CN2762097Y - 汽车电动助力转向系统仿真测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽车电动助力转向系统仿真测试装置，阻力伺服电机用于模拟车轮对转向输出轴的阻力，其扭矩信号传送到数据采集卡。伺服电机控制器与数据采集卡相连，用于控制阻力伺服电机的扭矩。电流传感器用于测量EPS的电机电流，向数据采集卡提供一个与电机电流成比例的电压信号。角度传感器位于方向盘上，用于测量车轮的偏转角，并向数据采集卡提供车轮偏转角度信号。计算机通过数据采集卡采集数据和传送控制命令，并对数据进行处理，获取测试结果。利用本实用新型可以在仿真环境下对不同EPS的软硬件进行调试及性能测试、对控制策略进行评估与优化、对各模块进行单独调试；能在车载试验前，对EPS进行参数匹配，加快开发进度，节省开支。

Description

汽车电动助力转向系统仿真测试装置

技术领域

本实用新型属于车辆工程测试设备技术领域，具体涉及一种汽车电动助力转向系统仿真测试装置。

背景技术

电动助力转向系统(EPS：Electric Power Steering System)是一种直接依靠电机提供助力扭矩的转向系统。这种系统不同于传统的液压助力转向系统(HPS：Hydraulic Power Steering System)和电控液压助力转向系统(ECPS：Electronically Controlled Power Steering System)，它不需要复杂的机械和液压控制，而是根据微处理器采集汽车的车速和驾驶员操纵力矩的大小来控制助力电机电流的幅值和方向，以实现对汽车方向盘助力的目的。这种方法可为转向特性的设置提供充足的自由度，能精确实现人们预先设置在不同车速、不同转弯所需要的转向助力，可使驾驶员获得较强的路感、较轻的操纵力，使车辆具有较好的回正稳定性、较高的抗干扰性和快速响应能力。特别是它能解决纯液压助力转向在汽车高速行驶时方向盘的发飘问题，而且还具有高效、节能、高性能、低成本等一系列优点。因此，电动助力转向系统取代液压助力转向系统已经成为现代汽车发展的必然趋势。近十年来，世界各国都投入巨资，竞相开发。

EPS是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，其系统原理框图如图1所示。不同类型的EPS具有基本相同的工作原理：扭矩传感器7与转向输入轴2连接在一起，当转向输入轴2转动时，扭矩传感器开始工作，把扭矩传感器的输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给EPS控制器11，EPS控制器11根据发动机转速信号9确定与助力电机3集成在一体的电磁离合器19的动作(发动机转速等于或大于怠速时，电磁离合器合，否则断开)，并根据车速传感器10和扭矩传感器7的信号决定助力电机3的电流8的大小和方向，助力电机3转动，通过电磁离合器19和减速器13将转动力矩加载到转向输出轴4上，从而完成助力电机的转向助力。因此它可以很容易实现在不同车速时通过电机提供不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。因此EPS转向特性的设置具有较高的自由度。

然而，在EPS的开发过程中，如何在实验室环境下快速对所开发的EPS的控制策略和控制性能进行测试，是研究者要着重考虑的问题。

正常情况下，要对EPS进行软、硬件调试，必须为其建立一个运行调试环境，且最好在实际车辆环境中进行。但这样不仅延长开发周期，加大经费开支，且会浪费大量的人力物力。

目前，实际中使用的EPS测试装置采用的是用弹簧加载方法模拟车轮作用在转向装置上的阻力。如图2所示。当通过手力转动方向盘1时，手力通过转向输入轴2、转向输出轴4、齿轮5带动齿条6作水平运动，引起弹簧12变形，从而给方向盘1施加一个反作用力。该方法具有机构简单可靠的优点，但其缺点也是显而易见的，弹簧加载力及位移的变化曲线不可调，且与实际车辆运行时车轮对方向盘反作用力的情况有较大差距。因此，这种方法无法对实际车辆运行时车轮对转向器阻力进行仿真，不便于EPS的控制策略的调试。更无法对EPS的特性进行测试。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种汽车电动助力转向系统仿真测试装置，利用该测试装置，所测的加载力曲线可调，且误差小，可以对实际车辆运行时车轮对转向器阻力进行仿真，以便于调试EPS的控制策略并对其特性进行测试。

本实用新型提供的一种汽车电动助力转向系统仿真测试装置，其特征在于：该装置包括阻力伺服电机、减速器、伺服电机控制器、电流传感器、角度传感器和插有数据采集卡的计算机。阻力伺服电机通过减速器及万向节与汽车电动助力转向系统的转向输出轴相连，用于模拟汽车车轮对转向输出轴的阻力，其扭矩信号传送到数据采集卡。伺服电机控制器与数据采集卡相连，用于控制阻力伺服电机的扭矩。电流传感器用于测量电动助力转向系统的电机电流，向数据采集卡提供一个与电机电流成比例的电压信号。角度传感器位于方向盘上，用于测量车轮的偏转角，并向数据采集卡提供车轮偏转角度信号。计算机通过数据采集卡采集数据和传送控制命令，并对采集的数据进行处理，获取测试结果。

