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基于模糊控制的汽车助力转向系统设计

2018-05-04姜虎强

机械设计与制造工程 2018年4期
关键词:小齿轮转角转矩

姜虎强

(烟台汽车工程职业学院信息与控制工程系,山东 烟台 265500)

电动助力转向 (electric power steering,EPS) 系统是一种高效的辅助转向系统,助力电机为EPS系统直接提供转向助力。EPS系统具有节能环保、装置灵活、调整简单和助力大小可以实时调节与控制等优点,减少了驾驶员的劳动量,可满足不同工况下的驾驶需要。本文对EPS系统进行分析并建立其数学模型,设计了ARM单片机控制的EPS系统,采用模糊自调整PD控制策略实现PD参数的在线自调整,仿真结果证明设计的EPS系统具有较强的抗干扰能力。

1 EPS系统

EPS系统主要包括助力电机、电子控制单元和转向装置等部件。当汽车转向轴转动时,转矩传感器将相对转角转变成电信号传给电子控制单元 (electronic control unit,ECU),ECU测算车速和转向轴转矩,计算出助力电机的旋转方向和助力电流的大小,并将控制指令传递给助力电机,助力电机依据指令产生相应的力施加到转向轴上以实现驾驶员转向操作的舒适性。当汽车低速行驶时,助力电机增加电动助力以减轻驾驶员转向操作的负担;当汽车高速行驶时,助力电机适当减小助力以保持高速转向时的稳定性。汽车EPS系统保证了汽车运行时驾驶员操作的轻便性和安全性[1]。

1.1 EPS系统硬件设计

EPS系统硬件主要包括ECU、电源电路、MOSFET驱动芯片、助力电机驱动电路、扭矩传感器等,如图1所示。为加强EPS系统的实时控制性,ECU采用32位的ARM单片机作为控制器的核心,ARM单片机集成了丰富的硬件资源,提高了系统工作的可靠性,同时也为EPS系统的扩展和升级提供了方便。

图1 系统硬件组成框图

EPS系统工作原理:ECU采集方向盘扭矩传感器的电压信号、车载CAN网络的点火信号和车速信号、电机转子位置信号和电机电流反馈信号,采集的信号经过ECU运算处理后输出PWM信号,PWM信号输入到MOSFET驱动芯片来控制由三相桥电路组成的逆变模块,逆变模块将电流逆变为三相交流电驱动电机旋转,使转向系统得以助力,从而实现助力转向功能。

1.2 助力电机控制方式

助力电机功率驱动模块为由MOS管组成的H桥驱动电路。为提高汽车高速行驶时助力电机工作的可靠性,在控制死区范围内进行阻尼控制以提高汽车直线行驶的稳定性。图2为汽车高速行驶时的助力电机驱动电路,通过驱动芯片IR2132控制桥式电路开关的通和断来实现对电机的控制。实验数据得出:EPS系统中助力电机电枢的电感很小,改变电枢的占空比可改变阻尼转矩的大小;设计PWM驱动电路时可在助力电机两端并联缓冲电容和续流二极管,以大幅度抑制助力电机驱动电路的脉峰,降低系统损耗,提高系统的可靠性和安全性。

图2 助力电机驱动电路

2 EPS系统建模

在进行系统建模时, 为使系统仿真模型简单实用,对研究的EPS系统进行等效简化,在转向轮处于小转角条件下建立EPS系统动态模型,所构建的基于Simulink的EPS系统模型如图3所示。

图3 EPS系统模型

助力电机到转向轴的传动比为G1,从转向轴到前轮的传动比为G2,对转向小齿轮进行受力分析,引用文献[2]的数学模型,得到转向小齿轮的动力学方程为:

(1)

式中:Th为路面作用于小齿轮轴的扭矩;δ1为转向小齿轮转角;θh为方向盘转角;Ks为传感器的扭转刚度;Br为当量阻尼系数;J为折算到小齿轮上的总惯性矩;Text为路面作用于转向小齿轮的转矩。

(2)

式中:Ka为电机扭矩系数;R为电机电枢电阻;Kb为反电动势常数;V为助力电机电压。

EPS模糊控制器如图4所示,由1个PD控制器和1个模糊自调整机构组成,模糊自调整机构根据输入信号在线整定PD控制参数,以优化控制效果[3]。

图4 EPS模糊控制器

(3)

式中:Jep为小齿轮的总惯性矩;Ks为传感器的扭转刚度;B1为系统当量摩擦系数;θp为转向小齿轮转角;Kd为PD控制器的微分系数;Kp为PD控制器的比例系数;i1为减速机构减速比。

表1 模糊控制规则

3 系统仿真与实验分析

运用仿真工具MATLAB运行系统的Simulink模型。从优化迭代过程和系统仿真结果得出结论:随着系统的优化,对系统的控制逐渐达到最优状态;在最优设计变量处,EPS控制系统的操纵稳定性也最好。

3.1 系统稳定性仿真测试

为研究EPS系统的助力特性及系统的轻便性与路感性,结合EPS系统动力学模型建立其仿真模型,如图5所示。该模型以车速和转向轴力矩作为输入量,根据转向轴输入力矩和车速信号运算得出目标电流,采取PD控制方法对目标电流进行控制,得出控制电压。

在仿真试验环境下,设定车速分别为80km/h、75km/h、65km/h,迅速旋转方向盘,分析传感器采集的数据,得出高速行驶状态下的控制系统响应结果,见表2。汽车在高速行驶状态下,车体侧偏角控制在3°左右,侧向加速度为3m/s2左右,横摆角速度增益较大,保持在0.4左右,减少了方向盘回正过度的现象,控制器性能可满足汽车转向系统的动力学特性,系统稳定性良好。

图5 电动助力转向系统仿真模型

表2 汽车转向控制系统高速响应结果

3.2 转向轻便性分析

本文分别进行了两种情况下的助力仿真——无助力和加助力仿真试验。试验条件为车速v=40km/h、转向轴正弦角幅值为400°,仿真结果如图6所示。从图中可以看出,进行助力控制后,减少了转向轴上的转矩;大转角转向时(图中为300°)转向轴转矩稳定,维持在4N·m不变,进一步改善了转向系统的操控性;转矩与转向轴转角之间无相位延迟,转向轴转矩变化无波动,其瞬态响应逐渐趋于稳定,提高了系统的实时响应性[4]。

4 结束语

本文以ARM单片机为核心构造EPS控制系统,采用PD算法对助力电机进行闭环控制,提高了电机驱动效率,保证了电机的运行可靠性。EPS控制器的模块化设计提高了控制系统的可靠性,引入模糊控制策略,较好地解决了转向系统的轻便性与灵敏性的矛盾。试验结果表明,本文设计的EPS控制系统实时响应快,抗干扰能力强,达到了汽车行驶的安全性要求。

图6 转向轻便性仿真

参考文献:

[1] XIONG Jianqiao,TANG Xiaoqi,CHEN Jihong.A fuzzy control in electric power steering system[C]//Seventh International Conference on Intelligent Systems Design and Applications.Rio Janeiro,Brazil: IEEE, 2007:240-241.

[2] 赵景波,陈龙,江浩斌.汽车电动助力转向控制器驱动电路可靠设计[J].农业机械学报,2008(11):24-25.

[3] 陈无畏,王启瑞.电动助力转向系统的模糊自调整PD控制[J].江苏大学学报,2004(2):113-114.

[4] 申荣卫,林逸,台晓虹,等.汽车电动助力转向系统转向轴转矩直接控制策略[J].吉林大学学报,2007(3):505-506.

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