輪胎提供自回正力矩增大引起的。

圖6 不同車速下的自回正曲線

控制器里面的回正控制模塊保持關(guān)閉狀態(tài),在路面附著系數(shù)為0.3、0.6、0.9的路面上以60 km/h進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,在路面附著系數(shù)不同的道路上進(jìn)行撒手回正試驗,隨著路面附著系數(shù)的降低,輪胎所能提供的自回正力矩減小,從而導(dǎo)致回正殘余角變大。

圖7 不同路面附著系數(shù)下的自回正曲線

開啟控制器中考慮路面附著系數(shù)的回正控制模塊。在路面附著系數(shù)為0.3的路面上以車速40 km/h進(jìn)行開啟和關(guān)閉回正控制的對比試驗。試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知,在考慮路面附著系數(shù)的回正控制策略作用下,EPS系統(tǒng)能夠改善車輛在低附著系數(shù)路面上的回正不足,減小回正時間。

圖8 有無回正控制的回正曲線

上述試驗表明,基于CarSim模型的試驗臺能夠進(jìn)行有效的硬件在環(huán)試驗,并且可以很好地模擬出不同行駛工況下的車輛自回正狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文開發(fā)了基于Labview-RT和CarSim聯(lián)合的EPS硬件在環(huán)試驗臺,試驗人員操作轉(zhuǎn)向盤,以EPS轉(zhuǎn)向管柱下端的輸出轉(zhuǎn)角作為輸入,在CarSim里面提取轉(zhuǎn)向小齒輪作用在轉(zhuǎn)向管柱上的反作用力矩,并將其換算成CarSim轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩,最終通過伺服電機(jī)模擬出EPS管柱下端受到的反作用力矩。

硬件在環(huán)試驗結(jié)果表明,使用CarSim模型的試驗臺擁有更好的試驗效果,可以模擬出不同車速和路面附著系數(shù)下的車輛運(yùn)動狀態(tài),有很好的車輛自回正模擬效果,為研究考慮路面附著系數(shù)的EPS控制策略提供了更加有效的試驗平臺。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Development and simulation research of EPS hardware-in-the-loop test platform based on Labview-RT and CarSim

WANG Huiran, HUANG He, LUO Jialiang

(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Taking the electric power steering(EPS) hardware-in-the-loop test platform as the research object, the traditional method using two degrees of freedom vehicle model is introduced, and the method using CarSim software with 27 degrees of freedom vehicle model to design hardware-in-the-loop test platform is put forward. The test platform based on CarSim software adopts the Labview software and PXI real-time system as the operating environment, and the servo motor is used to simulate the steering resistance torque. Test results show that the presented test platform has a better test effect, which can simulate the positive return of the vehicle under different conditions and provide a better platform for the development of EPS control strategy.

hardware-in-the-loop; test platform; steering resistance torque; servo motor; electric power steering(EPS)

2016-01-19；

2016-04-08

安徽省自然科學(xué)基金資助項目(1508085QE92)

王慧然(1991-),男，安徽巢湖人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 黃 鶴(1983-)，男，安徽合肥人，博士,合肥工業(yè)大學(xué)講師，通訊作者,E-mail:cranehh@sohu.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.003

U463.4

A

1003-5060(2017)07-0877-06