基于ADAMS的EPS建模与联合仿真研究

●军用车辆工程　M ilit ary Veh i cle Eng i n eer i n g基于ADA MS 的EPS 建模与联合仿真研究盛德浩,陈安宇,张家玺(汽车管理学院装备技术系,安徽蚌埠233011)摘　要:以EPS 控制系统对于安装了EPS 汽车的操纵稳定性是否有重要影响为研究目的,应用MAT LAB 与ADAMS 软件相结合的方法,建立了EPS 控制系统仿真模型与整车仿真模型,并进行了联合仿真研究,结果显示EPS 控制系统对汽车转向性能有重要影响。

关键词:动力学模型;联合仿真;控制系统;ADAMS;MAT LAB 中图分类号:TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1674-2192(2009)04-0064-07D esi gn and Research on EPS Con trol SystemS i m ul a ti on M odel Ba sed on ADAM SS HE NG De -hao,CHE N An -hu,ZHANG J ia -xi(Equi pment Technol ogy Depart m ent,Aut omobile Mange ment I nstitute,Bengbu 233011,China )Abstract:This paper ai m s at studing whether electric power assisting characteristic has i m pacts on handling stability of ve 2hicle with EPS,and intr oduces that the vehicle model built by the ADAM S s oft w are and the EPS (Electric Power Steering )contr ol syste m model built in MAT LAB envir on ment are used t o set up the united si m ulati on .Research conclusi on p r oves the EPS contr ol syste m has i m portant i m pacts on aut omobile steering perfor mance .Keywords:dyna m ic model;united si m ulati on;contr ol syste m;ADAMS;MAT LAB　收稿日期:2008-10-12;修回日期:2009-05-08.作者简介:盛德浩(1974—　),男,硕士,讲师. 转向系统是汽车的主要子系统之一,其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。

随着人们对汽车舒适性和安全性要求的日益提升,越来越多的汽车开始应用集环保、节能、安全、舒适为一体的电动助力转向系统。

计算机技术的迅速发展,机械系统多体动力学软件ADAM S 和科学工程计算软件MAT LAB 的开发,为电动助力转向系统的研究提供了更为方便有效的平台。

本文在对EPS 深入研究的基础上,用ADAM S 软件建立整车模型,并用MAT LAB 软件建立EPS 控制系统模型。

应用MAT LAB 与ADAM S 软件相联合,将电动助力转向控制系统与整车模型相结合,进行联合仿真研究。

1　基于ADAM S /Car 整车动力学模型的建立 ADAM S /Car 采用的用户化界面是根据汽车工程师的习惯而专门设计的。

工程师不必经过任何专业培训,就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作。

ADAM S /Car 包括整车动力学模块(vehi 2cle dynam ics )和悬架设计模块(sus pensi on design ),其仿真工况包括:方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验第11卷　第4期2009年7月军事交通学院学报Journal of Acade my of M ilitary Trans portati onVol .11　No .4July 2009和稳态转向试验等。

整车系统划分为前后悬架系统、车身、转向系统、轮胎系统、动力总成系统等。

如图1所示,整车模型通过通讯器(communicate )将各子系统联系到一起。

通讯器在模板中建立,它表示各子系统间的相互关联。

图1　ADAM S /Car 建模原理图在ADAM S /Car 下建立一个典型的整车系统动力学模型,如图2所示为本文研究所建立的整车模型。

图2　整车模型2　EPS 动力学模型的建立图3为本文研究的电动转向系统的简化模型。

为了分析方便,把前轮和转向机构向转向轴简化,扭矩传感器安装在方向盘和减速机构之间,可以看成是刚度为K s 的扭力杆,实时测量方向盘输入扭矩。

直流电动机的输出扭矩经过蜗轮蜗杆放大后,与输入扭矩一起作用于转向轴上,从而实现转向和助力的过程。

1)扭杆动力学方程为T h -T s =J h ¨θh +B h θh(1)2)传感器输入转矩为T s =K s (θh -θc )(2)3)转向阻力矩为T L =K c ・θc(3)图3　电动转向系统动力学模型4)扭矩测量值为T s -T L =J c ¨θc +B c θc(4)5)电动机动力学方程为T m -T a G=J m ¨θm +B m θm(5)6)直流电机电磁转矩为T m =K T ・I m (6)7)电机输入电压为u =K E θm +R I m +L I ・m(7)式中:T h 为转向盘上施加的转向力矩;T s 为转矩传感器检测到的转向力矩;T L 为等效到转向轴的转向阻力矩;T m 为助力电机产生的电磁转矩;T a 为助力电机作用到转向轴上的助力转矩;θh 为转向盘转角;θc 为前轮等效到转向轴转角;θm 为助力电机转角;I m 为助力电机电流;u 为电机电枢控制输入电压;J h 为转向盘转动惯量,J h =0.04kg ・m 2;J c 为前轮及转向机构向转向轴等效后转动惯量,J c=0.06kg ・m 2;J m 为助力电机转动惯量,J m =4.52×10-4kg ・m 2;B h 为转向轴与支撑之间的摩擦系数;B c 为转向机构与前轮等效到转向轴的摩擦系数,B c =3N ・m ・s/rad ;B m 为助力电机转轴与支撑之间的摩擦系数,B m =3.39×10-3N ・m ・s/rad ;K c 为等效到转向轴前轮侧偏刚度,K c =605N ・m /rad ;K T 为助力电机电磁转矩系数,K T =0.04N ・m /rad ;K E 为助力电机反电动势系数,K E =0.02V ・s ;R 和L 分别为助力电机的电阻和电感,R =0.04Ω,L =1×10-4H ;G 为助力电机的传动比,G =16.5。

