助力补偿的商用车动态转向系统恒力矩控制

商用车辆在原地转向或低速行驶时，存在着驾驶员进行大转角转向的情况；在车辆中、高速行驶时，存在着驾驶员紧急避障的情况，此时转向盘转速很大，这两种情况下转向盘力矩会在一定范围内变化，这种转向盘力矩的变化会对驾驶员转向手感产生不利影响，从而增加了驾驶员的疲劳强度[1]。 目前，液压助力转向系统(hydraulic power steering,HPS)，电动液压助力转向系统(electro-hydraulic power steering，EHPS)以及电动助力转向系统(electric power steering，EPS)所采用的控制方法不能实现转向盘力矩的恒定控制，因此在进行大转角或快速转向时，转向盘力矩会增大，降低转向手感，增加驾驶疲劳。另一方面，在商用车上采用EHPS或EPS两种助力系统对电机的要求十分苛刻，对于现今技术水平来说并不易于实现[2]。 针对以上问题，在原有转向系统基础上进行改进，基于动态转向系统(dynamic steering system)对转向助力特性进行设计。通过对转向管柱上助力电机进行控制，设计了主助力矩与补偿助力矩联合控制的方法得到总助力矩，实现了转向盘力矩的恒定控制。 1 动态转向系统结构及仿真模型 动态转向系统具有两个动力源，其一为发动机用于驱动液压泵，其二是在转向管柱上加装助力电机。动态转向系统因具有双动力源，因此可以选用功率较小的电机，降低了对电机选取的要求。动态转向系统结构如图1所示，该系统在转向管柱处加装助力电机和减速机构，电机通过减速机构将助力矩直接施加在转向管柱上并与转向盘手力矩进行耦合[3]。 图1 动态转向系统结构图Fig.1 The structure of Dynamic Steering System 基于AMESim进行动态转向系统的建模，通过对电机助力矩进行控制，可以对助力特性进行调节。该动态转向系统包括转向管柱子模型、助力电机及减速器子模型、液压助力机构子模型等。动态转向系统仿真模型如图2所示[4，5]。 图2 动态转向系统AMESim模型Fig.2 AMESim model of Dynamic Steering System 2 控制算法设计 2.1 设计方法及目标 所采用的动态转向系统是在原有转向系统的基础上进行改进，由加装在转向管柱上的转矩传感器采集转向盘转矩。首先由车速信号决策出当前车速下理想转向盘力矩To，再利用采集到的转向盘转矩信号与车速信号经过计算决策出助力电机的主助力矩此时经由转矩传感器测得实际转向盘力矩Td，利用理想转向盘力矩To与实际转向盘力矩Td的偏差量ΔT得到补偿助力矩Ta″，将以上两个助力矩与Ta″合成作为电机最终输出助力矩Ta，最后通过对输出助力矩进行跟踪控制最终实现恒力矩控制。所采用控制逻辑框图如图3所示。 图3 控制逻辑框图Fig.3 The diagram of control logic 图4 手力矩设计目标Fig.4 The hand torque design 设计目标是实现商用车转向时转向盘力矩恒定控制，即在车辆进行转向时，无论转向盘转角和转速如何变化，驾驶员作用在转向盘上的手力矩在达到理想转向盘力矩To后不再发生变化，保持一个较低的恒定值。如图4所示，与其他转向助力系统相比，在保证了转向的轻便性同时，又使驾驶员拥有一个稳定的转向手感。 2.2 目标力矩To分析与设计 为了使商用车驾驶员在驾驶车辆时尽可能地降低疲劳强度，所设计的To要尽可能小，因为乘用车EPS技术较为成熟，参考乘用车的转向盘力矩完成商用车目标力矩的设计。 采用二次曲线设计目标力矩： 式(1)中：k为常数。 理想转向盘力矩To与车速V的关系曲线如图5所示，低速时To较小且变化缓慢，实现转向轻便；超过一定车速后To快速增加，从而使得驾驶员拥有良好“路感”。 图5 理想转向盘力矩To变化趋势Fig.5 The trend ofTo 2.3 主助力矩分析与设计 通过对转向系统的分析得知，影响转向盘转矩的因素主要有车速、转向盘转角和转向盘转速。根据转向盘力矩和车速对主助力矩进行设计，在主助力矩的设计阶段应使转向盘力矩尽可能接近理想转向盘力矩。 为了获得舒适的转向特性，当车速较低或原地转向时，需控制助力电机提供较大助力；随着车速的提高，助力逐渐减小，如式(2)所示。其中V0、V1分别表示车速变化时提供助力的两个限值。 同时，助力电机输出力矩也与转向盘力矩之间存在一定的关系，其输出力矩应随转向盘转矩的增大而增大，如式(3)所示。其中T0、Tm分别表示转向盘力矩变化时提供助力的两个限值。 