基于AMESim的EHPS系统的仿真及试验研究

王乔

(重庆交通大学，重庆 400074)

基于AMESim的EHPS系统的仿真及试验研究

王乔

(重庆交通大学，重庆 400074)

基于AMESim软件建立了电动液压助力转向(EHPS)系统的仿真模型，制定控制策略、导入样机参数运行仿真，仿真结果证明该EHPS系统可使车辆低速行驶转向时转向轻便以及高速行驶转向时有合适的路感反馈。结合仿真结果，搭建试验台架并进行试验，证明台架试验与仿真结果一致。

电动液压助力转向系统；AMESim仿真；试验台架

0 前言

电动液压助力转向(Electro-Hydraulic Power Steering,EHPS)系统由传统机械液压助力转向(Hydraulic Power Steering,HPS)系统的基础上发展而来，不同于HPS系统，它使用电机驱动油泵工作，并增加了控制单元，从而获得了更好的控制性能。克服了HPS系统助力特性单一、能量损耗大的缺点，在近年来得到了广泛应用[1]。

文中使用AMESim多学科领域复杂系统建模仿真软件，基于已开发的EHPS系统样机参数，搭建了EHPS的仿真模型，同时，搭建了EHPS试验台架，将仿真结果与台架试验结果进行了对比研究。

1 EHPS系统建模

EHPS系统由控制器、电动泵、扭杆、转向控制阀、助力缸、储油罐及油管等部件组成。AMESim软件元件库中提供了丰富的元件，EHPS系统大部分部件可在元件库中直接得到，对于较为复杂的部件，需建立数学模型并通过AMESim超级元件功能生成。

1.1 扭杆及转向控制阀

系统使用转阀式转向控制阀。车辆转向时，转向盘转动使扭杆产生变形，带动阀体绕其轴线转动，改变连接助力缸左右腔开口的过流面积，从而控制油液流量，在助力缸左右腔建立压力差。

基于转阀工作原理，可采用类似惠斯通电桥的等效模型来仿真转向控制阀，采用4个受控节流阀元件替代转阀进油与回油开口，控制流入与流出助力缸的油液流量，如图1所示。

车辆转向时，转向盘输入转矩使扭杆产生变形，带动转阀转动，从而使连接助力缸一侧油腔开口的过流面积减小，连接另一侧油腔开口的过流面积增大。根据薄壁小孔节流公式，不计过流面积增大的开口的节流作用，可得到助力油压Δp计算公式：

(1)

式中:ρ为液压油动力黏度，Q为转阀进油孔进油流量，n为转阀阀口数，φ为扭杆形变角度，S(φ)为阀口过流面积[2-3]。

转阀阀口过流面积S(φ)的变化特性与转阀刃口类型及加工参数有关，该EHPS系统采用长坡口转阀，其阀口过流面积与转阀绕其轴线转角的关系如图2所示。

1.2 电动泵

区别于传统液压助力系统，电动液压助力转向系统由电机驱动油泵工作。系统采用有刷直流电机，其电机参数和液压泵参数之间存在定量关系。

电动泵流量Q与电枢电压U关系为：

(2)

电机输出力矩T与电枢电流Ia的关系为：

T=CT×Φ×Ia

(3)

式中：Ce,CT和Φ为与电机有关的常数。

为使系统在起制动的动态过程中，在最大的电流约束条件下获得直流电动机最佳速度调节过程，需对希望获得最佳控制的物理量都实行负反馈控制，故采用转速-电流双闭环控制方法进行电机调速[4-5]。

1.3 转向阻力矩

按转向阻力矩产生机制的不同，车辆转向阻力矩可分为原地转向阻力矩和行驶转向阻力矩。

原地转向时，考虑轮胎接地印记的实际情况以及重力回正力矩和转向系统内摩擦，总的转向阻力矩换算到转向盘时，可用下式计算：

(4)

式中:Mf为折算到转向盘上的转向系统内摩擦力矩，Mkptf为折算到主销上的轮胎与路面的滑动摩擦力矩，MkpFz为折算到主销上的重力自回正力矩，ig为转向系统角传动比。

车辆原地转向时，轮胎与路面之间的滑动摩擦力矩占主导因素，而在行驶过程中，转向阻力矩主要由作用与轮胎上的六分力产生，行车时转向阻力矩折算到转向盘上时的转向阻力矩可用下式计算：

(5)

式中：Mf为转向系统内摩擦力矩，Mkp为轮胎六分力在主销轴上的投影，ig为转向系统角传动比[6]。

2 助力转向控制策略的制定

汽车转向系统需具有两项基本功能：一是供驾驶员用来控制汽车运动方向；二是供驾驶员用来感受车辆与地面之间的受力及车辆的运动状况，即获得“路感”，路感一般通过转向盘反馈给驾驶员的转向力矩的变化来度量。

为使驾驶员在不同车速下都能获得清晰良好的路感，需设计可变助力特性，即原地转向时助力系统提供更多助力，使转向轻便；中速行驶时，随着车速的增加，转向时所需转向盘转角逐渐减小，所需转向力矩也逐渐减小，助力系统提供的助力应该逐渐减小，从而在保证转向轻便的同时保持合适的转向路感；高速行驶时，转向盘大部分时间处于中间位置，此时为了保证合适的路感和操纵稳定性，要求转向助力系统提供的助力进一步减小[7]。

