２０２０年５月
青岛大学学报(工程技术版)
JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)
Vol．３５No．２
May２０２０
():/文章编号:１００６９７９８２０２００２００９７０７;DOI１０．１３３０６．１００６９７９８．２０２０．０２．０１５j
基于模型设计的电动助力转向系统策略研究
(青岛大学机电工程学院,山东青岛２北京九州华海科技有限公司,北京１１．６６０７１;２．０００００;
)青岛三星精锻齿轮有限公司,山东青岛２３．６６０００/对基于模型设计的电动助力转向系统策略进行研究.通过SMPC５６３４主控芯片,imulinkStateＧ
回正控制策略及阻尼控制策略的仿真模型,通过功能性和结构性测试之flow搭建助力控制策略、,后,自动生成嵌入式C代码,通过软件在环(进行仿真测试,并通过实车softwareinＧtheＧlooSIL)p
标定试验和转向试验,验证电动助力转向系统控制策略的有效性.试验结果表明,在车辆怠速工况下,开启电动助力转向系统时,转矩传感器的转矩信号与关闭电动助力转向系统时转矩传感器的转矩信号相比,转矩传感器输出的最大转矩信号AD值由２转矩差值由助力电机提供的１０降至１７４,转矩弥补,说明所开发的电动助力转向系统具有较明显的助力效果,能够满足设计需求.该研究具有较好的应用前景.
关键词:电动助力转向系统;电子控制单元;控制策略;性能试验中图分类号:U４６３．４;U４６１．６
文献标识码:A
摘要:为兼顾车辆转向轻便性和操纵稳定性,并提高车辆的燃油经济性,本文采用恩智浦３２位
刘世杰１,严天一１,贾兆功１,陆金更２,林 军３
保证车辆可以按照驾驶员意图进行转向行驶,其性 车辆转向系统作为改变或恢复行驶方向的专设机构,
]１２]、能直接影响操纵稳定性[乘坐舒适性[和安全性.随着汽车电子控制技术的发展,传统的机械转向系统已
３]
.电动助力转向系统作为一种新型助力转向系统,发展到更加智能化的电动助力转向系统[能够根据驾驶５]
相关研究机构对电动助力转向系统及其控制技术展开研究.李绍松等人[通过无转角传感器的主动回正控]６制方法,改善了车辆回正性能;施国标等人[介绍了电动助力转向系统的匹配设计过程,提出助力特性与车７]型的匹配原则;吴锋等人[分析了电流闭环PI控制器的参数设计和电流给定算法设计与系统性能的关系.]４
.近年来,员意图和行驶工况提供实时转向助力,可以确保低速行驶时轻便灵活,而高速行驶时稳定可靠[
目前,通过模型设计方法进行电动助力转向系统策略开发的研究较少.因此,本文基于模型设计方法,搭建
/电动助力转向系统S自动生成嵌入式C代码,为了验证所提出的电动助力imulinkStateflow控制策略模型,转向系统控制策略的有效性和可靠性,进行实车电动助力转向试验.通过实车试验,证明所开发的电动助力转向系统具有较明显的助力效果.该研究具有一定的实际应用价值.
１ 工作原理
电动助力转向系统主要由信号采集系统、电子控制单元、助力电机、减速机构和电磁离合器
９]
,等组成[电动助力转向系统示意图如图１所
示.信号采集系统采集转向盘转矩信号、转向盘
]１０
转角信号、车速信号、助力电机电流信号[并传
图１ 电动助力转向系统示意图
输到电子控制单元;电子控制单元通过信号采集系统获得的转矩信号、车速信号等判断助力电机的理想工作
收稿日期:２０１９１２２４;修回日期:２０２００２２８
);)基金项目:山东省自然科学基金面上项目(国家自然科学基金资助项目(ZR２０１６EEM４９５１４７５２４８,作者简介:刘世杰(男,硕士研究生,主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术.１９９３)
,:_７通信作者:严天一(男,博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为车辆系统动力学及其控制技术.１９７０)Emailan０１２＠１２６．comy
９８
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１１]
;状态,计算得到目标控制电流大小,并控制助力电机输出合适的电磁转矩[助力电机是电动助力转向系统
１２]
,的动力源,在电子控制单元控制下输出相应的助力转矩[本文选用三相无刷电机作为电动助力转向系统１３]
;的助力电机;减速机构与助力电机相连,起到降速增扭的作用[电磁离合器将辅助转向力矩施加到转向系
统,实现实时控制的助力转向,同时避免电机转动惯性引起的不利影响.
２ 助力特性曲线与控制策略模型
２．１ 助力特性曲线
电动助力转向系统的功能需求主要包括分析助力控制模式、回正控制模式和阻尼控制模式的功能及可靠性的具体要求,确定各模式之间的切换条件和切换过程.