由式(2)和式(3)设计了助力电机输出转矩与车速及转向盘转矩之间的关系图，如图6所示。由图6可以看出电机主助力矩随车速增大而减小，随转向盘转矩的增大而增大，可以满足基本的低速转向轻便性要求。 图6 助力电机输出转矩与车速及转向盘转矩之间的关系图Fig.6 The relation diagram of the power motor output torque，the speed and the steering wheel torque 2.4 补偿助力矩Ta″分析与设计 由节2.3设计的主助力矩控制策略可以实现低速转向轻便性，高速转向稳定性的要求，然而在转向盘转角和转向盘转速不断变化时，其转向盘矩也随之变化，变化关系如图4中虚线所示。为了实现恒定手力矩控制，引进一个补偿助力矩Ta″。 为了完成补偿助力矩的设计，首先要对转向手力矩的变化情况进行分析。根据设计目标要求，需预先设定一目标力矩To，手力矩Td在目标力矩To以下时不进行附加力矩控制，当手力矩Td超过目标力矩To后进行补偿力矩控制。其控制流程图如图7所示。 图7 控制流程图Fig.7 Control flow diagram 补偿助力矩Ta″的值应为 式(4)中：k1为常数。 补偿助力矩Ta″的大小主要受转向盘转角和转向盘转速的影响，此外与路面摩擦系数等因素相关，因其具有复杂性和非线性，设计较为复杂。采用模糊PID控制策略来得到相应的补偿助力矩Ta″，从而保证转向盘力矩与理想转向盘力矩的变化一致[6，7]。 因为Δ值是变化的且其变化率不同，采用模糊控制决策出PID控制器的三个控制参数，可以实现控制参数可调，时刻保持最佳的控制效果。 通过模糊PID控制得到补偿助力矩后，此补偿助力矩与2.3节中得到的主助力矩进行合成得到最终助力矩。助力电机采用PID控制对目标力矩进行跟踪，下面进行仿真分析。 3 仿真分析 由AMESim、Simulink和TruckSim建立的联合仿真模型。在此模型基础上进行转向盘力矩恒定控制仿真。 3.1 转向盘力矩与转向盘转角之间的关系 首先进行低速大转角仿真实验，汽车以10 km/h的速度不断增加转向盘转角。在图8中绿线表示无补偿控制，红线表示有补偿控制。从图8中可以看出没有采用恒定力矩控制的助力系统，其转向盘力矩随转向盘转角增大而增大；而带有恒定力矩控制的助力系统，其助力矩在小于3 N·m时随转向盘转角变化，随后保持在3 N·m附近不变。因此在进行转向时，转向盘力矩大致维持在3 N·m不变，转向手感较好。 图8 转向盘手力矩与转向盘转角之间的关系 Fig.8 The relationship between the steering wheel torque and steering wheel angle 3.2 转向盘手力矩与转向盘转速之间的关系 在进行大转速紧急避障试验时，车速为60 km/h，转向盘转速不断增大，图9中绿线表示无补偿控制，红线表示有补偿控制。从图中可以看出没有采用恒定力矩控制的助力系统，其转向盘力矩随转向盘转速增大而增大，且幅度变化较大；而带有恒定力矩控制的助力系统，其助力矩在小于5 N·m时随转向盘转速变化，随后保持在5 N·m附近不变。与不带有恒力矩控制的系统相比，在紧急转向时能减小转向阻力。 图9 转向盘手力矩与转向盘转速之间的关系Fig.9 The relationship between the steering wheel torque and steering wheel speed 4 结论 基于商用车动态转向系统对转向恒力矩控制进行研究，首先建立AMESim、Simulink和TruckSim联合仿真模型，在此基础上进行了控制算法的开发。在主助力矩控制的基础上，增加补偿助力矩控制，由两者共同决策出电机输出助力矩，进而实现转向盘力矩恒定控制。由仿真分析结果可以看出，所建立动态转向系统模型及控制算法取得了较好的效果，有助于减少驾驶员的疲劳。 *通信作者简介：赵伟强(1977—)，男，博士，副教授。研究方向：商用车系统动力学仿真与控制。E-。 Gao Ke, Zhao Weiqiang, Zong Changfu. Constant moment control with assistant compensation on the based of dynamic steering system for commercial vehicle[J].Science Technology and Engineering, 2017, 17(7): 119—122, 167 商用车辆在原地转向或低速行驶时，存在着驾驶员进行大转角转向的情况；在车辆中、高速行驶时，存在着驾驶员紧急避障的情况，此时转向盘转速很大，这两种情况下转向盘力矩会在一定范围内变化，这种转向盘力矩的变化会对驾驶员转向手感产生不利影响，从而增加了驾驶员的疲劳强度[1]。 