基于理论设计并配合实车试验，可得到车速、转向盘转速和电机转速三者间的对应关系表格，通过插值算法即可得到EHPS系统转向控制策略，见图3。

3 仿真结果及分析

基于以上EHPS系统各部分数学模型的研究，在AMESim软件中搭建系统各部分仿真模型，同时导入课题组开发的SORKT01-02M01电动转向泵样机参数，具体参数如表1所示。

将系统各部分组合，得到最后总体仿真模型如图4所示。

设定转向盘转速为匀速10 r/min，单向行程300°，运行仿真，得到EHPS系统助力特性曲线及转向盘输入力矩与转向盘转角关系曲线。

图5为车辆在原地、中速和高速情况下经仿真生成的助力特性曲线。仿真结果显示：原地转向时，同一转向盘输入力矩下转向器助力输出最大，这表明此时完成转向过程所需驾驶员手力最小，符合低速下转向轻便的要求；随着车速的升高，转向器助力输出逐渐减小，说明在高速时转动转向盘需要更大的驾驶员手力，提升了路感，保证了驾驶员行车安全。同时，由于采用了转角控制，助力特性曲线中存在助力死区，在这一区域内，转向器不助力或仅输出极小助力，增强了汽车的直线行驶性能。

图6为车辆在原地、中速和高速情况下经仿真生成的驾驶员手力与转向盘转角的关系曲线。仿真结果显示：随着车速的提高，转向盘转过同一角度所需的驾驶员手力逐渐升高，进一步说明了EHPS系统符合低速时转向轻便、高速时路感清晰的要求。

4 台架试验及结果分析

EHPS试验台架由控制器、电动泵总成、测力方向盘总成、液压油路以及负载弹簧等结构组成。其中，负载弹簧采用实车前悬架弹簧，液压油路采用实车液压油管，同时在电动泵高压油管回路中串入压力、流量及温度传感器，监测系统运行状态，并采用IMC采集仪对传感器信息进行采集，便于数据分析。

图7为试验台架整体结构。

采用与仿真运行时相同的转向盘输入，得到台架实验结果。

图8为出油口油压与转向盘转角的关系曲线，图9为车辆在原地、中速和高速情况下转向盘输入力矩与转向盘转角的关系图线。考虑到人转动方向盘时的操作误差及实际系统液压油路泄油误差，可认为台架实验结果与仿真结果基本一致。

5 结论

基于现有EHPS系统参数，结合对EHPS各组成结构的数学模型分析，在AMESim软件中建立了仿真模型。通过引入EHPS控制策略并进行仿真，得到了助力转向器的助力特性曲线和手力矩与转向盘转角的关系曲线。结合仿真结果，搭建EHPS试验台架进行实验，与仿真结果进行对比验证，表明该仿真模型的数学模型和仿真算法是正确的、符合实际的。同时，通过对EHPS系统控制策略的仿真验证，为EHPS系统台架及实车的设计与验证提供了参考。

【1】王豪,丁润涛,李志杰,等.电动液压助力转向系统仿真[J].天津大学学报,2008,41(5):627-630.

【2】郭晓林,季学武,陈奎元.流量控制式ECHPS系统转阀结构参数优化设计[J].农业机械学报,2009,39(11):26-29.

【3】高峰,刘亚辉,季学武,等.电控液压助力转向系统的初步匹配计算[J].北京航空航天大学学报,2007,33(5):605-607.

【4】黄勇,陈全世,仇斌,等.电动汽车电动液压式动力转向系统的控制[J].公路交通科技,2005,22(10):147-150.

【5】Kokotovic V V,Grabowski J,Amin V,et al.Electro Hydraulic Power Steering System[R].SAE Technical Paper,1999.

【6】吕英超.PMSM EPS控制策略的研究[D].北京：清华大学,2011.

【7】刘亚辉,季学武.汽车动力转向系统可变助力特性的设计[J].汽车工程,2010(3):238-243.

丰田策略调整更注重汽车设计和操作性

丰田新全球架构战略强调继续保持汽车的标准化生产，但是会更加注重汽车的设计以及操作性。丰田新的生产平台将使用节能发动机和坚固的轻质框架，专家预计这些新特性将在第四代普锐斯混动车上体现出来。

同时，通过整合车型系列的生产和研发，丰田计划将新车生产的成本削减20%。丰田准备利用零件共用来减少制造工艺的复杂性，以降低资本投入。据丰田表示，这些改变将使建设新工厂的资本投入减少至少40%。丰田还表示，新一代发动机的燃油经济性将提高25%，并比当前发动机提供多15%的动力。升级版的普锐斯也将采用新的混合动力系统。

(来源：互联网)

SimulationandExperimentStudyofElectro-HydraulicPowerSteeringSystemBasedonAMESim

WANG Qiao

(Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

A model of electro-hydraulic power steering (EHPS) system was established by using the AMESim software,and the assistance law was developed,imported the parameters of prototype to run simulation.The results show that the EHPS system can make the vehicle steer light in low speed and have positive road feel in high speed.Combined with the results of simulation,a test bench was built.The bench test results was coincide with the simulation.

Electro-hydraulic power steering；AMESim simulation；Test bench

2015-02-09

王乔(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为电动液压助力转向系统。E-mail：qieziqiao@outlook.com。