利用本实用新型可以在仿真环境下对不同EPS的软硬件进行调试及性能测试、对控制策略进行评估与优化、对各模块进行单独调试；能在车载试验前，对EPS进行参数匹配，加快EPS的开发进度，节省开支。与现有的车载调试技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)可以对EPS进行单独调试，节省了大量人力物力；

(2)调试不需要在车载环境进行，节省了经费开支；

(3)调试环境设计制作容易，周期短；

(4)调整布局及改变车辆参数都十分容易，周期短，费用少，只需要设置相应软件即可，适应范围大。

附图说明

图1为电动助力转向系统的结构示意图；

图2为现有的电动助力转向系统及弹簧加载系统的结构示意图；

图3为本实用新型提供的电动助力转向系统仿真测试装置的结构示意图；

图4为图3的信号传输示意图；

图5为汽车坐标系与汽车质心示意图；

图6为车轮的受力情况分析示意图，图中，29表示车轮，30表示小齿轮、31表示齿轮齿条；

图7为仿真测试软件的主程序流程图；

图8为EPS调试流程图；

图9为EPS试验流程图。

具体实施方式

本实用新型采用伺服电机代替弹簧，并用一套控制系统来控制伺服电机励磁电流的大小，从而改变伺服电机通过转向输出轴施加在方向盘上的反作用力。通过研究汽车的运动规律，建立汽车在运动中车轮对转向机构的阻力的数学模型，计算机根据车速、车轮偏转角度以及车辆模型和参数计算出车轮的阻力，向伺服电机输出一个励磁控制信号，控制伺服电机输出到EPS输出轴的阻力大小。通过对仿真软件参数的简单设置及调整，可适应各种不同类型EPS的要求。

这种方法，可根据数学模型模拟仿真在车辆运行时车轮对方向盘的阻力，与实际情形接近，便于对EPS的控制策略进行实验室调试，且可对EPS的特性进行测试。

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的结构如附图3、图4所示，主要包括阻力伺服电机15(为了和助力电机3相区别，这里用阻力伺服电机来表示)、减速器25、伺服电机控制器17、电流传感器22、角度传感器14、数据采集卡20和计算机21。计算机21，通常采用Pentium以上级别CPU的PC机，至少有一个多余的ISA或PCI插槽，供数据采集卡20使用。

数据采集卡20插在计算机21的ISA或PCI槽内。可选用具有多路A/D，多路D/A，多路DI和DO的通用数据采集卡，根据需要选取相应的型号。本实施例采用台湾研华PCL-812PG。

阻力伺服电机15通过9比1的减速器25以及万向节26与EPS转向输出轴4相连，其功能为模拟汽车车轮对转向输出轴4的阻力。阻力伺服电机15的扭矩信号24、电流信号28传送到数据采集卡20。本实施例采用华中数控公司生产的伺服电机和伺服电机控制器。

伺服电机控制器17用于控制阻力伺服电机15的扭矩，并与数据采集卡20相连。

角度传感器14，位于方向盘1上，用于测量车轮的偏转角，向数据采集卡20提供车轮偏转角度信号14’。本实施例采用上海思博机械电气有限公司生产的25HPS-5线绕旋转式5圈电位器，也可以采用光电式码盘。

电流传感器22，采用外挂式霍尔电流传感器，用于测量电动助力转向系统的助力电机电流，提供一个与电机电流成比例的电压信号22’。

加速踏板信号18来自加速踏板，为O-5V的模拟电压信号，是驾驶员对车辆速度的控制信号，反映了车辆的当前运动速度。数据采集卡20采集以下信号：加速踏板信号18、车轮偏转角度δ信号14’、来自扭矩传感器7的扭矩传感器信号7’，助力电机3的输出扭矩信号27、电压信号22’，阻力伺服电机15的扭矩信号24、电流信号28并将这些信号传送给计算机21进行处理。

计算机21根据加速踏板信号18计算出车辆的运动速度和发动机转速(用一个简单的比例算法实现)，通过数据采集卡20向EPS控制器11输出一个与发动机转速和车辆速度成比例的脉冲信号9和10，使EPS正常工作。测试者通过手力转动方向盘1，给转向输出轴4施加一扭矩，并使车轮发生偏转，计算机21根据车轮偏转角度δ、车辆运动速度10，并根据下面给出的车辆运动模型和参数计算出车轮阻力Tr。由数据采集卡20向伺服电机控制器17发出一个与车轮阻力Tr成比例的控制信号23(其取值范围为O-5V)，控制伺服电机控制器17向阻力伺服电机15输出一个与控制信号23成比例的励磁电流16，以控制阻力伺服电机15输出到EPS输出轴4的阻力。