目前，液压助力转向系统(hydraulic power steering,HPS)，电动液压助力转向系统(electro-hydraulic power steering，EHPS)以及电动助力转向系统(electric power steering，EPS)所采用的控制方法不能实现转向盘力矩的恒定控制，因此在进行大转角或快速转向时，转向盘力矩会增大，降低转向手感，增加驾驶疲劳。另一方面，在商用车上采用EHPS或EPS两种助力系统对电机的要求十分苛刻，对于现今技术水平来说并不易于实现[2]。 针对以上问题，在原有转向系统基础上进行改进，基于动态转向系统(dynamic steering system)对转向助力特性进行设计。通过对转向管柱上助力电机进行控制，设计了主助力矩与补偿助力矩联合控制的方法得到总助力矩，实现了转向盘力矩的恒定控制。 1 动态转向系统结构及仿真模型 动态转向系统具有两个动力源，其一为发动机用于驱动液压泵，其二是在转向管柱上加装助力电机。动态转向系统因具有双动力源，因此可以选用功率较小的电机，降低了对电机选取的要求。动态转向系统结构如图1所示，该系统在转向管柱处加装助力电机和减速机构，电机通过减速机构将助力矩直接施加在转向管柱上并与转向盘手力矩进行耦合[3]。 图1 动态转向系统结构图Fig.1 The structure of Dynamic Steering System 基于AMESim进行动态转向系统的建模，通过对电机助力矩进行控制，可以对助力特性进行调节。该动态转向系统包括转向管柱子模型、助力电机及减速器子模型、液压助力机构子模型等。动态转向系统仿真模型如图2所示[4，5]。 图2 动态转向系统AMESim模型Fig.2 AMESim model of Dynamic Steering System 2 控制算法设计 2.1 设计方法及目标 所采用的动态转向系统是在原有转向系统的基础上进行改进，由加装在转向管柱上的转矩传感器采集转向盘转矩。首先由车速信号决策出当前车速下理想转向盘力矩To，再利用采集到的转向盘转矩信号与车速信号经过计算决策出助力电机的主助力矩此时经由转矩传感器测得实际转向盘力矩Td，利用理想转向盘力矩To与实际转向盘力矩Td的偏差量ΔT得到补偿助力矩Ta″，将以上两个助力矩与Ta″合成作为电机最终输出助力矩Ta，最后通过对输出助力矩进行跟踪控制最终实现恒力矩控制。所采用控制逻辑框图如图3所示。 图3 控制逻辑框图Fig.3 The diagram of control logic 图4 手力矩设计目标Fig.4 The hand torque design 设计目标是实现商用车转向时转向盘力矩恒定控制，即在车辆进行转向时，无论转向盘转角和转速如何变化，驾驶员作用在转向盘上的手力矩在达到理想转向盘力矩To后不再发生变化，保持一个较低的恒定值。如图4所示，与其他转向助力系统相比，在保证了转向的轻便性同时，又使驾驶员拥有一个稳定的转向手感。 2.2 目标力矩To分析与设计 为了使商用车驾驶员在驾驶车辆时尽可能地降低疲劳强度，所设计的To要尽可能小，因为乘用车EPS技术较为成熟，参考乘用车的转向盘力矩完成商用车目标力矩的设计。 采用二次曲线设计目标力矩： 式(1)中：k为常数。 理想转向盘力矩To与车速V的关系曲线如图5所示，低速时To较小且变化缓慢，实现转向轻便；超过一定车速后To快速增加，从而使得驾驶员拥有良好“路感”。 图5 理想转向盘力矩To变化趋势Fig.5 The trend ofTo 2.3 主助力矩分析与设计 通过对转向系统的分析得知，影响转向盘转矩的因素主要有车速、转向盘转角和转向盘转速。根据转向盘力矩和车速对主助力矩进行设计，在主助力矩的设计阶段应使转向盘力矩尽可能接近理想转向盘力矩。 为了获得舒适的转向特性，当车速较低或原地转向时，需控制助力电机提供较大助力；随着车速的提高，助力逐渐减小，如式(2)所示。其中V0、V1分别表示车速变化时提供助力的两个限值。 同时，助力电机输出力矩也与转向盘力矩之间存在一定的关系，其输出力矩应随转向盘转矩的增大而增大，如式(3)所示。其中T0、Tm分别表示转向盘力矩变化时提供助力的两个限值。 由式(2)和式(3)设计了助力电机输出转矩与车速及转向盘转矩之间的关系图，如图6所示。