CN102661868B - 一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法，它基于转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构的数学模型，也即由转向盘、转向管柱、内置有扭杆的转矩传感器和转向轴构成的转向操纵机构的二阶振荡系统模型，对转向盘施加力矩脉冲，用转向操纵机构自带的转矩传感器连接一信号采集装置，获取系统相应的时域转矩信号，通过时域转矩信号的FFT变换等方法确定系统的频率特征值，进而确定转向操纵机构中转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间阻尼参数。本发明无需借助额外的检测装置，简单易行，可以广泛用于汽车转向轴助力式电动助力转向系统的产品设计和开发仿真过程中。

Description

一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法

技术领域

本发明涉及车辆工程的系统参数辨识领域，特别是关于一种通过系统辨识确定汽车转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构中转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间阻尼参数的测量方法。

背景技术

由于电动助力转向系统(以下简称EPS)具有助力特性可变、节能和结构简单等优点，在中小型汽车领域正逐渐取代传统的液压助力转向系统。根据助力电机位置的不同，EPS可分为转向轴助力式电动助力转向系统(C-EPS)，小齿轮助力式电动助力转向系统(P-EPS)和齿条助力式电动助力转向系统(R-EPS)。其中，转向轴助力式电动助力转向系统是目前应用广泛的助力型式之一，主要由控制器、转矩传感器、助力电机、蜗轮蜗杆减速器、机械转向系统等构成。在EPS产品设计和开发过程中，系统仿真技术发挥着重要的作用，仿真结果是否正确，以及是否具有实际指导意义取决于系统参数的设定是否准确。对于转向轴助力式电动助力转向系统而言，转向操纵机构中的转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间的阻尼参数是系统建模时必不可少的参数。目前，国内已有学者设计了测量转向盘转动惯量的装置，如200910038476.3专利公开了一种转向盘转动惯量测试装置及其测量方法，201020679612.5专利公开了一种小型汽车零部件质心转动惯量测量装置。但是，还没有一种能够确定转向轴与转向管柱之间阻尼的测量方法，更没有同时确定转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构中转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间阻尼参数的测量方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时确定汽车转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构中转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间阻尼参数的测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法，它包括以下步骤：1)设置一包括转向盘、转向管柱、内置有扭杆的转矩传感器和转向轴的转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构；将转向操纵机构中的转矩传感器的输出端连接一信号采集装置，将转向轴的下端通过一固定装置固定，向转向盘上施加力矩脉冲，转矩传感器检测扭杆上的转矩，并由信号采集装置6输出相应的时域转矩信号T_s(t)；2)对由步骤1)获取的时域转矩信号T_s(t)进行快速傅立叶变换，转换为频域转矩信号，从频域转矩信号中确定系统有阻尼振荡频率ω_d的数值；3)在由步骤1)获取的时域转矩信号T_s(t)的振荡衰减过程中提取若干振荡周期的转矩峰值，对其取对数，通过拟合算法拟合成直线，确定直线斜率，也即时域转矩信号T_s(t)衰减系数k的数值；4)基于步骤2)确定的系统有阻尼振荡圆频率ω_d和步骤3)确定的衰减系数k，通过求解下列方程组确定系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

的数值：

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2};$

$k=-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n;$

5)基于步骤4)确定的系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

以及转矩传感器中扭杆的刚度值K_s，通过下列计算表达式确定转向操纵机构的转动惯量J_s和转向轴与转向管柱之间的阻尼B_s的数值：

$J_{\mathrm{sc}}=\frac{K_s}{{\mathrm{\ω}}_n^2},$ $B_{\mathrm{sc}}=2\mathrm{\ζ}\sqrt{J_{\mathrm{sc}}{K}_s}.$

上述步骤3)中，在由步骤1)获取的时域转矩信号T_s(t)的振荡衰减过程中提取6个连续振荡周期的转矩峰值。

上述步骤3)中，拟合算法为最小二乘法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构的二阶振荡系统模型，采用系统脉冲响应法获取系统相应的时域转矩信号，通过时域转矩信号的FFT变换等方法确定系统的频率特征值，进而确定转向操纵机构中转向盘与转向轴的转动惯量和转向轴与转向管柱之间阻尼参数。2、本发明将汽车转向轴助力式电动助力转向系统转向操纵机构自带的转矩传感器连接至一信号采集装置进行参数分析测量，无需借助额外的检测装置，简单易行。本发明可以广泛用于汽车转向轴助力式电动助力转向系统的产品设计和开发仿真过程中。

附图说明

图1是本发明转向操纵机构与信号采集装置连接示意图

图2是本发明信号采集装置输出的时域转矩信号示意图

图3是本发明通过频域转矩信号确定系统有阻尼振荡圆频率示意图

图4是本发明确定时域转矩信号的衰减系数示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明可以通过在汽车转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构上设置相应的测量装置实现。如图1所示，转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构包括转向盘1、转向管柱2、内置有扭杆3的转矩传感器4和转向轴5。转矩传感器4的输出端与一信号采集装置6连接，转矩传感器4将测得的扭杆3上的转矩传给信号采集装置6，信号采集装置6输出相应的时域转矩信号。

由现有技术可知，转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构为一个二阶振荡系统，其转矩传感器输出与转向盘转矩输入之间的传递函数G’(s)如下：

$G^{,}\left(s\right)=\frac{K_s}{J_{\mathrm{sc}}{s}^2+B_{\mathrm{sc}}s+K_s},$

上式中，J_sc为转向盘与转向轴的转动惯量，B_sc为转向轴与转向管柱之间的阻尼，K_s为扭杆刚度。

将传递函数G’(s)变换为标准形式的传递函数G(s)：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2},$