EPS控制器11采集扭矩传感器信号7’、车速信号10，向助力伺服电机3输出适当的控制电流8，控制助力的大小和方向。

阻力伺服电机输出的扭矩信号24、电机电流28，助力伺服电机3输出的扭矩信号27、电压信号22’送到数据采集卡20，用于EPS性能测试和反馈控制。

EPS控制器11采集来自扭矩传感器7的扭矩传感器信号7’、车速信号10，向伺服电机3输出一个控制电流信号8，控制助力的大小和方向。

将电压信号22’、以及测功机输出的扭矩信号24送到数据采集卡20，由计算机21进行处理后，用于电动助力转向系统性能测试。

首先分析一下汽车转向时车辆运动模型。

在建立运动微分方程时假定：驱动力不太大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左右ξ车轮轮胎由于载荷的变化而引起的轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的影响，直接以前轮转角作为输入，忽略悬架的作用，这样将汽车简化成一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。分析时，令汽车坐标系的原点与汽车质心重合(如图5)。

如图5所示，OX与OY为汽车坐标系的纵轴与横轴。质心速度V与t时刻在OX轴上的分量为u，在OY轴上的分量为v。由于汽车转向时伴有平移和转动，在t+Δt时刻，汽车坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化。所以，汽车质心加速度在OX轴上的分量为ax＝du/dt-v*Wr，在OY轴上的分量为

ay＝du/dt+u*Wr，

则汽车转向时的运动微分方程为：

Fy2+Fy1*cosδ＝m*(dv/dt+u*Wr)，          (1)

a*Fy1*cosδ-b*Fy2＝Iz*dWr/dt，           (2)

简化(1)(2)式，可得：

k1*a1+k2*a2＝m(dv/dt+u*Wr)，             (3)

a*k1*a1-b*k2*a2＝Iz*dWr/dt  ，           (4)

其中m代表汽车质量，Fy1，Fy2代表地面对前后轮的侧向反作用力，即侧偏力，δ代表前轮转向角，Iz代表汽车绕Z轴的转动惯量，k1代表前轮侧偏刚度(-28000～-80000N/rad)，k2代表后轮侧偏刚度(-28000～-80000N/rad)。

a代表质心到前轴的距离，b代表质心到后轴的距离，图5中a1，a2为侧偏角，质心的侧偏角为B，B＝v/u，ξ为汽车前轮速度v1与X轴的夹角。

ξ＝B+a*Wr/u，a1＝B+a*Wr/u-δ，a2＝B-b*Wr/u，

根据上述模型根据汽车加速度的变化可以求得汽车绝对速度Speed的变化大小。发动机转速EngRPM可由车速求得，

EngRPM＝Speed*1000*KfTRate[i]*KfMRate/2/3.14159/0.51/60。

KfMRate为主减速比，KfTRate[i]为变速器各传动比。

下面介绍电动助力转向系统仿真测试装置车轮阻力数学模型。对于转向系统的转向轴(包括上下两部分整体)而言，施加于方向盘的力矩Ts和电机传到转向轴的转矩Ta必须和作用于转向轴上的阻力矩T1平衡，T1主要是由车轮相对于地面的阻力产生的阻力矩造成的。如图6所示是转向轴下方，也就是齿轮齿条转向器，转向拉杆以及车轮的简单受力分析。TR为施加在转向小齿轮上的转距。当汽车转向时，地面相对于车轮一定会产生阻力距，使车轮回正。图6表示小齿轮以及车轮的受力情况。

将车轮的受力分解为沿车轮平面方向的Fx和垂直车轮平面的方向Fy。

$F_x=\frac{{\mathrm{AK}}_{x}s}{1-s},F_y=\frac{{\mathrm{AK}}_y\tan \mathrm{\α}}{1-s},$

K_x和K_y分别代表车轮纵向的轮胎刚度(0.1-20KN/mm)和横向轮胎刚度(0.1-2KN/mm)，A表示轮胎的接地面积，S代表滑移率，α代表侧偏角，δ为车轮转角，那么：

阻力F_R＝F_xsinδ+F_ycosδ

由于方向盘转角θ_sw与车轮转角δ之间的关系为：θ_sw＝nδ，n为转向比，所以路面阻力距传到小齿轮的阻力距T_r为

$T_r=F_R\×r=(\frac{{\mathrm{AK}}_{x}s}{1-s}\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}}{n}+\frac{{\mathrm{AK}}_y\tan \mathrm{\α}}{1-s}\cos \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sw}}}{n})\×r.$

r为小齿轮的半径。

图7至图9给出了仿真测试软件的主流程图、EPS调试流程图和EPS测试流程图。主流程图的说明如下：

①上电成功后，初始化812PG卡参数；

②向测试平台的各种参数初始化赋值，包括路面阻力系数、路面附着系数、车轮半径、转向小齿轮半径、转向比、车轮纵向轮胎刚度、车轮横向轮胎刚度、轮胎的接地面积、滑移率、侧偏角、档位比、车速、发动机转速等；