]]１４１５１７
.助力特性曲线通常通过实车道路试验对基本特性曲线进行调整获得[,下对助力扭矩的要求[较为典]１８
.典型助力特性曲线如图２所示.型的有直线型、折线型和曲线型[
助力控制模式的核心是确定助力特性曲线及确定控制单元控制助力电流大小的方式,以满足不同工况
图２ 典型助力特性曲线
直线型助力特性曲线可表示为
０, ０≤Td＜Td０ìïï
f(,()I＝ív)Td－Td０) Td０≤Td＜Tdma１f１(x
ïïIma Td≥Tdmaîx,x
式中,为助力特性曲线梯度;I为助力电机目标电流;v)ImaTd为转向盘输入f(x为助力电机最大工作电流;力矩;Td０为电动助力转向系统开始工作时转向盘输入力矩;Tdmax为电机输出转矩最大时转向盘输入力矩.０, ０≤Td＜Td０ìï
ï(,v)Td－Td０) Td０≤Td＜Td１ïf１(I＝í
((,v)Td－Td１)＋f１(v)Td１－Td０) Td１≤Td＜Tdmaïf２(x
ïIma Td≥Tdmaîx,x
、式中,为助力特性曲线梯度;v)v)Td１为转向盘输入力矩.f１(f２(
曲线型助力特性曲线可表示为
折线型助力特性曲线可表示为
()２
０, ０≤Td＜Td０ìï
ï
f(,()I＝ív)Td) Td０≤Td＜Tdma３f(x
ïïIma Td≥Tdmaîx,x
[]９
.式中,为转向盘输入力矩非线性函数１Td)f(
若转向盘转角与角速度方向相反,需通过回正控制模式来改善转向回正特性,提高车辆的操纵稳定性;若转向盘转角与角速度方向相同,且车辆行驶速度达到或超过设定的速度阀值,则需通过阻尼控制模式来减２．２ 控制策略模型
/利用S电动助力转向系统控制策略模型如图imulinkStateflow搭建电动助力转向系统控制策略模型,
]２０
.轻转向盘抖动现象,同时防止出现转向盘回正超调状况[
第２期 刘世杰,等:基于模型设计的电动助力转向系统策略研究９９
主要包括检查模块、助力控制模块、回正控制模块和阻尼控制模块等部分.３所示.图３中,
检测模块负责检测转矩传感器和速度传感器是否正常工作,然后根据传感器的输出信号判断应执行的控制模式.若转向盘转角与角速度的方向相同,且车速低于设定的阀值,进入助力控制模块,助力控制模块如图４所示.
图３ 电动助力转向系统控制策略模型图４ 助力控制模块
若转向盘转矩的绝对值小于１Nm,进入无助力 转矩传感器的输出信号值决定助力电机的工作状态,子模块,该模式下助力电机不工作;若转向盘转矩的绝对值大于１Nm且小于１则进入助力变化０Nm,
子模块,该模式下,需根据车辆实际行驶速度,计算并输出变占空比的脉宽调制信号,控制助力电机输出所需计算并输出固定占空比的脉宽调制信号,控制助力电机输出所需的助力转矩.
的助力转矩;若转向盘转矩的绝对值大于１进入助力不变子模块,该模式下,需根据车辆行驶速度,０Nm,
当转向盘转角和其角速度的方向相反时,进入回正控制模块,回正控制模块如图５所示.该模式下,需
根据车辆的行驶工况,输出适当占空比的脉宽调制信号,控制助力电机输出回转助力或回正阻力,帮助驾驶员完成回正动作;若转向盘转角与角速度方向相同,且车辆实际行驶速度达到或超过设定的速度阀值,进入阻尼控制模块,阻尼控制模块如图６所示,该模式下,需根据方向盘输入的转矩方向和大小,控制助力电机输出合适的阻力以减轻振动.
图５ 回正控制模块图６ 阻尼控制模块
２．３ 模型检查与验证
利用S需求文档与模型关联如图７所示.其imulinkDesinVerifier模块生成测试用例的仿真模型,g
测试用例如图８所示;Exlanation模块是对自动生成的测试用例的说明.共有２５种测试用例仿真模型,p
得到模型的覆盖度TestUnit模块为前文所搭建的电动助力转向系统控制策略模型.运行测试仿真模型后,分析结果,模型覆盖度如图９所示,模型覆盖度报告显示,自动生成的测试用例具有较高的覆盖度,能够满足模型的测试需求.
中,转角及角速度信号、车速信号等系统控制策略模型测试用例;Inuts模块包含转向盘转矩、TestCasep
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图７ 需求文档与模型关联
图８ 测试用例
图９ 模型覆盖度
第２期 刘世杰,等:基于模型设计的电动助力转向系统策略研究１０１
２．４ 代码生成及验证
采用M将搭建的电动助力转向控制策略模型转换为嵌入式C代码,atlab中的EmbeddedCoder模块,并验证其有效性和可靠性,然后通过C并在控制策略模型onfiurationParameters模块生成SIL仿真模型,g中进行仿真,原控制策略仿真模型与S图１IL仿真模型对比如图１０所示.由图１０可以看出,０b与图１０a的输出结果相同,证明所生成的C代码能够有效运行,且功能与原控制模型保持一致.
