杜 鵬，郭驚宇，田 江，張寶平，韓 龍，李宇鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安710200）

0 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡稱EPS）是由電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它最早出現(xiàn)在日本，是一種新的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，正越來越多的受到各國車輛制造業(yè)的重視。系統(tǒng)主要由車速傳感器、扭矩傳感器、電機(jī)、減速機(jī)和電控單元組成。EPS系統(tǒng)可以在需要轉(zhuǎn)向時(shí)啟動(dòng)電機(jī)助力，減少車輛的燃油消耗；可以在各種行駛工況下提供最佳的轉(zhuǎn)向新助力；減小由路面不平引起的對(duì)轉(zhuǎn)向系的擾動(dòng)，改善車輛的轉(zhuǎn)向特性，提高車輛的主動(dòng)安全性[1]。

目前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向已經(jīng)普遍應(yīng)用，多采用的是理論計(jì)算，在算法的精度上很難滿足設(shè)計(jì)要求。本文應(yīng)用ADAMS軟件，建立了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用EPS系統(tǒng)助力扭矩PID控制方法，對(duì)方向盤角階躍輸入下的車輛，進(jìn)行了配置EPS和未配置EPS的控制系統(tǒng)仿真分析[2]。

1 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

在ADAMS/View環(huán)境下，建立了某乘用車懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎和車身的模型，如圖1所示為車輛模型。輪胎模型采用側(cè)偏特性理論模型，根據(jù)輪胎特性參數(shù)，可以在ADAMS/View中編制輪胎屬性。車輛模型的約束副如表1所示。

圖1 車輛模型

表1 車輛模型的約束副

2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型

2.1 EPS控制原理

EPS的控制策略分為三個(gè)步驟：

（1）通過車速傳感器得到車輛的車速信號(hào)，通過扭矩傳感器得到方向盤的扭矩信號(hào)；

（2）根據(jù)車速和方向盤扭矩，計(jì)算得到電機(jī)的目標(biāo)控制電流；

（3）通過電機(jī)電流控制器控制電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩。

2.2 ADAMS與Simulink的聯(lián)合仿真

利用MATLAB/Simulink建立助力電機(jī)控制模型，與在ADAMS中建立的車輛車輛模型構(gòu)成如圖2所示的聯(lián)合仿真控制模型。其中ADAMS_SUB中包含了所建立的車輛模型的信息，與Simulink模型建立接口。輸入量為助力扭矩，輸出量為方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、車速信號(hào)和側(cè)向加速度信號(hào)。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 力特性分析

保持車速穩(wěn)定在15 km/h，給方向盤添加一個(gè)轉(zhuǎn)向扭矩，使方向盤在0.2 s內(nèi)發(fā)生150°的轉(zhuǎn)角。仿真結(jié)果如圖3所示，配置EPS后方向盤的輸入扭矩在1.07 N·m上下波動(dòng)，與未配置EPS時(shí)的方向盤的輸入扭矩相比較減小了0.28 N·m?？梢钥闯鲕囕v具有EPS后，方向盤輸入扭矩較小，波動(dòng)范圍比沒有EPS減小很多，對(duì)方向盤的力特性有很好的改善。

圖3 方向盤扭矩響應(yīng)曲線

3.2 瞬態(tài)響應(yīng)特性分析

車輛分別保持在 30 km/h、60 km/h、90 km/h 的車速下穩(wěn)定行駛，分別給方向盤施加100°的轉(zhuǎn)角，得到車輛的橫擺角速度如圖4、5所示，分別為未配置EPS和配置EPS時(shí)的車輛橫擺角速度信號(hào)。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)車速為30 km/h時(shí)，橫擺角速度很快趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為3.15 deg/s，與未配置EPS時(shí)相比，穩(wěn)定值減小0.12 deg/s。當(dāng)車速為60 km/h時(shí)，與未配置EPS時(shí)相比，橫擺角速度的上升時(shí)間延長了0.13 s，峰值時(shí)間減小了0.04 s，最大超調(diào)量減小了0.49%，峰值減小了0.38 deg/s，穩(wěn)定值減小了0.05 deg/s，調(diào)整時(shí)間縮短了0.7 s。當(dāng)車速為90 km/h時(shí)，與未配置EPS時(shí)相比，橫擺角速度的上升時(shí)間增大了0.05 s，峰值時(shí)間減小了0.18 s，最大超調(diào)量減小了0.16%，峰值減小了0.67 deg/s，穩(wěn)定值減小了0.3 deg/s，調(diào)整時(shí)間延長了1.65 s。

圖4 未配置EPS的車輛橫擺角速度信號(hào)

圖5 配置EPS的車輛橫擺角速度信號(hào)

綜上所述，配置EPS后車輛在低速情況下橫擺角速度穩(wěn)定值影響不明顯；中速情況下橫擺角速度的超調(diào)量明顯減小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)很小；高速情況下橫擺角速度的超調(diào)量減小更多，進(jìn)入后基本沒有波動(dòng)。由此可見，EPS對(duì)低速工況下的車輛瞬態(tài)響應(yīng)影響不大，對(duì)中、高速下狀況下的車輛的瞬態(tài)響應(yīng)有明顯的改善。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用虛擬樣機(jī)軟件 ADAMS和 Matlab/Simulink，建立了包括車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車身和輪胎在內(nèi)的車輛模型，真實(shí)的模擬了車輛在方向盤角階躍輸入條件下的操縱穩(wěn)定性，為車輛的操縱穩(wěn)定性分析提供了一種可行的方法。

（2）在方向盤角階躍輸入下，配置EPS和未配置EPS的車輛方向盤力特性仿真結(jié)果表明：車輛具有EPS后，方向盤輸入扭矩小，波動(dòng)范圍比沒有EPS減小很多，對(duì)方向盤的力特性有很好的改善。

（3）EPS對(duì)低速狀況下的車輛方向盤角階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)影響不大，對(duì)中高速狀況下的瞬態(tài)響應(yīng)有改善的明顯。