上式中，ω_n为系统固有圆频率(rad/s)，为系统相对阻尼系数，且

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K_s}{J_{\mathrm{sc}}}},$ $\mathrm{\ζ}=\frac{B_{\mathrm{sc}}}{2\sqrt{J_{\mathrm{sc}}{K}_s}}.$

系统的单位脉冲响应输出y(t)为：

$y\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{e}^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}t}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right),$

上式中，ω_d为系统有阻尼振荡圆频率(rad/s)，且

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}.$

系统的单位脉冲响应输出y(t)是一条振荡衰减的曲线，通过快速傅立叶变换(以下简称FFT)变换为频域信号，从而确定y(t)的振荡频率，也即系统有阻尼振荡圆频率ω_d的数值。

y(t)具有两条包络线，其中一条包络线的方程如下：

$y_1\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{e}^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}t}.$

对该包络线方程左右两边取对数得到如下表达式：

$\ln y_1\left(t\right)=\ln \frac{{\mathrm{\ω}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}t,$

上式说明对系统单位脉冲响应的包络线取e为底的对数后能够得到一条斜率为k的直线，k为系统单位脉冲响应的衰减系数，且：

$k=-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n.$

衰减系数k的数值可以通过对系统单位脉冲响应振荡衰减过程中的每个周期的转矩峰值取对数，采用拟合算法拟合成直线确定。其中，拟合算法可以是最小二乘法，但不限于此。

基于已知的系统有阻尼振荡圆频率ω_d和衰减系数k，可以通过求解下列方程组确定系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

的数值：

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2};$

$k=-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n.$

基于已知的系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

以及C-EPS自带转矩传感器中扭杆的刚度值K_s，可以通过下列计算表达式确定转向盘与转向轴的转动惯量J_sc和转向轴与转向管柱之间的阻尼B_sc的数值：

$J_{\mathrm{sc}}=\frac{K_s}{{\mathrm{\ω}}_n^2},$ $B_{\mathrm{sc}}=2\mathrm{\ζ}\sqrt{J_{\mathrm{sc}}{K}_s}.$

本发明具体实施时，包括以下步骤：

1)将转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构中的转矩传感器4的输出端连接一信号采集装置6，将转向轴5的下端通过一固定装置7固定，向转向盘1上施加力矩脉冲，转矩传感器4检测扭杆3上的转矩，并由信号采集装置6输出相应的时域转矩信号T_s(t)(如图2所示)。

2)对由步骤1)获取的时域转矩信号T_s(t)进行快速傅立叶变换(FFT)，转换为频域转矩信号，从频域转矩信号中确定系统有阻尼振荡频率ω_d的数值(如图3所示)。

3)在由步骤1)获取的时域转矩信号T_s(t)的振荡衰减过程中提取若干振荡周期的转矩峰值，对其取对数，通过拟合算法拟合成直线，并确定直线斜率，也即衰减系数k的数值。

如图2、图4所示，本实施例通过提取时域转矩信号T_s(t)的第11至第16振荡周期的6个转矩峰值，来确定衰减系数k，但实际实施时可以不限于此。

4)基于已知的系统有阻尼振荡圆频率ω_d和衰减系数k，通过求解下列方程组确定系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

的数值：

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2};$

$k=-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_n.$

5)基于已知的系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数

以及C-EPS自带转矩传感器中扭杆的刚度值K_s，可以通过下列计算表达式确定转向盘与转向轴的转动惯量J_sc和转向轴与转向管柱之间的阻尼B_sc的数值：

$J_{\mathrm{sc}}=\frac{K_s}{{\mathrm{\ω}}_n^2},$ $B_{\mathrm{sc}}=2\mathrm{\ζ}\sqrt{J_{\mathrm{sc}}{K}_s}.$

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法，它包括以下步骤：

1）设置一包括转向盘、转向管柱、内置有扭杆的转矩传感器和转向轴的转向轴助力式电动助力转向系统的转向操纵机构；将转向操纵机构中的转矩传感器的输出端连接一信号采集装置，将转向轴的下端通过一固定装置固定，向转向盘上施加力矩脉冲，转矩传感器检测扭杆上的转矩，并由信号采集装置输出相应的时域转矩信号T_s(t)；

2）对由步骤1）获取的时域转矩信号T_s(t)进行快速傅立叶变换，转换为频域转矩信号，从频域转矩信号中确定系统有阻尼振荡频率ω_d的数值；

3）在由步骤1）获取的时域转矩信号T_s(t)的振荡衰减过程中提取若干振荡周期的转矩峰值，对其取对数，通过拟合算法拟合成直线，确定直线斜率，也即时域转矩信号T_s(t)衰减系数k的数值；

4）基于步骤2）确定的系统有阻尼振荡频率ω_d和步骤3）确定的衰减系数k，通过求解下列方程组确定系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数ζ的数值：

${\mathrm{\ω}}_d={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2};$

k＝-ζω_n；

5）基于步骤4）确定的系统固有圆频率ω_n和系统相对阻尼系数ζ，以及转矩传感器中扭杆的刚度值K_s，通过下列计算表达式确定转向操纵机构的转动惯量J_s和转向轴与转向管柱之间的阻尼B_s的数值：

$J_s=\frac{K_s}{{\mathrm{\ω}}_n^2},B_s=2\mathrm{\ζ}\sqrt{J_s{K}_s}.$

2.如权利要求1所述的一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法，其特征在于：所述步骤3）中，在由步骤1）获取的时域转矩信号T_s(t)的振荡衰减过程中提取6个连续振荡周期的转矩峰值。

3.如权利要求1或2所述的一种汽车转向操纵机构转动惯量和阻尼参数的测量方法，其特征在于：所述步骤3）中，拟合算法为最小二乘法。

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