由图6可以看出电机主助力矩随车速增大而减小，随转向盘转矩的增大而增大，可以满足基本的低速转向轻便性要求。 图6 助力电机输出转矩与车速及转向盘转矩之间的关系图Fig.6 The relation diagram of the power motor output torque，the speed and the steering wheel torque 2.4 补偿助力矩Ta″分析与设计 由节2.3设计的主助力矩控制策略可以实现低速转向轻便性，高速转向稳定性的要求，然而在转向盘转角和转向盘转速不断变化时，其转向盘矩也随之变化，变化关系如图4中虚线所示。为了实现恒定手力矩控制，引进一个补偿助力矩Ta″。 为了完成补偿助力矩的设计，首先要对转向手力矩的变化情况进行分析。根据设计目标要求，需预先设定一目标力矩To，手力矩Td在目标力矩To以下时不进行附加力矩控制，当手力矩Td超过目标力矩To后进行补偿力矩控制。其控制流程图如图7所示。 图7 控制流程图Fig.7 Control flow diagram 补偿助力矩Ta″的值应为 式(4)中：k1为常数。 补偿助力矩Ta″的大小主要受转向盘转角和转向盘转速的影响，此外与路面摩擦系数等因素相关，因其具有复杂性和非线性，设计较为复杂。采用模糊PID控制策略来得到相应的补偿助力矩Ta″，从而保证转向盘力矩与理想转向盘力矩的变化一致[6，7]。 因为Δ值是变化的且其变化率不同，采用模糊控制决策出PID控制器的三个控制参数，可以实现控制参数可调，时刻保持最佳的控制效果。 通过模糊PID控制得到补偿助力矩后，此补偿助力矩与2.3节中得到的主助力矩进行合成得到最终助力矩。助力电机采用PID控制对目标力矩进行跟踪，下面进行仿真分析。 3 仿真分析 由AMESim、Simulink和TruckSim建立的联合仿真模型。在此模型基础上进行转向盘力矩恒定控制仿真。 3.1 转向盘力矩与转向盘转角之间的关系 首先进行低速大转角仿真实验，汽车以10 km/h的速度不断增加转向盘转角。在图8中绿线表示无补偿控制，红线表示有补偿控制。从图8中可以看出没有采用恒定力矩控制的助力系统，其转向盘力矩随转向盘转角增大而增大；而带有恒定力矩控制的助力系统，其助力矩在小于3 N·m时随转向盘转角变化，随后保持在3 N·m附近不变。因此在进行转向时，转向盘力矩大致维持在3 N·m不变，转向手感较好。 图8 转向盘手力矩与转向盘转角之间的关系Fig.8 The relationship between the steering wheel torque and steering wheel angle 3.2 转向盘手力矩与转向盘转速之间的关系 在进行大转速紧急避障试验时，车速为60 km/h，转向盘转速不断增大，图9中绿线表示无补偿控制，红线表示有补偿控制。从图中可以看出没有采用恒定力矩控制的助力系统，其转向盘力矩随转向盘转速增大而增大，且幅度变化较大；而带有恒定力矩控制的助力系统，其助力矩在小于5 N·m时随转向盘转速变化，随后保持在5 N·m附近不变。与不带有恒力矩控制的系统相比，在紧急转向时能减小转向阻力。 图9 转向盘手力矩与转向盘转速之间的关系Fig.9 The relationship between the steering wheel torque and steering wheel speed 4 结论 基于商用车动态转向系统对转向恒力矩控制进行研究，首先建立AMESim、Simulink和TruckSim联合仿真模型，在此基础上进行了控制算法的开发。在主助力矩控制的基础上，增加补偿助力矩控制，由两者共同决策出电机输出助力矩，进而实现转向盘力矩恒定控制。由仿真分析结果可以看出，所建立动态转向系统模型及控制算法取得了较好的效果，有助于减少驾驶员的疲劳。 *通信作者简介：赵伟强(1977—)，男，博士，副教授。研究方向：商用车系统动力学仿真与控制。E-。 Gao Ke, Zhao Weiqiang, Zong Changfu. Constant moment control with assistant compensation on the based of dynamic steering system for commercial vehicle[J].Science Technology and Engineering, 2017, 17(7): 119—122, 167

文章来源：《模糊系统与数学》 网址: http://www.mhxtysxzz.cn/qikandaodu/2021/0715/615.html