③扫描菜单按钮，确定是EPS调试还是EPS试验。然后转到相应的程序。

使用本实用新型，可以采用两种方法来进行仿真测试，一种为变车速法，另一种是定车速法。前者用于电动助力转向系统的功能试验，后者用于电动助力转向系统的各种特性试验。

1、变车速法。测试者踩下加速踏板，仿真测试装置的计算机根据加速踏板的位置、车轮偏转角度以及车辆模型和参数计算出车辆的行驶速度以及车轮的阻力，通过数据采集卡向阻力伺服电机输出一个励磁信号，控制阻力伺服电机输出到EPS的阻力，同时输出一车速脉冲信号给阻力伺服电机控制器。测试者转动方向盘，给转向机构施加一扭矩。

测试中，测试者在转动方向盘的过程中，感觉是否平滑、是否有卡滞现象、方向盘有无明显的振动感、转动方向盘至某一角度停下时输出端是否有惯性延迟等。

2、定车速法。通过计算机屏幕菜单设置固定车速，计算机根据车速、车轮偏转角度利用车辆模型和参数计算出车轮阻力，通过数据采集卡向阻力伺服电机输出一个励磁信号，控制阻力伺服电机输出到电动助力转向系统转向机构的阻力。测试者转动方向盘，给转向机构施加一扭矩，通过数据采集卡采集扭矩传感器信号、车速信号，向伺服电机输出适当的控制电流，以控制助力的大小和方向。这种方法用于测试电动助力转向系统的各种特性曲线。如：

(1)负荷特性试验

(1.1)试验程序

通过屏幕菜单设定车速(根据车辆不同，可给车速一个固定的间隔值，如0，20km/h、40km/h等)，以较低的速度转动方向盘，方向盘从0度转到最大角度，再回到0度，反向转动到反向最大角，再回到0度。仿真测试装置自动记录方向盘的角度、负载加载力矩。

(1.2)试验曲线

根据前面的试验数据，自动绘制方向盘角度-负载加载力矩曲线、方向盘角度-手力曲线

(2)电机电流特性试验

(2.1)试验程序

通过屏幕菜单设定车速，以较低的速度转动方向盘，方向盘从0度转到最大角度，再回到0度，反向转动到反向最大角，再回到0度。仿真测试装置自动记录方向盘的角度以及伺服电机驱动电流。

(2.2)试验曲线

根据前面的试验数据，自动绘制方向盘角度-伺服电机驱动电流曲线。

(3)冲击试验

(3.1)试验程序

通过屏幕菜单设定车速，方向盘静止不动，在转向器的输出端以顺时针方向施加冲击力，仿真测试装置自动记录冲击力的大小和方向盘的角度变化。然后在转向器的输出端以逆时针方向施加冲击力，仿真测试装置自动记录冲击力的大小和方向盘的角度变化。

(3.2)试验曲线

根据前面的试验数据，自动绘制方向盘角度-冲击力曲线。

(4)低速回正试验

(4.1)试验程序

通过屏幕菜单设定一较低车速(如20km/h)，通过手力快速以顺时针方向转动方向盘，仿真测试装置自动记录方向盘的角度变化。然后，快速以逆时针方向转动方向盘，仿真测试装置自动记录方向盘的角度变化。

(4.2)试验曲线

根据前面的试验数据，自动绘制方向盘角度-时间曲线。

(5)高速回正试验

试验方法同上，只是将车速设定在一较高的速度下，如80km/h。

Claims (1)

1、一种汽车电动助力转向系统仿真测试装置，其特征在于：该装置包括阻力伺服电机(15)、减速器(25)、伺服电机控制器(17)、电流传感器(22)、角度传感器(14)和插有数据采集卡(20)的计算机(21)；

阻力伺服电机(15)通过减速器(25)及万向节(26)与EPS的转向输出轴(4)相连，用于模拟汽车车轮对转向输出轴(4)的阻力，其扭矩信号(24)传送到数据采集卡(20)；

伺服电机控制器(17)与数据采集卡(20)相连，用于控制阻力伺服电机(15)的扭矩；

电流传感器(22)，用于测量电动助力转向系统的电机电流，向数据采集卡(20)提供一个与电机电流成比例的电压信号(22’)；

角度传感器(14)位于方向盘(1)上，用于测量车轮的偏转角，并向数据采集卡(20)提供车轮偏转角度信号(14’)；

计算机(21)通过数据采集卡(20)采集数据和传送控制命令，并对采集的数据进行处理，获取测试结果。

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