3　EPS 助力控制策略电动助力转向的助力特性有直线型、折线型和曲线型3种典型的形式。

本文研究中采用的是直线型助力特性曲线,如图4所示。

目前,EPS 系统有采用更多传感器的趋势,如562009年7月盛德浩等:基于ADAM S 的EPS 建模与联合仿真研究图4　直线型助力特性采用角度位置传感器以获得良好的回正特性,采用横摆角速度传感器以改进车辆的操纵稳定性[2],但其主要工作原理仍然是基于转向转矩传感器的转向转矩助力控制。

图4是其基本助力特性曲线图,它规定了助力电机的目标电流与车速V 及驾驶员的转向操纵输入力矩T d 的关系。

这样的设计要求,可以兼顾汽车低速时的转向轻便性和高速时的操纵稳定性,以及驾驶员在操纵汽车时对路感的要求。

为了实现上述理想的EPS 助力特性,就需要对助力电机控制器进行设计。

目前EPS 控制系统中最常见的助力电机控制方式主要是助力电机电流的闭环给定控制[3],其控制功能结构框图如图5所示。

图5　助力电机电流给定闭环控制在应用中,图4的助力特性图的纵坐标电机电流给定变量I set ,与要求的目标助力力矩T a 之间的关系为I set =T a /K i G(8)助力电机产生的力矩T m 与其电枢电流I m 的线性关系为T m =K T I m(9)式中:K T 是助力电机电磁转矩系数。

因此这样的控制结构能使EPS 的助力特性较好地按照图4的助力特性图工作。

在这样的EPS 系统中,对实际的助力特性调整也较直观和容易。

另外,电流闭环控制用的P I D 控制,设计过程简单、控制参数调整方便和直观、控制算法实现容易、对控制用单片机的工作速度要求也不高,到目前为止,这样的控制结构仍是一种较经济实用的EPS 助力电机控制策略。

4　联合仿真控制系统模型设计4.1　联合仿真原理ADAM S 和控制软件之间是通过状态变量进行通讯的。

因此,输入输出必须基于一组状态变量进行定义。

在ADAM S /Control 中,输出指从AD 2AM S 传到控制软件的数据,输入指从控制软件传回ADAM S 的数据,这样,输入输出就在ADAM S 和控制软件中形成闭合回路[1-2],如图6所示。

图6　联合仿真示意图ADAM S 建立联合仿真系统的机械模型并添加外部载荷及约束,MAT LAB /Si m ulink 建立联合仿真系统的控制部分,ADAM S /Controls (控制模块)将两者连接起来,利用MAT LAB /Si m ulink 的控制输出来驱动机械模型,并将ADAM S 中机械模型的位移、速度等输出反馈给控制模型,实现在控制系统软件环境下的交互式仿真,还可以在ADAM S /V iew 或ADAM S /Solver 中观察仿真结果。

对于使用ADAM S 和MAT ALAB 的联合仿真来说,联合是由MAT ALAB 的子程序来控制的,这个子程序建立了数据交换的通道,并在每一个时间段启动AD 2AM S 。

在仿真过程中,2个软件包使用相同的时间步长,在每个时间步的开始和结束,2个软件包交换输入输出信号数据。

对于2个软件通信间隔的时间步长由数字的稳定性和仿真的精确度来决定。

4.2　联合仿真控制系统模型设计在已经建立好的整车模型的基础上,通过设定控制系统的输入、输出参数,使它们和控制系统相连。

将模型的助力扭矩设定为输入,将模型的方向盘转矩和车速变量设定为输出,同时将这些变量作为控制器的输入传递给控制系统。

设置好系统参数后,在ADAM S 中利用ADAM S /Controls 模块,输出联合仿真文件,此文件包含了整车模型的参数。

最后可得出联合仿真控制模型,结构框图如图7所示。

66 军　事　交　通　学　院　学　报第11卷　第4期图7　联合仿真模型5　联合仿真结果及分析利用联合仿真控制系统模型,并参照文献[3]对转向操纵性能进行评价的相关规范,对装备EPS 整车模型进行与转向特性相关的性能参数的仿真分析。