图１０ 原控制策略仿真模型与SIL仿真模型对比
３ 电子控制单元开发
电动助力转向系统的电子控制单元主要由电源模块、单片机最小系统模块、转向助力电机驱动模块、信电动助力转向系统电子控制单元以恩智浦公司３该芯片集成了９２位MPC５６３４单片机为主控芯片,６kB的RAM,１５M的Flash存储器,３２个eTPU２通道,３２个１２bit增强型模数转换通道,２个eSCI模块,２个DSPI
.模块,逻辑运算和数值运算能力较强,具有浮点运算能力,最小系统的晶振频率为８MH２个FlexCAN模块,z
表１ 转矩标定数据
传感器输出模拟量/V０．５１．０１．５
转矩信号值５１７０８６
传感器输出模拟量/V２．０２．５３．０
转矩信号值１１２１２８１４８
传感器输出模拟量/V３．５４．０４．５
转矩信号值１６５１９０２０７
息采集模块、信号调理模块、电流检测模块等部分组成.CAN通讯模块、
４ 实车性能试验
４．１ 转矩信号标定
通过转矩标定试验,将转矩传感器输出的转矩模拟量转换为主控制器能够识别的转矩信号值,转矩信号值与转矩传感器输出模拟量的标定数据如表１所示.
转矩信号值与传感器输出模拟量的关系为
对试验数据进行曲线拟合,得到转矩信号值标定曲线和车速标定曲线,转矩信号标定曲线如图１１所示,
()４
０２５４x－０７６８８y＝０式中,x为转矩传感器输出值.y为转矩模拟量;
４．２ 速度信号标定
通过车速标定试验将车速传感器输出的数字频率信号转换为实际车速值,实际车速与车速传感器单位时间输出脉冲数的标定数据如表２所示.
(车速/kmh－１)１０２０３０４０脉冲数１００１５０１８７４７表２ 车速标定数据
５０６０７０８０脉冲数２４５２９１３４０３９０(车速/kmh－１)１００１１０１２０９０脉冲数４３５４９４５４３５９５(车速/kmh－１)得到车速信号标定曲线,车速信号标定曲线如图１ 对试验数据曲线拟合,２所示.车速与脉冲数的关系
１０２为
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()５
v＝０２０２n＋０７３２８
式中,v为车速;n为脉冲数.
图１１ 转矩信号标定曲线图１２ 车速信号标定曲线
４．３ 实车性能试验
为了验证所提出的电动助力转向系统控制策略的有效性,进行实车电动助力转向试验,试验车样车如图得到转向盘转矩的变化曲线,原地转向时,有助力与无助力转矩１３所示.通过采集转矩传感器的转矩信号,值比较如图１４所示.
图１３ 试验车样车图１４ 原地转向时有助力与无助力转矩值比较
在车辆怠速工况下,开启电动助力转向系统时,转矩传感器的转矩信号与关闭电动助 由图１４可以看出,
力转向系统时转矩传感器的转矩信号相比,转矩传感器输出的最大转矩信号AD值从２转矩１０降低到１７４,差值由助力电机提供的转矩弥补,证明所开发的电动助力转向系统具有较明显的助力效果.
５ 结束语
模型,可以在测试过程中快速检查错误,直接生成稳定的嵌入式代码,缩短产品开发周期,提高效率;实车试验数据显示,开启电动助力转向系统后,试验车转向所需驾驶员提供的力矩明显降低,证明该电动助力转向系统可以有效为驾驶员提供实时转向助力,验证了所开发电动助力转向系统控制策略的有效性.但在试验过程中,发现电动助力系统长时间满负荷工作会导致电机驱动模块发热严重,有待电子控制单元及其控制策略的进一步研究完善.参考文献:
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/本文基于模型设计方法对电动助力转向系统功能进行层次化划分,搭建SimulinkStateflow控制策略
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StudntheStratefEPSSstemBasedonModelDesinyogyoyg
(,,;１．SchoolofElectromechanicEnineerinQindaoUniversitQindao２６６０７１,Chinagggyg
,,;２．HuahaiTechnoloiesCo．Ltd．Beiin０００００,China３．QindaoThreeＧStarPrecisionForingjg１ggg
,,)GearCo．Ltd．Qindao２６６０００,Chinag:,AbstractInordertotakeintoaccountthevehiclesteerinlihtnessandcontrolstabilitreducefuelconＧggy
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,),functionaltestsenerateembeddedcodeandverifthrouhtheSIL(softwareinＧtheＧlootest．Thenwegygp
thetoruesinalofthetoruesensoriscomaredwiththatofthetoruesensorwhentheelectricpowerqgqpq
,steerinstemisturnedoffthemaximumtoruesinalADvalueofthetoruesensorisreducedfromgsyqgqthatthedeveloedelectricpowersteerinstemhasobviouspowerassisteffectandcanmeetthedesinpgsygreuirements．Thisresearchhasagoodalicationprosect．qppp
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